编码器磁体结构、编码器、电机、电气设备及车辆
技术领域
本申请属于编码器技术领域，具体涉及一种编码器磁体结构、编码器、电机、电气设备及车辆。
背景技术
目前工控领域的高精度伺服平台广泛采用的角位移传感器有旋转变压器、光电编码器和磁电编码器。
磁电编码器主要由永磁体和磁敏元件组成。磁敏元件能够通过霍尔效应或磁阻效应感应由永磁体旋转运动造成的空间磁场变化，且能将这一磁场变化转化为电压信号的变化，并能通过后续的信号处理系统达到对旋转部件角位移检测的目的。相比旋转变压器和光电编码器，磁电编码器具有结构简单、耐高温、抗油污、抗冲击和体积小、成本低等优点，在小型化和恶劣环境条件的应用场所具有独特优势。
磁电编码器主要由磁信号发生结构和信号处理电路两部分组成，其中磁信号发生源称为磁体。根据磁体的磁极数的不同，可分为单对极磁体和多对极磁体，因而根据磁电编码器磁信号发生源的不同可分为单对极磁电编码器和单多对极组合式磁电编码器。组合式磁电编码器即在传统的单对极磁电编码器的基础之上增加一个多对极磁场信号源，通过单对极磁体的信号来实现对多对极磁体的信号进行编码细分，达到提高分辨率的目的。
单对极磁电编码器典型结构是在单对极磁体的周围径向间隔90°安装四个霍尔元件。当回转轴带动磁体旋转时，在径向间隔90°的两点便会分别产生随时间变化的完整的正、余弦磁场。通过对径两个霍尔元件的差分消除干扰以及分区间反正切算法将磁场强度解算成0～360°的角度输出，再通过软件算法变换成0～216的数字角度值。同理，当添加一个多对极磁场信号源时，回转轴每转动一圈，多对极磁体的每一对极都会在径向间隔90°电角度的两点分别产生一个完整的正余弦磁场，通过反正切算法，便可以将每一对极对应的机械角度解算成0～360°电角度即0～216的数字角度输出，通过单对极磁体信号解算的角度来确定多对极磁体信号所处的周期，从而达到对多对极磁体信号数字角度连续编码的目的。例如，多对极磁体为3对极，其每一对极对应的机械角度为120°，此时霍尔信号在120°范围内便可完成一个完整的正余弦周期，通过软件解算，可实现0～360°的角度输出，相当于将0～120°的机械角度扩大到了0～360°的范围，通过对多对极磁体信号周期的累加，便可实现0～3×216的数字角度值输出，理论上在单对极磁体的分辨率基础之上提高了3倍。
通过大量实验证明，当多对极磁体的极对数较多时，只用单对极磁体的有限数字角度范围来判断多对极磁体信号的周期，有较大机率出现多对极数字角度值区间的误判断，从而出现多对极数字角度值的错误编码，大大降低了组合式磁电编码器的可靠性和精度。
此外，在电机的径向尺寸较大，轴向尺寸较小的情况下，采用单对极和多对极组合形式的组合式磁电编码器，会导致单对极的磁极径向尺寸较大，轴向尺寸较小，在加工充磁，或者使用的过程中，容易使单对极磁极损坏，影响编码器的加工和应用。
另一种现有的多对极与多对极组合编码器，磁极对数在数量上通常会相差1，安装时需要初始位置对齐，操作不便。
发明内容
本申请提出了一种编码器磁体结构，通过使用本申请所述的编码器磁体结构能够提高组合式磁电编码器的可靠性和精度，解决单对极磁体易损坏的问题，同时解决安装不便的问题。
本申请提出了一种编码器磁体结构，其中包括：在同轴环形设置的第一多对极磁体以及第二多对极磁体；
其中所述第一多对极磁体包括m对磁极，所述第二多对极磁体包括n对磁极，m和n为大于2的自然数且彼此互质。
在本申请的一些实施例中，所述第一多对极磁体位于外环，所述第二多对极磁体位于内环，m大于n。
在本申请的一些实施例中，m和n为质数。
在本申请的一些实施例中，所述第一多对极磁体设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。
在本申请的一些实施例中，所述第二多对极磁体设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。
本申请提供的所述编码器磁体结构，能够解决单对极与多对极组合磁电编码器的误判断问题，提高可靠性和精度；同时解决单对极磁体尺寸大、易损坏的问题。
本申请还提出了一种编码器，所述编码器包括：
如前所述的编码器磁体结构；
