一种高可靠和高性价比的伺服电机磁编码装置的制作方法

本实用新型属于电机编码器技术领域，具体涉及一种高可靠和高性价比的伺服电机磁编码装置。

背景技术：

伺服控制通常需要同时获得精确的转子位置信息和精度较高角度增量信息。一般采用绝对值编码器、增量式编码器、旋转变压器、电机本身的位置hall传感器等方式来解决，绝对值编码器和增量式编码器通常由光电器件和旋转码盘构成或在轴式旋转磁铁和磁传感器芯片构成，或者由离轴式旋转磁铁码盘和开关式磁传感hall芯片构成等方式。光电器件和旋转码盘构成的伺服电机编码器虽然能够实现较高的精度，但是高精度的旋转码盘成本较高，并且旋转码盘容易因为长期使用而附着粉尘，从而降低精度，且存在不耐高温、不耐污染腐蚀、不抗震动、装配复杂、装配精度要求高、光电器件寿命限制等问题，而且通常无法提供转子位置的hall信号。离轴式旋转磁铁码盘和开关式磁传感hall芯片构成的伺服电机编码器通常虽耐污染腐蚀、耐高温、抗震动，但通常存在精度不高、旋转磁铁码盘成本高、旋转磁铁码盘尺寸大、旋转磁铁码盘装配精度要求高等问题。

例如，中国专利文献公开了《伺服电机编码器》,[授权公告号cn204359327u]，该编码器由磁编码器和光电编码器两个编码器构成。磁编码器主要由磁传感器芯片as5134和在轴式旋转磁铁构成，提供转子位置信息u、v、w信号，但也需要进行相位校准；光电编码器提供增量编码器a、b信号，但分辨率也只有256个脉冲/转。该方案结构虽基本满足系统要求，但精度低、成本高，也稍显复杂。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种高精度、简单、使用方便而且成本低的高可靠和高性价比的伺服电机编码装置。

本实用新型的技术方案是:提供一种高可靠和高性价比的伺服电机磁编码装置，其特征是：包括电机后盖板，电机后盖板可转动地穿设有电机轴；壳体内设有相互配合工作的磁传感器芯片和旋转磁铁；磁传感器芯片的中心与旋转磁铁的中心轴线保持重合，磁传感器芯片与旋转磁铁的有效作用距离为0.5～3.0mm。

旋转磁铁的材质选用钕铁硼。

旋转磁铁为圆柱体，直径为φ4～10mm，厚度为2.5～4mm，最佳为φ8x3mm;磁极分布沿轴线方向平均分为两半，一半为n，一半为s。

旋转磁铁通过磁铁安装机构安装在电机轴端，磁铁安装机构为圆柱形，两端均有凹槽，一端凹槽用于固定旋转磁铁，旋转磁铁通过强力胶牢固的固定在磁铁安装机构的凹槽内；另一端凹槽用于与电机轴的端头固定;两端凹槽为圆槽结构，分别与旋转磁铁和电机轴尺寸配合。

磁铁安装机构材质为铜，磁铁安装机构将旋转磁铁与导磁的电机轴磁隔离。

磁传感器芯片焊接在电路板上，电路板通过铜螺柱和紧固螺钉固定在电机后盖板上。

电路板除了焊接有磁传感器芯片外，至少还焊接有：cpu、第一组差分转换电路、第二组差分转换电路、rs-485通信接口电路、单向二极管、tvs管、电缆插座；磁传感器芯片与cpu通过spi接口相连接；cpu通过rs-485通信接口电路经tvs管与电缆插座连接；磁传感器芯片分别与第一组差分转换电路和第二组差分转换电路电连接；第一组差分转换电路和第二组差分转换电路分别经tvs管与电缆插座连接；电缆插座提供的电源经单向二极管到tvs管，再连接到滤波电路。

磁传感器芯片采用ams的as5147p芯片。

cpu采用freescale的kinetisea系列cpu-kea8。

综上所述，本实用新型具有以下特点：

（1）高可靠性：（a）所选用器件均具有较宽的温度范围：-40～+105℃。cpu、磁传感器芯片、旋转磁铁等关键器件的工作温度范围甚至更宽；cpu、磁传感器芯片还具有aec-a100q0/1的认证；（b）编码器输出的rs-485通信信号、增量编码器信号、电机轴转子位置信号均采用差分对方式传输，提高了信号传输距离；并加设tvs电路，极大的提高了抗干扰和抗浪涌性能；（c）电源电路采用极性防错、防御浪涌干扰电路。

（2）高性价比：（a）本专利既输出高精度增量编码器信号，分辨率高达1024个脉冲/转；又输出满足伺服控制所需的转子位置的hall（霍尔）信号，集两大功能于一体，功能强大。但成本又较低，关键部件磁传感器芯片、cpu、旋转磁铁等价格都较低，同时结构紧凑、尺寸小，适用性强。

