[实用新型]产生编码信号的信号齿轮装置

说明书

技术领域

本实用新型属于编码器技术领域，涉及一种信号齿轮装置，尤其涉及一种产 生编码信号的信号齿轮装置。

背景技术

霍尔传感器和导磁材料制成的信号齿轮组合可以组成一种简单的编码器，这 种编码器广泛应用于汽车和工业等领域。

图1-1是应用于交流电机的编码器工作示意图，主要包括信号齿轮(标示为 G1)和霍尔传感器模组(标示为SM1)，霍尔传感器模组的结构可结合图1-2。图 1-1中的信号齿轮G1一圈有64个齿峰，齿峰和齿槽的宽度都为2mm；霍尔传感 器模组SM1主要包括传感器骨架，霍尔传感器芯片，放置在芯片背面的磁钢和芯 片的外围电路4个部分；磁钢，芯片以及芯片的外围电路共同封装在一个传感器 骨架内组成一个完整的霍尔传感器模组。当电机工作时，每经过一个齿峰和齿槽， 传感器模组会输出两路相位相差90度的正交信号(波形如图2所示)。由于信号 齿轮有64个齿峰，电机每转动一周会得到一组64个周期的正交信号。控制器采 集传感器模组输出的正交信号的频率和相位先后，判断电机的转动速度和方向以 实现对电机的闭环控制。

上述提到的霍尔传感器芯片一般为背磁式齿轮传感器芯片，当芯片正对齿峰 时，穿过芯片的磁通量较大，当芯片正对齿槽时，穿过芯片的磁通量较小，通过 感应穿过芯片的磁通量大小变化，经过芯片内的信号处理电路运算处理，霍尔传 感器芯片会输出相应的方波。

图1中的传感器模组SM1有两路独立的正交信号输出，所以其内部需要2 个霍尔传感器芯片或者1个双路正交输出的霍尔传感器芯片；为了得到90度的 相位差，两个霍尔传感器芯片或者1个双路正交输出的霍尔传感器芯片需要满足 一定的条件。如图3所示，齿峰和齿槽的宽度都为D，仅当传感器模组内的2个 霍尔传感器芯片或者是1个双路正交输出的霍尔芯片内的2个感应点之间的距离 为d＝(n*D)/2(n＝1,3,5,7,9…)时，才可以得到相位差为90度的两路正交信 号。以图1中的编码器为例，信号齿轮的齿峰和齿槽的宽度都为2mm，传感器模 组内的2个霍尔传感器芯片或者是1个双路差分输出的霍尔芯片内的2个感应点 之间的距离为1、3、5、7…mm时，传感器模组才能输出两路90度相位差的正交 信号，在实际应用中，受到传感器模组尺寸的限制，传感器模组内的2个霍尔传 感器芯片或者是1个双路差分输出的霍尔芯片内的2个感应点之间的距离一般取 1mm。

在实际应用中，特别是电机在高速转动，信号频率较快时，若输出的两路 90度相位差的正交信号的占空比和相位差出现偏差，控制器将无法准确可靠地 采集电机转动时的方向信号，导致电机转动异常。因此控制器要求采集的两路方 波信号的占空比为50％，误差在±10％以内；相位差为90度，误差在±10度以内。 这就对传感器模组的制作精度以及信号齿轮和传感器模组的安装精度要求非常 高。但在实际中，传感器模组的制造精度很难控制。如图4所示是目前采用的双 芯片传感器模组内的两颗霍尔传感器芯片对齿示意图，其中，C1，C2是封装在 传感器模组内的两颗霍尔传感器芯片，一般宽度为5.16mm；S1，S2是霍尔传感 器芯片内的感应点，一般宽度为0.1mm；信号齿轮的齿峰和齿槽相等都为2mm。 当信号齿轮转动时，C1，C2必须按照图4那样错位1mm，传感器模组才能输出两 路90度相位差的正交信号。但是每颗芯片在封装完成后尺寸都存在一定的误差， 这在芯片资料中都会明确指出，并且在安装过程中难免存在安装误差，这就很难 保证C1，C2错位的1mm的准确性。如果偏差0.1mm，则传感器模组输出的90度 相位差的正交信号偏差10度，不利于控制器准确可靠地采集信号齿轮转动时的 方向信号，导致电机转动异常。同时，对于不同齿宽的信号齿轮，C1，C2需要 错位不同的距离，传感器厂家需要设计不同的传感器模组，增加了成本。若采用 单芯片(即一个霍尔传感器芯片内集成两个感应点)传感器模组，虽然可以保证 芯片内的两个感应点之间的距离为1mm，但是对于不同齿宽的信号齿轮，需要设 计不同的霍尔传感器芯片，这就减小了传感器模组的适用性，同时增加了传感器 厂家的成本。

除此之外，交流电机在高速转动时会产生很大的噪声，通过实验，我们确定 现在的交流电机在高速转动时产生的噪声80％来自信号齿轮转动时所产生的风 噪。而在实际应用中，为了达到更好的用户体验，需要尽量减小电机工作时产生 的噪声；特别是应用于电动汽车中的交流电机。

综上所述，目前采用的齿轮结构存在以下几个缺点：