專利名稱：位置檢測裝置及其信號處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種傳感器，具體地涉及一種用于精確位置控制的位置檢測裝置
及其信號處理裝置。
背景技術(shù)：
在工業(yè)控制中，為了達到精確的電機位置，利用位置傳感器將電機的旋轉(zhuǎn)角度、角速度等物理量轉(zhuǎn)換為電信號，這種位置傳感器通常稱為編碼器。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，直流電機向交流電機的轉(zhuǎn)變以及模擬控制向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變，都離不開編碼器的發(fā)展，編碼器的制造技術(shù)和信號的處理水平直接影響到自動化水平。 目前，工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的編碼器主要是光電式編碼器，光電式編碼器有增量式和絕對式兩種。在增量式編碼器中，軸旋轉(zhuǎn)時帶動光柵盤旋轉(zhuǎn)，發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤的狹縫切割成斷續(xù)光線，再由接收元件接受并輸出相應(yīng)的脈沖信號，旋轉(zhuǎn)方向和脈沖數(shù)量需要借助判向電路和計數(shù)器來實現(xiàn)。計數(shù)起點可任意設(shè)定，旋轉(zhuǎn)增量編碼器轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設(shè)備的內(nèi)部存儲單元來記住位置。然而該編碼器工作過程中不允許有干擾進而丟失脈沖，否則，記數(shù)設(shè)備記憶的零點就會偏移并且無從知道。 為了解決此問題，出現(xiàn)了絕對式編碼器。絕對式編碼器輸出與位置一一對應(yīng)的代碼，從代碼的大小變化能判別出旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。這樣抗干擾性，數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了，絕對式編碼器已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)的角度，長度測量和位置控制。 然而，光電編碼器存在一些難以克服的缺點光電編碼器由玻璃物質(zhì)通過刻線而成，其抗震動和沖擊能力不強，不適合于塵埃，結(jié)露等惡劣環(huán)境，并且結(jié)構(gòu)和定位組裝復(fù)雜；刻線間距有極限，要提高分辨率必須增大碼盤，難以做到小型化；在生產(chǎn)中必須保證很高的裝配精度，直接影響到生產(chǎn)效率，最終影響產(chǎn)品成本。 為了解決這些不足，出現(xiàn)了磁電式編碼器，近年來磁性編碼器的研制正逐漸展開。傳統(tǒng)磁電傳感器的定子和轉(zhuǎn)子由純鐵組成，定子上固定永久磁鐵，形成磁路系統(tǒng)。定子和轉(zhuǎn)子相對的環(huán)形端面上均勻的設(shè)計齒和槽，數(shù)目相等，轉(zhuǎn)子和軸固緊，軸與被測量的轉(zhuǎn)軸連接，軸帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒和定子齒相對，氣隙最小，磁通最大，反之最小。其檢測原理是，利用固定在定子圓周上的磁敏元件感受固定在軸上磁鋼轉(zhuǎn)動引起的磁場強度變化來輸出電壓信號，用電壓值來判斷軸轉(zhuǎn)動角度，從而實現(xiàn)位置的檢測。[0007] 此類編碼器比較多，但測量精度比較低，只能實現(xiàn)增量輸出。 例如，專利號為200410024190. 7、200410024191. 1、200410024192. 6的專利分別提出了一種磁電編碼器，專利號為200410024195. X、200410024194. 5、200410024193. 0的專利也分別提出了 一種編碼器，專利號為200410024198. 3、200410024197. 9和200410024196. 4的專利分別提出了一種編碼器的存儲器寫入器。 上述實現(xiàn)了絕對式位置檢測，其原理相同，以200410024190. 7為例，如圖1所示，在該磁電編碼器的結(jié)構(gòu)中，磁感應(yīng)元件采用表面貼的方式，即在圓環(huán)形定子內(nèi)側(cè)壁布置磁感應(yīng)元件，進行旋轉(zhuǎn)磁場的感應(yīng)，然后根據(jù)傳感器電壓值求出旋轉(zhuǎn)角度值。
所述磁電編碼器在物理結(jié)構(gòu)上具有以下缺點 定子內(nèi)側(cè)一般呈圓弧形且光滑，傳感器不易安裝固定，容易引起定位誤差，進而引
起信號的相位偏差，使得信號中高次諧波分量大；加工制造工藝復(fù)雜，不利于產(chǎn)業(yè)化； 可靠性低，傳感器均布于內(nèi)側(cè)壁，傳感器的支持基體必須為柔性體如FPC等，其與
處理本體接觸處其抗拉強度不高，容易破裂，增加了加工難度，影響產(chǎn)品的壽命； 傳感器感應(yīng)的磁場泄露大，磁場不能得到充分應(yīng)用，使得信號中噪聲大，影響測量