（3）工艺性好,易于量产：电路板的生产都是通用工艺；外壳、磁铁安装机构、铜螺柱等虽是定制部件，加工精度要求都不高，都较为简单。整体装配精度要求低、装配简单、调试简单方便，易于大批量生产。

附图说明

下面结合实施例附图对本实用新型做进一步说明。

图1是本实用新型实施例1结构示意图；

图2是磁传感器芯片as5147p的工作原理图；

图3是本实用新型的电路原理图。

图中：1、电机后盖板；2、电机轴；21、磁铁安装机构；22、旋转磁铁；31、铜螺柱；32、紧固螺钉；4、电路板；41、磁传感器芯片；42、cpu；43、电缆插座；44、第一组差分转换电路；45、第二组差分转换电路；46、通讯接口电路；47、单向二极管；48、tvs管；51、壳体；52、过线接头；53、电缆；54、插接端子。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型涉及一种高可靠和高性价比的伺服电机磁编码装置，包括电机后盖板1，电机后盖板1可转动地穿设有电机轴2；壳体51内设有相互配合工作的磁传感器芯片41和旋转磁铁22；磁传感器芯片41的中心与旋转磁铁22的中心轴线保持重合，磁传感器芯片41与旋转磁铁22的有效作用距离为0.5～3.0mm。

旋转磁铁22选用材质为钕铁硼（ndfeb）。

旋转磁铁22为圆柱体，直径为φ8x3mm，耐温高达170℃;磁极分布沿轴线方向平均分为两半，一半为n，一半为s，产生磁传感器芯片41所需磁场分布空间。

旋转磁铁22通过磁铁安装机构21安装在电机轴2上，磁铁安装机构21为圆柱形，两端均有凹槽，一端凹槽用于固定旋转磁铁22，另一端凹槽用于与电机轴2的端头固定，两端凹槽为圆槽结构，分别与旋转磁铁22和电机轴2尺寸配合。磁铁安装机构21通过过盈配合和加热的方式，使电机轴2插入一端的凹槽内，等磁铁安装机构21冷却后，将紧紧的固定在电机转轴2上；旋转磁铁22通过强力胶牢固的固定在磁铁安装机构21的另一端的凹槽内；磁铁安装机构2材质为铜，不导磁，且将旋转磁铁22与导磁的电机轴2分隔开，使与旋转磁铁22接触的电机轴2不会影响旋转磁铁22的外部磁场分布。这样，旋转磁铁22通过磁铁安装机构2紧紧与电机轴2连接为一体，当电机转轴2转动时将同步带动旋转磁铁22旋转，产生旋转变化的磁场。

旋转磁铁22的材料为钕铁硼，形状为圆柱形，尺寸为φ8x3mm，耐温高达170℃，在水平面上被磁化成ns两极，产生磁传感器芯片41所需磁场分布空间。旋转磁铁22与磁传感器芯片41之间的间隙控制在0.5～3.0mm。旋转磁铁22的中心轴线、磁传感器芯片41上的霍尔传感器阵列的中心轴线、与电机轴2的中心轴线三条轴线保持重合;当旋转磁铁22与电机轴2同步旋转时，将产生同步变化的旋转磁场。当旋转磁铁22当沿其中心轴线旋转360度时，在圆周上产生的垂直方向（z方向）磁场bz是按正弦变化的。

磁传感器芯片41焊接在电路板4上，电路板4通过铜螺柱31和紧固螺钉32固定在电机后盖板1上。

如图2，磁传感器芯片41采用ams的as5147p芯片，它是支持汽车应用的高可靠磁传感器芯片41。它内部集成了4个横向放置的霍尔传感器，这4个霍尔元件对垂直于其表面即z方向的磁场分量bz敏感，而对x、y方向的磁场不敏感；4个霍尔传感器排列成一个圆圈，间隔90º。按照这种位置排列，这4个霍尔传感器在将产生sin(x)、cos(x)、-sin(x)和-cos(x)4个信号。将两对位置相对、相位相反的两个霍尔传感器信号送入差分放大器，产生振幅为2倍的sin(x)和cos(x)信号，然后将这2路信号由其内部的高速a/d转换器转换为数字量，再经数字滤波器，最后送入专用的dsp，进行矢量—坐标变换，得到极坐标的角度和幅度；最终输出增量编码器a、b信号和转子位置的u、v、w信号；增量编码器a、b信号的最大分辨率可达1024个脉冲/转。电机转子的最大极对数可达7对极。

磁传感器芯片41as5147p的内部有参数设置寄存器，用于设置零位角度、电机极对数、编码器分辨率等工作参数和工作模式；其内部还有状态寄存器，用于指示as5147p的工作状态、错误信息等。这些寄存器都可通过其spi接口，按照其指定的数据格式和指令，对其进行参数设定和状态查询。

