TW202118997A - 無刷馬達用磁性編碼器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種無刷馬達用的磁性編碼器，其主要藉由霍爾感測 器做為磁性編碼器的感測元件，再透過外置或整合驅動器的編碼器處理電路能取得高精度的馬達回授值。在此發明中，編碼器感測元件將與傳統無刷馬達換向回授霍爾元件共用。傳統上無刷馬達若要達成位置回授多依靠外掛與輸出軸相連的編碼器回授，本發明能在不更動馬達機構以及不外掛編碼器的前提下，套用在大多數直流無刷馬達成品上提供馬達位置回授。實務上能比一般增設編碼器的無刷馬達有更少的機構數量與體積、更低的成本、更高的精度。

Description

無刷馬達用磁性編碼器

本發明為一種馬達回授技術，具體涉及新的無刷馬達編碼器架構。

以下討論之本發明內容無刷馬達用磁性編碼器，將以無刷輪毂馬達(輪圈馬達)為實施例，但應用上不拘於輪毂馬達。常見的馬達的位置回授方式通常採用馬達軸與外掛式編碼器的連結傳動，編碼器依照原理又分為光學式、磁性式、電阻式、電容式等，但不論哪種皆是在原有的馬達基礎上向外增設機構去和編碼器結合。在無刷馬達中，內轉子式的結合方式如常見之無刷伺服馬達，馬達後方會直接連結高精度編碼器；外轉子式的結合方式如輪毂馬達(輪圈馬達)，構造如中國專利號第93235267.7號，由於外轉子式的設計若要增加編碼器回授，實務上將難以與市售大部分的編碼器成品所結合。在中國專利號第6201833號中，揭露一種磁編碼器IC與磁編碼器磁鐵所組成的輪毂馬達位置回授系統，此方式解決了輪毂馬達不易安裝編碼器回授的問題，但大幅提高了馬達的組裝難度、工件數與成本。本發明在此狀況下提出容易裝配、不增加工件數、不須修改馬達機構、低成本的解決方案。

已知本發明為一種用於無刷馬達的磁性編碼器，主要特點為馬達機構可在不修改機構的原則下加入本編碼器，多數情況下不須修改進行即可套用本編碼器，達成低成本、高效能的編碼器回授。

為了達成上述目的，採用以下技術方案：本磁性編碼器將分為兩個部分，第一部分是感測器，第二部分為訊號處理板。在無刷馬達上，感測器安裝於定子面向轉子側，位置與無刷馬達換向用霍爾元件相同，並且取代原有的霍爾元件。在馬達外，訊號處理板將對感測器的輸出訊號進行處理並輸出為兩個部分，第一部分為標準的換向霍爾元件所產生的訊號，輸出給馬達驅動器使馬達能正常運作，第二部分為編碼器訊號，可依用途而定輸出ABZ訊號，或輸出其他數位訊號形式供上位控制器讀取。

進一步，所述磁性感測器的部分含有阻磁材料與阻磁設計，在所放置的定子磁軛部分達到阻擋、削弱磁力線的用途。

進一步，所述磁性編碼器感測器的部分訊號線將共用於原先無刷馬達的換向霍爾元件訊號線，使實務上無刷馬達應用本發明時機構與配線可以無須修改。

進一步，所述磁性感測器將探測轉子的永久磁鐵組以取得馬達定子與馬達轉子間的相對移動位置關係，轉子的永久磁鐵組的數量將與編碼器精度呈正相關。

進一步，所述磁性編碼器訊號處理板作為外掛模組擁有一組輸入訊號與兩組輸出訊號，也可與驅動器整合為一體形成閉迴路系統。

20‧‧‧編碼器訊號處理板

24‧‧‧磁性感測器

第1圖係本發明所應用的輪毂馬達結構示意圖。

第2圖係本發明之感測器安裝位置示意圖。

第3圖係本發明訊號處理架構圖。

第4圖係本發明的應用系統架構圖。

第5圖係本發明之感測器回授訊號模擬示意圖(其中一種感測器組合方式)。

第6圖係本發明之3相霍爾訊號輸出模擬示意圖。

第7圖係本發明之增量式脈衝訊號輸出示意圖。

通常以下對本發明的磁性編碼器實施例進行進一步說明，無刷輪毂馬達為一種外轉子內定子的無刷馬達，亦即轉子上安裝有磁鐵組；定子上安裝有馬達線圈，此外若應用於內轉子外定子的無刷馬達亦有相對應的裝配方法，本實施例以應用於無刷輪毂馬達為例進行說明如圖1與圖2所示，無刷輪毂馬達整體由馬達上蓋1與馬達外殼8所構成，其中，馬達外殼8與內齒環22固定後，內齒環22連結安裝於行星齒輪架7的行星齒輪組6a、6b、6c，又太陽齒輪5與轉子4b固定行成行星減速機構。轉子4a部分與轉子4b部分為一體的碗形結構，又轉子4a碗壁內側上平均交錯安 裝了若干個N極12a與S極12b的磁鐵，因此轉子4a上可產生可供量測的連續且方向交錯的磁力線變換現象。在圖2中，無刷輪毂馬達定子3由馬達固定軸2與磁軛(矽鋼片)13固定，矽鋼片13設計有若干個梳狀結構23與缺口9交錯排列形成磁軛本體，其中，梳狀結構23用於放置馬達繞線組10，缺口9處依照線圈對數間隔放置霍爾感測器11a、11b、11c，用來偵測依序排列的轉子磁鐵12a、12b磁極相位，作為決定無刷馬達三相線圈繞組激磁的轉換順序。

