TWI633758B - Angular position sensing device - Google Patents

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蔡銘富
莊維德
連家祥
張哲瑋
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大銀微系統股份有限公司
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Abstract

一種角位置感測裝置包含一用來產生一正弦感應信號及一餘弦感應信號的第一解角器。該第一解角器包括：一環狀轉子；一環狀定子，以一在徑向上等距的環設方式，設有多個定子磁極，該環狀定子與該環狀轉子其中一者是以一環繞該環狀定子與該環狀轉子其中另一者的方式設置；多個激發線圈，以一鄰近該環狀定子的方式分別纏繞於該等定子磁極；及四個感應線圈，以一鄰近該環狀轉子的方式分別纏繞於該等定子磁極中的四個定子磁極，且分別與纏繞於該等四個定子磁極上的該等激發線圈相間隔。該等正弦及餘弦感應信號的大小至少相關於該環狀轉子的形狀。

Description

角位置感測裝置
本發明是有關於一種角位置感測技術，特別是指一種用於感測一馬達轉子之角位置的角位置感測裝置。
美國專利第5189353號揭露了一種習知角位置感測裝置，用於感測一馬達的一轉子的角位置。習知角位置感測裝置包含第一及第二解角器(resolver) 、二個三相至二相轉換器及一信號處理器。該等第一及第二解角器中的每一者包括一個環狀定子。該環狀定子設有多個定子磁極。每一個定子磁極纏繞有一激發線圈及一感應線圈。由於該等感應線圈的纏繞方式會使得所對應的該第一解角器所產生的一組第一感應信號(用以解析該馬達之該轉子的絕對位置)，及所對應的該第二解角器所產生的一組第二感應信號(用以解析該馬達之該轉子的相對位置)皆包括三相(A相、B相、C相)感應信號。因此，當要解析該馬達之該轉子的角位置時，該等三相至二相轉換器先分別接收該組第一感應信號及該組第二感應信號，並據以分別轉換出一第一二相信號輸出及一第二二相信號輸出。接著，該信號處理器在根據該等第一及第二二相信號輸出來解析出該馬達之該轉子的角位置。
然而，在上述結構中，由於該等感應線圈的纏繞方式會使得該等組第一及第二感應信號皆包括三相感應信號，因此，對於習知角位置感測裝置而言，該等三相至二相轉換器是必要構件，其導致習知角位置感測裝置的角位置解析運算方法及電路結構較為複雜，並具有電路面積較大及製造成本較高等缺點。
因此，本發明之目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺點的角位置感測裝置。
於是，本發明角位置感測裝置，包含一第一解角器。
該第一解角器用來產生彼此相位互補的一正弦感應信號及一餘弦感應信號，該正弦感應信號及該餘弦感應信號共同相關於一馬達的一轉子的絕對位置。該第一解角器包括一環狀轉子、一環狀定子、多個激發線圈及四個感應線圈。
該環狀定子以一在徑向上等距的環設方式設有多個定子磁極，且該環狀定子與該環狀轉子其中一者是以一環繞該環狀定子與該環狀轉子其中另一者的方式設置。
該等激發線圈以一鄰近該環狀定子的方式分別纏繞於該等定子磁極。
該等感應線圈以一鄰近該環狀轉子的方式分別纏繞於該等定子磁極中的四個定子磁極，且分別與纏繞於該等四個定子磁極上的該等激發線圈相間隔。
該正弦感應信號及該餘弦感應信號的大小至少相關於該環狀轉子的形狀。
本發明之功效在於：由於該等感應線圈的纏繞方式會使得該第一解角器產生該正弦感應信號與該餘弦感應信號，可使本發明角位置感測裝置不需如習知角位置感測裝置需額外增加三相至二相轉換器。因此，本發明角位置感測裝置具有較簡單的電路結構，且可減少電路面積並同時降低製造成本。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1、圖2與圖3，本發明角位置感測裝置之一實施例適用於感測一馬達(圖未示)的一轉子(圖未示)的角位置，且該角位置感測裝置包含一第一解角器(resolver)1、一第二解角器2及一信號處理器(圖未示)。在本實施例中，該馬達為一直驅式馬達(Direct Drive Motor)。
