CN215952457U - 一种旋转角度检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种旋转角度检测系统，包括静止部、旋转部、第一检测部、第一解算部、第二检测部、第二解算部、第三解算部。第一检测部至少包括1个K对极旋转变压器(K为大于1的整数)，旋转变压器的转子固定在旋转部上随着旋转部同步旋转，旋转变压器由励磁引线输入励磁信号，由信号引线输出第一检测部的第一角度信号。旋转部每旋转1周，第一角度信号变化K个周期。第二检测部至少包括一个环状的永久磁体、复数个霍尔元件，环状的永久磁体沿着圆周表面设置1个N极和1个S极，环状的永久磁体固定在旋转部上随着旋转部同步旋转。旋转部每旋转1周，第二角度信号变化1个周期。本实用新型相比于现有技术提高了设备的可靠性、精度和分辨率。
Description
技术领域
本实用新型属于检测技术领域，涉及一种旋转角度检测系统。
背景技术
工业自动化、机器人等行业经常需要电机的绝对位置控制，常采用搭载光电编码器的电机来实现，近年耐震动冲击，耐粉尘等应用增大。然而现有搭载光电编码器的电机因电机中有光电器件，在上述环境中使用时存在光电编码器失效的风险。采用极对数为1的旋转变压器能解决上述失效风险，但角度精度不高，应用受到限制。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种旋转角度检测系统、解决上述问题。
为了达到上述目的，本实用新型的解决方案是：
一种旋转角度检测系统，其特征在于：包括静止部、旋转部、第一检测部、第一解算部、第二检测部、第二解算部、第三解算部；第一检测部至少包括1个K对极旋转变压器(K为大于1的整数)，旋转变压器包括定子和转子，定子包括励磁引线和信号引线，由励磁引线输入励磁信号，由信号引线输出第一检测部的第一角度信号，定子固定在静止部，转子固定在旋转部上随旋转部同步旋转。旋转部每旋转1周，第一角度信号变化K个周期。
第一解算部包括励磁电路、第一角度信号处理电路、第一角度解码电路；励磁电路产生励磁信号，通过励磁引线供给旋转变压器的励磁信号，第一角度信号处理电路接收来自信号引线的第一角度信号并进行信号处理后输出给第一角度解码电路，第一角度解码电路接收来自信号处理电路的信号并进行角度解码操作输出转子的第一角度。
第二检测部至少包括一个环状的永久磁体、复数个霍尔元件；环状的永久磁体沿着圆周表面设置1个N极和1个S极，环状的永久磁体固定在旋转部上随着旋转部同步旋转。复数个霍尔元件均含有正负极电源端子和信号输出端子，复数个霍尔元件固定在静止部的靠近环状的永久磁体表面附近，复数个霍尔元件之间相隔设定角度，由复数个霍尔元件的输出端子输出第二检测部的第二角度信号，旋转部每旋转1周，第二角度信号变化1个周期。
第二解算部包括正负电源电路、第二角度信号处理电路、第二角度解码电路；正负电源电路通过复数个霍尔元件的正负电源端子向霍尔元件供电；第二角度信号处理电路接收复数个霍尔元件的输出端子输出的第二检测部的第二角度信号并进行信号处理输出给第二角度解码电路，第二角度解码电路接收来自信号处理电路的信号并进行角度解码操作输出永久磁体的第二角度。
第三解算部包括第三角度生成单元、角度输出单元；第三角度生成单元接收转子的第一角度和永久磁体的第二角度，生成第三角度；角度输出单元包括旋转角度的模拟量输出、或者包括旋转角度的数字量输出。
旋转变压器的定子每个齿上最多只缠绕1个线圈，旋转变压器有2根励磁引线、2根或4根信号引线。
复数个霍尔元件的数量是2个，2个霍尔元件放置于设定位置，以使2个霍尔元件的输出端子的信号随永久磁体的旋转角度的变化而变化，相位相差90度。旋转部旋转过程中，永久磁体在设定位置处的磁感应强度正弦变化。
复数个霍尔元件的数量还可以是4个，4个霍尔元件放置于设定位置，以使其中2个霍尔元件的输出端子的信号随永久磁体的旋转角度的变化而变化，相位相差180度，将此2个霍尔元件的输出端子的信号做差分处理得到第一差分信号；且使4个霍尔元件的另外2个霍尔元件的输出端子的信号随永久磁体的旋转角度的变化而变化，相位相差180度，将此2个霍尔元件的输出端子的信号做差分处理得到第二差分信号，旋转部旋转过程中，永久磁体在设定位置处的磁感应强度正弦变化。第一差分信号和第二差分信号的相位相差90度，构成第二角度信号。
旋转部是空心轴或实心轴。
复数个霍尔元件可以为线性霍尔元件。
