[发明专利]一种带有编码器功能的伺服电机及其位置检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及伺服电机研究领域，特别涉及一种带有编码器功能的伺服电机及其位置检测方法。

背景技术

目前，传统的伺服电机为实现位置检测功能，一般是在电机本体外部加装一编码器，这种结构使得电机整体体积变大。同时，现有的编码器都是光电式和磁式，具有防护等级低、强度差、耐冲击性能差的缺点。

针对上面的两个问题，本领域研究人员提出了一些改进方法。例如针对电机体积大的问题，公开号为CN1815860A的专利公开了一种带编码器的小型电动机，该电动机通过设置驱动用磁体和信号用磁体来进行检测，从而实现小型化。针对编码器易于强度差、耐冲击性能差的缺点，授权公告号为CN203537182U的专利公开了一种伺服电机和伺服编码器一体结构，提出在编码器本体和电机壳体上分别设置相互配合的定位机构，从而使电机的电机轴发生沿其轴向窜动的状况时也不会伤害到编码器。公开号为CN102468714A的专利公开了一种带编码器的电动机及电动机用编码器，该编码器上设置了一凸部，在电动机轴的反负载侧的端部形成一凹部，通过二者结合，编码器固定在电动机轴上。

但是上述改进均仅仅是针对其中一个问题进行了改进，都无法同时克服上述两个问题，而上述两个问题是影响伺服电机正常运行的关键因素，因此，如何能够同时克服上述两个问题具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种带有编码器功能的伺服电机，该电机利用转子磁瓦实现编码器功能，从而减少生产材料和工序，有效降低伺服电机的生产成本，同时大大提高伺服电机的抗冲出性能，显著提高伺服电机的结构强度和可靠性。

本发明提供了一种基于上述带有编码器功能的伺服电机的位置检测方法，该方法利用转子磁瓦实现编码器功能。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种带有编码器功能的伺服电机，包括转子、定子、霍尔元件，以及用于将霍尔元件输出的波形电压信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器的信号处理电路；所述转子的磁瓦的单体边缘上设置齿形结构，齿形结构作为磁栅；在转子旋转时，转子磁瓦和霍尔元件之间产生相对位移；所述霍尔元件包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，第一霍尔元件、第二霍尔元件的设置位置均正对着转子磁栅运动的圆周轨迹，二者之间的夹角符合(n±1/4)T的规则，其中n为整数，T代表磁栅的一个周期。从而用伺服电机转子磁瓦实现编码器的磁栅功能。

优选的，所述齿形结构为圆弧齿或矩形齿。

优选的，所述霍尔元件还包括零点霍尔元件，零点霍尔元件设置在与电机零点磁铁相对的位置。

优选的，所述转子磁瓦为金属磁栅式结构。所以抗冲击性能得到显著提高。

一种基于上述带有编码器功能的伺服电机的位置检测方法，步骤是：转子磁瓦旋转从而产生交变的磁场，第一霍尔元件和第二霍尔元件分别将交变的磁场转换成交变的电压信号输出到信号处理电路，信号处理电路根据所采集的这两个信号的波形关系，将采集到的波形电压信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器。

作为一种优选方案，所述转子磁瓦的单体边缘上设置的齿形结构为圆弧齿，第一霍尔元件输出正弦信号，第二霍尔元件输出余弦信号，信号处理电路将上述正、余弦信号经细分算法处理成绝对式编码器位置信号输出给伺服驱动器。这种结构可应用与位置精度要求高的应用场合。

上述的细分算法是采用电子学细分方法对输出的正余弦信号进行插值细分来实现高精度和高分辨率，本发明采用反正切细分法，来实现电子细分。

作为另一种优选方案，所述转子磁瓦的单体边缘上设置的齿形结构为矩形齿，第一霍尔元件和第二霍尔元件输出的为方波信号，信号处理电路直接将上述方波信号作为增量式编码器脉冲信号输出给伺服驱动器。这种结构可应用与位置精度要求不高的应用场合。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、传统的伺服电机一般是由伺服电机本体和编码器构成，传统伺服电机转子磁瓦单体的边缘只是一条直线不具备磁栅的功能，本发明在转子磁瓦单体的边缘上做了多个齿形结构以作为编码器的磁栅，从而将伺服电机和编码器做成一体化，由于不用在伺服电机本体外部留编码器的安装位置，结构更紧凑，有效减少伺服电机的体积，以常用安装尺为130毫米，输出扭矩为7.5牛·米的电机为例，可减小25％的体积。同时，还省去伺服电机本体外部装配编码器的材料和工序，降低生产成本。