CN105656282B - 一种具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种直线永磁伺服电机的嵌入式位置检测方法，针对直线永磁伺服电机内部机械等分的永磁体阵列，利用隧穿磁阻(TMR)芯片实现直线永磁伺服电机运动位置的嵌入式检测。所述嵌入式传感器包括空间正交的TMR芯片组合时栅信号处理***，所述嵌入式传感器随着动子运动，从而TMR芯片感知机械等分永磁体的周期性磁场分布产生电压输出，经过时栅信号处理***实现直线永磁伺服电机运动位置测量。本发明结构简单、组装方便、可靠性强，突破了传统在直线电机内安装独立光栅位置传感器的方法，具有紧缩电机结构尺寸、增强抗干扰性能和有效降低成本等优势。

Description

一种具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机

技术领域

本发明属于直线永磁伺服电机技术领域，涉及电机的位置检测技术。

背景技术

随着超高速切削、超精密加工等先进制造技术的发展，机床的各项性能指标又被赋予了更高的要求。特别是对机床进给***的伺服性能提出了更高的要求：要有很高的驱动推力、快速进给速度和极高的快速定位精度。为了满足与日俱增的要求，一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需要任何中间转换机构的传动装置——直线伺服电机应运而生并取得了长足的发展。

目前应用最广泛的直线永磁交流伺服电机的运动位置检测方法通常是利用旁置的直线光栅进行检测。虽然该方式测量精度高，但一方面其造成了电机体积不可避免的增大，并且使直线电机的运行性能受到位置传感器安装效果的影响；另一方面光栅位置检测方法依赖机械的精密等分刻线，测量精度要受机械加工精度的影响。

近年来出现了一种直接利用机械等分实现计量等分的时栅位置检测技术，并研制出了高精度的圆周式和直线式时栅位置传感器，还进一步提出了一种基于被测对象现有机械等分特性的寄生式时栅位置检测方法。但是现有的寄生式时栅位置检测技术均是基于电磁感应原理使用线圈进行检测，而线圈绕制难以保证均匀性而且体积通常较大，使得该种检测方法在直线电机中难以得到有效应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机，旨在通过替换直线电机现有的外置位置检测传感器，实现直线永磁伺服电机体积的减小和成本的降低，促进直线伺服电机更广泛的应用。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明是针对直线永磁伺服电机内部机械等分的永磁体阵列，基于时栅位置测量原理，利用隧穿磁阻(TMR)芯片实现直线永磁伺服电机运动位置的嵌入式检测。

本发明提出的具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机包括定子、动子和嵌入式位置检测装置。

所述定子包括机械等分的永磁体阵列和固定永磁体的磁轭，所述动子包括磁芯及绕制其上的线圈组。

所述嵌入式位置检测装置包括嵌入式位置传感头、激励模块和时栅信号处理***；所述嵌入式位置传感头由PCB底板和沿板长度方向贴于其上的至少一组空间正交TMR芯片组成，嵌入式位置传感头固定于动子上嵌入式位置传感头固定于动子上上能感受机械等分永磁体所产生磁场的任何位置，嵌入式位置传感头的长度方向平行于动子的运动方向；嵌入式位置传感头通过激励模块分别向每组TMR芯片分别施加正弦激励和余弦激励，实现激励信号的时间正交，进而在随着动子的运动过程中，通过感受直线永磁伺服电机定子上机械等分的永磁体阵列周期性磁场分布，得到两路信号和输出，合成后得到的信号输入时栅信号处理***，最终实现对直线永磁伺服电机位置的嵌入式检测。以上嵌入式位置检测装置适用于任何包含所述机械等分永磁体阵列的直线永磁伺服电机。

作为一个优选方案，所述空间正交的TMR芯片组通常使用两片TMR芯片构成一组。所述空间正交的每组TMR芯片中两片TMR芯片的敏感方向沿相同方向放置，敏感方向既可沿着电机动子运动方向放置也可以垂直于电机动子运动方向放置。

作为一个优选方案，设机械等分永磁体阵列中相邻两片永磁体的中心距离为2l，组内两片TMR芯片的中心距离为L，则所述空间正交须满足关系L=（2n+1）l。

作为一个优选方案，所述空间正交的TMR芯片组在时间正交信号的激励下，随着直线电机运动将产生反应位置变化的信号，采用公知的时栅信号处理***进行处理。经放大、滤波、相位解调、运动位移计算处理后，最终得到直线永磁伺服电机的运动位置。

作为优选，嵌入式位置传感头可以采用多组空间正交的TMR芯片，多组TMR芯片的输出通过平均处理，从而提高测量精度。进一步为了节省空间，当采用多组TMR芯片时，一组的两块TMR芯片与另一组的TMR芯片交替布置。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

