CN1731668A - 超声波电机定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对位置准确定位和步进误差归零的超声波电机定位装置，该装置包括作为传感器的磁编码器、接收处理器和超声波电机。磁编码器由定位圆盘和磁条组成，磁条均布在定位圆盘上。接收处理器由霍尔片和驱动处理电路组成。霍尔片嵌入在超声波电机壳上，磁编码器固定设置在超声波电机轴上与霍尔片平行设置并留有间隙。霍尔片感受有序排列磁条的磁信号，经电路处理后形成相位有序的电压脉冲信号，并反馈到超声波电机控制电路中，控制电机驱动信号的通断，实现超声波电机的准确定位和位置归零。本发明的超声波电机定位装置结构简单、体积小、精度高、安装使用方便。
Description
技术领域
本发明属于自控检测技术领域，具体涉及一种需要对位置准确定位和步进误差归零的超声波电机定位装置。
背景技术
超声波电机是一种利用逆压电效应原理工作的新型压电驱动器，一般采用驱动电压幅值、驱动频率和相位差作为控制量对其进行控制。鉴于目前超声波电机技术研究的现状，尚未确定超声波电机准确的数学模型，加之超声波电机具有强烈的非线性特性，建立准确的超声波电机的控制理论模型较为困难。因此探寻合理的超声波电机的控制方法，特别对用作位置定位和步进功能的超声波电机的控制方法是实现超声波电机实用化的一个重要课题。
目前，对定位和步进应用的超声波电机采用两种控制方法：软件控制方法和定位装置控制方法。软件控制方法有PI控制、模糊控制或神经网络等不采用数学模型或采用简化数学模型的定位控制方法，但这些控制方法存在控制精度低、控制算法复杂或计算量大的缺点，特别是这些定位方法均采用位置开环控制，因此用作电机步进控制时会存在误差积累的问题。
采用定位装置的有机械触点接触式位置定位方法和利用光电编码器定位方法。机械触点接触式位置定位方法定位精度和可靠性不高，同时在电机旋转时机械触点和定位盘片的接触会消耗一定的电机输出力矩，在小力矩输出的超声波电机应用中受到限制。
采用光电编码的方法对超声波电机的进行位置定位，是通过检测光电编码器输出的脉冲个数来确定电机的转动角度，进而实现对电机的位置控制。《中国电机工程学报》(2004，24，N.1，P.71-75)一篇题为《超声波电机的步进特性和步进定位控制》(作者：纪可辉、郭吉丰、刘晓)的文章，介绍了采用光电编码器实现电机步进定位的方法，但是该方法仍没能解决电机步进时位置误差积累问题，同时由于光电编码器和检测装置体积较大且结构复杂，不利于微小型超声波电机的位置控制和系统的小型化设计。
发明内容
为了解决超声波电机的位置定位控制中存在的位置定位和步进误差累积的问题，本发明提供了一种具有无接触脉冲式、能进行位置定位和消除步进累积误差的超声波电机定位装置。
本发明是这样实现的，本发明为一种超声波电机定位装置，含有作为传感器的磁编码器、接收处理器和超声波电机。磁编码器包括定位圆盘和磁条，定位圆盘上的一面设置有镶嵌磁条的磁条定位槽，磁条固定设置在磁条定位槽中；接收处理器包括霍尔片和驱动处理电路；超声波电机的机壳上设置有霍尔片安装定位槽，霍尔片嵌入在霍尔片安装定位槽中；磁编码器固定设置在超声波电机轴上，定位圆盘上设置有磁条的一面与霍尔片平行对应设置并留有间隙，霍尔片与定位圆盘上的磁条对应设置。
本发明的接收处理器是由霍尔片及驱动处理电路组成。选用的霍尔片是线性输出型，封装形式是表贴型的，有四个管脚，其中两个管脚是驱动信号输入端，另外两个管脚是霍尔感应电压信号输出端。驱动处理电路由电流源电路和差动电压放大电路组成。包括运算放大器的差动电压放大电路的两路差分输入端分别和霍尔片的两个输出端相连接，电流源电路给霍尔片提供驱动电流，霍尔片输出的微弱的感应电压信号经差动放大电路中的运算放大器放大输出，输出的信号反馈到超声波电机控制系统中的微控制单元，进而实现电机的位置控制。