精度； 要求傳感器體積小，使得產(chǎn)品成本比較高。 所述磁電編碼器在信號處理上具有以下缺點 從磁感應(yīng)元件得到的A相模擬信號va和B相模擬信號vb， 一般都含有高次諧波和 噪聲，利用上述求反正切值的方法就要受到高次諧波的影響，若不能減小或消除高次諧波 的影響，則不易得出精確的位置信號e ; 模擬器件導(dǎo)致溫度漂移和零點漂移，降低了電路的可靠性和穩(wěn)定性；模擬電路的 產(chǎn)品成本較高。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的抗沖擊能力不強，加工成本 高，適用范圍受限以及精度低等不足，提供了一種位置檢測裝置及其信號處理電路，使位置 檢測裝置響應(yīng)快、處理精度高，并且成本低、制造工藝簡單。 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種位置檢測裝置，包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套 在內(nèi)部的定子，所述轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)；其中，所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼 環(huán)可以分別固定在一轉(zhuǎn)軸上；在定子上，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的中心為圓心的 同一圓周上設(shè)有n個均勻分布的磁感應(yīng)元件，其中，n = 1，2…n，所述第二磁鋼環(huán)的磁極的 磁化順序使得n個磁感應(yīng)元件輸出為格雷碼形式，相鄰兩個輸出只有一位變化；在定子上， 對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有有m個呈一定角度分布 的磁感應(yīng)元件，其中，m為2或3的整數(shù)倍，所述第一磁鋼環(huán)的磁極總對數(shù)與第二磁鋼環(huán)的 磁極總數(shù)相等，并且相鄰兩極的極性相反；當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁 感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置。 進一步地，在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m 為2或4時，該夾角為90。 /g;當(dāng)m為3時，該夾角為120。 /g ;當(dāng)m為6時，該夾角為60° / g，其中，g為第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)。 在本實用新型的一個實施例中，所述磁感應(yīng)元件直接表貼在定子的內(nèi)表面。 進一步地，還包括兩個內(nèi)置于定子內(nèi)表面的、分別與第一磁鋼環(huán)、第一磁鋼環(huán)對應(yīng) 的導(dǎo)磁環(huán)，每一所述導(dǎo)磁環(huán)是由多個同圓心、同半徑的弧段構(gòu)成，相鄰兩弧段留有空隙，對 應(yīng)于兩個磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件分別設(shè)在該空隙內(nèi)。 優(yōu)選地，所述的導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角。 優(yōu)選地，所述倒角為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑向切削而形成的倒角。 優(yōu)選地，所述的磁感應(yīng)元件為霍爾感應(yīng)元件。[0026] 本實用新型還提供了一種基于上述各種位置檢測裝置的信號處理裝置，包括A/D
轉(zhuǎn)換模塊、相對偏移角度ej十算模塊、絕對偏移量92計算模塊、角度合成及輸出模塊和存
儲模塊。所述A/D轉(zhuǎn)換模塊，對位置檢測裝置發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述相對偏移角度e J十算模塊，用于計算位置檢測裝置中對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件發(fā)送來的第一電壓信號在所處信號周期內(nèi)的相對偏移量9 i ;所述絕對
偏移量e 2計算模塊，根據(jù)位置檢測裝置中對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件發(fā)送來的第二電壓信號，通過計算來確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量e2 ;所述角度合成及輸出模塊，用于將上述相對偏移量e工和絕對偏移量92相加，合成所述第一電壓信號所代表的在該時刻的旋轉(zhuǎn)角度e ;所述存儲模塊，用于存儲數(shù)據(jù)。 進一步地，還包括用于在A/D轉(zhuǎn)換模塊進行A/D轉(zhuǎn)換之前，對來自于位置檢測裝置的電壓信號進行放大的信號放大模塊。
進一步地，所述相對偏移角度e工計算模塊包括第一合成單元和第一角度獲取單
元，所述第一合成單元對位置檢測裝置發(fā)送來的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的多個電壓信號進行處理，得到一基準(zhǔn)信號D ;所述第一角度獲取單元根據(jù)該基準(zhǔn)信號D，在第一標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一
與其相對的角度作為偏移角度^。
進一步地，所述相對偏移角度e工計算模塊還包括用于消除溫度對位置檢測裝置
發(fā)送來的電壓信號的影響的溫度補償單元。 進一步地，所述第一合成單元的輸出還包括信號R，在此基礎(chǔ)上，所述溫度補償單
元包括系數(shù)矯正器和乘法器，所述系數(shù)矯正模塊對所述合成模塊的輸出的信號R和對應(yīng)該
信號的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的信號Ro進行比較得到輸出信號K ;所述乘法器為多個，每一所述乘法
器將從位置檢測裝置發(fā)送來的、經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的一個電壓信號與所述系數(shù)矯正模塊的輸出信號K相乘，將相乘后的結(jié)果輸出給第一合成單元。
