一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器及方法技术

本发明专利技术提供了一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器及方法，通过在电机轴上安装动片以及在定子上安装静片，所述动片与静片同轴、平行、间隔安装；在动片上设置感应电势线圈和工作线圈；在静片上设置励磁线圈、X轴接收线圈和Y轴接收线圈。本发明专利技术所提供的电机转子位置角度传感器不采用任何半导体器件，工作更加稳定可靠，而且造价成本更低，另外本发明专利技术可适用于任何负载场合，不论是软负载还是硬负载。由于提高了转子位置检测精度，减小了误差，从而可避免电机出现换向噪声，防止电机轻微震动，电机驱动会更加平稳。

An Angular Displacement Sensor and Method for Detecting Rotor Position of Brushless DC Motor

【技术实现步骤摘要】
一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器及方法
本专利技术涉及直流无刷电机
，特别是一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器及方法。
技术介绍
直流无刷电机以其效率高、寿命长等优点越来越受到社会关注，特别是在中小功率应用中，直流无刷电机的机电转换效率可以达到90％，而中小型单相交流电动机的效率只有70-80％，在能源日趋紧张的情况下，直流无刷电机备受青睐。但是相比交流感应电动机，直流无刷电机的驱动较为复杂，其中关键的技术是转子位置的检测。直流无刷电机其工作原理与直流有刷电机非常相似，差别在于一点：直流有刷电机的电枢换向是靠机械式的电刷实现的，而直流无刷电机的换向是靠驱动半导体功率器件的开关实现的。二者之间的共同点为：需要根据转子的位置来切换电枢电流方向，也就是要根据转子位置实现驱动电路的电流换向。直流有刷电机的最大缺点在于：换向所用的电刷结构很容易磨损，导致寿命降低，并且磨损下来的粉末很容易填充到转子的换向器上，导致漏电。而直流无刷电机却从根本上解决了这个问题，因此直流无刷电机继承了直流有刷电机效率高、力矩大以及调速容易的优点，同时避免了电刷机械结构易于磨损的缺点，有全面取代交流异步电动机的趋势。直流无刷电机实现电流换向的方法是：检测出转子位置，然后根据转子位置切换励磁电枢的电流方向，因此转子位置检测是直流无刷电机首要解决的问题。对于转子位置的检测，传统方法有以下几种：1.霍尔器件通过在电机定子上，安装多只磁性传感器-霍尔器件，霍尔器件可以感应直流无刷电机的转子磁铁的极性，则驱动电路可以根据多只霍尔器件的输出判断转子的位置。该方法优点在于：检测精度中等、重复性好、安装空间占用少、成本较低。缺点在于：霍尔器件受温度影响较大、霍尔器件在温度较高震动较强的环境下易于损坏，目前采用霍尔传感器的直流无刷电机损坏的主要原因在于霍尔器件的损坏。2.光电编码通过在电机的轴上安装一个角度光电编码盘，然后固定安装一个光电读码电路，可以检测出与转子同步旋转的光电编码盘上的角度编码，从而确定转子位置。该方法优点在于：检测精度高、重复性好。缺点在于：安装空间大、成本高、只适用于高精度伺服控制，不适合低价应用场合。3.差动变压器编码通过在电机轴上安装一个差动变压器，差动变压器的输出与旋转角度对应，从而实现转子位置检测。该方法优点在于：检测精度高、重复性好。缺点在于：安装空间大、成本高、只适用于高精度伺服控制，不适合低价应用场合。4.电路侦测利用驱动电路停止驱动的瞬间，根据转子磁场在定子绕组中的感应电势来判断转子位置。该方法优点在于：不需要额外的传感器、电机制造工艺简单、成本低。缺点在于：在电机的低速阶段转子形成的感生感生电动势非常微弱甚至没有，因此导致在启动阶段和低速阶段不稳定，不适合硬负载场合。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器及方法，旨在解决现有技术中对转子位置的检测存在环境适应性差、稳定性差或成本高的问题，实现提高稳定性以及恶劣环境适应性，降低制造成本。为达到上述技术目的，本专利技术提供了一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器，所述传感器包括：安装于电机轴上与转子同步旋转的动片和安装于定子上的静片；所述动片与静片同轴、平行、间隔安装；所述动片包括外圈的感应电势线圈和工作线圈，所述感应电势线圈与工作线圈串联为闭合回路，所述工作线圈为两个逆向串联的线圈；所述静片包括最外侧的励磁线圈、X轴接收线圈和Y轴接收线圈，所述X轴接收线圈为两个左右逆向串联的线圈，所述Y轴接收线圈为两个上下逆向串联的线圈。优选地，所述动片与静片之间距离为0.5mm。优选地，所述动片为PCB板制造，动片上的线圈为刻蚀金属线条；所述静片为PCB板制造，静片上的线圈为刻蚀金属线条。优选地，所述动片的感应电势线圈与工作线圈不在同一PCB板层，所述工作线圈为90度扇形线圈。优选地，所述静片为四层PCB板结构，两层PCB板中含有励磁线圈和Y轴接收线圈，两层PCB板中含有X轴接收线圈，所述X轴接收线圈、Y轴接收线圈均为90度扇形线圈。优选地，所述动片的扇形线圈面积小于静片的扇形线圈面积，且当动片扇形线圈与静片扇形线圈面积重叠时，动片的扇形线圈被静片的扇形线圈全覆盖。本专利技术还提供了一种利用所述的角位移传感器检测直流无刷电机转子位置的方法，所述方法包括以下步骤：S1、对静片中的励磁线圈通入高频交流电，产生主磁场；S2、主磁场作用于动片上的感应电势线圈形成感生电流，感生电流在与感应电势线圈串联的工作线圈中产生感生电流；S3、动片工作线圈的感生电流在工作线圈中串联的两个线圈中形成方向不同的感生旋转磁场；S4、感生旋转磁场作用于静片上的X轴接收线圈和Y轴接收线圈产生感应电动势；S5、计算X轴接收线圈产生的电动势与Y轴接收线圈产生的电动势的比值，得到动片与静片之间的空间位置夹角，即为转子的位置角。优选地，所述高频交流电的频率为1MHz。优选地，所述主磁场在静片中X轴接收线圈、Y轴接收线圈以及在动片中的工作线圈产生的感应电动势分别相互抵消，输出为0。优选地，所述方法还包括：通过检测X轴接收线圈产生的电动势与Y轴接收线圈产生的电动势的幅值比例，以及与励磁信号的相位关系，实现四象限角度传感。
技术实现思路
中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是专利技术所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：与现有技术相比，本专利技术所提供的电机转子位置角度传感器不采用任何半导体器件，工作更加稳定可靠，而传统霍尔器件检测或者光电编码位置检测都会存在半导体器件在高温、高震动环境下快速老化导致电机故障率高的问题，由于本专利技术采用PCB板工艺制造，不采用任何半导体器件，可极大提升直流无刷电机的抗恶劣环境的适应性，而且造价成本更低。本专利技术可适用于任何负载场合，不论是软负载还是硬负载。由于提高了转子位置检测精度，减小了误差，从而可避免电机出现换向噪声，防止电机轻微震动，电机驱动会更加平稳，从而解决采用霍尔器件时电机容易出现波动或者驱动效率下降的问题。且本身造价成本低，相对于差动变压器检测来说，能有效降低成本，可用于低价应用场合。附图说明图1为本专利技术实施例中所提供的一种动片中包含工作线圈的PCB板结构示意图；图2为本专利技术实施例中所提供的一种动片中包含感应电势线圈的PCB板结构示意图；图3为本专利技术实施例中所提供的一种静片中包含励磁线圈和Y轴接收线圈的其中一层PCB板结构示意图；图4为本专利技术实施例中所提供的一种静片中包含励磁线圈和Y轴接收线圈的另一层PCB板结构示意图；图5为本专利技术实施例中所提供的一种静片中包含X轴接收线圈的其中一层PCB板结构示意图；图6为本专利技术实施例中所提供的一种静片中包含X轴接收线圈的另一层PCB板结构示意图；图7为本专利技术实施例中所提供的一种检测直流无刷电机转子位置的方法流程图。具体实施方式为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利技术进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本专利技术的不同结构。为了简化本专利技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本专利技术可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器，其特征在于，所述传感器包括：安装于电机轴上与转子同步旋转的动片和安装于定子上的静片；所述动片与静片同轴、平行、间隔安装；所述动片包括外圈的感应电势线圈和工作线圈，所述感应电势线圈与工作线圈串联为闭合回路，所述工作线圈为两个逆向串联的线圈；所述静片包括最外侧的励磁线圈、X轴接收线圈和Y轴接收线圈，所述X轴接收线圈为两个左右逆向串联的线圈，所述Y轴接收线圈为两个上下逆向串联的线圈。

