霍爾旋轉變壓器及由其製成的霍爾轉角編碼器的製作方法

2023-08-05 14:39:56 3

專利名稱：霍爾旋轉變壓器及由其製成的霍爾轉角編碼器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電機控制技術，更具體地說，涉及一種霍爾旋轉變壓器及 由其製成的霍爾轉角編碼器，可用於無刷直流伺服電動機。
背景技術：
傳統的旋轉變壓器(resolver)是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是 一種測量角度用的可轉動的傳感器，用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速 度，由定子和轉子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，勵 磁頻率通常用400、 3000及5000HZ等。轉子繞組作為變壓器的副邊，通過電 磁耦合得到感應電壓。旋轉變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似，區別在 於普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比 是常數，而旋轉變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉子的角位移發生相對位置的改 變，因而其輸出電壓的大小隨轉子角位移而發生變化，輸出繞組的電壓幅值與 轉子轉角成正弦、餘弦函數關係，或保持某一比例關係，或在一定轉角範圍內 與轉角成線性關係。
在公告號為CN2565123Y的中國專利中，公開了一種霍爾旋轉變壓器， 其中包括線性霍爾元件、永磁體磁環、空心軸轉子、定子機殼、機殼後蓋、定 子芯和霍爾集成電路的印製板，在定子芯上安裝有四個線性霍爾元件，相互錯 開90°電角度，並採用特定的多對極的永磁體磁環，轉子中間有支撐定子的 二個滾珠軸承，定子前端有聯接用的彈簧片。這種方案中存在問題是(1)需 採用特定多對極的永磁體磁環，對磁極均勻性要求高，對不同極對數的電動機 不能通用；(2)在一圈範圍內，難於做到有確定的唯一零位，不方便絕對角位 置的檢測；(3)整體式結構和工藝複雜，難以實現小型化。
在公告號為CN200972824Y的中國專利中，公開了一種改進上述問題的 霍爾旋轉變壓器，其中包括線性霍爾元件、永磁體磁環、空心軸、定子機殼、
5定子芯和聯接霍爾元件的印製電路板，其永磁體磁環固定在空心軸上；其特殊 之處在於定子芯呈圓環形，在定子芯上間隔卯°空間角度分布著至少二個 安裝孔，線性霍爾元件固定在安裝孔內，以便限定線性霍爾元件的空間位置。 然而，線性霍爾元件在定子芯上的安裝孔中的位置會因為安裝間隙、霍爾元件 的外形尺寸等原因，而在安裝孔中的上、下、左、右、前、後6個自由度都存 在位置偏差。又由於永磁體磁環固定在空心軸上，存在位置偏差和垂直度偏差 等，都會造成旋轉變壓器輸出的幅值誤差、相位誤差、函數誤差。另外，永磁 體磁環的質量、安裝也對誤差有極大關係，傳統霍爾旋轉變壓器誤差大且誤差 的一致性很差。
若安裝存在徑向位置偏差O.lmm，設永磁體的外徑12mm，那麼O.lmm 相對周長的相對位置偏差為0.1/(Tt X 12)=0.265%。這個偏差與1° /360。 =0.278%相當，說明該霍爾旋轉變壓器中單一項位置偏差就會產生1°度的誤
差。所以前述技術方案中的霍爾旋轉變壓器技術的角度誤差不可能優於r 。
