專利名稱：霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器及由其制成的霍爾轉(zhuǎn)角編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電機(jī)控制技術(shù)，更具體地說，涉及一種霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器及 由其制成的霍爾轉(zhuǎn)角編碼器，可用于無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器(resolver)是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。它是 一種測(cè)量角度用的可轉(zhuǎn)動(dòng)的傳感器，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速 度，由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵(lì)磁電壓，勵(lì) 磁頻率通常用400、 3000及5000HZ等。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電 磁耦合得到感應(yīng)電壓。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似，區(qū)別在 于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對(duì)固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比 是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的改 變，因而其輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化，輸出繞組的電壓幅值與 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi) 與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。
在公告號(hào)為CN2565123Y的中國(guó)專利中，公開了一種霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器， 其中包括線性霍爾元件、永磁體磁環(huán)、空心軸轉(zhuǎn)子、定子機(jī)殼、機(jī)殼后蓋、定 子芯和霍爾集成電路的印制板，在定子芯上安裝有四個(gè)線性霍爾元件，相互錯(cuò) 開90°電角度，并采用特定的多對(duì)極的永磁體磁環(huán)，轉(zhuǎn)子中間有支撐定子的 二個(gè)滾珠軸承，定子前端有聯(lián)接用的彈簧片。這種方案中存在問題是(1)需 采用特定多對(duì)極的永磁體磁環(huán)，對(duì)磁極均勻性要求高，對(duì)不同極對(duì)數(shù)的電動(dòng)機(jī) 不能通用；(2)在一圈范圍內(nèi)，難于做到有確定的唯一零位，不方便絕對(duì)角位 置的檢測(cè)；(3)整體式結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)小型化。
在公告號(hào)為CN200972824Y的中國(guó)專利中，公開了一種改進(jìn)上述問題的 霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其中包括線性霍爾元件、永磁體磁環(huán)、空心軸、定子機(jī)殼、
5定子芯和聯(lián)接霍爾元件的印制電路板，其永磁體磁環(huán)固定在空心軸上；其特殊 之處在于定子芯呈圓環(huán)形，在定子芯上間隔卯°空間角度分布著至少二個(gè) 安裝孔，線性霍爾元件固定在安裝孔內(nèi)，以便限定線性霍爾元件的空間位置。 然而，線性霍爾元件在定子芯上的安裝孔中的位置會(huì)因?yàn)榘惭b間隙、霍爾元件 的外形尺寸等原因，而在安裝孔中的上、下、左、右、前、后6個(gè)自由度都存 在位置偏差。又由于永磁體磁環(huán)固定在空心軸上，存在位置偏差和垂直度偏差 等，都會(huì)造成旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的幅值誤差、相位誤差、函數(shù)誤差。另外，永磁 體磁環(huán)的質(zhì)量、安裝也對(duì)誤差有極大關(guān)系，傳統(tǒng)霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器誤差大且誤差 的一致性很差。
若安裝存在徑向位置偏差O.lmm，設(shè)永磁體的外徑12mm，那么O.lmm 相對(duì)周長(zhǎng)的相對(duì)位置偏差為0.1/(Tt X 12)=0.265%。這個(gè)偏差與1° /360。 =0.278%相當(dāng)，說明該霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器中單一項(xiàng)位置偏差就會(huì)產(chǎn)生1°度的誤