該第一解角器1用來產生彼此相位互補的一正弦感應信號及一餘弦感應信號，該正弦感應信號及該餘弦感應信號共同相關於該馬達的該轉子的絕對位置。在本實施例中，該第一解角器1包括一環狀轉子11、一環狀定子12、多個激發線圈13及四個感應線圈14、15、16、17。該正弦感應信號及該餘弦感應信號的大小相關於該環狀轉子11的形狀。
該環狀轉子11與該環狀定子12共軸設置(即，該環狀轉子11的內環面與外環面及該環狀定子12的外環面的圓心皆相同)。該環狀轉子11包含一環體111，該環體111在該環體111的一延伸方向y上具有一變化的高度，且該高度沿著該環體111的一圓周方向從一最大高度值逐漸遞減。需說明的是，該第一解角器1是以一共軸的方式連接於該馬達上，並使該環狀轉子11與該馬達的該轉子同步轉動。此外，在本實施例中，該最大高度值實際為10.2mm，且該高度從10.2mm逐漸遞減至3.23mm，但不限於此。
該環狀定子12具有一鄰近該環狀轉子11之外環面120。該環狀定子12以一在徑向上等距的環設方式，在該外環面120設有多個定子磁極121。該環狀定子12與該環狀轉子11其中一者是以一環繞該環狀定子12與該環狀轉子11其中另一者的方式設置。在本實施例中，該環狀轉子11環繞該環狀定子12，但不限於此。
該等激發線圈13以一鄰近該環狀定子12的方式分別纏繞於該等定子磁極121。每一激發線圈13用來輸出一激發信號。
該等感應線圈14、15、16、17以一鄰近該環狀轉子11的方式分別纏繞於該等定子磁極121中的四個定子磁極121，且分別與纏繞於該等四個定子磁極121上的該等激發線圈13相間隔。在本實施例中，纏繞有該等感應線圈14、15、16、17的該等定子磁極121中的任二個相鄰者的一磁極延伸方向彼此互相垂直。舉例來說，纏繞有該感應線圈14的該定子磁極121的一磁極延伸方向A與纏繞有該感應線圈15的該定子磁極121的一磁極延伸方向B彼此互相垂直。該磁極延伸方向A與纏繞有該感應線圈17的該定子磁極121的一磁極延伸方向D彼此互相垂直。纏繞有該感應線圈16的該定子磁極121的一磁極延伸方向C與該磁極延伸方向B彼此互相垂直。該磁極延伸方向C與該磁極延伸方向D彼此互相垂直。需說明的是，該等感應線圈14、15、16、17用來感應該環狀轉子11相對於與該環狀定子12轉動時所產生的磁場變化，以產生並輸出該正弦感應信號及該餘弦感應信號。在本實施例中，該等感應線圈15、17的輸出組合成該正弦感應信號，該等感應線圈14、16的輸出組合成該餘弦感應信號。
該第二解角器2用來以一已知方式產生一組二相(即，正弦、餘弦)感應信號，該組二相感應信號相關於該馬達之該轉子的相對位置(即，相對於絕對位置的位置)。在本實施例中，該第二解角器2的實施如圖3所示。該第二解角器2也是以一共軸的方式連接於該第一解角器1及該馬達上，並使其所包含的一環狀轉子21與該馬達的該轉子同步轉動。該第二解角器2與該馬達及該第一解角器1的連接關係及其操作原理為熟悉本技術領域之通常知識者所熟知，於此不贅述。
該信號處理器接收來自該等第一及第二解角器1、2所輸出的該正弦感應信號、該餘弦感應信號及該組二相感應信號，並根據該正弦感應信號、該餘弦感應信號及該組二相感應信號來解析出該馬達之該轉子的角位置。該信號處理器用來解析出該馬達之該轉子的角位置的解析方式為一已知方式，於此不贅述。
參閱圖4，顯示本實施例該第一解角器1所產生的該正弦感應信號及該餘弦感應信號的波形圖。參數V1、V2分別代表該正弦感應信號及該餘弦感應信號。
參閱圖5，顯示本實施例該第二解角器2所產生的該組二相感應信號中之其中一正弦感應信號V3及其中一餘弦感應信號V4的波形圖。
參閱圖6，其繪示該實施例之該第一解角器1的另一實施態樣，且圖6與圖1相似，二者不同之處在於：以一環狀轉子11’取代該環狀轉子11(見圖1)。該環狀轉子11’包含一環體111’，該環體111’具有一鄰近該環狀定子12之該外環面120的內環面112，及一遠離該環狀定子12之該外環面120的外環面113。該環體111’之該內環面112與該環狀定子12之該外環面120共軸設置(參數O 2代表該內環面112與該外環面120所對應的一圓心)，該環體111’之該外環面113與該環狀定子12之該外環面120係彼此偏心設置(參數O 1代表該外環面113所對應的一圓心，該等圓心O 1、O 2間隔一距離d 1)，以致該環體111’具有一變化的厚度。該厚度在該環體111’的一第一部分1111具有一最大厚度值，並且自該第一部分1111的兩側逐漸變薄。在本實施態樣中，該最大厚度值實際為7.7mm，且該厚度從7.7mm逐漸遞減至6.5mm，但不限於此。
