CN209877990U - 一种旋转体的非接触式绝对角度位置传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于开关磁阻电机的控制和调速技术领域，公开了一种旋转体的非接触式绝对角度位置传感器；在旋状体上套一个径向磁化的双极磁环，三个霍尔集成电路等间距弧形摆放或者两个霍尔集成电路等间距、正交的摆放的方式，利用机械装置安装霍尔集成电路；霍尔集成电路与信号处理电路连接。在旋转体匀速旋转的条件下，三个线性霍尔集成电路输出电压信号是振幅和频率相同、初相位不同的正弦波；以中间线性霍尔集成电路输出电压信号为参照，左右两个线性霍尔集成电路的输出信号的初相位与旋转体的旋转方向有关，且互为相反数。本实用新型的结构简单、成本低、精度高、断电不用存储、静止或旋转兼可、旋转体正反转兼可。
Description
技术领域
本实用新型属于开关磁阻电机的控制和调速技术领域，尤其涉及一种旋转体的非接触式绝对角度位置传感器。
背景技术
目前，最接近的现有技术：开关磁阻电机的调速***是继变频调速***、无刷直流电动机调速***之后发展起来的最新一代无级调速***，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论为一体的机电一体化高新技术，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。
开关磁阻电机的调速***一般由电机本体、控制器、功率变换器、电流检测单元、绝对角度位置检测器等组成。开关磁阻电机的运行一般有恒转矩区、恒功率区和自然特性区，无论在哪个区运行，对每一对定子绕组的电源通断进行精确控制，某对定子绕组的电源通断时刻取决于转子的绝对位置，因此，转子的绝对位置检测是开关磁阻电机调速***的非常关键模块。目前用于转子的绝对位置检测器主要有光电式、旋转变压器、电磁式。
现有技术一“电动汽车用开关磁阻电机绝对位置检测器及其控制方法”采用了一个与电机同步旋转集成了开关角参数和转子磁极位置的转子盘和二组槽型高精度光电头实现转子绝对位置的检测，属于光电式。其缺陷有三点：可靠性不高；不利于电机启步控制；不能用电的方式控制开关磁阻电机的导通角。转子允许一段时间后，机械的磨损会产生粉层，粉层会降低光电检测元件的可靠性。该方法指示的是某相磁极的最早开通角和最大导通角，而不是直接输出转子的绝对位置角，对于开关磁阻电机的起步控制是不利的，因为在起步的时候，转子的位置是随机的，哪一相先通电必须根据转子的具***置来确定。开关磁阻电机的调速控制可以采用定子的输入电压PWM控制和导通角大小的控制来实现，该方案只能采用前者，控制的灵活性不够。
现有技术二“多周期绝对位置传感器”(专利号:102472642A)采用了多极磁化单元、两个磁敏探测器实现转子绝对位置的检测，属于电磁式，涉及大于几十度到数圈的位置检测，第一磁敏探测器需要检测磁场的至少两个分量，主要用于汽车方向柱上，不能实现旋转体的0-360°的绝对位置检测。其缺陷有一点：不能实现旋转体的0-360°的绝对位置检测。
现有技术三“一种大中心孔径结构的磁电式绝对位置传感器及测量绝对位置的方法”采用了圆环式结构、外圈主码道、内圈游标码道实现转子绝对位置的检测，属于电磁式。其缺陷有两点：精度不高；不适用于高速电机。该方案的主要外圈主码道4位64磁极，内圈游标码道为63磁极，检测磁极变化信息，磁极的数量直接决定了其输出角度信号的精度，而磁极数量的增加是受成本和安装空间的限制的，因而，其精度不高。该方案通过SPI串口与上位机通信，说明A/D速度不快，信号处理的时间较长，不适用于高速电机。
