專利名稱：一種電動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動機(jī)，尤其是一種用于精確位置控制的控制用電動機(jī)。
背景技術(shù)：
電動機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域中使用非常廣泛的一種動力源，而對電動機(jī)的控制將直接影響 整個系統(tǒng)的運(yùn)行，因此，電動機(jī)的控制系統(tǒng)也被廣泛關(guān)注。電動機(jī)的種類非常多，根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以把電動機(jī)分為異步電動機(jī)、同步 電動機(jī)；交流電動機(jī)、直流電動機(jī)等。在現(xiàn)有的一些系統(tǒng)中，需要對電動機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速等 進(jìn)行精確地控制，因此，出現(xiàn)了一種伺服電動機(jī)。這種電動機(jī)與控制器、編碼器結(jié)合，可以實(shí) 現(xiàn)對電動機(jī)的閉環(huán)控制。因具有高響應(yīng)特性，寬調(diào)速范圍等特點(diǎn)受到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廣泛關(guān) 注。而在其輸出軸上所使用的用于檢測電機(jī)位置的位置檢測器的精度直接影響到系統(tǒng)的速 度控制和定位精度。目前，位置檢測傳感器主要采用的是編碼器。目前通用的方法是在電機(jī)上裝置光 電編碼器，將角度信息通過線纜傳輸?shù)娇刂破鳌Ｔ隽渴骄幋a器軸旋轉(zhuǎn)時候帶動光柵盤旋轉(zhuǎn)，發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤，指示光 柵的狹縫切割成斷續(xù)光線被接收元件接受，輸出相應(yīng)的脈沖信號，其旋轉(zhuǎn)方向和脈沖數(shù)量 需要借助判向電路和計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。計數(shù)起點(diǎn)可任意設(shè)定，旋轉(zhuǎn)增量編碼器轉(zhuǎn)動時輸出脈 沖，通過計數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置，并且工作過程中也不能有干擾而丟失脈沖，否 則，記數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會偏移，并且無從知道。為了解決此問題，出現(xiàn)了絕對式編碼器。絕對式編碼器輸出與位置一一對應(yīng)的代 碼，從代碼的大小變化能判別出旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置。這樣抗干擾性，數(shù)據(jù)的可靠性大 大提高了，絕對式編碼器已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)的角度，長度測量和位置控 制。但是光電編碼器存在一些難以克服的缺點(diǎn)光電編碼器由玻璃物質(zhì)通過刻線而成，其抗 震動和沖擊能力不強(qiáng)，不適合于塵埃，結(jié)露等惡劣環(huán)境，并且結(jié)構(gòu)和定位組裝復(fù)雜。刻線間 距有極限，要提高分辨率必須增大碼盤，難以做到小型化。在生產(chǎn)中必須保證很高的裝配精 度，直接影響到生產(chǎn)效率，最終影響產(chǎn)品成本。由于上述光電編碼器存在的問題，出現(xiàn)了在電動機(jī)上使用的磁電式編碼器，這種 編碼器主要包括磁鋼、磁感應(yīng)元件和信號處理電路，磁鋼隨著電動機(jī)的軸轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生變化的 磁場，磁感應(yīng)元件感應(yīng)該變化的磁場，將磁信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出到給信號處理電路，信號 處理電路將該電信號處理成角度信號輸出。但是，對于直流無刷電動機(jī)，該磁電式編碼器中 使用的磁鋼的磁極要與直流無刷電動機(jī)的磁極數(shù)目相適應(yīng)。對于不同磁極數(shù)的直流無刷電 動機(jī)要與與其相適應(yīng)的編碼器相配合才可使用，因此，這種磁電式編碼器的通用性很差。另外，目前的電動機(jī)一般采用線纜方式將位置信息傳輸?shù)娇刂破鞯腃PU，但通信過 程中易受電磁噪聲干擾導(dǎo)致信息錯誤，并且存在通信的滯后性，不能實(shí)時反映當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn) 子的位置信息，從而影響到整個系統(tǒng)的控制效果。再有，傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計追求的是對單一目標(biāo)的完成和實(shí)現(xiàn)，但是在需要完成任務(wù)較多的要求下，對應(yīng)不同任務(wù)就要選擇不同的電機(jī)。