CN101876558B - 位置检测装置及其信号处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位置检测装置及其信号处理装置和方法，该位置检测装置包括转子和将转子套在内部的定子，所述转子包括第一磁钢环、第二磁钢环；分别固定在一转动轴上；在定子上，对应于第二磁钢环设有n个均匀分布的磁感应元件，对应于第一磁钢环设有m个呈一定角度分布的磁感应元件；当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置，本发明利用固定在定子圆周上的磁感应元件感应固定在轴上磁钢转动引起的磁场强度变化来输出电压信号，用电压值来判断轴转动角度，从而实现位置的检测，具有响应快、处理精度高，并且成本低、制造工艺简单等优点。

Description

位置检测装置及其信号处理装置和方法

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体地涉及一种用于精确位置控制的位置检测装置及其信号处理装置和方法。 

背景技术

在工业控制中，为了达到精确的电机位置，利用位置传感器将电机的旋转角度、角速度等物理量转换为电信号，这种位置传感器通常称为编码器。随着工业自动化的发展，直流电机向交流电机的转变以及模拟控制向数字控制的转变，都离不开编码器的发展，编码器的制造技术和信号的处理水平直接影响到自动化水平。 

目前，工程技术领域中应用的编码器主要是光电式编码器，光电式编码器有增量式和绝对式两种。在增量式编码器中，轴旋转时带动光栅盘旋转，发光元件发出的光被光栅盘的狭缝切割成断续光线，再由接收元件接受并输出相应的脉冲信号，旋转方向和脉冲数量需要借助判向电路和计数器来实现。计数起点可任意设定，旋转增量编码器转动时输出脉冲，通过计数设备的内部存储单元来记住位置。然而该编码器工作过程中不允许有干扰进而丢失脉冲，否则，记数设备记忆的零点就会偏移并且无从知道。 

为了解决此问题，出现了绝对式编码器。绝对式编码器输出与位置一一对应的代码，从代码的大小变化能判别出旋转方向和转子的当前位置。这样抗干扰性，数据的可靠性大大提高了，绝对式编码器已经越来越多的应用于各种工业***的角度，长度测量和位置控制。 

然而，光电编码器存在一些难以克服的缺点：光电编码器由玻璃物质通过刻线而成，其抗震动和冲击能力不强，不适合于尘埃，结露等恶劣环境，并且结构和定位组装复杂；刻线间距有极限，要提高分辨率必须增大码盘，难以做到小型化；在生产中必须保证很高的装配 精度，直接影响到生产效率，最终影响产品成本。 

为了解决这些不足，出现了磁电式编码器，近年来磁性编码器的研制正逐渐展开。传统磁电传感器的定子和转子由纯铁组成，定子上固定永久磁铁，形成磁路***。定子和转子相对的环形端面上均匀的设计齿和槽，数目相等，转子和轴固紧，轴与被测量的转轴连接，轴带动转子转动，当转子齿和定子齿相对，气隙最小，磁通最大，反之最小。其检测原理是，利用固定在定子圆周上的磁敏元件感受固定在轴上磁钢转动引起的磁场强度变化来输出电压信号，用电压值来判断轴转动角度，从而实现位置的检测。 

此类编码器比较多，但测量精度比较低，只能实现增量输出。 

例如，专利号为200410024190.7、200410024191.1、200410024192.6的专利分别提出了一种磁电编码器，专利号为200410024195.X、200410024194.5、200410024193.0的专利也分别提出了一种编码器，专利号为200410024198.3、200410024197.9和200410024196.4的专利分别提出了一种编码器的存储器写入器。 

上述实现了绝对式位置检测，其原理相同，以200410024190.7为例，如图1所示，在该磁电编码器的结构中，磁感应元件采用表面贴的方式，即在圆环形定子内侧壁布置磁感应元件，进行旋转磁场的感应，然后根据传感器电压值求出旋转角度值。 