第一组开关霍尔传感器，与所述第一多对极磁体相对设置从而根据所述第一多对极磁体的磁极信号输出第一检测信号；
第二组开关霍尔传感器，与所述第二多对极磁体相对设置从而根据所述第二多对极磁体的磁极信号输出第二检测信号；
两个线性霍尔传感器，所述两个线性霍尔传感器与所述第一多对极磁体或第二多对极磁体相邻设置，使得所述两个线性霍尔传感器的输出信号相位相差90度。
在本申请的一些实施例中，所述第一组开关霍尔传感器的数量p等于或大于n，所述第二组开关霍尔传感器的数量q等于或大于m。
在本申请的一些实施例中，所述第一组开关霍尔传感器和所述第二组开关霍尔传感器在一端对齐。
在本申请的一些实施例中，所述第一组开关霍尔传感器以360/2mp的间隔角度设置，所述第二组开关霍尔传感器以360/2nq的间隔角度设置。
本申请提供的所述编码器，在安装过程中不需要将磁极的一端对齐，简化了安装工艺；同时使得编码器能够应用于轴向尺寸较小、径向尺寸较大的工作情况，扩大了磁电编码器的应用范围。
本申请还提出了一种电机，所述电机包括前述的编码器。
本申请还提出了一种电气设备，所述电气设备包括前述的电机。
本申请还提出了一种车辆，所述车辆包括前述的电机。
附图说明
下面结合附图详细说明本申请。通过结合以下附图所作的详细描述，本申请的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：
图1A为本申请所述编码器磁体结构的结构平面示意图。
图1B为本申请所述编码器磁体结构的结构立体示意图。
图2A为本申请所述磁体结构双径向布置的编码器平面示意图。
图2B为本申请所述磁体结构双径向布置的编码器立体示意图。
图3A为本申请所述磁体结构双轴向布置的编码器平面示意图。
图3B为本申请所述磁体结构双轴向布置的编码器立体示意图。
图4A为本申请所述磁体结构单径向单轴向布置的编码器平面示意图。
图4B为本申请所述磁体结构单径向单轴向的编码器立体示意图。
图5为本申请所述的编码器角度标定的排序图。
图6为本申请所述的编码器的整体工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本申请的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本申请的特定的具体实施方式，用于说明本申请的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本申请实施方式及本申请范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本申请的保护范围之内。
图1A和图1B示出根据本申请示例实施例的编码器磁体结构的主视图和立体图。
如图1A、1B所示，编码器磁体结构包括：在第一空间平面内同轴环形设置的第一多对极磁体11以及第二多对极磁体12。所述第一多对极磁体11包括m对磁极，所述第二多对极磁体12包括n对磁极，m和n为大于2的自然数且彼此互质。例如，根据一些实施例，m和n为质数。如图1A、1B所示，本实施例中，m为5，n为3，但本申请不限于此。
在利用编码器磁体进行编码时，可以根据编码结果对例如电机转子进行定位。但是，如果编码存在重复情况，则无法有效进行定位。为了消除或减少重复情况，本申请采用互质多对极磁体结构，结合霍尔元件的设置，可以消除重复编码情况，如后将详细描述。
进一步地，所述第一多对极磁体11位于外环，所述第二多对极磁体12位于内环，所述第一多对极磁体的对极数目m大于第二多对极磁体的对极数目n。这是因为外环的直径要大于内环直径，为了使磁体尺寸均匀，外环磁体的数目要大于内环磁体的数目。
根据一些实施例，所述第一多对极磁体11可以设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。图1A、1B所示的实施例中，第一多对极磁体11的磁化方向设置为轴向。所述第二多对极磁体12也可设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。图1A、1B所示的实施例中，第二多对极磁体12的磁化方向设置为轴向。磁化方向不限于此，也可以将第一多对极磁体的磁化方向设置为径向、第二多对极磁体的磁化方向设置为轴向，或者将第一多对极磁体、第二多对极磁体的磁化方向均设置为径向，如后面参照图2A～4B所描述的。