由PCB底板和TMR芯片组构成的嵌入式位置检测传感头结构简单，体积小且便于与现有任何包含所述机械等分永磁体阵列的直线永磁伺服电机相集成，不会导致电机体积的增大，也不会造成额外的运载负担；直接利用直线电机内部的机械等分的永磁体阵列进行位置检测，即可实现直线伺服电机进行运动控制所需计量等分的位置信号，比现在通常采用的直线光栅，该方法成本低廉、环境适应性强、可靠性高；嵌入式位置检测装置结构简单且成本适宜，对直线永磁伺服电机的位置传感技术而言是极大的技术突破与革新，在直线永磁伺服电机领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明单层直线永磁伺服电机嵌入式位置检测方法结构示意图。

图2是本发明双层直线永磁伺服电机嵌入式位置检测方法结构示意图。

图3是芯片敏感方向与运动方向垂直的单组空间正交TMR芯片组结构示意图。

图4是芯片敏感方向与运动方向平行的单组空间正交TMR芯片组结构示意图。

图5是芯片敏感方向与运动方向平行的双组空间正交TMR芯片组结构示意图。

图6是本发明实施例中单层机械等分永磁体的磁力线分布示意图。

图7是本发明实施例中双层机械等分永磁体的磁力线分布示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合图1，针对具有机械等分永磁体阵列112的直线永磁伺服电机1，嵌入式位置检测装置包括由PCB底板21和沿PCB底板21长度方向贴于其上的空间正交TMR芯片22组成的嵌入式位置传感头2、激励模块3和时栅信号处理***4。嵌入式位置传感头2固定于直线永磁伺服电机1的动子12上，传感头2的长度方向平行于直线永磁伺服电机1动子12的运动方向。传感头2通过激励模块3分别向两片TMR芯片施加正弦激励和余弦激励，从而实现激励信号的时间正交，进而在随着动子12的运动过程中，通过感受直线永磁伺服电机定子11上机械等分永磁体阵列112周围的磁场分布，得到两路信号输出，合成后得到的信号输入时栅信号处理***4，最终实现对直线永磁伺服电机位置的嵌入式检测。

本发明不仅适用于具有单层机械等分永磁体阵列的直线永磁伺服电机1，对任何具有机械等分永磁体阵列的直线永磁伺服电机同样适用。结合图2，描述了嵌入式位置检测装置在具有双层机械等分永磁体阵列612的直线永磁伺服电机6上的应用。嵌入式位置传感头2同样固定于直线永磁伺服电机6的动子62上，类似地，在不影响直线永磁伺服电机运行的前提条件下只要能够保证嵌入式位置传感头2的长度方向与电机的运动方向平行，嵌入式位置传感头2可固定于动子62上任何可安装区域。

以下结合图3、图4和图5，对嵌入式位置传感头2进一步详细描述如下：

TMR芯片22具有确定的磁场敏感方向，当被测磁场方向与TMR芯片22的敏感方向一致时，TMR芯片22的输出最大，反之当被测磁场方向与TMR芯片22的敏感方向垂直时，TMR芯片22的输出最小。与此同时，单层和双层机械等分永磁体阵列112和612产生的磁场在周围空间中广泛分布，在各个方向上均可能存在磁场分量。从而嵌入式位置传感头2可固定于动子12动子62上任何可安装区域。即使在图1和图2所示的固定方式中，TMR芯片22在PCB底板21上同样存在多种放置形式。

由图3可见，嵌入式位置传感头2的PCB底板21上贴有两片空间正交的TMR芯片22。TMR芯片22的敏感方向垂直于PCB底板21的长度方向。当嵌入式位置传感头2沿平行于动子12的运动方向固定于动子12或62上时，TMR芯片22的敏感方向同样垂直于电机的运动方向。

参见图4 ，则进一步显示了TMR芯片22的敏感方向平行于PCB底板21的长度方向布置的情况。

图3和图4均显示的是嵌入式位置传感头2上仅贴两片的TMR芯片22形成一组空间正交的情况。除此之外，嵌入式位置传感头2上还可以贴多组空间正交的TMR芯片组，将多组TMR芯片组的输出通过平均处理以进一步提高测量精度。

图5显示了具有两组空间正交TMR芯片组22的嵌入式位置传感头结构。为了节省空间，左数第一片和第三片TMR芯片形成空间正交，剩下两片TMR芯片形成空间正交。左数第一片和第二片TMR芯片可以采用同样的正弦（或余弦）信号激励，左数第三片和第四片TMR芯片则可以采用同样的余弦（或正弦）信号激励。