在本實施例中的磁性編碼器如圖3所示，包含：磁性感測器24與編碼器訊號處理板20。其中，多個磁性感測器24可依照不同的核心元件選擇不同的組合方式，又磁性感測器的組成可以下之一作為核心元件：線性霍爾感測器、雙極性霍爾感測器、磁阻感測器、三軸磁力感測器。本實施例中的磁性感測器組合必須包含1個以上的線性霍爾感測器或磁阻感測器或三軸磁力感測器為核心元件的磁性感測器，且總磁性感測器數量大於或等於2個。在本實施例中相位差關係式為

(N為缺口數，X為安裝位置 序數)，定子有18個缺口處9可作為安裝位置，亦即相位差為

(0<=X<=18)。磁性感測器24可安裝於任意馬達梳狀結構23的缺口處9，在本實施例中磁性感測器24安裝於X=0、X=3、X=6處，位於原先無刷馬達霍爾感測器11a、11b、11c的安裝位置，訊號產生0、2* π/3、4* π/3的相位差異，藉由相位差異可得出回授訊號間的交集用以修正雜訊與馬達正反轉的判別。在一種優選的實施例中，當磁性感測器24安裝數量3個以下時，磁性感測器24回授訊號線相容於無刷馬達的霍爾元件三相訊號線，能使得裝配線更加容易。

磁性感測器24的磁力線變化數值由主要由磁鐵性質與磁性 感測器的配置內容所決定：在磁鐵性質中，磁鐵的各項物理參數與化學組成都能影響磁鐵裝配進轉子後的磁力線強度表現，此外配置的磁鐵數目決定了單位馬達旋轉週期的磁性感測器24訊號周期數為N/2個週期(N為馬達轉子磁鐵數)；在磁性感測器24中，可藉由配置不同的磁阻材料或機構設計元件去達到調整磁力線密度的目的，藉此可使磁性感測器能有更廣的適用範圍。磁性編碼器訊號處理板20，為本發明之運算核心流程如圖3所示，原始磁性感測器24資料先經過低通濾波器的雜訊過濾後，一方面由微控制器的ADC轉換為數位訊號，並計算當前位置 P _n 與前一刻位置 P _n-1 ，求出位置時間差

，產生增量式脈衝訊號相位差為

週期為4△t的A、B訊號；當達到設定的單位馬達每轉脈衝數量時產生1脈衝的Z訊號，而達到磁性編碼器的編碼器輸出A、B、Z相位脈衝訊號15。另一方面透過磁性編碼器訊號處理板20的運算包含：比較器與邏輯閘；所述的比較器將磁性感測器輸出訊號與設定之截止電壓計算得出對應磁鐵N、S極的脈衝訊號；所述的邏輯閘將不同磁性感測器24所得的脈衝訊號運算後使磁性編碼器得以輸出馬達三相霍爾訊號16(圖4)。

磁性編碼器解析度為馬達每轉訊號週期數亦即N/2(N為馬達轉子磁鐵數)的常數倍，常數為ADC解析度*內減速比。

磁性編碼器的輸出除了ABZ的脈衝訊號輸出外可選自I2C、SPI、UART等數位通訊方式輸出編碼器值。

磁性編碼器與訊號處理板20能作為外掛模組與無刷馬達連接輸出位置回授或與馬達驅動電路整合直接達成閉迴路控制系統。

以下說明以馬達結合磁性編碼器的應用為例如圖4所示，無 刷馬達21以上述方式安裝磁性感測器24於無刷馬達21內，磁性感測器24輸出一組訊號14(參考圖5感測器一、感測器二、感測器三)通過磁性編碼器訊號處理板20運算後可得到一組三相霍爾換相訊號輸出16(參考圖6中：霍爾訊號1、霍爾訊號2、霍爾訊號3)與一組編碼器增量式脈衝訊號輸出15(參考圖7A、B、Z相訊號)，馬達驅動器19藉由訊號16來生成無刷馬達的動力訊號17，同時上位控制器18可接收訊號15來進行馬達進一步的控制。

