CN111521201A

CN111521201A - 一种带端部辅助定子线圈的磁电编码器

Info

Publication number: CN111521201A
Application number: CN202010532112.7A
Authority: CN
Inventors: 王磊; 肖磊; 潘巍; 张永德
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2020-08-11

Abstract

本发明公开了一种带端部辅助定子线圈的磁电编码器，通过少对极磁钢旋转时磁场切割辅助定子线圈，产生电压，通过读取电压峰值进而判断当前编码器转速，通过少对极霍尔解算得到的角度值信号差分值得到当前编码器转速方向。本发明包括编码器结构、辅助定子线圈结构、边轴。本发明通过边轴旋转，带动少对极磁钢旋转来磁场切割辅助定子线圈，产生电压，转子转速越高，在绕组线圈中得到的正弦电压幅值越高，电压幅值与转速成线性比例关系，通过读取电压峰值进而判断当前编码器转速，通过少对极霍尔解算得到的角度值信号差分值得到当前编码器转速方向。

Description

一种带端部辅助定子线圈的磁电编码器

技术领域

本发明公开了一种磁电编码器，尤其涉及一种带端部辅助定子线圈的磁电编码器。

背景技术

编码器用于测量电机转子角度位置，是实现电机控制的核心元件，广泛应用于机械工程、机器人、航空、精密光学仪器等高技术领域，在现代工业中起着至关重要的作用。磁电编码器具有具有结构简单、耐高温、抗油污、抗冲击和体积小、成本低等优点，在小型化和恶劣环境条件的应用场所具有独特优势。

在控制***中编码器向控制器通讯传输角度值，用于控制***的电流环控制。将角度值进行差分计算得到当前电机转子的角速度，用于控制***的速度环控制。对于大部分控制***工程应用项目而言，电流环控制是无法满足***功能的，需要实现速度控制，因此，依据角度值差分计算得到的速度值的精度决定着大部分控制***的速度控制效果。

然而，磁电编码器的角度值信号受到***电源噪声影响，角度值中夹杂着高频噪声，对于一个编码器角度值解算过程而言，角度值的解算周期通常为50微秒左右，速度的解算需要依靠当前周期角度值与上个周期角度值的差值除以解算周期时间常数，因为时间常数是微秒级单位，因此，当将速度折算到转每分时，相当于将角度值差分值放大了10⁶倍数左右，由于角度值信号中夹杂着高频噪声，因此在速度解算过程中相当于将角度值噪声同步放大了10⁶倍数左右，这对于速度环控制***而言极为不利，针对该问题，本发明提出了一种带端部辅助定子线圈的磁电编码器。

发明内容

本发明的目的，设计一种带辅助定子线圈的磁电编码器，当磁电编码器转轴旋转时，单对极磁钢旋转时磁场切割辅助定子线圈，产生电压，转子转速越高，在线圈中得到的正弦电压幅值越高，电压幅值与转速成线性比例关系，通过读取电压峰值进而判断当前编码器转速幅值，通过单对极霍尔解算得到的角度值信号差分值得到当前编码器转速方向。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种带端部辅助定子线圈的磁电编码器，它包括编码器结构(1)、辅助定子线圈结构(2)、边轴(3)三部分；其特征在于：

所述的编码器结构(1)与辅助定子线圈结构(2)胶接，辅助定子线圈结构(2)与边轴(3)轴承连接。

作为优选，所述的编码器结构由单对极磁钢、单对极霍尔a、单对极霍尔b、编码器信号解算板、前端盖组成，其中单对极磁钢与边轴胶接，单对极霍尔a、单对极霍尔b与编码器信号解算板胶接，编码器信号解算板与前端盖螺钉连接。

作为优选，所述的辅助定子线圈结构由绕组a、绕组b、绕组c、定子、轴承、后端盖组成，其中绕组U、绕组V、绕组W与定子胶接，定子与后端盖胶接，轴承与后端盖固接，轴承与边轴轴承连接。

本发明的有益效果是：

1.永磁体产生磁场，当编码器转子旋转时，端部辅助绕组线圈切割磁场，进而产生正弦电压信号，编码器转子旋转速度越高，正弦电压幅值越高，进而通过绕组线圈感应电压幅值判断转子的转速，消除了传统磁电编码器角速度依靠角度值差分计算引入的放大噪声信号，提高了角速度的计算精度。

