一種磁導式絕對角度檢測系統的製作方法
2023-10-09 11:16:19 1
一種磁導式絕對角度檢測系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種磁導式絕對角度檢測系統，現有的環形變壓器的體積較大，繞線工藝的複雜，製造成本高；本發明包括磁導式絕對角度檢測裝置和角度檢測信號處理裝置；所述的磁導式絕對角度檢測裝置，包括第一定子、第二定子、第一線圈組、第二線圈組、第三線圈組、第四線圈組、隔磁墊片、第一接線板、第二接線板、第一轉子、第二轉子；本發明可以保證在絕對角度信息可得的情況下，對於角度值進行細化，提高了檢測精度。本發明相比於傳統磁阻式旋轉變壓器測量精度高，結構上簡單實用，發展前景較好。
【專利說明】一種磁導式絕對角度檢測系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於伺服電機位置檢測【技術領域】，具體涉及一種磁導式絕對角度檢測系統。
【背景技術】
[0002]伺服電機在目前的工業領域內有著十分廣泛的應用，如各式數控工具機、加工中心以及工業機器人等。伺服電機的主要功能便是可以實現高精度的定位，而其定位的能力很大程度上取決於安裝在伺服電機中的位置檢測裝置。目前伺服電機中廣泛使用的位置傳感器為光電編碼器，這種傳感器可以實現較高精度的位置檢測，然而這種位置傳感器對於其工作環境的要求較高，密封性要求較高，以防止粉塵的進入而導致的故障，而且抗衝擊，抗擾動的能力較差，已經成為伺服電機故障的一個主要因素。另外絕對式光電編碼器的成本較高，也限制了此類傳感器的使用。相對於光電編碼器而言，旋轉變壓器有著耐熱，耐衝擊，抗擾動，成本低等一系列優點。但是早期的旋轉變壓器存在電刷和滑環，導致了旋轉變壓器的故障率較高。之後發展出的無刷式旋轉變壓器採用了環形變壓器代替了電刷和滑環，從而實現了旋轉變壓器的無刷化。但是由於環形變壓器的體積較大，同樣限制了此類旋轉變壓器的使用場合。磁阻式旋轉變壓器將勵磁繞組和輸出繞組都安裝在旋轉變壓器的定子上，以此在取消了環形變壓器的情況下，實現了旋轉變壓器的無刷化，因此可以在一定程度上減小旋轉變壓器的體積。根據磁阻式旋轉變壓器的繞組形式，導致了繞線的加工工藝較為麻煩，也因此增加了變壓器的製造成本。
【發明內容】
[0003]本發明針對現有旋轉變壓器技術的不足，設計一種磁導式絕對角度檢測系統。
[0004]本發明磁導式絕對角度檢測系統，包括磁導式絕對角度檢測裝置和角度檢測信號處理裝置；所述的磁導式絕對角度檢測裝置，包括第一定子、第二定子、第一線圈組、第二線圈組、第三線圈組、第四線圈組、隔磁墊片、第一接線板、第二接線板、第一轉子、第二轉子；
第一線圈組和第二線圈組通過第一接線板安裝在第一定子上，第三線圈組和第四線圈組通過第二接線板安裝在第二定子上；隔磁墊片夾在第一定子與第二定子之間；第一定子、第二定子通過隔磁墊片相互固定；第一轉子與第二轉子相互平行，並且不存在相互旋轉；所述的第一定子與第一轉子同軸設置；第二定子與第二轉子同軸設置；第一線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個多周期正餘弦信號輸出接頭;第二線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個多周期正餘弦信號輸出接頭；第三線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個單周期正餘弦信號輸出接頭；第四線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個單周期正餘弦信號輸出接頭；
所述的第一定子與第二定子結構相同，都為圓筒形，圓筒內側壁均布有16主齒，並且齒冠還開有均分的梯形副齒；梯形副齒的數量為16的整數倍；所述的第一轉子採用矽鋼片材料，外側面呈齒槽結構；所述的第二轉子採用實心導磁材料，其截面呈偏心圓的結構。第一轉子上齒數為4的整數倍,且除以4的商為奇數。