例如，如任務(wù)一中要求大負(fù)載高轉(zhuǎn)速， 需要選擇大轉(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)速的電動機(jī)。任務(wù)二要求負(fù)載較小轉(zhuǎn)速適中，這樣任務(wù)一中選擇出的 電機(jī)就不再適用于任務(wù)二的工作條件，需要令選擇電機(jī)，這樣必將造成浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，本發(fā)明提出了一種具有新磁電式傳感器的電動 機(jī)，成本低，系統(tǒng)的可靠性高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。本發(fā)明提供了一種電動機(jī)，包括電機(jī)本體、控制器和磁電式傳感器，所述磁電式傳 感器用于感測電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動，并將感測到的電壓信號傳輸給控制器，通過控制器的處理，獲 得電機(jī)軸轉(zhuǎn)動的角度或位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。其中，所述磁電式傳感器包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，所述轉(zhuǎn)子包括第一 磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)；其中，所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)分別固定在同一轉(zhuǎn)動軸上；在定子上，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有n(n =1，2…n)個均勻分布的磁感應(yīng)元件，所述第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感應(yīng)元 件輸出呈格雷碼格式，相鄰兩個輸出只有一位變化；在定子上，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有有 m(m為2或3的整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件，所述第一磁鋼環(huán)的磁極總對數(shù)與 第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)相等，并且相鄰兩極的極性相反；當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變 為電壓信號，并將該電壓信號輸出給信號處理裝置。優(yōu)選地，在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2 或4時，該夾角為90° /g;當(dāng)m為3時，該夾角為120° /g ；當(dāng)m為6時，該夾角為60° /g， 其中，g為第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)。優(yōu)選地，所述磁感應(yīng)元件直接表貼在定子的內(nèi)表面。所述電動機(jī)還包括兩個導(dǎo)磁環(huán)，每一所述導(dǎo)磁環(huán)是由多個同圓心、同半徑的弧段 構(gòu)成，相鄰兩弧段留有空隙，對應(yīng)于兩個磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件分別設(shè)在該空隙內(nèi)。優(yōu)選地，所述的導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角。優(yōu)選地，所述倒角為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑向切削而形成的倒角。優(yōu)選地，所述的磁感應(yīng)元件為霍爾應(yīng)應(yīng)元件。優(yōu)選地，所述電機(jī)本體和控制器一體化設(shè)置。優(yōu)選地，所述控制器包括外殼和控制模塊，所述外殼將控制模塊罩在外殼內(nèi)，并通 過連接件與電機(jī)固定在一起。優(yōu)選地，所述磁電式傳感器設(shè)于外殼內(nèi)，并位于電機(jī)和控制模塊之間或者位于控 制模塊之后。所述電動機(jī)還包括風(fēng)扇，用于對電機(jī)及控制器進(jìn)行散熱。優(yōu)選地，所述風(fēng)扇位于外殼內(nèi)，并置于遠(yuǎn)離電機(jī)的外殼的最外端部或位于電機(jī)、控 制模塊和磁電式傳感器中任何兩個部件之間。所述控制模塊包括數(shù)據(jù)處理單元、電機(jī)驅(qū)動單元和電流傳感器，所述數(shù)據(jù)處理單元接收輸入的指令信號、電流傳感器采集的電機(jī)輸入電流信號和磁電式傳感器輸出的代表 電機(jī)角度的信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號給所述的電機(jī)驅(qū)動單元，所述電機(jī)驅(qū)動單元 根據(jù)所述的控制信號輸出合適的電壓給電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。