CN204030870U - 一种带有编码器功能的伺服电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有编码器功能的伺服电机，包括转子、定子、霍尔元件，以及用于将霍尔元件输出的波形电压信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器的信号处理电路。所述转子的磁瓦的单体边缘上设置齿形结构，齿形结构作为磁栅；在转子旋转时，转子磁瓦和霍尔元件之间产生相对位移；所述霍尔元件包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，第一霍尔元件、第二霍尔元件的设置位置均正对着转子磁栅运动的圆周轨迹，二者之间的夹角符合(n±1/4)T的规则，其中n为整数，T代表磁栅的一个周期。本实用新型实现了伺服电机和编码器的一体化，结构紧凑，体积小，同时结构强度和可靠性高。

Description

一种带有编码器功能的伺服电机

技术领域

本实用新型涉及伺服电机研究领域，特别涉及一种带有编码器功能的伺服电机。

背景技术

目前，传统的伺服电机为实现位置检测功能，一般是在电机本体外部加装一编码器，这种结构使得电机整体体积变大。同时，现有的编码器都是光电式和磁式，具有防护等级低、强度差、耐冲击性能差的缺点。

针对上面的两个问题，本领域研究人员提出了一些改进方法。例如针对电机体积大的问题，公开号为CN1815860A的专利公开了一种带编码器的小型电动机，该电动机通过设置驱动用磁体和信号用磁体来进行检测，从而实现小型化。针对编码器易于强度差、耐冲击性能差的缺点，授权公告号为CN203537182U的专利公开了一种伺服电机和伺服编码器一体结构，提出在编码器本体和电机壳体上分别设置相互配合的定位机构，从而使电机的电机轴发生沿其轴向窜动的状况时也不会伤害到编码器。公开号为CN102468714A的专利公开了一种带编码器的电动机及电动机用编码器，该编码器上设置了一凸部，在电动机轴的反负载侧的端部形成一凹部，通过二者结合，编码器固定在电动机轴上。

但是上述改进均仅仅是针对其中一个问题进行了改进，都无法同时克服上述两个问题，而上述两个问题是影响伺服电机正常运行的关键因素，因此，如何能够同时克服上述两个问题具有重要的研究意义。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种带有编码器功能的伺服电机，该电机利用转子磁瓦实现编码器功能，从而减少生产材料和工序，有效降低伺服电机的生产成本，同时大大提高伺服电机的抗冲出性能，显著提高伺服电机的结构强度和可靠性。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：一种带有编码器功能的伺服电机，包括转子、定子、霍尔元件，以及用于将霍尔元件输出的波形电压信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器的信号处理电路；所述转子的磁瓦的单体边缘上设置齿形结构，齿形结构作为磁栅；在转子旋转时，转子磁瓦和霍尔元件之间产生相对位移；所述霍尔元件包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，第一霍尔元件、第二霍尔元件的设置位置均正对着转子磁栅运动的圆周轨迹，二者之间的夹角符合(n±1/4)T的规则，其中n为整数，T代表磁栅的一个周期。从而用伺服电机转子磁瓦实现编码器的磁栅功能。

优选的，所述齿形结构为圆弧齿或矩形齿。

优选的，所述霍尔元件还包括零点霍尔元件，零点霍尔元件设置在与电机零点磁铁相对的位置。

优选的，所述转子磁瓦为金属磁栅式结构。所以抗冲击性能得到显著提高。

上述伺服电机的位置检测方法是：转子磁瓦旋转从而产生交变的磁场，第一霍尔元件和第二霍尔元件分别将交变的磁场转换成交变的电压信号输出到信号处理电路，信号处理电路根据所采集的这两个信号的波形关系，将采集到的波形电压信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、传统的伺服电机一般是由伺服电机本体和编码器构成，传统伺服电机转子磁瓦单体的边缘只是一条直线不具备磁栅的功能，本实用新型在转子磁瓦单体的边缘上做了多个齿形结构以作为编码器的磁栅，从而将伺服电机和编码器做成一体化，由于不用在伺服电机本体外部留编码器的安装位置，结构更紧凑，有效减少伺服电机的体积，以常用安装尺为130毫米，输出扭矩为7.5牛·米的电机为例，可减小25％的体积。同时，还省去伺服电机本体外部装配编码器的材料和工序，降低生产成本。

2、对比传统的编码器玻璃光栅码盘容易碎裂的缺点，本实用新型采用霍尔元件和转子金属磁栅式结构实现编码器功能，大大提高伺服电机的抗冲出性能，显著提高伺服电机的结构强度和可靠性。

