CN207339579U - 一种永磁同步电机用编码传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种永磁同步电机用编码传感器，其包括：磁性编码器和传感器本体总成，磁性编码器相对于传感器本体总成可旋转设置，并产生周期变化的连续磁场；传感器本体总成从不同方位同步采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，并对应输出绝对量式信号；同时还可根据同步采集到的信号进行对极运算。本实用新型提供的磁性编码传感器的电路设计简单，实现方式巧妙，从而研发投入少，成本低。

Description

一种永磁同步电机用编码传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器，具体设计用于检测转子位置的传感器。

背景技术

永磁同步电机安装用于检测转子位置的传感器后需要对传感器进行标定，以检测出传感器输出的位置信号与转子实际位置之间的夹角。

标定动作通常在永磁同步电机安装完成后，用夹角检测装置进行检测，最终得出传感器输出的位置信号与转子实际位置之间的夹角，这个夹角数据将用于控制永磁同步电机的控制器中。因此需要将夹角数据通过激光刻印等方式刻印在永磁同步电机的铭牌上。

系统调试者在调试控制器和带有传感器的永磁同步电机时，需要将永磁同步电机铭牌上的夹角数据输入控制器对应的参数位置里，以达到更好的控制效果。这样的传感器方案在实际的应用过程中存在许多的缺点：

1.由于传感器输出的位置信号与转子实际位置之间的夹角是不统一的，因此需要在制造过程中增加记录该夹角数据的工序，同时需要配备专门的激光刻印设备或者其他刻印设备，不仅增加了成本还增加了制造工时。

2.由于夹角的不统一，系统调试者需要逐个将永磁同步电机铭牌上的夹角数据输入控制器，增加了使用过程中的复杂程度。

3.控制器内将对应的永磁同步电机的夹角数据输入后，控制器与永磁同步电机只能一一对应，无法与其他控制器或永磁同步电机互换。

4.在维修时，由于夹角数据的差异，控制器或者永磁同步电机都无法实现即插即用，需要专业的技术人员完成夹角数据输入。

5.另外，现有永磁同步电机传感器其性能及可靠性还有待提高。

实用新型内容

针对上述现有传感器在对极方面所存在的问题，需要一种结构简单，运行可靠的能够自动完成对极的传感器。

为此，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机用编码传感器。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的永磁同步电机用编码传感器，包括：

磁性编码器，所述磁性编码器相对于传感器本体总成可旋转设置，并产生周期变化的连续磁场；

传感器本体总成，所述传感器本体总成从不同方位同步采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，并据此确定磁性编码器的旋转位置及对极运算。

在本传感器方案中，所述磁性编码器旋转产生的周期变化的连续磁场，其一个周期内的磁场强度呈正弦分布。

在本传感器方案中，所述磁性编码器一个周内可以设置多对磁极。

在本传感器方案中，所述传感器本体总成对采集到的信号进行波形叠加，计算出绝对量式信号。

在本传感器方案中，所述传感器本体总成通过若干的磁感应芯片沿磁性编码器的旋转方向，从不同方位同步采集来自于旋转磁性编码器产生的周期变化磁场，并形成对应的电压信号。

在本传感器方案中，若干的磁感应芯片呈圆周分布。

在本传感器方案中，所述传感器本体总成中采用1-36颗磁感应芯片。

本实用新型提供的磁性编码传感器的电路设计简单，实现方式巧妙，从而研发投入少，成本低。

本磁性编码传感器的具体应用可以快速实现永磁同步电机制造过程中的对极工序，大大减少永磁同步电机的传感器安装时间。

同时，可以确保永磁同步电机完成传感器安装后，传感器输出信号与电机转子的实际位置偏差为零，从而简化了后续控制器的调试流程。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为本实用新型实例中自动对极传感器的主示意图；

图2为本实用新型实例中自动对极传感器的剖视图；

图3为本实用新型实例中磁性编码器旋转时，输出周期变化的连续磁场示意图。

图4为本实用新型实例中传感器本体总成的装配示意图；

图5为本实用新型实例中传感器中磁感应芯片的位置排列示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1，其所示为本方案提供的具有自动对极功能的传感器的结构示意图。该传感器用于永磁同步电机中，可实现自动对极，精确检测转子位置。

由图可知，该自动对极的传感器100主要包括磁性编码器110、传感器本体总成120两部分。

其中，磁性编码器110用于连接待测目标物体(如永磁同步电机中的转子)，其相对于传感器本体总成120可旋转设置，并随旋转产生周期变化的连续磁场。

该磁性编码器110优选非接触的嵌设在传感器本体总成120中，并可随目标物体在传感器本体总成120中旋转。另外，磁性编码器110随目标物体旋转的同时，输出周期变化的连续磁场。这里的周期变化的连续磁场为在一个旋转周期内，磁场强度呈正弦分布。

传感器本体总成120与磁性编码器110配合，并从不同方位同步采集来自于旋转磁性编码器110的变化磁场，通过计算对应输出绝对量式信号；基于该信号，可精确得到磁性编码器110旋转绝对角度位置、旋转速度以及旋转方向。