复数个霍尔元件可以固定在旋转变压器的定子上。
第三角度包括绝对角度，或者多圈绝对角度。
旋转角度的数字量输出包括串行数字量输出，或者并行数字量输出。
静止部、旋转部、第一检测部、第一解算部、第二检测部、第二解算部、第三解算部为集成一体化结构，集成的旋转角度检测系统有两根系统电源接入引线和至少一根旋转角度输出引线。
由于采用上述方案，本实用新型的有益效果是：本旋转角度检测系统采用了旋转变压器来实现旋转部角度检测，降低了以往技术中因光电编码器造成的失效风险，且本实施例中旋转变压器每个齿上仅饶有1个线圈，降低了以往旋转变压器中每个齿上3个线圈间的短路风险，极大提高了设备的可靠性；并且与霍尔零件配合，得到了高精度、高分辨率的旋转部绝对角度和多圈绝对角度。
附图说明
图1是第一实施例结构示意图；
图2是第一实施例结构分解示意图；
图3是第一实施例信号处理示意图；
图4是第一实施例角度曲线图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型提出了一种旋转角度检测系统，其特征在于：包括静止部、旋转部、第一检测部、第一解算部、第二检测部、第二解算部、第三解算部；第一检测部至少包括1个K对极旋转变压器(K为大于1的整数)，旋转变压器包括定子和转子，定子包括励磁引线和信号引线，由励磁引线输入励磁信号，由信号引线输出第一检测部的第一角度信号，定子固定在静止部，转子固定在旋转部上随旋转部同步旋转。旋转部每旋转1周，第一角度信号变化K个周期。
第一解算部包括励磁电路、第一角度信号处理电路、第一角度解码电路；励磁电路产生励磁信号，通过励磁引线供给旋转变压器的励磁信号，第一角度信号处理电路接收来自信号引线的第一角度信号并进行信号处理后输出给第一角度解码电路，第一角度解码电路接收来自信号处理电路的信号并进行角度解码操作输出转子的第一角度。
第二检测部至少包括一个环状的永久磁体、复数个霍尔元件；环状的永久磁体沿着圆周表面设置1个N极和1个S极，环状的永久磁体固定在旋转部上随着旋转部同步旋转。复数个霍尔元件均含有正负极电源端子和信号输出端子，复数个霍尔元件固定在静止部的靠近环状的永久磁体表面附近，复数个霍尔元件之间相隔设定角度，由复数个霍尔元件的输出端子输出第二检测部的第二角度信号，旋转部每旋转1周，第二角度信号变化1个周期。
第二解算部包括正负电源电路、第二角度信号处理电路、第二角度解码电路；正负电源电路通过复数个霍尔元件的正负电源端子向霍尔元件供电；第二角度信号处理电路接收复数个霍尔元件的输出端子输出的第二检测部的第二角度信号并进行信号处理输出给第二角度解码电路，第二角度解码电路接收来自信号处理电路的信号并进行角度解码操作输出永久磁体的第二角度。
第三解算部包括第三角度生成单元、角度输出单元；第三角度生成单元接收转子的第一角度和永久磁体的第二角度，生成第三角度；角度输出单元包括旋转角度的模拟量输出、或者包括旋转角度的数字量输出。
旋转变压器的定子每个齿上最多只缠绕1个线圈，旋转变压器有2根励磁引线、2根或4根信号引线。
复数个霍尔元件的数量是2个，2个霍尔元件放置于设定位置，以使2个霍尔元件的输出端子的信号随永久磁体的旋转角度的变化而变化，相位相差90度。旋转部旋转过程中，永久磁体在设定位置处的磁感应强度正弦变化。
复数个霍尔元件的数量还可以是4个，4个霍尔元件放置于设定位置，以使其中2个霍尔元件的输出端子的信号随永久磁体的旋转角度的变化而变化，相位相差180度，将此2个霍尔元件的输出端子的信号做差分处理得到第一差分信号；且使4个霍尔元件的另外2个霍尔元件的输出端子的信号随永久磁体的旋转角度的变化而变化，相位相差180度，将此2个霍尔元件的输出端子的信号做差分处理得到第二差分信号，旋转部旋转过程中，永久磁体在设定位置处的磁感应强度正弦变化。第一差分信号和第二差分信号的相位相差90度，构成第二角度信号。
旋转部是空心轴或实心轴。
复数个霍尔元件可以为线性霍尔元件。
复数个霍尔元件可以固定在旋转变压器的定子上。
第三角度包括绝对角度，或者多圈绝对角度。
旋转角度的数字量输出包括串行数字量输出，或者并行数字量输出。
静止部、旋转部、第一检测部、第一解算部、第二检测部、第二解算部、第三解算部为集成一体化结构，集成的旋转角度检测系统有两根系统电源接入引线和至少一根旋转角度输出引线。
第一实施例：
