一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器的制作方法

本实用新型涉及直流无刷电机技术领域，特别是一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器。

背景技术：

直流无刷电机以其效率高、寿命长等优点越来越受到社会关注，特别是在中小功率应用中，直流无刷电机的机电转换效率可以达到90％，而中小型单相交流电动机的效率只有70-80％，在能源日趋紧张的情况下，直流无刷电机备受青睐。

但是相比交流感应电动机，直流无刷电机的驱动较为复杂，其中关键的技术是转子位置的检测。直流无刷电机其工作原理与直流有刷电机非常相似，差别在于一点：直流有刷电机的电枢换向是靠机械式的电刷实现的，而直流无刷电机的换向是靠驱动半导体功率器件的开关实现的。二者之间的共同点为：需要根据转子的位置来切换电枢电流方向，也就是要根据转子位置实现驱动电路的电流换向。

直流有刷电机的最大缺点在于：换向所用的电刷结构很容易磨损，导致寿命降低，并且磨损下来的粉末很容易填充到转子的换向器上，导致漏电。而直流无刷电机却从根本上解决了这个问题，因此直流无刷电机继承了直流有刷电机效率高、力矩大以及调速容易的优点，同时避免了电刷机械结构易于磨损的缺点，有全面取代交流异步电动机的趋势。

直流无刷电机实现电流换向的方法是：检测出转子位置，然后根据转子位置切换励磁电枢的电流方向，因此转子位置检测是直流无刷电机首要解决的问题。对于转子位置的检测，传统方法有以下几种：

1.霍尔器件

通过在电机定子上，安装多只磁性传感器-霍尔器件，霍尔器件可以感应直流无刷电机的转子磁铁的极性，则驱动电路可以根据多只霍尔器件的输出判断转子的位置。

该方法优点在于：检测精度中等、重复性好、安装空间占用少、成本较低。缺点在于：霍尔器件受温度影响较大、霍尔器件在温度较高震动较强的环境下易于损坏，目前采用霍尔传感器的直流无刷电机损坏的主要原因在于霍尔器件的损坏。

2.光电编码

通过在电机的轴上安装一个角度光电编码盘，然后固定安装一个光电读码电路，可以检测出与转子同步旋转的光电编码盘上的角度编码，从而确定转子位置。

该方法优点在于：检测精度高、重复性好。缺点在于：安装空间大、成本高、只适用于高精度伺服控制，不适合低价应用场合。

3.差动变压器编码

通过在电机轴上安装一个差动变压器，差动变压器的输出与旋转角度对应，从而实现转子位置检测。

该方法优点在于：检测精度高、重复性好。缺点在于：安装空间大、成本高、只适用于高精度伺服控制，不适合低价应用场合。

4.电路侦测

利用驱动电路停止驱动的瞬间，根据转子磁场在定子绕组中的感应电势来判断转子位置。

该方法优点在于：不需要额外的传感器、电机制造工艺简单、成本低。缺点在于：在电机的低速阶段转子形成的感生感生电动势非常微弱甚至没有，因此导致在启动阶段和低速阶段不稳定，不适合硬负载场合。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器，旨在解决现有技术中对转子位置的检测存在环境适应性差、稳定性差或成本高的问题，实现提高稳定性以及恶劣环境适应性，降低制造成本。

为达到上述技术目的，本实用新型提供了一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器，所述传感器包括：

