旋转电机的转速和位移测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明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。本发明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。
【专利说明】旋转电机的转速和位移测量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及旋转电机，具体涉及电机的转速和位移测量技术。
【背景技术】
[0002]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。
【发明内容】
[0003]本发明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。
[0004]为实现上述目的，本发明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:
[0005]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；
[0006]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
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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
[0011]23iR>L>23iR-a ji R/ 180+Y
[0012]其中R为电机转子的半径，Y大于磁栅读头的宽度。
[0013]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。
[0014]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。[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]较佳地，磁栅读头采用相同分辨率、相同型号。
[0020]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。
[0021 ] 较佳地，两个磁栅读头安装位置相对电机转子直径对称。
[0022]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。
[0023]较佳地，两个读头信号通过Mealy型状态机进行辨向检测。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]较佳地，电机切换信号是系统芯片内部产生。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031]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。
[0032]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。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]本发明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。
[0039]与现有技术相比，本发明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。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1是根据本发明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；
[0041]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；
[0042]图3是两读头之一在电机机壳上安装示意图；
[0043]图4是另一读头在电机机壳上安装示意图；
[0044]图5是安装了磁栅尺和读头的电机转子侧视图；
[0045]图6是核心系统芯片的控制流程图；
[0046]图7是基于CPLD的双读头测量系统模块化设计图；
[0047]图8是双读头测量系统信号处理示意图；以及
[0048]图9是双读头测量系统电路板功能示意图。
[0049]附图标记说明:
[0050]I读头，2读头信号线，3读头，4读头信号线，
[0051]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，
[0052]10电机正转，11磁栅尺AB段，12电机反转，13磁栅尺⑶段，
[0053]14机壳上读头线孔，15读头槽，16读头槽，
[0054]17磁栅尺槽，18机壳上读头线孔，19读头信号，
[0055]20读头信号，21系统时钟信号，22显示系统控制信号，
[0056]23计时时钟控制信号，24数码管显示输出信号，
[0057]25读头切换显示信号，26读头切换输出信号，
[0058]27读头辨向细分模块，28读头辨向细分模块，29分频模块，
[0059]30读头切换位置选择模块，31电机运行方向判断模块，
[0060]32电机单向运行切换模块，33读头状态判断模块，
[0061]34双读头数据读取模块，35双读头数据辨向细分模块，[0062]36切换信号发生模块，37计数模块，38双读头切换模块，
[0063]39数据处理模块，40时钟模块，41数码管显示模块，
[0064]42EPM1270T144C5 型 CPLD，43DS26C32 差分芯片 I，
[0065]44DS26C32差分芯片II，4?S26C31差分芯片，46读头信号插头，
[0066]47读头信号插头，48系统输出信号插头,49系统输出信号插头，
[0067]50数码管显示电路，51LED发光二极管显示电路，52按键控制电路。
【具体实施方式】
[0068]以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
