CN118157402B - 一种磁性编码器控制直线电机位置的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性编码器控制直线电机位置的结构，所述传感器组合位于直线电机的相邻位置，所述直线电机包括运行轨道和动子，所述动子活动设置在运行轨道上，沿所述运行轨道的延伸方向水平移动，所述动子上设置有若干数量的磁性件，所述直线电机与所述传感器组合对应同一个运行轨道,本发明提出的一种磁性编码器控制直线电机位置的结构,通过使用磁性编码器进行位置检测，以磁性编码器具备极其精确的角度分辨率(15bit)以及快速的信号处理能力和较短的延时/更新率的特点，保证控制系统能够精确测定高动态应用中的动子的位置。

Description

一种磁性编码器控制直线电机位置的结构

技术领域

本发明属于物流分拣技术领域，尤其涉及一种磁性编码器控制直线电机位置的结构。

背景技术

直线电机控制系统研究中的关键环节之一，即为位置检测环节,能直接影响到直线电机的控制成本和性能,其中位置检测精度对电机的控制精度至关重要；直线电机磁极位置检测方法主要分为有位置传感器检测法和无位置传感器检测法两大类；目前应用较多的位置传感器有磁栅、光栅、拉杆位移传感器和霍尔传感器等。

其中，磁栅和光栅虽然检测精度较高,但其造价高、体积较大、对工作环境要求较高，严重限制了电机的使用范围；而低分辨率的开关型和锁定型霍尔传感器尽管造价较低,但位置检测精度有限,多用于对位置检测精度要求不高的方波控制下的永磁无刷电机中，且当出现磁铁缺失时无法正常控制，影响对直线电机控制的质量；

再有，无位置传感器检测技术种类虽然繁多,但大多对电机参数依赖性大、控制鲁棒性差的问题，因此需要一种方案来解决上述问题。

需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于磁性编码器来利用霍尔传感器实时检测磁铁是否缺失，并选择合适位置的磁性编码器进行输出,提高控制精度的直线电机控制方法。

为实现上述目的，本发明提出了一种传感器组合，包括一控制器和两位置检测单元，两所述位置检测单元并排排列在所述控制器上，所述位置检测单元包括霍尔传感器和磁性编码器，霍尔传感器和磁性编码器均固定安装在所述控制器上，所述磁性编码器分布在所述霍尔传感器的侧面。

在一个示例中，两所述磁性编码器间的间距与两所述霍尔传感器间的间距相同。

一种磁性编码器控制直线电机位置的结构，所述传感器组合位于直线电机的相邻位置，所述直线电机包括运行轨道和动子，所述动子活动设置在运行轨道上，沿所述运行轨道的延伸方向水平移动，所述动子上设置有若干数量的磁性件，所述直线电机与所述传感器组合对应同一个运行轨道。

在一个示例中，相邻的所述磁性件的极性为极性相反的磁极，且该两个所述磁性件的总长度与所述直线电机的极距长度相同。

在一个示例中，所述霍尔传感器位于所述直线电机的动子侧,沿NS方向间隔2/3极距均匀分布。

在一个示例中，由一所述霍尔传感器和一所述磁性编码器组合成的位置检测单元对应一种极性的所述磁性件。

在一个示例中，所述磁性编码器内设置有巨磁电阻。

在一个示例中，所述直线电机通讯连接电机驱动器。

通过本发明提出的一种磁性编码器控制直线电机位置的结构能够带来如下有益效果：

1.霍尔传感器通过检测磁性件的磁场信号以输出对应的霍尔信号，进而得到磁性件的排布情况，根据磁性件的排布情况选择合适的磁性编码器进行输出；实时检测磁铁是否缺失，选择合适位置的磁性编码器进行输出,提高准确性；

2.通过巨磁电阻可根据磁场的方向改变自身电阻值的特点，由四个单独的巨磁电阻（GMR）元件连接到一个惠斯通传感器电桥，从而实现测量正弦和余弦角分量；

3.通过使用磁性编码器进行位置检测，以磁性编码器具备极其精确的角度分辨率(15bit)以及快速的信号处理能力和较短的延时/更新率的特点，保证控制系统能够精确测定高动态应用中的动子的位置。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种磁性编码器控制直线电机位置的结构的安装示意图。