差。所以前述技術(shù)方案中的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器技術(shù)的角度誤差不可能優(yōu)于r 。
又例如，永磁體磁環(huán)固定在空心軸上，存在0.5°垂直度偏差，就相當(dāng)于徑向 位置偏差為12sin0.5° =0.1mm，也會(huì)產(chǎn)生1°度的誤差。
永磁體磁環(huán)產(chǎn)生三維空間磁場(chǎng)，線性霍爾元件將受到切向磁場(chǎng)分量和徑向 磁場(chǎng)分量的作用產(chǎn)生電壓輸出。在公告號(hào)為CN200972824Y的中國(guó)專利中， 使用四個(gè)線性霍爾元件，將180°布置的兩個(gè)線性霍爾元件的輸出電壓相減， 試圖補(bǔ)償定、轉(zhuǎn)子裝配偏心，但由于無法同時(shí)補(bǔ)償徑向和切向磁場(chǎng)分量，所以 不能起到良好的補(bǔ)償效果，而通常誤認(rèn)為是磁極均勻性問題。
由于上述原因，事實(shí)上，現(xiàn)有霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的位置偏差只能達(dá)到2。 -3 °左右，且誤差的一致性很差。
現(xiàn)有霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的精度和精度一致性都很差，其精度比傳統(tǒng)電磁感應(yīng) 式旋轉(zhuǎn)變壓器的精度低一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以只能在極低精度場(chǎng)合應(yīng)用。
另外，開關(guān)型霍爾轉(zhuǎn)角編碼器雖然是己有成熟技術(shù)，然而它的精度和分辨 率同樣很低， 一般只有100線，現(xiàn)有技術(shù)中的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的精度則與之相 當(dāng)。
實(shí)用新型內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實(shí)用新型要解決現(xiàn)有霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的精度 較差的問題。
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其中包括旋 轉(zhuǎn)變壓器定子、線性霍爾元件、印制電路板、以及永磁體磁環(huán)，其特征在于， 在所述印制電路板上裝有一個(gè)環(huán)形軟磁鐵芯，在所述環(huán)形軟磁鐵芯的內(nèi)環(huán)面設(shè) 有與線性霍爾元件個(gè)數(shù)相同、并均勻分布的多個(gè)凹槽，每個(gè)線性霍爾元件裝于 與之對(duì)應(yīng)的那一個(gè)凹槽內(nèi)、并焊接于所述印制電路板上；且每個(gè)線性霍爾元件 的磁敏感面與所述永磁體磁環(huán)的磁極表面相互對(duì)齊。
本實(shí)用新型的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器中，所述環(huán)形軟磁鐵芯的厚度可為l-4mm， 由電工純鐵或多片電機(jī)用硅鋼片制成；所述環(huán)形軟磁鐵芯的軸向幾何中心線與 線性霍爾元件磁敏感面中心線基本重合，偏差不大于0.5mm。
本實(shí)用新型的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器中，所述環(huán)形軟磁鐵芯上的每個(gè)凹槽的尺寸 正好供一個(gè)線性霍爾元件緊配合放入，且每個(gè)凹槽的深度尺寸為0. 05-0. 2mm。
本實(shí)用新型的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器中，所述永磁體磁環(huán)可由塑料粘結(jié)釹鐵硼材 料、或鐵氧體材料、或釹鐵硼材料制成的；所述永磁體磁環(huán)具有正弦分布的表 面磁場(chǎng)，并通過軸套固定到電機(jī)軸上，在旋轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生正弦分布的旋轉(zhuǎn)變壓器 轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)；所述旋轉(zhuǎn)變壓器定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙為5-25mm。
本實(shí)用新型的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器中，所述旋轉(zhuǎn)變壓器定子的外殼與所述環(huán)形 軟磁鐵芯可為一體結(jié)構(gòu)，用于安裝所述永磁體磁環(huán)的所述軸套可通過軸承固定 到所述旋轉(zhuǎn)變壓器定子的外殼上。