其中，所述數(shù)據(jù)處理單元包括機(jī)械環(huán)控制子單元、電流環(huán)控制子單元、PWM控制信 號產(chǎn)生子單元和傳感器信號處理子單元；所述傳感器信號處理子單元接收所述磁電式傳感器輸出的代表電機(jī)角度的信息， 將電機(jī)的角度傳輸給所述的機(jī)械環(huán)控制子單元；所述傳感器信號處理子單元還接收所述電 流傳感器的檢測到的電流信號，經(jīng)過A/D采樣后輸出給所述的電流環(huán)控制子單元；所述機(jī)械環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的指令信號和電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動角度，經(jīng)過運(yùn)算得 到電流指令，并輸出給所述的電流環(huán)控制子單元；所述電流環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的電流指令的電流傳感器輸出的電流信號，經(jīng) 過運(yùn)算得到三相電壓的占空比控制信號，并輸出給所述的PWM控制信號產(chǎn)生子單元；所述PWM控制信號產(chǎn)生子單元根據(jù)接收到的三相電壓的占空比控制信號，生成具 有一定順序的六路PWM信號，分別作用于電機(jī)驅(qū)動單元。其中，所述電機(jī)驅(qū)動單元包括六個功率開關(guān)管，所述開關(guān)管每兩個串聯(lián)成一組，三 組并聯(lián)連接在直流供電線路之間，每一開關(guān)管的控制端受PWM控制信號產(chǎn)生子單元輸出的 PWM信號的控制，每一組中的兩個開關(guān)管分時導(dǎo)通。優(yōu)選地，所述傳感器信號處理子單元或磁電式傳感器中還包括磁電式傳感器的信 號處理電路，用于根據(jù)所述磁電式傳感器的電壓信號得到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動角度，具體包括A/D轉(zhuǎn)換電路，對磁電式傳感器發(fā)送來的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號；相對偏移角度e i計算電路，用于計算位置檢測裝置中對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的磁感 應(yīng)元件發(fā)送來的第一電壓信號在所處信號周期內(nèi)的相對偏移量e i ；絕對偏移量0 2計算電路，根據(jù)位置檢測裝置中對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件 發(fā)送來的第二電壓信號，通過計算來確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移
量角度合成及輸出電路，用于將上述相對偏移量e i和絕對偏移量e 2相加，合成所 述第一電壓信號所代表的在該時刻的旋轉(zhuǎn)角度0 ；存儲電路，用于存儲數(shù)據(jù)。 優(yōu)選地，上述信號處理電路還包括信號放大電路，用于在A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn) 換之前，對來自于磁電式傳感器的電壓信號進(jìn)行放大。另外，所述相對偏移角度e i計算電路包括第一合成電路和第一角度獲取電路，所 述第一合成電路對位置檢測裝置發(fā)送來的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的多個電壓信號進(jìn)行處理，得到一 基準(zhǔn)信號D ；所述第一角度獲取電路根據(jù)該基準(zhǔn)信號D，在第一標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與 其相對的角度作為偏移角度elt)所述相對偏移角度e i計算電路還包括溫度補(bǔ)償電路，用于消除溫度對磁電式傳 感器發(fā)送來的電壓信號的影響。其中，所述第一合成電路的輸出還包括信號R;所述溫度補(bǔ)償單元具體包括系數(shù) 矯正器和乘法器，所述系數(shù)矯正器對所述合成模塊的輸出的信號R和對應(yīng)該信號的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的信號Ro進(jìn)行比較得到輸出信號K ；所述乘法器為多個，每一所述乘法器將從位置檢 測裝置發(fā)送來的、經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的一個電壓信號與所述系數(shù)矯正模塊的輸出信號K相乘，將 相乘后的結(jié)果輸出給第一合成電路。所述絕對偏移量e 2計算電路包括第二合成電路和第二角度獲取電路，所述第二 合成電路用于對對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的位置檢測裝置發(fā)送來的第二電壓信號進(jìn)行合成，得到 一信號E ；所述第二角度獲取電路根據(jù)該信號E在第二標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的角 度作為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量e 2。