一種永磁交流伺服電機的嵌入式位置檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于伺服電機控制技術領域，具體設及電機轉動位置檢測技術。
【背景技術】
[0002] 永磁交流伺服電機是伺服控制系統(tǒng)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(xiàn)真正伺服控制的重要基礎。
[0003] 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(xiàn)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(xiàn)方法:一 種是利用控制理論的相關技術，構建理想的電機數(shù)學模型，實現(xiàn)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(shù)模型并利用其來進行轉子位置的估測。運種方法 需要構建復雜的數(shù)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W保證，且將電機的部分參數(shù)理想化，只能用于估測而無法真正實現(xiàn)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(xiàn)對電機位置的檢測，運種方法要求電機轉子結構具有凸極性，應用范圍窄，實現(xiàn)困難。
[0004] 針對上述"無傳感器檢測技術"存在的難W用于實際工作環(huán)境實現(xiàn)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(tǒng)，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(xiàn)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(huán)形變壓器等 將感應信號輸出，該系統(tǒng)仍然存在一定的缺陷。
[0005] 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(xiàn)其位移的精 確檢測與控制是急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明基于時柵位置測量原理和TMR忍片功能，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(tǒng)，該 系統(tǒng)可W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W適應惡劣的工 作壞境，并能在較寬的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)較準確的測量，具有較高的測量精度和較低的檢測 成本。
[0007] 本發(fā)明的具體技術方案如下：
[000引一種永磁交流伺服電機的嵌入式位置檢測系統(tǒng)，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忍片、時柵信號處理系統(tǒng)。
[0009]所述嵌入式位置檢測裝置是直接利用電機內(nèi)部永磁體轉子結構所具有的機械等 分性，在電機內(nèi)部嵌入TMR忍片作為敏感單元，每對TMR忍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(nèi)；若設電機的單極永磁體所對應的圓周角為Θ，那么每對TMR忍 片中屯、位置之間所對應的圓周角為所述TMR忍片感應永磁體隨著電機軸轉動產(chǎn)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； [0010]所述正、余弦激勵信號加載模塊與TMR忍片連接，在每對TMR忍片上分別加載正、余 弦激勵；
[0011] 所述時柵信號處理系統(tǒng)連接TMR忍片，獲取TMR忍片上輸出的電機轉角信號，經(jīng)處 理后得到電機的角位移，即轉動位置。
[0012] 本發(fā)明是基于時柵位置測量原理和TMR忍片功能，并結合永磁體轉子結構，實現(xiàn)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(chǎn)生交變磁場， 嵌入電機內(nèi)部的TMR忍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忍片上分別加載正、余弦激勵，即時間正交 的激勵信號，并將TMR忍片兩兩放在空間正交的位置上，就會在每塊TMR忍片上得到一路反 映電機轉角的信號，將信號輸入時柵信號處理系統(tǒng)，經(jīng)過處理后就可W得到電機的角位移， 即轉動位置。
[0013] 本發(fā)明適用于現(xiàn)有的各種具有機械等分性的永磁體轉子結構，其突破了 W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(xiàn)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(huán)境的能力等優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0014] 圖1是永磁交流伺服電機結構框圖；
[0015] 圖2是永磁交流伺服電機轉動位置嵌入式測量系統(tǒng)的原理框圖；
