CN202692935U - 电机及其磁电编码器的零点位置检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电机及其磁电编码器零点位置检测电路，该检测电路包括微控制器，微控制器接收磁电编码器输出的角度信号，还包括电压采样电路，具有采样三相电机第一相的电压信号的第一采样支路以及采样电机第二相的电压信号与第三相的电压信号之和的第二采样支路，还设有过零比较电路，其具有电压比较器，电压比较器的第一输入端接收第一采样支路的电压信号，电压比较器的第二输入端接收第二采样支路的电压信号，检测电路还具有光电耦合器，接收电压比较器输出信号，并向微控制器输出矩形波信号。本实用新型能够低成本地对磁电编码器的零点位置偏差进行准确的检测。

Description

电机及其磁电编码器的零点位置检测电路

技术领域

本实用新型涉及电机领域，尤其是涉及一种具有磁电编码器的电机以及这种电机的磁电编码器零点位置检测电路。

背景技术

永磁同步电机是一种常见的电机，广泛地应用在工业生产以及生活的各种电器设备中。现有的永磁同步电机具有定子以及永磁转子，永磁转子内安装有转子轴，用于向外输出动力。永磁转子能够相对于定子旋转，并带动转子轴旋转。

永磁同步电机经常应用在伺服***中并作为伺服电机使用，因此需要对电机转子轴转动角度进行严格的控制，确保转子轴转动角度正确。为此，现有的永磁同步电机上通常设置位置传感器以检测转子轴的转动角度，并将检测的信号反馈至控制***，由控制***控制转子轴的转动。

现在常见的位置传感器是码盘、旋转编码器、光电编码器等，这些位置传感器将检测转子轴的角度信号，并将检测的角度信号传送至控制器。但是上述的位置传感器存在生产成本较高的缺陷，导致电机的生产成本过高。

因此，现有的部分电机使用磁电编码器作为位置传感器，用于检测转子轴的转动角度。磁电编码器是通过检测磁场信号并将检测的磁场信号转换为电信号输出的一种传感器，因此使用磁电编码器的电机需要在转子轴的轴端上安装一块磁体以产生磁电编码器工作所需要的磁场。电机工作时，转子轴旋转，安装在转子轴轴端的磁体也随之旋转，磁电编码器检测到的磁场信号也发生周期性的变化，并根据磁场信号的变化输出相应的电信号。

磁电编码器输出的电信号是经过编码的脉冲信号，当转子轴旋转一圈时，磁电编码器根据磁场信号的变化输出编码值为0至4095的脉冲信号。当转子轴继续旋转时，磁电编码器会重复地输出编码值为0至4095的脉冲信号。因此，通过检测磁电编码器输出的脉冲信号的编码值，即可检测到转子轴的位置。

为了方便对转子轴位置的检测，通常需要确定一个零点位置，即定义在三相电机其中一相的电压信号过零点时转子轴所转动到的位置为零点位置，此时磁电编码器所输出的编码值应为0。

然而，由于磁电编码器的安装可能存在误差，导致其检测到的零点位置存在偏差，例如一相电压信号过零点时，磁电编码器输出的编码本该为0，但由于安装误差的存在，导致编码值为1或2等，这样将造成转子轴位置检测的错误，会引起不期望和不可控制的直轴电流，严重时会造成电机无法起动或反转。

为了消除磁电编码器的零点位置偏差，通常需要对零点位置偏差进行检测并在检测后进行校正，常用的检测方法有预定位法和高频注入法。预定位法是在定子中通以直流电或施加方向固定的电压矢量将转子带动并转动到预定位置，根据磁电编码器的输出来确定磁电编码器的零点位置偏差，但该方法在电机带负载或摩擦转矩较大时检测误差较大。高频注入法是利用电机的凸极或饱和效应来检测转子的初始位置，但该方法对检测电路的硬件要求较高，工程实现难度较大，也增加了检测电路的成本。