本发明的磁编码器所用的磁条为薄型磁片，采用的材料是高性能永磁体，如钐钴等材料。
磁编码器中的定位圆盘采用具有抗变形、抗磁性的材料，可以是金属材料，如铝、铜等，也可以是非金属抗磁性材料，如石英、聚四氟己烯、有机玻璃、聚砜等。
采用上述结构的超声波电机位置定位系统，当电机转动时，与电机同轴固定的定位圆盘上的磁条与霍尔片的相对位置也会发生相应的变化，从而霍尔片感受到的磁体的磁场强度也会发生改变，由霍尔效应原理知：
UH＝KHIBsinα (1)式中，UH------霍尔感应电压(V)；
I------霍尔片驱动电流(A)；
B------垂直作用于霍尔元件面上的磁感应强度(Wb/m)；
α------霍尔片与磁场方向之间的夹角(°)；
KH------霍尔常数(m3/s·A)，仅与霍尔片的材料有关。
由式(1)可知，当霍尔片与磁体之间的相对位置发生改变而引起作用到霍尔片上的磁场变化时，霍尔片输出的感应电压就会相应地发生变化，具体变化规律是：当磁条远离霍尔片时，霍尔片感受到的磁条的磁场强度变小，霍尔片输出的感应电压就越小；反之，霍尔感应电压就越大。当定位圆盘转动到使其上的磁条与霍尔片相对齐的位置，此时，霍尔片感受到的磁条磁场强度最大，霍尔片输出的的感应电压也达到最大值。这样，每当磁条接近和远离霍尔片时，便会产生一个脉冲式的霍尔感应电压。因此当电机每转动一个步进角(即定位圆盘上相邻两片磁体之间的夹角)时，霍尔片就会输出一个电压脉冲信号，这个电压脉冲信号再经驱动电路中的运算放大器进行放大处理反馈到超声波电机的控制器，如计算机或其他微控制器，对超声波电机驱动信号的通断控制，从而实现电机的步进定位控制。
当电机的微控制器接收到一个启动信号，电机就开始转动，当电机转动到霍尔片与定位圆盘上的一个磁条相对时(即电机转动了一个步进角)，定位装置就会输出一个脉冲电信号，此信号反馈到电机的微控制器，微控制器检测到反馈的脉冲信号后就使电机停止运行直到收到下一个电机启动信号。由于定位圆盘上相邻磁条的位置是相对固定的，因此电机每次转过的角度也是相对固定的，电机单步运行的误差不会积累到下一步，即具有步进累积误差归零的功能。
本发明的超声波电机定位装置利用非接触方式的电磁感应技术，相对接触式定位装置而言，消耗电机的有效输出力矩很小，同时提高了电机对振动及温度变化条件下的适应能力。
采用小型磁条均布的方法，使磁场能量集中，因而定位装置的输出是脉冲电压信号，相对采用整体分布、磁场能量连续的磁编码器输出的连续信号而言，本发明定位精度高、抗干扰能力强，处理电路简单。
霍尔片采用恒流源驱动，这种驱动方式确保系统的稳定性和线性度。
选用高性能不易氧化的钐钴材料，进行整体粘接加工，然后切割、装嵌，再去充磁，确保了微小型磁编码器器的磁场能量集中。
本发明的无接触式定位装置结构简单、体积小、精度高、安装方便，在对超声波电机控制装置不做大的改变的情况下就可安装该装置。
下面结合附图和实施例对本发明作具体描述
附图说明
图1为本发明的超声波电机定位装置实施例的结构示意图
图2为本发明的超声波电机定位装置实施例中的磁编码器的俯视图
图3为本发明的超声波电机定位装置实施例中的霍尔片嵌入电机的结构示意图
图4为本发明的超声波电机定位装置实施例的接收处理器中的驱动处理电路原理图
图中1.超声波电机 2.霍尔片 3.磁条 4.定位圆盘 5.超声波电机轴 6.霍尔片驱动信号输入正端 7.霍尔片驱动信号输入负端 8.霍尔片输出电压信号负端9.霍尔片输出电压信号正端 10.电流源电路 11.差动电压放大电路 12.电压信号输出端 13.霍尔片安装定位槽
具体实施方式