本實(shí)用新型的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器中，當(dāng)所述永磁體磁環(huán)的磁極對(duì)數(shù)為P=l 時(shí)，所述線性霍爾元件的個(gè)數(shù)為4個(gè)，在所述環(huán)形軟磁鐵芯的內(nèi)環(huán)面相應(yīng)設(shè)有
74個(gè)間隔90。分布的凹槽，各個(gè)線性霍爾元件的理想輸出分別為F產(chǎn)Fo+Fsin^ K-K+rcos^ F3=F。一 Fsin(9， K4=r0—Fcos/9。
本實(shí)用新型的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器中，當(dāng)所述永磁體磁環(huán)的磁極對(duì)數(shù)為P=N， N為大于1的自然數(shù)時(shí)，所述線性霍爾元件的個(gè)數(shù)為3個(gè)，在所述環(huán)形軟磁鐵 芯的內(nèi)環(huán)面相應(yīng)設(shè)有3個(gè)間隔120。電角度分布的凹槽，各個(gè)線性霍爾元件的 理想輸出分別為V產(chǎn)Vo+VsinA^， V2=V0+Vsin^(e—120°)， V3=V0+Vsin^(e— 240°)。還可增設(shè)3個(gè)附加的線性霍爾元件，相應(yīng)地，在所述環(huán)形軟磁鐵芯的 內(nèi)環(huán)面上與原有的每個(gè)凹槽相對(duì)180°的位置各設(shè)有一個(gè)附加的凹槽，進(jìn)而共 有6個(gè)線性霍爾元件及6個(gè)凹槽，所述6個(gè)線性霍爾元件的理想輸出分別為， V產(chǎn)V。+Vsi禱，V2=V0+VsinA^(e—120。)， V3=V0+Vsin7V(0—240。)， V4=V0— Vsi禮，V5=V0—VsirW(e—120。)， V6=V0—VsinA^(e—240。)。
本實(shí)用新型還提供一種霍爾轉(zhuǎn)角編碼器，其包括轉(zhuǎn)角變換電路，還包括前
述霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，所述轉(zhuǎn)角變換電路中包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于將霍爾旋
轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再通過運(yùn)算獲得兩相帶正負(fù)號(hào)的
旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字量；矢量旋轉(zhuǎn)變換電路，用于對(duì)所述A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出結(jié) 果與反饋回來轉(zhuǎn)角編碼器輸出信號(hào)O進(jìn)行矢量旋轉(zhuǎn)變換運(yùn)算，產(chǎn)生矢量旋轉(zhuǎn) 變換電路的輸出偏差信號(hào)；比例積分調(diào)節(jié)器，用于使偏差信號(hào)趨于零，達(dá)到編 碼器的輸出信號(hào)0完全跟蹤輸入轉(zhuǎn)角0的目的；濾波器，用于獲得速度輸出 信號(hào)co;積分電路，用于獲得編碼器的輸出信號(hào)0，且0=&
本實(shí)用新型的霍爾轉(zhuǎn)角編碼器可采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP或單片機(jī)MCU 來實(shí)現(xiàn)，或者采用純硬件的FPGA或ASIC來實(shí)現(xiàn)。
由于采取了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型中，環(huán)形軟磁鐵芯校正了氣隙磁場(chǎng) 的波形，且各個(gè)霍爾元件的位置能良好固定，整個(gè)霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的精度比傳 統(tǒng)電磁感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)變壓器更高，它的幅值誤差、相位誤差、函數(shù)誤差很小，對(duì) 安裝偏差不敏感， 一致性好，不僅結(jié)構(gòu)、制造工藝簡(jiǎn)單，還可構(gòu)成多種輸出形 式的轉(zhuǎn)角編碼器。

圖1A是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例中霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的局部結(jié)構(gòu)示意圖1B是圖1A的C向視圖，其中省略了一些次要部件；
圖2是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例中四個(gè)線性霍爾元件的模擬輸出的波形圖3是圖2所示的模擬輸出相減后的波形圖4本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例中霍爾轉(zhuǎn)角編碼器的原理框圖5是圖4所示霍爾轉(zhuǎn)角編碼器的360。輸出數(shù)字量；