[0005]第三線圈組和第四線圈組的繞組相差4個主齒槽距離，即相對於第三線圈組順時針方向錯開4個主齒槽的位置繞制第四線圈組。
[0006]第一線圈組和第二線圈組的繞組相差I個主齒槽距離，當轉子齒數除以4的商再除以4的餘數為I時，相對於第一線圈組順時針方向錯開I個主齒槽的位置繞制第二線圈組；當轉子副齒數除以4的商再除以4的餘數為3時，相對於第一線圈組逆時針方向錯開I個主齒槽的位置繞制第二線圈組。
[0007]所述的角度檢測信號處理裝置，包括反饋信號選擇模塊、反饋信號調理模塊、信號解析模塊、激勵信號調理模塊和單片機；
所述的反饋信號選擇模塊的正餘弦信號輸出埠與反饋信號調理模塊的正餘弦信號輸入埠連接，反饋信號調理模塊的信號輸出埠與信號解析模塊的正餘弦信號輸入埠連接，信號解析模塊的激勵信號輸出埠與激勵信號調理模塊的激勵信號輸入埠連接，信號解析模塊的信號解析結果輸出埠與單片機信號解析結果輸入埠連接，單片機的周期控制信號輸出埠分別與反饋信號調理模塊的周期控制信號輸入埠和反饋信號選擇模塊的周期控制信號輸入埠連接；
磁導式絕對角度檢測裝置中四個多周期正餘弦信號輸出接頭與反饋信號選擇模塊的多周期正餘弦信號輸入接頭連接，四個單周期正餘弦信號輸出接頭與反饋信號選擇模塊的單周期正餘弦信號輸入接頭連接，激勵信號調理模塊的正餘弦激勵信號輸出接頭與磁導式絕對角度檢測裝置中的八個正餘弦激勵信號輸入接頭連接。
[0008]所述的第一轉子的一個齒頂中心線與第二轉子的偏心圓對稱軸線相重合。
[0009]本發明的第一定子和第一轉子相配合實現多周期正餘弦信號的輸出功能，第二定子和第二轉子相配合實現單周期正餘弦信號的輸出功能，由於兩個功能之間互不幹擾，第一定子和第二定子的結構在理論上可以根據功能的需要進行不同的設計，但考慮到生產實際的成本問題，將第一定子和第二定子設計成相同的結構，以降低生產成本。
[0010]第二定子主齒和第二轉子的偏心圓結構相配合，定子結構的設計需要滿足轉子旋轉一周，輸出單周期正餘弦信號的要求，可以實現該功能的最小線圈數為16，當線圈數為16的整數倍時也可以實現該功能，與此配合主齒數也應為16的整數倍，考慮到定子加工的難易程度問題，選擇定子主齒數為16，每一個齒上繞有線圈。在16個主齒的結構下，每相鄰兩個齒對稱中線之間的角度相差22.5度；
第一定子的副齒和第一轉子的副齒結構相配合，定子結構的設計需要滿足轉子旋轉一周，輸出多周期信號，轉子旋轉一對齒槽所對應的角度，輸出一個周期信號。可以實現該功能需要首先使定子副齒數和轉子副齒數滿足一定的數量要求。從定子副齒數來看，由於定子副齒是並不是在整個圓周上分布，而是在分布有主齒的地方才出現副齒，而主齒數量是16個，因此副齒的數量應該為16的整數倍，這樣可以保證每個主齒上的副齒數量和齒槽對應情況完全相同。從轉子副齒數來看，為了保證在定子主齒處產生相差90°的相位關係，需要轉子副齒數為4的整數倍，並且除以4的商為奇數。
[0011]設計需要通過使用兩套線圈組以相同的繞組連接方式、相隔一定角度來實現兩組相位差90°的正餘弦信號作為輸出，假設相隔的這一角度為α，由定子16個齒的結構可以知道，α —定是22.5°的整數倍。首先分析第三線圈組和第四線圈組之間的角度關係，由偏心圓結構形成的定轉子之間氣隙結構和我們採用的繞組連接方式可知第三線圈組和第四線圈組之間的角度應相差90°，也就是相差4個主齒。接下來分析第一線圈組和第二線圈組之間的角度關係，當轉子副齒數除以4的商再除以4的餘數為I時，第一線圈組和第二線圈組之間的角度應相差22.5°，也就是相差I個主齒；當轉子副齒數除以4的商再除以4的餘數為3時，第一線圈組和第二線圈組之間的角度應相差67.5°，也就是相差3個主齒。考慮到第一繞組和第二繞組的繞組周期均是4，那麼第一線圈組和第二線圈組之間順時針相差3個齒和逆時針相差I個齒的結果是相同的。由這樣的設計方法才可以實現齒槽相對、齒槽中心與槽相對和槽槽相對的情況，從而可以實現周期的正弦波形。