又例如，永磁體磁環固定在空心軸上，存在0.5°垂直度偏差，就相當於徑向 位置偏差為12sin0.5° =0.1mm，也會產生1°度的誤差。
永磁體磁環產生三維空間磁場，線性霍爾元件將受到切向磁場分量和徑向 磁場分量的作用產生電壓輸出。在公告號為CN200972824Y的中國專利中， 使用四個線性霍爾元件，將180°布置的兩個線性霍爾元件的輸出電壓相減， 試圖補償定、轉子裝配偏心，但由於無法同時補償徑向和切向磁場分量，所以 不能起到良好的補償效果，而通常誤認為是磁極均勻性問題。
由於上述原因，事實上，現有霍爾旋轉變壓器的位置偏差只能達到2。 -3 °左右，且誤差的一致性很差。
現有霍爾旋轉變壓器的精度和精度一致性都很差，其精度比傳統電磁感應 式旋轉變壓器的精度低一個數量級，所以只能在極低精度場合應用。
另外，開關型霍爾轉角編碼器雖然是己有成熟技術，然而它的精度和分辨 率同樣很低， 一般只有100線，現有技術中的霍爾旋轉變壓器的精度則與之相 當。
實用新型內容
針對現有技術的上述缺陷，本實用新型要解決現有霍爾旋轉變壓器的精度 較差的問題。
為解決上述技術問題，本實用新型提供一種霍爾旋轉變壓器，其中包括旋 轉變壓器定子、線性霍爾元件、印製電路板、以及永磁體磁環，其特徵在於， 在所述印製電路板上裝有一個環形軟磁鐵芯，在所述環形軟磁鐵芯的內環面設 有與線性霍爾元件個數相同、並均勻分布的多個凹槽，每個線性霍爾元件裝於 與之對應的那一個凹槽內、並焊接於所述印製電路板上；且每個線性霍爾元件 的磁敏感面與所述永磁體磁環的磁極表面相互對齊。
本實用新型的霍爾旋轉變壓器中，所述環形軟磁鐵芯的厚度可為l-4mm， 由電工純鐵或多片電機用矽鋼片製成；所述環形軟磁鐵芯的軸向幾何中心線與 線性霍爾元件磁敏感面中心線基本重合，偏差不大於0.5mm。
本實用新型的霍爾旋轉變壓器中，所述環形軟磁鐵芯上的每個凹槽的尺寸 正好供一個線性霍爾元件緊配合放入，且每個凹槽的深度尺寸為0. 05-0. 2mm。
本實用新型的霍爾旋轉變壓器中，所述永磁體磁環可由塑料粘結釹鐵硼材 料、或鐵氧體材料、或釹鐵硼材料製成的；所述永磁體磁環具有正弦分布的表 面磁場，並通過軸套固定到電機軸上，在旋轉時可產生正弦分布的旋轉變壓器 轉子氣隙磁場；所述旋轉變壓器定子與轉子間的氣隙為5-25mm。
本實用新型的霍爾旋轉變壓器中，所述旋轉變壓器定子的外殼與所述環形 軟磁鐵芯可為一體結構，用於安裝所述永磁體磁環的所述軸套可通過軸承固定 到所述旋轉變壓器定子的外殼上。
本實用新型的霍爾旋轉變壓器中，當所述永磁體磁環的磁極對數為P=l 時，所述線性霍爾元件的個數為4個，在所述環形軟磁鐵芯的內環面相應設有
74個間隔90。分布的凹槽，各個線性霍爾元件的理想輸出分別為F產Fo+Fsin^ K-K+rcos^ F3=F。一 Fsin(9， K4=r0—Fcos/9。
本實用新型的霍爾旋轉變壓器中，當所述永磁體磁環的磁極對數為P=N， N為大於1的自然數時，所述線性霍爾元件的個數為3個，在所述環形軟磁鐵 芯的內環面相應設有3個間隔120。電角度分布的凹槽，各個線性霍爾元件的 理想輸出分別為V產Vo+VsinA^， V2=V0+Vsin^(e—120°)， V3=V0+Vsin^(e— 240°)。還可增設3個附加的線性霍爾元件，相應地，在所述環形軟磁鐵芯的 內環面上與原有的每個凹槽相對180°的位置各設有一個附加的凹槽，進而共 有6個線性霍爾元件及6個凹槽，所述6個線性霍爾元件的理想輸出分別為， V產V。+Vsi禱，V2=V0+VsinA^(e—120。)， V3=V0+Vsin7V(0—240。)， V4=V0— Vsi禮，V5=V0—VsirW(e—120。)， V6=V0—VsinA^(e—240。)。