在具體應(yīng)用中，所述數(shù)據(jù)處理單元為MCU，所述電機(jī)驅(qū)動單元為IPM模塊。更進(jìn)一步地，所述電動機(jī)本體包括三相繞組，所述每一相繞組由多段繞組頭尾串 聯(lián)構(gòu)成，每一段繞組的頭部和輸入的電源之間均連接一控制開關(guān)。其中，所述控制開關(guān)為電子電力開關(guān)；更進(jìn)一步地，所述電子電力開關(guān)為晶閘管或 IGBT。當(dāng)所述電動機(jī)本體包括三相繞組時，所述數(shù)據(jù)處理單元包括扭矩切換子單元，所 述矩切換子單元根據(jù)電動機(jī)實(shí)際需要輸出的扭矩大小，選擇相應(yīng)的繞組，并輸出控制指令 給所述電動機(jī)的控制開關(guān)，分別控制每一項(xiàng)繞組中的多個控制開關(guān)的開和關(guān)的組合。本發(fā)明所述的電動機(jī)，其使用的磁電式傳感器中涉及到的磁鋼的磁極數(shù)與電動的 轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)無關(guān)，使得電動機(jī)與磁電式傳感器的匹配靈活，并且，本發(fā)明中的電動機(jī)由于 使用了這種結(jié)構(gòu)的傳感器，使控制精度、系統(tǒng)響應(yīng)速度、可靠性大大提高的同時，又降低了 生產(chǎn)成本，因此提高了本發(fā)明中所述電動機(jī)的性價比。 由于本發(fā)明電動機(jī)的內(nèi)部的繞組可由多段串聯(lián)而成，因此可以通過控制電機(jī)內(nèi)部 的繞組來對電機(jī)進(jìn)行控制；由于本發(fā)明中的繞組是可變的，所以在低負(fù)載的條件下可以選 擇低繞組狀態(tài)，這樣就降低了電機(jī)的工作電流，從而達(dá)到節(jié)能的目的；普通電機(jī)繞組是固定 的，任意一相繞組損壞則電機(jī)無法正常工作，而本發(fā)明每一相繞組由多段繞組構(gòu)成，因此， 即使一個繞組損壞，但其他繞組極可工作，因此，靠性提高；制作簡單，因而成本低。




圖1是本發(fā)明安裝有風(fēng)扇的電動機(jī)的分解圖。 圖2是本發(fā)明未安裝風(fēng)扇的電動機(jī)的分解圖。 圖3是本發(fā)明實(shí)施例一的位置檢測裝置的立體分解圖。 圖4是圖3所示的位置檢測裝置的安裝圖。 圖5是圖3所示的位置檢測裝置的另一安裝圖。 圖6是導(dǎo)磁環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。 圖7是導(dǎo)磁環(huán)的另一結(jié)構(gòu)圖。 圖8是導(dǎo)磁環(huán)的又一結(jié)構(gòu)圖。 圖9是導(dǎo)磁環(huán)的另一結(jié)構(gòu)圖。
圖10本發(fā)明所述位置檢測裝置的信號處理方法的流程圖之一。 圖11本發(fā)明所述位置檢測裝置的信號處理方法的流程圖之二。 圖12本發(fā)明所述位置檢測裝置的信號處理方法的流程圖之三。 圖13本發(fā)明所述位置檢測裝置的信號處理方法的流程圖之四。
圖14是本發(fā)明實(shí)施例一對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)設(shè)有3個磁感應(yīng)元件時得到的編碼。圖15是本發(fā)明實(shí)施例一對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)設(shè)有3個磁感應(yīng)元件時第二磁鋼環(huán)的 充磁順序。圖16是本發(fā)明實(shí)施例一的第二磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖。圖17是本發(fā)明實(shí)施例一的第一磁鋼環(huán)均勻磁化為6對極時對應(yīng)2個磁感應(yīng)元件 的布置圖。圖18為本發(fā)明實(shí)施例一的第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖。圖19為本發(fā)明實(shí)施例一的信號處理裝置的電路框圖。圖20為本發(fā)明實(shí)施例二的第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖。圖21為本發(fā)明實(shí)施例二的信號處理裝置的電路框圖。圖22為本發(fā)明實(shí)施例三的第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖。圖23為本發(fā)明實(shí)施例三的信號處理裝置的電路框圖。圖24為本發(fā)明實(shí)施例四的第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)圖。圖25本發(fā)明實(shí)施例四的信號處理裝置的電路框圖。