[0069]本发明的双读头测量系统用于对旋转电机的转速和位移进行精确测量，从而精确地控制电机的转动。图1和图2为本发明的双读头测量系统的一个实施例中的双读头在磁栅尺上位置及电机正转和反转时磁栅尺有效区域示意图。如图1和2所示，磁栅读头I和磁栅读头3置于电机转子8外周侧方，且两个磁栅读头关于转子5直径对称，即它们之间相间隔180度。读头I和读头3分别通过磁栅读头线2和磁栅读头线4与双度头测量系统的电路板或电机驱动器(未图示)电连接。假设电机转子的半径为R，则转子8周长为2 jiR。贴在旋转电机转子外周上的条形磁栅尺5的长度L应大于电机转子8的半个周长加一个磁栅读头的宽度，即满足以下公式
[0070]L > π R+X 公式(I)
[0071]其中X大于读头I和读头3的宽度。这样能保证任何时候两个读头中最少有一个在磁栅尺5上。
[0072]需要指出的是，两个磁栅读头也可以不关于转子5的直径对称，它们之间的间隔可以为诸如30度、60度、或90度等任意小于180度的角度α，即O < α ≤180。此时，磁栅的长度L只需要满足以下公式
[0073]2 π R > L > 2 π R-α ji R/180+Y 公式(II)
[0074]其中Y大于磁栅读头I和磁栅读头3的宽度，就可保证任何时候两个磁栅读头中最少有一个在磁栅尺5上。
[0075]当电机正转10时，A点为读头1、读头3的切换起始点，B点为终止点，AB为磁栅尺有效段11，电机旋转一周的脉冲读数路程为A到B弧线距离的2倍。当电机反转12时，C点为读头1、读头3的切换起始点，D点为终止点，CD为磁栅尺有效段13，电机旋转一周的脉冲读数路程为C到D弧线距离的2倍。 [0076]较佳地，两个磁栅读头采用相同分辨率、相同型号。
[0077]图3和图4分别是磁栅读头I和3在电机机壳9上安装示意图，为清楚起见，仅示出机壳的一部分。如图3所不,在机壳9靠近电机转子8的位置上有一个凹槽15,此凹槽15用于安装磁栅读头1，将读头I固定在读头凹槽15中(诸如通过粘接或螺纹连接等)，读头I与磁栅尺5相距不超过2_，读头线2从线孔14引出。如图4所示，在机壳9靠近电机转子8的位置上有一个凹槽16，此凹槽16用于安装磁栅读头3，将读头3固定在读头凹槽16中(诸如通过粘接或螺纹连接等)，读头3与磁栅尺5相距不超过2_，读头线4从线孔18引出。凹槽15和凹槽16的位置关于电机转子直径对称。
[0078]图5是电机转子的侧视图。如图5所示，电机转子上沿周向设有磁栅槽17。条形磁栅尺5贴于电机转子8的磁栅槽17中，磁栅尺5的长度仅需满足上述的公式(I)即可，而不需要贴满电机转子8的整个圆周。读头I (和读头3，未图示)设置在磁栅尺5上方，并通过磁栅读头线2连接到测量系统的电路板(如图9所示)。磁栅读头线2 (以及磁栅读头线4)较佳地由带有屏蔽护套的信号线构成。
[0079]另外，也可以不设置磁栅槽，而直接通过胶水等粘接剂将磁栅尺粘贴在转子的外周上。
[0080]本发明的双读头测量系统中，除了上述的磁栅尺和磁栅读头之外，还包括相应的信号处理单元，该信号处理单元具有相应的电路和芯片，可实现磁栅的辨向细分、信号滤波、读头切换、位移数显等功能。
[0081]图6是本发明的双读头测量系统的系统芯片CPLD (ComplexProgrammable LogicDevice;复杂可编程逻辑器件)的控制流程图。如图6所示，当电机运行时，系统芯片CPLD42将输入磁栅信号存入高速寄存器对其进行保存，然后将输入两个读头信号(两个读头的信号由磁栅尺与磁栅读头之间的磁作用产生)和寄存器保存的信号组成Mealy (米利)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。同时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。由电机单向运行的切换信号和电机正反转的状况生成双读头的切换脉冲信号，在电机运行时能够实时切换读头工作。同时对切换的读头信号进行辨向细分，通过数码显示系统显示出电机正反转，和运行距离，LED (发光二级管)显示系统显示出实时工作的读头。系统内部设计一个计时可调的时钟，能够计出电机运行时间，通过按键切换实现时间与电机运行路程间切换显示。
[0082]具体来说，磁栅读头I和磁栅读头3的信号与CPLD 35之间分别采用两组三路输入差分芯片43、44。CPLD 42中读头信号19与读头信号20由状态机进行实现系统的辨向检测，判断磁栅读头的工作状态，生成读头切换信号26，可自动切换读头，芯片42和电机驱动器之间采用一组三路输出差分芯片45。通过双读头的切换对电机转速和位移进行测量。同时可由数码管50显示出电机正反转，和运行距离，LED发光二极管51显示出实时工作的读头25，电机运行时间。
[0083]图7是用于实现图6的控制流程的基于CPLD芯片的双读头测量系统模块化设计图。双读头测量系统应用EPM1270T144C5型CPLD芯片42实现磁栅的辨向细分、信号滤波、读头切换等功能的集成，构成嵌入式双读头切换系统。采用硬件设计软件化的开发方式，利用 VHDL (Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language ;高速集成电路硬件描述语言)以及 Verilog HDL (Verilog Hardware DescriptionLanguage ；Verilog硬件描述语言)两种硬件描述语言进行系统的硬件模块设计。其中信号滤波由滤波器实现，以对电机停止运行以及磁栅读头不在磁栅尺上时读头采集到的杂波信号进行软件滤波
[0084]如图7所示，双读头测量系统包括分频模块29、辨向细分模块27、28、电机运行方向判断模块31、读头状态判断模块33、切换信号发生模块36、电机单向运行切换模块32、双读头切换模块38、读头切换位置选择模块30、双读头数据读取模块34、双读头数据辨向细分模块35、计数模块37、数据处理模块39、时钟模块40、以及数码管显示模块41。
