一种磁性编码器及永磁电机的制作方法

本发明涉及电机制造领域，特别是涉及一种磁性编码器及永磁电机。

背景技术：

随着电力的迅速发展，电机(电动机)制造行业呈现勃勃生机。电动机是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。电力系统中的电动机为同步电机或者是异步电机(电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速)。

永磁式同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、动态特性好的特点。和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等需要更多维护给应用带来不便的缺点；相对异步电动机而言,结构比较简单，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；与普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机的应用越来越广。

同步电机的控制需要编码器测量电机的速度和位置，来实现电机运转控制。编码器是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备，通常编码器把角位移或直线位移转换成电信号。而磁性编码器具有体积小、低成本、超强环境适应力(抗灰尘、抗震动)在同步电机中应用较为广泛。由于磁性编码器安装后，无法保证Z信号与转子磁极的关系，为了通过编码器的发出的信号得到当前电机转子的运行位置，电机需要进行磁极学习或电机出厂时，进行编码器调零。

电机进行磁极学习时要求电机有转动空间，且与负载脱开，现场操作时，由于这些要求有时无法达到，就会导致自学习结果得到的角位置有偏差甚至错误，从而导致电机工作电流变大，从而引起电机老化加速、电机输出转矩下降，故而引起安全隐患，增加售后服务工作量和服务难度。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种磁性编码器及永磁电机，以解决由于磁极学习环境的不准确，造成现有磁性编码器通过磁极学习确定不准确甚至是错误的磁极位置的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种磁性编码器，包括：

读取位置端口、写入位置端口以及寄存器；

其中，所述读取位置端口与编程控制器相连，用于向所述编程控制器在磁场定向后，读取磁性编码器当前指示值时提供端口；

所述写入位置端口与所述编程控制器相连，用于向所述编程控制器将根据所述磁性编码器当前指示值计算得到偏差值写入所述寄存器时提供端口，所述偏差值为磁性编码器Z信号与电机反电势的角度差值；

所述寄存器与所述写入位置端口相连，用于保存所述编程控制器写入的偏差值。

可选地，所述读取位置端口与所述写入位置端口为同一个端口。

可选地，当磁性编码器为SSI型编码器时，所述读取位置端口为：CS、CLK、DAT的组合或PWM；所述写入位置端口为：CS、CLK、PROG。

可选地，当所述磁性编码器为SPI型编码器时，所述读取位置端口为：CS、MCLK、MISO；所述写入位置端口为：CS、MCLK、MOSI。可选地，所述寄存器为一次性编程寄存器。

可选地，还包括：

电源变化器，用于将供电电压输出为所述磁性编码器的工作电压。

可选地，还包括：

输出信号端口，用于输出所述磁性编码器的位置信息。

可选地，所述输出信号端口的输出信号类型为以下任意一项：

SSI、ABZ、或ABPWM。

可选地，所述输出信号端口的输出电平类型为以下任意一项：

TTL输出、差分5V输出、或单端24V输出；

其中，所述TTL输出为5V或3V的TTL输出。

本发明实施例还公开了一种永磁电机，包括前述的磁性编码器。

本发明实施例所提供的磁性编码器，包括：读取位置端口、写入位置端口以及寄存器；读取位置端口、写入位置端口分别与编程控制器相连，寄存器与写入位置端口相连；读取位置端口向编程控制器在读取磁性编码器当前指示值时提供端口；写入位置端口用于向编程控制器将根据磁性编码器当前指示值计算得到偏差值写入寄存器时提供端口，然后将其偏差值存储到寄存器中。

本申请技术方案使得磁性编码器Z信号与转子磁极位置保持固定的关系，通过实时获取磁性编码器Z信号与电机反电势的角度值，从而得到电机的磁极位置。避免了传统通过电机磁极学习获取磁极位置，提高了磁极位置定位的准确性，从而保证电机正常运转，避免了由于电机异常工作而造成的安全隐患；一定程度上延长了电机的寿命，节省了客户的使用成本。此外，本申请还公开了一种包括上述磁性编码器的永磁电机，所述电机具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的磁性编码器的一种具体实施方式的结构框图；

图2为本发明实施例所提供的磁性编码器的工作原理示意图；

图3为本发明实施例所提供的磁性编码器的另一种具体实施方式的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

本发明实施例所提供的磁性编码器的一种具体实施方式的结构框图如图1所示，本发明实施例可包括以下内容：

磁性编码器可包括读取位置端口1、写入位置端口2以及寄存器3。

磁性编码器的工作原理请参见图2，读取位置端口1、写入位置端口2分别与编程控制器相连，用于向编程控制器在磁场定向后，读取磁性编码器当前指示值时以及编程控制器将根据磁性编码器当前指示值计算得到偏差值写入寄存器时提供端口，偏差值为磁性编码器Z信号与电机反电势的角度值。寄存器3与写入位置端口2相连，用于保存编程控制器写入的偏差值。

编码器磁铁安装后，其N极相对于电机转子位置已经固定，使用中需要电机编码器输出的Z信号与电机反电势之间存在固定的相位关系。为了使编码器的输出信号与电机转轴协同，需要获取零点的相对位置，作为工作起点；在将编码器装配到电机上时，需要先将电机转子的零点位置与编码器的零点位置对准，控制器在对电机进行控制时，能通过编码器发出的信号知道当前电机转子的运行位置。