图1中，一种超声波电机定位装置，含有作为传感器的磁编码器、接收处理器和超声波电机1；磁编码器包括定位圆盘4和磁条3，定位圆盘4上的一面设置有镶嵌磁条3的磁条定位槽，磁条3固定设置在磁条定位槽中；接收处理器包括霍尔片2和驱动处理电路；超声波电机1的机壳上设置有霍尔片安装定位槽13，霍尔片2嵌入在霍尔片安装定位槽13中；磁编码器固定设置在超声波电机轴5上，定位圆盘4上有磁条的一面与霍尔片平行对应设置并留有间隙，霍尔片2与定位圆盘4上的磁条对应设置。超声波电机1采用的步进角是45°，在磁编码器的定位圆盘4上按照相同的磁极方向且45°角度间隔设置磁条，磁条数目N取值为8。
在图2中，磁编码器的定位圆盘4采用非金属抗磁材料石英制作，在磁编码器的定位圆盘4上每隔45°等间隔刻有放置磁条的磁条定位槽，磁条定位槽的数目为8个。8个磁条的设置按相同极性分别嵌放在定位圆盘4上的8个磁条定位槽内，磁条3采用矫顽力大的高性能永磁材料钐钴制作成薄型长方体形状。为了保证位置定位精度，制作定位圆盘4的材料应满足耐一定环境温度变化而不发生形变的强度要求。磁条粘贴到定位圆盘4的磁条定位槽上时，要注意粘胶的厚度，确保粘贴的均匀性。
图3为本发明的超声波电机定位装置实施例的霍尔片嵌入超声波电机的结构示意图，霍尔片2选用市售灵敏度高、具有线性输出的表贴器件，型号为HW-101A，霍尔片2嵌入到超声波电机1的霍尔片安装定位槽13中。霍尔片2有四个管脚，分别为霍尔片驱动信号输入正端6、霍尔片驱动信号输入负端7、霍尔片输出电压信号正端9和霍尔片输出电压信号负端8。
在图4中，接收处理器中驱动处理电路的电流源电路10的两端分别与霍尔片驱动信号输入正端6和霍尔片驱动信号输入负端7连接，对霍尔片2进行驱动。霍尔片输出电压信号负端8与包括运算放大器的差动电压放大电路11的电阻R2连接，霍尔片输出电压信号正端9与差动电压放大电路11的电阻R1连接，以实现对霍尔片2输出的微弱霍尔感应电压信号进行放大，放大倍数由R4和R3确定，放大后的电压信号通过差动电压放大电路11的电压信号输出端12输出，输出的电压信号反馈到超声波电机控制系统中的微控制器，实现超声波电机位置的控制。
Claims (6)
1.一种超声波电机定位装置，含有作为传感器的磁编码器、接收处理器和超声波电机；其特征在于：磁编码器包括定位圆盘(4)和磁条，定位圆盘(4)上的一面设置有镶嵌磁条的磁条定位槽，磁条固定设置在磁条定位槽中；接收处理器包括霍尔片(2)和驱动处理电路；超声波电机(1)的机壳上设置有霍尔片安装定位槽(13)，霍尔片(2)嵌入在霍尔片安装定位槽(13)中；磁编码器固定设置在超声波电机轴(5)上，定位圆盘(4)上设置有磁条的一面与霍尔片平行对应设置并留有间隙；霍尔片(2)与定位圆盘(4)上的磁条对应设置。
2.根据权利要求1所述的超声波电机定位装置，其特征在于：所述的磁编码器中的磁条在定位圆盘(4)上按照相同的磁极方向且等角度间隔设置，磁条数目为N，且N≥2，相邻磁条间隔角度为360°/N。
3.根据权利要求1所述的超声波电机定位装置，其特征在于：所述的驱动处理电路由电流源电路(10)和差分放大电路(11)组成，包括运算放大器的差动电压放大电路(11)的两路差分输入端分别与霍尔片(2)的霍尔片输出电压信号负端(8)和霍尔片输出电压信号正端(9)连接。
4.根据权利要求1所述的超声波电机定位装置，其特征在于：所述的磁编码器中的磁条采用永磁材料钐钴。
5.根据权利要求1所述的超声波电机定位装置，其特征在于：所述的定位圆盘(4)采用抗变形、抗磁性的金属材料铝或铜。
6.根据权利要求1所述的超声波电机定位装置，其特征在于：所述的定位圆盘(4)采用抗变形、抗磁性的非金属材料石英、聚四氟乙烯、有机玻璃、聚砜中的任一种。
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