CN217604900U - 一种电感式线性编码器及具有其的直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电感式线性编码器及具有其的直线电机，应用于直线电机，包括传感器单元和与所述传感器单元信号连接的解码器单元；所述传感器单元包括至少两对具有相位差的感应模块，所述感应模块包括磁芯、设于所述磁芯上的激励线圈和响应线圈，所述磁芯随所述直线电机的动子移动，产生正弦变化的磁密，并驱使所述响应线圈产生与磁密变化相匹配的正弦响应信号；多个所述感应模块中的响应线圈可经电性连接重构出具有相位差的两路正余弦输出信号，所述解码器单元接收两路所述输出信号并解算出所述动子的实时位移信号。本实用新型无需额外的光栅尺或磁栅即可实现电机位置检测，具有体积小、结构可靠、精度高、安装方便、成本低廉的优点。

Description

一种电感式线性编码器及具有其的直线电机

技术领域

本实用新型涉及永磁同步直线伺服系统领域，特别涉及一种电感式线性编码器及具有其的直线电机。

背景技术

永磁同步直线电机伺服系统中，电机动子的位置检测为至关重要的一环，其所应用的位置检测技术直接影响着电机的控制性能。现有技术中，通常采用光栅尺、磁栅尺等直线位移传感器以应用于永磁同步直线电机伺服系统，其具有精度高的优点，但由于此类传感器造价高、体积大且对电机运行性能有影响，在工程应用中受到了一定程度的限制。

因此，有必要对现有技术予以改良以克服现有技术中的所述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电感式线性编码器及具有其的直线电机，解决上述问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现：一种电感式线性编码器，应用于直线电机，包括传感器单元和与所述传感器单元信号连接的解码器单元；所述传感器单元包括至少两对具有相位差的感应模块，所述感应模块包括磁芯、设于所述磁芯上的激励线圈和响应线圈，所述磁芯随所述直线电机的动子移动，产生正弦变化的磁密，并驱使所述响应线圈产生与磁密变化相匹配的正弦响应信号；其中，多个所述感应模块中的响应线圈可经电性连接重构出具有相位差的两路正余弦输出信号，所述解码器单元接收两路所述输出信号并解算出所述动子的实时位移信号。

进一步地，所述传感器单元设置在所述动子上，并与所述直线电机的定子相对设置，所述激励线圈通入激励信号后，所述磁芯与所述定子所构成的磁路中产生所述磁密。

进一步地，所述传感器单元包括安装所述磁芯的安装支架，所述磁芯包括供所述激励线圈和所述响应线圈绕设的齿部。

进一步地，每个所述磁芯沿所述定子的长度方向间隔设有至少两个所述齿部，所述激励线圈和所述响应线圈均绕设于同一所述齿部上，或者所述激励线圈和所述响应线圈同时绕设于多个所述齿部上。

进一步地，所述激励线圈和所述响应线圈重合绕制或不重合绕制。

进一步地，每个所述磁芯沿所述定子的长度方向间隔有至少两个所述齿部，所述激励线圈绕设于其中一个所述齿部上，所述响应线圈绕设于其中另一个所述齿部上。

进一步地，多个所述感应模块沿所述定子的宽度方向分设成第一排组和第二排组，所述第一排组和/或所述第二排组中相邻两所述感应模块在所述定子的长度方向上的差距为A，A＞0°电角度，所述第一排组和所述第二排组在所述定子的长度方向上的差距为B，B＞0°电角度，所述第一排组和所述第二排组在所述定子的宽度方向上的差距为C，C＞0°电角度。

进一步地，所述解码器单元包括：信号处理模块，接收所述感应模块的输出信号，并进行信号处理；信号校正模块，与所述信号处理模块信号连接，并对处理后的所述输出信号进行校正；以及位移信号解算模块，对校正后的所述输出信号进行解算，并推导出所述动子的实时位移。