3、本实用新型能有效改善伺服电机防护结构，可提高伺服电机防护等级。传统的编码器防护等级一般为IP40，而且安装在伺服电机本体外部，需要安装编码器保护罩壳，来提高伺服电的防护等级，本实用新型的编码器功能部件安装在伺服电机本体内部，简化了伺服电机的防护结构，并可提高伺服电机的防护等级。

附图说明

图1是本实用新型伺服电机总体结构示意图。

图2是图1所示伺服电机内转子处的结构示意图。

图3是实施例1转子磁瓦的运动示意图。

图4是实施例1霍尔元件输出电压波形图。

图5是霍尔元件的分布规则说明示意图。

图6是实施例2转子磁瓦齿形结构示意图。

图7是实施例2转子磁瓦的运动示意图。

图8是实施例2霍尔元件A输出电压波形图。

图9是实施例2霍尔元件B输出电压波形图。

图10是实施例2霍尔元件Z输出电压波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1、2、3所示，本实施例所述的带有编码器功能的伺服电机，包括传统电机的转子1和定子3，本实用新型提出在转子磁瓦11上设置齿形结构2，本实施例的齿形结构如图3中的21所示，为圆弧形。这里齿形结构作为编码器的磁栅。

伺服电机还包括第一霍尔元件4(本实例中霍尔元件A)、第二霍尔元件8(本实例中霍尔元件B)、零点霍尔元件7、PCB电路板5和零点磁铁6，其中第一霍尔元件4、零点霍尔元件7、PCB电路板5、零点磁铁6、与转子磁瓦11的位置关系如图1、2、3所示，零点磁铁6在电机的位置如图2所示。

如图5所示，本实施例第一霍尔元件4、第二霍尔元件8设置位置均正对着转子磁栅运动的圆周轨迹，且符合相邻霍尔元件的夹角为(n±1/4)T的规则，其中n为整数，T代表磁栅的一个周期。第一霍尔元件4、第二霍尔元件8所设位置的延长线相交于电机转子轴心P。

设霍尔元件A与转子磁瓦的位置如图4中所示，霍尔元件A输出电压波形如图中A信号，此时霍尔元件B与转子磁瓦的位置如图4中所示，霍尔元件B输出电压波形如图中B信号。零点霍尔元件只有转子转过电机零点时才会工作，而且转子每旋转一周，零点霍尔元件才会工作一次，用以区分别电机的起点位置。

本实施例伺服电机的位置检测过程是：

(1)转子旋转，会使转子磁瓦和霍尔元件之间产生相对位移，从而产生交变的磁场；

(2)霍尔元件将交变的磁场转换成交变的电压信号输出到信号处理电路(集成在PCB电路板5上)，

(3)信号处理电路对信号进行AD转换，然后采用正余弦细分处理(现有已知的处理方法)得到绝对式编码器位置信号，将此位置信号经总线输出接口输出到伺服驱动器。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：如图6、7所示，本实施例中，转子磁瓦的单体边缘上设置的齿形结构如图7中的22所示，为矩形齿。

本实施例中，第一霍尔元件(霍尔元件A)、第二霍尔元件(霍尔元件B)和零点霍尔元件Z的位置关系同实施例1，均如图5所示。图8给出了霍尔元件A与转子磁瓦的相对位置以及处于该相对位置时，霍尔元件A输出的电压波形图。图9给出了霍尔元件B与转子磁瓦的相对位置以及处于该相对位置时，霍尔元件B输出的电压波形图。图10给出了零点霍尔元件Z与转子零点磁铁的相对位置以及处于该相对位置时，零点霍尔元件Z输出的电压波形图。

本实施例中，霍尔元件A和霍尔元件B输出的信号均为方波信号，信号处理电路对方波信号进行方波整形，然后进行信号放大处理，最后将信号作为增量式编码器脉冲信号输出给伺服驱动器。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带有编码器功能的伺服电机，包括转子、定子、霍尔元件，以及用于将霍尔元件输出的波形电压信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器的信号处理电路；其特征在于，所述转子的磁瓦的单体边缘上设置齿形结构，齿形结构作为磁栅；在转子旋转时，转子磁瓦和霍尔元件之间产生相对位移；所述霍尔元件包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，第一霍尔元件、第二霍尔元件的设置位置均正对着转子磁栅运动的圆周轨迹，二者之间的夹角符合(n±1/4)T的规则，其中n为整数，T代表磁栅的一个周期。

2.根据权利要求1所述的带有编码器功能的伺服电机，其特征在于，所述齿形结构为圆弧齿或矩形齿。

3.根据权利要求1所述的带有编码器功能的伺服电机，其特征在于，所述霍尔元件还包括零点霍尔元件，零点霍尔元件设置在与电机零点磁铁相对的位置。

4.根据权利要求1所述的带有编码器功能的伺服电机，其特征在于，所述转子磁瓦为金属磁栅式结构。