TWI469503B - 電機絕對位置記錄裝置 - Google Patents

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Description

電機絕對位置記錄裝置
本發明涉及一種電機絕對位置記錄裝置。
交流伺服電機通常需要記錄在斷電時的絕對位置，一般來說，現有的電機絕對位置記錄裝置通常為光學式或機械式。對於光學式裝置，需要一光學編碼器同時讀取電機的轉子轉動的圈數及轉子相對於標準位置(即上一次轉子停留的位置)的偏轉角度。對於機械式裝置，需要一組變速齒輪帶動編碼器，通過測量轉子轉過的角位移量獲得轉子轉動的圈數及轉子相對於標準位置的偏轉角度。惟，由於光學編碼器易受煙霧、粉塵等惡劣環境干擾，其封裝時設計成本較大，而機械式裝置對於齒輪的精度要求較高，且機械結構較為複雜。
鑒於以上情況，有必要提供一種結構簡單且成本較低的電機絕對位置記錄裝置。
一種電機絕對位置記錄裝置，應用於一電機設備，所述電機絕對位置記錄裝置包括主軸、磁環、磁感應組件、編碼器、計數器及運算裝置，所述磁環和編碼器設置於主軸上，所述主軸帶動磁環和編碼器轉動，所述磁環由多個磁鐵圍成，所述磁感應組件用於感應磁鐵的極性變化，並輸出方波訊號，所述編碼器用於依據主軸轉動而輸出弦波，所述計數器與磁感應組件電性連接，以接收方波訊號並依據方波訊號計算磁環旋轉的圈數，所述運算裝置與編碼器電性連接，以接收弦波並依據弦波計算磁環相對於標準位置的偏轉角度，所述運算裝置還與計數器電性連接，以將該偏轉角度與計數器計算出的圈數相加，並依據相加的結果計算電機設備的絕對位置。
上述的電機絕對位置記錄裝置通過在主軸上設置磁環，並利用磁感應組件感應磁環以產生方波訊號，計數器依據方波訊號計算磁環轉動的圈數。同時通過編碼器輸出弦波訊號，運算裝置依據弦波訊號計算磁環相對於標準位置的偏轉角度，並將該偏轉角度與磁環轉動的圈數相加，以進一步計算出電機設備的絕對位置。該電機絕對位置記錄裝置結構簡單，設計成本低。
請參閱圖1及圖2，本發明的較佳實施方式提供一種電機絕對位置記錄裝置100，其應用於電機設備中，以測得電機設備的絕對位置，即電機設備執行命令完成後的絕對座標。
該電機絕對位置記錄裝置100包括主軸10、磁環20、磁感應組件30、編碼器40、計數器50、運算裝置60、電源裝置70及電池裝置80。
該主軸10為電機設備的轉子，其可以一定的速度順時針轉動或逆時針轉動。
該磁環20套設於主軸10上，並隨主軸10隨之轉動。在本實施例中，該磁環20由四個大小相同的磁鐵22圍成圓環形，相鄰的二個磁鐵22的磁極相反，即磁極為北極（N）的磁鐵22與磁極為南極（S）的磁鐵22交替設置。
該磁感應組件30用於感應磁環20的磁極變化，並產生電訊號。在本實施例中，該磁感應組件30包括第一霍爾元件32及第二霍爾元件34，二者設置於磁環20的外周，優選地，該第一霍爾元件32和磁環20的中心的連線與第二霍爾元件34和磁環20的中心的連線的夾角為45度。該第一霍爾元件32及第二霍爾元件34均用於在感測到磁極為北極（N）的磁鐵22時輸出高電平訊號，在感測到磁極為南極（S）的磁鐵22時輸出低電平訊號。如此，當磁環20轉動一圈時，該第一霍爾元件32及第二霍爾元件34均輸出二個週期的方波訊號。由於磁感應組件30相對磁環的中心的夾角為45度，故第一霍爾元件32與第二霍爾元件34磁感應組件30輸出的方波訊號的相位相差45度。同時，當第一霍爾元件32輸出的方波訊號的相位在前時，表明該磁環20為順時針轉動，當第二霍爾元件34輸出的方波訊號的相位在前時，表明該磁環20為逆時針轉動。
在本實施例中，該編碼器40為增量型編碼器，其固定於主軸10上，以隨主軸10隨之轉動。該編碼器40用於依據主軸10的轉動而輸出弦波（正弦波或余弦波），以表示該磁環20在一圈內轉動的角度。
該計數器50同時與磁感應組件30的第一霍爾元件32及第二霍爾元件34電性連接，以接收第一霍爾元件32及第二霍爾元件34輸出的方波訊號，並依據該方波訊號計算磁環20轉動的圈數。具體地，當第一霍爾元件32輸出的方波訊號的相位在前時，以該第一霍爾元件32輸出的脈衝週期計算磁環20轉動的圈數，且該圈數為一正數值。在本實施例中，該圈數為脈衝週期除以2後取整數的數值。例如，當第一霍爾元件32輸出的脈衝為9個週期時，該圈數為4圈。同理，當第二霍爾元件34輸出的方波訊號的相位在前時，以該第二霍爾元件34輸出的脈衝週期計算磁環20轉動的圈數，且該圈數為一負數值。
在本實施例中，該運算裝置60為數位訊號處理器（DSP）。該運算裝置60與編碼器40電性連接，用於接收編碼器40輸出的弦波，並依據該弦波計算磁環20相對於標準位置(即上一次磁環停留的位置)的偏轉角度。該角度的大小介於-360至+360度之間，精度由該運算裝置60的解析度決定。同時，該運算裝置60還與計數器50電性連接，以進一步用於將磁環20相對於標準位置的偏轉角度與計數器50計算出的磁環20轉動的圈數相加，並依據相加的結果進一步計算出電機設備的絕對位置。
該電源裝置70同時與計數器50及運算裝置60電性連接，以使維持計數器50及運算裝置60工作。同時該電池裝置80與電源裝置70電性連接，該電池裝置80用以在電源裝置70斷電時提供電能，以保持維持計數器50及運算裝置60工作。如此，在電源裝置70恢復電力瞬間，即可通過運算裝置60獲知電機設備的絕對位置，而不至於因為斷電而丟失資訊。可以理解，該電池裝置80還可以進一步包括一充電電路（圖未示），以延長電池使用時間。
下面進一步說明該電機絕對位置記錄裝置100的工作原理：首先電機設備開始工作，主軸10帶動磁環20旋轉，例如帶動磁環20順時針旋轉。此時，第一霍爾元件32及第二霍爾元件34均輸出方波訊號，且第一霍爾元件32輸出的方波訊號的相位在前。同時，編碼器隨主軸10轉動而輸出弦波。當電機設備停止轉動時，該計數器50依據第一霍爾元件32輸出的脈衝週期計算磁環20轉動的圈數，同時運算裝置60依據編碼器40輸出的弦波計算磁環20相對於標準位置的偏轉角度，並將該偏轉角度與圈數相加。最後該運算裝置60即可依據上述偏轉角度與圈數相加的結果進一步計算出電機設備的絕對位置。
可以理解，本發明的磁環20不局限於由四個磁鐵22組成，也可由8個或16個圍成。相應的，該第一霍爾元件32和磁環20的中心的連線與第二霍爾元件34和磁環20的中心的連線的夾角可對應調整為22.5度或11.25度。
本發明的電機絕對位置記錄裝置100通過在主軸10上設置磁環20，並利用磁感應組件30感應磁環20的極性變化以產生方波訊號，計數器50依據方波訊號計算磁環20轉動的圈數。同時通過編碼器40輸出弦波訊號，運算裝置60依據弦波計算磁環20相對於標準位置的偏轉角度，並將該偏轉角度與圈數相加，以進一步計算出電機設備的絕對位置。該電機絕對位置記錄裝置100結構簡單，設計成本低，且整個裝置不易受煙霧、粉塵等惡劣環境干擾，可靠性高。
另外，本領域技術人員還可在本發明申請專利範圍公開之範圍和精神內做其他形式和細節上之各種修改、添加和替換。當然，這些依據本發明精神所做之各種修改、添加和替換等變化，都應包含在本發明所要求保護之範圍之內。
100．．．電機絕對位置記錄裝置
10．．．主軸
20．．．磁環
22．．．磁鐵
30．．．磁感應組件
32．．．第一霍爾元件
34．．．第二霍爾元件
40．．．編碼器
50．．．計數器
60．．．運算裝置
70．．．電源裝置
80．．．電池裝置
圖1係本發明較佳實施方式電機絕對位置記錄裝置之平面圖;
圖2係圖1所示電機絕對位置記錄裝置之功能模組圖。
100．．．電機絕對位置記錄裝置
30．．．磁感應組件
40．．．編碼器
50．．．計數器
60．．．運算裝置
70．．．電源裝置
80．．．電池裝置