进一步地，所述信号处理模块包括信号滤波电路和采样保持电路。

此外，本实用新型还提供一种直线电机，包括：前述所述的电感式线性编码器；以及驱动器，与所述直线电机的动子电性连接；其中，所述驱动器与所述编码器的解码器单元信号连接，并根据所述解码器单元反馈的实时位移信号驱动所述动子运行。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型通过设置具有相位差的多个感应模块，感应模块包括磁芯和设于磁芯上的激励线圈和响应线圈，以在直线电机的动子移动时产生响应信号，并通过重构多个响应信号来输出两路输出信号至解码器单元，解码器单元能够解算出电机的实时位移信号，无需额外的光栅尺或磁栅即可实现电机位置检测，具有体积小、结构可靠、精度高、安装方便、成本低廉的优点，且非接触式检测结构无摩擦、抗污染等级高。

附图说明

图1是本实用新型直线电机的结构示意图。

图2是本实用新型中传感器单元的结构示意图。

图3是本实用新型中激励线圈和响应线圈的安装示意图。

图4是本实用新型中感应模块的排布示意图。

图5是本实用新型中解码器单元的连接框图。

图6是本实用新型中信号滤波电路的结构示意图。

图7是本实用新型中激励线圈信号示意图。

图8是本实用新型中响应线圈信号示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1和图2所示，对应于本实用新型一种较佳实施例的电感式线性编码器，应用于直线电机，包括传感器单元100和与传感器单元100信号连接的解码器单元200；传感器单元100包括至少两对具有相位差的感应模块11，感应模块11包括磁芯111、设于磁芯111上的激励线圈112和响应线圈113，磁芯111随直线电机的动子32移动，产生正弦变化的磁密，并驱使响应线圈113产生与磁密变化相匹配的正弦响应信号；其中，多个感应模块11中的响应线圈113可经电性连接重构出具有相位差的两路正余弦输出信号，解码器单元200接收两路输出信号并解算出动子32的实时位移信号。

本实用新型通过设置具有相位差的多个感应模块11，感应模块11包括磁芯111和设于磁芯111上的激励线圈112和响应线圈113，以在直线电机的动子32移动时产生响应信号，并通过重构多个响应信号来输出两路输出信号至解码器单元200，解码器单元200能够解算出电机的实时位移信号，无需额外的光栅尺或磁栅即可实现电机位置检测，具有体积小、结构可靠、精度高、安装方便、成本低廉的优点，且非接触式检测结构无摩擦、抗污染等级高。

进一步地，本实用新型中的直线电机包括定子31和相对定子31运动的动子32，动子32通电以与定子31相互作用产生电磁推力，使动子32在定子31上作直线往复运动。传感器单元100设置在直线电机的动子32上，并与直线电机的定子31相对设置，以使传感器单元100与定子31之间保有一定气隙。当向激励线圈112通入激励信号后，磁芯111与定子31所构成的磁路中产生以线圈电感为规律的近似正弦变化的磁密，进而在响应线圈113中产生响应信号，多个响应线圈113通过串联或并联连接，以重构响应信号，得到具有一定相位差的两路正余弦响应信号。通过直接使用定子31作为位置检测的媒介，无需额外的光栅尺或磁栅尺，极大节约了成本。在本实施例中，激励信号可以是交流电压源、直流电压源、交流电流源、直流电流源、以及永磁体励磁源等形式。

进一步地，传感器单元100包括安装磁芯111的安装支架114，安装支架114可通过连接件(图未示)固定于动子32一侧。磁芯111包括齿部，激励线圈112和响应线圈113绕设于齿部上。齿部数量为至少两个，且沿定子31的长度方向间隔设置。激励线圈112和响应线圈113均绕设于同一齿部上。或者激励线圈112和响应线圈113同时绕设于多个齿部上。或者激励线圈112绕设于其中一个齿部上，响应线圈113绕设于其中另一个齿部上。激励线圈112和响应线圈113可重合绕制或不重合绕制。

参照图3所示，在一实施例中，磁芯111沿定子31的长度方向间隔设有两个齿部，齿部具体为第一齿部1111和第二齿部1112。激励线圈112绕设于第一齿部1111上，响应线圈113绕设于第二齿部1112上。或者，激励线圈112和响应线圈113均绕设于第一齿部1111或第二齿部1112上。或者激励线圈112分别绕设于第一齿部1111和第二齿部1112上，响应线圈113分别绕设于第一齿部1111和第二齿部1112上。当电机运行时，编码器随动子32沿着定子31作线性运动，每个感应模块11中的磁芯111与定子31间的磁阻由于齿槽交替而周期变化，经过尺寸优化，磁芯111中的磁密变化呈现正弦性。在一定磁场强度范围内，响应线圈113在激励信号作用下感应出的响应信号幅值与被检测区域磁密呈线性关系。