所述磁电编码器在物理结构上具有以下缺点： 

定子内侧一般呈圆弧形且光滑，传感器不易安装固定，容易引起定位误差，进而引起信号的相位偏差，使得信号中高次谐波分量大；加工制造工艺复杂，不利于产业化； 

可靠性低，传感器均布于内侧壁，传感器的支持基体必须为柔性体如FPC等，其与处理本体接触处其抗拉强度不高，容易破裂，增加了加工难度，影响产品的寿命； 

传感器感应的磁场泄露大，磁场不能得到充分应用，使得信号中噪声大，影响测量精度； 

要求传感器体积小，使得产品成本比较高。 

所述磁电编码器在信号处理上具有以下缺点： 

从磁感应元件得到的A相模拟信号v_a和B相模拟信号v_b，一般都含有高次谐波和噪声，利用上述求反正切值的方法就要受到高次谐波的影响，若不能减小或消除高次谐波的影响，则不易得出精确的位置信号θ； 

模拟器件导致温度漂移和零点漂移，降低了电路的可靠性和稳定性；模拟电路的产品成本较高。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的抗冲击能力不强，加工成本高，适用范围受限以及精度低等不足，提供了一种位置检测装置及其信号处理电路和处理方法，使位置检测装置响应快、处理精度高，并且成本低、制造工艺简单。 

为解决上述技术问题，本发明提供一种位置检测装置，包括转子和将转子套在内部的定子，所述转子包括第一磁钢环、第二磁钢环；其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环可以分别固定在一转轴上；在定子上，对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n个均匀分布的磁感应元件，其中n＝1，2…n，所述第二磁钢环的磁极的磁化顺序使得n个磁感应元件输出为格雷码形式，相邻两个输出只有一位变化；在定子上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m个呈一定角度分布的磁感应元件，其中m为2或3的整数倍，所述第一磁钢环的磁极总对数与第二磁钢环的磁极总数相等，并且相邻两极的极性相反；当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。 

进一步地，在定子上对应于第一磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，该夹角为90°/g；当m为3时，该夹角为120°/g；当m为6时，该夹角为60°/g，其中，g为第二磁钢环的磁极总数。 

在本发明的一个实施例中，所述磁感应元件直接表贴在定子的内表面。 

进一步地，还包括两个内置于定子内表面的、分别与第一磁钢环、第一磁钢环对应的导磁环，每一所述导磁环是由多个同圆心、同半径的弧段构成，相邻两弧段留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件分别设在该空隙内。 

优选地，所述的导磁环的弧段端部设有倒角。 

优选地，所述倒角为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。 

优选地，所述的磁感应元件为霍尔感应元件。 

本发明还提供了一种基于上述各种位置检测装置的信号处理装置，包括：A/D转换模块、相对偏移角度θ₁计算模块、绝对偏移量θ₂计算模块、角度合成及输出模块和存储模块。所述A/D转换模块，对位置检测装置发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；所述相对偏移角度θ₁计算模块，用于计算位置检测装置中对应于第一磁钢环的磁感应元件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量θ₁；所述绝对偏移量θ₂计算模块，根据位置检测装置中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂；所述角度合成及输出模块，用于将上述相对偏移量θ₁和绝对偏移量θ₂相加，合成所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度θ；所述存储模块，用于存储数据。 

进一步地，还包括：信号放大模块，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于位置检测装置的电压信号进行放大。 

进一步地，所述相对偏移角度θ₁计算模块包括第一合成单元和第一角度获取单元，所述第一合成单元对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到一基准信号D；所述第一角度获取单元根据该基准信号D，在第一标准角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度θ₁。 

进一步地，所述相对偏移角度θ₁计算模块还包括温度补偿单元，用于消除温度对位置检测装置发送来的电压信号的影响。 

进一步地，所述第一合成单元的输出还包括信号R，在此基础上， 所述温度补偿单元包括系数矫正器和乘法器，所述系数矫正模块对所述合成模块的输出的信号R和对应该信号的标准状态下的信号R₀进行比较得到输出信号K；所述乘法器为多个，每一所述乘法器将从位置检测装置发送来的、经过A/D转换的一个电压信号与所述系数矫正模块的输出信号K相乘，将相乘后的结果输出给第一合成单元。 