參閱圖7，其繪示該實施例之該第一解角器1的又另一實施態樣，且圖7與圖1相似，二者不同之處在於：以一環狀轉子11”取代該環狀轉子11(見圖1)，該環狀轉子11”包含一環體111”，該環體111”具有一鄰近該環狀定子12之該外環面120的內環面114，及一遠離該環狀定子12之該外環面120的外環面115。該正弦感應信號及該餘弦感應信號的大小不僅相關於該環狀轉子11”的形狀，還相關於該環狀轉子11”之該環體111”之該內環面114相對於該環狀定子12之該外環面120的設置位置。
在本實施態樣中，該環體111”之該外環面115與該環狀定子12之該外環面120共軸設置(參數O 3代表該外環面115與該外環面120所對應的一圓心)，該環體111”之該內環面114與該環狀定子12之該外環面120係彼此偏心設置(參數O 4代表該內環面114所對應的一圓心，該等圓心O 3、O 4間隔一距離d 2)，以致該環體111”具有一變化的厚度，且該內環面114與該外環面120之間具有一變化的間隙1110。該厚度在該環體111”之該內環面114最靠近該環狀定子12的一第二部分1112具有一最大厚度值，並且自該第二部分1112的兩側逐漸變薄。該間隙1110在最靠近該第二部分具有一最小間距值，並且延著該第二部分的兩側逐漸變大。在本實施態樣中，該最大厚度值實際為7.7mm，且該厚度從7.7mm逐漸遞減至6.5mm，但不限於此。
綜上所述，由於本發明該等感應線圈14~17的纏繞方式會使得該第一解角器1所產生的信號為一二相感應信號輸出(即，該正弦感應信號與該餘弦感應信號組合成該二相感應信號輸出)，且該第二解角器2是產生該組二相感應信號，故該信號處理器可直接根據該正弦感應信號、該餘弦感應信號及該組二相感應信號來解析出該馬達之該轉子的角位置，所以本發明角位置感測裝置不需如習知角位置感測裝置需額外增加二個三相至二相轉換器。因此，本發明角位置感測裝置相較於習知角位置感測裝置具有較簡單的角位置解析運算方法及電路結構，且可減少電路面積並同時降低製造成本。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧第一解角器
11‧‧‧環狀轉子
11’‧‧‧環狀轉子
11”‧‧‧環狀轉子
111‧‧‧環體
111’‧‧‧環體
111”‧‧‧環體
1110‧‧‧間隙
1111‧‧‧第一部分
1112‧‧‧第二部分
112‧‧‧內環面
113‧‧‧外環面
114‧‧‧內環面
115‧‧‧外環面
12‧‧‧環狀定子
120‧‧‧外環面
121‧‧‧定子磁極
13‧‧‧激發線圈
14~17‧‧‧感應線圈
2‧‧‧第二解角器
21‧‧‧環狀轉子
A·‧‧‧磁極延伸方向
B‧‧‧磁極延伸方向
C‧‧‧磁極延伸方向
D‧‧‧磁極延伸方向
V1‧‧‧正弦感應信號
V2‧‧‧餘弦感應信號
V3‧‧‧正弦感應信號
V4‧‧‧餘弦感應信號
O1‧‧‧圓心
O2‧‧‧圓心
O3‧‧‧圓心
O4‧‧‧圓心
y‧‧‧延伸方向
d1‧‧‧距離
d2‧‧‧距離
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一俯視圖，說明本發明角位置感測裝置之一實施例中的一第一解角器的一實施態樣； 圖2是一側視圖，說明該實施例的該第一解角器； 圖3是一俯視圖，說明該實施例的一第二解角器； 圖4是一波形圖，說明該實施例的該第一解角器所產生的一正弦感應信號及一餘弦感應信號的波形； 圖5是一波形圖，說明該實施例的該第二解角器所產生的一組二相感應信號中之其中一正弦感應信號及其中一餘弦感應信號的波形； 圖6是一俯視圖，說明該實施例之該第一解角器的另一實施態樣；及 圖7是一俯視圖，說明該實施例之該第一解角器的又另一實施態樣。

Claims (7)