现有技术四“一种非接触式无源保持光磁多回转绝对位置传感器”采用了磁旋转编码器和光电编码器实现转子绝对位置的检测，属于光电+电磁式，粉层会降低光电编码器的可靠性。其缺陷有一点：适应电机的转速不高。该方案的一个核心元器件是磁旋转编码器AS5045，是一款集成了霍尔元件、CPU等的片上***，把旋转磁体置于芯片的正上方，芯片及可输出绝对角度位置信号，其输入参数之一：其分辨率最低时，即64步/转，分辨率为5.6°，最大转速为9766rpm(转每分钟)；其分辨率最高时，即4096步/转，分辨率为0.087°，最大转速为153rpm。就算分辨率不做要求的情况下，其最高转速不能超过9766rpm。本实用新型中，可以针对高速电机的情况,采用分辨率高、转换速度快的ADC芯片，配置高速的CPU，设计合理的算法，实现分辨率比较高、转速也很高的绝对角度位置输出。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有用于转子的绝对位置检测器存在可靠性不高；不能实现旋转体的0-360°的绝对位置检测；***比较复杂，角度分辨率不高；成本高，利用脉冲的数量和序列计算角度位置，精度和分辨率不高。
解决上述技术问题的难度：
难度主要体现在三个方面。首先，如何设计一种简洁的放置霍尔传感器机械结构；其次，选择合适的A/D芯片和CPU，确保绝对角度位置的输出满足分辨率和电机的额定转速要求；最后，设计合理的算法，提高性价比。
解决上述技术问题的意义：
一个简洁的放置霍尔传感器机械结构是传感器可靠、高性价比和耐用的基础。选择合适的A/D芯片和CPU，其性能直接影响传感器输出信号的分辨率和动态响应时间。A/D芯片越高，感器输出信号的分辨率也越高。A/D芯片转换时间越短，CPU的运算速度越快，感器输出信号的动态响应时间越短，对电机的额定转速可以做到越高。设计合理的算法是在选定A/D芯片和CPU的条件下，最大限度地减少感器输出信号的动态响应时间的好方法，是提高传感器性价比的最佳方法。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种旋转体的非接触式绝对角度位置传感器。
本实用新型是这样实现的，一种旋转体的非接触式绝对角度位置传感器，所述旋转体的非接触式绝对角度位置传感器包括：与旋转体同轴的或者相对静止的双极磁环、线性霍尔集成电路、信号处理电路板；
在旋状体上套一个径向磁化的双极磁环，三个霍尔集成电路等间距弧形摆放或者两个霍尔集成电路等间距、正交的摆放的方式，利用机械装置安装霍尔集成电路；霍尔集成电路与信号处理电路连接。
进一步，在旋转体匀速旋转的条件下，三个线性霍尔集成电路输出电压信号是振幅和频率相同、初相位不同的正弦波；以中间线性霍尔集成电路输出电压信号为参照，左右两个线性霍尔集成电路的输出信号的初相位与旋转体的旋转方向有关，且互为相反数。
进一步，所述信号处理电路板包括ADC、CPU、通信接口；
ADC，是三路或者两路输入，分辨率决定了绝对角度位置的精度；
CPU，完成ADC的初始化、中断控制、计算、存储和输出；
通信接口，完成绝对角度位置数字信号的输出，可以是串口输出，也可以并口输出，当ADC的采用速率很高时使用并口方式。
进一步，所述线性霍尔集成电路的摆放位置，除了图1展示的三个等间距、弧形状外，还可以采用图6展示的两个等间距、正交的摆放。
本实用新型的另一目的在于提供一种应用所述旋转体的非接触式绝对角度位置传感器的开关磁阻电机。
本实用新型的另一目的在于提供一种应用所述旋转体的非接触式绝对角度位置传感器的检测旋转体绝对角度位置的电机。
本实用新型的另一目的在于提供一种应用所述旋转体的非接触式绝对角度位置传感器的检测旋转体绝对角度位置的装置。
综上所述，本实用新型的优点及积极效果为：本实用新型的结构简单、成本低、精度高、断电不用存储、静止或旋转兼可、旋转体正反转兼可。
现有技术一“电动汽车用开关磁阻电机绝对位置检测器及其控制方法”采用了一个与电机同步旋转集成了开关角参数和转子磁极位置的转子盘和二组槽型高精度光电头实现转子绝对位置的检测，属于光电式。与本实用新型相比，其缺陷有三点：可靠性不高；不利于电机启步控制；不能用电的方式控制开关磁阻电机的导通角。转子允许一段时间后，机械的磨损会产生粉层，粉层会降低光电检测元件的可靠性。该方法指示的是某相磁极的最早开通角和最大导通角，而不是直接输出转子的绝对位置角，对于开关磁阻电机的起步控制是不利的，因为在起步的时候，转子的位置是随机的，哪一相先通电必须根据转子的具***置来确定。开关磁阻电机的调速控制可以采用定子的输入电压PWM控制和导通角大小的控制来实现，该方案只能采用前者，控制的灵活性不够。本实用新型可靠性很高，只要不是分层特别厚(这种情况在开关磁阻电机的寿命期内是不可能发生的)，线性霍尔元件都能正常工作，就算会引起信号幅度有所下降，由于信号处理电路要做归一化处理，也不影响输出正确的绝对位置角度。无论是静止还是运动状态下，本实用新型输出的是转子的绝对位置角度，所以对于静止时的起步控制非常便利和准确，而且可以采用定子的输入电压PWM控制或者导通角大小的控制来实现开关磁阻电机的调速，灵活多样。
