TWI553298B - Rotation angle protection device - Google Patents

Description

旋轉角度保護裝置

本發明係與電子感測技術有關，特別係指一種作為非連續旋轉機構保護機制之旋轉角度保護裝置。

非連續旋轉機構通常需要設計極限角度保護裝置，避免機構旋轉角度超過限制，導致裝置受損。機械檔子可限制旋轉角度，但未具備斷電保護功能，可能引起裝置過載或機構受損。極限開關用來安裝在旋轉機構，當機構到達角度限制時，觸動極限開關的推桿，使電路斷路，機構停止往前作動。極限開關有機械式、電磁式，以及光學式等，但無論哪一種形式，均須設計在機構上，以接觸的方式，使機構在到達旋轉角度時碰觸到極限開關，才能達成設計功能。

極限開關必須安裝在機構移動到極限位置可碰觸推桿的地方，使用時有下列必須考慮的地方：若是單迴路開關，則一旦機構碰觸到極限開關，迴路即斷路，無法自動復原，必須以手動方式調整機構位置，讓極限開關復原；若要讓機構到達正向極限位置後，停止繼續前進，但仍保留後退的功能(如一般電動鐵捲門)，則須設計多重迴路，以不同迴路處理機構正反轉功能。設計上較單迴路系統複雜許多；極限開關容易因為機構鬆動而改變極限位置，使用上必須考慮極限位置變化可能產生的影響；極限開關的定位精度受安裝位置、組裝方式，以及機構剛性影響。若需要精確控制停止保護位置，必須考慮使用光學或電磁式極限開關，並考慮機構在振動環境下可能讓零件鬆脫的可能性；機械式極限開關若頻繁使用，電性接觸點部分容易因電弧而氧化，影響功能；若使用不頻繁，則機械接觸點部分容易因粉塵，油汙、腐蝕而影響功能；若裝置在戶外使用，尚須考慮蟲蟻在接觸點附近結巢，影響開關功能的可能性。

霍爾元件是一半導體元件，該半導體元件之上下兩端供應V_CC電壓，有微弱電流I_BIAS流過霍爾元件。當外界無磁力線垂直穿透霍爾元件時，霍爾元件左右兩側並無電位差。當外界有磁力線穿透時，因運動的電子在磁場內會受力(稱為勞倫斯力，Lorentz force，可依照電動機原理，以安培左手定則判斷電子受力方向，注意電子運動方向與電流方向相反)，霍爾元件內的電子會往左邊或右邊移動(視磁場及電流方向而定)，造成元件兩側有如電容一般，出現電位差。這種因為靜態磁場產生電壓的效應，稱為霍爾效應。S.E.Hall於1879年發現這個效應。霍爾效應一直到1980年代左右，在半導體技術發展之後才廣受應用。由於霍爾效應所生的電壓非常小，一般只有數μV，因此需要一個穩定且高效能的放大電路放大霍爾元件的輸出電壓，一般都把穩壓與放大器跟霍爾元件一起做在積體電路內，成為霍爾裝置(Hall device)，如圖1所示，這種裝置的輸出電壓與穿過霍爾元件表面的磁通密度成正比，也稱為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)。

鑒於傳統技術之缺點，本發明係提供一種旋轉角度保護裝置，係用於非連續旋轉機構之旋轉角度保護機制，本發明係使用非接觸式感測元件，避免非連續旋轉機構之旋轉角度超過限制導致裝置受損、或保護裝置在長期使用後接觸點老化失效之情況。

本發明係提供一種旋轉角度保護裝置，係用於非連續式旋轉件之旋轉角度保護，該旋轉件之徑向圓周邊緣係具有旋轉角度零點、正向旋轉極限角度點與逆向旋轉極限角度點，該旋轉件之該旋轉角度零點處設有第一磁塊，該正向旋轉極限角度點處與逆向旋轉極限角度點處分別設有第二磁塊，該第一磁塊之極性係與該第二磁塊相反，該旋轉角度保護裝置係包括：一電位計，係用於量測該旋轉件之實際旋轉角度；至少二霍爾元件，係設置於該旋轉件之徑向兩側，與該旋轉件具有一間隔距離，該二霍爾元件係用於感測該第一磁塊與該第二磁塊之位置；微控制器，係連接該電位計與該二霍爾元件，該微控制器係根據該電位計量測之實際旋轉角度，與該霍爾元件感測之第一磁塊與第二磁塊之位置信號，判斷該旋轉件 之實際旋轉角度是否到達該正向旋轉極限角度點或逆向旋轉極限角度點。

