旋转电机的转速和位移测量系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种旋转电机的转速和位移测量系统，旋转电机包括转子、定子，以及用于控制旋转电机的驱动器。测量系统包括条形磁栅尺、两个磁栅读头，以及测量电路板，磁栅尺设置在转子的外周上，两个磁栅读头置于磁栅尺外侧方，且两个磁栅读头分别通过磁栅读头线与测量电路板相连。测量电路板与旋转电机的驱动器电连接，由此通过切换两个磁栅读头，利用磁栅读头与磁栅尺的磁作用对电机进行转速和位移测量。本实用新型专利技术的测量系统结构简单、成本低、环境适应能力强，且控制电机定位精度高。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及旋转电机，具体涉及电机的转速和位移测量技术。
技术介绍
在高精度机床和数控转台等需要精确控制的旋转设备中，需要对旋转电机的转速和位移进行精确控制。一般来说，对于旋转电机转速和位移的精确测量，需要使用特定尺寸的圆形光栅或者磁栅贴于转子表面，并通过一个读头来读取磁栅信号，然后将该信号传送给控制系统，控制系统根据该信号对旋转电机进行控制。然而，对于转子直径0.5米以上的电机，由于直径在0.5米以上的大直径的圆形光栅或磁栅制造和安装上很困难且成本高，目前市场上尚无大直径的圆形光栅或磁栅。因此，对于转子直径达到0.5米以上的电机，可以使用光栅尺或者磁栅尺围成圆形贴于转子表面。然而，因为光栅尺或磁栅尺的两端接口处不能无缝衔接而存在一定缺口，造成此处的位移无法测量或测量不准确，进而导致电机转速和位移测量不准确。因此，使用现有技术难以准确测量大转子直径电机的转速和位移，大直径转子电机的高精度定位控制成为难题。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种能够精确测量电机的转速和位移且成本低的双读头测量系统。为实现上述目的，本技术提供了一种旋转电机的转速和位移测量系统，所述旋转电机包括转子、定子，以及用于控制旋转电机的驱动器，其特征在于:所述测量系统包括条形磁栅尺、两个磁栅读头，以及测量电路板；所述磁栅尺设置在转子的外周上，所述两个磁栅读头置于所述磁栅尺外侧方，且所述两个磁栅读头分别通过磁栅读头线与测量电路板相连；以及所述测量电路板与旋转电机的驱动器电连接，由此通过切换两个磁栅读头，利用磁栅读头与磁栅尺的磁作用对电机进行转速和位移测量。较佳地，所述转子外周上设有磁栅槽，所述条形磁栅尺贴于所述磁栅槽中，所述磁栅读头设置在电机机壳上。较佳地，所述两个磁栅读头置于转子外侧方，与磁栅尺相距不超过2mm。较佳地，贴在转子外周上的条形磁栅尺的长度L与所述两个磁栅读头之间的间隔角度α满足公式23iR>L>23iR-a ji R/ 180+Y其中R为电机转子的半径，Y大于磁栅读头的宽度。较佳地，所述的测量系统内部设计有一个计时可调的时钟，能够计出电机运行时间，并通过数码管显示电机正反转和运行路程。较佳地，所述的测量系统还包括滤波器，用于对电机停止运行以及所述两个磁栅读头不在磁栅尺上方时读头采集到的杂波信号进行滤波。较佳地，双读头测量系统包括分频模块、辨向细分模块、电机运行方向判断模块、读头状态判断模块、切换信号发生模块、电机单向运行切换模块、双读头切换模块、读头切换位置选择模块、双读头数据读取模块、双读头数据辨向细分模块、计数模块、数据处理模块、时钟模块、以及数码管显示模块。较佳地，所述测量电路板的核心采用CPLD芯片，所述两个磁栅读头的信号与CPLD芯片之间分别采用两组三路输入差分芯片，CPLD芯片中读头信号由系统状态机进行实现测量系统的辨向检测，判断磁栅读头的工作状态，生成读头切换信号，自动切换读头。较佳地，CPLD芯片将输入磁栅信号存入高速寄存器对其进行保存，然后输入由两个读头信号和寄存器保存的信号组成Mealy型状态机进行实现系统的辨向检测，由此判断两个读头是否在磁栅尺上，产生电机单向运行时读头切换信号，并通过两个读头磁栅信号的辨向细分，判断电机的正反转运行情况。较佳地，测量系统通过CPLD芯片内部的切换信号判断系统实时所需要切换的磁栅读头，输出切换的读头信号。较佳地，磁栅读头采用相同分辨率、相同型号。较佳地，贴于电机转子的磁栅尺长度大于电机转子的半个周长。 较佳地，两个磁栅读头安装位置相对电机转子直径对称。较佳地，测量系统的核心芯片为CPLD，利用VHDL及Verilog HDL进行系统的硬件模块设计。