图2为本发明的直线电机的侧视剖视图。

图3为本发明的传感器组合的侧视剖视图。

图4为本发明的磁性编码器应用的结构框图。

图5为本发明的编码器的硬件设计图。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个方案”、“一些方案”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该方案或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个方案或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的方案或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个方案或示例中以合适的方式结合。

如图1～图5所示，本发明的实施例提出了一种传感器组合，传感器组合1由一控制器11和两位置检测单元12，两位置检测单元12并排排列在控制器11上，位置检测单元12包括霍尔传感器121和磁性编码器122，霍尔传感器121和磁性编码器122均固定安装在控制器11上，磁性编码器122分布在霍尔传感器121的侧面，以磁性编码器122作为直线电机2控制系统的位置传感器,随着电机位置的运动,霍尔传感器121判断磁铁的分布是否正常，避免磁铁分布有问题的时候采集到的位置信息出错，磁性编码器122内部集成角度计算模块，可以将原始值进行数字处理后输出绝对角度，可以直接用于电流环的坐标变换中而不需要进行位置的解算和正余弦运算,减小电流环的计算负担并提高电流环动态性能；

霍尔传感器121之间的的间距与极距之间的关系式如下：

L＝2t/3；

其中，L代表霍尔传感器121之间的间距；

t代表极距长度；

作为优选的方案，磁性编码器122之间的的间距与霍尔传感器121之间的间距关系式如下：

D＝L；

其中，D代表磁性编码器122之间的间距；

L代表霍尔传感器121之间的间距；

传感器组合也可以由控制器和磁性编码器组合而成，通过磁性编码器单独对磁铁位置进行检测，并将数据处理后输出绝对角度传递给电机驱动器，实现对动子的位置控制；

具体地，两磁性编码器122间的间距与两霍尔传感器121间的间距相同。

基于上述传感器组合，下面介绍一种磁性编码器控制直线电机位置的结构，包含该传感器组合1，传感器组合1位于直线电机2的相邻位置，直线电机2包括运行轨道21和动子22，动子22活动设置在运行轨道21上，沿运行轨道21的延伸方向水平移动，动子22上设置有若干数量的磁性件23，直线电机2与传感器组合1对应同一个运行轨道21。

具体地，相邻的磁性件23的极性为极性相反的磁极，且该两个磁性件23的总长度与直线电机2的极距长度相同。

霍尔传感器121在磁性件23的磁场为N时输出高电平信号，霍尔传感器121在磁性件23的磁场为S时输出低电平信号。

具体地，霍尔传感器121位于直线电机2的动子22侧,沿NS方向间隔2/3极距均匀分布。

具体地，由一霍尔传感器121和一磁性编码器122组合成的位置检测单元12对应一种极性的磁性件23，霍尔传感器121通过检测磁性件23的磁场信号以输出对应的霍尔信号，进而得到磁性件23的排布情况，根据磁性件23的排布情况选择合适的磁性编码器122进行输出，霍尔传感器121排布在直线电机2的极距范围内；

具体地，磁性编码器122内设置有巨磁电阻111。巨磁电阻111（GMR）采用垂直集成技术实现，其敏感区域集成在磁性编码器122的逻辑部分之上，可根据磁场的方向改变自身电阻值；

将四个单独的巨磁电阻111（GMR）元件连接到一个惠斯通传感器电桥；这些巨磁电阻111（GMR）元件感测所施加磁场的两个分量之一：X分量，Vx（余弦）或Y分量，Vy（正弦)，从而实现测量正弦和余弦角分量，但是在并不计算实际位置和位置的正弦余值，而是直接将磁性编码器122输出的信号经过处理生成变换矩阵传递给电机驱动器。

具体地，直线电机2通讯连接电机驱动器24，电机驱动器24设置在外部的变频器上；

通过传感器组合获得的直线电机上的磁性件位置，控制器根据实际需求，将控制命令传递给变频器中的电机驱动器，从而实现对直线电机的运行进行实时调整。

作为优选的方案，磁性编码器可选用TLE5012BE1000，TLE5012BE1000在整个使用寿命和温度范围内，启用自动校准，最大角度误差为1.0°，具备极其精确的角度分辨率(15bit)以及快速的信号处理能力和较短的延时/更新率，极其适合精确测定高动态应用中的转子位置，同时TLE5012B E1000具有先进的诊断功能及安全特性,确保了产品高可靠性；

