一種永磁交流伺服電機(jī)的嵌入式位置檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于伺服電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置檢測(cè)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁交流伺服電機(jī)是伺服控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成元件，其轉(zhuǎn)動(dòng)位置的精確檢測(cè)與 精準(zhǔn)控制是實(shí)現(xiàn)真正伺服控制的重要基礎(chǔ)。
[0003] 目前應(yīng)用最廣泛的永磁交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置檢測(cè)方法是利用外置位置傳感 器，如光電編碼器、磁電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。雖然測(cè)量精度高，但 一方面其破壞了電機(jī)原有的緊湊型結(jié)構(gòu)，使電機(jī)的運(yùn)行性能受到位置傳感器安裝效果的影 響；另一方面上述幾種方法都依賴空間的精密等分刻線，測(cè)量精度要受機(jī)械加工精度的影 響。因此，"無(wú)傳感器檢測(cè)技術(shù)"成為近些年研究的熱點(diǎn)，目前主要有如下幾種實(shí)現(xiàn)方法:一 種是利用控制理論的相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建理想的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的估測(cè)。如專(zhuān)利 文獻(xiàn)CN103560725A公開(kāi)了一種無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制位置檢測(cè)方法，利用電機(jī)控 制理論的知識(shí)構(gòu)建了電機(jī)的理想磁鏈函數(shù)模型并利用其來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的估測(cè)。運(yùn)種方法 需要構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，并且只有在充分觀察的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行建模、估測(cè)，測(cè)量結(jié)果易 受到干擾，精度難W保證，且將電機(jī)的部分參數(shù)理想化，只能用于估測(cè)而無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)精 確、實(shí)際的測(cè)量。另一種是注入高頻激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)中對(duì)應(yīng)的電壓（電流)信號(hào)來(lái)實(shí) 現(xiàn)對(duì)電機(jī)位置的檢測(cè)，運(yùn)種方法要求電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有凸極性，應(yīng)用范圍窄，實(shí)現(xiàn)困難。
[0004] 針對(duì)上述"無(wú)傳感器檢測(cè)技術(shù)"存在的難W用于實(shí)際工作環(huán)境實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置 準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題，"嵌入傳感器檢測(cè)技術(shù)"成為檢測(cè)電機(jī)角位移的新思路，專(zhuān)利文獻(xiàn) CN103490682A公開(kāi)了一種交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)系統(tǒng)，利用電機(jī)的工作原理與場(chǎng)式時(shí) 柵位移傳感器的測(cè)量原理的相似性，將電機(jī)的定子繞組作為時(shí)柵定測(cè)頭，將電機(jī)轉(zhuǎn)子已有 的繞組或重新繞線的方式構(gòu)成時(shí)柵動(dòng)測(cè)頭，并利用定轉(zhuǎn)子之間的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子 位置的測(cè)量。但對(duì)于轉(zhuǎn)子無(wú)繞線時(shí)，需要破壞電機(jī)結(jié)構(gòu)重新繞線，此外還需要環(huán)形變壓器等 將感應(yīng)信號(hào)輸出，該系統(tǒng)仍然存在一定的缺陷。
[0005] 因此，如何在不破壞永磁交流伺服電機(jī)的緊湊型結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)其位移的精 確檢測(cè)與控制是急需解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明基于時(shí)柵位置測(cè)量原理和TMR忍片功能，并結(jié)合永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在不破壞 電機(jī)原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種永磁交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置嵌入式位置檢測(cè)系統(tǒng)，該 系統(tǒng)可W使永磁交流伺服電機(jī)在徹底去掉外置位置傳感器的同時(shí)，不僅可W適應(yīng)惡劣的工 作壞境，并能在較寬的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度和較低的檢測(cè) 成本。
[0007] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
[000引一種永磁交流伺服電機(jī)的嵌入式位置檢測(cè)系統(tǒng)，其包括一組正、余弦激勵(lì)信號(hào)加 載模塊、至少一對(duì)空間正交的TMR忍片、時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)。
