基于微電機傳動機構位置檢測的設計與評測

丁 凡，王軍偉，姚春良，樓 翔

（寧波生久科技有限公司，浙江 寧波 315423）

0 引言

數字信號處理器的出現，豐富了位置精度的檢測方法。對于電機傳動機構的定位精度檢測，使用較多的有行程開關，磁柵、光柵，光電開關、霍爾等檢測方式。行程開關多為機械式，尺寸大，對位置精度要求不是特別精確。隨著德國工業4.0 和中國制造2025 的戰略思想的普及，從業人員對位置檢測精度提出了更高的要求，精密機械的測量精度也達到了納米級[1]。

光電開關利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路接通電路，從而檢測物體的有無。所有能反射光線（或者對光線有遮擋作用）的物體均可以被檢測[2]。圖1所示為光電開關的輸出電流與遮擋物的相對距離關系。

圖1 光電開關輸出電流&距離

霍爾傳感器分為鎖定型、開關型和線性3 個種類。前兩類只有導通和截止兩種狀態，輸入信號為磁感應強度，輸出信號僅呈現兩種數字的高低電平變化。開關型霍爾的導通和截止狀態只和外界磁感應強度的大小有關，和磁場的極性變化無關，而鎖定型霍爾可被雙磁極激發，如圖2所示。

圖2 霍爾傳感器輸入特性

劉庚[3]提出了一種由互為冗余的2組正交編碼組合而成的位置檢測系統及其脈沖信號處理規則。該系統可滿足高可靠性和高分辨率的位置檢測需求。

電機的轉動位置精確控制，需要傳動機構的優化設計和加工精度，位置傳感器選型布局及控制算法。采用反電勢過零法的無位置傳感器控制算法和磁編碼器兩種檢測方法[4-5]，通過信息融合計算出電機轉子的位置，并實現冗余位置檢測。張斯其[6]研究了線性霍爾相對電機磁極的安裝布局原則，確定了線性霍爾相對電機3 個方向上的最佳安裝位置。提出了基于線性霍爾的矢量跟蹤位置觀測器方法，參考線性霍爾檢測信號及電機的反電動勢參數對線性霍爾檢測信號進行補償。

目前，微型直流電機廣泛應用于工業智能產品中，因為電子鎖的空間狹小，結構緊湊，無法布局足夠數量的位置傳感器，實現精準的到位停止和狀態反饋。鑒于此，本文設計了兩種電機傳動機構位置檢測模式：（1）雙齒凸輪+光電檢測模式；（2）雙永磁體嵌入凸輪+雙霍爾檢測（其中一個霍爾為單極性）模式。這兩種檢測利用電機轉動單周期內，雙檢測點的交互應答，產生的0、1邏輯電平狀態切換對電機實施精準控制。

1 問題分析

微直流電機作為各種電子產品的動力源，廣泛應用于各種電動玩具，小家電產品中。但這類直流電機轉速快，輸出扭力小。對于需要較大扭矩，需要位置狀態輸出的產品，如電子鎖，打印機等，采用微直流減速電機驅動傳動機構滿足產品的功能需求。在有限的空間內，需要設計出一種準確定位和狀態識別的可檢測傳動機構，才能保證產品的穩定性，提升用戶的體驗感。

2 微電機傳動機構位置檢測

目前，微型直流電機作為工業電子鎖的驅動件，如圖3 所示，基于鎖控管理平臺，戶外通訊基站上應用藍牙電子鎖實現基站重點設備的管理，通過手機App 實時獲取電子鎖的開關狀態，便于專業人員定期維護。

圖3 藍牙電子掛鎖控制系統架構

在實際應用中，通常因為智能鎖的電機傳動機構的位置檢測偏差，導致鎖具狀態誤報和誤傳。嚴重情況下導致假鎖問題，給基站管理帶來很大的隱患。需要設計精確的電機傳動機構的檢測模式。

2.1 雙齒凸輪+光電檢測

圖4 所示為微型電機直連雙齒凸輪鎖閉機構，該種機構由微直流電機通過雙齒凸輪驅動轉軸轉動，轉軸推動鋼球水平移動，鋼球和鎖環的缺口抱合，從而實現鎖環的鎖閉功能。轉軸上端面的中心軸上安裝有扭簧，可以實現轉軸的自動復位。轉軸處于起始位置（鎖閉位置）時，轉軸的外圓頂住鋼球，鋼球嵌入鎖環的缺口內。

圖4 雙齒凸輪傳動機構

圖5 所示為雙齒凸輪起始位置示意圖。轉軸處于起始位置（鎖閉位置）時，轉軸的外圓頂住鋼球，鋼球嵌入鎖環的缺口內。電機轉動過程中，帶動轉軸和雙齒凸輪運動，內嵌MCU 通過雙齒凸輪的擋齒1、2 和對射光電開關的相對位置的變化來判斷電機是否到位，并控制電機到位停止。

圖5 雙齒凸輪起始位置

圖6 所示為開鎖過程雙齒凸輪運動位置示意圖，起始位置（關鎖）時光電開關中間的矩形檢測窗沒有被遮擋（電平輸出邏輯0）。手機App 發送開鎖指令，雙齒凸輪順時針旋轉，編號定義1、2 的擋齒依次經過檢測窗，對射光電開關的電平輸出邏輯依次為：0→1→0→1，當齒1遮擋檢測窗時，對射光電開關的電平輸出由邏輯0跳變到邏輯1，內嵌MCU 監測到這個電平變化，控制電機停止轉動，這樣開鎖位置時光電開關中間的矩形檢測窗被遮擋（電平輸出邏輯1）。關鎖過程和開鎖過程相反，對射光電開關的電平輸出邏輯依次為：1→0→1→0。這樣通過一個對射光電開關傳感器解決了電機到位監測和狀態判斷兩個功能。同時，電子鎖內嵌軟件在讀取對射光電開關傳感器時，在電平每次變化時做了去抖動的工作，保證電機開鎖或關鎖時監測電平的穩定性，避免電機在傳感器的臨界位置晃動。圖7 所示為開鎖過程光電開關輸出的實際波形圖，圖8 所示為關鎖過程光電開關輸出的實際波形圖，和上面講述的理論開關鎖過程一致。