本實用新型還提供一種霍爾轉角編碼器，其包括轉角變換電路，還包括前
述霍爾旋轉變壓器，所述轉角變換電路中包括A/D轉換模塊，用於將霍爾旋
轉變壓器輸出的模擬輸出電壓轉換成數字量，再通過運算獲得兩相帶正負號的
旋轉變壓器數字量；矢量旋轉變換電路，用於對所述A/D轉換模塊的輸出結 果與反饋回來轉角編碼器輸出信號O進行矢量旋轉變換運算，產生矢量旋轉 變換電路的輸出偏差信號；比例積分調節器，用於使偏差信號趨於零，達到編 碼器的輸出信號0完全跟蹤輸入轉角0的目的；濾波器，用於獲得速度輸出 信號co;積分電路，用於獲得編碼器的輸出信號0，且0=&
本實用新型的霍爾轉角編碼器可採用數位訊號處理器DSP或單片機MCU 來實現，或者採用純硬體的FPGA或ASIC來實現。
由於採取了上述技術方案，本實用新型中，環形軟磁鐵芯校正了氣隙磁場 的波形，且各個霍爾元件的位置能良好固定，整個霍爾旋轉變壓器的精度比傳 統電磁感應式旋轉變壓器更高，它的幅值誤差、相位誤差、函數誤差很小，對 安裝偏差不敏感， 一致性好，不僅結構、製造工藝簡單，還可構成多種輸出形 式的轉角編碼器。

圖1A是本實用新型一個實施例中霍爾旋轉變壓器的局部結構示意圖1B是圖1A的C向視圖，其中省略了一些次要部件；
圖2是本實用新型一個實施例中四個線性霍爾元件的模擬輸出的波形圖3是圖2所示的模擬輸出相減後的波形圖4本實用新型一個實施例中霍爾轉角編碼器的原理框圖5是圖4所示霍爾轉角編碼器的360。輸出數字量；
圖6是本實用新型一個實施例中霍爾轉角編碼器的增量脈衝數字量。
圖中，1是旋轉變壓器定子，2是環形軟磁鐵芯，3是線性霍爾元件，4
是印製電路板，5是永磁體磁環，6是軸套，7是電機軸，8是小凹槽，4個線
性霍爾元件HO、 H90、 H180、 H270。
具體實施方式
下面將結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的說明。如圖1A和 圖1B所示，本實施例的霍爾旋轉變壓器包括旋轉變壓器定子l、線性霍爾 元件3、聯接霍爾元件的印製電路板4、安裝在旋轉變壓器轉子軸套6上的永 磁體磁環5。其中，永磁體磁環5具有正弦分布的表面磁場，磁極對數為P4， 通過軸套6固定到電機軸7上，電機旋轉時就可產生正弦分布的旋轉變壓器轉 子氣隙磁場。在印製電路板4上裝有一個環形軟磁鐵芯2，環形軟磁鐵芯上有 2P二4個間隔90。分布的小凹槽8， 2P二4個線性霍爾元件H0、 ■、 H180、 H270 互差90°焊在印製電路板4上，並且靠緊小凹槽內。線性霍爾元件3的磁敏 感面與永磁體磁環5的磁極表面相互對齊，並保持旋轉變壓器定子與轉子間具 有均勻氣隙。2P二4個線性霍爾元件的理想輸出分別為formula see original document page 9圖2是四個線性霍爾元件的模擬 輸出的波形圖。其中，利用裝在印製電路板4上的環形軟磁鐵芯2的聚磁作用，將永磁體
磁環5產生的轉子氣隙磁場中的切向分量都轉換成徑向分量；環形軟磁鐵芯的 幾何形狀決定了氣隙磁場的波形，因此環形軟磁鐵芯上間隔90度的四個小凹 槽的正交性，決定線性霍爾元件輸出信號的正交性，而與線性霍爾元件在印製 電路板上的焊接偏差基本無關；每個小凹槽的槽寬尺寸以正好放下線性霍爾元 件為準，這樣一來，霍爾旋轉變壓器的相位誤差會很小。其中的永磁體磁環採 用塑料粘結釹鐵硼材料。
