一种磁电角度传感器、编码器和电机的制作方法

1.本发明属于电机技术领域，具体涉及一种磁电角度传感器、编码器和电机，尤其涉及一种磁电角度传感器芯片架构、具有该磁电角度传感器芯片架构的编码器、以及使用该编码器进行位置信息测量的电机。


背景技术：

2.角度测量分为水平角测量和竖直角测量。水平角测量用于确定地面点的平面位置，竖直角测量用于间接确定地面点的高程和点之间的距离。角度测量广泛用于军事、工业、航天、汽车等多个领域。例如：对于船舶的舵角采集系统，其角度的采集精度和稳定性对船舶自动舵性能的发挥具有非常重要的影响。车辆的倾斜度测量可以为车辆提供多种信息。随着建筑业的不断发展，对建筑角度测量仪的要求也不断提升。在汽车工业中，经常需要对其发动机的扭角进行测量。
3.相关方案中，小型化成为编码器的重要发展趋势之一，于是出现了应用于编码器上的磁电角度传感器芯片，将复杂的电路集成，可直接输出编码器单圈位置，但无法输出编码器多圈位置，因而无法直接应用到需要输出编码器多圈位置的场合。
4.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种磁电角度传感器、编码器和电机，以解决直接输出编码器单圈位置的磁电角度传感器，无法直接输出编码器多圈位置，存在适用场合较小的问题，达到通过使磁电角度传感器能够直接输出编码器单圈位置和编码器多圈位置，以扩大磁电角度传感器的适用场合的效果。
6.本发明提供一种磁电角度传感器，包括：磁角度传感器、单圈采样单元、多圈采样单元和处理器；其中，所述磁角度传感器，被配置为通过感应磁场变化，产生双路差分模拟信号；所述单圈采样单元，被配置基于所述双路差分模拟信号，进行单圈数据的采样；所述多圈采样单元，被配置为基于所述双路差分模拟信号，进行多圈数据的采样；其中，若按设定周期计一圈，则所述多圈数据包含两个设定周期以上的数据；所述处理器，被配置为基于采样得到的所述单圈数据进行处理，得到单圈位置信息；基于采样得到的所述多圈数据进行处理，得到多圈位置信息。
7.在一些实施方式中，所述单圈采样单元，包括：两路放大模块和两路采样模块；其中，所述两路放大模块中的一路放大模块，对所述双路差分模拟信号中的一路差分模拟信号进行放大处理后，再经所述两路采样模块中的一路采样模块进行模数转换，得到第一数字信号；所述两路放大模块中的另一路放大模块，对所述双路差分模拟信号中的另一路差分模拟信号进行放大处理后，再经所述两路采样模块中的另一路采样模块进行模数转换处理，得到第二数字信号；所述第一数字信号和所述第二数字信号，作为所述单圈数据。
8.在一些实施方式中，所述处理器，基于采样得到的所述单圈数据进行处理，得到单圈位置信息，包括：所述处理器，基于所述单圈数据，进行角度计算、校准和插值计算，得到增量信号与三相信号，作为所述单圈位置信息。
9.在一些实施方式中，所述多圈采样单元，包括：比较模块、多圈计数模块和存储模块；其中，所述比较模块，被配置为对双路差分模拟信号中的正余弦模拟信号进行比较，产生正余弦脉冲信号；所述多圈计数模块，被配置为利用边沿计数，按一个周期计一圈的方式，对所述正余弦脉冲信号的周期数进行计数，得到计数值；所述存储模块，被配置为对所述计数值进行存储，得到所述多圈数据。
10.在一些实施方式中，所述比较模块，包括：比较器；所述存储模块，包括：计数值寄存器。
11.在一些实施方式中，所述处理器，基于采样得到的所述多圈数据进行处理，得到多圈位置信息，包括：所述处理器，基于所述单圈数据，进行角度计算、校准和插值计算，得到多圈位置信息。
12.在一些实施方式中，还包括：通信模块；所述通信模块，被配置为在所述处理器基于所述单圈数据进行处理得到单圈位置信息的情况下，对所述单圈位置信息进行传输；在所述处理器基于所述多圈数据进行处理得到多圈位置信息，对所述多圈位置信息进行传输。
13.在一些实施方式中，还包括：电源模块；所述电源模块，包括：第一供电模块和第二供电模块；所述第一供电模块，被配置为对所述磁电角度传感器中的用电部分进行供电；所述第二供电模块，被配置为在所述第一供电模块掉电的情况下，对对所述磁电角度传感器中的用电部分进行供电。
14.与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种编码器，包括：以上所述的磁电角度传感器。
15.与上述编码器相匹配，本发明再一方面提供一种电机，包括：以上所述的编码器。
16.由此，本发明的方案，通过使磁电角度传感器增加多圈计数功能，从而使磁电角度传感器能够直接输出编码器单圈位置和编码器多圈位置，以扩大磁电角度传感器的适用场合。
17.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