本实施例中旋转角度检测系统，包括静止部、旋转部、第一检测部、第一解算部、第二检测部、第二解算部、第三解算部，其中静止部和旋转部结构示意图如图1所示，分解后的结构示意图如图2所示，第一检测部、第二检测部、第三检测部的信号处理示意图如图3所示。
图中10为静止部；20为旋转部；11为下绕线骨架；12为旋转变压器定子铁芯；13为上绕线骨架；14为线圈；15为PCB电路板；16为霍尔元件；17为旋转变压器定子齿；18为引出线；21为旋转变压器转子；22为永久磁体；23为转轴。
本实施例中，第一检测部为旋转变压器，本旋转变压器定子共有16个齿，转子包含4个凸极，每个定子齿上仅饶有1个线圈，每个线圈的电感随着转子的旋转角度的变化而变化，以用于检测转子的旋转角度，转子固定于旋转部上随着旋转部同轴转动，本实施例中旋转部为转轴。旋转变压器的两根励磁引线和四根信号引线与第一解算部电路连接，通过励磁引线从第一解算部电路获得频率为10kHz的正弦波电压信号；旋转变压器通过信号引线将包含转子角度信息的电压信号输入至第一解算部电路。第一结算部电路将旋转变压器输出信号滤波、电压转换后得到旋转变压器转子的第一角度。
本实施例中第二检测部包括一个环状永久磁体和2个霍尔元件，环状磁体表面设置1个N极和1个S极，环状的永久磁体N极中心线与旋转变压器转子凸极的中心线重合并与旋转变压器转子凸极共同固定在转轴上随着旋转部同步旋转。2个霍尔元件放置在如图2所示位置处，固定于圆形PCB电路板上，且在圆形电路板上间隔90°圆周角度放置，PCB板与旋转变压器的定子固定在一起，其中的一个霍尔元件放置于旋转变压器定子两个相邻齿之间的空隙内。第二解算部电路与PCB板有4根引线连接，其中两根引线负责为霍尔元件提供工作所需的正负电源，霍尔元件通过另外两根引线将永久磁体的角度信息输出给第二解算部电路。第二解算电路对霍尔元件的输出信号进行滤波、电压转换后得到永久磁铁的第二角度。
旋转变压器转子的第一角度和永久磁体的第二角度的曲线图如图4所示，旋转部旋每转过360°，转子的第一角度变化4个周期、永久磁体的第二角度变化1个周期。第一解算部输出的信号虽然精度高、分辨率高，但无法获得旋转部的绝对位置；而第二解算部输出的信号虽然包含旋转部的绝对位置信息，但精度低、分辨率低。
本实施例中，第三解算部包括第三角度生成单元，第三角度生成单元接收转子的第一角度θ1和永久磁体的第二角度θ2，生成第三角度θ3。在每个旋转部的360°旋转空间内，将转子的第一角度和永久磁体的第二角度分成四个区域，旋转部的每个区域的起点在转子的第一角度的电气0°点；每个区域的起点在转子的第一角度的电气360°点；同样的，永久磁体的第二角度也被分成四个区域，分别是0°至90°、90°至180°、180°至270°、270°至360°，且永久磁体的第二角度的0点与转子的第一角度的0点重合。在角度检测过程中，首先识别永久磁体的第二角度θ2的大小，判断θ2处于永久磁体的第二角度的哪个区域，根据不同的情况对旋转部的绝对角度进行计算。
当20°＜θ2＜70°时旋转部角度在第一区域内；
当110°＜θ2＜160°时旋转部角度在第二区域内；
当200°＜θ2＜250°时旋转部角度在第三区域内；
当290°＜θ2＜340°时旋转部角度在第四区域内。
由于采用霍尔元件测量1个N极和1个S极的永久磁体角度时精度无法满足要求，且在高温使用环境情况下也会使霍尔元件的测量精度降低，因此在用永久磁体的第二角度判定区域时，在区域分界点处附近可能会有测试区域与实际区域不同的情况，因此在获取的θ2在区域分界点附近时，应同时参考θ1值共同判断旋转部所在区域。
当0°≤θ2≤20°且θ1＞180°时旋转部角度在第四区域内；
当0°≤θ2≤20°且θ1＜180°时旋转部角度在第一区域内；
当70°≤θ2≤110°且θ1＞180°时旋转部角度在第一区域内；
当70°≤θ2≤110°且θ1＜180°时旋转部角度在第二区域内；
当160°≤θ2≤200°且θ1＞180°时旋转部角度在第二区域内；
当160°≤θ2≤200°且θ1＜180°时旋转部角度在第三区域内；
当250°≤θ2≤290°且θ1＞180°时旋转部角度在第三区域内；
当250°≤θ2≤290°且θ1＜180°时旋转部角度在第四区域内；
当340°≤θ2≤360°且θ1＞180°时旋转部角度在第四区域内；
当340°≤θ2≤360°且θ1＜180°时旋转部角度在第一区域内。
根据旋转部所在区域，分情况生成第三角度，生成方法如下：