圖26為本發(fā)明的實(shí)施例一至實(shí)施例四的位置檢測裝置的另一種結(jié)構(gòu)的立體分解 圖。圖27是電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。圖28是電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。圖29是機(jī)械環(huán)的框圖。圖30是只有速度環(huán)的情況下的機(jī)械環(huán)的框圖。圖31是電流環(huán)的框圖。圖32是PWM信號產(chǎn)生模塊的框圖。圖33是IPM原理圖。圖34是另一種電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。圖35是電動機(jī)本體內(nèi)部的繞組接線圖。圖36是電動機(jī)本體內(nèi)部具有多段繞組的控制結(jié)構(gòu)原理圖
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說明。圖1是本發(fā)明安裝有風(fēng)扇的電動機(jī)的分解圖。圖2是本發(fā)明未安裝風(fēng)扇的電動機(jī) 的分解圖。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的電動機(jī)包括電機(jī)本體601、控制器和磁電式傳感器。 控制器包括控制器外殼607和控制模塊602。磁電式傳感器用于感測電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動，并將感 測到的電壓信號傳輸給控制器，通過控制器的處理，獲得電機(jī)軸轉(zhuǎn)動的角度或位置，進(jìn)而實(shí) 現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。電機(jī)本體和控制器一體化設(shè)置。本發(fā)明的電動機(jī)還可以安裝有風(fēng)扇608，用于對電機(jī)及控制器進(jìn)行散熱。風(fēng)扇608 位于風(fēng)扇罩609內(nèi)，并置于遠(yuǎn)離電機(jī)的外殼的最外端部或位于電機(jī)本體601、控制模塊602 和磁電式傳感器中任何兩個部件之間。 本發(fā)明中的電機(jī)本體和控制器可以一體化設(shè)置，通過一體化設(shè)置，縮短了磁電式 傳感器信號的傳輸路徑，降低了信號干擾，因此，提高了控制的可靠性。
磁電式傳感器參照附圖，圖3是本發(fā)明實(shí)施例一的位置檢測裝置的立體分解圖。如圖3 圖5 所示，該位置檢測裝置包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)201a和第 二磁鋼環(huán)201b以及第一導(dǎo)磁環(huán)205a和第二導(dǎo)磁環(huán)205b，第一磁鋼環(huán)201a和第二磁鋼環(huán) 201b分別固定在電機(jī)軸200上，其中定子為支架203。如圖3和圖5所示，第一導(dǎo)磁環(huán)205a和第二導(dǎo)磁環(huán)205b分別由多個同圓心、同半 徑的弧段構(gòu)成，相鄰兩個弧段之間留有空隙，對應(yīng)于兩個磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件204分別設(shè) 在該空隙內(nèi)。如圖6 圖9所示，兩個導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角，所述倒角為沿軸向251 或徑向252或同時沿軸向252、徑向252切削而形成的倒角。根據(jù)磁密公式可以知道，當(dāng) 一定時候，可以通過減少S，增加B。因?yàn)橛来朋w產(chǎn)生的磁通是一定的，在導(dǎo)磁環(huán)中S較大，所以B比較小，因此可以減 少因?yàn)榇艌鼋蛔兌鴮?dǎo)致的發(fā)熱。而通過減少導(dǎo)磁環(huán)端部面積能夠增大端部的磁場強(qiáng)度，使 得磁感應(yīng)元件的輸出信號增強(qiáng)。這樣的信號拾取結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，拾取的信號噪聲小，生 產(chǎn)成本低，可靠性高，而且尺寸小。對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)201b，以第二磁鋼環(huán)201b的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有n(n =1，2…n)個均勻分布的磁感應(yīng)元件，第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感應(yīng)原件輸 出呈格雷碼形式。磁極的極性為格雷碼的首位為“0”對應(yīng)于“N/S”極，首位為“1”對應(yīng)于 “S/N，，極。第一磁鋼環(huán)201a均勻的磁化為g(g的取值等于第二磁鋼環(huán)中的磁極總數(shù))對極 (N極和S極交替排列)，當(dāng)?shù)诙配摥h(huán)中的磁極總數(shù)為6時，第一磁鋼環(huán)201a的極對數(shù)為 6對。