圖6是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例中霍爾轉(zhuǎn)角編碼器的增量脈沖數(shù)字量。
圖中，1是旋轉(zhuǎn)變壓器定子，2是環(huán)形軟磁鐵芯，3是線性霍爾元件，4
是印制電路板，5是永磁體磁環(huán)，6是軸套，7是電機(jī)軸，8是小凹槽，4個(gè)線
性霍爾元件HO、 H90、 H180、 H270。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。如圖1A和 圖1B所示，本實(shí)施例的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器包括旋轉(zhuǎn)變壓器定子l、線性霍爾 元件3、聯(lián)接霍爾元件的印制電路板4、安裝在旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子軸套6上的永 磁體磁環(huán)5。其中，永磁體磁環(huán)5具有正弦分布的表面磁場(chǎng)，磁極對(duì)數(shù)為P4， 通過軸套6固定到電機(jī)軸7上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)就可產(chǎn)生正弦分布的旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn) 子氣隙磁場(chǎng)。在印制電路板4上裝有一個(gè)環(huán)形軟磁鐵芯2，環(huán)形軟磁鐵芯上有 2P二4個(gè)間隔90。分布的小凹槽8， 2P二4個(gè)線性霍爾元件H0、 ■、 H180、 H270 互差90°焊在印制電路板4上，并且靠緊小凹槽內(nèi)。線性霍爾元件3的磁敏 感面與永磁體磁環(huán)5的磁極表面相互對(duì)齊，并保持旋轉(zhuǎn)變壓器定子與轉(zhuǎn)子間具 有均勻氣隙。2P二4個(gè)線性霍爾元件的理想輸出分別為<formula>formula see original document page 9</formula>圖2是四個(gè)線性霍爾元件的模擬 輸出的波形圖。其中，利用裝在印制電路板4上的環(huán)形軟磁鐵芯2的聚磁作用，將永磁體
磁環(huán)5產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)中的切向分量都轉(zhuǎn)換成徑向分量；環(huán)形軟磁鐵芯的 幾何形狀決定了氣隙磁場(chǎng)的波形，因此環(huán)形軟磁鐵芯上間隔90度的四個(gè)小凹 槽的正交性，決定線性霍爾元件輸出信號(hào)的正交性，而與線性霍爾元件在印制 電路板上的焊接偏差基本無關(guān)；每個(gè)小凹槽的槽寬尺寸以正好放下線性霍爾元 件為準(zhǔn)，這樣一來，霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的相位誤差會(huì)很小。其中的永磁體磁環(huán)采 用塑料粘結(jié)釹鐵硼材料。
本實(shí)施例中，利用環(huán)形軟磁鐵芯2的聚磁作用，使線性霍爾元件3磁敏感 面至永磁體磁環(huán)5的極面的距離為15毫米，由于氣隙磁場(chǎng)的高次諧波的幅值 與諧波次數(shù)成高次冪衰減，因此氣隙磁場(chǎng)的正弦性與永磁體磁環(huán)5的質(zhì)量關(guān)系 不大，于是本實(shí)施例中霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的函數(shù)誤差極小，且與定、轉(zhuǎn)子軸向安 裝尺寸無關(guān)。
其中，環(huán)形軟磁鐵芯2的厚度為3. 5mra，采用電工純鐵，環(huán)形軟磁鐵芯2 的軸向幾何中心線與線性霍爾元件3磁敏感面中心線應(yīng)基本重合，軸向安裝偏 差不大于0.5mm。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙可在5-25mm之間， 與采用不同材料的永磁體磁環(huán)、線性霍爾元件的飽和磁密有關(guān)，永磁體磁環(huán)的 磁能越高、氣隙越大，線性霍爾元件的飽和磁密越高、氣隙越大，本實(shí)施例中 取15毫米。
將上述霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器與轉(zhuǎn)角變換電路組合，可構(gòu)成轉(zhuǎn)角編碼器，其中， 四個(gè)線性霍爾元件的輸出與轉(zhuǎn)角變換電路相連，該轉(zhuǎn)角變換電路通過A/D轉(zhuǎn) 換?！姥?，將四個(gè)線性霍爾元件的模擬輸出電壓K、 F2、 K、 F4(如圖2所示)， 換成數(shù)字量D K、 D ^、 D K、 Z) 再進(jìn)行Dc0lse= ￡> ^—" F"3和i>s/"e= ￡> K2
—DF4數(shù)字運(yùn)算，獲得D^we與Dw'"e兩相帶正負(fù)號(hào)的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字量。由 于環(huán)形軟磁鐵芯的作用和消除了極大部分轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)中的切向分量，所以轉(zhuǎn)