在实际应用时，由于安装的缘故，使得待测目标物体(如转子)实际位置与传感器信号输出的位置信号之间将存在误差。为了有效消除该误差，本传感器本体总成120将进行自动对极处理。

该传感器本体总成120通过相应的磁感应芯片感应旋转磁性编码器产生的变化磁场，形成对应的电压信号，并对采集到的电压信号进行叠加运算，最终得出待测目标物体(如转子)当前位置信息；同时，能够自动运算出传感器输出位置信号与转子实际位置之间的偏差，并在后续的信号输出过程中自动处理进而消除此偏差的影响。

本方案中，该传感器本体总成由自外部的对极指令触发，进行自动对极。这里，传感器本体总成120可通过数字IO，总线例如但不限于SPI，SSI，CAN，RS422，RS485等，来接收响应的对极指令。

该传感器本体总成在接收到外部的对极指令后，将当前传感器计算得到的初始位置输出信号数据A储存在传感器本体总成120的内置存储器内，并在后续的位置信号计算输出过程中，传感器本体120首先计算并得到当前位置输出信息数据B，然后减去储存在传感器体120中的初始位置输出信号数据A，再输出信号，由此来实现自动对极，继而自动消除实际位置与传感器输出位置信号所对应位置之间的位置偏差。

由此构成的传感器100在安置到永磁同步电机中时，能够实现自动对极，在使用过程中，无需再专门为传感器设置参数以及进行繁琐的调试，可以大大简化永磁同步电机的传感器安装，并且可以大幅缩短后续使用永磁同步电机过程中的调试时间，降低维修难度。

针对上述的原理方案，以下通过一具体应用实例来进一步阐释本原理方案。

参见图1和图2，本实例提供的自动对极传感器100如上所述主要包括磁性编码器110、传感器本体总成120两部分。

其中，磁性编码器110为环形磁性编码器110，通过旋转输出不同磁性曲线，以使环形传感器本体总成120感应不同的磁场强度，继而可确定磁性编码器110的旋转位置，从而可确定待测目标物体(如转子)实际位置。

参见图2，其所示为本实例中环形磁性编码器110的结构示意图。由图可知，该环形磁性编码器110主要由磁性材料111和支撑固定圈112相互配合组成。磁性材料111沿支撑固定圈112的圆周方向铺设在支撑固定圈112的外侧面上。

这里的支撑固定圈112，用于支撑和定型磁性材料111，并防止磁性材料111的破损，同时还具有聚磁(集磁)功能。基于该支撑固定圈112的集磁功能，能有效防止外界磁场对磁性材料111的干扰，使磁性材料111的磁力线分布更加均匀，磁场方向聚向磁环的径向，磁场强度更可控。

基于上述方案构成的环形磁性编码器110，其通过注塑充磁实现周期内的磁场呈正弦分布，由此本环形磁性编码器110随目标物体旋转的同时，将可输出如图3所示的周期变化的连续磁场，磁场强度呈正弦分布。

在具体时，本环形磁性编码器110在一个旋转周期内(即360°内)可设置n对磁极，通过充磁n对磁极，在环形磁性编码器110的一个旋转周期内(即360°内)实现n个周期变化的磁场。这里n可根据实际需求而定，本实例中优选为1到20，由此保证后续传感器本体总成检测的精度。

作为举例，本实例中在一个旋转周期内(即360°内)可设置1对磁极(如图4所示)，即在环形磁性编码器110的一个旋转周期内(即360°内)实现1个周期变化的磁场。

参见图1和图4，为了配合上述的环形磁性编码器110，本实例中的传感器本体总成120整体为环形，其主要包括若干颗磁感应芯片122、检测计算模块121以及输出导线123等几部分。

若干的磁感应芯片122，为环形传感器本体总成120中的感应元件，用于感应磁性编码器110旋转时产生的磁场变化，形成对应的电压信号。

本实例中的磁感应芯片122由霍尔或磁阻芯片构成，优选五个，对于磁感应芯片122的数量并不限于五个，根据需要可采用1到36颗。

本实例中的这五个磁感应芯片122对应于环形磁性编码器110，沿圆周方向安置在检测计算模块121上，同时在沿圆周方向分布的五个磁感应芯片122的内侧形成对应于环形磁性编码器110的圆形感应区域124。

该圆形感应区域124的大小与环形磁性编码器110的尺寸对应，可容环形磁性编码器110非接触的、可转动的安置在其内。

由此当环形磁性编码器110在圆形感应区域124内旋转时，由于环形磁性编码器110上具有的特定磁性曲线，使得环形磁性编码器110上磁场不断发生变化，而五个磁感应芯片122分别从不同位置同步感应对应的磁场信号，并输出对应的特定感应信号(即特定的电压信号)，即通过五个磁感应芯片122同步感应到不同位置的磁场信号，从而输出特定信号以对应不同位置。