此外，所述絕對偏移量e2計算模塊包括第二合成單元和第二角度獲取單元，所述
第二合成單元用于對對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的位置檢測裝置發(fā)送來的第二電壓信號進行合成，
得到一信號E ;所述第二角度獲取單元根據(jù)該信號E在第二標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對
的角度作為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量e 2。 第二合成單元將與第二磁環(huán)對應(yīng)的磁傳感元件的輸出信號的符號位綜合起來得到信號E。
本實用新型提供的位置檢測裝置及其信號處理電路具有以下優(yōu)點 a)通過增加導(dǎo)磁環(huán)，使得導(dǎo)磁環(huán)內(nèi)部磁場分布均勻，泄露小，并且磁感應(yīng)元件感應(yīng)
的信號為積分型，信號噪聲小，所含高次諧波分量成分小，有利于提高原始信號質(zhì)量，提高
信號信噪比。 b)采用導(dǎo)磁環(huán)，并且通過增加倒角來縮小有效面積，有利于提高磁感應(yīng)元件表面感應(yīng)的磁場強度，在一定程度上能減小對永磁體尺寸要求，能減小整個編碼器的機械尺寸。[0036] c)采用此改進型結(jié)構(gòu)，對磁感應(yīng)元件的機械尺寸沒有苛刻要求，可選用型號范圍寬，甚至是不用采用后續(xù)放大電路，有利于減少產(chǎn)品成本，提高性價比。 d)采用此結(jié)構(gòu)形式，磁感應(yīng)元件可直接固定在電路板上，無需轉(zhuǎn)接件，有利于提高產(chǎn)品的可靠性。 e)生產(chǎn)制造工藝簡單，導(dǎo)磁環(huán)可用定子保持架，如一骨架，固定一起形成一個整理，一次成型，信號感應(yīng)器，即磁感應(yīng)元件直接放于狹縫(定位槽)處，能最大保證信號之間 相位差，定子保持架直接固定在電機上，安裝工藝方便，有利于提高生產(chǎn)效率。 f)采用兩具磁鋼環(huán)和導(dǎo)磁環(huán)，增加了檢測精度，使位置檢測裝置的處理精度更高， 并且具有成本低、制造工藝簡單的優(yōu)點。 g)采用本實用新型的磁放置方式，磁感應(yīng)元件輸出的信號幅值大，無需采用模擬 放大電路，磁感應(yīng)元件的輸出信號直接輸入到A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)需要再進行 數(shù)字差分處理，這樣使得整個電路非常簡單，并在很大程度上減少了因為模擬器件導(dǎo)致的 溫度和零點漂移，且磁感應(yīng)元件可直接固定在電路板上，無需轉(zhuǎn)接件，提高了電路的可靠性 和穩(wěn)定性，并且大幅降低了產(chǎn)品的成本。進行數(shù)字差分處理的優(yōu)點是能夠消除由安裝不對 心引起的信號偏差，與模擬差分處理相比，采用數(shù)字信號進行處理，效果更好，不受溫度、零 點漂移等外界因素影響；能擴大信號輸入量的幅值，在效果上相當(dāng)于A/D轉(zhuǎn)換器的精度增 加了一位，能夠提高編碼器測量的精度。
以下結(jié)合附圖和具體的實施例對本實用新型進行詳細(xì)地說明。

碼； 圖13是本實用新型實施例一對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)設(shè)有3個磁感應(yīng)元件時第二磁鋼 環(huán)的充磁順序； 圖14是本實用新型實施例-[0056] 圖15是本實用新型實施例-元件的布置圖1是本實用新型實施例一的位置檢測裝置的立體分解圖 圖2是圖1所示的位置檢效 圖3是圖1所示的位置檢效 圖4是導(dǎo)磁環(huán)的結(jié)構(gòu)圖； 圖5是導(dǎo)磁環(huán)的另一結(jié)構(gòu)圖 圖6是導(dǎo)磁環(huán)的又一結(jié)構(gòu)圖 圖7是導(dǎo)磁環(huán)的另一結(jié)構(gòu)圖 圖8本實用新型所述位置檢測裝置的信號處理方法的流程圖之一； 圖9本實用新型所述位置檢測裝置的信號處理方法的流程圖之二； 圖10本實用新型所述位置檢測裝置的信號處理方法的流程圖之三； 圖11本實用新型所述位置檢測裝置的信號處理方法的流程圖之四； 圖12是本實用新型實施例一對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)設(shè)有3個磁感應(yīng)元件時得到的編
'的第二磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖； 咱勺第一磁鋼環(huán)均勻磁化為6對極時對應(yīng)2個磁感應(yīng) 圖16為本實用新型實施例- 圖17為本實用新型實施例- 圖18為本實用新型實施例: 圖19為本實用新型實施例: 圖20為本實用新型實施例J 圖21為本實用新型實施例J
'的第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖 -的信號處理裝置的電路框圖； .的第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖 .的信號處理裝置的電路框圖； :的第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖 :的信號處理裝置的電路框圖；[0063] 圖22為本實用新型實施例四的第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖； 圖23本實用新型實施例三的信號處理裝置的電路框圖； 圖24為本實用新型的實施例一至實施例四的位置檢測裝置的另一種結(jié)構(gòu)的立體分解圖。
