一種具有嵌入式位置檢測裝置的直線永磁伺服電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于直線永磁伺服電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，涉及電機(jī)的位置檢測技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著超尚速切削、超精密加工等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)又被賦予了更高的要求。特別是對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的伺服性能提出了更高的要求:要有很高的驅(qū)動(dòng)推力、快速進(jìn)給速度和極高的快速定位精度。為了滿足與日倶增的要求，一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能、而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置一一直線伺服電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生并取得了長足的發(fā)展。
[0003]目前應(yīng)用最廣泛的直線永磁交流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置檢測方法通常是利用旁置的直線光柵進(jìn)行檢測。雖然該方式測量精度高，但一方面其造成了電機(jī)體積不可避免的增大，并且使直線電機(jī)的運(yùn)行性能受到位置傳感器安裝效果的影響；另一方面光柵位置檢測方法依賴機(jī)械的精密等分刻線，測量精度要受機(jī)械加工精度的影響。
[0004]近年來出現(xiàn)了一種直接利用機(jī)械等分實(shí)現(xiàn)計(jì)量等分的時(shí)柵位置檢測技術(shù)，并研制出了高精度的圓周式和直線式時(shí)柵位置傳感器，還進(jìn)一步提出了一種基于被測對(duì)象現(xiàn)有機(jī)械等分特性的寄生式時(shí)柵位置檢測方法。但是現(xiàn)有的寄生式時(shí)柵位置檢測技術(shù)均是基于電磁感應(yīng)原理使用線圈進(jìn)行檢測，而線圈繞制難以保證均勻性而且體積通常較大，使得該種檢測方法在直線電機(jī)中難以得到有效應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種具有嵌入式位置檢測裝置的直線永磁伺服電機(jī)，旨在通過替換直線電機(jī)現(xiàn)有的外置位置檢測傳感器，實(shí)現(xiàn)直線永磁伺服電機(jī)體積的減小和成本的降低，促進(jìn)直線伺服電機(jī)更廣泛的應(yīng)用。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
本發(fā)明是針對(duì)直線永磁伺服電機(jī)內(nèi)部機(jī)械等分的永磁體陣列，基于時(shí)柵位置測量原理，利用隧穿磁阻(TMR)芯片實(shí)現(xiàn)直線永磁伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置的嵌入式檢測。
[0007]本發(fā)明提出的具有嵌入式位置檢測裝置的直線永磁伺服電機(jī)包括定子、動(dòng)子和嵌入式位置檢測裝置。
[0008]所述定子包括機(jī)械等分的永磁體陣列和固定永磁體的磁軛，所述動(dòng)子包括磁芯及繞制其上的線圈組。
[0009]所述嵌入式位置檢測裝置包括嵌入式位置傳感頭、激勵(lì)模塊和時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng);所述嵌入式位置傳感頭由PCB底板和沿板長度方向貼于其上的至少一組空間正交TMR芯片組成，嵌入式位置傳感頭固定于動(dòng)子上嵌入式位置傳感頭固定于動(dòng)子上上能感受機(jī)械等分永磁體所產(chǎn)生磁場的任何位置，嵌入式位置傳感頭的長度方向平行于動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向；嵌入式位置傳感頭通過激勵(lì)模塊分別向每組TMR芯片分別施加正弦激勵(lì)和余弦激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間正交，進(jìn)而在隨著動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)過程中，通過感受直線永磁伺服電機(jī)定子上機(jī)械等分的永磁體陣列周期性磁場分布，得到兩路信號(hào)和輸出，合成后得到的信號(hào)輸入時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)直線永磁伺服電機(jī)位置的嵌入式檢測。以上嵌入式位置檢測裝置適用于任何包含所述機(jī)械等分永磁體陣列的直線永磁伺服電機(jī)。
[0010] 作為一個(gè)優(yōu)選方案，所述空間正交的TMR芯片組通常使用兩片TMR芯片構(gòu)成一組。所述空間正交的每組TMR芯片中兩片TMR芯片的敏感方向沿相同方向放置，敏感方向既可沿著電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向放置也可以垂直于電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向放置。
[0011 ]作為一個(gè)優(yōu)選方案，設(shè)機(jī)械等分永磁體陣列中相鄰兩片永磁體的中心距離為21，組內(nèi)兩片TMR芯片的中心距離為L，則所述空間正交須滿足關(guān)系L=(2n+l)l。