以第一磁鋼環(huán)201a的中心為圓心的同一圓周上，設(shè)置有m個磁感應(yīng)元件，如2個，如 圖13所示，二個磁感應(yīng)元件Hi、H2之間的夾角為90° /6。第一磁鋼環(huán)均勻地磁化為6對極 時磁感應(yīng)元件的布置如圖10所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，所述磁感應(yīng)元 件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置。定義第一磁鋼環(huán)中相鄰一對“N-S”為一個信號周期，因此，任一“N-S”對應(yīng)的機(jī)械 角度為360° /g(g為“N-S”個數(shù))，假定轉(zhuǎn)子在t時刻旋轉(zhuǎn)角度e位于第nth信號周期內(nèi)， 則此時刻角位移e可認(rèn)為由兩部分構(gòu)成1.在第nth信號周期內(nèi)的相對偏移量，磁感應(yīng)元 件氏和H2感應(yīng)第一磁鋼環(huán)的磁場來確定在此“N-S”信號周期內(nèi)的偏移量0 ！(值大于0小 于360° /g) ；2.第rith信號周期首位置的絕對偏移量92，用傳感器氏，114，...扎感應(yīng)磁環(huán) 2的磁場來確定此時轉(zhuǎn)子究竟是處于哪一個“N-S”來得到e2。基于該位置檢測裝置及原理的信號處理裝置包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、相對偏移量e ！ 計算模塊、絕對偏移量02計算模塊和存儲模塊。其信號處理流程如圖10-13所示，對位置 檢測裝置中第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)發(fā)送來的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號；由相對偏移量e i計算模塊對位置檢測裝置發(fā)送來的對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的第一 電壓信號進(jìn)行角度9 i求解，計算對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的信號在所處信號周期內(nèi)的相對偏移 量9 1;由絕對偏移量02計算模塊對位置檢測裝置發(fā)送來的對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的第一電壓 信號進(jìn)行角度9 2求解，來確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量02;通 過角度合成及輸出模塊，如加法器用于將上述相對偏移量和絕對偏移量e2相加，合成
10所述第一電壓信號所代表的在該時刻的旋轉(zhuǎn)角度0。對于圖11，為在圖10的基礎(chǔ)上增加的 信號放大模塊，具體如放大器，用于在A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，對來自于位置檢測 裝置的電壓信號進(jìn)行放大。圖12是包括溫度補(bǔ)償?shù)男盘柼幚砹鞒虉D，在進(jìn)行角度求解 之前，還包括溫度補(bǔ)償?shù)倪^程；圖13為基于圖12的溫度補(bǔ)償?shù)木唧w過程，即進(jìn)行溫度補(bǔ)償 時，要先進(jìn)行系數(shù)矯正，而后再將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的信號與系數(shù)矯正的輸出通過乘法器進(jìn) 行相乘的具體方式來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。當(dāng)然，溫度補(bǔ)償?shù)木唧w方式還有很多種，在些就不一一 介紹。相對偏移量e工計算模塊包括信號合成單元、第一角度獲取單元和溫度補(bǔ)償單元， 信號合成單元對不同位置檢測裝置發(fā)送來的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號進(jìn)行處理，得到一基 準(zhǔn)信號D ；所述第一角度獲取單元根據(jù)該基準(zhǔn)信號D，在第一標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對 的角度作為偏移角度e工；其中，在得到基準(zhǔn)信號D之前，先對輸入給信號合成單元的信號 由溫度補(bǔ)償單元進(jìn)行溫度補(bǔ)償，再將溫度補(bǔ)償后的信號進(jìn)行處理得到信號D。這里所述的處 理將在后面詳細(xì)說明。絕對偏移量e 2計算模塊包括第二合成器和所述第二角度獲取單元， 用于對對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的位置檢測裝置發(fā)送來的第二電壓信號進(jìn)行合成，得到軸轉(zhuǎn)過信 號周期數(shù)，從而確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量e 2，具體實(shí)現(xiàn)方式 是所述第二合成器對對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的位置檢測裝置發(fā)送來的第二電壓信號進(jìn)行合成， 得到一信號E ；所述第二角度獲取單元根據(jù)該信號E在第二標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對 的角度作為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量e 2。