子相對(duì)定子存在少量徑向、軸向安裝偏差，不會(huì)產(chǎn)生Dcos0與Dsin0兩相信號(hào)
的幅值和相位偏差。為了說明環(huán)形軟磁鐵芯的聚磁作用，設(shè)徑向安裝偏差產(chǎn)生R、 K2、 F3、 F 的偏差為土Zir，于是
<formula>formula see original document page 11</formula>
圖3是本實(shí)施例中的四個(gè)線性霍爾元件的模擬輸出相減后的波形圖，它 們與安裝偏差無關(guān)。
如圖4所示，然后將r2—F4=2Fco 6^n K, —F3=2Fsin6的數(shù)字量DcoW 與Dw';^兩相帶正負(fù)號(hào)的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字量送到矢量旋轉(zhuǎn)變換(CORDIC算法) 電路，與反饋到該電路中的轉(zhuǎn)角編碼器的輸出信號(hào)^做矢量旋轉(zhuǎn)變換運(yùn)算，產(chǎn) 生矢量旋轉(zhuǎn)變換電路的輸出仏/"(e— ^)偏差信號(hào)；再送到比例積分(PI)調(diào)節(jié) 器，調(diào)節(jié)器的作用使偏差信號(hào)趨于零，達(dá)到編碼器的輸出信號(hào)^完全跟蹤輸入 轉(zhuǎn)角0的目的，比例積分(PI)調(diào)節(jié)器的輸出正比e的變化；然后再送到濾波 器獲得速度輸出信號(hào)co;再同時(shí)送到積分電路獲得編碼器的輸出信號(hào)^，且^
在圖5中示出了霍爾轉(zhuǎn)角編碼舉360。數(shù)字量信號(hào)^與360。機(jī)械轉(zhuǎn)角的 關(guān)系。
本實(shí)施例的霍爾轉(zhuǎn)角編碼器中，轉(zhuǎn)角變換電路采用內(nèi)含A/D模塊的單片機(jī) MCU來實(shí)現(xiàn)，積分電路獲得編碼器的輸出信號(hào)0，是數(shù)字量，通過數(shù)字口輸出； 也可利用片選，選擇片內(nèi)D/A變換模塊以模擬量輸出。其中，所述轉(zhuǎn)角變換電路可采用純硬件的FPGA來實(shí)現(xiàn)，還可采用純硬件 的ASIC來實(shí)現(xiàn)，所述積分電路獲得編碼器的輸出信號(hào)0，是數(shù)字量，通過數(shù) 字口輸出；也可利用片內(nèi)D/A變換模塊以模擬量輸出。
本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)為P二1，可以檢測(cè)360。機(jī)械轉(zhuǎn)角，所以是絕 對(duì)值霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾轉(zhuǎn)角編碼器；為了擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，可將檢測(cè)到的 360°絕對(duì)值機(jī)械轉(zhuǎn)角信號(hào)用數(shù)字的方法下降其信息量，轉(zhuǎn)換為增量形式的轉(zhuǎn) 角信號(hào)并通過數(shù)字口輸出。圖6是霍爾轉(zhuǎn)角編碼器增量脈沖數(shù)字量輸出信號(hào)波 形，其中"是Z脈沖信號(hào)，Ua、 Ub是兩相增量脈沖信號(hào)。
本實(shí)施中，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子外殼與環(huán)形軟磁鐵芯2是一體的，安裝永磁 體磁環(huán)5的旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子軸套6通過軸承固定到定子外殼上，形成組裝式旋 轉(zhuǎn)變壓器。本實(shí)施例霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的精度可達(dá)l-3角分；霍爾轉(zhuǎn)角編碼器的 精度可達(dá)1-3角分，分辨率可高達(dá)16位以上。
本實(shí)用新型的另一實(shí)施例是一個(gè)多極霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其中的永磁體磁環(huán) 具有正弦分布的表面磁場(chǎng)，磁極對(duì)數(shù)為P二^4，為8極霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器；永磁 體磁環(huán)通過軸套固定到電機(jī)軸上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)就可產(chǎn)生正弦分布的旋轉(zhuǎn)變壓器 轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)；在印制電路板上裝有一個(gè)環(huán)形軟磁鐵芯，環(huán)形軟磁鐵芯上有3 個(gè)間隔120°電角度分布的小凹槽，3個(gè)線性霍爾元件互差120。電角度焊在 印制電路板上、并且靠緊小凹槽內(nèi)；線性霍爾元件的磁敏感面與磁極表面相互 對(duì)齊，并保持旋轉(zhuǎn)變壓器定子與轉(zhuǎn)子間具有均勻氣隙；3個(gè)線性霍爾元件的理 想輸出分別為，V產(chǎn)Vo+Vsine， V2=Vo+VsiiW(e—120。)， V3=V0+VsinAA(e— 240。) o