18.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
19.图1为本发明的磁电角度传感器的一实施例的结构示意图；
20.图2为一种磁电角度传感器的一实施例的芯片架构示意图；
21.图3为新型磁电角度传感器的一实施例的芯片架构示意图；
22.图4为比较器产生的脉冲信号的一实施例的脉冲信号示意图。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及
相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。
24.根据本发明的实施例，提供了一种磁电角度传感器。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该磁电角度传感器可以包括：磁角度传感器、单圈采样单元、多圈采样单元和处理器。
25.其中，所述磁角度传感器，被配置为通过感应磁场变化，产生双路差分模拟信号。即，磁角度传感器，能够通过磁钢旋转，感应磁场变化产生模拟信号，这种模拟信号可通过内部mcu运算，输出角度值。
26.所述单圈采样单元，被配置基于所述双路差分模拟信号，进行单圈数据的采样。
27.所述多圈采样单元，被配置为基于所述双路差分模拟信号，进行多圈数据的采样。其中，若按设定周期计一圈，则所述多圈数据包含两个设定周期以上的数据。
28.所述处理器，被配置为基于采样得到的所述单圈数据进行处理，得到单圈位置信息。基于采样得到的所述多圈数据进行处理，得到多圈位置信息。
29.由此，通过在磁电角度传感器芯片内部增加多圈模块，解决了相关方案中磁电角度传感器芯片因无法计多圈而外配多圈电路以及mcu的问题，降低编码器电路设计的复杂性的同时，减小编码器尺寸，削减生产成本，提高产品的市场竞争力，有利于编自制编码器在更高领域产品的广泛应用。
30.在一些实施方式中，所述单圈采样单元，包括：两路放大模块(如两路放大器g)和两路采样模块(如两路adc采样模块)。
31.其中，所述两路放大模块中的一路放大模块，对所述双路差分模拟信号中的一路差分模拟信号进行放大处理后，再经所述两路采样模块中的一路采样模块进行模数转换，得到第一数字信号。
32.所述两路放大模块中的另一路放大模块，对所述双路差分模拟信号中的另一路差分模拟信号进行放大处理后，再经所述两路采样模块中的另一路采样模块进行模数转换处理，得到第二数字信号。所述第一数字信号和所述第二数字信号，作为所述单圈数据。
33.具体地，所述放大器g，能够将源信号放大，利于采样。所述adc采样模块，实现模拟信号数字化，以便后续信号处理。
34.在一些实施方式中，所述处理器，基于采样得到的所述单圈数据进行处理，得到单圈位置信息，包括：所述处理器，基于所述单圈数据，进行角度计算、校准和插值计算，得到零位信号(如零位信号abz)和三相信号(如三相信号uvm)，作为所述单圈位置信息。其中，abz/
‑
a
‑
b
‑
z，为绝对位置数据。
35.具体地，磁电角度传感器芯片均是以磁角度传感器感应磁场变化产生双路差分模拟信号，经放大器g、adc采样模块，到dsp模块进行角度计算、校准以及插值计算，最后输出零位信号abz/
‑
a
‑
b
‑
z、三相信号uvw以及通过spi等通信协议输出单圈位置信息。
36.在一些实施方式中，所述多圈采样单元，包括：比较模块(如比较器)、多圈计数模块和存储模块(如计数值寄存器)。
37.其中，所述比较模块，被配置为对双路差分模拟信号中的正余弦模拟信号进行比较，产生正余弦脉冲信号(如脉冲信号st和脉冲信号ct)。即，比较器，能够将正余弦信号处
理为方波信号ct、st。
38.所述多圈计数模块，被配置为利用边沿计数，按一个周期计一圈的方式，对所述正余弦脉冲信号的周期数进行计数，得到计数值。即，所述多圈计数模块，在电机轴转动时，能够通过边沿计数判断ct、st的周期数，长时间记录转动圈数。
39.所述存储模块，被配置为对所述计数值进行存储，得到所述多圈数据。
40.具体地，增加多圈计数模块后，磁角度传感器产生双路模拟信号sin(即正弦模拟信号)、cos(即余弦模拟信号)，通过比较器产生脉冲信号st(即正弦脉冲信号)、ct(即余弦脉冲信号)，再到多圈计数模块，利用边沿计数，一个周期计一圈，计数值存放到计数值寄存器中。
41.在一些实施方式中，所述比较模块，包括：比较器。所述存储模块，包括：计数值寄存器。即，计数值寄存器，能够将记录的多圈数据存放在寄存器中。
42.在一些实施方式中，所述处理器，基于采样得到的所述多圈数据进行处理，得到多圈位置信息，包括：所述处理器，基于所述单圈数据，进行角度计算、校准和插值计算，得到多圈位置信息。即，dsp模块，为实现数字信号处理技术的微处理器。所述角度计算、校准、插值，为dsp内部数据处理过程。