[0085]图7中，系统的分频模块29将系统时钟频率分频成四种不同类型时钟。一是磁栅信号检测时钟，以保证磁栅信号的可靠检测；二是数据信息处理时钟，协调和各模块电路的输出延迟；三是检测读头的滤波时钟；四是读头切换位置调整时钟，通过时钟延时调整读头的切换位置。这四种不同时钟，连接其他模块，为其提供工作时钟。双读头输入的两组A、B磁栅信号经由辨向细分模块27、28，分别辨别出电机运行的正向和反向，形成两路信号。两路信号由电机运行方向判断模块31得出电机的正反转及读头是否在磁栅上的信号。由两个读头是否在磁栅上的信号输入到读头状态判断模块33判断出双读头同时在磁栅尺上和不同时在磁栅尺上的两种状态。通过两种状态信号作为切换信号发生模块36的输入，得出电机单向运行时的读头切换选择信号。由电机运行方向判断模块31得出电机的正反转信号作为电机单向运行切换模块32的输入，能够在电机单向运行突然反转时，即时调整所要切换的读头，模块输出读头切换调整信号。经由电机单向运行切换模块32输出的读头切换调整信号和切换信号发生模块36输出的电机单向运行时的读头切换选择信号，产生读头切换选择信号，实时切换磁栅读头。读头切换选择信号通过读头切换位置选择模块30调整在电机运行时读头切换的位置。调整后的读头切换信号及磁栅读头采集到的两组A、B、R磁栅信号由双读头数据读取模块34在电机运行时形成一组A、B、R磁栅信号，反馈到电机驱动器中。生成的一组A、B、R磁栅信号经由双读头数据辨向细分模块35，对其辨向细分，辨别出一路细分信号及电机运行方向信号。此细分信号和电机运行方向信号通过计数模块37计数判断电机运行距离。将计数模块37输出的计数数据由数据处理模块39处理，将二进制转化为十进制，方便于数码管显示。按键控制信号及系统时钟作为时钟模块40的输入，可调整电机运行的时间。数据处理模块39输出的十进制数据及时钟模块40输出的电机运行时间调整信号作为数码管显示模块41的输入，数码管显示模块41输出数码管的位选和段选，因此可通过数码管显示出系统的运行时间及电机运行路程。
[0086]图8是根据本发明的双读头控制系统信号处理示意图。如图8所示，CPLD 42的输入信号若直接米用读头信号插头46的输入信号A1+、A1-、B1+、B1-、R1+、R1-和读头信号插头47的输入信号A2+、A2-、B2+、B2-、R2+、R2-,高低电平信号会出现共模干扰,信号不稳。因此在CPLD 42和两个输入读头信号插头46、47之间加入两个DS26C 32差分芯片43、44，在芯片输出端口和系统输出信号插头48也接入DS26D 31差分芯片45，达到了抗共模干扰的目的。
[0087]图9是本发明的双读头测量系统的测量电路板(PCB板)功能示意图。如图9所示，双读头测量系统的PCB板中集成了 CPLD核心芯片42，数码管显示50，LED发光二极管显示51，按键控制52，信号差分43、44、45，信号收发46、47、48等功能电路。测量电路板与电机的驱动器电连接。
[0088]本发明应用条形磁栅尺，采用双磁栅读头切换的方式检测电机的旋转位移，能够高精度控制电机。条形磁栅尺贴于电机转子，且不需要贴满转子的整周。两个磁栅读头置于转子外侧，位于磁栅尺上方，与磁栅尺相距不超过2mm，且与转子直径对称。电机运行时，两个读头的信号由CPLD芯片辨向细分、滤波、电机方向判断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和位移进行测量，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。
[0089]本发明的旋转电机转速和位移测量系统结构简单，价格低廉，环境适应能力强，控制电机定位精度高，具有广泛的应用前景和重要价值。
[0090]以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1.一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。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于: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。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于: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。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于: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。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于: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。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于: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。
7.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于: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。
8.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于: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。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于: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。
10.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于: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。
【文档编号】H02K11/00GK103872851SQ201210536692
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月12日 优先权日:2012年12月12日
【发明者】张驰, 乔海, 廖有用, 舒鑫东, 周杰, 刘强 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所