同时磁性编码器TLE5012BE1000通信协议选择HSM模式，HSM模式可模拟三个霍尔开关，用于电机块换向。HSM包含三个单向通讯接口，默认极对数为5，可通过SSC接口配置极对数等参数。

作为优选的方案，控制器可选用STM32G030系列控制器对霍尔传感器输出信号进行采集和处理,选择后续磁性编码器输出，STM32G0仅需一组电源引脚，不仅降低了BOM成本还可以减少PCB面积，内部提供精度为1%的高速时钟HSI可以满足绝大数的应用，进一步节省成本减少因为不同的架构及不同开发工具而带来的成本开销和精力投入，且提供多种低功耗模式，以节省电能，延长电池续航时间。

作为优选的方案， 电机驱动可选用ST26C31B驱动器。ST26C31B是一款四差分线路驱动器，设计用于平衡线路上的数字数据传输，满足EIA标准RS-422的所有要求，同时保持CMOS的低功耗特性，接受TTL或CMOS输入电平，并将其转换为RS-422输出电平。此部分使用所有四个驱动器通用的特殊输出电路。通过二极管对VCC和接地进行静电放电，保护所有输出免受损坏。

工作原理：在动子沿运动轨道水平位移的过程中，与动子固定连接的磁性件一同水平位移，在位移过程中，磁性件会经过与直线电机相邻设置的传感器组合，其中的霍尔传感器通过检测经过的磁性件的磁场信号以输出对应的霍尔信号，进而使控制器得到磁性件的排布情况，而巨磁电阻可根据磁场的方向改变自身电阻值，从而实现测量正弦和余弦角分量，随着磁性件位置的运动磁性编码器内部集成角度计算模块，可以将原始值进行数字处理后输出绝对角度传递给电机驱动器，从而实现即使在直线电机缺失磁铁的情况下，以及可以实现对动子的位置控制。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种磁性编码器控制直线电机位置的结构，其特征在于，包括一控制器和两位置检测单元，两所述位置检测单元并排排列在所述控制器上，所述位置检测单元包括霍尔传感器和磁性编码器，霍尔传感器通过检测磁性件的磁场信号以输出对应的霍尔信号，进而得到磁性件的排布情况，根据磁性件的排布情况选择合适的磁性编码器进行输出；实时检测磁铁是否缺失，选择合适位置的磁性编码器进行输出,提高准确性；霍尔传感器和磁性编码器均固定安装在所述控制器上，所述磁性编码器分布在所述霍尔传感器的侧面，传感器组合位于直线电机的相邻位置，所述直线电机包括运行轨道和动子，所述动子活动设置在运行轨道上，沿所述运行轨道的延伸方向水平移动，所述动子上设置有若干数量的磁性件，所述直线电机与所述传感器组合对应同一个运行轨道，所述磁性编码器内设置有巨磁电阻。

2.根据权利要求1所述的一种磁性编码器控制直线电机位置的结构，其特征在于，两所述磁性编码器间的间距与两所述霍尔传感器间的间距相同。

3.根据权利要求1所述的一种磁性编码器控制直线电机位置的结构，其特征在于，相邻的所述磁性件的极性为极性相反的磁极，且该两个所述磁性件的总长度与所述直线电机的极距长度相同。

4.根据权利要求1所述的一种磁性编码器控制直线电机位置的结构，其特征在于，所述霍尔传感器位于所述直线电机的动子侧,沿NS方向间隔2/3极距均匀分布。

5.根据权利要求1所述的一种磁性编码器控制直线电机位置的结构，其特征在于，由一所述霍尔传感器和一所述磁性编码器组合成的位置检测单元对应一种极性的所述磁性件。

6.根据权利要求1所述的一种磁性编码器控制直线电机位置的结构，其特征在于，所述直线电机通讯连接电机驱动器。