发明内容

本实用新型的主要目的是提供一种成本低且误差小的磁电编码器的零点位置检测电路。

本实用新型的另一目的是提供一种能够低成本地准确检测转子轴零点位置偏差的电机。

为实现本实用新型的主要目的，本实用新型提供的电机磁电编码器的零点位置检测电路包括微控制器，微控制器接收磁电编码器输出的角度信号，还包括电压采样电路，具有采样三相电机第一相的电压信号的第一采样支路以及采样电机第二相的电压信号与第三相的电压信号之和的第二采样支路，还设有过零比较电路，其具有电压比较器，电压比较器的第一输入端接收第一采样支路的电压信号，电压比较器的第二输入端接收第二采样支路的电压信号，检测电路还具有光电耦合器，接收电压比较器输出信号，并向微控制器输出矩形波信号。

由上述方案可见，电压比较器比较第一相电压信号与第二相电压、第三相电压之和的差值，在第一相电压过零点时电压比较器输出的信号将发生跃变，即从高电平变为低电平或从低电平变为高电平，经过光电耦合器后，变为矩形波信号。这样，微控制器在接收到矩形波信号的上升沿或下降沿时产生一次中断，并在中断时检测磁电编码器的角度信号，若输出的编码值为0，则表示没有零点位置偏差，若不为0且与0存在较小的误差，则表示存在零点位置偏差，需要对磁电编码器的安装位置进行调整。

可见，零点位置检测电路结构简单，所需要使用的器件也是常规器件，成本较低。并且，通过电压比较器来计算电机某一相电压过零点时刻，计算精确，大大降低零点位置检测的误差。

一个优选的方案是，第一采样支路具有串联连接的第一分压电阻以及第二分压电阻，电压比较器的第一输入端连接在第一分压电阻与第二分压电阻之间。

由此可见，第一相的电压信号经过分压后输入到电压比较器，能够避免因输入到电压比较器的电压过高而影响电压比较器的使用寿命以及工作稳定性，确保电压比较器的长期稳定地工作。

更进一步的方案是，第一采样支路上还设有与第一分压电阻串联连接的第一隔直电容。

可见，通过隔直电容将第一相电压上的直流分量进行隔离、过滤，确保检测的准确性。

为实现本实用新型的另一目的，本实用新型提供的电机具有定子以及转子，转子具有转子轴，转子轴的轴端上安装有磁体，且电机上还安装有磁电编码器，并设有磁电编码器的零点位置检测电路，该检测电路具有微控制器，微控制器接收磁电编码器输出的角度信号，还包括电压采样电路，具有采样三相电机第一相的电压信号的第一采样支路以及采样电机第二相的电压信号与第三相的电压信号之和的第二采样支路，还设有过零比较电路，其具有电压比较器，电压比较器的第一输入端接收第一采样支路的电压信号，电压比较器的第二输入端接收第二采样支路的电压信号，检测电路还具有光电耦合器，接收电压比较器输出信号，并向微控制器输出矩形波信号。

由上述方案可见，检测电路通过电压比较器确定电机其中一相的电压信号过零点的时刻，并向微控制器发出电平跃变的信号，如上升沿或下降沿的变化，同时由微控制器判断此时磁电编码器的编码值，由此确定磁电编码器是否存在零点位置偏差。检测电路结构简单，且准确率高，可降低检测的误差率。

附图说明

图1是本实用新型磁电编码器零点位置检测电路实施例的电原理框图。

图2是本实用新型磁电编码器零点位置检测电路实施例中电压采样电路、过零比较电路及光电耦合器的电路图。

图3是电机三相电压信号的波形图及本实用新型磁电编码器零点位置检测电路实施例中光电耦合器的矩形波信号波形图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

本实施例的电机具有定子以及转子，转子位于定子内，在磁场力的推动下旋转。转子具有转子轴，转子轴的轴端上安装有一块磁体，优选地，该磁体为永磁体，永磁体随转子轴的旋转而旋转。在电机上还安装有作为位置传感器的磁电编码器，同时还设有磁电编码器的零点位置检测电路，检测电路的电原理框图如图1所示。

本实施例的磁电编码器零点位置检测电路具有微控制器11，其接收磁电编码器10发送的位置信号，该位置信号是磁电编码器检测磁场信号后所形成的脉冲信号的编码值，编码值由0至4095变化。