现有技术二“多周期绝对位置传感器”(专利号:102472642A)采用了多极磁化单元、两个磁敏探测器实现转子绝对位置的检测，属于电磁式，涉及大于几十度到数圈的位置检测，第一磁敏探测器需要检测磁场的至少两个分量，主要用于汽车方向柱上，不能实现旋转体的0-360°的绝对位置检测。与本实用新型相比，其缺陷有一点：不能实现旋转体的0-360°的绝对位置检测。本实用新型可以输出旋转体的0-360°的绝对位置。
现有技术三“一种大中心孔径结构的磁电式绝对位置传感器及测量绝对位置的方法”采用了圆环式结构、外圈主码道、内圈游标码道实现转子绝对位置的检测，属于电磁式。与本实用新型相比，其缺陷有两点：精度不高；不适用于高速电机。该方案的主要外圈主码道4位64磁极，内圈游标码道为63磁极，检测磁极变化信息，磁极的数量直接决定了其输出角度信号的精度，而磁极数量的增加是受成本和安装空间的限制的，因而，其精度不高。该方案通过SPI串口与上位机通信，说明A/D速度不快，信号处理的时间较长，不适用于高速电机。本实用新型中，只需要一个双极磁环，输出的绝对角度位置的精度取决于A/D的精度，A/D的精度达到12bits或者16bits是很容易的事情。本实用新型采用高精度的A/D，利用并口的中断方式与上位机通信，既适合低速电机，又适合高速电机。
现有技术四“一种非接触式无源保持光磁多回转绝对位置传感器”采用了磁旋转编码器和光电编码器实现转子绝对位置的检测，属于光电+电磁式，粉层会降低光电编码器的可靠性。与本实用新型相比，其缺陷有一点：适应电机的转速不高。该方案的一个核心元器件是磁旋转编码器AS5045，是一款集成了霍尔元件、CPU等的片上***，把旋转磁体置于芯片的正上方，芯片及可输出绝对角度位置信号，其输入参数之一：其分辨率最低时，即64步/转，分辨率为5.6°，最大转速为9766rpm(转每分钟)；其分辨率最高时，即4096步/转，分辨率为0.087°，最大转速为153rpm。就算分辨率不做要求的情况下，其最高转速不能超过9766rpm。本实用新型中，可以针对高速电机的情况,采用分辨率高、转换速度快的ADC芯片，配置高速的CPU，设计合理的算法，实现分辨率比较高、转速也很高的绝对角度位置输出。本实用新型的一个案例中，采用MSP430单片机作为A/D转换和CPU以及并行中断方式输出，分辨率为0.087°时，最大转速为3000rpm；分辨率为1°，最大转速为21000rpm。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的旋转体的非接触式绝对角度位置传感器的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的信号处理电路板结构示意图；
图中：1、双极磁环；2、线性霍尔集成电路；3、信号处理电路板。
图3是本实用新型实施例提供的旋转体的非接触式绝对角度位置传感器的使用方法流程图。
图4是本实用新型实施例提供的三个霍尔集成电路等间距弧形摆放的CPU计算绝对角度位置的算法示意图。
图5是本实用新型实施例提供的当旋转体匀速旋转的时候，输出的绝对角度位置θ的时域波形图。
图6是本实用新型实施例提供的两个等间距、正交的摆放线性霍尔集成电路的示意图。
图7是本实用新型实施例提供的两个霍尔集成电路等间距、正交的摆放的CPU计算绝对角度位置的算法示意图。
图8是本实用新型实施例提供的开关磁阻电机的转子坐标系x2Oy2与定子直角坐标系x1Oy1的关系示意图。
图9是本实用新型实施例提供的磁环与两个坐标系的位置关系示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
