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位置檢測裝置及其信號處理裝置，具體地涉及一種用于電機
的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)：
在電機控制領(lǐng)域中應(yīng)用的位置檢測裝置主要是編碼器，所述編碼器一種是將電機 旋轉(zhuǎn)角位置、角速度等物理量轉(zhuǎn)換為電信號的位置傳感器，編碼器的制造以及信號處理水 平直接影響到自動化水平。 目前，在工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的主要是光電式編碼器，有增量式和絕對式兩種。增 量式編碼器軸旋轉(zhuǎn)時候帶動光柵盤旋轉(zhuǎn)，發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤、指示光柵的狹縫切 割成斷續(xù)光線從而被接收元件接收，輸出相應(yīng)的脈沖信號，其旋轉(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)部記憶來記住位置，并且工作過程中也不能有干擾從而丟失脈沖，否則，記數(shù) 設(shè)備記憶的零點就會偏移，并且無從知道。 為了解決上述問題，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)子當(dāng)前位置。這樣大大提高了抗干擾性以 及數(shù)據(jù)的可靠性，絕對式編碼器已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)的角度測量、長度測 量以及位置控制。 然而，光電式編碼器存在一些難以克服的缺點光電式編碼器由玻璃物質(zhì)通過刻 線而成，其抗震動和沖擊能力不強，不適用于塵埃、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，從而難以做到小型化；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。 磁電式編碼器可以解決這些不足。傳統(tǒng)磁電傳感器的定子和轉(zhuǎn)子由純鐵制成，定 子上固定有永久磁鐵，形成磁路系統(tǒng)。定子和轉(zhuǎn)子相對的環(huán)形端面上均勻地設(shè)有數(shù)目相等 的齒和槽，轉(zhuǎn)子與主軸固緊，主軸與被測量的轉(zhuǎn)軸連接，主軸帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒和定 子齒相對時，氣隙最小，磁通最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒和定子槽相對時，氣隙最大，磁通最小?？梢酝?過例如磁感應(yīng)傳感器的檢測磁通的變化，并將該變化轉(zhuǎn)化成電信號脈沖。此類編碼器比較 多，但測量精度比較低，且只能實現(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[0010] 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。[0014] 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)的不足，提出了一種位置檢測
裝置及其信號處理裝置，簡化生產(chǎn)工藝，提高檢測精度，減少產(chǎn)品成本，提高性價比。 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種位置檢測裝置，其包括轉(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)和第二磁鋼環(huán)，其中，第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)分
別固定在轉(zhuǎn)軸上，第一磁鋼環(huán)被均勻地磁化為N(N〈二 2n(n = 0，1，2…n))對磁極，并且相
鄰兩極的極性相反；第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為N，其磁序按照特定磁序算法確定；而在定子
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(m為2或3的整數(shù)
倍)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件；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(n = 0，1，2…n)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，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?br> 給一信號處理裝置。 根據(jù)不同的使用需要，對于位置檢測裝置來說，在定子上對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為360。 /N。 另外，在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2或4
時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為90° /N，當(dāng)m為3時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間
的夾角為120° /N ;當(dāng)m為6時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為60° /N。 在位置檢測裝置中的磁感應(yīng)元件可直接表貼在定子的內(nèi)表面。 本實用新型的位置檢測裝置還可包括兩個內(nèi)置于定子內(nèi)表面的、分別對應(yīng)于第一
磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)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)。 對于設(shè)有導(dǎo)磁環(huán)的位置檢測裝置來說，所述的導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角。 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。 本實用新型的位置檢測裝置中所述的磁感應(yīng)元件為霍爾感應(yīng)元件。 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，對位置檢測裝置中磁感應(yīng)元件發(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91;所述絕對偏移量92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92;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)。[0027] 進一步地，還包括信號放大模塊，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。 進一步地，所述相對偏移角度9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，得到一基準信號D ;所述第一角度獲取單元根據(jù)該基準信號D，在第一標準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工計算模塊還包括溫度補償單元，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。 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
