CN105490596B - 一种永磁交流伺服电机的嵌入式位置检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种永磁交流伺服电机的嵌入式位置检测系统，包括一组正、余弦激励信号加载模块、至少一对隧穿磁阻TMR芯片、时栅信号处理系统。在不破坏电机结构的基础上，将TMR芯片嵌入电机内部，在每对TMR芯片上分别加载正、余弦激励，并将TMR芯片两两放在空间正交的位置上，在电机转动时，会在每块TMR芯片上得到一路反映电机转动位置的信号，将信号输入时栅信号处理系统，经过处理后可以得到电机的转动位置。本发明将时栅位置测量原理、TMR芯片和等分的永磁体转子相结合，实现永磁交流伺服电机转动位置的嵌入式检测，具有大幅提升电机的运行性能、紧缩电机结构尺寸、降低成本、增强抗干扰性能和适应恶劣工作环境的能力等优势。

Description

一种永磁交流伺服电机的嵌入式位置检测系统

技术领域

本发明属于伺服电机控制技术领域，具体涉及电机转动位置检测技术。

背景技术

永磁交流伺服电机是伺服控制系统中的关键组成元件，其转动位置的精确检测与精准控制是实现真正伺服控制的重要基础。

目前应用最广泛的永磁交流伺服电机的转动位置检测方法是利用外置位置传感器，如光电编码器、磁电编码器、旋转变压器、感应同步器等实现检测。虽然测量精度高，但一方面其破坏了电机原有的紧凑型结构，使电机的运行性能受到位置传感器安装效果的影响；另一方面上述几种方法都依赖空间的精密等分刻线，测量精度要受机械加工精度的影响。因此，“无传感器检测技术”成为近些年研究的热点，目前主要有如下几种实现方法：一种是利用控制理论的相关技术，构建理想的电机数学模型，实现对电机转速的估测。如专利文献CN103560725A公开了一种无刷直流电机无位置传感器控制位置检测方法，利用电机控制理论的知识构建了电机的理想磁链函数模型并利用其来进行转子位置的估测。这种方法需要构建复杂的数学模型，并且只有在充分观察的基础上才能进行建模、估测，测量结果易受到干扰，精度难以保证，且将电机的部分参数理想化，只能用于估测而无法真正实现精确、实际的测量。另一种是注入高频激励信号，通过检测电机中对应的电压(电流)信号来实现对电机位置的检测，这种方法要求电机转子结构具有凸极性，应用范围窄，实现困难。

针对上述“无传感器检测技术”存在的难以用于实际工作环境实现电机转子位置准确测量的问题，“嵌入传感器检测技术”成为检测电机角位移的新思路，专利文献CN103490682A公开了一种交流伺服电机转子位置检测系统，利用电机的工作原理与场式时栅位移传感器的测量原理的相似性，将电机的定子绕组作为时栅定测头，将电机转子已有的绕组或重新绕线的方式构成时栅动测头，并利用定转子之间的旋转磁场来实现电机转子位置的测量。但对于转子无绕线时，需要破坏电机结构重新绕线，此外还需要环形变压器等将感应信号输出，该系统仍然存在一定的缺陷。

因此，如何在不破坏永磁交流伺服电机的紧凑型结构的前提下，实现其位移的精确检测与控制是急需解决的问题。

发明内容

本发明基于时栅位置测量原理和TMR芯片功能，并结合永磁体转子结构，在不破坏电机原有结构的基础上，提出一种永磁交流伺服电机的转动位置嵌入式位置检测系统，该系统可以使永磁交流伺服电机在彻底去掉外置位置传感器的同时，不仅可以适应恶劣的工作坏境，并能在较宽的速度范围内实现较准确的测量，具有较高的测量精度和较低的检测成本。

本发明的具体技术方案如下：

一种永磁交流伺服电机的嵌入式位置检测系统，其包括一组正、余弦激励信号加载模块、至少一对空间正交的TMR芯片、时栅信号处理系统。

所述嵌入式位置检测装置是直接利用电机内部永磁体转子结构所具有的机械等分性，在电机内部嵌入TMR芯片作为敏感单元，每对TMR芯片沿电机轴的周向空间正交固定布置，并处于同一径向平面内；若设电机的单极永磁体所对应的圆周角为θ，那么每对TMR芯片中心位置之间所对应的圆周角为所述TMR芯片感应永磁体随着电机轴转动产生的交变磁场，输出与其同频变化的电压信号，所述电压信号即为反映电机转角的信号；

所述正、余弦激励信号加载模块与TMR芯片连接，在每对TMR芯片上分别加载正、余弦激励；

所述时栅信号处理系统连接TMR芯片，获取TMR芯片上输出的电机转角信号，经处理后得到电机的角位移，即转动位置。

本发明是基于时栅位置测量原理和TMR芯片功能，并结合永磁体转子结构，实现永磁交流伺服电机转动位置的嵌入式检测。永磁体随着电机轴转动的同时会产生交变磁场，嵌入电机内部的TMR芯片利用隧穿磁阻效应，能灵敏的感应磁场的变化，其感应此交变磁场并输出与其同频变化的电压信号。若在每对TMR芯片上分别加载正、余弦激励，即时间正交的激励信号，并将TMR芯片两两放在空间正交的位置上，就会在每块TMR芯片上得到一路反映电机转角的信号，将信号输入时栅信号处理系统，经过处理后就可以得到电机的角位移，即转动位置。