實(shí)施例一在實(shí)施例一中，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)設(shè)有3磁感應(yīng)元件，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有2磁 感應(yīng)元件。由于第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感應(yīng)原件輸出呈格雷碼形式。磁極的 極性為格雷碼的首位為“0”對應(yīng)于“N/S”極，首位為“1”對應(yīng)于“S/N”極。因此，在本實(shí)施 例中，由于n為3時，得到如圖14所示的編碼，得到6個碼，即得到6個極，充磁順序如圖15 所示，個磁感應(yīng)元件均布周圍進(jìn)行讀數(shù)。第二磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系如圖 16所示。由于第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為6，因此，第一磁鋼環(huán)被均勻的磁化為6對極，其與2 個磁感應(yīng)元件的布置圖及磁序如圖17所示，第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系 如圖18所示.圖19示出了本實(shí)施例中對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有2個磁感應(yīng)元件、第二磁鋼環(huán)設(shè)有 3個磁感應(yīng)元件時信號處理裝置的電路框圖。傳感器1_1和1_2的輸出信號接放大器2_1、 2_2進(jìn)行放大，然后接A/D轉(zhuǎn)換器3_1、3_2，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到輸出信號接乘法器4、5，系數(shù) 矯正器10輸出信號接乘法器4、5的輸入端，乘法器4、5的輸出信號A、B接合成器6的輸入 端，第一合成器6對信號A、B進(jìn)行處理，得到信號D、R，根據(jù)信號D從存儲器8中存儲的標(biāo) 準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的角度作為偏移角度elt>其中，第五合成器6的輸出信號R輸 送給系數(shù)矯正器10，系數(shù)矯正器10根據(jù)信號R和從存儲器9中查表得到信號禮得到信號 K,該信號K作為乘法器4、5的另一輸入端，與從放大器2_1、2_2輸出的信號CI、C2分雖相 乘得到信號A、B作為第一合成器6的輸入。傳感器1_3、1_4、. . . Hnl_n的輸出信號分別接放大器2_3、2_4、. . . 2_n進(jìn)行放大，然后接A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過第二合成器7進(jìn)行合成，得到一信號E ；根據(jù)該信號 E在存儲器11中的第二標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的角度作為第一電壓信號所處的信 號周期首位置的絕對偏移量e2，e2通過加法器12得到測量的絕對角位移輸出e。其中，第二合成器7的功能是，通過對傳感器H3、H4、. . .Hn的信號進(jìn)行合成，得到此 時刻轉(zhuǎn)子處于哪一個“N-S”信號周期內(nèi)。第二合成器7的處理是當(dāng)數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0位(二進(jìn)制左起第 1位)為符號位，X_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負(fù)，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。也即當(dāng)感應(yīng)的磁場 為N時，輸出為X_0 = 0，否則為X_0 = 1。則對于本實(shí)施例，E= {C3_0 ；C4_0 ；Cn_0}。其中，第一合成器6對信號的處理是比較兩個信號的數(shù)值的大小，數(shù)值小的用于 輸出的信號D，信號D的結(jié)構(gòu)為{第一個信號的符合位，第二個信號的符合位，較小數(shù)值的信 號的數(shù)值位}。具體如下這里約定(后文各合成器均使用該約定)，當(dāng)數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0 位(二進(jìn)制左起第1位)為符號位，x_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負(fù)，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。 