针对现有用于转子的绝对位置检测器存在可靠性不高；不能实现旋转体的0-360°的绝对位置检测；***比较复杂，角度分辨率不高；成本高，利用脉冲的数量和序列计算角度位置，精度和分辨率不高的问题。本实用新型的结构简单、成本低、精度高、断电不用存储、静止或旋转兼可、旋转体正反转兼可。
下面结合附图对本实用新型的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本实用新型实施例提供的旋转体的非接触式绝对角度位置传感器包括：与旋转体同轴的或者相对静止的双极磁环1、线性霍尔集成电路2、信号处理电路板3。
三个线性霍尔集成电路2输出电压信号与其表面的磁通密度成正比，线性霍尔集成电路2的输出信号作为计算唯一的0–(360°-θp)绝对角度位置的实时数据，其中，θp是绝对角度位置的分辨角度。在旋转体匀速旋转的条件下，三个线性霍尔集成电路2输出电压信号是振幅和频率相同、初相位不同的正弦波。以中间线性霍尔集成电路输出电压信号为参照，左右两个线性霍尔集成电路的输出信号的初相位与旋转体的旋转方向(正向、反向或者顺时针、反时针)有关，且互为相反数。
信号处理电路板3一般包括ADC、CPU、通信接口，如图2所示。ADC是三路输入，其分辨率决定了绝对角度位置的精度；CPU完成ADC的初始化、中断控制、计算、存储等功能；通信接口完成绝对角度位置数字信号的输出，可以是串口输出，也可以并口输出，当旋转体的旋转速度很高的时候，只能使用并口方式。
CPU计算绝对角度位置θ的算法如图4所示。对于图1描述的有三个霍尔集成电路对称摆放情形，CPU计算绝对角度位置θ的算法按以下步骤进行：第1步，对B路信号SB(t)进行归一化为sb(t)。第2步，判断sb(t)是否等于0。第3步，在sb(t)为0的条件下，如果SC(t)大于SA(t)，直接给出绝对位置角θ为0°；反之，θ为180°，计算结束。第4步，在sb(t)大于0的条件下，如果SC(t)大于SA(t)，绝对位置角θ为arcsin[sb(t)]；反之，θ为180°-arcsin[sb(t)]，计算结束。第5步，在sb(t)小于0的条件下，如果SC(t)大于SA(t)，绝对位置角θ为360°+arcsin[sb(t)]；反之，θ为180°-arcsin[sb(t)]，计算结束。
对于图6描述的两个等间距、正交的摆放线性霍尔集成电路情形，CPU计算绝对角度位置θ的算法按以下步骤进行：第1步，将两路信号SA(t)和SB(t)归一化为sa(t)和sb(t)。第2步，判断sa(t)是否等于0。第3步，在sa(t)为0的条件下，如果sb(t)等于1，直接给出绝对位置角θ为0°；反之，θ为180°，计算结束。第4步，在sa(t)大于0的条件下，如果sb(t)大于0，绝对位置角θ为arcsin[sa(t)]；反之，θ为180°-arcsin[sa(t)]，计算结束。第5步，在sa(t)小于0的条件下，如果sb(t)大于0，绝对位置角θ为360°+arcsin[sa(t)]；反之，θ为180°-arcsin[sa(t)]，计算结束。
根据该算法，无论旋转体是静止还是旋转的，都会输出唯一的绝对角度位置。当旋转体匀速旋转的时候，输出的绝对角度位置θ的时域波形如图5所示。
关于线性霍尔集成电路2的摆放位置，除了涂以展示的三个等间距、弧形状外，还可以采用两个等间距、正交的摆放，如图6所示。CPU计算绝对角度位置θ的算法如图7所示。
如图3所示，本实用新型实施例提供的旋转体的非接触式绝对角度位置传感器的使用方法包括以下步骤：
S301：在旋状体上套一个径向磁化的双极磁环，也可以通过机械传输装置引出绝对角度，确保磁环的角度位置就是旋转体的角度位置；
S302：采用三个霍尔集成电路等间距弧形摆放或者两个霍尔集成电路等间距、正交的摆放的方式，利用一个机械装置安装霍尔集成电路；
S303：把霍尔集成电路与信号处理电路连接，信号处理电路的CPU计算出旋转体的绝对角度位置，通过通信接口输出旋转体的绝对角度位置。
无论旋转体是静止还是旋转的，磁环相对于旋转体都是静止的，磁环采用双极永磁体，径向磁化。三个磁环中，左右两个与中间的对称分布，它们与磁环面等间隔距离，且间隔距离与磁环的磁感应强度有关，太近则产生磁饱和，太远输出信号太小，信噪比低。