结合图6和图7，对本发明所述的两种形式的直线永磁伺服电机1的磁力线分布进行说明：对于具有单层机械等分永磁体阵列112的直线永磁伺服电机1，其单层机械等分永磁体阵列112由多块沿厚度方向磁化的长方形永磁体按磁极交替放置的方式组合而成，其周围的磁力线分布如图6所示。可见，磁力线在多块永磁体周围交替分布。下面讨论永磁体阵列112上部区域和下部区域左右方向上的磁场分量：在两块永磁体之间区域，左右方向上的磁场分量最大，在永磁体的中心区域，左右方向上的磁场分量最小。

对于具有双层机械等分永磁体阵列612的直线永磁伺服电机2，其周围的磁力线分布如图7所示。可见，磁力线在多块永磁体周围交替分布。对于永磁体阵列612上部区域和下部区域左右方向上磁场分量的分布情况与单层永磁体阵列112上部区域和下部区域左右方向上磁场分量的分布情况相同。双层永磁体阵列612层间的磁场分布情况则十分复杂，从而对嵌入式位置传感头的安装位置要求更高。安装位置稍微变化就有可能导致磁场分布情况急剧变化。

对于嵌入式位置传感头2中每组TMR芯片22之间的空间正交，，如图6和图7所示，即假设机械等分永磁体阵列中相邻两片永磁体的中心距离为2l，组内两片TMR芯片的中心距离为L，如图3、图4和图5所示，则空间正交须满足关系L=（2n+1）l。

下面结合图4所示的嵌入式位置传感头2，将其平行于电机运动方向放置于永磁体阵列112之上，即在图6中沿左至右放置于永磁体阵列112上部区域进行分析。由于两片TMR芯片空间正交，当其中一片TMR芯片位于两片永磁体之间的区域时，另一片TMR则位于永磁体的中心区域，两片TMR芯片输出信号相位相差90°。随着动子的运动，两片TMR芯片的空间正交特性保持不变，两片TMR芯片输出信号相位始终相差90°。

所述嵌入式位置传感头2随着动子运动，从而TMR芯片感知机械等分永磁体的周期性磁场分布产生电压输出，在时间正交的激励信号作用下，两片TMR芯片输出两路信号，相加则得到时栅信号处理***4所需带位置信息的信号，经时栅信号处理***4处理后最终输出直线电机的运动位置信息，实现直线永磁伺服电机运动位置测量。

Claims (6)

1.一种具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机，包括定子、动子，所述定子包括机械等分永磁体阵列和固定永磁体的磁轭，所述动子包括磁芯及绕制其上的线圈组；其特征在于：

还包括嵌入式位置检测装置，所述嵌入式位置检测装置包括嵌入式位置传感头、激励模块和时栅信号处理***；

所述嵌入式位置传感头由PCB底板和沿板长度方向贴于其上的至少一组空间正交TMR芯片组成，每组两片，嵌入式位置传感头固定于动子上能感受机械等分永磁体阵列所产生磁场的任何位置，嵌入式位置传感头的长度方向平行于动子的运动方向；

激励模块与嵌入式位置传感头连接，通过激励模块分别向每组两片TMR芯片施加正弦激励和余弦激励，实现激励信号的时间正交，进而在随动子的运动过程中，通过感受直线永磁伺服电机定子上机械等分永磁体阵列周期性磁场分布，得到两路信号输出；

时栅信号处理***与嵌入式位置传感头连接，两路信号合成后得到的信号输入时栅信号处理***，最终实现对直线永磁伺服电机位置的嵌入式检测。

2.如权利要求1所述具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机，其特征在于，所述空间正交的每组TMR芯片中两片TMR芯片的敏感方向沿相同方向放置，敏感方向既可沿着电机动子运动方向放置也可以垂直于电机动子运动方向放置。

3.如权利要求1所述具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机，其特征在于，设机械等分永磁体阵列中相邻两片永磁体的中心距离为2l，每组内两片TMR芯片的中心距离为L，则空间正交须满足关系L=（2n+1）l。

4.如权利要求1所述具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机，其特征在于，所述直线永磁伺服电机的机械等分永磁体是单层或双层结构，嵌入式位置检测装置均固定于直线电机动子上。

5.如权利要求1所述具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机，其特征在于，所述嵌入式位置传感头采用多组空间正交的TMR芯片，多组TMR芯片的输出通过平均处理，从而提高测量精度。

6.如权利要求5所述具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机，其特征在于，当采用多组TMR芯片时，一组的两块TMR芯片与另一组的TMR芯片交替布置。