信號的標準狀態(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在第二標準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體，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，能最大程度上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。[0039] 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。

圖1A、1B和1C分別是本實用新型設(shè)置有導(dǎo)磁環(huán)的位置檢測裝置結(jié)構(gòu)的立體分解圖、示意圖和結(jié)構(gòu)圖； 圖2A-圖2D是本實用新型的導(dǎo)磁環(huán)的倒角設(shè)計圖；[0043] 圖3為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[0044] 圖4為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[0045] 圖5為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[0046] 圖6為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[0047] 圖7本實用新型的實施例1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；[0048] 圖8是本實用新型的實施例1的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系 圖9是第二磁鋼環(huán)的充磁磁序的算法流程圖； 圖10A-圖10B是本實用新型的實施例1的第二磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖； 圖11是本實用新型實施例1的信號處理裝置的框圖； 圖12是本實用新型實施例2的位置檢測裝置中的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖13是本實用新型實施例2的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系
示意圖[0056]
圖14是本實用新型實施例2的信號處理裝置的框圖15是本實用新型實施例3的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖16是本實用新型實施例3的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系
示意圖
圖17是本實用新型實施例3的信號處理裝置的框圖18是本實用新型實施例4的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)[0059] 圖19是本實用新型實施例4的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖； 圖20是本實用新型實施例4的信號處理裝置的框圖； 圖21A-圖21B為本實用新型對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件與導(dǎo)磁環(huán)、定子的分布圖； 圖22是本實用新型磁感應(yīng)元件直接表貼于位置檢測裝置上的位置檢測裝置結(jié)構(gòu)的立體分解圖；以及 圖23A-圖23D分別是對就于第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件直接表貼于位置檢測裝置上的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式圖1A、1B和1C分別是本實用新型設(shè)置有導(dǎo)磁環(huán)的位置檢測裝置結(jié)構(gòu)的立體分解圖、示意圖和結(jié)構(gòu)圖。如圖1A、1B和1C所示，本實用新型的位置檢測裝置由磁鋼環(huán)302、磁鋼環(huán)303、導(dǎo)磁環(huán)304、導(dǎo)磁環(huán)305、支架306和多個磁感應(yīng)元件307組成。具體地，磁鋼環(huán)302、303的直徑小于導(dǎo)磁環(huán)304、305的直徑，因而導(dǎo)磁環(huán)304、305分別套設(shè)在磁鋼環(huán)302、303外側(cè)，磁鋼環(huán)302、303固定在轉(zhuǎn)軸301上，且導(dǎo)磁環(huán)304、305與磁鋼環(huán)302、303可以相對轉(zhuǎn)動，從而使設(shè)置在支架306內(nèi)表面上的多個傳感器元件307處于磁鋼環(huán)的空隙內(nèi)。[0065] 圖1C是將本實用新型設(shè)置有導(dǎo)磁環(huán)的位置檢測裝置的各元件組合到一起后的平面結(jié)構(gòu)圖，從圖1C可以看出磁鋼環(huán)302、磁鋼環(huán)303平行布置在軸301上，對應(yīng)于磁鋼環(huán)302、磁鋼環(huán)303分別設(shè)有兩列磁感應(yīng)元件308和309。這里為下文說明方便，將第一列磁感應(yīng)元件即對應(yīng)磁鋼環(huán)302和導(dǎo)磁環(huán)304的多個磁感應(yīng)元件都用磁感應(yīng)元件308表示，而將第二列磁感應(yīng)元件即對應(yīng)磁鋼環(huán)303和導(dǎo)磁環(huán)305的多個磁感應(yīng)元件都用磁感應(yīng)元件309表示。為了說明方便，這里將磁鋼環(huán)302定義為第一磁鋼環(huán)，將磁鋼環(huán)303定義為第二磁鋼環(huán)，將導(dǎo)磁環(huán)304限定為對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302，將導(dǎo)磁環(huán)305限定為對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)305，然后本實用新型不限于上述的限定。 如圖2A-圖2D所示，導(dǎo)磁環(huán)由兩段或多段同半徑、同圓心的弧段構(gòu)成，弧段端部設(shè)有倒角，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。所述倒角為沿軸向351或徑向352或同時沿軸向354、徑向353切削而形成的倒角。 根據(jù)磁密公式5 = ^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。 相鄰兩弧段間留有縫隙，磁感應(yīng)元件置于該縫隙內(nèi)，當(dāng)磁鋼環(huán)與導(dǎo)磁環(huán)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)換為電壓信號，并將該電壓信號傳輸給相應(yīng)的控制器。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。 