[发明专利]一种具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机

说明书

技术领域

本发明属于直线永磁伺服电机技术领域，涉及电机的位置检测技术。

背景技术

随着超高速切削、超精密加工等先进制造技术的发展，机床的各项性能指标又被赋予了更高的要求。特别是对机床进给系统的伺服性能提出了更高的要求：要有很高的驱动推力、快速进给速度和极高的快速定位精度。为了满足与日俱增的要求，一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需要任何中间转换机构的传动装置——直线伺服电机应运而生并取得了长足的发展。

目前应用最广泛的直线永磁交流伺服电机的运动位置检测方法通常是利用旁置的直线光栅进行检测。虽然该方式测量精度高，但一方面其造成了电机体积不可避免的增大，并且使直线电机的运行性能受到位置传感器安装效果的影响；另一方面光栅位置检测方法依赖机械的精密等分刻线，测量精度要受机械加工精度的影响。

近年来出现了一种直接利用机械等分实现计量等分的时栅位置检测技术，并研制出了高精度的圆周式和直线式时栅位置传感器，还进一步提出了一种基于被测对象现有机械等分特性的寄生式时栅位置检测方法。但是现有的寄生式时栅位置检测技术均是基于电磁感应原理使用线圈进行检测，而线圈绕制难以保证均匀性而且体积通常较大，使得该种检测方法在直线电机中难以得到有效应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机，旨在通过替换直线电机现有的外置位置检测传感器，实现直线永磁伺服电机体积的减小和成本的降低，促进直线伺服电机更广泛的应用。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明是针对直线永磁伺服电机内部机械等分的永磁体阵列，基于时栅位置测量原理，利用隧穿磁阻(TMR)芯片实现直线永磁伺服电机运动位置的嵌入式检测。

本发明提出的具有嵌入式位置检测装置的直线永磁伺服电机包括定子、动子和嵌入式位置检测装置。

所述定子包括机械等分的永磁体阵列和固定永磁体的磁轭，所述动子包括磁芯及绕制其上的线圈组。

所述嵌入式位置检测装置包括嵌入式位置传感头、激励模块和时栅信号处理系统；所述嵌入式位置传感头由PCB底板和沿板长度方向贴于其上的至少一组空间正交TMR芯片组成，嵌入式位置传感头固定于动子上嵌入式位置传感头固定于动子上上能感受机械等分永磁体所产生磁场的任何位置，嵌入式位置传感头的长度方向平行于动子的运动方向；嵌入式位置传感头通过激励模块分别向每组TMR芯片分别施加正弦激励和余弦激励，实现激励信号的时间正交，进而在随着动子的运动过程中，通过感受直线永磁伺服电机定子上机械等分的永磁体阵列周期性磁场分布，得到两路信号和输出，合成后得到的信号输入时栅信号处理系统，最终实现对直线永磁伺服电机位置的嵌入式检测。以上嵌入式位置检测装置适用于任何包含所述机械等分永磁体阵列的直线永磁伺服电机。

作为一个优选方案，所述空间正交的TMR芯片组通常使用两片TMR芯片构成一组。所述空间正交的每组TMR芯片中两片TMR芯片的敏感方向沿相同方向放置，敏感方向既可沿着电机动子运动方向放置也可以垂直于电机动子运动方向放置。

作为一个优选方案，设机械等分永磁体阵列中相邻两片永磁体的中心距离为2l，组内两片TMR芯片的中心距离为L，则所述空间正交须满足关系L=（2n+1）l。

作为一个优选方案，所述空间正交的TMR芯片组在时间正交信号的激励下，随着直线电机运动将产生反应位置变化的信号，采用公知的时栅信号处理系统进行处理。经放大、滤波、相位解调、运动位移计算处理后，最终得到直线永磁伺服电机的运动位置。

作为优选，嵌入式位置传感头可以采用多组空间正交的TMR芯片，多组TMR芯片的输出通过平均处理，从而提高测量精度。进一步为了节省空间，当采用多组TMR芯片时，一组的两块TMR芯片与另一组的TMR芯片交替布置。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

由PCB底板和TMR芯片组构成的嵌入式位置检测传感头结构简单，体积小且便于与现有任何包含所述机械等分永磁体阵列的直线永磁伺服电机相集成，不会导致电机体积的增大，也不会造成额外的运载负担；直接利用直线电机内部的机械等分的永磁体阵列进行位置检测，即可实现直线伺服电机进行运动控制所需计量等分的位置信号，比现在通常采用的直线光栅，该方法成本低廉、环境适应性强、可靠性高；嵌入式位置检测装置结构简单且成本适宜，对直线永磁伺服电机的位置传感技术而言是极大的技术突破与革新，在直线永磁伺服电机领域具有广阔的应用前景。