本发明适用于现有的各种具有机械等分性的永磁体转子结构，其突破了以往在电机后端外加独立位置传感器的技术局限，在不用破坏永磁交流伺服电机的紧凑型结构的前提下，实现永磁交流伺服电机转动位置的嵌入式测量，具有大幅提升电机的运行性能、紧缩电机结构尺寸、降低成本、增强抗干扰性能和适应恶劣工作环境的能力等优势。

附图说明

图1是永磁交流伺服电机结构框图；

图2是永磁交流伺服电机转动位置嵌入式测量系统的原理框图；

图3a是TMR芯片空间正交放置示意图；

图3b是TMR芯片安装示意图；

图4是时栅信号处理系统框图。

具体实施方式

下面结合附图以设置一对TMR芯片为对本发明进行详细说明。

本发明所述的基于时栅位置测量原理和TMR芯片实现永磁交流伺服电机角位移测量的原理如图2所示。

参照图1，本发明中的永磁交流伺服电机的具体结构包括常规永磁交流伺服电机所有部件，如电机后端盖1、后端盖轴承2、电机外壳3、电机定子4、永磁体5(电机转子)、电机前端盖7、前端盖轴承8、电机轴9等。在此基础上，增加了嵌入式位置检测系统，系统以电机本身具有的永磁体5为基础，增加TMR芯片a6a、TMR芯片b6b、正余弦激励10a-b和时柵信号处理系统11，利用TMR芯片对磁场变化非常灵敏的特性，直接将TMR芯片a6a和TMR芯片b6b嵌入电机内部感应永磁体附近随着电机轴转动时的交变磁场，并结合时柵位移传感器的思想原理，在不破坏电机原有紧凑结构的基础上实现永磁交流伺服电机角位移的测量。

参照图2，检测系统的正余弦激励信号加载模块与TMR芯片连接，在TMR芯片a6a和TMR芯片b6b上分别加载正、余弦激励10a-b，并将其放在空间正交的位置，当永磁体随着电机轴转动时会产生交变的磁场，TMR芯片感应永磁体中产生的交变磁场，并在每块TMR芯片上得到一路反映电机转角的信号，TMR芯片与时栅信号处理系统连接，将两路信号输入时栅信号处理系统，经一系列处理后就可以得到永磁交流电机的角位移即转动位置，

如图3a所示，9代表电机轴、3代表电机外壳、4代表定子、6a和6b分别代表TMR芯片a和TMR芯片b、5代表永磁体，即需要将芯片a的中心位置正对永磁体的中心位置，则芯片b的中心位置正对相邻永磁体间的缝隙两块TMR芯片在芯片输出特性曲线的线性区域内，输出信号与磁场的变化呈线性关系。

由于本发明旨在不破坏电机原有结构的基础上实现位移的测量，因此在安装TMR芯片a6a和TMR芯片b6b时考虑将其安装于电机前端盖7上，如图3b所示，一块正对永磁体中心，另一块正对相邻永磁体间的缝隙。

参照图4，将两块TMR芯片输出的反映电机角位移变化的信号送入时栅信号处理系统22进行处理，时栅信号处理系统22进行信号处理时具体包括：放大、滤波及整形、信号解调、角位移计算等过程，最后得到所需的电机转动位置信息，达到和电机外置角度编码器同样的检测效果。

Claims (3)

1.一种永磁交流伺服电机的嵌入式位置检测系统，其特征在于：包括一组正、余弦激励信号加载模块、至少一对空间正交的 TMR 芯片、时栅信号处理系统，嵌入式位置检测装置是直接利用电机内部永磁体转子结构所具有的机械等分性，在电机内部嵌入 TMR 芯片作为敏感单元，每对 TMR 芯片包含两片TMR 芯片，它们沿电机轴的周向空间正交固定布置，并处于同一径向平面内；所述 TMR 芯片感应永磁体随着电机轴转动产生的交变磁场，输出与其同频变化的电压信号，所述电压信号即为反映电机转角的信号；所述正、余弦激励信号加载模块与 TMR 芯片连接，在每对 TMR 芯片上分别加载正、余弦激励；所述时栅信号处理系统连接TMR芯片，获取TMR芯片上输出的电机转角信号，经处理后得到电机的角位移，即转动位置。

2.根据权利要求 1 所述的永磁交流伺服电机的嵌入式位置检测系统，其特征在于：若设电机的单极永磁体所对应的圆周角为，那么每对 TMR 芯片中心位置之间所对应的圆周角为，n为0,1,2,3……。

3.根据权利要求 1 所述的永磁交流伺服电机的嵌入式位置检测系统，其特征在于：所述 TMR 芯片沿电机轴的轴向嵌于电机的前端盖内侧。