具體實施方式參照附圖，圖1是本實用新型實施例一的位置檢測裝置的立體分解圖。如圖1 圖3所示，該位置檢測裝置包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)201a和第二磁鋼環(huán)201b以及第一導(dǎo)磁環(huán)205a和第二導(dǎo)磁環(huán)205b，第一磁鋼環(huán)201a和第二磁鋼環(huán)20lb分別固定在電機軸200上，其中定子為支架203。 如圖l和圖3所示，第一導(dǎo)磁環(huán)205a和第二導(dǎo)磁環(huán)205b分別由多個同圓心、同半徑的弧段構(gòu)成，相鄰兩個弧段之間留有空隙，對應(yīng)于兩個磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件204分別設(shè)在該空隙內(nèi)。如圖4 圖7所示，兩個導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角，所述倒角為沿軸向251或徑向252或同時沿軸向251、徑向252切削而形成的倒角。 根據(jù)磁密公式3=7可以知道，當(dāng)小 一定時候，可以通過減少S，增加B。 因為永磁體產(chǎn)生的磁通是一定的，在導(dǎo)磁環(huán)中S較大，所以B比較小，因此可以減少因為磁場交變而導(dǎo)致的發(fā)熱。而通過減少導(dǎo)磁環(huán)端部面積能夠增大端部的磁場強度，使得磁感應(yīng)元件的輸出信號增強。這樣的信號拾取結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，拾取的信號噪聲小，生產(chǎn)成本低，可靠性高，而且尺寸小。 對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)201b，以第二磁鋼環(huán)201b的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有n(n=1，2…n)個均勻分布的磁感應(yīng)元件，第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感應(yīng)原件輸出呈格雷碼形式。磁極的極性為格雷碼的首位為"0"對應(yīng)于"N/S"極，首位為"1"對應(yīng)于"S/N"極。 第一磁鋼環(huán)201a均勻的磁化為g(g的取值等于第二磁鋼環(huán)中的磁極總數(shù))對極(N極和S極交替排列)，當(dāng)?shù)诙配摥h(huán)中的磁極總數(shù)為6時，第一磁鋼環(huán)201a的極對數(shù)為6對。以第一磁鋼環(huán)201a的中心為圓心的同一圓周上，設(shè)置有m個磁感應(yīng)元件，如2個，如圖15所示，二個磁感應(yīng)元件之間的夾角為90° /6。第一磁鋼環(huán)均勻地磁化為6對極時磁感應(yīng)元件的布置如圖15所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置。[0072] 定義第一磁鋼環(huán)中相鄰一對"N-S"為一個信號周期，因此，任一"N-S"對應(yīng)的機械角度為36(T /g(g為"N-S"個數(shù))，假定轉(zhuǎn)子在t時刻旋轉(zhuǎn)角度e位于第nth信號周期內(nèi)，則此時刻角位移9可認(rèn)為由兩部分構(gòu)成l.在第nth信號周期內(nèi)的相對偏移量，磁感應(yīng)元件&和H2感應(yīng)第一磁鋼環(huán)的磁場來確定在此"N-S"信號周期內(nèi)的偏移量9工(值大于0小于360° /g) ;2.第nth信號周期首位置的絕對偏移量92，用傳感器!13，114，...4感應(yīng)磁環(huán)2的磁場來確定此時轉(zhuǎn)子究竟是處于哪一個"N-S"來得到e2。 基于該位置檢測裝置及原理的信號處理裝置包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、相對偏移量9工計算模塊、絕對偏移量9 2計算模塊和存儲模塊。其信號處理流程如圖8-11所示，如圖8所示，對位置檢測裝置中第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；由相對偏移量9 i計算模塊對位置檢測裝置發(fā)送來的對應(yīng)于第一磁
鋼環(huán)的第一電壓信號進行角度e i求解，計算對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的信號在所處信號周期內(nèi) 的相對偏移量e i ;由絕對偏移量e 2計算模塊對位置檢測裝置發(fā)送來的對應(yīng)于第二磁鋼環(huán) 的第一電壓信號進行角度e 2求解，來確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏 移量92;通過角度合成及輸出模塊，如加法器用于將上述相對偏移量e^p絕對偏移量e2 相加，合成所述第一電壓信號所代表的在該時刻的旋轉(zhuǎn)角度e 。對于圖9，為在圖8的基礎(chǔ)
上增加的信號放大模塊，具體如放大器，用于在A/D轉(zhuǎn)換模塊進行A/D轉(zhuǎn)換之前，對來自于
位置檢測裝置的電壓信號進行放大。圖io是包括溫度補償?shù)男盘柼幚砹鞒虉D，在進行角度
e i求解之前，還包括溫度補償?shù)倪^程；圖11為基于圖10的溫度補償?shù)木唧w過程，即進行溫 度補償時，要先進行系數(shù)矯正，而后再將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的信號與系數(shù)矯正的輸出通過乘 法器進行相乘的具體方式來進行溫度補償。當(dāng)然，溫度補償?shù)木唧w方式還有很多種，在此就