第一磁鋼環(huán)302被均勻地磁化為N(N < = 2n(n = 0， 1， 2…n))對磁極，并且相鄰兩極的極性相反，第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為N，其磁序按照磁序算法確定；在支架306上，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302，以第一磁鋼環(huán)302的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有m(m為2或3的整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件308 ;對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303，以第二磁鋼環(huán)303的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有n(n = 0，1，2…n)個呈360° /N角度分布的磁感應(yīng)元件309。[0071] 本實用新型還提供了一種上述位置檢測裝置的信號處理裝置，其包括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，其中，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊對位置檢測裝置中磁感應(yīng)元件發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并將模擬信號轉(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91;所述絕對偏移量92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e 2 ;所述角度合成及輸出模塊用于將上述相對偏移量e i和絕對偏移量e 2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標定過程中得到的角度和系數(shù)K矯正用數(shù)據(jù)。 對應(yīng)上述處理裝置的流程如圖3-6所示，如圖3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e J十算模塊對位置檢測裝置中的磁感應(yīng)元件發(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92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 。對于圖4，為在圖3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5是包括溫度補償?shù)男盘柼幚砹鞒虉D，在進行角度e工求解之
前，還包括溫度補償?shù)倪^程；圖6為基于圖5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，在些就不一一介紹。[0073] 以下通過實施例詳細說明本實用新型的位置檢測裝置及其信號處理裝置與方法。[0074] 實施例1 本實用新型的實施例1提供了第一列磁感應(yīng)元件設(shè)有兩個磁感應(yīng)元件308，第二列感應(yīng)元件設(shè)有三個磁感應(yīng)元件309的位置檢測裝置。 圖7為本實用新型的實施例1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8為本實用新型的實施例1的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖。對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的第一列磁感應(yīng)元件308為2個，即m = 2，用&和H2表示，這兩個磁感應(yīng)元件&和H2分別放置于對應(yīng)導(dǎo)磁環(huán)304的兩個夾縫中。對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的第二列磁感應(yīng)元件309為3個，S卩n = 3，用H3、 H4和H5表示。取磁極數(shù)N = 8，這樣，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的相鄰兩個磁感應(yīng)元件309之間的夾角為360° /8。對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的相鄰兩個磁感應(yīng)元件308之間的夾角為90° /8。 從圖8可以看出磁鋼環(huán)302的充磁順序以及&和H2的磁極排布。圖9是磁鋼環(huán)303的算法流程圖。如圖9所示，首先進行初始化a[0] ="0……O";然后將當(dāng)前編碼入編碼集，即編碼集中有"O……0";接著檢驗入編碼集的集合元素是否達到8，如果是則程序結(jié)束，反之將當(dāng)前編碼左移一位，后面補0 ;然后檢驗當(dāng)前編碼是否已入編碼集，如果未入編
碼集則將當(dāng)前編碼入編碼集繼續(xù)進行上述步驟，如果已入編碼集則將當(dāng)前碼末位去O補1 ;
接著檢驗當(dāng)前編碼是否已入編碼集，如果未入編碼集則將當(dāng)前編碼入編碼集繼續(xù)進行上述
步驟，如果已入編碼集則檢驗當(dāng)前碼是否為"o……0"，是則結(jié)束，否則將當(dāng)前編碼的直接前
去碼末位去O補1 ;接著檢驗當(dāng)前編碼是否已入編碼集，如果未入編碼集則將當(dāng)前編碼入編
碼集繼續(xù)進行上述步驟，如果已入編碼集則檢驗當(dāng)前碼是否為"o……o"，然后繼續(xù)進行下
面的程序。其中0磁化為"N/S"， 1磁化為"S/N"。這樣得到了圖10所示的磁鋼環(huán)303充磁結(jié)構(gòu)圖以及H3、H4和H5的排布順序。 圖11是本實用新型實施例1的信號處理裝置的框圖，傳感器(即前面所述的磁感應(yīng)元件)lla和12a的輸出信號接放大器21a和22a，放大器21a和22a的輸出信號輸入給A/D轉(zhuǎn)換器31a和32a模擬輸入口 ，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到輸出信號接乘法器41a、42a，矯正器7a的輸出信號接乘法器41a、42a的輸入端，乘法器41a、42a的輸出信號A， B接第一合成器51a的輸入端，第一合成器51a的輸出信號D作為存儲器61a和存儲器62a的輸入信號，存儲器62a的輸出信號接矯正器7a，存儲器61a的輸出信號9工作為加法器9a的輸入端。[0079] 傳感器13a、14a和lna的輸出信號分別接三個放大器23a、24a和25a進行放大，然后接AD轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過第二合成器52a進行譯碼，然后接存儲器8a得到e 2。
e工和e 2通過加法器9a得到測量的絕對角位移e輸出。 其中，在信號的處理過程中，第一合成器51a的輸出按以下方式進行[0081] 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，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。 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}。具體如下 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= VZTF。 第二合成器52a的輸出按以下方式進行 E = {C3_0 ;C4_0 ; Cn_0} 信號K 一般是通過將信號R。和R進行除法運算得到。 實施例2 本實用新型的實施例2提供了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302設(shè)有四個磁感應(yīng)元件的示意圖。[0096] 圖12是本實用新型實施例2的位置檢測裝置中的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖13是本實用新型實施例2的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖。 