【技术特征摘要】
1.一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器，其特征在于，所述传感器包括：安装于电机轴上与转子同步旋转的动片和安装于定子上的静片；所述动片与静片同轴、平行、间隔安装；所述动片包括外圈的感应电势线圈和工作线圈，所述感应电势线圈与工作线圈串联为闭合回路，所述工作线圈为两个逆向串联的线圈；所述静片包括最外侧的励磁线圈、X轴接收线圈和Y轴接收线圈，所述X轴接收线圈为两个左右逆向串联的线圈，所述Y轴接收线圈为两个上下逆向串联的线圈。2.根据权利要求1所述的一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器，其特征在于，所述动片与静片之间距离为0.5mm。3.根据权利要求1所述的一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器，其特征在于，所述动片为PCB板制造，动片上的线圈为刻蚀金属线条；所述静片为PCB板制造，静片上的线圈为刻蚀金属线条。4.根据权利要求3所述的一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器，其特征在于，所述动片的感应电势线圈与工作线圈不在同一PCB板层，所述工作线圈为90度扇形线圈。5.根据权利要求4所述的一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器，其特征在于，所述静片为四层PCB板结构，两层PCB板中含有励磁线圈和Y轴接收线圈，两层PCB板中含有X轴接收线圈，所述X轴接收线圈、Y轴接收线圈均为90度扇形线圈。6.根据权利要求5所述的一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，王燕，
申请(专利权)人：上海兆煊微电子有限公司，王燕，
类型：发明
国别省市：上海,31