2.传统磁电编码器的角度值计算依靠角度值的差分计算过程得到，角度值的解算依靠霍尔的磁场信号感应过程，霍尔的磁敏感系数会随温度环境变化而发生改变，导致计算的速度值产生温漂，本发明能够有效解决该问题，磁场以及磁场切割绕组线圈产生电压的过程，不会受到温度环境变化的影响，进而保证了编码器角速度计算的可靠性。

3.采用的辅助端部绕组线圈的轴向尺寸很小，对于原有的磁电编码器空间体积影响很小，适用于各种小体积工作空间。

4.通过三个绕组线圈分别求出感应电压峰值对应的当前转速，并将三个感应电压映射系数求取平均数最为当前转速的计算依据，提高了编码器角速度的测量精度。

5.通过编码器角度值的差分值判断速度方向，计算过程中没有除以时间间隔，时间间隔常数值极小，往往是微秒或者毫米级别，除法过程增大了噪声的影响效果，本发明中速度的方向判断并没有除法过程，消除了噪声放大的问题。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

附图1：本发明的整体结构示意图；

附图2：本发明的编码器结构示意图；

附图3：本发明的辅助定子线圈结构示意图；

附图4：本发明的霍尔分布示意图；

附图5：本发明的绕组线圈星型连接示意图；

附图6：本发明的感应电压随时间变化图；

附图7：本发明的感应电压经过模数转化后的数值随时间变化图；

图中，1、编码器结构，1-1、单对极磁钢，1-2、单对极霍尔a，1-3、单对极霍尔b，1-4、编码器信号解算板，1-5、前端盖，2、辅助定子线圈结构，2-1、绕组U，2-2、绕组V，2-3、绕组W，2-4、定子，2-5、轴承，2-6、后端盖，3、边轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

以下结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。

本发明的结构组成如图1、图2、图3、图4。

本发明的一种带端部辅助定子线圈的磁电编码器，它包括编码器结构1、辅助定子线圈结构2、边轴3三部分；其特征在于：所述的编码器结构与辅助定子线圈结构胶接，辅助定子线圈结构与边轴轴承连接。

进一步的，所述的编码器结构1由单对极磁钢1-1、单对极霍尔a 1-2、单对极霍尔b1-3、编码器信号解算板1-4、前端盖1-5组成，其中单对极磁钢1-1与边轴3胶接，单对极霍尔a 1-2、单对极霍尔b 1-3与编码器信号解算板1-4胶接，编码器信号解算板1-4与前端盖1-5螺钉连接。

进一步的，所述的辅助定子线圈结构2由绕组a 2-1、绕组b 2-2、绕组c 2-3、定子2-4、轴承2-5、后端盖2-6组成，其中绕组U 2-1、绕组V 2-2、绕组W 2-3与定子2-4胶接，定子2-4与后端盖2-6胶接，轴承2-5与后端盖2-6固接，轴承2-5与边轴3轴承连接。

其工作原理：

边轴3旋转，单对极磁钢1-1同步旋转，单对极磁钢1-1产生旋转磁场信号，单对极霍尔a 1-2、单对极霍尔b 1-3感应磁场信号得到俩路正余弦信号通过反正切公式计算得到当前边轴3角位置，依据单对极角度值数字信号HA+、HA-对角度值进行解算，得到当前计算周期的单对极角度值θ_m(k)，解算公式如式(1)所示：

绕组U2-1、绕组V2-2、绕组W2-3切割旋转磁场产生感应电压，端部的绕组U2-1、绕组V2-2、绕组W2-3为星形共点连接，如图5所示，单对极磁钢1-1旋转一周，会在绕组U2-1、绕组V2-2、绕组W2-3上产生三路相位相差120°的正弦电压信号，分别记为V_u,V_v,V_w，如图6所示，以U相感应电压V_u为例，感应电压峰值V_m与编码器的角速度ω_m映射关系如式(2)表示：

V_m＝kω_m

(2)