[0012]本發明有益效果如下:
本發明通過接線板，將定子繞組排列成電橋的結構，當轉子旋轉時，電橋中各部分的電抗會隨著位置而發生變化，進而導致輸出電壓隨著轉子的位置呈周期的變化並檢測到轉子的位置。由於同時存在多周期的信號輸出和單周期的信號輸出，可以保證在絕對角度信息可得的情況下，對於角度值進行細化，提高了檢測精度。本發明相比於傳統磁阻式旋轉變壓器測量精度高，結構上簡單實用，發展前景較好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明定子的正視圖
圖2為兩個定子與接線板、線圈組之間的安裝示意圖；
圖3為第二轉子的正視圖；
圖4為第一轉子的正視圖；
圖5為兩個轉子的安裝示意圖；
圖6為本發明第一定子上第一線圈組的連接圖；
圖7為本發明第二定子上第二線圈組的連接圖；
圖8為本發明配套的信號處理裝置結構框圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0015]磁導式絕對角度檢測系統由兩部分組成，分別是磁導式絕對角度檢測裝置和角度檢測信號處理裝置。
[0016]如圖1、圖2、圖5所示，本發明磁導式絕對角度檢測系統包括磁導式絕對角度檢測裝置和角度檢測信號處理裝置；所述的磁導式絕對角度檢測裝置，包括第一定子1-1、第二定子1-2、第一線圈組2-1、第二線圈組2-2、第三線圈組2-3、第四線圈組2_4、隔磁墊片3、第一接線板4-1、第二接線板4-2、第一轉子5-1、第二轉子5-2 ；
第一線圈組2-1和第二線圈組2-2通過第一接線板4-1安裝在第一定子1-1上，第三線圈組2-3和第四線圈組2-4通過第二接線板4-2安裝在第二定子1-2上；隔磁墊片3夾在第一定子與第二定子之間，起到阻斷磁路的作用；第一定子1-1、第二定子1-2通過隔磁墊片3相互固定；第一轉子5-1與第二轉子5-2相互平行，並且不存在相互旋轉；所述的第一定子1-1與第一轉子5-1同軸設置；第二定子1-2與第二轉子5-2同軸設置；第一線圈組2-1上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個多周期正餘弦信號輸出接頭；第二線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個多周期正餘弦信號輸出接頭；第三線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個單周期正餘弦信號輸出接頭；第四線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個單周期正餘弦信號輸出接頭；
所述的第一定子與第二定子結構相同，都為圓筒形，圓筒內側壁均布有16主齒，並且齒冠還開有144個梯形副齒；所述的第一轉子採用矽鋼片材料，外側面呈齒槽結構；所述的第二轉子採用實心導磁材料，其截面呈偏心圓的結構。第一轉子上齒數為132。
[0017]第三線圈組和第四線圈組的繞組相差4個主齒槽距離，即相對於第三線圈組順時針方向錯開4個主齒槽的位置繞制第四線圈組。
[0018]第一線圈組和第二線圈組的繞組相差I個主齒槽距離，相對於第一線圈組順時針方向錯開I個主齒槽的位置繞制第二線圈組；
如圖8所示，所述的角度檢測信號處理裝置，包括反饋信號選擇模塊、反饋信號調理模塊、信號解析模塊、激勵信號調理模塊和單片機；
所述的反饋信號選擇模塊的正餘弦信號輸出埠與反饋信號調理模塊的正餘弦信號輸入埠連接，反饋信號調理模塊的信號輸出埠與信號解析模塊的正餘弦信號輸入埠連接，信號解析模塊的激勵信號輸出埠與激勵信號調理模塊的激勵信號輸入埠連接，信號解析模塊的信號解析結果輸出埠與單片機信號解析結果輸入埠連接，單片機的周期控制信號輸出埠分別與反饋信號調理模塊的周期控制信號輸入埠和反饋信號選擇模塊的周期控制信號輸入埠連接；