本實施例中，利用環形軟磁鐵芯2的聚磁作用，使線性霍爾元件3磁敏感 面至永磁體磁環5的極面的距離為15毫米，由於氣隙磁場的高次諧波的幅值 與諧波次數成高次冪衰減，因此氣隙磁場的正弦性與永磁體磁環5的質量關係 不大，於是本實施例中霍爾旋轉變壓器的函數誤差極小，且與定、轉子軸向安 裝尺寸無關。
其中，環形軟磁鐵芯2的厚度為3. 5mra，採用電工純鐵，環形軟磁鐵芯2 的軸向幾何中心線與線性霍爾元件3磁敏感面中心線應基本重合，軸向安裝偏 差不大於0.5mm。其中，旋轉變壓器定子與轉子間的氣隙可在5-25mm之間， 與採用不同材料的永磁體磁環、線性霍爾元件的飽和磁密有關，永磁體磁環的 磁能越高、氣隙越大，線性霍爾元件的飽和磁密越高、氣隙越大，本實施例中 取15毫米。
將上述霍爾旋轉變壓器與轉角變換電路組合，可構成轉角編碼器，其中， 四個線性霍爾元件的輸出與轉角變換電路相連，該轉角變換電路通過A/D轉 換模±央，將四個線性霍爾元件的模擬輸出電壓K、 F2、 K、 F4(如圖2所示)， 換成數字量D K、 D ^、 D K、 Z) 再進行Dc0lse= ￡> ^—" F"3和i>s/"e= ￡> K2
—DF4數字運算，獲得D^we與Dw'"e兩相帶正負號的旋轉變壓器數字量。由 於環形軟磁鐵芯的作用和消除了極大部分轉子氣隙磁場中的切向分量，所以轉
子相對定子存在少量徑向、軸向安裝偏差，不會產生Dcos0與Dsin0兩相信號
的幅值和相位偏差。為了說明環形軟磁鐵芯的聚磁作用，設徑向安裝偏差產生R、 K2、 F3、 F 的偏差為土Zir，於是
formula see original document page 11
圖3是本實施例中的四個線性霍爾元件的模擬輸出相減後的波形圖，它 們與安裝偏差無關。
如圖4所示，然後將r2—F4=2Fco 6^n K, —F3=2Fsin6的數字量DcoW 與Dw';^兩相帶正負號的旋轉變壓器數字量送到矢量旋轉變換(CORDIC算法) 電路，與反饋到該電路中的轉角編碼器的輸出信號^做矢量旋轉變換運算，產 生矢量旋轉變換電路的輸出仏/"(e— ^)偏差信號；再送到比例積分(PI)調節 器，調節器的作用使偏差信號趨於零，達到編碼器的輸出信號^完全跟蹤輸入 轉角0的目的，比例積分(PI)調節器的輸出正比e的變化；然後再送到濾波 器獲得速度輸出信號co;再同時送到積分電路獲得編碼器的輸出信號^，且^
在圖5中示出了霍爾轉角編碼舉360。數字量信號^與360。機械轉角的 關係。
本實施例的霍爾轉角編碼器中，轉角變換電路採用內含A/D模塊的單片機 MCU來實現，積分電路獲得編碼器的輸出信號0，是數字量，通過數字口輸出； 也可利用片選，選擇片內D/A變換模塊以模擬量輸出。其中，所述轉角變換電路可採用純硬體的FPGA來實現，還可採用純硬體 的ASIC來實現，所述積分電路獲得編碼器的輸出信號0，是數字量，通過數 字口輸出；也可利用片內D/A變換模塊以模擬量輸出。
本實施例中，轉子磁極對數為P二1，可以檢測360。機械轉角，所以是絕 對值霍爾旋轉變壓器和霍爾轉角編碼器；為了擴大其應用領域，可將檢測到的 360°絕對值機械轉角信號用數字的方法下降其信息量，轉換為增量形式的轉 角信號並通過數字口輸出。圖6是霍爾轉角編碼器增量脈衝數字量輸出信號波 形，其中"是Z脈衝信號，Ua、 Ub是兩相增量脈衝信號。