為了補(bǔ)償轉(zhuǎn)子相對(duì)定子存在少量徑向安裝偏差對(duì)輸出的影響，在環(huán)形軟磁 鐵芯3個(gè)小凹槽相對(duì)的180°機(jī)械位置，再增加3個(gè)小凹槽，相應(yīng)再增加3個(gè) 線性霍爾元件，于是6個(gè)線性霍爾元件的理想輸出分別為，V產(chǎn)Vo+VsinM， V2=V0+VsiniV(e—120。)， V3=V0+VsinA^(e—240。)， V4=VQ—Vsi満，V5=V0—
12VsinA^(e—120°)， V6=Vo—VsiniV(e—240。)。本實(shí)施例多極霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的 精度可達(dá)l-3角分；霍爾轉(zhuǎn)角編碼器的精度可達(dá)1-3角分，分辨率可高達(dá)16 位以上。
本實(shí)用新型又一實(shí)施例中，也是一個(gè)多極霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其永磁體磁環(huán) 具有正弦分布的表面磁場(chǎng)，磁極對(duì)數(shù)為P^80，為360極霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器；于 是6個(gè)線性霍爾元件的理想輸出分別為，V產(chǎn)Vo+VsinA^e， V2=VQ+VsinTV(e— 120o)， V3=V0+Vsin/V(e—240。)， V4=V0—Vsin7V0， V5=V0—VsirL￥(e—120o)， V6=Vo—Vsin^(e—240°)。本實(shí)施例多極霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的精度可達(dá)1_3角秒。 本多極霍爾轉(zhuǎn)角編碼器的精度可達(dá)卜3角秒，分辨率可高達(dá)21位。
權(quán)利要求1、一種霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其中包括旋轉(zhuǎn)變壓器定子(1)、線性霍爾元件(3)、印制電路板(4)、以及永磁體磁環(huán)(5)，其特征在于，在所述印制電路板(4)上裝有一個(gè)環(huán)形軟磁鐵芯(2)，在所述環(huán)形軟磁鐵芯的內(nèi)環(huán)面設(shè)有與線性霍爾元件個(gè)數(shù)相同、并均勻分布的多個(gè)凹槽(8)，每個(gè)線性霍爾元件裝于與之對(duì)應(yīng)的那一個(gè)凹槽內(nèi)、并焊接于所述印制電路板上；且每個(gè)線性霍爾元件的磁敏感面與所述永磁體磁環(huán)的磁極表面相互對(duì)齊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征在于，所述環(huán)形軟磁 鐵芯的厚度為l-4ram，由電工純鐵或多片電機(jī)用硅鋼片制成；所述環(huán)形軟磁鐵 芯的軸向幾何中心線與線性霍爾元件磁敏感面中心線基本重合，偏差不大于 0.5mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征在于，所述環(huán)形軟磁 鐵芯上的每個(gè)凹槽的尺寸正好供一個(gè)線性霍爾元件緊配合放入，且每個(gè)凹槽的 深度尺寸為0. 05-0. 2mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征在于，所述永磁體磁 環(huán)是由塑料粘結(jié)釹鐵硼材料、或鐵氧體材料、或釹鐵硼材料制成的；所述永磁 體磁環(huán)具有正弦分布的表面磁場(chǎng)，并通過軸套固定到電機(jī)軸上，在旋轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn) 生正弦分布的旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)；所述旋轉(zhuǎn)變壓器定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙 為5-25mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)變壓 器定子(l)的外殼與所述環(huán)形軟磁鐵芯是一體結(jié)構(gòu)，用于安裝所述永磁體磁環(huán) 的所述軸套通過軸承固定到所述旋轉(zhuǎn)變壓器定子(1)的外殼上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征在于，所 述永磁體磁環(huán)的磁極對(duì)數(shù)為P^，所述線性霍爾元件的個(gè)數(shù)為4個(gè)，在所述環(huán) 形軟磁鐵芯的內(nèi)環(huán)面相應(yīng)設(shè)有4個(gè)間隔90。分布的凹槽，各個(gè)線性霍爾元件的 理想輸出分別為ri = K0+rsin& r2=Fo+Fcos^ F3=K。