检测电路还具有电压采样电路13，用于采样三相电机的电压信号，并将采样的电压信号输入到过零比较电路14中，过零比较电路14通过比较电压采样电路13的采样值来判断其中一相电压是过零，并在过零时产生一个电平跃变的信号，并输出至光电耦合器15，光电耦合器15向微控制器11输出中断信号，微控制器11则计算此时磁电编码器10的角度信号，即判断磁电编码器10输出的编码值是否为0，若为0，表示磁电编码器不存在零点位置偏差，若不为0且与0之间存在较小的偏差，则说明磁电编码器的安装存在一定的误差，需要进行调整。

参见图2，电压采样电路对电机的三相，即U、V、W三相的电压信号进行采样。本实施例中，采样W相电压过零点时为校验磁电编码器的零点位置，因此设置第一采样支路对W相的电压信号进行采样，并设置第二采样支路对U相的电压信号与V相电压信号之和进行采样。为了获得信噪比较高的三相电压信号波形，需要使用另外一台电动机带动永磁同步电机高速旋转。

第一采样支路由电阻R3、R8、R9、R13以及电容C3、C5组成，电阻R3、R8对W相电压进行分压，并且电压采样点在电阻R3与R8之间，电容C3为滤波电容，对W相电压信号中的高频分量进行滤波。电容R9与R13串联连接，且为分压电阻，对采样的电压信号进行分压。电容C5与电阻R9串联连接，其为隔直电容，用于隔离采样的电压信号中的直流分量。

第二采样电路由电阻R1、R2、R6、R7、R10、R11、R12以及电容C1、C2、C6、C7组成，用于采样U相电压信号与V相电压信号之和。电阻R1与电阻R6对U相电压信号进行分压，电容C1与电阻R1并联连接，用于对U相电压信号进行滤波。电阻R2与R7对V相电压信号进行分压，电容C2与电阻R7并联连接，对V相电压信号进行滤波，将电压信号中的高频分量过滤掉。

串联连接的电阻R10与R12均为分压电阻，且电阻R10连接V相的电压采样点，用于对采样的V相电压信号进行分压。电容C6为隔直电容，与电阻R10串联连接，对采样的V相电压信号中的直流分量进行隔离。

电阻R11也是一个分压电阻，其与电阻R12串联连接，但电阻R11连接至U相的电压采样点，因此电阻R11与电阻R12对采样的U相电压进行分压。电容C7为隔直电容，与电阻R11串联连接，用于对采样的U相电压信号中的直流分量进行隔离。

过零比较电路具有电压比较器U1、电阻R4以及电容C4，电压比较器U1的正向输入端接收第一采样支路的电压信号，即连接至电阻R9与电阻R13之间。电压比较器U1的反向输入端接收第二采样支路的电压信号，连接至电阻R10与电阻R12之间。这样，电压比较器U1的正向输入端是接收W相的电压信号，而反向输入端接收的是U相电压信号与V相电压信号之和。电压比较器U1输出的是矩形波，在正向输入端的电压信号高于反向输入端的电压信号时输出高电平信号，在正向输入端的电压信号低于反向输入端的电压信号时输出低电平信号。

如图3所示，在W相电压信号大于0伏时，U相电压信号与V相电压信号之和小于0伏，而在W相电压信号小于0伏时，U相电压信号与V相电压信号之和大于0伏，在W相电压信号过零点时，U相电压信号与V相电压信号之和也刚好为0伏。因此，在W相电压信号大于0伏时，电压比较器U1输出高电平信号，在W相电压信号小于0伏时，电压比较器U1输出低电平信号，而在W相电压信号过零点时，电压比较器U1输出上升沿或下降沿，如图3下半部分所示。

光电耦合器15接收电压比较器U1输出的电压信号，并向微控制器输出矩形波信号。在电压比较器U1输出高电平时，光电耦合器15的发光二极管发光，光电三极管受光后输出高电平信号；在电压比较器U1输出低电平信号时，光电二极管熄灭，光电三极管输出低电平信号。因此，光电耦合器15输出的电压信号波形与电压比较器U1输出的电压信号波形相同，只是高电平信号的电压值不相同。

由于微控制器往往只能接收高电平电压值为3.3伏的电压信号，因此需要将电压比较器U1输出的电压信号经过光电耦合器的转换后输出。

微控制器在接收到光电耦合器15输出的矩形波信号为下降沿时产生一次中断，并查看此时磁电编码器的角度信号，若编码值为0表示磁电编码器没有零点位置偏差，若编码值不为0且非常接近0，表示存在偏差，此时需要对磁电编码器进行调节，使其输出编码值为0，即可实现零点位置偏差的校正。