如圖12所示，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的第一列磁感應(yīng)元件308為4個，即m = 4，用HpH^Hg和H4表示，這兩個磁感應(yīng)元件HpH^Hg和H4分別放置于對應(yīng)第一導(dǎo)磁環(huán)304的四個夾縫中。對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的第二列磁感應(yīng)元件309為3個，即n = 3，用H5、 H6和H7表示。取N = 8，這樣，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的相鄰兩個磁感應(yīng)元件309之間的夾角為360° /8。對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的相鄰兩個磁感應(yīng)元件308之間的夾角為90° /8。[0098] 從圖13可以看出磁鋼環(huán)302的充磁順序以及&、112、113和H4的磁極排布。第一磁鋼環(huán)302的充磁結(jié)構(gòu)及算法流程與實施例1的相同，在此省略對它們的說明。[0099] 圖14是本實用新型實施例2的信號處理裝置的框圖。信號處理裝置與處理方法與實施例1相類似，不同在于，由于本實施例2中有4個傳感器，傳感器lib和12b的輸出信號接放大電路21b進行差動放大，傳感器13b和14b的輸出信號接放大電路22b進行差動放大，最終輸出給合成器的信號仍為2個，處理過程及方法與實施例1相同。因此，在此不再贅述。[0100] 實施例3 本實用新型的實施例3提供了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有三個磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖。[0102] 圖15是本實用新型實施例3的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖16是本實用新型實施例3的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖； 如圖15所示，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的第一列磁感應(yīng)元件308為3個，即m = 3，用Hp H2和H3表示，這兩個磁感應(yīng)元件Hp H2和H3分別放置于對應(yīng)第一導(dǎo)磁環(huán)304的三個夾縫中。對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的第二列磁感應(yīng)元件309為3個，即n = 3，用H4、 H5和H6表示。取N二 8，這樣，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的相鄰兩個磁感應(yīng)元件309之間的夾角為360° /8。對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的相鄰兩個磁感應(yīng)元件308之間的夾角為120° /8。[0104] 從圖16可以看出磁鋼環(huán)302的充磁順序以及&、 H2和H3的磁極排布。第一磁鋼環(huán)302的充磁結(jié)構(gòu)及算法流程與實施例1的相同，在此省略對它們的說明。[0105] 圖17是本實用新型實施例3的信號處理裝置的框圖。與實施例1不同的是，磁感應(yīng)元件有三個，輸出給合成器的信號為三個，合成器在處理信號時與實施例1不同，其余與實施例1相同。在這里，僅說明合成器如何進行處理得到D和R。 在本實施例中，對信號的處理，即第一合成器51c的輸出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[0107] 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，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。[0110] 如果{A_0 ;B_0 ;C_0} = 010并且A_D >= C_D[01111 D一{A 0；B 0；C 0；C D}[0112] 如果{A 0；B 0；C 0}一010并且A D<C D[0113] D一{A 0；B 0；C 0；A D}；[0114] 如果{A 0；B 0；C 0}一10l并且A D>一C D[0115] D一{A 0；B 0；C 0；C D}；[0116] 如果{A 0；B 0；C 0}一10l并且A D<C D[0117] D一{A 0；B 0；C 0；A D}；[0118] 如果{A 0；B 0；C 0}一0l l并且B D>一C D[0119] D一{A 0；B 0；C 0；C D}；[0120] 如果{A 0；B 0；C 0}一0l l并且B D<C D[0]211 D一{A 0；B 0；C 0；B D}；[0122] 如果{A 0；B 0；C 0}一100并且B D>一C D[0123] D一{A 0；B 0；C 0；C D}；[0124] 如果{A 0；B 0；C 0}一100并且B D<C D[0125] D一{A 0；B 0；C 0；B D}；[0126] 如果{A 0；B 0；C 0}一00l并且B D>一A D[0127] D一{A 0；B 0；C 0；A D}；[0128] 如果{A 0；B 0；C 0}一00l并且B D<A D[0129] D一{A 0；B 0；C 0；B D}；[0130] 如果{A 0；B 0；C 0}一l lo并且B D>一A D[0]311 D一{A 0；B 0；C 0；A D}；[0132] 如果{A 0；B 0；C 0}一l lo并且B D<A D[0133] D一{A 0；B 0；C 0；B D}；[0134] 0=止一刀xcos(~)一Cxcos(~)√√[0135] 夕Bxsin‘蘭，一CXSin‘蘭， 。J3r01361只√0’+蘆’[0137] 實施例4[0138] 根據(jù)本實用新型的實施例4，提供了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有六個磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖。[0139] 圖18是本實用新型實施例4的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖19是本實用新型實施例4的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖。[0140] 如圖18所示，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的第一列磁感應(yīng)元件308為6個，即m一6，用H、、H，、H，、H+、H。和H。表示，這兩個磁感應(yīng)元件H、、H，、H，、H+、H。和H。分別放置于對應(yīng)第一導(dǎo)磁環(huán)304的六個夾縫中。對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的第二列磁感應(yīng)元件309為3個，即n一3，用H，、H一和幾表示。取N一8，這樣，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的相鄰兩個磁感應(yīng)元件309之間的夾角為360° /8。對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的相鄰兩個磁感應(yīng)元件308之間的夾角為60° /8。 從圖19可以看出磁鋼環(huán)302的充磁順序以及HpH2、H3、H4、Hs和H6的排布。第一