当旋转部角度在第一区域内时θ3＝0+θ1/4；
当旋转部角度在第二区域内时θ3＝90+θ1/4；
当旋转部角度在第三区域内时θ3＝180+θ1/4；
当旋转部角度在第四区域内时θ3＝270+θ1/4。
第三解算部还包括角度输出单元，角度输出单元将得到的第三角度转换成模拟量输出和数字量输出。
本实施例上述内容实现了旋转部在360°旋转范围内的绝对角度检测，在第三角度生成单元中添加计数器功能模块，用以存储记录下旋转部转过的圈数及方向，可以进一步实现对旋转部的多圈绝对角度检测。
另外，本实施例还可将静止部、旋转部、旋转变压器、第一解算部电路、霍尔元件、永久磁铁、PCB板、第二解算部电路、第三解算部电路集成在一起，固定在同一机壳内，仅与外部有4根引线连接。其中两根引线为电源引线，为整个系统提供电源；另外两根为串行通讯信号引线，可将转轴角度信息通过串行通讯的方式输出至外部。
本实施例的旋转角度检测系统采用了旋转变压器来实现旋转部角度检测，降低了以往技术中因光电编码器造成的失效风险，且本实施例中旋转变压器每个齿上仅饶有1个线圈，降低了以往旋转变压器中每个齿上3个线圈间的短路风险，极大提高了设备的可靠性；并且与霍尔零件配合，得到了高精度、高分辨率的旋转部绝对角度和多圈绝对角度。
第二实施例：
本实施例中，仅第三解算部与第一实施例不同，其他方面请参考第一实施例。本实施例中的第三解算部仅在系统第一次上电时判断一次旋转部角度所在区域，进而得到初始上电位置的精确旋转部绝对角度。获得精确旋转部绝对角度后第二检测部、第二解算部进入休眠状态，在下次系统重新上电情况再使用。
在系统的使用过程中，随着旋转部转动，第三角度生成单元将记录下转子的第一角度θ1所跨过区域的次数和方向，进而达到时刻判定旋转部所在区域的效果。根据旋转部所在区域，分情况生成第三角度，生成方法如下：
当旋转部角度在第一区域内时θ3＝0+θ1/4；
当旋转部角度在第二区域内时θ3＝90+θ1/4；
当旋转部角度在第三区域内时θ3＝180+θ1/4；
当旋转部角度在第四区域内时θ3＝270+θ1/4。
第三解算部还包括角度输出单元，本实施例角度输出单元将得到的第三角度转换成模拟量输出和数字量输出。
本实施例上述内容实现了旋转部在360°旋转范围内的绝对位置检测，在第三角度生成单元中添加计数器功能模块，用以存储记录下旋转部转过的圈数及方向，可以进一步实现对旋转部的多圈绝对位置检测。
本实施例的旋转角度检测系统在实施例一的基础上简化了运算及判断过程，使系统的效率得到进一步提高。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种旋转角度检测系统，其特征在于：包括静止部、旋转部、第一检测部、第一解算部、第二检测部、第二解算部、第三解算部；所述第一检测部至少包括1个K对极旋转变压器(K为大于1的整数)，所述旋转变压器包括定子和转子，所述定子包括励磁引线和信号引线，由所述励磁引线输入励磁信号，由所述信号引线输出第一检测部的第一角度信号，所述定子固定在所述静止部，所述转子固定在所述旋转部上随旋转部同步旋转；所述旋转部每旋转1周，所述第一角度信号变化K个周期；
所述第一解算部包括励磁电路、第一角度信号处理电路、第一角度解码电路；所述励磁电路产生励磁信号，通过所述励磁引线供给所述旋转变压器的励磁信号，所述第一角度信号处理电路接收来自所述信号引线的第一角度信号并进行信号处理后输出给所述第一角度解码电路，所述第一角度解码电路接收来自信号处理电路的信号并进行角度解码操作输出所述转子的第一角度；
所述第二检测部至少包括一个环状的永久磁体、复数个霍尔元件；所述环状的永久磁体沿着圆周表面设置1个N极和1个S极，所述环状的永久磁体固定在所述旋转部上随着旋转部同步旋转；所述复数个霍尔元件均含有正负极电源端子和信号输出端子，所述复数个霍尔元件固定在所述静止部的靠近所述环状的永久磁体表面附近，所述复数个霍尔元件之间相隔设定角度，由所述复数个霍尔元件的输出端子输出第二检测部的第二角度信号，所述旋转部每旋转1周，所述第二角度信号变化1个周期；
所述第二解算部包括正负电源电路、第二角度信号处理电路、第二角度解码电路；所述正负电源电路通过复数个霍尔元件的正负电源端子向霍尔元件供电；所述第二角度信号处理电路接收所述复数个霍尔元件的输出端子输出的第二检测部的第二角度信号并进行信号处理输出给所述第二角度解码电路，所述第二角度解码电路接收来自信号处理电路的信号并进行角度解码操作输出所述永久磁体的第二角度；