在图1A、1B所示的编码器磁体结构中，第一多对极磁体11、第二多对极磁体12均可由多个磁对极粘连形成，但不限于此。根据本申请的磁体可以采用钕铁硼永磁材料制成，多个磁体可贴附基板上，或直接贴附在例如转轴端部。根据一些实施例，多个磁体可设置在支撑板上。支撑板可为环形结构，沿其内孔圆周法向方向可设置第二多对极磁体12。所述第一多对极磁体11固定在支撑板的环形表面。固定方式可以为胶接。
图2A和2B示出根据本申请示例实施例的磁体结构双径向布置编码器的平面示意图和立体示意图。所述编码器包括上述任一实施例所述的编码器磁体结构。
如图2A、2B所示，所述编码器包括前述的编码器磁体结构第一多对极磁体11和第二多对极磁体12。在本实施例中，第一多对极磁体11的数量m为5，第二多对极磁体12的数量n为3。
根据示例实施例，所述编码器还包括：第一组开关霍尔传感器110，与所述第一多对极磁体11相邻设置从而根据所述第一多对极磁体11的磁极信号输出第一检测信号；第二组开关霍尔传感器120，与所述第二多对极磁体12相邻设置从而根据所述第二多对极磁体12的磁极信号输出第二检测信号。
进一步地，所述编码器还包括两个线性霍尔传感器130。所述线性霍尔传感器130与第一多对极磁体11或者第二多对极磁体12相邻设置，使得所述线两个性霍尔传感器130的输出信号相位相差90度。
根据一些实施例，所述第一组开关霍尔传感器110的数量p等于或大于n，所述第二组开关霍尔传感器120的数量q等于或大于m。
根据一些实施例，在上述编码器结构中，第一组开关霍尔传感器110和第二组开关霍尔传感器120在一端对齐。
所述第一组开关霍尔传感器110以360/2mp的间隔角度设置，所述第二组开关霍尔传感器以360/2nq的间隔角度设置。具体关于霍尔元件的设置见后面的详细描述。
图3A和3B示出根据本示例实施例的磁体结构双轴向布置编码器的平面示意图和立体示意图。如图3A和3B所示，第一多对极磁体11、第二多对极磁体12的磁化方向均为轴向设置，其他设置均与图2A和2B中的实施例相同，此处不再赘述。
图4A和4B示出根据本示例实施例的磁体结构单轴向单径向布置编码器的平面示意图和立体示意图。如4A和4B所示，第一多对极磁体11的磁化方向为径向设置，第二多对极磁体12的磁化方向均为轴向设置，其他设置均与图2A和2B中的实施例相同，此处不再赘述。
下面描述设置开关霍尔元件的充分条件。在前述的编码器结构中，每个磁极只能用开关霍尔判断磁极的N和S。对每一对磁极而言，多个开关霍尔可以实现一对磁极周期内的角度细分。但不能识别多对磁极周期。用k个等间距分布开关霍尔可以实现180°/k的角度细分。因此可以通过开关霍尔划分磁极的位置区间，根据两个磁极极间各个磁极相对位置的不同，来对各个磁极的区间进行判断。
如前所述，m、n分别为第一多对磁极磁体和第二多对磁极磁体的数目，且m>n。假设两组磁体的总角度为l，lm、ln分别为两组磁体的每一对极的角度，m和n的公约数为a，m1、m2为m和n除以公约数a后得到的结果。则：
lm×m×2＝ln×n×2＝l
lm×m1×2＝ln×n1×2＝l1
l＝al1
即在两组磁极会出现a次相对位置相同的情况，这就导致出现a次重复的位置特征。只有在a＝1，即两个磁极对数互质的时候，才能不出现重复的位置特征。
m与n互质时，lm、ln也不存在公约数，两组磁极每一极(非对极)之间存在ln-lm的差值，第x对极会由于角度差出现x(ln-lm)的位置偏差。由于不存在公约数，因此当x≠n或者x≠m时，不会出现整数个极数的位置偏差。因此两组磁极每个极之间的相对位置都不相同。
此时，如果能识别两组磁极每个极之间的相对位置并以特定的方式表示，就可以实现磁极周期的区分。
下面描述通过设置开关霍尔元件实现磁极周期的区分。开关霍尔元件有以下工作特性：
每对磁极只能用开关霍尔判断磁极的N和S，开关霍尔在靠近N极时输出为1(置高)，在靠近S极时输出为0(置低)；
对每对磁极而言，多个开关霍尔可以实现一对磁极周期内的角度细分。在一个磁极周期内，用k个等间距分布开关霍尔可以实现180°/k的角度细分；