本實施中，旋轉變壓器的定子外殼與環形軟磁鐵芯2是一體的，安裝永磁 體磁環5的旋轉變壓器轉子軸套6通過軸承固定到定子外殼上，形成組裝式旋 轉變壓器。本實施例霍爾旋轉變壓器的精度可達l-3角分；霍爾轉角編碼器的 精度可達1-3角分，解析度可高達16位以上。
本實用新型的另一實施例是一個多極霍爾旋轉變壓器，其中的永磁體磁環 具有正弦分布的表面磁場，磁極對數為P二^4，為8極霍爾旋轉變壓器；永磁 體磁環通過軸套固定到電機軸上，電機旋轉時就可產生正弦分布的旋轉變壓器 轉子氣隙磁場；在印製電路板上裝有一個環形軟磁鐵芯，環形軟磁鐵芯上有3 個間隔120°電角度分布的小凹槽，3個線性霍爾元件互差120。電角度焊在 印製電路板上、並且靠緊小凹槽內；線性霍爾元件的磁敏感面與磁極表面相互 對齊，並保持旋轉變壓器定子與轉子間具有均勻氣隙；3個線性霍爾元件的理 想輸出分別為，V產Vo+Vsine， V2=Vo+VsiiW(e—120。)， V3=V0+VsinAA(e— 240。) o
為了補償轉子相對定子存在少量徑向安裝偏差對輸出的影響，在環形軟磁 鐵芯3個小凹槽相對的180°機械位置，再增加3個小凹槽，相應再增加3個 線性霍爾元件，於是6個線性霍爾元件的理想輸出分別為，V產Vo+VsinM， V2=V0+VsiniV(e—120。)， V3=V0+VsinA^(e—240。)， V4=VQ—Vsi満，V5=V0—
12VsinA^(e—120°)， V6=Vo—VsiniV(e—240。)。本實施例多極霍爾旋轉變壓器的 精度可達l-3角分；霍爾轉角編碼器的精度可達1-3角分，解析度可高達16 位以上。
本實用新型又一實施例中，也是一個多極霍爾旋轉變壓器，其永磁體磁環 具有正弦分布的表面磁場，磁極對數為P^80，為360極霍爾旋轉變壓器；於 是6個線性霍爾元件的理想輸出分別為，V產Vo+VsinA^e， V2=VQ+VsinTV(e— 120o)， V3=V0+Vsin/V(e—240。)， V4=V0—Vsin7V0， V5=V0—VsirL￥(e—120o)， V6=Vo—Vsin^(e—240°)。本實施例多極霍爾旋轉變壓器的精度可達1_3角秒。 本多極霍爾轉角編碼器的精度可達卜3角秒，解析度可高達21位。
權利要求1、一種霍爾旋轉變壓器，其中包括旋轉變壓器定子(1)、線性霍爾元件(3)、印製電路板(4)、以及永磁體磁環(5)，其特徵在於，在所述印製電路板(4)上裝有一個環形軟磁鐵芯(2)，在所述環形軟磁鐵芯的內環面設有與線性霍爾元件個數相同、並均勻分布的多個凹槽(8)，每個線性霍爾元件裝於與之對應的那一個凹槽內、並焊接於所述印製電路板上；且每個線性霍爾元件的磁敏感面與所述永磁體磁環的磁極表面相互對齊。
2、 根據權利要求1所述的霍爾旋轉變壓器，其特徵在於，所述環形軟磁 鐵芯的厚度為l-4ram，由電工純鐵或多片電機用矽鋼片製成；所述環形軟磁鐵 芯的軸向幾何中心線與線性霍爾元件磁敏感面中心線基本重合，偏差不大於 0.5mm。
3、 根據權利要求2所述的霍爾旋轉變壓器，其特徵在於，所述環形軟磁 鐵芯上的每個凹槽的尺寸正好供一個線性霍爾元件緊配合放入，且每個凹槽的 深度尺寸為0. 05-0. 2mm。
4、 根據權利要求1所述的霍爾旋轉變壓器，其特徵在於，所述永磁體磁 環是由塑料粘結釹鐵硼材料、或鐵氧體材料、或釹鐵硼材料製成的；所述永磁 體磁環具有正弦分布的表面磁場，並通過軸套固定到電機軸上，在旋轉時可產 生正弦分布的旋轉變壓器轉子氣隙磁場；所述旋轉變壓器定子與轉子間的氣隙 為5-25mm。