所述第三解算部包括第三角度生成单元、角度输出单元；所述第三角度生成单元接收所述转子的第一角度和所述永久磁体的第二角度，生成第三角度；所述角度输出单元包括所述旋转角度的模拟量输出、或者包括所述旋转角度的数字量输出。
2.根据权利要求1所述的旋转角度检测系统，其特征在于：所述旋转变压器的定子每个齿上最多只缠绕1个线圈，所述旋转变压器有2根励磁引线、4根信号引线。
3.根据权利要求1所述的旋转角度检测系统，其特征在于：所述旋转变压器的定子每个齿上最多只缠绕1个线圈，所述旋转变压器有2根励磁引线、2根信号引线。
4.根据权利要求1所述的旋转角度检测系统，其特征在于：所述复数个霍尔元件的数量是2个，2个霍尔元件放置于设定位置，以使所述2个霍尔元件的输出端子的信号随所述永久磁体的旋转角度的变化而变化，相位相差90度；所述旋转部旋转过程中，永久磁体在所述设定位置处的磁感应强度正弦变化。
5.根据权利要求1所述的旋转角度检测系统，其特征在于：所述复数个霍尔元件的数量是4个，4个霍尔元件放置于设定位置，以使其中2个霍尔元件的输出端子的信号随所述永久磁体的旋转角度的变化而变化，相位相差180度，将此2个霍尔元件的输出端子的信号做差分处理得到第一差分信号；且使所述4个霍尔元件的另外2个霍尔元件的输出端子的信号随所述永久磁体的旋转角度的变化而变化，相位相差180度，将此2个霍尔元件的输出端子的信号做差分处理得到第二差分信号，所述旋转部旋转过程中，永久磁体在所述设定位置处的磁感应强度正弦变化；所述第一差分信号和第二差分信号的相位相差90度，构成第二角度信号。
6.根据权利要求1所述的旋转角度检测系统，其特征在于：所述旋转部是空心轴，或者所述转部是实心轴。
7.根据权利要求1所述的旋转角度检测系统，其特征在于：所述复数个霍尔元件为线性霍尔元件。
8.根据权利要求1所述的旋转角度检测系统，其特征在于：所述复数个霍尔元件固定在所述旋转变压器的定子上。
9.根据权利要求1所述的旋转角度检测系统，其特征在于：所述第三角度包括绝对角度，或者多圈绝对角度。
10.根据权利要求1所述的旋转角度检测系统，其特征在于：所述旋转角度的数字量输出包括串行数字量输出，或者并行数字量输出。
11.根据权利要求1所述的旋转角度检测系统，其特征在于：所述静止部、所述旋转部、所述第一检测部、所述第一解算部、所述第二检测部、所述第二解算部、所述第三解算部为集成一体化结构，集成的旋转角度检测系统有两根系统电源接入引线和至少一根旋转角度输出引线。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202121406141.5U CN215952457U (zh) | 2021-06-23 | 2021-06-23 | 一种旋转角度检测系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202121406141.5U CN215952457U (zh) | 2021-06-23 | 2021-06-23 | 一种旋转角度检测系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN215952457U true CN215952457U (zh) | 2022-03-04 |
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ID=80504990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202121406141.5U Active CN215952457U (zh) | 2021-06-23 | 2021-06-23 | 一种旋转角度检测系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN215952457U (zh) |
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2021
- 2021-06-23 CN CN202121406141.5U patent/CN215952457U/zh active Active
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