不一一介紹。
相對偏移量e工計算模塊包括信號合成單元、第一角度獲取單元和溫度補償單元，
信號合成單元對不同位置檢測裝置發(fā)送來的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號進行處理，得到一基 準(zhǔn)信號D ;所述第一角度獲取單元根據(jù)該基準(zhǔn)信號D，在第一標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對 的角度作為偏移角度9 i ;其中，在得到基準(zhǔn)信號D之前，先對輸入給信號合成單元的信號 由溫度補償單元進行溫度補償，再將溫度補償后的信號進行處理得到信號D。這里所述的 處理將在后面詳細(xì)說明。絕對偏移量92計算模塊包括第二合成器和所述第二角度獲取單 元，用于對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的位置檢測裝置發(fā)送來的第二電壓信號進行合成，得到軸轉(zhuǎn)過 的信號周期數(shù)，從而確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量92，具體實現(xiàn) 方式是所述第二合成器對對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的位置檢測裝置發(fā)送來的第二電壓信號進行 合成，得到一信號E ;所述第二角度獲取單元根據(jù)該信號E在第二標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其
相對的角度作為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量e 2。 實施例一 在實施例一中，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)設(shè)有3磁感應(yīng)元件，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有2磁 感應(yīng)元件。 由于第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感應(yīng)原件輸出呈格雷碼形式。磁極的 極性為格雷碼的首位為"0"對應(yīng)于"N/S"極，首位為"1"對應(yīng)于"S/N"極。因此，在本實施 例中，由于n為3時，得到如圖12所示的編碼，得到6個碼，即得到6個極，充磁順序如圖13 所示，磁感應(yīng)元件均布周圍進行讀數(shù)。第二磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系如圖14 所示。 由于第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為6，因此，第一磁鋼環(huán)被均勻的磁化為6對極，其與2 個磁感應(yīng)元件的布置圖及磁序如圖15所示，第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系 如圖16所示. 圖17示出了本實施例中對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有2個磁感應(yīng)元件、第二磁鋼環(huán)設(shè) 有3個磁感應(yīng)元件時信號處理裝置的電路框圖。傳感器lja和1—2a的輸出信號接放大器 2_la、2_2a進行放大，然后接A/D轉(zhuǎn)換器3_la、3_2a，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到輸出信號接乘法器 4_la、5_la，系數(shù)矯正器10_la輸出信號接乘法器4_la、5_la的輸入端，乘法器4_la、5_la 的輸出信號A、 B接第一合成器6_la的輸入端，第一合成器6_la對信號A、 B進行處理，得到信號D、R，根據(jù)信號D從存儲器8_la中存儲的標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的角度作為偏移角度^。其中，第一合成器6ja的輸出信號R輸送給系數(shù)矯正器10Ja，系數(shù)矯正器10_la根據(jù)信號Ra和從存儲器9_la中查表得到信號R。得到信號K，該信號K作為乘法器4_la、5_la的另一輸入端，與從放大器2_la、2_2a輸出的信號Cl、 C2分別相乘得到信號A、B作為第一合成器6_la的輸入。 傳感器l_3a、l_4a、l_na的輸出信號分別接放大器2_3a、2_4a、2_na進行放大，然后接A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過第二合成器7_la進行合成，得到一信號E ;根據(jù)該信號E在存儲器llJa中的第二標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的角度作為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量92， e工和92通過加法器12_1&得到測量的絕對角位移
輸出e 。 其中，第二合成器7_la的功能是，通過對傳感器l_3a、l_4a、l_na的信號進行合成，得到此時刻轉(zhuǎn)子處于哪一個"N-S"信號周期內(nèi)。 第二合成器7_la的處理是當(dāng)數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0位(二進制左起第1位)為符號位，X_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負(fù)，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。也即當(dāng)感應(yīng)的磁場為N時，輸出為X_0 = O，否則為X_0 = 1。[0083] 則E = {C3_0 ;C4_0 ;Cn_0}。 其中，第一合成器6ja對信號的處理是比較兩個信號的數(shù)值的大小，數(shù)值小的用于輸出的信號D，信號D的結(jié)構(gòu)為{第一個信號的符合位，第二個信號的符合位，較小數(shù)值的信號的數(shù)值位K具體如下 這里約定(后文各合成器均使用該約定)，當(dāng)數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第O