43.具体地，多圈计数模块，利用边沿计数，一个周期计一圈，计数值存放到计数值寄存器中，期间可以通过ct、st的超前滞后关系来判断正反转，内部微处理器dsp模块将这些信息与单圈的数据取出，再通过spi等通信协议实现串口输出，得到单圈和多圈位置信息。将多圈功能直接加入到磁电角度传感器芯片中，不仅可以降低应用层面成本，更加减小了电路设计的复杂性，缩小了产品的尺寸。
44.在一些实施方式中，还包括：通信模块。所述通信模块，被配置为在所述处理器基于所述单圈数据进行处理得到单圈位置信息的情况下，对所述单圈位置信息进行传输。在所述处理器基于所述多圈数据进行处理得到多圈位置信息，对所述多圈位置信息进行传输。
45.具体地，通信模块如spi接口，spi，即为一种通信协议方式，将编码器的绝对位置信息发送到驱动器通信模块。
46.在一些实施方式中，还包括：电源模块。所述电源模块，包括：第一供电模块和第二供电模块，第一供电模块可以是正常供电模块，第二供电模块可以是电池供电模块。
47.其中，所述第一供电模块，被配置为对所述磁电角度传感器中的用电部分进行供电。
48.所述第二供电模块，被配置为在所述第一供电模块掉电的情况下，对对所述磁电角度传感器中的用电部分进行供电。
49.具体地，电源模块，包括正常供电和电池供电。当正常供电的电源掉电后，由电池给编码器供电。由于多圈编码器的功耗决定编码器的寿命，掉电后，编码器由电池供电，通过计数脉冲控制休眠与唤醒，实现低功耗，使编码器的使用寿命更长。
50.经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过使磁电角度传感器增加多圈计数功能，从而使磁电角度传感器能够直接输出编码器单圈位置和编码器多圈位置，以扩大磁电角度传感器的适用场合。
51.根据本发明的实施例，还提供了对应于磁电角度传感器的一种编码器。该编码器
可以包括：以上所述的磁电角度传感器。
52.由于相关方案中，直接输出编码器单圈位置的磁电角度传感器，忽略了编码器需要计多圈位置的问题，不能满足高端应用场合，若想满足机器人、数控机床等场合的使用，就需要在使用该磁电角度传感器芯片后，外配多圈部分以及相应的mcu，难免造成资源浪费。也就是说，直接输出编码器单圈位置的磁电角度传感器，在需要计编码器多圈位置的场合，需要配置多圈部分和mcu，难免造成资源浪费。
53.在一些实施方式中，本发明的方案，提供一种多圈功能解决方案，能够实现芯片内部对于多圈位置的计数和低功耗。
54.本发明的方案，提出一种新型磁电角度传感器芯片架构，在相关方案的基础上，增加多圈功能，输出编码器的单圈和多圈的绝对位置，进而达到可应用于高端产品领域的目的。
55.具体地，本发明的方案，提出一种应用于编码器的新型磁电角度传感器芯片的架构，通过增加多圈计数功能，实现芯片的单圈与多圈的绝对位置输出，有效地提高电机的控制精度，减小编码器尺寸、以及设计电路的复杂性，能降低应用层面的成本、复杂性以及尺寸。
56.可见，本发明的方案，在磁电角度传感器芯片内部增加多圈模块，解决了相关方案中磁电角度传感器芯片因无法计多圈而外配多圈电路以及mcu的问题，降低编码器电路设计的复杂性的同时，减小编码器尺寸，削减生产成本，提高产品的市场竞争力，有利于编自制编码器在更高领域产品的广泛应用。
57.下面结合图2至图4所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。
58.图2为一种磁电角度传感器的一实施例的芯片架构示意图。如图2所示，磁电角度传感器，包括：磁角度传感器、放大器g(g表示放大器的倍数可调)、adc(模数转换)采样模块、dsp(数字信号处理)模块、abz模块、uvw模块和spi(serial peripheral interface，串行外设接口)模块。dsp模块，包括：角度计算模块、校准模块和插值模块。磁角度传感器的第一输出端，经一路放大器g和一路adc采样模块后，输入至dsp模块的第一输入端。磁角度传感器的第二输出端，经另一路放大器g和另一路adc采样模块后，输入至dsp模块的第二输入端。dsp模块的输出端，分别连接至abz模块、uvw模块和spi模块。磁转换成电的过程即为磁电。
59.对于abz模块，编码器输出信号有abz三相，其中ab相是脉冲输出信号，z相是圈数，ab两相相差90
°
，根据a超前于b还是滞后于b来判断旋转方向。对于uvw模块，编码器还可以输出uvw信号来表示电机的位置变化，主要用于无刷直流电机的驱动。
60.相关方案中，磁电角度传感器芯片均是以磁角度传感器感应磁场变化产生双路差分模拟信号，经放大器g、adc采样模块，到dsp模块进行角度计算、校准以及插值计算，最后输出零位信号abz/
‑
a
‑
b
‑