较佳地，两个读头信号通过Mealy型状态机进行辨向检测。较佳地，信号滤波是通过Verilog硬件描述语言应用系统时钟信号进行有效处理。较佳地，电机方向判断是通过芯片内部对读头信号处理进行判断。较佳地，电机切换信号是系统芯片内部产生。较佳地，显示的电机转动的位移可在电机运行或电机停止运行时，通过按键复位清零。较佳地，显示的电机运行时间，可通过按键复位，以及调整当前起始时间。较佳地，电机转动的位移和电机运行时间，可通过按键切换显示。较佳地，两个磁栅读头的信号和寄存器保存的信号组成Mealy型状态机进行实现系统的辨向检测。信号倍频数选择为四倍，将四倍频信号同样通过高速寄存器保存，每路信号存在一个高速时钟的相位延迟，将每路信号取反后对应与高速寄存的信号作与运算，实现信号的微分处理。较佳地，测量系统将方向判断的输出两路信号作为切换信号发生模块的输入，两个状态信号以及电机正反转信号，通过运算在芯片内部产生两个磁栅读头的切换信号。较佳地，电机单方向运行时，系统通过状态机，判断读头的切换模式；电机逆转，系统判断电机正反转，在读头判断完之后，采取相反的读头切换模式，待下一个状态，由状态机判断出需要切换的读头，再切换到之前的切换模式。较佳地，输出切换的读头信号通过Mealy型状态机辨向细分，对信号进行微分处理。较佳地，可通过数据处理模块把磁栅信号计数的数据进行处理，由二进制转换为十进制，便于用数码管显示。较佳地，通过数码管显示出电机正反转和运行距离，LED发光二极管显示出实时工作的磁栅读头。较佳地，测量系统核心芯片和两个磁栅读头之间加入两个DS26C32差分芯片。较佳地，测量系统核心芯片和电机驱动器之间加入一个DS26C31差分芯片。本技术的旋转电机的双读头测量系统中，系统采用条形磁栅尺，贴于电机转子圆周超过半个周长，两个磁栅读头置于转子外侧。电机运行时，两个读头的信号经过辨向细分、滤波、电机方向判断等功能模块后确定磁栅读头的工作状态，生成读头切换信号，可自动切换读头；通过双读头的切换对电机转速与位移进行测量；可直接通过系统显示电路显示出所切换工作的读头、电机转动的位移、电机的正反转和电机运行时间。与现有技术相比，本技术一种旋转电机双读头测量系统的有益效果是:1)结构简单；2)系统基于磁栅传感器，价格低廉，环境适应能力强；3)电机正转和反转时读头均可以切换，进行测量；4)控制电机定位精度高；5)可直接通过系统显示出电机和读头的工作状态及电机运行时间。附图说明图1是根据本技术的双读头测量系统的一个实施例的在旋转电机正转时双读头位移及磁栅尺有效区域示意图；图2是旋转电机反转时双读头位置及磁栅尺有效区域示意图；图3是两读头之一在电机机壳上安装示意图；图4是另一读头在电机机壳上安装示意图；图5是安装了磁栅尺和读头的电机转子侧视图；图6是核心系统芯片的控制流程图；图7是基于CPLD的双读头测量系统模块化设计图；图8是双读头测量系统信号处理示意图；以及图9是双读头测量系统电路板功能示意图。附图标记说明:I读头，2读头信号线，3读头，4读头信号线，5条形磁栅尺,6电机定子，7电机轴承，8电机转子，9电机机壳，10电机正转，11磁栅尺AB段，12电机反转，13磁栅尺⑶段，14机壳上读头线孔，15读头槽，16读头槽，17磁栅尺槽，18机壳上读头线孔，19读头信号，20读头信号，21系统时钟信号，22显示系统控制信号，23计时时钟控制信号，24数码管显示输出信号，25读头切换显示信号，26读头切换输出信号，27读本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转电机的转速和位移测量系统，所述旋转电机包括转子、定子，以及用于控制旋转电机的驱动器，其特征在于：所述测量系统包括条形磁栅尺、两个磁栅读头，以及测量电路板；所述磁栅尺设置在转子的外周上，所述两个磁栅读头置于所述磁栅尺外侧方，且所述两个磁栅读头分别通过磁栅读头线与测量电路板相连；以及所述测量电路板与旋转电机的驱动器电连接，由此通过切换两个磁栅读头，利用磁栅读头与磁栅尺的磁作用对电机进行转速和位移测量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张驰，乔海，廖有用，舒鑫东，周杰，刘强，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：新型
国别省市：浙江;33