位(二進制左起第1位)為符號位，X_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負(fù)，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。
X_D表示數(shù)據(jù)X的數(shù)值位(數(shù)據(jù)的絕對值)，即去除符號位剩下的數(shù)據(jù)位。 如果A—D〉二B—D D = {A_0 ;B_0 ;B_D} R= + & ; 否則 D = {A_0 ;B_0 ;A_D} R= # + ; 信號K 一般是通過將信號R。和R進行除法運算得到。[0093] 實施例二 與實施例一不同的，在本實施例中，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)置有4個磁感應(yīng)元件，四個磁感應(yīng)元件204之間的夾角為90° /6，第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖18所示。 圖19示出了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有4個磁感應(yīng)元件時信號處理裝置的電路框圖。傳感器l_lb和l_2b的輸出信號接放大電路2_lb進行差動放大，傳感器l_3b和l_4b的輸出信號接放大電路2_2b進行差動放大，然后接A/D轉(zhuǎn)換器3_lb 、 3_2b ，后續(xù)處理類似于設(shè)有2個磁感應(yīng)元件時的情況。 其中，第二合成器7_lb的功能是，通過對傳感器l_5b、l_6b、l_nb的信號進行合成，得到此時刻轉(zhuǎn)子處于哪一個"N-S"信號周期內(nèi)。[0097] 基于本實施例的位置檢測裝置的信號處理方法與實施例一的方法相同。[0098] 實施例三 本實施例與實施例一和二不同的是對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)置有3個磁感應(yīng)元件，三個磁感應(yīng)元件204之間的夾角為120° /6，如圖20所示。 圖21示出了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有3個磁感應(yīng)元件時信號處理裝置的電路框圖。處理過程與前兩個實施例基本相同，不同的是，由于第一合成器7jc的輸入信號為3個，因此，信號D、 R的處理與前兩個實施例略有不同。在本實施例中，第一合成器7_lc對信號的處理原則是先判斷三個信號的符合位，并比較符合位相同的信號的數(shù)值的大小，數(shù)值小的用于輸出的信號D，信號D的結(jié)構(gòu)為{第一個信號的符合位，第二個信號的符合位，第三個信
號的符合位，較小數(shù)值的信號的數(shù)值位K以本實施例為例[0101] 約定 當(dāng)數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0位(二進制左起第1位)為符號位，XJ)=1表示數(shù)據(jù)X為負(fù)，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。X_D表示數(shù)據(jù)X的數(shù)值位(數(shù)據(jù)的絕對值)，即去除符號位剩下數(shù)據(jù)位[0104]如果{A_0 ;B_0;C——0} =010并且A——D>=C_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;C_D}如果{A_0 ;B_0;C——0} =010并且A——D< C_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;A_D};如果{A_0 ;B_0;C——0} = 101并且A——D>=C_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;C_D};如果{A_0 ;B_0;C——0} = 101并且A——D< C_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;A_D};如果{A_0 ;B_0;C——0} = Oil并且B——D>=C_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;C_D};如果{A_0 ;B_0;C——0} = Oil并且B——D< C_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;B_D};如果{A_0 ;B_0;C——0} = 100并且B——D>=C_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;C_D};如果{A_0 ;B_0;C——0} = 100并且B——D< C_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;B_D};如果{A_0 ;B_0;C——0} = 001并且B——D>=A_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;A_D};如果{A_0 ;B_0;C——0} = 001并且B——D< A_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;B_D};如果{A_0 ;B_0;C——0} = 110并且B——D>=A_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;A_D};如果{A_0 ;B_0;C——0} = 110并且B——D< A_DD = {A——0;B_0 ;C_0 ;B_D};[0128] a = 4 - _8 x cos(y) - C x cos(y) P - 5 x sin(胥)- C x sin(胥) i = A/a2+, 《=^