_rsin^ K^Fo—Fcos<9。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征在于，所 述永磁體磁環(huán)的磁極對(duì)數(shù)為P=N， N為大于l的自然數(shù)；所述線性霍爾元件的 個(gè)數(shù)為3個(gè)，在所述環(huán)形軟磁鐵芯的內(nèi)環(huán)面相應(yīng)設(shè)有3個(gè)間隔120。電角度分 布的凹槽，各個(gè)線性霍爾元件的理想輸出分別為V尸V。+VsinAAe， V2=VQ+VSin^ (0—120。)， V3=V0+VsinAA(e—240。)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，其特征在于，還包括3個(gè)附 加的線性霍爾元件，相應(yīng)地，在所述環(huán)形軟磁鐵芯的內(nèi)環(huán)面上與原有的每個(gè)凹 槽相對(duì)180°的位置各設(shè)有一個(gè)附加的凹槽，進(jìn)而共有6個(gè)線性霍爾元件及6 個(gè)凹槽，所述6個(gè)線性霍爾元件的理想輸出分別為，V產(chǎn)Vo+VsinA^e， V2=V0+VsinTV(e_120。)， V3=V0+VsiniV(e—240。)， V4=Vo_VsinAAe， V5=V0_ Vsin7V (9—120。)， V6=V0—VsiiW (e _ 240。)。
9、 一種霍爾轉(zhuǎn)角編碼器，其包括轉(zhuǎn)角變換電路，其特征在于，還包括權(quán) 利要求1-8中任一項(xiàng)所述的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器，所述轉(zhuǎn)角變換電路中包括A/D 轉(zhuǎn)換模塊，用于將霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再通過 運(yùn)算獲得兩相帶正負(fù)號(hào)的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字量；矢量旋轉(zhuǎn)變換電路，用于對(duì)所述 A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出結(jié)果與反饋回來轉(zhuǎn)角編碼器輸出信號(hào)<D進(jìn)行矢量旋轉(zhuǎn)變 換運(yùn)算，產(chǎn)生矢量旋轉(zhuǎn)變換電路的輸出偏差信號(hào)；比例積分調(diào)節(jié)器，用于使偏差信號(hào)趨于零，達(dá)到編碼器的輸出信號(hào)0完全跟蹤輸入轉(zhuǎn)角e的目的；濾波器，用于獲得速度輸出信號(hào)(o;積分電路，用于獲得編碼器的輸出信號(hào)^，且 0=0。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的霍爾轉(zhuǎn)角編碼器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)角變換電路采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP或單片機(jī)MCU來實(shí)現(xiàn)，或者采用純硬件的FPGA 或ASIC來實(shí)現(xiàn)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器及由其制成的霍爾轉(zhuǎn)角編碼器，為解決現(xiàn)有霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的精度較差的問題，本實(shí)用新型的霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器中，在印制電路板(4)上裝有一個(gè)環(huán)形軟磁鐵芯(2)，在所述環(huán)形軟磁鐵芯的內(nèi)環(huán)面設(shè)有與線性霍爾元件個(gè)數(shù)相同、并均勻分布的多個(gè)凹槽(8)，每個(gè)線性霍爾元件裝于與之對(duì)應(yīng)的那一個(gè)凹槽內(nèi)、并焊接于所述印制電路板上；且每個(gè)線性霍爾元件的磁敏感面與所述永磁體磁環(huán)的磁極表面相互對(duì)齊。本實(shí)用新型霍爾旋轉(zhuǎn)變壓器的精度比傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)變壓器更高，它的幅值誤差、相位誤差、函數(shù)誤差很小，對(duì)安裝偏差不敏感，一致性好，不僅結(jié)構(gòu)、制造工藝簡(jiǎn)單，還可構(gòu)成多種輸出形式的霍爾轉(zhuǎn)角編碼器。
文檔編號(hào)H01F38/18GK201348929SQ20082020710
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者劉亞靜, 周兆勇, 廖志輝, 李鐵才, 楊貴杰, 湯平華, 漆亞梅, 王治國(guó), 蘇健勇, 藍(lán)維隆 申請(qǐng)人:深圳航天科技創(chuàng)新研究院