5、 根據權利要求4所述的霍爾旋轉變壓器，其特徵在於，所述旋轉變壓 器定子(l)的外殼與所述環形軟磁鐵芯是一體結構，用於安裝所述永磁體磁環 的所述軸套通過軸承固定到所述旋轉變壓器定子(1)的外殼上。
6、 根據權利要求1-5中任一項所述的霍爾旋轉變壓器，其特徵在於，所 述永磁體磁環的磁極對數為P^，所述線性霍爾元件的個數為4個，在所述環 形軟磁鐵芯的內環面相應設有4個間隔90。分布的凹槽，各個線性霍爾元件的 理想輸出分別為ri = K0+rsin& r2=Fo+Fcos^ F3=K。_rsin^ K^Fo—Fcos<9。
7、 根據權利要求1-5中任一項所述的霍爾旋轉變壓器，其特徵在於，所 述永磁體磁環的磁極對數為P=N， N為大於l的自然數；所述線性霍爾元件的 個數為3個，在所述環形軟磁鐵芯的內環面相應設有3個間隔120。電角度分 布的凹槽，各個線性霍爾元件的理想輸出分別為V屍V。+VsinAAe， V2=VQ+VSin^ (0—120。)， V3=V0+VsinAA(e—240。)。
8、 根據權利要求7所述的霍爾旋轉變壓器，其特徵在於，還包括3個附 加的線性霍爾元件，相應地，在所述環形軟磁鐵芯的內環面上與原有的每個凹 槽相對180°的位置各設有一個附加的凹槽，進而共有6個線性霍爾元件及6 個凹槽，所述6個線性霍爾元件的理想輸出分別為，V產Vo+VsinA^e， V2=V0+VsinTV(e_120。)， V3=V0+VsiniV(e—240。)， V4=Vo_VsinAAe， V5=V0_ Vsin7V (9—120。)， V6=V0—VsiiW (e _ 240。)。
9、 一種霍爾轉角編碼器，其包括轉角變換電路，其特徵在於，還包括權 利要求1-8中任一項所述的霍爾旋轉變壓器，所述轉角變換電路中包括A/D 轉換模塊，用於將霍爾旋轉變壓器輸出的模擬輸出電壓轉換成數字量，再通過 運算獲得兩相帶正負號的旋轉變壓器數字量；矢量旋轉變換電路，用於對所述 A/D轉換模塊的輸出結果與反饋回來轉角編碼器輸出信號<D進行矢量旋轉變 換運算，產生矢量旋轉變換電路的輸出偏差信號；比例積分調節器，用於使偏差信號趨於零，達到編碼器的輸出信號0完全跟蹤輸入轉角e的目的；濾波器，用於獲得速度輸出信號(o;積分電路，用於獲得編碼器的輸出信號^，且 0=0。
10、根據權利要求9所述的霍爾轉角編碼器，其特徵在於，所述轉角變換電路採用數位訊號處理器DSP或單片機MCU來實現，或者採用純硬體的FPGA 或ASIC來實現。
專利摘要本實用新型涉及一種霍爾旋轉變壓器及由其製成的霍爾轉角編碼器，為解決現有霍爾旋轉變壓器的精度較差的問題，本實用新型的霍爾旋轉變壓器中，在印製電路板(4)上裝有一個環形軟磁鐵芯(2)，在所述環形軟磁鐵芯的內環面設有與線性霍爾元件個數相同、並均勻分布的多個凹槽(8)，每個線性霍爾元件裝於與之對應的那一個凹槽內、並焊接於所述印製電路板上；且每個線性霍爾元件的磁敏感面與所述永磁體磁環的磁極表面相互對齊。本實用新型霍爾旋轉變壓器的精度比傳統電磁感應式旋轉變壓器更高，它的幅值誤差、相位誤差、函數誤差很小，對安裝偏差不敏感，一致性好，不僅結構、製造工藝簡單，還可構成多種輸出形式的霍爾轉角編碼器。
文檔編號H01F38/18GK201348929SQ20082020710
公開日2009年11月18日 申請日期2008年12月31日 優先權日2008年12月31日
發明者劉亞靜, 周兆勇, 廖志輝, 李鐵才, 楊貴傑, 湯平華, 漆亞梅, 王治國, 蘇健勇, 藍維隆 申請人:深圳航天科技創新研究院