z、三相信号uvw以及通过spi等通信协议输出单圈位置信息，如图2所示。由于大部分高端应用场合均需要多圈计数功能，这就使外配多圈芯片的同时还需要配置相应的mcu处理，浪费资源，又增加成本。考虑到将多圈功能直接加入到磁电角度传感器芯片中，不仅可以降低应用层面成本，更加减小了电路设计的复杂性，缩小了产品的尺寸。
61.图3为新型磁电角度传感器的一实施例的芯片架构示意图。如图3所示，新型磁电角度传感器，包括：磁角度传感器、放大器g、adc(模数转换)采样模块、dsp模块(即内部微处理器dsp模块)、abz模块、spi(serial peripheral interface，串行外设接口)模块、比较器、多圈计数模块、计数值寄存器和电源模块。dsp模块，包括：角度计算模块、校准模块和插值模块。
62.磁角度传感器的第一输出端，经一路放大器g和一路adc采样模块后，输入至dsp模块的第一输入端。磁角度传感器的第二输出端，经另一路放大器g和另一路adc采样模块后，输入至dsp模块的第二输入端。磁角度传感器，还经比较器、多圈计数模块和计数值寄存器后，连接至dsp模块的第三输入端。dsp模块的输出端，分别连接至abz模块和spi模块。
63.图4为比较器产生的脉冲信号的一实施例的脉冲信号示意图。
64.本发明的方案，提出一种新型磁电角度传感器芯片架构，由磁角度传感器、内部微处理器dsp、多圈计数模块、电源模块以及输出部分组成如图3所示。增加多圈计数模块后，磁角度传感器产生双路模拟信号sin(即正弦模拟信号)、cos(即余弦模拟信号)，通过比较器产生脉冲信号st(即正弦脉冲信号)、ct(即余弦脉冲信号)，即比较器输出与模拟信号相同周期的方波ct、st；再到多圈计数模块，利用边沿计数，一个周期计一圈，计数值存放到计数值寄存器中，期间可以通过图4所示的ct、st的超前滞后关系来判断正反转(如根据相位差判断正反转方向)，内部微处理器dsp模块将这些信息与单圈的数据取出，再通过spi等通信协议实现串口输出，得到单圈和多圈位置信息。
65.在本发明的方案中，所述磁角度传感器，能够通过磁钢旋转，感应磁场变化产生模拟信号，这种模拟信号可通过内部mcu运算，输出角度值。
66.在本发明的方案中，所述放大器g，能够将源信号放大，利于采样。
67.在本发明的方案中，所述adc采样模块，实现模拟信号数字化，以便后续信号处理。
68.在本发明的方案中，所述比较器，能够将正余弦信号处理为方波信号ct、st。
69.在本发明的方案中，所述多圈计数模块，在电机轴转动时，能够通过边沿计数判断ct、st的周期数，长时间记录转动圈数。
70.在本发明的方案中，所述计数值寄存器，能够将记录的多圈数据存放在寄存器中。
71.在本发明的方案中，所述电源模块，包括正常供电和电池供电。当正常供电的电源掉电后，由电池给编码器供电。
72.在本发明的方案中，所述dsp模块，为实现数字信号处理技术的微处理器。
73.在本发明的方案中，所述角度计算、校准、插值，为dsp内部数据处理过程。
74.在本发明的方案中，所述abz/
‑
a
‑
b
‑
z，为绝对位置数据。
75.在本发明的方案中，所述spi，即为一种通信协议方式，将编码器的绝对位置信息发送到驱动器通信模块。
76.由于多圈编码器的功耗决定编码器的寿命，掉电后，编码器由电池供电，通过计数脉冲控制休眠与唤醒，实现低功耗。例如：当电机转速为6000r/min时，一个唤醒周期为10ms，即1ms为唤醒状态，9ms为休眠状态，有效地降低了编码器的功耗，使编码器的使用寿命更长。
77.由于本实施例的编码器所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，
在此不做赘述。
78.经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过使磁电角度传感器增加多圈计数功能，输出编码器的单圈和多圈的绝对位置，进而达到可应用于高端产品领域的目的。
79.根据本发明的实施例，还提供了对应于编码器的一种电机。该电机可以包括：以上所述的编码器。
80.由于本实施例的电机所实现的处理及功能基本相应于前述编码器的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
81.经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过增加多圈计数功能，实现芯片的单圈与多圈的绝对位置输出，有效地提高电机的控制精度，减小编码器尺寸、以及设计电路的复杂性。
82.综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
83.以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。