磁導式絕對角度檢測裝置中兩個多周期正餘弦信號輸出接頭與反饋信號選擇模塊的多周期正餘弦信號輸入接頭連接，兩個單周期正餘弦信號輸出接頭與反饋信號選擇模塊的單周期正餘弦信號輸入接頭連接，激勵信號調理模塊的正餘弦激勵信號輸出接頭與磁導式絕對角度檢測裝置中的四個正餘弦激勵信號輸入接頭連接。
[0019]如圖6所示，所述的第一線圈組2-1包括16個線圈，16個線圈都分別繞在第一定子的主齒上，並採用相同的繞線工藝，第一線圈LI的起始端與第二線圈L2的終止端連接並作為一個正餘弦激勵信號輸入接頭，第二線圈L2的起始端與第六線圈L6的終止端連接，第六線圈L6的起始端與第十線圈LlO的終止端連接，第十線圈LlO的起始端與第十四線圈L14的終止端連接，第十四線圈L14的起始端與第十六線圈L16的終止端連接並作為一個多周期正餘弦信號輸出接頭，第四線圈L4的起始端和第三線圈L3的終止端連接並作為另一個正餘弦激勵信號輸入接頭，第三線圈L3的起始端與第七線圈L7的終止端連接，第七線圈L7的起始端與第十一線圈Lll的終止端連接，第十一線圈Lll的起始端與第十五線圈L15的終止端連接，第十五線圈L15的起始端與第十三線圈L13的終止端連接並作為另一個多周期正餘弦信號輸出接頭，第十三線圈L13的起始端與第九線圈L9的終止端連接，第九線圈L9的起始端與第五線圈L5的終止端連接，第五線圈L5的起始端與第一線圈LI的終止端連接，第十六線圈L16的起始端第十二線圈L12的終止端連接，第十二線圈L12的起始端與第八線圈L8的終止端連接，第八線圈L8的起始端與第四線圈L4的終止端連接。
[0020]所述的第二線圈組2-2，相對於第一線圈組順時針方向錯開I個主齒槽的位置進行繞制。
[0021]如圖7所示，所述的第三線圈組2-3包括16個線圈，16個線圈都分別繞在第二定子的主齒上，並採用相同的繞線工藝，第十七線圈L17的起始端與第三十一線圈L31的終止端連接，第三i^一線圈L31的起始端與第三十線圈L30的起始端連接，第三十線圈L30的終止端與第二十八線圈L28的起始端連接，第二十八線圈L28的終止端與第二十五線圈L25的終止端連接並作為一個多周期正餘弦激勵信號輸出接頭，第二十五線圈L25的起始端與第二十三線圈L23的終止端連接，第二十三線圈L23的起始端和第二十二線圈L22的起始端連接，第二十二線圈L22的終止端和第二十線圈L20的起始端連接，第二十線圈L20的終止端與第二十四線圈L24的終止端連接並作為一個正餘弦激勵信號輸入接頭，第二十四線圈L24的起始端與第二十六線圈L26的終止端連接，第二十六線圈L26的起始端與第二十七線圈L27的起始端連接，第二十七線圈L27的終止端與第二十九線圈L29的起始端連接，第二十九線圈L29的終止端與第三十二線圈L32的終止端連接並作為另一個多周期正餘弦信號輸出接頭，第三十二線圈L32的起始端與第十八線圈L18的終止端連接，第十八線圈L18的起始端第十九線圈L19的起始端連接，第十九線圈L19的終止端與第二十一線圈L21的起始端連接，第二十一線圈L21的終止端與第十七線圈L17的終止端連接並作為另一個正餘弦激勵信號輸入接頭。
[0022]所述的第四線圈組2-2，相對於第三線圈組順時針方向錯開4個主齒槽的位置進行繞制。
[0023]本發明工作過程如下:
本發明中的第二轉子5-2起到使第二定子1-2和第二轉子5-2之間的氣隙磁導不對稱的功能，當第二轉子5-2旋轉一周時，空間的磁導變化一周期，從而造成第三線圈組2-3和第四線圈組2-4中的電抗隨著第二轉子5-2位置的變化而變化，當第三線圈組2-3和第四線圈組2-4均通過第二接線板4-2連接成圖4所示時，根據電橋分壓原理可以測出隨著位置而變化近似正餘弦信號，進而可以計算出較為粗略的轉子絕對位置信息；第一轉子5-1起到使第一定子1-1和第一轉子5-1之間的氣隙磁導呈多周期變化的功能，當第一轉子5-1旋轉一周時，空間的磁導變化多個周期，周期數與第一轉子5-1中的齒數相關，從而造成第一線圈組2-1和第二線圈組2-2中的電抗隨著第一轉子5-1位置的變化而成多周期變化，當第一線圈組2-1和第二線圈組2-2均通過第一接線板4-1連接成圖3所示時，根據電橋分壓原理可以測出隨著位置而變化的多周期近似正餘弦信號，可以將之前所測出的絕對位置信息進行進一步的細化，提高測量精度。