安装于电机轴上与转子同步旋转的动片和安装于定子上的静片；

所述动片与静片同轴、平行、间隔安装；

所述动片包括外圈的感应电势线圈和工作线圈，所述感应电势线圈与工作线圈串联为闭合回路，所述工作线圈为两个逆向串联的线圈；

所述静片包括最外侧的励磁线圈、x轴接收线圈和y轴接收线圈，所述x轴接收线圈为两个左右逆向串联的线圈，所述y轴接收线圈为两个上下逆向串联的线圈。

优选地，所述动片与静片之间距离为0.5mm。

优选地，所述动片为pcb板制造，动片上的线圈为刻蚀金属线条；所述静片为pcb板制造，静片上的线圈为刻蚀金属线条。

优选地，所述动片的感应电势线圈与工作线圈不在同一pcb板层，所述工作线圈为90度扇形线圈。

优选地，所述静片为四层pcb板结构，两层pcb板中含有励磁线圈和y轴接收线圈，两层pcb板中含有x轴接收线圈，所述x轴接收线圈、y轴接收线圈均为90度扇形线圈。

优选地，所述动片的扇形线圈面积小于静片的扇形线圈面积，且当动片扇形线圈与静片扇形线圈面积重叠时，动片的扇形线圈被静片的扇形线圈全覆盖。

实用新型内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是实用新型所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本实用新型所提供的电机转子位置角度传感器不采用任何半导体器件，工作更加稳定可靠，而传统霍尔器件检测或者光电编码位置检测都会存在半导体器件在高温、高震动环境下快速老化导致电机故障率高的问题，由于本实用新型采用pcb板工艺制造，不采用任何半导体器件，可极大提升直流无刷电机的抗恶劣环境的适应性，而且造价成本更低。

本实用新型可适用于任何负载场合，不论是软负载还是硬负载。

由于提高了转子位置检测精度，减小了误差，从而可避免电机出现换向噪声，防止电机轻微震动，电机驱动会更加平稳，从而解决采用霍尔器件时电机容易出现波动或者驱动效率下降的问题。且本身造价成本低，相对于差动变压器检测来说，能有效降低成本，可用于低价应用场合。

附图说明

图1为本实用新型实施例中所提供的一种动片中包含工作线圈的pcb板结构示意图；

图2为本实用新型实施例中所提供的一种动片中包含感应电势线圈的pcb板结构示意图；

图3为本实用新型实施例中所提供的一种静片中包含励磁线圈和y轴接收线圈的其中一层pcb板结构示意图；

图4为本实用新型实施例中所提供的一种静片中包含励磁线圈和y轴接收线圈的另一层pcb板结构示意图；

图5为本实用新型实施例中所提供的一种静片中包含x轴接收线圈的其中一层pcb板结构示意图；

图6为本实用新型实施例中所提供的一种静片中包含x轴接收线圈的另一层pcb板结构示意图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本实用新型进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本实用新型省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本实用新型。

下面结合附图对本实用新型所提供的一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器进行详细说明。

如图1-6所示，本实用新型公开了一种检测直流无刷电机转子位置的角位移传感器，所述传感器包括动片和静片，所述动片安装于电机轴上，与电机转子同步旋转；所述静片固定于定子上。动片与静片平行安装，二者之间距离可设置为0.2-0.8mm，优选距离为0.5mm。

所述动片制造方法优选pcb板工艺制造，在动片上刻蚀有金属线条，金属线条构成电磁感应线圈。所述电磁感应线圈包括外圈和内圈，所述外圈对称部分为感应电势线圈，所述内圈为工作线圈。所述内圈由上下两个扇形线圈交叉串联构成，上下两个扇形的角度优选为90度。该两个扇形线圈所形成的磁场方向为交叉串联，如果上方扇形产生的磁场是向外的，则下方扇形产生的磁场是向内的，两个扇形产生的磁场方向相反。工作线圈上下两个扇形的布局优选为在圆周上对称设置，在其他实施例中也可设置为上下左右不对称，或者偏离扇形。动片上的感应电势线圈和工作线圈串联成一个大的闭合回路。

所述动片选用pcb板工艺，其优点在于：成本低、精度高、重复性好。所述动片除了选用pcb板工艺外，也可以采用与pcb板相似的工艺，例如在绝缘板上粘贴金属片形成传感所需的线路，或者在绝缘板上粘贴导电塑料材料形成传感所需的线路。

所述静片制造方法优选pcb板工艺制造，在静片上刻蚀3个金属线条构成的线圈，包括最外侧的励磁线圈、x轴接收线圈和y轴接收线圈。最外侧的励磁线圈为圆形对称设置；x轴接收线圈为左右两个90度扇形线圈，左右两个线圈交叉串联；y轴接收线圈为上下两个90度扇形线圈，上下两个线圈交叉串联。由于x轴接收线圈和y轴接收线圈在圆周上均分，因此优选采用四层pcb板工艺进行制造，以在不同层上制造x、y轴接收线圈。在四层pcb板中，两层pcb板中含有励磁线圈和y轴接收线圈，两层pcb板中含有x轴接收线圈。