进一步地，参照图4所示，定子31的长度方向为X轴方向，定子31的宽度方向为Y轴方向，多个感应模块11沿Y轴方向分设成第一排组12和第二排组13。第一排组12和/或第二排组13中相邻两感应模块11在X轴方向上的差距为A，A＞0°电角度。第一排组12和第二排组13在X轴方向上的差距为B，B＞0°电角度。第一排组12和第二排组13在Y轴方向上的差距为C，C＞0°电角度。需要指出的是，上述的电角度以直线电机节距为基准。在一实施例中，为了便于识别判定感应信号，A＝180°电角度，B＝90°电角度，C＝90°电角度。

在一实施例中，第一排组12和第二排组13均包括两个感应模块11，诚然，在其他实施例中，第一排组12和第二排组13可沿着X轴方向设置三个、四个或者更多的感应模块11。在一实施例中，第一排组12上的响应线圈113串联或并联，重构形成一路输出信号，第二排组13上的响应线圈113串联或并联，重构形成一路输出信号，从而得到相互正交的正余弦输出信号，以作为直线电机的实时位移信号。

通过在第一排组12和第二排组13设置至少两个感应模块11，使得同一排组中的多个响应线圈113输出的高频信号可进行差分相减并得出输出信号，从而能够达到抑制信号中直流分量、防止干扰的效果。随着感应模块11数量的增加，并进行移相和串并联操作，可以进一步抑制响应信号中的谐波分量，以获得更高的检测精度。

进一步地，解码器单元200与传感器单元100之间通过信号线缆连接。解码器单元200通过对两路输出信号经过滤波、采样、保持、校正等信号处理后，通过三角函数计算推导出直线电机的动子32的实时位移。

具体的，参照图5所示，解码器单元200包括：信号处理模块21，接收感应模块11的输出信号，并进行信号处理；信号校正模块22，与信号处理模块21信号连接，并对处理后的输出信号进行校正；以及信号位移解算模块23，对校正后的输出信号进行解算，并推导出动子32的实时位移。

信号处理模块21包括信号滤波电路211和采样保持电路212。参照图6所示，信号滤波电路211包括RC、LC、LCR等形式的滤波电路，以滤除响应信号外的无用信号，采样保持电路212可以准确采集响应信号。信号校正模块22用于对正余弦输出信号进行校正，确保其幅值一致，相位相差90°。信号位移解算模块23通过三角函数计算以推导出动子32的实时位移。采样保持电路212和信号位移解算模块23均可采用专用芯片来实现响应功能，本实用新型在此不再赘述。

在有限元软件中搭建的编码器模型进行仿真，激励线圈112的示意图波形为图7所示，将感应模块11的第一排组12中的响应信号经过差分处理后得到波形为图8所示，其为具有正弦包络线的高频脉冲信号。将感应模块11的第二排组13中的响应信号经过差分处理后得到的波形为与图8波形相差90°电角度的波形。值得注意的是，编码器可以通过多种形式反馈动子32的位置，反馈形式包括类似旋转变压器式的正弦高频包络信号和正余弦编码器式的正余弦信号。本实施例所展示的为类似旋转变压器式的正弦高频包络信号。

此外，参照图1所示，本实用新型还提供一种直线电机，包括：前述的电感式线性编码器；以及驱动器400，与直线电机的动子32电性连接；其中，驱动器400与编码器的解码器单元200信号连接，并根据解码器单元200反馈的实时位移信号驱动动子32运行。驱动器400与解码器单元200之间通过信号线缆连接，驱动器400可根据解码器单元200反馈的实时位移信号生成合适的驱动力驱动动子32运行。