Claims (10)

  1. 一種電機絕對位置記錄裝置，應用於一電機設備，其改良在於：所述電機絕對位置記錄裝置包括主軸、磁環、磁感應組件、編碼器、計數器及運算裝置，所述磁環和編碼器設置於主軸上，所述主軸帶動磁環和編碼器轉動，所述磁環由多個磁鐵圍成，所述磁感應組件用於感應磁鐵的極性變化，並輸出方波訊號，所述編碼器用於依據主軸轉動而輸出弦波，所述計數器與磁感應組件電性連接，以接收方波訊號並依據方波訊號計算磁環旋轉的圈數，所述運算裝置與編碼器電性連接，以接收弦波並依據弦波計算磁環相對於標準位置的偏轉角度，所述運算裝置還與計數器電性連接，以將該偏轉角度與計數器計算出的圈數相加，並依據相加的結果計算電機設備的絕對位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電機絕對位置記錄裝置，其中所述多個磁鐵大小相同，相鄰的二個磁鐵的磁極相反。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電機絕對位置記錄裝置，其中所述磁感應組件包括第一霍爾元件及第二霍爾元件，所述第一霍爾元件和磁環的中心的連線與第二霍爾元件和磁環的中心的連線形成一夾角。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電機絕對位置記錄裝置，其中所述第一霍爾元件與第二霍爾元件均用於在感測到磁環的磁極為北極時輸出高電平訊號，在感測到磁環的磁極為南極時輸出低電平訊號。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之電機絕對位置記錄裝置，其中當所述磁環隨主軸順時針轉動時，第一霍爾元件輸出的方波訊號的相位在前，當所述磁環隨主軸逆時針轉動時，第二霍爾元件輸出的方波訊號的相位在前。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電機絕對位置記錄裝置，其中所述編碼器為增量型編碼器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電機絕對位置記錄裝置，其中當所述磁環隨主軸順時針轉動時，所述計數器計算出的磁環旋轉的圈數為正數，當所述磁環隨主軸逆時針轉動時，所述計數器計算出的磁環旋轉的圈數為負數。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電機絕對位置記錄裝置，其中所述運算裝置為數位訊號處理器。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電機絕對位置記錄裝置，其中所述電機絕對位置記錄裝置還包括電源裝置，所述電源裝置同時與計數器及運算裝置電性連接。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電機絕對位置記錄裝置，其中所述電機絕對位置記錄裝置還包括電池裝置，所述電池裝置與電源裝置電性連接，該電池裝置用以在電源裝置斷電時提供電能。
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