本实例中的检测计算模块121为整个传感器100中的信号处理部件，本实例中优选相应的电路板来构成，该电路板为环形电路板，用于承载磁感应芯片122，并进行信号处理。

该电路板121与五个磁感应芯片122连接，接收并处理五个磁感应芯片122感应环形磁性编码器110旋转时产生的周期性磁场变化所形成的电压信号，输出绝对量式信号。同时基于该信号运算出传感器信号输出与待测目标物体(如转子)实际位置之间的偏差，并在后续的信号输出过程中自动处理进而消除此偏差的影响。

具体实现时，为了高效精确的处理五个磁感应芯片122传输的信号，该电路板121中集成有计算电路，该计算电路对磁感应芯片的特定信号进行波形叠加，输出绝对量式信号，后续据此确定磁性编码器的旋转位置及对极运算。

本实例中的导线123为整个传感器100中的信号输出部件，如带接插件的线束，其一端与环形电路板121的输出端连接，另一端可与相应的应用电路或设备连接，将电路板121产生的信号传出。

根据上述实施方案即可形成非接触式磁性编码传感器，该传感器在具体使用时，将其中的磁性编码器110与待测目标物体连接，非接触的安置在环形传感器本体总成120中的圆形感应区域内；由此可随目标物体在环形传感器本体总成120中的圆形感应区域内旋转；同时将环形传感器本体总成120通过其上的带接插件的线束123与相应的应用电路或设备进行连接。

其中的磁性编码器110通过注塑充磁实现周期内的磁场呈正弦分布，磁性编码器随目标物体旋转的同时，输出周期变化的连续磁场(磁场强度呈正弦分布)。

传感器在供电后，通过分布在电路板上的5个磁感应芯片122(霍尔或者磁阻芯片)同步采集来自于旋转磁性编码器产生的变化磁场，形成对应的电压信号并传至电路板121。

参见图5，磁感应芯片122分布环形磁性编码器110的四周，相邻磁感应芯片之间相隔一定角度α，角度间隔偏差β，磁芯片数m，角度α，β与一旋转周内周期变化的磁场数n的关系遵守以下规则：

α＝360÷n÷m；(1)

β＝α×0.45；(2)

例如：对于1极对数的磁环，5磁感应芯片的方案，相邻磁感应芯片的间隔角度为α＝360÷1÷5＝72度，角度间隔偏差β＝72×0.45＝32.4度。

据此相邻磁感应芯片间相隔角度α及角度间隔偏差β可精确确定旋转磁性编码器的旋转位置。

本实例中，磁感应芯片122分布环形磁性编码器110的四周，相邻磁感应芯片之间相隔72度，从五个不同方位同步感应磁性编码器110旋转时产生的呈正弦变化的磁场强度，由此产生五路电压信号，并同步传至电路板121。

电路板121接收到对极指令后，电路板121首先基于来自于五路的磁感应芯片的信号进行波形叠加运算，进行计算得到结果A(该结果A为计算得到的当前传感器初始位置输出信号数据)，并将计算结果A储存在电路板121内。后续计算过程中以该计算结果A为位置偏差，来实现自动对极。

接着，电路板121通过计算电路对五路信号进行波形叠加运算，计算出结果B(该结果B为计算得到的当前位置输出信息数据)，信号输出电路将计算结果B减去储存在电路板121内的A，将最终计算结果B-A输出，继而自动消除实际位置与传感器输出位置信号所对应位置之间的位置偏差。

可见，本非接触式磁性编码传感器能够精确测量旋转物体的速度和绝对位置，同时还能将由安装引起的永磁同步电机转子实际位置与传感器信号输出之间的误差通过传感器的自动对极功能消除。

另外，本非接触式磁性编码传感器采用非接触式磁感应原理，具有无磨损、长寿命的特征；而其内部的采用1到36颗磁感应芯片(霍尔或磁阻芯片)布置，大大提高信号精度，并性价比最高。

再者，本非接触式磁性编码传感器整体模块化设计，结构紧凑，易于与被测应用集成，如轴承。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机用编码传感器，其特征在于，包括：磁性编码器和传感器本体总成，所述磁性编码器为可产生周期变化的连续磁场的编码器，其相对于传感器本体总成可旋转设置。

2.根据权利要求1所述的编码传感器，其特征在于，所述磁性编码器旋转产生的周期变化的连续磁场，其一个周期内的磁场强度呈正弦分布。

3.根据权利要求1所述的编码传感器，其特征在于，所述磁性编码器一个周内可以设置多对磁极。

4.根据权利要求1所述的编码传感器，其特征在于，所述传感器本体总成上具有若干沿磁性编码器的旋转方向，从不同方位同步采集来自于旋转磁性编码器产生的周期变化磁场，并形成对应的电压信号的磁感应芯片。

5.根据权利要求4所述的编码传感器，其特征在于，若干的磁感应芯片呈圆周分布。

6.根据权利要求4所述的编码传感器，其特征在于，所述传感器本体总成中采用1-36颗磁感应芯片。