[0009]所述嵌入式位置檢測(cè)裝置是直接利用電機(jī)內(nèi)部永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所具有的機(jī)械等 分性，在電機(jī)內(nèi)部嵌入TMR忍片作為敏感單元，每對(duì)TMR忍片沿電機(jī)軸的周向空間正交固定 布置，并處于同一徑向平面內(nèi)；若設(shè)電機(jī)的單極永磁體所對(duì)應(yīng)的圓周角為Θ，那么每對(duì)TMR忍 片中屯、位置之間所對(duì)應(yīng)的圓周角為所述TMR忍片感應(yīng)永磁體隨著電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生 的交變磁場(chǎng)，輸出與其同頻變化的電壓信號(hào)，所述電壓信號(hào)即為反映電機(jī)轉(zhuǎn)角的信號(hào)； [0010]所述正、余弦激勵(lì)信號(hào)加載模塊與TMR忍片連接，在每對(duì)TMR忍片上分別加載正、余 弦激勵(lì)；
[0011] 所述時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)連接TMR忍片，獲取TMR忍片上輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)角信號(hào)，經(jīng)處 理后得到電機(jī)的角位移，即轉(zhuǎn)動(dòng)位置。
[0012] 本發(fā)明是基于時(shí)柵位置測(cè)量原理和TMR忍片功能，并結(jié)合永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)永 磁交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的嵌入式檢測(cè)。永磁體隨著電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)， 嵌入電機(jī)內(nèi)部的TMR忍片利用隧穿磁阻效應(yīng)，能靈敏的感應(yīng)磁場(chǎng)的變化，其感應(yīng)此交變磁場(chǎng) 并輸出與其同頻變化的電壓信號(hào)。若在每對(duì)TMR忍片上分別加載正、余弦激勵(lì)，即時(shí)間正交 的激勵(lì)信號(hào)，并將TMR忍片兩兩放在空間正交的位置上，就會(huì)在每塊TMR忍片上得到一路反 映電機(jī)轉(zhuǎn)角的信號(hào)，將信號(hào)輸入時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)處理后就可W得到電機(jī)的角位移， 即轉(zhuǎn)動(dòng)位置。
[0013] 本發(fā)明適用于現(xiàn)有的各種具有機(jī)械等分性的永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其突破了 W往在電 機(jī)后端外加獨(dú)立位置傳感器的技術(shù)局限，在不用破壞永磁交流伺服電機(jī)的緊湊型結(jié)構(gòu)的前 提下，實(shí)現(xiàn)永磁交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的嵌入式測(cè)量，具有大幅提升電機(jī)的運(yùn)行性能、緊縮 電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、降低成本、增強(qiáng)抗干擾性能和適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力等優(yōu)勢(shì)。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是永磁交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖；
[0015] 圖2是永磁交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置嵌入式測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖；
[0016] 圖3a是TMR忍片空間正交放置示意圖；
[0017] 圖3b是TMR忍片安裝示意圖；
[0018] 圖4是時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖W設(shè)置一對(duì)TMR忍片為對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0020] 本發(fā)明所述的基于時(shí)柵位置測(cè)量原理和TMR忍片實(shí)現(xiàn)永磁交流伺服電機(jī)角位移測(cè) 量的原理如圖2所示。
[0021] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明中的永磁交流伺服電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)包括常規(guī)永磁交流伺服電機(jī) 所有部件，如電機(jī)后端蓋1、后端蓋軸承2、電機(jī)外殼3、電機(jī)定子4、永磁體5 (電機(jī)轉(zhuǎn)子）、電機(jī) 前端蓋7、前端蓋軸承8、電機(jī)軸9等。在此基礎(chǔ)上，增加了嵌入式位置檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)W電機(jī) 本身具有的永磁體5為基礎(chǔ)，增加 TMR忍片a6a、TMR忍片b6b、正余弦激勵(lì)lOa-b和時(shí)刪信號(hào)處 理系統(tǒng)11，利用TMR忍片對(duì)磁場(chǎng)變化非常靈敏的特性，直接將TMR忍片a6a和TMR忍片b6b嵌入 電機(jī)內(nèi)部感應(yīng)永磁體附近隨著電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的交變磁場(chǎng)，并結(jié)合時(shí)刪位移傳感器的思想原 理，在不破壞電機(jī)原有緊湊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)永磁交流伺服電機(jī)角位移的測(cè)量。
[0022] 參照?qǐng)D2,檢測(cè)系統(tǒng)的正余弦激勵(lì)信號(hào)加載模塊與TMR忍片連接，在TMR忍片和 TMR忍片b6b上分別加載正、余弦激勵(lì)lOa-b，并將其放在空間正交的位置，當(dāng)永磁體隨著電 機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，TMR忍片感應(yīng)永磁體中產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，并在每塊TMR忍片 上得到一路反映電機(jī)轉(zhuǎn)角的信號(hào)，TMR忍片與時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)連接，將兩路信號(hào)輸入時(shí)柵 信號(hào)處理系統(tǒng)，經(jīng)一系列處理后就可W得到永磁交流電機(jī)的角位移即轉(zhuǎn)動(dòng)位置，