此外，所述绝对偏移量θ₂计算模块包括第二合成单元和第二角度获取单元，所述第二合成单元用于对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到信号E；所述第二角度获取单元根据该信号E在第二标准角度表中选择与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂。 

第二合成单元将与第二磁环对应的磁传感元件的输出信号的符号位综合起来得到信号E。 

本发明还提供了一种基于上述位置检测装置的信号处理方法，包括以下步骤：步骤S300，用于对位置检测装置发送来的电压信号进行A/D转换；步骤S301，计算位置检测装置中对应于第一磁钢环的磁感应元件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量θ₁；步骤S302，根据位置检测装置中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂；步骤S303，用于将上述相对偏移量θ₁和绝对偏移量θ₂相加，合成所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度θ。 

进一步地，所述步骤S301中，具体包括：步骤S3011，对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到基准信号D；步骤S3012，根据该基准信号D，在第一标准角度表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ₁。 

进一步地，所述步骤S301中，在得到基准信号D的同时得到信号R。 

进一步地，步骤S301中还包括根据得到的信号R查询存储器中与其相对的标准状态下的信号R₀，并对二者进行比较运算，得到信号K的步骤。 

进一步地，在步骤S3011对位置检测装置发送来的经过A/D转换 的多个电压信号进行处理之前，将所述多个电压信号分别与信号K相乘，从而实现对电压信号的温度补偿。 

此外，所述步骤S302具体包括以下步骤：步骤S3021，对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到信号E；步骤S3022，根据该信号E在第二标准角度表中选择与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂。 

本发明提供的位置检测装置及其信号处理电路和处理方法，具有以下优点： 

a)通过增加导磁环，使得导磁环内部磁场分布均匀，泄露小，并且磁感应元件感应的信号为积分型，信号噪声小，所含高次谐波分量成分小，有利于提高原始信号质量，提高信号信噪比。 

b)采用导磁环，并且通过增加倒角来缩小有效面积，有利于提高磁感应元件表面感应的磁场强度，在一定程度上能减小对永磁体尺寸要求，能减小整个编码器的机械尺寸。 

c)采用此改进型结构，对磁感应元件的机械尺寸没有苛刻要求，可选用型号范围宽，甚至是不用采用后续放大电路，有利于减少产品成本，提高性价比。 

d)采用此结构形式，磁感应元件可直接固定在电路板上，无需转接件，有利于提高产品的可靠性。 

e)生产制造工艺简单，导磁环可用定子保持架，如一骨架，固定一起形成一个整理，一次成型，信号感应器，即磁感应元件直接放于狭缝(定位槽)处，能最大保证信号之间相位差，定子保持架直接固定在电机上，安装工艺方便，有利于提高生产效率。 

f)采用两具磁钢环和导磁环，增加了检测精度，使位置检测装置的处理精度更高，并且具有成本低、制造工艺简单的优点。 

g)采用本发明的磁放置方式，磁感应元件输出的信号幅值大，无需采用模拟放大电路，磁感应元件的输出信号直接输入到A/D转换器进行模数转换，根据需要再进行数字差分处理，这样使得整个电路非常简单，并在很大程度上减少了因为模拟器件导致的温度和零点漂移，且磁感应元件可直接固定在电路板上，无需转接件，提高了电路的可 靠性和稳定性，并且大幅降低了产品的成本。进行数字差分处理的优点是：能够消除由安装不对心引起的信号偏差，与模拟差分处理相比，采用数字信号进行处理，效果更好，不受温度、零点漂移等外界因素影响；能扩大信号输入量的幅值，在效果上相当于A/D转换器的精度增加了一位，能够提高编码器测量的精度。 