及 基于本實施例的位置檢測裝置的信號處理方法與實施例一的方法相同。[0133] 實施例四 本實施例與實施例三不同的，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)置有6個磁感應(yīng)元件，六個磁感應(yīng)元件之間的夾角為60。 /6，第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖22所示。 圖23示出了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有6個磁感應(yīng)元件時信號處理裝置的電路框圖。其具體過程在前三個實施例已說明，在此不同重復(fù)說明。 基于本實施例的位置檢測裝置的信號處理方法與實施一的方法相同。[0137] 圖24是本實用新型的實施例一至實施例四的位置檢測裝置的另一種結(jié)構(gòu)的立體分解圖。該位置檢測裝置包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)201a和第二磁鋼環(huán)201b，第一磁鋼環(huán)201a和第二磁鋼環(huán)20lb分別固定在電機軸200上，其中定子為支架203。磁感應(yīng)元件204直接表貼在支架203的內(nèi)表面。 與實施例一至四類似，圖22中的位置檢測裝置中的第一磁鋼環(huán)可以設(shè)置有2、4、3、6個磁感應(yīng)元件?；诓煌瑪?shù)目的磁感應(yīng)元件的位置檢測裝置的信號處理裝置和信號處理方法分別與實施例一至四的方法相同。 最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制。盡管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依然可以對本實用新型的技術(shù)方案進行修改和等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求一種位置檢測裝置，其特征在于，包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，所述轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)；其中，所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)可以分別固定在同一轉(zhuǎn)動軸上；在定子上，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有n個均勻分布的磁感應(yīng)元件，其中，n＝1，2…n，所述第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感應(yīng)元件輸出呈格雷碼格式，相鄰兩個輸出只有一位變化；在定子上，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有m個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件，其中，m為2或3的整數(shù)倍，所述第一磁鋼環(huán)的磁極總對數(shù)與第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)相等，并且相鄰兩極的極性相反；當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給信號處理裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的位置檢測裝置，其特征在于，在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的相 鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2或4時，該夾角為90° /g ;當(dāng)m為3時，該夾角為 120° /g;當(dāng)m為6時，該夾角為60。 /g，其中，g為第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的位置檢測裝置，其特征在于，所述磁感應(yīng)元件直接表貼在定子 的內(nèi)表面。
4. 如權(quán)利要求1所述的位置檢測裝置，其特征在于，還包括兩個內(nèi)置于定子內(nèi)表面、分 別與第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)對應(yīng)的導(dǎo)磁環(huán)，每一所述導(dǎo)磁環(huán)是由多個同圓心、同半徑的弧 段構(gòu)成，相鄰兩弧段留有空隙，對應(yīng)于兩個磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件分別設(shè)在該空隙內(nèi)。
5. 如權(quán)利要求4所述的位置檢測裝置，其特征在于，所述的導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角。