本發明係提供一種旋轉角度保護裝置，係用於非連續式旋轉件之旋轉角度保護，該旋轉角度保護裝置係包括：一旋轉件，該旋轉件之徑向圓周邊緣係具有旋轉角度零點、正向旋轉極限角度點與逆向旋轉極限角度點，該旋轉角度零點處設有第一磁塊，該正向旋轉極限角度點處與逆向旋轉極限角度點處分別設有第二磁塊，該第一磁塊之極性係與該第二磁塊相反；一電位計，係用於量測該旋轉件之實際旋轉角度；至少二霍爾元件，係設置於該旋轉件之徑向兩側，與該旋轉件具有一間隔距離，該霍爾元件係用於感測該第一磁塊與該第二磁塊之位置；微控制器，係連接該電位計與該霍爾元件，該微控制器係根據該電位計量測之實際旋轉角度，與該霍爾元件感測之第一磁塊與第二磁塊之位置信號，判斷該旋轉件之實際旋轉角度是否到達該正向旋轉極限角度點或逆向旋轉極限角度點。其中該電位計係具有兩組輸出信號，以達到計算角度與交互檢核之功能。

本發明之旋轉角度保護裝置更進一步包括：極限保護單元，該極限保護單元係設置於該旋轉件之徑向側邊，位於該正向旋轉極限角度點處或逆向旋轉極限角度點之後，並與該旋轉件具有一間隔距離，當該極限保護單元感測到該第一磁塊之磁場信號時，將強制停止該旋轉件之旋轉動作。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

11‧‧‧旋轉件

111‧‧‧旋轉角度零點

112‧‧‧正向旋轉極限角度點

113‧‧‧逆向旋轉極限角度點

121‧‧‧第一磁塊

122‧‧‧第二磁塊

13‧‧‧電位計

131‧‧‧電位計感測單元

14‧‧‧霍爾元件

15‧‧‧微控制器

16‧‧‧極限保護單元

圖1係為現有典型之霍爾裝置結構圖。

圖2係為本發明之旋轉角度保護裝置實施例結構圖。

圖3係為本發明實施例使用之非接觸式電位計輸出實測波形。

圖4係為本發明實施例使用之電位計兩組信號之對應關係圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此 技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

本發明之旋轉角度保護裝置實施例結構圖如圖2所示，係包括：一旋轉件11，該旋轉件之徑向圓周邊緣係具有旋轉角度零點111、正向旋轉極限角度點112與逆向旋轉極限角度點113，該旋轉角度零點111處設有第一磁塊121，該正向旋轉極限角度點112處與逆向旋轉極限角度點113分別設有第二磁塊122，該第一磁塊121之極性係與該第二磁塊122相反，如若第一磁塊係為N極朝外，第二磁塊即為S極朝外；電位計13，係用於量測該旋轉件11之實際旋轉角度，該電位計係具有兩組電位計感測單元131，故該電位計具有兩組輸出信號，以達到計算角度與交互檢核之功能；二霍爾元件14，係設置於該旋轉件11之徑向兩側，與該旋轉件11具有一間隔距離，該二霍爾元件14係用於感測該第一磁塊121與該第二磁塊122之位置；微控制器15，係連接該電位計13與該二霍爾元件14，該微控制器15係根據該電位計13量測之實際旋轉角度，與該霍爾元件14感測之第一磁塊121與第二磁塊122之位置信號，判斷該旋轉件11之實際旋轉角度是否到達該正向旋轉極限角度點112或逆向旋轉極限角度點113；極限保護單元16，該極限保護單元16係設置於該旋轉件11之徑向側邊，位於該正向旋轉極限角度點112處或逆向旋轉極限角度點113之後，並與該旋轉件11具有一間隔距離，當該極限保護單元16感測到該第一磁塊121之磁場信號時，將強制停止該旋轉件11之旋轉動作。該旋轉件係為無刷馬達、步進馬達、伺服馬達或其他種類之非連續旋轉裝置；該霍爾元件係可為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)、數位霍爾裝置(Digital Hall-effect device)或霍爾開關(Hall-effect digital switch,Hall switch)；該極限保護單元係可為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)、數位霍爾裝置(Digital Hall-effect device)或霍爾開關(Hall-effect digital switch,Hall switch)。該第一磁塊與該第二磁塊以該旋轉件之旋轉軸心為圓心成一角度配置，該角度係為該旋轉件之旋轉極限角度。