[0016] 圖3a是TMR忍片空間正交放置示意圖；
[0017] 圖3b是TMR忍片安裝示意圖；
[0018] 圖4是時柵信號處理系統(tǒng)框圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖W設置一對TMR忍片為對本發(fā)明進行詳細說明。
[0020] 本發(fā)明所述的基于時柵位置測量原理和TMR忍片實現(xiàn)永磁交流伺服電機角位移測 量的原理如圖2所示。
[0021] 參照圖1，本發(fā)明中的永磁交流伺服電機的具體結構包括常規(guī)永磁交流伺服電機 所有部件，如電機后端蓋1、后端蓋軸承2、電機外殼3、電機定子4、永磁體5 (電機轉子）、電機 前端蓋7、前端蓋軸承8、電機軸9等。在此基礎上，增加了嵌入式位置檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)W電機 本身具有的永磁體5為基礎，增加 TMR忍片a6a、TMR忍片b6b、正余弦激勵lOa-b和時刪信號處 理系統(tǒng)11，利用TMR忍片對磁場變化非常靈敏的特性，直接將TMR忍片a6a和TMR忍片b6b嵌入 電機內(nèi)部感應永磁體附近隨著電機軸轉動時的交變磁場，并結合時刪位移傳感器的思想原 理，在不破壞電機原有緊湊結構的基礎上實現(xiàn)永磁交流伺服電機角位移的測量。
[0022] 參照圖2,檢測系統(tǒng)的正余弦激勵信號加載模塊與TMR忍片連接，在TMR忍片和 TMR忍片b6b上分別加載正、余弦激勵lOa-b，并將其放在空間正交的位置，當永磁體隨著電 機軸轉動時會產(chǎn)生交變的磁場，TMR忍片感應永磁體中產(chǎn)生的交變磁場，并在每塊TMR忍片 上得到一路反映電機轉角的信號，TMR忍片與時柵信號處理系統(tǒng)連接，將兩路信號輸入時柵 信號處理系統(tǒng)，經(jīng)一系列處理后就可W得到永磁交流電機的角位移即轉動位置，
[0023] 如圖3a所示，9代表電機軸、3代表電機外殼、4代表定子、和6b分別代表TMR忍片a 和TMR忍片b、5代表永磁體，即需要將忍片a的中屯、位置正對永磁體的中屯、位置，則忍片b的 中屯、位置正對相鄰永磁體間的縫隙兩塊TMR忍片在忍片輸出特性曲線的線性區(qū)域內(nèi)，輸出 信號與磁場的變化呈線性關系。
[0024] 由于本發(fā)明旨在不破壞電機原有結構的基礎上實現(xiàn)位移的測量，因此在安裝TMR 忍片afe和TMR忍片b6b時考慮將其安裝于電機前端蓋7上，如圖3b所示，一塊正對永磁體中 屯、，另一塊正對相鄰永磁體間的縫隙。
[0025] 參照圖4,將兩塊TMR忍片輸出的反映電機角位移變化的信號送入時柵信號處理系 統(tǒng)22進行處理，時柵信號處理系統(tǒng)22進行信號處理時具體包括:放大、濾波及整形、信號解 調(diào)、角位移計算等過程，最后得到所需的電機轉動位置信息，達到和電機外置角度編碼器同 樣的檢測效果。
【主權項】
1. 一種永磁交流伺服電機的嵌入式位置檢測系統(tǒng)，其特征在于: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(tǒng)， 所述嵌入式位置檢測裝置是直接利用電機內(nèi)部永磁體轉子結構所具有的機械等分性， 在電機內(nèi)部嵌入TMR芯片作為敏感單元，每對TMR芯片包含兩片，它們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(nèi)；所述TMR芯片感應永磁體隨著電機軸轉動產(chǎn)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(tǒng)連接TMR芯片，獲取TMR芯片上輸出的電機轉角信號，經(jīng)處理后 得到電機的角位移，即轉動位置。2. 根據(jù)權利要求1所述的永磁交流伺服電機的嵌入式位置檢測系統(tǒng)，其特征在于: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3. 根據(jù)權利要求1所述的永磁交流伺服電機的嵌入式位置檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述 TMR芯片沿電機軸的軸向嵌于電機的前端蓋內(nèi)側。
【專利摘要】本發(fā)明保護一種永磁交流伺服電機的嵌入式位置檢測系統(tǒng)，包括一組正、余弦激勵信號加載模塊、至少一對隧穿磁阻TMR芯片、時柵信號處理系統(tǒng)。在不破壞電機結構的基礎上，將TMR芯片嵌入電機內(nèi)部，在每對TMR芯片上分別加載正、余弦激勵，并將TMR芯片兩兩放在空間正交的位置上，在電機轉動時，會在每塊TMR芯片上得到一路反映電機轉動位置的信號，將信號輸入時柵信號處理系統(tǒng)，經(jīng)過處理后可以得到電機的轉動位置。本發(fā)明將時柵位置測量原理、TMR芯片和等分的永磁體轉子相結合，實現(xiàn)永磁交流伺服電機轉動位置的嵌入式檢測，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(huán)境的能力等優(yōu)勢。
【IPC分類】H02P6/185
【公開號】CN105490596
【申請?zhí)枴緾N201610070876
【發(fā)明人】彭東林, 吳治嶧, 張旭云, 張?zhí)旌? 王淑嫻, 付敏
【申請人】重慶理工大學
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2016年2月1日