动片的扇形线圈面积小于静片的扇形线圈面积，且当动片扇形线圈与静片扇形线圈面积重叠时，动片的扇形线圈被静片的扇形线圈全覆盖。

动片固定于电机转轴上，静片固定于电机定子上或与定子保持位置固定的其他部件上，因此只要检测出动片与静片之间的旋转角，就可以确定转子的位置角。动片与静片之间同轴、平行，二者之间没有机械摩擦，但是可以形成电磁感应关系。

在传感器工作时，首先对静片中的励磁线圈通入高频交流电，优选频率为1mhz，除此之外，也可选用100khz、200khz、2mhz等。高频交流电在励磁线圈中会产生交变磁场，该磁场称为主磁场，根据电磁感应定律，主磁场会在x轴接收线圈的左右两个线圈中产生感应电动势，但是由于两个线圈是逆向串联的，因此主磁场的感应电动势在x轴接收线圈上是左右相互抵消的，不会有输出；同理，y轴接收线圈的主磁场感应电动势也是上下抵消，输出为0。

由于动片和静片为同轴、平行且接近安装，因此主磁场磁链会穿过动片的感应电势线圈，由于动片上的工作线圈是上下两个90度扇形线圈且逆向串联，由于相互抵消，因此主磁场不会在工作线圈上产生感应电动势。但是由于感应电势线圈和工作线圈相互串联的，因此感应电势线圈会形成串联的感生电流，而工作线圈中的感生电流会在工作线圈中上下两个90度扇形线圈上形成感生磁场，工作线圈的感生磁场由上下两个90度扇形线圈形成，上下方向相反。因此，动片的感应结果为：在动片上产生90度扇形线圈感生的相反的磁场，且磁场会随着动片旋转，这个即为感生旋转磁场。

由于激励在动片上产生感生旋转磁场，反过来作用于静片上的x轴接收线圈和y轴接收线圈，从而产生感生电动势。由于两个感生旋转磁场为相反方向，因此在x轴接收线圈的两个线圈上产生的感生电动势是不会相互抵消的，同理，y轴接收线圈上的两个线圈上产生的感生电动势也不会相互抵消。因此，由于对称性和线圈的逆向串联关系，x轴接收线圈和y轴接收线圈只能感应出感生旋转磁场的电动势，而对其他线圈产生的磁场不敏感。

感生旋转磁场是由动片的工作线圈的两个扇形线圈产生的，动片随着电机转子在旋转，工作线圈中的两个扇形线圈与x轴接收线圈和y轴接收线圈形成覆盖关系，覆盖面积与动片和静片之间的空间夹角θ成正比，根据电磁感应定律，x轴接收线圈产生的信号也与夹角θ成正比，y轴接收线圈产生的信号也与夹角θ成比例关系。因此，通过检测x轴信号与y轴信号，并且计算二者之间的比值，就可以得到动片与静片之间的空间位置夹角θ，该角度也就是转子的位置角。

由于x轴信号和y轴信号的幅度是与转子位置角度成比例关系，同时，工作磁场的两个扇形线圈也携带有励磁电流的方向关系，也就是磁场的方向关系，而工作磁场和x轴接收线圈、y轴接收线圈有两种方向覆盖关系，这两种覆盖关系体现在x轴信号和y轴信号与励磁信号的相位关系上，因此通过检测x轴信号和y轴信号的幅值比例，以及与励磁信号的相位关系，可实现四象限角度传感。

本实用新型实施例所提供的电机转子位置角度传感器不采用任何半导体器件，工作更加稳定可靠，而传统霍尔器件检测或者光电编码位置检测都会存在半导体器件在高温、高震动环境下快速老化导致电机故障率高的问题，由于本实用新型采用pcb板工艺制造，不采用任何半导体器件，可极大提升直流无刷电机的抗恶劣环境的适应性，而且造价成本更低。

本实用新型可适用于任何负载场合，不论是软负载还是硬负载。

由于提高了转子位置检测精度，减小了误差，从而可避免电机出现换向噪声，防止电机轻微震动，电机驱动会更加平稳，从而解决采用霍尔器件时电机容易出现波动或者驱动效率下降的问题。且本身造价成本低，相对于差动变压器检测来说，能有效降低成本，可用于低价应用场合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。