本發明之旋轉角度保護裝置係具有三層保護機制，電位計用於角度量測為現今業界普遍使用之技術，然傳統僅有單組電位計信號之旋 轉裝置失效時，使用者無法在第一時間判定是電位計故障或是旋轉件本身故障，必須停機拆卸裝置才能研判。若是電位計故障而旋轉裝置依然正常作動，則可能產生裝置旋轉角度超過設定極限、造成機構損壞之情形。本發明之第一層保護機制係為具備兩組交互參照訊號之電位計，該電位計係具有兩組電位計感測單元，該電位計感測單元係採用非接觸式感測器，如磁場感測器(LHE)、光學感測器或其他種類之非接觸式角度量測裝置，本發明實施例中，係使用兩組在該旋轉件徑向邊緣圓周上相距90度的磁場感測器(LHE)，以及一顆徑向充磁磁塊，因此該二LHE的輸出波形與轉軸旋轉角度的關係，接近一組相位差90度的sin/cos波形，本發明實施例使用之非接觸式電位計輸出實測波形如圖3所示。若取橫軸為時間，該兩組電位計的訊號分別作為X軸與Y軸，可得該電位計兩組信號之對應關係圖如圖4，此圓的形狀可能會因電位計安裝的角度、距離磁塊的遠近，以及電位計本身的輸出特性而有變化，但無論如何該兩組電位計的輸出一定會遵循某種固定規則，以360度為周期。因此，這兩組電位計的輸出電壓有一定的相關性，非任意值。故事先建立此電位計輸出與角度的資料表，當該微控制器讀取其中一組之輸出角度電壓信號時，另外一組輸出信號必定在某一範圍內，因此該微控制器可直接根據該電位計之兩組信號，偵測並確保該旋轉件之旋轉角度不超過極限角度，當該微控制器讀取到電位計之其中一組訊號出現異常時，整體裝置仍能繼續維持保護功能，並產生錯誤訊息提醒使用者，本發明使用之電位計具有兩組信號交互參照與互相備援之功能，可提高角度量測之精準度與旋轉件保護機制之可靠度。

本發明之旋轉角度保護裝置之第二層保護機制為非接觸式極限角度感測，係使用二霍爾元件感測該旋轉件上之第一磁塊與第二磁塊位置，當該旋轉件之旋轉角度位於零點時，該二霍爾元件分別對準設置於該旋轉件徑向邊緣正向旋轉極限角度點與逆向旋轉極限角度點之第二磁塊，該二霍爾元件將該第二磁塊之磁場信號傳送至該微控制器，該微控制器查核該二電位計提供之角度信號與該霍爾元件之磁場信號，確保裝置整體作動正常。當該旋轉件之旋轉角度到達預設之極限角度時，無論是正向或逆向兩側其中任一霍爾元件感測到該第一磁塊之磁場信號，該霍爾元件 立即發送該第一磁塊之磁場信號給該微控制器，該微控制器查核該二電位計提供之角度信號與該霍爾元件之第一磁場信號是否相符，若相符合，則將微控制器繼續以該電位計提供之角度信號作為極限角度控制依據，若不相符合，該微控制器可立即停止旋轉件之動作，避免機構損壞。本發明之第二層保護使用之霍爾元件可在電位計信號正常輸出、卻與該霍爾元件感測到之磁塊位置(磁場信號)不相符時，讓微控制器比對兩者而察覺異常，進而保護旋轉件之機構。

本發明之旋轉角度保護裝置之第三層保護機制為非接觸式硬體極限保護，前兩層之保護機制均利用該微控制器內建之控制軟體機制作為保護方式，在緊急情況下，若該微控制器、該電位計與該霍爾元件等相關單元均失效時，本發明可提供獨立於前兩層之外之硬體極限保護。本發明之旋轉角度保護裝置係設有非接觸式極限保護單元，該極限保護單元係與該二霍爾元件並排設置，以該旋轉件之極限旋轉角度為基準，該極限保護單元與該旋轉件之旋轉角度零點之間夾角略大於該旋轉件之旋轉極限角度，當該極限保護單元感測到該第一磁塊之磁場信號時，代表該旋轉件之旋轉角度已到達或已超過該旋轉極限角度，該極限保護單元將立即停止該旋轉件之旋轉動作。本發明第三層保護機制之極限保護單元係獨立於該微控制器之外，可直接關閉該旋轉件之作動，當該微控制器與其相關感測元件均失效時，本發明之極限保護單元可提供最終保護功能，強制停止該旋轉件之旋轉動作，避免旋轉機構之進一步故障損壞。該極限保護單元係可使用磁場感測器，如線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)、數位霍爾裝置(Digital Hall-effect device)或霍爾開關(Hall-effect digital switch,Hall switch)等，或使用光學感測器或其他種類之非接觸式感測器。

