[发明专利]一种永磁交流伺服电机的嵌入式位置检测系统

说明书

技术领域

本发明属于伺服电机控制技术领域，具体涉及电机转动位置检测技术。

背景技术

永磁交流伺服电机是伺服控制系统中的关键组成元件，其转动位置的精确检测与精准控制是实现真正伺服控制的重要基础。

目前应用最广泛的永磁交流伺服电机的转动位置检测方法是利用外置位置传感器，如光电编码器、磁电编码器、旋转变压器、感应同步器等实现检测。虽然测量精度高，但一方面其破坏了电机原有的紧凑型结构，使电机的运行性能受到位置传感器安装效果的影响；另一方面上述几种方法都依赖空间的精密等分刻线，测量精度要受机械加工精度的影响。因此，“无传感器检测技术”成为近些年研究的热点，目前主要有如下几种实现方法：一种是利用控制理论的相关技术，构建理想的电机数学模型，实现对电机转速的估测。如专利文献CN103560725A公开了一种无刷直流电机无位置传感器控制位置检测方法，利用电机控制理论的知识构建了电机的理想磁链函数模型并利用其来进行转子位置的估测。这种方法需要构建复杂的数学模型，并且只有在充分观察的基础上才能进行建模、估测，测量结果易受到干扰，精度难以保证，且将电机的部分参数理想化，只能用于估测而无法真正实现精确、实际的测量。另一种是注入高频激励信号，通过检测电机中对应的电压(电流)信号来实现对电机位置的检测，这种方法要求电机转子结构具有凸极性，应用范围窄，实现困难。

针对上述“无传感器检测技术”存在的难以用于实际工作环境实现电机转子位置准确测量的问题，“嵌入传感器检测技术”成为检测电机角位移的新思路，专利文献CN103490682A公开了一种交流伺服电机转子位置检测系统，利用电机的工作原理与场式时栅位移传感器的测量原理的相似性，将电机的定子绕组作为时栅定测头，将电机转子已有的绕组或重新绕线的方式构成时栅动测头，并利用定转子之间的旋转磁场来实现电机转子位置的测量。但对于转子无绕线时，需要破坏电机结构重新绕线，此外还需要环形变压器等将感应信号输出，该系统仍然存在一定的缺陷。

因此，如何在不破坏永磁交流伺服电机的紧凑型结构的前提下，实现其位移的精确检测与控制是急需解决的问题。

发明内容

本发明基于时栅位置测量原理和TMR芯片功能，并结合永磁体转子结构，在不破坏电机原有结构的基础上，提出一种永磁交流伺服电机的转动位置嵌入式位置检测系统，该系统可以使永磁交流伺服电机在彻底去掉外置位置传感器的同时，不仅可以适应恶劣的工作坏境，并能在较宽的速度范围内实现较准确的测量，具有较高的测量精度和较低的检测成本。

本发明的具体技术方案如下：

一种永磁交流伺服电机的嵌入式位置检测系统，其包括一组正、余弦激励信号加载模块、至少一对空间正交的TMR芯片、时栅信号处理系统。

所述嵌入式位置检测装置是直接利用电机内部永磁体转子结构所具有的机械等分性，在电机内部嵌入TMR芯片作为敏感单元，每对TMR芯片沿电机轴的周向空间正交固定布置，并处于同一径向平面内；若设电机的单极永磁体所对应的圆周角为θ，那么每对TMR芯片中心位置之间所对应的圆周角为所述TMR芯片感应永磁体随着电机轴转动产生的交变磁场，输出与其同频变化的电压信号，所述电压信号即为反映电机转角的信号；

所述正、余弦激励信号加载模块与TMR芯片连接，在每对TMR芯片上分别加载正、余弦激励；

所述时栅信号处理系统连接TMR芯片，获取TMR芯片上输出的电机转角信号，经处理后得到电机的角位移，即转动位置。

本发明是基于时栅位置测量原理和TMR芯片功能，并结合永磁体转子结构，实现永磁交流伺服电机转动位置的嵌入式检测。永磁体随着电机轴转动的同时会产生交变磁场，嵌入电机内部的TMR芯片利用隧穿磁阻效应，能灵敏的感应磁场的变化，其感应此交变磁场并输出与其同频变化的电压信号。若在每对TMR芯片上分别加载正、余弦激励，即时间正交的激励信号，并将TMR芯片两两放在空间正交的位置上，就会在每块TMR芯片上得到一路反映电机转角的信号，将信号输入时栅信号处理系统，经过处理后就可以得到电机的角位移，即转动位置。

本发明适用于现有的各种具有机械等分性的永磁体转子结构，其突破了以往在电机后端外加独立位置传感器的技术局限，在不用破坏永磁交流伺服电机的紧凑型结构的前提下，实现永磁交流伺服电机转动位置的嵌入式测量，具有大幅提升电机的运行性能、紧缩电机结构尺寸、降低成本、增强抗干扰性能和适应恶劣工作环境的能力等优势。

附图说明

图1是永磁交流伺服电机结构框图；