  1. 一種角位置感測裝置，包含：一第一解角器，用來產生彼此相位互補的一正弦感應信號及一餘弦感應信號，該正弦感應信號及該餘弦感應信號共同相關於一馬達的一轉子的絕對位置，該第一解角器包括一環狀轉子，一環狀定子，以一在徑向上等距的環設方式，設有多個定子磁極，且該環狀定子與該環狀轉子其中一者是以一環繞該環狀定子與該環狀轉子其中另一者的方式設置，多個激發線圈，以一鄰近該環狀定子的方式分別纏繞於該等定子磁極，及四個感應線圈，以一鄰近該環狀轉子的方式分別纏繞於該等定子磁極中的四個定子磁極，且分別與纏繞於該等四個定子磁極上的該等激發線圈相間隔；其中，該正弦感應信號及該餘弦感應信號的大小至少相關於該環狀轉子的形狀；其中，該環狀轉子與該環狀定子共軸設置，該環狀轉子包含一環體，該環體在該環體的一延伸方向上具有一變化的高度，且該高度沿著該環體的一圓周方向從一最大高度值逐漸遞減。
  2. 如請求項1所述的角位置感測裝置，其中，纏繞有該等感應線圈的該等定子磁極中的任二個相鄰者的一磁極延伸方向彼此互相垂直。
  3. 一種角位置感測裝置，包含：一第一解角器，用來產生彼此相位互補的一正弦感應信號及一餘弦感應信號，該正弦感應信號及該餘弦感應信號共同相關於一馬達的一轉子的絕對位置，該第一解角器包括一環狀轉子，一環狀定子，以一在徑向上等距的環設方式，設有多個定子磁極，且該環狀定子與該環狀轉子其中一者是以一環繞該環狀定子與該環狀轉子其中另一者的方式設置，多個激發線圈，以一鄰近該環狀定子的方式分別纏繞於該等定子磁極，及四個感應線圈，以一鄰近該環狀轉子的方式分別纏繞於該等定子磁極中的四個定子磁極，且分別與纏繞於該等四個定子磁極上的該等激發線圈相間隔；其中，該正弦感應信號及該餘弦感應信號的大小至少相關於該環狀轉子的形狀；其中，該環狀轉子環繞該環狀定子，該環狀定子具有一鄰近該環狀轉子之外環面，該外環面設有該等定子磁極； 其中，該環狀轉子包含一環體，該環體具有一鄰近該環狀定子之該外環面的內環面，及一遠離該環狀定子之該外環面的外環面，該環狀轉子之該環體之該內環面與該環狀定子之該外環面共軸設置，該環體之該外環面與該環狀定子之該外環面係彼此偏心設置，以致該環體具有一變化的厚度，該厚度在該環體的一第一部分具有一最大厚度值，並且自該第一部分的兩側逐漸變薄。
  4. 如請求項3所述的角位置感測裝置，其中，纏繞有該等感應線圈的該等定子磁極中的任二個相鄰者的一磁極延伸方向彼此互相垂直。
  5. 一種角位置感測裝置，包含：一第一解角器，用來產生彼此相位互補的一正弦感應信號及一餘弦感應信號，該正弦感應信號及該餘弦感應信號共同相關於一馬達的一轉子的絕對位置，該第一解角器包括一環狀轉子，一環狀定子，以一在徑向上等距的環設方式，設有多個定子磁極，且該環狀定子與該環狀轉子其中一者是以一環繞該環狀定子與該環狀轉子其中另一者的方式設置，多個激發線圈，以一鄰近該環狀定子的方式分別纏繞於該等定子磁極，及 四個感應線圈，以一鄰近該環狀轉子的方式分別纏繞於該等定子磁極中的四個定子磁極，且分別與纏繞於該等四個定子磁極上的該等激發線圈相間隔；其中，該正弦感應信號及該餘弦感應信號的大小至少相關於該環狀轉子的形狀；其中，該環狀轉子環繞該環狀定子，該環狀定子具有一鄰近該環狀轉子之外環面，該外環面設有該等定子磁極；其中，該環狀轉子包含一環體，該環體具有一鄰近該環狀定子之該外環面的內環面，及一遠離該環狀定子之該外環面的外環面，該正弦感應信號及該餘弦感應信號的大小不僅相關於該環狀轉子的形狀，還相關於該環狀轉子之該環體之該內環面相對於該環狀定子之該外環面的設置位置。
  6. 如請求項5所述的角位置感測裝置，其中，該環狀轉子之該環體之該外環面與該環狀定子之該外環面共軸設置，該環體之該內環面與該環狀定子之該外環面係彼此偏心設置，以致該環體具有一變化的厚度，且該環體之該內環面與該環狀定子之該外環面之間具有一變化的間隙，該厚度在該環體之該內環面最靠近該環狀定子的一第二部分具有一最大厚度值，並且自該第二部分的兩側逐漸變薄，該間隙在最靠近該第二部分具有一最小間距值，並且延著該第二部分的兩側逐漸變大。
  7. 如請求項5所述的角位置感測裝置，其中，纏繞有該等感應線圈的該等定子磁極中的任二個相鄰者的一磁極延伸方向彼此互相垂直。
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