本發明之旋轉角度保護裝置係具有高可靠度、低成本與低建置難度之優點，本發明之旋轉角度保護裝置係提供兼具軟硬體控制方式之三層保護機制：第一層之電位計量測該旋轉件之實際旋轉角度，提供兩組旋轉角度信號傳送至該微控制器；第二層之該第一磁塊、第二磁塊與該霍爾元件可讓旋轉件在掃過旋轉零點、正向旋轉極限角度點或逆向旋轉極限 角度點時，皆能檢核該電位計輸出之角度信號是否正確，並提供除電位計以外的後備極限角度保護功能；第三層之極限保護單元係獨立於微控制器主控之前兩層保護外，在微控制器及其相關感測器均故障的緊急狀況下，亦可強制停止旋轉件作動，以保護機構不致損壞。本發明使用之電位計、霍爾元件與極限保護單元均為非接觸式感測器，改善傳統接觸式極限開關所需之多重迴路復原設計、及接觸點易磨損老化之缺點，並大幅減少機構組裝元件與成本。本發明主要利用微控制器之內建軟體調控極限角度，可輕易變更參數以適應不同場合需求，無需調整機械結構，節省製造與購買成本。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

11‧‧‧旋轉件

111‧‧‧旋轉角度零點

112‧‧‧正向旋轉極限角度點

113‧‧‧逆向旋轉極限角度點

121‧‧‧第一磁塊

122‧‧‧第二磁塊

13‧‧‧電位計

131‧‧‧電位計感測單元

14‧‧‧霍爾元件

15‧‧‧微控制器

16‧‧‧極限保護單元

Claims (8)

1. 一種旋轉角度保護裝置，係用於非連續式旋轉件之旋轉角度保護，該旋轉件之旋轉角度零點處設有第一磁塊，該旋轉件之正向旋轉極限角度點處與逆向旋轉極限角度點處分別設有第二磁塊，該第一磁塊之極性係與該第二磁塊相反，該旋轉角度保護裝置係包括：一電位計，係用於量測該旋轉件之實際旋轉角度；至少二霍爾元件，係設置於該旋轉件之徑向兩側，與該旋轉件具有一間隔距離，該霍爾元件係用於感測該第一磁塊與該第二磁塊之位置；微控制器，係連接該電位計與該霍爾元件，該微控制器係根據該電位計量測之實際旋轉角度，與該霍爾元件感測之第一磁塊與第二磁塊之位置信號，判斷該旋轉件之實際旋轉角度是否到達該正向旋轉極限角度點或逆向旋轉極限角度點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度保護裝置，其中該旋轉件係為無刷馬達、步進馬達、伺服馬達或其他種類之非連續旋轉裝置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度保護裝置，其中該電位計係具有兩組輸出信號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度保護裝置，其中該電位計係使用磁場感測器(LHE)、光學感測器或其他種類之非接觸式角度量測裝置作為感測單元。
5. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度保護裝置，其中該霍爾元件係為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)、數位霍爾裝置(Digital Hall-effect device)或霍爾開關(Hall-effect digital switch,Hall switch)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度保護裝置，其中更包括：極限保護單元，該極限保護單元係設置於該旋轉件之徑向側邊，並與該旋轉件具有一間隔距離，當該極限保護單元感測到該第一磁塊之磁場信號時，強制停止該旋轉件之旋轉動作。
7. 如申請專利範圍第6項所述之旋轉角度保護裝置，其中該極限保護單元係為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)、數位霍爾裝置(Digital Hall-effect device)或霍爾開關(Hall-effect digital switch,Hall switch)。
8. 如申請專利範圍第6項所述之旋轉角度保護裝置，其中該極限保護單元係使用光學感測器或其他種類之非接觸式感測器。