以下结合附图和具体的实施例对本发明进行详细地说明。 

附图说明

图1是本发明实施例一的位置检测装置的立体分解图； 

图2是图1所示的位置检测装置的安装图； 

图3是图1所示的位置检测装置的另一安装图； 

图4是导磁环的结构图； 

图5是导磁环的另一结构图； 

图6是导磁环的又一结构图； 

图7是导磁环的另一结构图； 

图8本发明所述位置检测装置的信号处理方法的流程图之一； 

图9本发明所述位置检测装置的信号处理方法的流程图之二； 

图10本发明所述位置检测装置的信号处理方法的流程图之三； 

图11本发明所述位置检测装置的信号处理方法的流程图之四； 

图12是本发明实施例一对应于第二磁钢环设有3个磁感应元件时得到的编码； 

图13是本发明实施例一对应于第二磁钢环设有3个磁感应元件时第二磁钢环的充磁顺序； 

图14是本发明实施例一的第二磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构图； 

图15是本发明实施例一的第一磁钢环均匀磁化为6对极时对应2个磁感应元件的布置图； 

图16为本发明实施例一的第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构图； 

图17为本发明实施例一的信号处理装置的电路框图； 

图18为本发明实施例二的第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构图； 

图19为本发明实施例二的信号处理装置的电路框图； 

图20为本发明实施例三的第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构图； 

图21为本发明实施例三的信号处理装置的电路框图； 

图22为本发明实施例四的第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构图； 

图23本发明实施例三的信号处理装置的电路框图； 

图24为本发明的实施例一至实施例四的位置检测装置的另一种结构的立体分解图。 

具体实施方式

参照附图，图1是本发明实施例一的位置检测装置的立体分解图。如图1～图3所示，该位置检测装置包括转子和将转子套在内部的定子，转子包括第一磁钢环201a和第二磁钢环201b以及第一导磁环205a和第二导磁环205b，第一磁钢环201a和第二磁钢环201b分别固定在电机轴200上，其中定子为支架203。 

如图1和图3所示，第一导磁环205a和第二导磁环205b分别由多个同圆心、同半径的弧段构成，相邻两个弧段之间留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件204分别设在该空隙内。如图4～图7所示，两个导磁环的弧段端部设有倒角，所述倒角为沿轴向251或径向252或同时沿轴向25 1、径向252切削而形成的倒角。 

根据磁密公式 

可以知道，当φ一定时候，可以通过减少S，增加B。 

因为永磁体产生的磁通是一定的，在导磁环中S较大，所以B比较小，因此可以减少因为磁场交变而导致的发热。而通过减少导磁环端部面积能够增大端部的磁场强度，使得磁感应元件的输出信号增强。这样的信号拾取结构制造工艺简单，拾取的信号噪声小，生产成本低， 可靠性高，而且尺寸小。 

对应于第二磁钢环201b，以第二磁钢环201b的中心为圆心的同一圆周上设有n(n＝1，2…n)个均匀分布的磁感应元件，第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应原件输出呈格雷码形式。磁极的极性为格雷码的首位为“0”对应于“N/S”极，首位为“1”对应于“S/N”极。 

第一磁钢环201a均匀的磁化为g(g的取值等于第二磁钢环中的磁极总数)对极(N极和S极交替排列)，当第二磁钢环中的磁极总数为6时，第一磁钢环201a的极对数为6对。以第一磁钢环201a的中心为圆心的同一圆周上，设置有m个磁感应元件，如2个，如图1 5所示，二个磁感应元件H₁、H₂之间的夹角为90°/6。第一磁钢环均匀地磁化为6对极时磁感应元件的布置如图16所示。当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。 