仅对一组磁极而言，多个开关霍尔不能实现磁极周期的区分。
基于上述分析，可以用多个开关霍尔来对一对磁极周期内的区域角度进行编码，使其具有特有的编码值。这一编码值会在后续的磁极区间内重复出现。而由于两组磁体中每个磁极间的相对位置都不相同，两组磁体处于同一角度区域的两个编码可以组合构成在圆周范围内不重复出现的编码值。只要合理设置这个角度区域的范围，就能根据编码值判断磁极的各个周期。
因此可以通过在两组互质的磁钢周围，根据相对位置的不同，设置两组按一定规律排布的开关霍尔来识别磁极的各个周期。
假设m-n＝d，根据研究得到一种可行的方案为开关霍尔等间距的排布在两组磁体的一个磁极周期内，并且处于起始位置的两个开关霍尔在一端对齐，两组开关霍尔同方向排布，此时需要识别的角度区域为磁极间的最小相对位置偏差
根据开关霍尔的工作特性，对于m对极需要
因此，只要能按上述数量要求设置开关霍尔元件，等间距的布置在磁极周围，就可以实现不重复的编码，即能识别各个磁极周期。
以五对极、三对极为例，结合上述分析给出的开关霍尔布置方案以及开关霍尔的工作特性。可以得到如下所示的用于判断磁极周期的真值表。该表根据两组磁体初始位置对齐的方案给出，初始位置不对齐时，真值表同理可得。
表1 充分条件下的五对极、三对极真值表
下面描述利用真值表减少霍尔元件数量的方法。在上述设置开关霍尔元件的充分条件中，会出现开关霍尔数量太多的情况，不利于实际使用。而除了上述充分条件以外，可以利用真值表的方式通过调节开关霍尔的数量和角度，得到开关霍尔数量更少的方案。
针对本示例实施例中第一多对极磁极数目为5、第二多对极数目数目为3的编码器制作真值表，对磁极周期进行划分。步骤如下：
步骤1：建立两列长度相同的由1，0构成的数列，如表1中所示的五对极的第一列和三对极的第一列。其中1代表每一对极的N极，0代表每一对极的S极。由表1可以看出，两种极对数的第一列分别出现了5次和3次的1，0变化，即表示了五对极和三对极。由于五对极和三对极磁极在实际的产品中均为360°，因此设置等长数列的目的，可以表示为这一点。
如表2所示的列长为30，即3×5×N＝30，其中N＝2。其中的3×5是为了保证数列能够等长，而后面的乘N则是为了步骤2中数列的排布。此时，磁极通过这种方式，划分为了30个区间，每个区间所占的角度为12°。对应到真值表上，每一个区间为真值表中的一行。
步骤2：根据选用的磁极对数，初步确定选用的开关霍尔传感器的数量，如3、5对极，分别使用两组3个开关霍尔传感器。对磁极而言，若两个开关霍尔相差一定角度，检测产生的相位差从真值表上体现为相差一定的区间数。如表2中所示的五对极，第二列和第三列分别与第一列相差一个区间和两个区间。以五对极的第一列为基准位置，则表示了两个开关霍尔传感器与第一个开关霍尔传感器分别相差了实际角度的12°和24°，即检测的相位相差了12°和24°。
用这种方法来对霍尔传感器的角度进行调整，会得到如表2所示的真值表。
步骤3：考虑到在磁极安装过程中，为了简化磁极的安装工艺，两个磁极并不是零点对齐的，因此需要对其中一个对极的真值，整体移动该角度对应的区间数。
步骤4：完成了真值表的制作后，需要检验。二进制编码是否存在重复定义区间的问题，即是否存在一个二进制码同时定义多个磁极的问题。若不存在，则该真值表可以使用。若存在，可以通过三个途径来解决：一是在霍尔元件数量不变的情况下，调整开关霍尔元件之间间隔的区间数；二是进一步细化角度，通过增大步骤1中的3×5×N的N来细分角度；三是增加开关霍尔传感器的数目，即增加二进制编码的位数。
完成了真值表的制作后，根据真值表的结果进行开关霍尔元件的安装，在编码器工作过程中，即可根据开关霍尔元件输出的二进制编码查真值表来判断磁极所处的磁极区间。表2中给出了五对极、三对极的最简真值表。
表2 五对极、三对极真值表
根据表2中的最简真值表，五对极磁极和三对极磁极上的开关霍尔元件数量均可设置为3个，即可满足不重复的编码要求。
下面描述根据示例实施例的单周期角度解算方法。该方法可以应用于根据本申请实施例的编码器。
应用线性霍尔元件得到了正余弦信号后，通过电路中的A/D转换，可以得到一定位数的数字电压值。而此时的数字电压值虽然与编码器的测量角度值有一定关系，但并不是编码器的测量角度值，还需要进行角度解算。