所述的磁传感器芯片41as5147p输出有增量编码器信号a、b信号和转子位置的u、v、w信号，用于bldc或pmsm的伺服控制。为了进一步提高传输距离和抗干扰能力，将这些单端信号变换为差分对信号。这是由单端转差分对的转换芯片-tisn65hvd1781来完成的。它具有总线故障保护，hbm静电放电可达±16kv，可靠工作温度范围：-40～105℃。在rs-485通信接口电路中，它将uart的txt、rxt、rtctrl信号，转换为成rs-485的（txp、txn）差分对信号；在第一组差分转换电路44中，两颗sn65hvd1781将增量编码器信号a、b信号转换为成（ap、an）、（bp、bn）差分对信号；在第二组差分转换电路45中，三颗sn65hvd1781将电机转轴转子位置的u、v、w信号转换为成（up、nn）、（vp、vn）、（wp、wn）差分对信号。另外，为了提高差分对信号的抵抗浪涌和干扰的能力，在（txp、txn）、（ap、an）、（bp、bn）、（up、nn）、（vp、vn）、（wp、wn）这六对差分对信号线上加设tvs管--smbj6.8ca，它能提高抵抗浪涌和干扰的能力；当干扰或浪涌信号高于6.8v时，它就能泄放高达600w的能量，可靠工作温度范围：-55～+175℃。

电源电路的极性防错功能是通过在它的电源输入的“+”端加设单向二极管--sl345a来实现的。当由于操作失误导致外部电源极性接反时，它可有效保护编码器的后级电路，防止后级电路损毁。再在单向二极管的后级与gnd之间加设tvs管--smbj6.8ca，同样它能提高抵抗浪涌和干扰的能力。最后电源再经过多级滤波电路后，就得到整个电路所需的电源。

如图3所示，电路板4除了焊接有磁传感器芯片41外，至少还焊接有：cpu42、第一组差分转换电路44、第二组差分转换电路45、rs-485通信接口电路46、单向二极管47、tvs管48、电缆插座43；磁传感器芯片41与cpu42的spi接口相接；cpu42通过rs-485通信接口电路46经tvs管48与电缆插座43连接；磁传感器芯片41分别与第一组差分转换电路44和第二组差分转换电路45电连接；第一组差分转换电路44和第二组差分转换电路45分别经tvs管48与电缆插座43连接；电缆插座43提供的电源端经单向二极管47到tvs管48，再连接到滤波电路。

磁传感器芯片41采用ams的as5147p芯片，它是支持汽车应用的高可靠磁传感器芯片41。它完成对旋转磁铁的角度的测量，并根据pcu42对其设定的工作参数和工作模式，产生增量编码器a、b信号和转子位置u、v、w信号。

cpu42采用freescale的kinetisea系列cpu-kea8，它是面向汽车行业的超可靠的汽车级cpu。cpu42通过spi接口，对磁传感器芯片41的各工作参数进行设定、对各工作状态进行查询。通信接口电路46将cpu42的uart转换为成rs-485通信信号，cpu42通过该接口接收和分析来自控制主机的查询命令，按查询命令要求，将相应的工作参数和工作状态发送给外部控制主机，使外部控制主机时刻了解编码器的工作情况。

电路板4上的rs-485通信接口电路46、第一组差分转换电路44、第二组差分转换电路45均采用一颗或多颗单端转差分对的转换芯片-tisn65hvd1781,它具有总线故障保护，hbm静电放电可达±16kv，可靠工作温度范围：-40～105℃。在rs-485通信接口电路46中，它将uart的txt、rxt、rtctrl信号，转换为成rs-485的（txp、txn）差分对信号；在第一组差分转换电路44中，两颗sn65hvd1781将增量编码器信号a、b信号转换为成（ap、an）、（bp、bn）差分对信号；在第二组差分转换电路45中，三颗sn65hvd1781将电机转轴转子位置的u、v、w信号转换为成（up、nn）、（vp、vn）、（wp、wn）差分对信号。在rs-485通信接口电路46的收发差分对（txp、txn）信号端、第一组差分转换电路44的增量信号差分对（ap、an）、（bp、bn）信号端、第二组差分转换电路45的电机转轴转子位置信号差分对（up、nn）、（vp、vn）、（wp、wn）信号端，均加设有tvs48-smbj6.8ca，它能提高抵抗浪涌和干扰的能力，当干扰或浪涌信号高于6.8v时，它就能泄放高达600w的能量，可靠工作温度范围：-55～+175℃。

在电源电路的输入“+”端加设单向二极管47--sl345a，它能起到极性防错功能，再在单向二极管47的后级与gnd之间加设tvs管48--smbj6.8ca，同样它能提高抵抗浪涌和干扰的能力。

壳体51固定在电机壳上，壳体51上留有用于安装过线接头52的孔，电缆53穿过过线接头52，过线接头52可以将其收紧，起到固定和防水的作用。电缆53的一端接至电路板4上的插座43，另一端连接有插接端子54，接至控制主机。