读取位置端口1与写入位置端口2用来与外部编程控制器进行相连，磁性编码器通过读取位置端口1向外部编程控制器发送去获取零点信息的指令，本发明实施例中所述的零点信息即为当磁极固定时(转子定向)，磁性编码器当前指示值，编程控制器获取当前指示值后经过换算，得到一个偏差值，偏差值为磁性编码器Z信号与电机反电势的角度差值。换算过程根据定向磁场的方向、电机对数、Z信号以及电机反电势来计算。

可通过给磁极通入固定电角度的电流，磁极锁定在相应的位置，编程控制器读取此时编码器的位置，根据此位置可以计算出零点位置。

编程控制器的零位编程是一种能够简化系统装配，磁铁无需手工调节至机械零位。装配完成后，机械和电气零位可以通过软件进行匹配。整圈内的任何位置均可以设定为永久的新零位。需要说明的是，零位数值也可以在编程前进行修改。例如，要将与机械零位成180°(半圈)的角度位置编程为电气零位时，只需在机械零位的读数上增加2048，然后将此新数值编程至OTP寄存器即可。

作为一种优选的实施方式，寄存器3可为一次性编程寄存器，即OTP寄存器。

读取位置端口1与写入位置端口2可共用一个端口，也可分别为两个不同的端口。对于端口具体采用哪种情况，用户可根据实际需要选择不同类型的芯片和芯片上的端口来确定。当然，端口也可为插件、测试焊盘等可实现电器连接部件或接口，这均不影响本发明实施例的实现。

本申请技术方案使得磁性编码器Z信号与转子磁极位置保持固定的关系，通过实时获取磁性编码器Z信号与电机反电势的角度值，从而得到电机的磁极位置。避免了传统通过电机磁极学习获取磁极位置，提高了磁极位置定位的准确性，从而保证电机正常运转，避免了由于电机异常工作而造成的安全隐患；一定程度上延长了电机的寿命，节省了客户的使用成本。

在一种具体的实施方式中，当所述磁性编码器为SSI型编码器时，例如AS5045或AS5145，读取位置端1为：

(CS、CLK、DAT)的组合或PWM；

写入位置端口2为：

CS、CLK、PROG。

对于SSI型编码器，读取位置端口1可为(CS、CLK、DAT)的组合或PWM；写入位置端口2为PROG。

对于，有PROG引脚的芯片，通常PROG管脚接下拉电阻保证正常工作时，不会进入到写OTP寄存器状态。

在另一种具体的实施方式中，当所述磁性编码器为SPI型编码器时，所述读取位置端口1为：

CS、MCLK、MISO；

所述写入位置端口2为：

CS、MCLK、MOSI。

三个信号线同时使用，才能实现通信

需要说明的是，对于固定类型的编码器和固定的芯片，集成电路的端口是固定的，可以根据需要选择某组端口作为读操作端口，某组作为写操作端口，本发明实施例并不对此做任何限定。优选的，对于确定类型的确定类型的芯片，根据此编码器的引出线来选择读操作端口和写操作端口。在这种实施方式下，一定程度下，可简化整个磁性编码器的结构，有利于降低磁性编码器的成本，同时节省客户使用成本。

在一种具体的实施方式中，请参阅图3，所述磁性编码器还包括：

输出信号端口4，通过对外接口进行输出，用于输出磁性编码器的位置信息。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，可有下面两种形式的电信号：

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

本发明实施例中所述的磁性编码器的输出信号端口4可以输出脉冲信号，也可输出确定的数字码信号，可根据用户的需求进行选择，这均不影响本发明实施例的实现。

输出信号端口4的输出信号类型可为以下任意一项：

SSI、ABZ、或ABPWM。

SSI(Synchronous Serial Interface，同步串行接口)是一个全双工的串行接口，允许芯片与多种串行设备通信。它是高精度绝对值角度编码器中一种较常用的接口方式。SSI接口输出两对差分信号，即时钟信号与数据信号。

AB信号只有基本的脉冲，能用于转速和转向计算，但是因为没有一个绝对的参考点，计算中可能存在累积误差。ABZ信号中的“AB”和普通AB没有任何区别，只不过电机转子每转一圈，可以额外给出一个Z脉冲信号，可以用于消除累积误差时使用。

输出信号端口4的输出电平类型可为以下任意一项：

TTL输出、差分5V输出、或单端24V输出；

其中，TTL输出为5V或3V的TTL输出。

需要说明的是，除了上述列举的信号类型和电平类型，本发明实施例还可输出其他类型的信号。

本发明实施例所述的磁性编码器的输出信号的类型较多，输出形式也较多，故通用性好，适合与多个不同控制器生产者进行匹配。

作为一种优选实施方式，请参阅图3，本申请还可以进一步包括：

电源变化器5，用于将供电电压输出为所述磁性编码器的工作电压。外界的供电电压可能与磁性编码器的工作电压不一致，故需要增加电源变化器，用来将供电电压转化为可供磁性编码器正常工作的电压。例如供电电压为24V，而磁性编码器的工作电压为5V，因此需要一个降压电路来完成将24V降到5V使得磁性编码器可正常工作。

本发明实施例通过添加电源变化器可以通过改变外界供电电压，使其变为适合磁性编码器的工作电压。这样，就可避免由于供电电压的限制，导致磁性编码器的应用场合和运用受到限制，同样避免客户通过外接变压器来得到适合磁性编码器工作的电压，节省客户操作成本和使用成本，有利于提高客户使用体验。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种磁性编码器及永磁电机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。