圖6 開鎖過程雙齒凸輪運動位置

圖7 開鎖過程光電開關輸出的波形

圖8 關鎖過程光電開關輸出的波形

擋齒的寬度和擋齒1、2之間的間距，要根據轉軸的開關角度（默認90°開啟）進行設計，齒寬要大于光電開關外形寬度的1/2。該種機構通過一個對射光電開關傳感器監測雙齒凸輪的運動，內嵌MCU 根據光電傳感器輸出的高低電平的變化來控制電機的運動，對微電機傳動機構停止時光電傳感器輸出的高低電平來判斷當前狀態是開或關，完美解決了因機構空間限制不能用多個傳感器來區分到位和開關狀態的問題。

2.2 雙永磁體嵌入凸輪+雙霍爾檢測

該種檢測方式通過一對霍爾傳感器，其中一個為單極性霍爾傳感器，S 極靠近時輸出低電平邏輯0，S 極離開時輸出高電平邏輯1；另一個為全極性霍爾傳感器，磁鐵靠近輸出低電平邏輯0，磁鐵離開輸出高電平邏輯1，兩個霍爾傳感器并排放置一邊。凸輪上內嵌2 個磁鐵，位于凸輪180°的兩端，一個磁鐵S 極朝外，另一個磁鐵N 極朝外，兩個成180°分布的磁鐵隨著凸輪的轉動經過兩個霍爾傳感器，內嵌MCU 監測到兩個霍爾傳感器輸出的電平變化來控制電機的轉動，并監測機構所處的位置和狀態，如圖9所示。

圖9 微直流電機傳動機構示意圖

圖10 所示為雙霍爾監測位置圖，位置1 為機構關狀態，磁體1的S極朝外，此狀態2個霍爾傳感器電平輸出邏輯0；位置2 為機構開狀態，磁體2 的N 極朝外，此狀態霍爾傳感器電平輸出邏輯0。

圖10 雙霍爾檢測位置示意圖

開鎖時凸輪順時針旋轉時，磁鐵1離開霍爾傳感器，磁鐵2 隨著電機轉動180°左右時接近霍爾傳感器，此時全極性霍爾傳感器輸出低電平邏輯0，單極性霍爾傳感器電平不變，這個過程全極性霍爾傳感器電平輸出邏輯為0→1→0，單極性霍爾傳感器電平輸出邏輯為0→1→1。

關鎖時凸輪逆時針旋轉時，磁鐵2離開霍爾傳感器，磁鐵1 隨著電機轉動180°左右時接近霍爾傳感器，此時全極性霍爾傳感器輸出低電平邏輯0，單極性霍爾傳感器電平因有S 極磁鐵靠近發生變化，低電平輸出邏輯0，這個過程全極性霍爾傳感器電平輸出邏輯為0→1→0，單極性霍爾傳感器電平輸出邏輯為1→1→0。

通過兩個霍爾傳感器能夠有效區分位置1 和位置2狀態的不同。但由于霍爾傳感器受磁場強度大小的影響，凸輪的到位位置會有一定角度的偏差，需要機構增加機械限位來矯正凸輪到位的狀態。

圖11 所示為開關鎖過程光電開關輸出的實際波形圖，上波形為全極性霍爾開關輸出的波形；下波形為單極性霍爾開關輸出的波形。兩個波形都為低電平時為機構關狀態，上波形為低電平、下波形為高電平時，機構為開狀態。

圖11 開關鎖過程霍爾開關輸出的波形

通過全極性霍爾傳感器來控制電機到位，但其不能判斷電機到位在開或關狀態，通過S 極單極性霍爾傳感器來判定目前電機是否在關狀態，這種兩個霍爾傳感器并排放置一邊的組合完美實現到位和關狀態的監測，并有利于電路板的布局。

3 分析和討論

從前文介紹的位置檢測方式設計可得到以下結論。

（1）對射光電開關的檢測精度優于霍爾，霍爾的檢測精度受磁感應強度大小的影響。正常狀態下，雙齒凸輪+對射光電開關檢測模式的檢測精度優于雙霍爾+雙磁鐵檢測模式。但對射光電開關的尺寸較大，安裝位置相對凸輪的位置對安裝精度要求較高，適用性相對較低。

（2）遇到電機中途停止供電，雙齒凸輪+對射光電模式無法中途修正，需要重新開啟一次才能恢復至零位。雙霍爾+雙磁鐵檢測模式因為有單極性霍爾檢測，能夠區分當前狀態，可以進行中途修正，可靠性比較高。

4 結束語

針對微型減速直流電機-傳動機構的到位位置檢測，提出了兩種機構檢測模式，解決了因機構元件加工誤差和裝配偏差導致的定位偏差問題，實現了機構的精準定位和重復精度，從根本上解決了開關狀態的實時反饋，提升產品的可靠性和可監測性。

本文創新地提出了雙點位檢測方式及結構布局特征。通過機構運行的邏輯對比，為智能化產品的小型化開拓了理論基礎，通過樣機信號波形采集分析，得到的數據和理論一致，證明了檢測方式的有效性。