对每一对极磁体的信号而言，两个霍尔元件在空间上的位置相差90°，使得两个霍尔信号输出的正余弦信号在相位上相差90°，此时即可将相位超前的信号认为是正弦信号，将相位滞后的信号认为是余弦信号。用正弦信号去除以余弦信号即可得到该点信号的正切值，随后对该正切值进行反正切处理，即可得到该点位置的实际角度值。但如果直接用上述方法对角度进行解算，由于正切函数的区间为[-90°，90°]，这将会导致角度解算的区间错误，因此需要通过分区间的方法来解决这一问题。
将每一个磁极的360°以45°为间隔划分为8个等长度的区间，通过判断两个线性霍尔元件的电压的大小并判断它们的正负性，来判断此时的霍尔信号所处的位置。
分区间反正切算法的进行角度解算的实现原理如表3所示。其中的VA、VB为相位相差90°的线性霍尔检测信号。
表3 角度区间的划分
通过以上的角度区间的划分，就可以实现霍尔采集信号到数字角度信号的转化，并且转化后的数字角度区间范围为[0°，360°]。
下面描述根据示例实施例的实际角度计算方法。该方法可以应用于根据本申请实施例的编码器。
经过角度解算得到的多对极编码器的角度仅仅是其中一对磁极对应的角度，而不是绝对的角度，而多对极编码器的绝对角度需要通过以下公式求得：
θ＝PN+θ1/Pmax
式中：θ——绝对的角度值；
P——测量得到的角度属于磁极的周期，P∈[0,Pmax]，Pmax为磁极极对数；
N——每一对磁极对应的角度值，N＝360°/Pmax；
θ1——线性霍尔解算得到的角度值。
式中的N、Pmax、θ1均为角度解算后已知的数。P在角度测量时可以根据真值表得到当前的磁极周期。
下面描述根据示例实施例的角度标定方法。该方法可以应用于根据本申请实施例的编码器。
在完成了编码器的角度解算和实际角度计算后，磁电编码器即可进行角度的测量。但此时测量得到的角度精度比较低。因此需要对磁电编码器进行标定。
多对极编码器实现连续编码后，使得多对极编码器和高精度的光电编码器同时测量转轴的角度，并通过数据采集系统将两组角度值同时采集。将光电编码器作为标准计量仪器，将实验数据通过标定处理，即可得到多对极编码器与光电编码器间的一一对应关系。
编码器标定过程如下：
以连续编码后的多对极数据为基准对多对极数据和光电编码器数据进行排序，以增大样本容量，使建立的对应关系更加准确。排序后的结果如图5所示。
为了便于对比，将光电编码器和多对极编码器的数据转化为同一量级。
分区间，将连续编码的光电编码器数据分为M个区间，并得到M+1个等距节点。
以多对极数据为X轴，光电数据为Y轴绘制图像，并为了拟合操作的进行，需要对首尾两个节点处的数据进行补偿。其中第一个等距节点前的半个周期用最后一个节点前的半个周期减去PN代替，最后一个节点后的半个周期用第一个等距节点后的半个周期加上PN代替。
以M+1个等距节点为中心，对节点前后的半个区间内的数据进行最小二乘法拟合。拟合完成后求取各个节点对应的拟合值，用该拟合值减去节点对应的多对极数据即得到标定的误差。将该误差制表，表格第一列为节点值，第二列为误差值。
完成了表格的制作后，将表格置入单片机的存储区，当工作过程中计算得到多对极角度后，首先通过查表得方式确定多对极数据所处的位置，若在节点上，则对多对极数据加上相应的差值，若在节点之间，则根据线性插值计算输出角度值。
经过标定后的角度值，精度得到极大的提高。
图6中示出根据示例实施例的编码器工作流程图。如图6所示，该工作流程图包括：
S1：采集信号，包括采集线性霍尔信号和开关霍尔信号；
S2：传输信号，包括将S1中采集到的信号经过放大器、A/D转换器转换为数字电压信号；
S3：处理信号，包括将S2中传输的信号进行计算和处理，获得最终结果；
S4：输出测量结果。
在S3中，信号计算和处理过程包括S310单周期角度解算、S320真值表判断磁极周期、S330实际角度计算、S340误差补偿。
编码器的使用已为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明，而非限制本发明的范围。本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。