【權利要求】
1.一種磁導式絕對角度檢測系統，包括磁導式絕對角度檢測裝置和角度檢測信號處理裝置；所述的磁導式絕對角度檢測裝置，包括第一定子、第二定子、第一線圈組、第二線圈組、第三線圈組、第四線圈組、隔磁墊片、第一接線板、第二接線板、第一轉子、第二轉子； 第一線圈組和第二線圈組通過第一接線板安裝在第一定子上，第三線圈組和第四線圈組通過第二接線板安裝在第二定子上；隔磁墊片夾在第一定子與第二定子之間；第一定子、第二定子通過隔磁墊片相互固定；第一轉子與第二轉子相互平行，並且不存在相互旋轉；所述的第一定子與第一轉子同軸設置；第二定子與第二轉子同軸設置；第一線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個多周期正餘弦信號輸出接頭;第二線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個多周期正餘弦信號輸出接頭；第三線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個單周期正餘弦信號輸出接頭；第四線圈組上設有4個接頭，為兩個正餘弦激勵信號輸入接頭和兩個單周期正餘弦信號輸出接頭； 所述的第一定子與第二定子結構相同，都為圓筒形，圓筒內側壁均布有16主齒，並且齒冠還開有均分的梯形副齒；梯形副齒的數量為16的整數倍；所述的第一轉子採用矽鋼片材料，外側面呈齒槽結構；所述的第二轉子採用實心導磁材料，其截面呈偏心圓的結構；第一轉子上齒數為4的整數倍,且除以4的商為奇數； 第三線圈組和第四線圈組的繞組相差4個主齒槽距離，即相對於第三線圈組順時針方向錯開4個主齒槽的位置繞制第四線圈組； 第一線圈組和第二線圈組的繞組相差I個主齒槽距離，當轉子齒數除以4的商再除以4的餘數為I時，相對於第一線圈組順時針方向錯開I個主齒槽的位置繞制第二線圈組；當轉子副齒數除以4的商再除以4的餘數為3時，相對於第一線圈組逆時針方向錯開I個主齒槽的位置繞制第二線圈組； 所述的角度檢測信號處理裝置，包括反饋信號選擇模塊、反饋信號調理模塊、信號解析模塊、激勵信號調理模塊和單片機； 所述的反饋信號選擇模塊的正餘弦信號輸出埠與反饋信號調理模塊的正餘弦信號輸入埠連接，反饋信號調理模塊的信號輸出埠與信號解析模塊的正餘弦信號輸入埠連接，信號解析模塊的激勵信號輸出埠與激勵信號調理模塊的激勵信號輸入埠連接，信號解析模塊的信號解析結果輸出埠與單片機信號解析結果輸入埠連接，單片機的周期控制信號輸出埠分別與反饋信號調理模塊的周期控制信號輸入埠和反饋信號選擇模塊的周期控制信號輸入埠連接； 磁導式絕對角度檢測裝置中四個多周期正餘弦信號輸出接頭與反饋信號選擇模塊的多周期正餘弦信號輸入接頭連接，四個單周期正餘弦信號輸出接頭與反饋信號選擇模塊的單周期正餘弦信號輸入接頭連接，激勵信號調理模塊的正餘弦激勵信號輸出接頭與磁導式絕對角度檢測裝置中的八個正餘弦激勵信號輸入接頭連接。
2.根據權利要求1所述的一種磁導式絕對角度檢測系統，其特徵在於:所述的第一轉子的一個齒頂中心線與第二轉子的偏心圓對稱軸線相重合。
【文檔編號】G01B7/30GK104165580SQ201410361055
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】顏鋼鋒, 唐衝, 宋夙冕, 林志贇 申請人:浙江大學, 杭州經緯自動化有限公司