6. 如權(quán)利要求5所述的位置檢測裝置，其特征在于，所述倒角為沿軸向或徑向或同時 沿軸向、徑向切削而形成的倒角。
7. 如權(quán)利要求1所述的位置檢測裝置，其特征在于，所述的磁感應(yīng)元件為霍爾感應(yīng)元件。
8. —種基于上述權(quán)利要求l-7任一所述位置檢測裝置的信號處理裝置，其特征在于， 包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，對位置檢測裝置發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號；相對偏移角度9 i計算模塊，用于計算位置檢測裝置中對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元 件發(fā)送來的第一電壓信號在所處信號周期內(nèi)的相對偏移量9 i ;絕對偏移量e 2計算模塊，根據(jù)位置檢測裝置中對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件發(fā)送來的第二電壓信號，通過計算來確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量9 2 ;角度合成及輸出模塊，用于將上述相對偏移量e工和絕對偏移量02相加，合成所述第 一電壓信號所代表的在該時刻的旋轉(zhuǎn)角度e ;存儲模塊，用于存儲數(shù)據(jù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的位置檢測裝置的信號處理裝置，其特征在于，還包括用于在A/D轉(zhuǎn)換模塊進行A/D轉(zhuǎn)換之前，對來自于位置檢測裝置的電壓信號進行放大的信號放大模塊。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的位置檢測裝置的信號處理裝置，其特征在于，所述相對偏移角度e i計算模塊包括第一合成單元和第一角度獲取單元，所述第一合成單元對位置檢測裝置發(fā)送來的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的多個電壓信號進行處理，得到基準(zhǔn)信號D;所述第一角度獲取單元根據(jù)該基準(zhǔn)信號D，在第一標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇與其相對的角度作為偏移角度^。
11. 如權(quán)利要求io所述的位置檢測裝置的信號處理裝置，其特征在于，所述相對偏移角度e i計算模塊還包括用于消除溫度對位置檢測裝置發(fā)送來的電壓信號的影響的溫度補償單元。
12. 如權(quán)利要求11所述的位置檢測裝置的信號處理裝置，其特征在于，所述第一合成單元的輸出還包括信號R。
13. 如權(quán)利要求12所述的位置檢測裝置的信號處理裝置，其特征在于，所述溫度補償單元包括系數(shù)矯正器和乘法器，所述系數(shù)矯正模塊對所述合成模塊的輸出的信號R和對應(yīng)該信號的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的信號R。進行比較得到輸出信號K ;所述乘法器為多個，每一所述乘法器將從位置檢測裝置發(fā)送來的、經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的一個電壓信號與所述系數(shù)矯正模塊的輸出信號K相乘，將相乘后的結(jié)果輸出給第一合成單元。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的位置檢測裝置的信號處理裝置，其特征在于，所述絕對偏移量9 2計算模塊包括第二合成單元和第二角度獲取單元，所述第二合成單元用于對對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的位置檢測裝置發(fā)送來的第二電壓信號進行合成，得到信號E ;所述第二角度獲取單元根據(jù)該信號E在第二標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇與其相對的角度作為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量e2。
專利摘要本實用新型公開了一種位置檢測裝置及其信號處理裝置，該位置檢測裝置包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，所述轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)；分別固定在一轉(zhuǎn)動軸上；在定子上，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)設(shè)有n個均勻分布的磁感應(yīng)元件，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有m個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件；當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置，本實用新型利用固定在定子圓周上的磁感應(yīng)元件感應(yīng)固定在軸上磁鋼轉(zhuǎn)動引起的磁場強度變化來輸出電壓信號，用電壓值來判斷軸轉(zhuǎn)動角度，從而實現(xiàn)位置的檢測，具有響應(yīng)快、處理精度高，并且成本低、制造工藝簡單等優(yōu)點。
文檔編號G01D5/249GK201503275SQ20092015003
公開日2010年6月9日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者郝雙暉, 郝明暉 申請人:浙江關(guān)西電機有限公司