[0012]作為一個(gè)優(yōu)選方案，所述空間正交的TMR芯片組在時(shí)間正交信號(hào)的激勵(lì)下，隨著直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生反應(yīng)位置變化的信號(hào)，采用公知的時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。經(jīng)放大、濾波、相位解調(diào)、運(yùn)動(dòng)位移計(jì)算處理后，最終得到直線永磁伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置。
[0013]作為優(yōu)選，嵌入式位置傳感頭可以采用多組空間正交的TMR芯片，多組TMR芯片的輸出通過平均處理，從而提高測量精度。進(jìn)一步為了節(jié)省空間，當(dāng)采用多組TMR芯片時(shí)，一組的兩塊TMR芯片與另一組的TMR芯片交替布置。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于:
由PCB底板和TMR芯片組構(gòu)成的嵌入式位置檢測傳感頭結(jié)構(gòu)簡單，體積小且便于與現(xiàn)有任何包含所述機(jī)械等分永磁體陣列的直線永磁伺服電機(jī)相集成，不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)體積的增大，也不會(huì)造成額外的運(yùn)載負(fù)擔(dān);直接利用直線電機(jī)內(nèi)部的機(jī)械等分的永磁體陣列進(jìn)行位置檢測，即可實(shí)現(xiàn)直線伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制所需計(jì)量等分的位置信號(hào)，比現(xiàn)在通常采用的直線光柵，該方法成本低廉、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高;嵌入式位置檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單且成本適宜，對(duì)直線永磁伺服電機(jī)的位置傳感技術(shù)而言是極大的技術(shù)突破與革新，在直線永磁伺服電機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明單層直線永磁伺服電機(jī)嵌入式位置檢測方法結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明雙層直線永磁伺服電機(jī)嵌入式位置檢測方法結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是芯片敏感方向與運(yùn)動(dòng)方向垂直的單組空間正交TMR芯片組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4是芯片敏感方向與運(yùn)動(dòng)方向平行的單組空間正交TMR芯片組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖5是芯片敏感方向與運(yùn)動(dòng)方向平行的雙組空間正交TMR芯片組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖6是本發(fā)明實(shí)施例中單層機(jī)械等分永磁體的磁力線分布示意圖。
[0021]圖7是本發(fā)明實(shí)施例中雙層機(jī)械等分永磁體的磁力線分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神的情況下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)明的多種實(shí)施方式。因此，以下【具體實(shí)施方式】和附圖僅是對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。
[0023]結(jié)合圖1，針對(duì)具有機(jī)械等分永磁體陣列112的直線永磁伺服電機(jī)1，嵌入式位置檢測裝置包括由PCB底板21和沿PCB底板21長度方向貼于其上的空間正交TMR芯片22組成的嵌入式位置傳感頭2、激勵(lì)模塊3和時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)4。嵌入式位置傳感頭2固定于直線永磁伺服電機(jī)I的動(dòng)子12上，傳感頭2的長度方向平行于直線永磁伺服電機(jī)I動(dòng)子12的運(yùn)動(dòng)方向。傳感頭2通過激勵(lì)模塊3分別向兩片TMR芯片施加正弦激勵(lì)和余弦激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間正交，進(jìn)而在隨著動(dòng)子12的運(yùn)動(dòng)過程中，通過感受直線永磁伺服電機(jī)定子11上機(jī)械等分永磁體陣列112周圍的磁場分布，得到兩路信號(hào)輸出，合成后得到的信號(hào)輸入時(shí)柵信號(hào)處理系統(tǒng)4，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)直線永磁伺服電機(jī)位置的嵌入式檢測。
[0024]本發(fā)明不僅適用于具有單層機(jī)械等分永磁體陣列的直線永磁伺服電機(jī)I，對(duì)任何具有機(jī)械等分永磁體陣列的直線永磁伺服電機(jī)同樣適用。結(jié)合圖2，描述了嵌入式位置檢測裝置在具有雙層機(jī)械等分永磁體陣列612的直線永磁伺服電機(jī)6上的應(yīng)用。嵌入式位置傳感頭2同樣固定于直線永磁伺服電機(jī)6的動(dòng)子62上，類似地，在不影響直線永磁伺服電機(jī)運(yùn)行的前提條件下只要能夠保證嵌入式位置傳感頭2的長度方向與電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向平行，嵌入式位置傳感頭2可