[發明專利]一種永磁交流伺服電機的嵌入式位置檢測系統

有效

• 申請號: 201610070876.2
• 申請日: 2016-02-01
• 公開（公告）號: CN105490596B
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 彭東林;吳治嶧;張旭云;張天恒;王淑嫻;付敏
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: H02P6/185
• 分類號: H02P6/185
• 代理公司: 重慶華科專利事務所50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明屬于伺服電機控制技術領域，具體涉及電機轉動位置檢測技術。

背景技術

永磁交流伺服電機是伺服控制系統中的關鍵組成元件，其轉動位置的精確檢測與精準控制是實現真正伺服控制的重要基礎。

目前應用最廣泛的永磁交流伺服電機的轉動位置檢測方法是利用外置位置傳感器，如光電編碼器、磁電編碼器、旋轉變壓器、感應同步器等實現檢測。雖然測量精度高，但一方面其破壞了電機原有的緊湊型結構，使電機的運行性能受到位置傳感器安裝效果的影響；另一方面上述幾種方法都依賴空間的精密等分刻線，測量精度要受機械加工精度的影響。因此，“無傳感器檢測技術”成為近些年研究的熱點，目前主要有如下幾種實現方法：一種是利用控制理論的相關技術，構建理想的電機數學模型，實現對電機轉速的估測。如專利文獻CN103560725A公開了一種無刷直流電機無位置傳感器控制位置檢測方法，利用電機控制理論的知識構建了電機的理想磁鏈函數模型并利用其來進行轉子位置的估測。這種方法需要構建復雜的數學模型，并且只有在充分觀察的基礎上才能進行建模、估測，測量結果易受到干擾，精度難以保證，且將電機的部分參數理想化，只能用于估測而無法真正實現精確、實際的測量。另一種是注入高頻激勵信號，通過檢測電機中對應的電壓(電流)信號來實現對電機位置的檢測，這種方法要求電機轉子結構具有凸極性，應用范圍窄，實現困難。

針對上述“無傳感器檢測技術”存在的難以用于實際工作環境實現電機轉子位置準確測量的問題，“嵌入傳感器檢測技術”成為檢測電機角位移的新思路，專利文獻CN103490682A公開了一種交流伺服電機轉子位置檢測系統，利用電機的工作原理與場式時柵位移傳感器的測量原理的相似性，將電機的定子繞組作為時柵定測頭，將電機轉子已有的繞組或重新繞線的方式構成時柵動測頭，并利用定轉子之間的旋轉磁場來實現電機轉子位置的測量。但對于轉子無繞線時，需要破壞電機結構重新繞線，此外還需要環形變壓器等將感應信號輸出，該系統仍然存在一定的缺陷。

因此，如何在不破壞永磁交流伺服電機的緊湊型結構的前提下，實現其位移的精確檢測與控制是急需解決的問題。

發明內容

本發明基于時柵位置測量原理和TMR芯片功能，并結合永磁體轉子結構，在不破壞電機原有結構的基礎上，提出一種永磁交流伺服電機的轉動位置嵌入式位置檢測系統，該系統可以使永磁交流伺服電機在徹底去掉外置位置傳感器的同時，不僅可以適應惡劣的工作壞境，并能在較寬的速度范圍內實現較準確的測量，具有較高的測量精度和較低的檢測成本。

本發明的具體技術方案如下：

一種永磁交流伺服電機的嵌入式位置檢測系統，其包括一組正、余弦激勵信號加載模塊、至少一對空間正交的TMR芯片、時柵信號處理系統。

所述嵌入式位置檢測裝置是直接利用電機內部永磁體轉子結構所具有的機械等分性，在電機內部嵌入TMR芯片作為敏感單元，每對TMR芯片沿電機軸的周向空間正交固定布置，并處于同一徑向平面內；若設電機的單極永磁體所對應的圓周角為θ，那么每對TMR芯片中心位置之間所對應的圓周角為所述TMR芯片感應永磁體隨著電機軸轉動產生的交變磁場，輸出與其同頻變化的電壓信號，所述電壓信號即為反映電機轉角的信號；

所述正、余弦激勵信號加載模塊與TMR芯片連接，在每對TMR芯片上分別加載正、余弦激勵；

所述時柵信號處理系統連接TMR芯片，獲取TMR芯片上輸出的電機轉角信號，經處理后得到電機的角位移，即轉動位置。

本發明是基于時柵位置測量原理和TMR芯片功能，并結合永磁體轉子結構，實現永磁交流伺服電機轉動位置的嵌入式檢測。永磁體隨著電機軸轉動的同時會產生交變磁場，嵌入電機內部的TMR芯片利用隧穿磁阻效應，能靈敏的感應磁場的變化，其感應此交變磁場并輸出與其同頻變化的電壓信號。若在每對TMR芯片上分別加載正、余弦激勵，即時間正交的激勵信號，并將TMR芯片兩兩放在空間正交的位置上，就會在每塊TMR芯片上得到一路反映電機轉角的信號，將信號輸入時柵信號處理系統，經過處理后就可以得到電機的角位移，即轉動位置。

本發明適用于現有的各種具有機械等分性的永磁體轉子結構，其突破了以往在電機后端外加獨立位置傳感器的技術局限，在不用破壞永磁交流伺服電機的緊湊型結構的前提下，實現永磁交流伺服電機轉動位置的嵌入式測量，具有大幅提升電機的運行性能、緊縮電機結構尺寸、降低成本、增強抗干擾性能和適應惡劣工作環境的能力等優勢。

附圖說明

圖1是永磁交流伺服電機結構框圖；