在本實施例中，圖5演示了模擬理想化的磁性感測器的輸出訊號，進一步說明，在圖5中感測器1與感測器2的訊號回授為線性回授，感測器3的回授為雙極性回授，可依實際用途決定線性回授或雙極性回授感測器彼此組合的數目，將上述感測器回授訊號14輸入編碼器訊號處理板20，經由濾波器濾除額外雜訊後，訊號解析電路將對線性訊號與雙極性訊號做運算以還原出三相霍爾換相訊號16，如圖6所示的霍爾訊號1、霍爾訊號2、霍爾訊號3，使無刷馬達驅動器19能正確運作。同時，配有ADC的微控制器將感測器的訊號進行運算，運算過程依照前述不同種類與數量的感測器組合方式將有所不同，大致上為感測器訊號14的相互交集計算後獲得相對位移量，再將位移量依照設定的編碼器解析度輸出A、B、Z相脈衝訊號15的輸出運算如圖7所示，在增量式訊號中，編碼器A相訊號與編碼器B相訊號彼此相位相差π/2，A相訊號或B相訊號領先的順序決定了馬達正轉或反轉的狀態，編碼器Z相訊號為輸出訊號一周期後輸出一次脈衝波做為校準編碼器週期性累計物誤差。在編碼器輸出訊號方面，除了上述的脈衝訊號輸出外亦可實現標準化的數位輸出或客製化的數位通訊協定傳輸。在本實施例中，使用10bits的類比轉換器(ADC)來讀取位置，配上轉子有20個磁鐵的輪 毂馬達，轉子每轉有10個周期，以及輪毂馬達內含的4.2比行星減速機，輪毂馬達每轉的理論解析度可達86016 steps。

在本實施例中，微控制器MCU的使用亦可採用其他硬體運算的晶片來實現，如：FPGA現場可程式化邏輯閘陣列、ASIC特殊應用積體電路、DSP數位訊號處理器等，依需求可達成更高的運算速度與輸出頻寬，或是減低量產成本。

20‧‧‧編碼器訊號處理板

24‧‧‧磁性感測器

Claims (9)

1. 一種用於無刷馬達的磁性編碼器，包含：

   至少2個磁性感測器、一感測器解析電路、一微控制器；磁性感測器安裝於馬達定子的磁軛缺口處，用於量測馬達旋轉時轉子磁鐵上的磁力變化；所述磁性感測器與馬達原先的霍爾訊號線進行連接輸出訊號至馬達外的感測器解析電路；該訊號解析電路會進行磁性感測器訊號的前處理與硬體運算後輸出給馬達驅動器取代原先馬達的霍爾換向訊號，藉此兼容原先無刷馬達的控制方式；本磁性編碼器藉由所述微控制器同時擷取訊號解析電路的訊號，透過微控制器的類比數位轉換與程式運算後輸出當前位置 P _n 與前一刻位置 P _n-1 ，求出位置時間差

   

   ，產生增量式脈衝訊號相位差為

   

   週期為4△t的A、B訊號，作為所述磁性編碼器的編碼器輸出訊號。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的磁性編碼器，其特徵在於磁性感測器訊號周期為馬達每轉N/2個週期(N為馬達轉子磁鐵數)，訊號震幅由磁力大小相關聯。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的磁性編碼器，其特徵在於磁性感測器解析電路包含比較器與邏輯閘；所述的比較器將磁性感測器輸出訊號與設定之截止電壓計算得出對應磁鐵N、S極的脈衝訊號；所述的邏輯閘將不同磁性感測器所得的脈衝訊號運算得出馬達三相霍爾訊號。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的磁性編碼器，其特徵在於磁性編碼器解析度為馬達每轉訊號週期數亦即N/2(N為馬 達轉子磁鐵數)的常數倍。
5. 根據申請專利範圍第1項所述的磁性編碼器，其特徵在於藉由微控制器的程式計算修正訊號相位，磁性感測器可以安裝於無刷馬達定子的任意不同位置的磁軛缺口，不受限於機構安裝角度、訊號電角度。
6. 根據申請專利範圍第5項所述的磁性編碼器，其特徵在於不同安裝位置的磁性感測器構成不同相位的回授訊號，藉由相位差

   

   (N為缺口數，X為安裝位置序數)的補償，得出回授訊號間的交集用以修正雜訊。
7. 根據申請專利範圍第1項所述的磁性編碼器，其特徵在於磁性感測器安裝數量3個以下時，磁性感測器回授訊號線相容於無刷馬達的霍爾元件三相訊號線。
8. 根據申請專利範圍第4項所述的磁性編碼器，其特徵在於藉由探測馬達轉子磁鐵狀態作為磁性編碼器訊號來源，固可實現於定子為馬達線圈，轉子為永久磁鐵的無刷馬達；或定子為永久磁鐵，轉子為馬達線圈的無刷馬達。
9. 根據申請專利範圍第1項所述的磁性編碼器，其特徵在於所述磁性感測器與訊號處理板作為外掛模組與無刷馬達連接輸出位置回授或與馬達驅動器電路整合達成閉迴路位置控制。

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