磁鋼環(huán)302的充磁結(jié)構(gòu)及算法流程與實施例1的相同，在此省略對它們的說明。 圖20是本實用新型實施例4的信號處理裝置的框圖。與實施例3不同的是，磁感
應(yīng)元件有六個，因此，傳感器lld和12d的輸出信號接放大電路21d進行差動放大，傳感器
13d和14d的輸出信號接放大電路22d進行差動放大，傳感器15d和16d的輸出信號接放大
電路23d進行差動放大，最終輸出給合成器的信號仍為3個，處理過程及方法與實施例3相同。 上述四個實施例是在n = 3的情況下，m值變化的各種實施例，本實用新型不限于此，第二磁鋼環(huán)上的傳感器n可以是任意整數(shù)(n = 0，1，2…n)，如圖21所示，分別為當(dāng)n=3、4、5時的第二磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的分布。其各自的磁化順序及算法流程分別與圖8、9類似，在此省略對它們的詳細說明。 圖22是本實用新型磁感應(yīng)元件直接表貼于位置檢測裝置上的位置檢測裝置結(jié)構(gòu)的立體分解圖。圖23A-圖23D分別是對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件直接表貼于位置檢測裝置上的結(jié)構(gòu)示意圖。在磁感應(yīng)元件直接表貼于位置檢測裝置上的情況下，磁感應(yīng)元件的排布順序與上述帶有導(dǎo)磁環(huán)的順序相同，且信號處理裝置及方法也相同，在此省略詳細說明。 以上參照附圖詳細描述了本實用新型的各個實施例，然而本實用新型并不局限于所述實施例，而是在不脫離權(quán)利要求書的范圍的情況下，可以做出各種變化和改進。
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)分別固定在轉(zhuǎn)軸上，所述第一磁鋼環(huán)被均勻地磁化為N對磁極，其中，N＜＝2n，n＝0，1，2…n，并且相鄰兩極的極性相反；所述第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為N，其磁序按照特定磁序算法確定；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；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個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件，其中，n＝0，1，2…n；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)于第二磁鋼環(huán)的相 鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為360。 /N。
3. 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)相鄰 兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2或4時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為90° / N，當(dāng)m為3時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為120° /N ;當(dāng)m為6時，每相鄰兩個磁 感應(yīng)元件之間的夾角為60。 /N。
4. 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。
5. 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)表面的、 分別對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)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)。
6. 如權(quán)利要求5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。
7. 如權(quán)利要求6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。
8. 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。
9. 一種基于上述權(quán)利要求l-8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，對位置檢測裝置中磁感應(yīng)元件發(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)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9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。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10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9 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，得到基準信號D; 所述第一角度獲取單元根據(jù)該基準信號D，在第一標準角度表中選擇與其相對的角度作為 偏移角度^。
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。
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，所述第一合成 單元的輸出還包括信號R。
14. 如權(quán)利要求13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) 該信號的標準狀態(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。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9或10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在第二標準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，位置檢測裝置包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，其中，所述轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)，所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)分別固定在轉(zhuǎn)子軸上，所述第一磁鋼環(huán)被均勻地磁化為N(N＜＝2n)對磁極，并且相鄰兩極的極性相反；所述第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為N，其磁序按照特定磁序算法確定；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；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個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件通過本實用新型所述的裝置，可以簡化生產(chǎn)工藝，提高測量精度，減少產(chǎn)品成本，提高性價比。
文檔編號G01D5/12GK201488742SQ20092015004
公開日2010年5月26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