其中k为U相感应电压映射常数，该数值的获取过程如下：

在电机的带动下令边轴3以f转每分的速度旋转，边轴3带动单对极磁钢1-1旋转，单对极磁钢1-1产生旋转磁场，U相绕组U2-1切割磁场产生正弦电压信号，通过编码器信号解算板1-4上单片机的模数转化模块获取绕组U2-1经过模数转换后的最大值M_max和最小数值M_min，如图7所示，k的计算表达式如式(3)所示：

同理，以V相感应电压V_v为例，感应电压峰值V_m1与编码器的角速度ω_m映射关系如式(4)所示：

V_m1＝k₁ω_m

(4)

其中k₁为V相感应电压映射常数，该数值的获取过程如下：

在电机的带动下令边轴3以f转每分的速度旋转，边轴3带动单对极磁钢1-1旋转，单对极磁钢1-1产生旋转磁场，V相绕组V2-2切割磁场产生正弦电压信号，通过编码器信号解算板1-4上单片机的模数转化模块获取绕组V2-2经过模数转换后的最大值M_max1和最小数值M_min1，如图7所示，k₁的计算表达式如式(5)所示：

同理，以W相感应电压V_w为例，感应电压峰值V_m2与编码器的角速度ω_m映射关系如式(6)所示：

V_m2＝k₂ω_m

(6)

其中k₂为W相感应电压映射常数，该数值的获取过程如下：

在电机的带动下令边轴3以f转每分的速度旋转，边轴3带动单对极磁钢1-1旋转，单对极磁钢1-1产生旋转磁场，W相绕组W2-3切割磁场产生正弦电压信号，通过编码器信号解算板1-4上单片机的模数转化模块获取绕组W2-3经过模数转换后的最大值M_max2和最小数值M_min2，如图7所示，k₂的计算表达式如式(7)所示：

当得到k₁,k₂,k₃后，求平均得到最终的相感应电压映射常数k_f如式(8)所示：

作为常数值参与当前计算周期的角速度ω_m(k)的计算，当电机以某一转速旋转时，此时得到经过模数转换后三相感应电压的最大值M_max(k),M_max1(k),M_max2(k)和最小数值M_min(k),M_min1(k),M_min2(k)，转轴3角速度ω_m(k)如式(9)所示：

在得到转轴3角速度ω_m(k)的幅值后，还需要确定转轴3角速度ω_m(k)的旋转方向，其旋转方向dir_(k)具体判断过程如下：

dir_(k)＝f_dir(θ_m(k)-θ_m(k-1)) (10)

式中f_dir为方向判断函数，θ_m(k)为当前计算周期角度值，θ_m(k-1)为上一个计算周期角度值，当θ_m(k)-θ_m(k-1)大于0时，dir_(k)＝1，当θ_m(k)-θ_m(k-1)大于0时，dir_(k)＝-1。

最终，包含速度方向以及幅值的，转轴3角速度ω_mf(k)可以表示为：

ω_mf(k)＝ω_m(k)*dir_(k)

(11)

通过上述过程得到角速度ω_mf(k)和角位移θ_m(k),通过串口通讯或CAN通讯上报给伺服驱动器用于速度环控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种带端部辅助定子线圈的磁电编码器，它包括编码器结构(1)、辅助定子线圈结构(2)、边轴(3)三部分；其特征在于：所述的编码器结构与辅助定子线圈结构胶接，辅助定子线圈结构与边轴轴承连接。

2.根据权利要求1所述的编码器结构，其特征在于：所述的编码器结构(1)由单对极磁钢(1-1)、单对极霍尔a(1-2)、单对极霍尔b(1-3)、编码器信号解算板(1-4)、前端盖(1-5)组成，其中单对极磁钢(1-1)与边轴(3)胶接，单对极霍尔a(1-2)、单对极霍尔b(1-3)与编码器信号解算板(1-4)胶接，编码器信号解算板(1-4)与前端盖(1-5)螺钉连接。

3.根据权利要求1所述的辅助定子线圈结构，其特征在于：所述的辅助定子线圈结构(2)由绕组U(2-1)、绕组V(2-2)、绕组W(2-3)、定子(2-4)、轴承(2-5)、后端盖(2-6)组成，其中绕组a(2-1)、绕组b(2-2)、绕组c(2-3)与定子(2-4)胶接，定子(2-4)与后端盖(2-6)胶接，轴承(2-5)与后端盖(2-6)固接，轴承(2-5)与边轴(3)轴承连接。