由上述方案可见，检测电路通过检测W相电压信号过零点的时刻，并判断该时刻下磁电编码器是否在零点位置，从而实现对磁电编码器的零点位置检测。由于检测电路结构简单，不会导致电机的生产成本大大增加，且检测准确率高，降低零点位置偏差的检测误差。

当然，上述实施例仅是本实用新型优选的实施方式，实际应用时还可以有更多的改变，例如，可以采用检测U相或V相电压信号过零点时刻作为判断磁电编码器零点位置的基准；或者，将第一采样支路连接到电压比较器的反向输入端，将第二采样支路连接到电压比较器的正向输入端等，这些改变并不会影响本实用新型的实施。

最后需要强调的是，本实用新型不限于上述实施方式，如电压采样电路的改变、电压比较器连接方式的改变等变化也应该包括在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.电机磁电编码器的零点位置检测电路，包括

微控制器，所述微控制器接收磁电编码器输出的角度信号；

其特征在于：

电压采样电路，具有采样三相电机第一相的电压信号的第一采样支路以及采样所述电机第二相的电压信号与第三相的电压信号之和的第二采样支路；

过零比较电路，具有电压比较器，所述电压比较器的第一输入端接收所述第一采样支路的电压信号，所述电压比较器的第二输入端接收所述第二采样支路的电压信号；

光电耦合器，接收所述电压比较器输出信号，并向所述微控制器输出矩形波信号。

2.根据权利要求1所述的电机磁电编码器的零点位置检测电路，其特征在于：

所述第一采样支路具有串联连接的第一分压电阻以及第二分压电阻，所述电压比较器的第一输入端连接在所述第一分压电阻与所述第二分压电阻之间。

3.根据权利要求2所述的电机磁电编码器的零点位置检测电路，其特征在于：

所述第一采样支路上还设有与所述第一分压电阻串联连接的第一隔直电容。

4.根据权利要求1至3任一项所述的电机磁电编码器的零点位置检测电路，其特征在于：

所述第二采样支路具有与所述第二相采样点连接的第三分压电阻以及与所述第三相采样点连接的第四分压电阻，第五分压电阻与所述第三分压电阻串联连接，所述电压比较器的第二输入端连接在所述第三分压电阻与所述第五分压电阻之间。

5.根据权利要求4所述的电机磁电编码器的零点位置检测电路，其特征在于：

所述第二采样支路上还设有与所述第三分压电阻串联连接的第二隔直电容以及与所述第四分压电阻串联连接的第三隔直电容。

6.电机，包括

定子以及转子，所述转子具有转子轴，所述转子轴的轴端上安装有磁体，且所述电机上还安装有磁电编码器，并设有所述磁电编码器的零点位置检测电路，所述检测电路具有微控制器，所述微控制器接收磁电编码器输出的角度信号；

其特征在于：

所述检测电路还设有

电压采样电路，具有采样三相电机第一相的电压信号的第一采样支路以及采样所述电机第二相的电压信号与第三相的电压信号之和的第二采样支路；

过零比较电路，具有电压比较器，所述电压比较器的第一输入端接收所述第一采样支路的电压信号，所述电压比较器的第二输入端接收所述第二采样支路的电压信号；

光电耦合器，接收所述电压比较器输出信号，并向所述微控制器输出矩形波信号。

7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于：

所述第一采样支路具有串联连接的第一分压电阻以及第二分压电阻，所述电压比较器的第一输入端连接在所述第一分压电阻与所述第二分压电阻之间。

8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于：

所述第一采样支路上还设有与所述第一分压电阻串联连接的第一隔直电容。

9.根据权利要求6至8任一项所述的电机，其特征在于：

所述第二采样支路具有与所述第二相采样点连接的第三分压电阻以及与所述第三相采样点连接的第四分压电阻，第五分压电阻与所述第三分压电阻串联连接，所述电压比较器的第二输入端连接在所述第三分压电阻与所述第五分压电阻之间。

10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于：

所述第二采样支路上还设有与所述第三分压电阻串联连接的第二隔直电容以及与所述第四分压电阻串联连接的第三隔直电容。

Images