[0023] 如圖3a所示，9代表電機(jī)軸、3代表電機(jī)外殼、4代表定子、和6b分別代表TMR忍片a 和TMR忍片b、5代表永磁體，即需要將忍片a的中屯、位置正對(duì)永磁體的中屯、位置，則忍片b的 中屯、位置正對(duì)相鄰永磁體間的縫隙兩塊TMR忍片在忍片輸出特性曲線的線性區(qū)域內(nèi)，輸出 信號(hào)與磁場(chǎng)的變化呈線性關(guān)系。
[0024] 由于本發(fā)明旨在不破壞電機(jī)原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量，因此在安裝TMR 忍片afe和TMR忍片b6b時(shí)考慮將其安裝于電機(jī)前端蓋7上，如圖3b所示，一塊正對(duì)永磁體中 屯、，另一塊正對(duì)相鄰永磁體間的縫隙。
[0025] 參照?qǐng)D4,將兩塊TMR忍片輸出的反映電機(jī)角位移變化的信號(hào)送入時(shí)柵信號(hào)處理系 統(tǒng)22進(jìn)行處理，時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)22進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)具體包括:放大、濾波及整形、信號(hào)解 調(diào)、角位移計(jì)算等過(guò)程，最后得到所需的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置信息，達(dá)到和電機(jī)外置角度編碼器同 樣的檢測(cè)效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種永磁交流伺服電機(jī)的嵌入式位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括一組正、余弦激勵(lì) 信號(hào)加載模塊、至少一對(duì)空間正交的TMR芯片、時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)， 所述嵌入式位置檢測(cè)裝置是直接利用電機(jī)內(nèi)部永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所具有的機(jī)械等分性， 在電機(jī)內(nèi)部嵌入TMR芯片作為敏感單元，每對(duì)TMR芯片包含兩片，它們沿電機(jī)軸的周向空間 正交固定布置，并處于同一徑向平面內(nèi)；所述TMR芯片感應(yīng)永磁體隨著電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的交 變磁場(chǎng)，輸出與其同頻變化的電壓信號(hào)，所述電壓信號(hào)即為反映電機(jī)轉(zhuǎn)角的信號(hào)； 所述正、余弦激勵(lì)信號(hào)加載模塊與TMR芯片連接，在每對(duì)TMR芯片上分別加載正、余弦激 勵(lì)； 所述時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)連接TMR芯片，獲取TMR芯片上輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)角信號(hào)，經(jīng)處理后 得到電機(jī)的角位移，即轉(zhuǎn)動(dòng)位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁交流伺服電機(jī)的嵌入式位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:若設(shè) 電機(jī)的單極永磁體所對(duì)應(yīng)的圓周角為Θ，那么每對(duì)TMR芯片中心位置之間所對(duì)應(yīng)的圓周角為3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁交流伺服電機(jī)的嵌入式位置檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述 TMR芯片沿電機(jī)軸的軸向嵌于電機(jī)的前端蓋內(nèi)側(cè)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明保護(hù)一種永磁交流伺服電機(jī)的嵌入式位置檢測(cè)系統(tǒng)，包括一組正、余弦激勵(lì)信號(hào)加載模塊、至少一對(duì)隧穿磁阻TMR芯片、時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)。在不破壞電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將TMR芯片嵌入電機(jī)內(nèi)部，在每對(duì)TMR芯片上分別加載正、余弦激勵(lì)，并將TMR芯片兩兩放在空間正交的位置上，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在每塊TMR芯片上得到一路反映電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的信號(hào)，將信號(hào)輸入時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)處理后可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。本發(fā)明將時(shí)柵位置測(cè)量原理、TMR芯片和等分的永磁體轉(zhuǎn)子相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)永磁交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的嵌入式檢測(cè)，具有大幅提升電機(jī)的運(yùn)行性能、緊縮電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、降低成本、增強(qiáng)抗干擾性能和適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力等優(yōu)勢(shì)。
【IPC分類(lèi)】H02P6/185
【公開(kāi)號(hào)】CN105490596
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610070876
【發(fā)明人】彭東林, 吳治嶧, 張旭云, 張?zhí)旌? 王淑嫻, 付敏
【申請(qǐng)人】重慶理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2016年2月1日