本实用新型工作原理如下：对传感器单元100中的激励线圈112通入激励信号，动子32行进过程中，编码器随动子32沿定子31作线性运动，磁芯111和定子31相互作用，以使二者所构成的磁路中产生以线圈电感为规律的近似正弦变化的磁密，进而在响应线圈113中产生正弦响应信号；响应线圈113通过串联或并联连接，以重构响应信号，并得到具有一定相位差的两路正余弦输出信号；解码器单元200接收两路正余弦输出信号，并经过滤波、采样、保持、校正等信号处理过程后，通过三角函数计算推导出直线电机动子32实时位移；驱动器400根据解码器单元200反馈的实时位移信号生成合适的驱动力驱动动子32运行。

上述仅为本实用新型的一个具体实施方式，其它基于本实用新型构思的前提下做出的任何改进都视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种电感式线性编码器，应用于直线电机，其特征在于，包括传感器单元(100)和与所述传感器单元(100)信号连接的解码器单元(200)；

所述传感器单元(100)包括至少两对具有相位差的感应模块(11)，所述感应模块(11)包括磁芯(111)、设于所述磁芯(111)上的激励线圈(112)和响应线圈(113)，所述磁芯(111)沿定子(31)的长度方向间隔有至少两个齿部，所述激励线圈(112)和所述响应线圈(113)绕设于所述齿部上，以在所述磁芯(111)随所述直线电机的动子(32)移动时产生正弦变化的磁密，并驱使所述响应线圈(113)产生与磁密变化相匹配的正弦响应信号；

其中，多个所述感应模块(11)中的响应线圈(113)串联或并联连接，以重构出具有相位差的两路正余弦输出信号，所述解码器单元(200)接收两路所述输出信号并解算出所述动子(32)的实时位移信号。

2.如权利要求1所述的电感式线性编码器，其特征在于，所述传感器单元(100)设置在所述动子(32)上，并与所述直线电机的定子(31)相对设置，所述激励线圈(112)通入激励信号后，所述磁芯(111)与所述定子(31)所构成的磁路中产生所述磁密。

3.如权利要求1所述的电感式线性编码器，其特征在于，所述传感器单元(100)包括安装所述磁芯(111)的安装支架(114)。

4.如权利要求1所述的电感式线性编码器，其特征在于，所述激励线圈(112)和所述响应线圈(113)均绕设于同一所述齿部上，或者所述激励线圈(112)和所述响应线圈(113)同时绕设于多个所述齿部上。

5.如权利要求4所述的电感式线性编码器，其特征在于，所述激励线圈(112)和所述响应线圈(113)重合绕制或不重合绕制。

6.如权利要求1所述的电感式线性编码器，其特征在于，所述激励线圈(112)绕设于其中一个所述齿部上，所述响应线圈(113)绕设于其中另一个所述齿部上。

7.如权利要求2所述的电感式线性编码器，其特征在于，多个所述感应模块(11)沿所述定子(31)的宽度方向分设成第一排组(12)和第二排组(13)，

所述第一排组(12)和/或所述第二排组(13)中相邻两所述感应模块(11)在所述定子(31)的长度方向上的差距为A，A＞0°电角度，

所述第一排组(12)和所述第二排组(13)在所述定子(31)的长度方向上的差距为B，B＞0°电角度，

所述第一排组(12)和所述第二排组(13)在所述定子(31)的宽度方向上的差距为C，C＞0°电角度。

8.如权利要求1所述的电感式线性编码器，其特征在于，所述解码器单元(200)包括：

信号处理模块(21)，接收所述感应模块(11)的输出信号，并进行信号处理；

信号校正模块(22)，与所述信号处理模块(21)信号连接，并对处理后的所述输出信号进行校正；以及

位移信号解算模块(23)，对校正后的所述输出信号进行解算，并推导出所述动子(32)的实时位移。

9.如权利要求8所述的电感式线性编码器，其特征在于，所述信号处理模块(21)包括信号滤波电路(211)和采样保持电路(212)。

10.一种直线电机，其特征在于，包括：如权利要求1至9任一项所述的电感式线性编码器；以及

驱动器(400)，与所述直线电机的动子(32)电性连接；

其中，所述驱动器(400)与所述编码器的解码器单元(200)信号连接，并根据所述解码器单元(200)反馈的实时位移信号驱动所述动子(32)运行。

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