在图1中，如果霍尔集成电路B输出电压信号为
SB(t)＝Umsin(ωt) (1)
则霍尔集成电路A和C输出电压信号分别为
SA(t)＝Umsin(ωt+θ0) (2)
SC(t)＝Umsin(ωt-θ0) (3)
其中，θ0是霍尔集成电路A和C输出电压信号初相位；ω是三个线性霍尔集成电路输出电压信号的角频率，也是旋转体的旋转角频率；Um是三个线性霍尔集成电路输出电压信号的振幅。
下面结合附图对本实用新型的应用原理作进一步的描述。
如图1所示，首先在旋状体上套一个径向磁化的双极磁环，磁环的几何中心可以就是旋转体的几何中心，也可以通过机械传输装置引出绝对角度，这两种方式都是要确保磁环相对于旋转体都是静止的，也就是说，磁环的角度位置就是旋转体的的角度位置。如图1和图6所示，可以采用三个霍尔集成电路等间距弧形摆放或者两个霍尔集成电路等间距、正交的摆放的方式，利用一个机械装置安装霍尔集成电路。最后，如图2所示，把霍尔集成电路与信号处理电路连接，信号处理电路的CPU计算出旋转体的绝对角度位置，通过通信接口输出旋转体的绝对角度位置。
本实用新型的传感器涉及到0角度的标定。现在以开关磁阻电机为例来说明0角度的标定，如图8所示。定子的直角坐标系为x1Oy1，转子的直角坐标系为x2Oy2，p(x,y)是转子上的一个点，其极角为β。当两个坐标系重合的时候，转子的决对角度位置就为θ＝0。传感器输出的绝对角度位置就是坐标系为x2Oy2沿顺时针旋转的角度θ。当转子旋转的时候，转子上的点p在对于直角坐标系为x1Oy1中的极角为β–θ。
线形霍尔集成电路的正面正对磁环，当磁环N极的中央旋转到霍尔集成电路的几何中心时，霍尔集成电路输出信号最大；当磁环S极的中央旋转到霍尔集成电路的几何中心时，霍尔集成电路输出信号最小；当磁环N极与S极交界点旋转到霍尔集成电路的几何中心时，霍尔集成电路输出信号为中间值，即其最大值与最小值之和的一半。在计算决对角度位置的时候，我们采用了反正弦函数。因此，磁环与两个坐标系的位置关系如图9所示。按照图9安装磁环，根据图3或者图7计算的角度就是转子在定子坐标系x1Oy1中的绝对角度位置。
下面结合附图对本实用新型的应用效果作详细的描述。
以图1为例，实验场景图，三个霍尔集成电路输出的信号波形。一组实测实验数据如表1所示，其中，真实数据是用刻度盘直接读出来的，实测数据是通过串口上传到上位PC机，再有串口调试显示出来的。
表1一组实测实验数据
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种旋转体的非接触式绝对角度位置传感器，其特征在于，所述旋转体的非接触式绝对角度位置传感器包括：与旋转体同轴的或者相对静止的双极磁环、线性霍尔集成电路、信号处理电路板；
在旋状体上套一个径向磁化的双极磁环，三个霍尔集成电路等间距弧形摆放或者两个霍尔集成电路等间距、正交的摆放的方式，利用机械装置安装霍尔集成电路；霍尔集成电路与信号处理电路连接。
2.如权利要求1所述的旋转体的非接触式绝对角度位置传感器，其特征在于，在旋转体匀速旋转的条件下，三个线性霍尔集成电路输出电压信号是振幅和频率相同、初相位不同的正弦波；以中间线性霍尔集成电路输出电压信号为参照，左右两个线性霍尔集成电路的输出信号的初相位与旋转体的旋转方向有关，且互为相反数。
3.如权利要求1所述的旋转体的非接触式绝对角度位置传感器，其特征在于，所述信号处理电路板包括ADC、CPU、通信接口；
ADC，是三路或者两路输入，分辨率决定了绝对角度位置的精度；
CPU，完成ADC的初始化、中断控制、计算、存储和输出；
通信接口，完成绝对角度位置数字信号的输出，可以是串口输出，也可以并口输出，当ADC的采用速率很高时使用并口方式。
4.如权利要求1所述的旋转体的非接触式绝对角度位置传感器，其特征在于，所述线性霍尔集成电路的摆放位置，除了三个等间距、弧形状外，还可以采用两个等间距、正交的摆放。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20191231 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |