CN219999187U - 直线电机动子位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种直线电机动子位置检测装置，包括：具有第一线圈、第二线圈和第三线圈的定尺，第一线圈在定尺***设置，第二线圈和第三线圈在定尺内部设置，且第二线圈和第三线圈在物理空间上正交，相位相差π/2；由两组金属材质的感应件组成的动尺，第一组感应件依次排列的对极数量大于第二组感应件依次排列的对极数量，两组感应件的起始端一致，总长度相等；第一组感应件和第二组感应件的对极宽度分别与对应的定尺的内部接收线圈1个周期的宽度相等；每一个对极的周期为1个周期；测量件，用于获取计算动子位置的参数。本实用新型装置准确性更高，应用范围广，适用各种使用环境，即使是脏污和温度变化大的环境也同样具有很好的检测效果。

Description

直线电机动子位置检测装置

技术领域

本实用新型主要涉及直线电机位置传感技术领域，尤其涉及一种直线电机动子位置检测装置。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，且不需要任何中间转换机构的传动装置，它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。

直线电机的动子包括线圈绕组、位置传感器和电子接口等。直线电机中反馈直线位置的反馈装置—直线编码器，它可以直接测量或检测负载的位置从而提高负载的位置精度。目前市面上常用的用于直线电机位置检测的两种传感器，分别是光栅尺传感器和磁栅尺传感器。

光栅尺传感器是一种通过摩尔条纹原理、光电转换，以数字方式表示线性位移量的高精度位移传感器。光栅尺传感器由光栅和读数头两部分组成。光栅尺通常安装在机床活动部件上，读数头则安装在机床固定部件上，自身精度非常高，对使用环境有一定的要求。光栅尺广泛应用于对重复精度要求很高的数控机床的闭环伺服***中，主要用作活动部件的直线位移测量。虽然光栅尺精度可以到0.1um，但测量范围只能到几米，容易受到油污、粉尘和金属碎屑等因素影响，若这些东西通过缝隙进入光栅尺内部，则会严重影响光栅尺的精度和稳定性。

磁栅尺传感器是一种通过非接触式扫描磁场制作而成的传感器。磁栅尺传感器主要由磁栅尺和读数头两部分组成。磁栅尺是被均匀磁化的磁带，磁带的S级和N极按照均匀的间距排列在磁带上，磁场强度根据位置的变化而均匀递增或递减。读数头是用于读取磁条磁场信号强度的部分，只需要对照读数头所在位置的磁场强度，便可以测量出磁条与读数头的相对位置。磁栅尺精度相对低些，在几个um，其测量范围可以到几十米，但容易受到周围磁场的影响。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种直线电机动子位置检测装置，准确性更高，应用范围广，适用各种使用环境，即使是脏污和温度变化大的环境也同样具有很好的检测效果。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种直线电机动子位置检测装置，包括：定尺，所述定尺包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，其中所述第一线圈在所述定尺***设置，用于输入交流信号；所述第二线圈和所述第三线圈在所述定尺内部设置，且所述第二线圈和所述第三线圈在物理空间上正交，相位相差π/2；固定于所述直线电机动子的动尺，所述动尺由两组金属材质的感应件组成，其中第一组感应件依次排列的对极数量大于第二组感应件依次排列的对极数量，两组感应件的起始端一致，总长度相等；第一组感应件和第二组感应件的对极宽度分别与对应的所述定尺的内部接收线圈1个周期的宽度相等；每一个对极的周期为1个周期；测量件，用于获取计算所述动子位置的参数，所述参数包括所述第二线圈和所述第三线圈的感应电压、累计电角度。

可选地，所述定尺固定在所述直线电机的滑轨上。

可选地，所述定尺的第一线圈、第二线圈和第三线圈印制在印制电路板上。

可选地，沿所述直线电机动子运动方向，设置有多个所述定尺，且每个所述定尺之间的距离相等。

可选地，所述感应件为依次分列排布的铜箔。

可选地，所述感应件印制在印制电路板上。

可选地，第一组感应件依次排列有N个对极，第二组感应件依次排列有N-1个对极。

可选地，所述动尺的排列方向与所述定尺的长度方向平行。

可选地，所述动尺的对极尺寸与所述直线电机的极距之间的关系为τ＝n*w，式中，τ为电机磁极极距，w为感应件每个对极宽度，n为不为零整数。

可选地，还包括机械调节件，所述机械调节件用于调节所述动尺和所述定尺之间的偏差，包括所述动尺和所述定尺之间的平行度偏差。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：基于电感式传感器，利用电涡流的物理原理来检测移动金属的位置，进而检测到直线电机动子的位置，准确性更高，也适合脏污和温度变化大的环境，甚至是周围有磁场干扰的环境；此外，对相邻两个传感器信息的拼接还可以实现动子位置的持续获取，可以应用在不同长度的直线轨道上，应用范围更广。

附图说明

包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本申请原理的作用。附图中：

图1是本实用新型一实施例直线电机动子位置检测装置的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例中动尺与定尺之间电磁感应的原理示意图；

图3是本实用新型一实施例中动尺与定尺的位置关系示意图；

图4是本实用新型一实施例中动尺移动过程示意图；

图5是本实用新型一实施例中传感器精度垂直方向校准示意图；

图6是本实用新型一实施例中传感器精度水平方向校准示意图；

图7是本实用新型一实施例中动尺对极尺寸与直线电机极距的对照关系示意图。

图中各标号分别表示为：

101-动尺；

102-动子；

103-机械调节件

104-滑轨；

105-定尺。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

实施例一

图1是本实用新型一实施例直线电机动子位置检测装置的结构示意图，参考图1，所示直线电机动子位置检测装置的结构主要包括：

定尺105，定尺105包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，其中第一线圈在定尺105***设置，用于输入交流信号，第二线圈和第三线圈在定尺105内部设置，且第二线圈和第三线圈在物理空间上正交，相位相差π/2。固定于直线电机动子102的动尺101，动尺101由两组金属材质的感应件组成，其中第一组感应件依次排列的对极数量大于第二组感应件依次排列的对极数量，两组感应件的起始端一致，总长度相等。第一组感应件和第二组感应件的对极宽度分别与对应的定尺105的内部接收线圈1个周期的宽度相等，为描述简便，可将此宽度直接描述为定尺长度(非定尺105实际机械长度)。每一个对极的周期为1个周期。测量件，用于获取计算动子位置的参数，参数包括第二线圈和第三线圈的感应电压、累计电角度(相位)。

在本实施例中，定尺105的各线圈可以参考图2，如图2所示，第一线圈为Tx，Tx线圈中输入交流信号，第二线圈为RxCos，第三线圈为RxSin。其中线圈RxSin和线圈RxCos在物理空间上构建正交，相位相差π/2。

当线圈Tx中输入交流信号(AC)时，将在其周围产生一个交变磁场，当有金属目标放置在发送线圈(即线圈Tx)正上方时，磁场会在金属表面形成电涡流，电涡流形成一个反向磁场，从而减小下方磁场强度，表现为在下方的接收线圈(线圈RxSin和线圈RxCos)产生的电压减小。随着上方目标金属物的移动，电压的幅值和极性也将发生改变。由于两组接收线圈90°的相位偏差，将输出呈线性关系的两个Vsin和Vcos信号，相位同样偏差90°，则将两个电压幅值Vsin和Vcos经过反三角计算可以获取动子102在某个对极内的位置，即Position＝arctan(Vsin/Vcos)。

此外，由于在检测开始时，需要对初始状态进行零点位置标定。将初始状态获取的两组感应件相位差值标为初始相位，由于相位差在感应件当前感测范围L内唯一，即初始位置绝对。随着动尺101移动，两组感测件每走过组内一对极距离时，电角度增加360°。两者累计电角度之差(相位差)与动尺101移动距离两者间存在线性对应关系，当动尺101刚好移动L时，两组电角度相位差刚好为360°。获取到第一组感应件对应的定尺105的累计电角度以及第二组感应件对应的定尺105的累计电角度，可以得到动尺101移动的距离。此距离可以大致计算走过多少个对极(对极宽度是已知值)，即得到粗位置。在N对极那一组内，通过计算Vsin和Vcos的反三角值，获得当前对极内的精确位置。将粗位置计算得到的整数个对极距离加上精确计算对极内的位置距离，则可知道动尺101移动的最终距离，即是能够检测到直线电机动子102移动后的位置。

在一示例中，定尺105固定在直线电机的滑轨104上。

在一示例中，定尺105的第一线圈、第二线圈和第三线圈印制在印制电路板(PCB)上。进一步地，动尺101的感应件也印制在相应的印制电路板上。

示例性的，如图1所示，动子102安装在滑轨104上，其受下方的电机线圈绕组驱动在滑轨104之上前后移动。安装在动子102上的动尺101和安装在滑轨104上的定尺105构成一个传感组件，可用来获取动子102在滑轨104上的位置信息。动尺101由印制在PCB上的一组分列排布的金属片组成，即由金属片组成感应件，定尺105由印制在PCB上的三组线圈组成，定尺105阵列排布在滑轨104上。在一种可实现方式中，感应件可以为依次分列排布在PCB上的铜箔。

通过上述检测结构设置，当动子102受下方的电机线圈绕组驱动在滑轨104上前后移动时，动子102上的动尺101同步移动，而其下方为位置固定的定尺105，进而使得动尺101与定尺105之间产生电磁感应，进一步可以得到计算动子102位置的各参数，并最终得到动子102移动距离或当前位置，在此不再赘述。

在一示例中，第一组感应件依次排列有N个对极，第二组感应件依次排列有N-1个对极。

第一组感应件依次排列的对极数量大于第二组感应件依次排列的对极数量，例如，第一组感应件依次排列有N个对极，第二组感应件依次排列有M个对极，其中1≤M≤N-1，可以设置第一组感应件依次排列有N个对极，第二组感应件依次排列有N-1个对极，两组感应件相差一个对极，则当动尺101移动一个动尺长度时，对应的两列定尺105的累计电角度相位差刚好是360°，而两者累计电角度相位差与动尺101位移距离存在线性关系，即是说360°的相位差对应着动尺101移动了一个动尺长度的距离，因此根据相位差可以得到动尺101移动的距离。

如图3所示，构建两列定尺105(图中两列线条简图表示两列定尺)，以及动尺101上两组总长度都为L但分别为N个对极和N-1个对极的铜箔。其中一组铜箔的每个对极的宽度为R1，另一组铜箔的每个对极的宽度为R2，R1大于R2，两列对极宽度与下方对应的定尺105的线圈周期长度一致。当动尺101位移长度为L时，由于两组感应件相差一个对极，电角度相差刚好是360°，两者电角度相位差与位移距离存在线性关系。在对初始状态零点位置进行标定后，计算两组信号相位差得到粗位置，再计算密集那一组对极内的相位可以得到精确位置。

在一示例中，沿直线电机动子102运动方向，设置有多个定尺105，且每个定尺105之间的距离相等。

在本实施例中，当需要检测的动子102移动的距离较远，则需要沿直线电机动子102运动方向设置多个定尺105。此外，每个定尺105之间的距离相等，更利于动子102移动距离的计算。

如图4所示，在滑轨104上每隔长度L设置一个定尺105，由于定尺105间隔是动尺的实际长度减去一个对极的宽度，所以当动尺101尾部开始滑过当前定尺105感应范围时，动尺101头部进入下一个定尺105的感应范围。滑轨104上等距离间隔布置任意个定尺105后，就可以持续获取动子102的位置。当然，若滑轨104上出现多个动子102，因为两动子102不会同时作用在一个定尺105中线圈，两两互不干涉，所以可以获取多动子102的位置。

在一示例中，动尺101的排列方向与定尺105的长度方向平行，使得获取的输出电压幅值一致，以使动子102位置检测结果更加准确。

在一示例中，本实施例装置还可以包括机械调节件，机械调节件用于调节动尺101和定尺105之间的偏差，包括动尺101和定尺105之间的平行度偏差。

参考图5和图6，垂直方向上气隙D直接影响定尺105上感应线圈感应到的磁场强度，气隙越大则磁场越弱，产生的模拟信号幅值越小，精度越低。α表示动尺101安装时水平方向倾斜角度，动尺101上每对极感应气隙间距D都不同，磁场强度也不同，最终导致传感输出信号幅值不一致。当动尺101和定尺105安装非重叠，存在水平角度偏差β时，则会导致两路输出电压信号在空间内成非正交性。绝对式传感器是利用两列传感器的输出信号的相位差和对极内的相位实现位移绝对定位，相位差决定了动尺滑过的对级数。因此，当动尺101水平方向倾斜安装时，其引入周期测量结果会出现偏差。而机械调节件则可以用来校准气隙D、角度偏差α和β，实现精准测量。

在一示例中，动尺101的对极尺寸与直线电机的极距之间的关系为τ＝n*w，式中，τ为电机磁极极距，w为感应件每个对极宽度，n为不为零整数。图7展示了动尺101的对极尺寸与直线电机极距的两者关系，即电机电角度与对极也存在整数倍关系，方便对照计算。

本实施例提供的直线电机动子位置检测装置，具有第一线圈、第二线圈和第三线圈的定尺，第一线圈在定尺***设置，第二线圈和第三线圈在定尺内部设置，且第二线圈和第三线圈在物理空间上正交，相位相差π/2；由两组金属材质的感应件组成的动尺，第一组感应件依次排列的对极数量大于第二组感应件依次排列的对极数量，两组感应件的起始端一致，总长度相等；第一组感应件和第二组感应件的对极宽度分别与对应的定尺的内部接收线圈1个周期的宽度相等；每一个对极的周期为1个周期；测量件，用于获取计算动子位置的参数，因此，检测准确性更高，应用范围广，适用各种使用环境，即使是脏污和温度变化大的环境也同样具有很好的检测效果。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述实用新型披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个实用新型实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种直线电机动子位置检测装置，其特征在于，包括：

定尺，所述定尺包括第一线圈、第二线圈和第三线圈，其中所述第一线圈在所述定尺***设置，用于输入交流信号；所述第二线圈和所述第三线圈在所述定尺内部设置，且所述第二线圈和所述第三线圈在物理空间上正交，相位相差π/2；

固定于所述直线电机动子的动尺，所述动尺由两组金属材质的感应件组成，其中第一组感应件依次排列的对极数量大于第二组感应件依次排列的对极数量，两组感应件的起始端一致，总长度相等；

第一组感应件和第二组感应件的对极宽度分别与对应的所述定尺的内部接收线圈1个周期的宽度相等；每一个对极的周期为1个周期；

测量件，用于获取计算所述动子位置的参数，所述参数包括所述第二线圈和所述第三线圈的感应电压、累计电角度。

2.如权利要求1所述的直线电机动子位置检测装置，其特征在于，所述定尺固定在所述直线电机的滑轨上。

3.如权利要求1所述的直线电机动子位置检测装置，其特征在于，所述定尺的第一线圈、第二线圈和第三线圈印制在印制电路板上。

4.如权利要求1所述的直线电机动子位置检测装置，其特征在于，沿所述直线电机动子运动方向，设置有多个所述定尺，且每个所述定尺之间的距离相等。

5.如权利要求1所述的直线电机动子位置检测装置，其特征在于，所述感应件为依次分列排布的铜箔。

6.如权利要求1所述的直线电机动子位置检测装置，其特征在于，所述感应件印制在印制电路板上。

7.如权利要求1所述的直线电机动子位置检测装置，其特征在于，第一组感应件依次排列有N个对极，第二组感应件依次排列有N-1个对极。

8.如权利要求1所述的直线电机动子位置检测装置，其特征在于，所述动尺的排列方向与所述定尺的长度方向平行。

9.如权利要求1所述的直线电机动子位置检测装置，其特征在于，所述动尺的对极尺寸与所述直线电机的极距之间的关系为τ＝n*w，式中，τ为电机磁极极距，w为感应件每个对极宽度，n为不为零整数。

10.如权利要求1所述的直线电机动子位置检测装置，其特征在于，还包括机械调节件，所述机械调节件用于调节所述动尺和所述定尺之间的偏差，包括所述动尺和所述定尺之间的平行度偏差。