定义第一磁钢环中相邻一对“N-S”为一个信号周期，因此，任一“N-S”对应的机械角度为360°/g(g为“N-S”个数)，假定转子在t时刻旋转角度θ位于第n^th信号周期内，则此时刻角位移θ可认为由两部分构成：1.在第n^th信号周期内的相对偏移量，磁感应元件H₁和H₂感应第一磁钢环的磁场来确定在此“N-S”信号周期内的偏移量θ₁(值大于0小于360°/g)；2.第n^th信号周期首位置的绝对偏移量θ₂，用传感器感应第二磁钢环的磁场来确定此时转子究竟是处于哪一个“N-S”来得到θ₂。 

基于该位置检测装置及原理的信号处理装置包括：A/D转换模块、相对偏移量θ₁计算模块、绝对偏移量θ₂计算模块和存储模块。其信号处理流程如图8-11所示，如图8所示，对位置检测装置中第一磁钢环和第二磁钢环发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；由相对偏移量θ₁计算模块对位置检测装置发送来的对应于第一磁钢环的第一电压信号进行角度θ₁求解，计算对应于第一磁钢环的信号在所处信号周期内的相对偏移量θ₁；由绝对偏移量θ₂计算模块对位置检测装置发送来的对应于第二磁钢环的第一电压信号进行角度θ₂求解，来 确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂；通过角度合成及输出模块，如加法器用于将上述相对偏移量θ₁和绝对偏移量θ₂相加，合成所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度θ。对于图9，为在图8的基础上增加的信号放大模块，具体如放大器，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于位置检测装置的电压信号进行放大。图10是包括温度补偿的信号处理流程图，在进行角度θ₁求解之前，还包括温度补偿的过程；图11为基于图10的温度补偿的具体过程，即进行温度补偿时，要先进行系数矫正，而后再将A/D转换器输出的信号与系数矫正的输出通过乘法器进行相乘的具体方式来进行温度补偿。当然，温度补偿的具体方式还有很多种，在此就不一一介绍。 

相对偏移量θ₁计算模块包括信号合成单元、第一角度获取单元和温度补偿单元，信号合成单元对不同位置检测装置发送来的经过A/D转换的电压信号进行处理，得到一基准信号D；所述第一角度获取单元根据该基准信号D，在第一标准角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度θ₁；其中，在得到基准信号D之前，先对输入给信号合成单元的信号由温度补偿单元进行温度补偿，再将温度补偿后的信号进行处理得到信号D。这里所述的处理将在后面详细说明。绝对偏移量θ₂计算模块包括第二合成器和所述第二角度获取单元，用于对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到轴转过信号周期数，从而确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂，具体实现方式是所述第二合成器对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到一信号E；所述第二角度获取单元根据该信号E在第二标准角度表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂。 

实施例一 

在实施例一中，对应于第二磁钢环设有3磁感应元件，对应于第一磁钢环设有2磁感应元件。 

由于第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应原件输出呈格雷码形式。磁极的极性为格雷码的首位为“0”对应于“N/S”极，首位为“1”对应于“S/N”极。因此，在本实施例中，由于n为3时，得 到如图12所示的编码，得到6个码，即得到6个极，充磁顺序如图13所示，磁感应元件均布周围进行读数。第二磁钢环、导磁环和磁感应元件的位置关系如图14所示。 

由于第二磁钢环的磁极总数为6，因此，第一磁钢环被均匀的磁化为6对极，其与2个磁感应元件的布置图及磁序如图15所示，第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的位置关系如图16所示. 

图17示出了本实施例中对应于第一磁钢环设有2个磁感应元件、第二磁钢环设有3个磁感应元件时信号处理装置的电路框图。传感器1_1a和1_2a的输出信号接放大器2_1a、2_2a进行放大，然后接A/D转换器3_1a、3_2a，经模数转换后得到输出信号接乘法器4_1a、5_1a，系数矫正器10_1a输出信号接乘法器4_1a、5_1a的输入端，乘法器4_1a、5_1a的输出信号A、B接第一合成器6_1a的输入端，第一合成器6_1a对信号A、B进行处理，得到信号D、R，根据信号D从存储器8_1a中存储的标准角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度θ₁。其中，第一合成器6_1a的输出信号R输送给系数矫正器10_1a，系数矫正器10_1a根据信号R和从存储器9_1a中查表得到信号R₀得到信号K，该信号K作为乘法器4_1a、5_1a的另一输入端，与从放大器2_1a、2_2a输出的信号C1、C2分虽相乘得到信号A、B作为第一合成器6_1a的输入。 

传感器1_3a、1_4a、...1_na的输出信号分别接放大器2_3a、2_4a、...2_na进行放大，然后接A/D转换器3_3a、3_4a、...3_na进行模数转换后通过第二合成器7_1a进行合成，得到一信号E；根据该信号E在存储器11_1a中的第二标准角度表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂，θ₁和θ₂通过加法器12_1a得到测量的绝对角位移输出θ。 

其中，第二合成器7_1a的功能是，通过对传感器1_3a、1_4a、...1_na的信号进行合成，得到此时刻转子处于哪一个“N-S”信号周期内。 

第二合成器7_1a的处理是：当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第1位)为符号位，X_0＝1表示数据X为负，X_0＝0表示数据X为正。也即当感应的磁场为N时，输出为X_0＝0，否则为 X_0＝1。 

则对于本实施例，E＝{C3_0；C4_0；Cn_0}。 

其中，第一合成器6_1a对信号的处理是：比较两个信号的数值的大小，数值小的用于输出的信号D，信号D的结构为{第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，较小数值的信号的数值位}。具体如下： 

这里约定(后文各合成器均使用该约定)，当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第1位)为符号位，X_0＝1表示数据X为负，X_0＝0表示数据X为正。X_D表示数据X的数值位(数据的绝对值)，即去除符号位剩下的数据位。 

如果A_D＞＝B_D 

      D＝{A_0；B_0；B_D} 

$R=\sqrt{A^2+B^2};$

否则： 

      D＝{A_0；B_0；A_D} 

$R=\sqrt{A^2+B^2};$

信号K一般是通过将信号R₀和R进行除法运算得到。 

对于第一、二标准角度表，在存储器中存储了两个表，每个表对应于一系列的码，每一个码对应于一个角度。该表是通过标定得到的，标定方法是，利用本施例的检测装置和一高精度位置传感器，将本施例中的磁感应元件输出的信号和该高精度位置传感器输出的角度进行一一对应，以此建立出一磁感应元件输出的信号与角度之间的关系表。也就是，对应于信号D存储了一个第一标准角度表，每一个信号D代表一个相对偏移量θ₁。对应于信号E，存储了一个第二标准角度表，每一个信号E代表一个绝对偏移量θ₂。 

实施例二 

与实施例一不同的，在本实施例中，对应于第一磁钢环设置有4个磁感应元件，四个磁感应元件H₁、H₂、H₃、H₄之间的夹角为90°/6，第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构关系如图18所示。 

图19示出了对应于第一磁钢环设有4个磁感应元件时信号处理装 置的电路框图。传感器1_1c和1_2c的输出信号接放大电路2_1c进行差动放大，传感器1_3c和1_4c的输出信号接放大电路2_2c进行差动放大，然后接A/D转换器3_1c、3_2c，后续处理类似于设有2个磁感应元件时的情况。 

其中，第二合成器7_1c的功能是，通过对传感器1_5c、1_6c、...1_nc的信号进行合成，得到此时刻转子处于哪一个“N-S”信号周期内。 

基于本实施例的位置检测装置的信号处理方法与实施例一的方法相同。 

实施例三 

本实施例与实施例一和二不同的是对应于第一磁钢环设置有3个磁感应元件，三个磁感应元件H₁、H₂、H₃之间的夹角为120°/6，如图20所示， 

图21示出了对应于第一磁钢环设有3个磁感应元件时信号处理装置的电路框图。处理过程与前两个实施例基本相同，不同的是，由于第一合成器7_1b的输入信号为3个，因此，信号D、R的处理与前两个实施例略有不同。在本实施例中，第一合成器7_1b对信号的处理原则是：先判断三个信号的符合位，并比较符合位相同的信号的数值的大小，数值小的用于输出的信号D，信号D的结构为{第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，第三个信号的符合位，较小数值的信号的数值位}。以本实施例为例： 

约定： 

当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第1位)为符号位，X_0＝1表示数据X为负，X_0＝0表示数据X为正。 

X_D表示数据X的数值位(数据的绝对值)，即去除符号位剩下数据位。 

如果{A_0；B_0；C_0}＝010并且A_D＞＝C_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；C_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}＝010并且A_D＜C_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}； 

如果{A_0；B_0；C_0}＝101并且A_D＞＝C_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}； 

如果{A_0；B_0；C_0}＝101并且A_D＜C_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}； 

如果{A_0；B_0；C_0}＝011并且B_D＞＝C_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}； 

如果{A_0；B_0；C_0}＝011并且B_D＜C_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}； 

如果{A_0；B_0；C_0}＝100并且B_D＞＝C_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}； 

如果{A_0；B_0；C_0}＝100并且B_D＜C_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}； 

如果{A_0；B_0；C_0}＝001并且B_D＞＝A_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}； 

如果{A_0；B_0；C_0}＝001并且B_D＜A_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}； 

如果{A_0；B_0；C_0}＝110并且B_D＞＝A_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}； 

如果{A_0；B_0；C_0}＝110并且B_D＜A_D 

      D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}； 

$\mathrm{\α}=A-B\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)-C\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)$

$\mathrm{\β}=B\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)-C\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)$

$R=\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}$

$K=\frac{R_0}{R}$

基于本实施例的位置检测装置的信号处理方法与实施例一的方法相同。 

实施例四 

本实施例与实施例三不同的，对应于第一磁钢环设置有6个磁感应元件，六个磁感应元件之间的夹角为60°/6，第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构关系如图22所示。 

图23示出了对应于第一磁钢环设有6个磁感应元件时信号处理装置的电路框图。其具体过程在前三个实施例已说明，在此不同重复说明。 

基于本实施例的位置检测装置的信号处理方法与实施一的方法相同。 

图24是本发明的实施例一至实施例四的位置检测装置的另一种结构的立体分解图。该位置检测装置包括转子和将转子套在内部的定子，转子包括第一磁钢环201a和第二磁钢环201b，第一磁钢环201a和第二磁钢环201b分别固定在电机轴200上，其中定子为支架203。磁感应元件204直接表贴在支架203的内表面。 

与实施例一至四类似，图22中的位置检测装置中的第一磁钢环可以设置有2、4、3、6个磁感应元件。基于不同数目的磁感应元件的位置检测装置的信号处理装置和信号处理方法分别与实施例一至四的方法相同。 

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (20)

1.一种位置检测装置，其特征在于，包括转子和将转子套在内部的定子，所述转子包括第一磁钢环、第二磁钢环；

其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在同一转动轴上；

在定子上，对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n个均匀分布的磁感应元件，其中n＝1，2…n，所述第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应元件输出呈格雷码格式，第二磁钢环磁极的极性为格雷码的首位为“0”对应于“N/S”极，首位为“1”对应于“S/N”极；相邻两个输出只有一位变化；

在定子上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m个呈一定角度分布的磁感应元件，其中m为2或3的整数倍，定义第一磁钢环中相邻一对“N-S”为一个信号周期，任一“N-S”对应的机械角度为360°/g，g为“N-S”个数；所述第一磁钢环的磁极总对数与第二磁钢环的磁极总数相等，并且相邻两极的极性相反；

当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给信号处理装置。

2.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于，在定子上对应于第一磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，该夹角为90°/g；当m为3时，该夹角为120°/g；当m为6时，该夹角为60°/g，其中，g为第二磁钢环的磁极总数。

3.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于，所述磁感应元件直接表贴在定子的内表面。

4.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于，还包括两个内置于定子内表面、分别与第一磁钢环、第一磁钢环对应的导磁环，每一所述导磁环是由多个同圆心、同半径的弧段构成，相邻两弧段留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件分别设在该空隙内。

5.如权利要求4所述的位置检测装置，其特征在于，所述的导磁环的弧段端部设有倒角。

6.如权利要求5所述的位置检测装置，其特征在于，所述倒角为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。

7.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于，所述的磁感应元件为霍尔感应元件。

8.一种基于上述权利要求1-7任一所述位置检测装置的信号处理装置，其特征在于，包括：

A/D转换模块，对位置检测装置发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；

相对偏移角度θ₁计算模块，用于计算位置检测装置中对应于第一磁钢环的磁感应元件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量θ₁；

绝对偏移量θ₂计算模块，根据位置检测装置中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂；

角度合成及输出模块，用于将上述相对偏移量θ₁和绝对偏移量θ₂相加，合成所述第一电压信号所代表的旋转角度θ；

存储模块，用于存储数据。

9.根据权利要求8所述的位置检测装置的信号处理装置，其特征在于，还包括：

信号放大模块，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于位置检测装置的电压信号进行放大。

10.根据权利要求8或9所述的位置检测装置的信号处理装置，其特征在于，

所述相对偏移角度θ₁计算模块包括第一合成单元和第一角度获取单元，所述第一合成单元对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到基准信号D；所述第一角度获取单元根据该基准信号D，在第一标准角度表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ₁。

11.如权利要求10所述的位置检测装置的信号处理装置，其特征在于，所述相对偏移角度θ₁计算模块还包括温度补偿单元，用于消除温度对位置检测装置发送来的电压信号的影响。

12.如权利要求11所述的位置检测装置的信号处理装置，其特征在于，所述第一合成单元的输出还包括信号R。

13.如权利要求12所述的位置检测装置的信号处理装置，其特征在于，所述温度补偿单元包括系数矫正器和乘法器，所述系数矫正模块对所述第一合成单元的输出的信号R和对应该信号的标准状态下的信号R₀进行比较得到输出信号K；所述乘法器为多个，每一所述乘法器将从位置检测装置发送来的、经过A/D转换的一个电压信号与所述系数矫正模块的输出信号K相乘，将相乘后的结果输出给第一合成单元。

14.根据权利要求8或9所述的位置检测装置的信号处理装置，其特征在于，所述绝对偏移量θ₂计算模块包括第二合成单元和第二角度获取单元，所述第二合成单元用于对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到信号E；所述第二角度获取单元根据该信号E在第二标准角度表中选择与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂。

15.一种基于上述权利要求1-7任一所述位置检测装置的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S300，用于对位置检测装置发送来的电压信号进行A/D转换；

步骤S301，计算位置检测装置中对应于第一磁钢环的磁感应元件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量θ₁；

步骤S302，根据位置检测装置中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂；

步骤S303，用于将上述相对偏移量θ₁和绝对偏移量θ₂相加，合成所述第一电压信号所代表的旋转角度θ。

16.根据权利要求15所述的位置检测装置的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S301中，具体包括：

步骤S3011，对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到基准信号D；

步骤S3012，根据该基准信号D，在第一标准角度表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ₁。

17.根据权利要求16所述的位置检测装置的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S301中，在得到基准信号D的同时得到信号R。

18.根据权利要求17所述的位置检测装置的信号处理方法，其特征在于，步骤S301中还包括根据得到的信号R查询存储器中与其相对的标准状态下的信号R₀，并对二者进行比较运算，得到信号K的步骤。

19.根据权利要求18所述的位置检测装置的信号处理方法，其特征在于，在步骤S3011对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理之前，将所述多个电压信号分别与信号K相乘，从而实现对电压信号的温度补偿。

20.根据权利要求15所述的位置检测装置的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S302具体包括以下步骤：

步骤S3021，对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到信号E；

步骤S3022，根据该信号E在第二标准角度表中选择与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂。

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