X_D表示數(shù)據(jù)X的數(shù)值位(數(shù)據(jù)的絕對值)，即去除符號位剩下的數(shù)據(jù)位。如果A_D>=B_DD = {A_0 ;B_0 ;B_D}R= yjA2+B2 ；否則D = {A_0 ;B_0 ;A_D}R= y/A2+B2 ；信號K 一般是通過將信號禮和R進(jìn)行除法運(yùn)算得到。對于第一、二標(biāo)準(zhǔn)角度表，在存儲器中存儲了兩個表，每個表對應(yīng)于一系列的碼， 每一個碼對應(yīng)于一個角度。該表是通過標(biāo)定得到的，標(biāo)定方法是，利用本施例的檢測裝置和 一高精度位置傳感器，將本施例中的磁感應(yīng)元件輸出的信號和該高精度位置傳感器輸出的 角度進(jìn)行一一對應(yīng)，以此建立出一磁感應(yīng)元件輸出的信號與角度之間的關(guān)系表。也就是，對 應(yīng)于信號D存儲了一個第一標(biāo)準(zhǔn)角度表，每一個信號D代表一個相對偏移量0lt)對應(yīng)于信 號E，存儲了一個第二標(biāo)準(zhǔn)角度表，每一個信號E代表一個絕對偏移量e 2。實(shí)施例二與實(shí)施例一不同的，在本實(shí)施例中，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)置有4個磁感應(yīng)元件，四 個磁感應(yīng)元件Hi、H2、H3、H4之間的夾角為90° /6，第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu) 關(guān)系如圖20所示。圖21示出了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有4個磁感應(yīng)元件時信號處理裝置的電路框圖。 傳感器1_1和1_2的輸出信號接放大電路2_1進(jìn)行差動放大，傳感器1_3和1_4的輸出信 號接放大電路2_2進(jìn)行差動放大，然后接A/D轉(zhuǎn)換器3_1、3_2，后續(xù)處理類似于設(shè)有2個磁 感應(yīng)元件時的情況。其中，第二合成器7的功能是，通過對傳感器H5、H6、. . .Hn的信號進(jìn)行合成，得到此 時刻轉(zhuǎn)子處于哪一個“N-S”信號周期內(nèi)?；诒緦?shí)施例的位置檢測裝置的信號處理方法與實(shí)施例一的方法相同。
實(shí)施例三本實(shí)施例與實(shí)施例一和二不同的是對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)置有3個磁感應(yīng)元件，三 個磁感應(yīng)元件Hi、H2、H3之間的夾角為120° /6，如圖22所示，圖23示出了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有3個磁感應(yīng)元件時信號處理裝置的電路框圖。 處理過程與前兩個實(shí)施例基本相同，不同的是，由于合成器7的輸入信號為3個，因此，信 號D、R的處理與前兩個實(shí)施例略有不同。在本實(shí)施例中，第一合成器7對信號的處理原則 是先判斷三個信號的符合位，并比較符合位相同的信號的數(shù)值的大小，數(shù)值小的用于輸出 的信號D，信號D的結(jié)構(gòu)為{第一個信號的符合位，第二個信號的符合位，第三個信號的符合 位，較小數(shù)值的信號的數(shù)值位}。以本實(shí)施例為例約定當(dāng)數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0位(二進(jìn)制左起第1位)為符號位，X_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負(fù)，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。X_D表示數(shù)據(jù)X的數(shù)值位(數(shù)據(jù)的絕對值)，即去除符號位剩下數(shù)據(jù)位。如果{A_0;B_0 ;C_0} = 010 并且 A_D >= C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}如果{A_0;B_0 ;C_0} = 010 并且 A_D < C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}；如果{A_0;B_0 ;C_0} = 101 并且 A_D >= C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}；如果{A_0;B_0 ;C_0} = 101 并且 A_D < C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}；如果{A_0；B_0 ；C_0} = Oil 并且 B_D >= C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}；如果{A_0；B_0 ；C_0} = Oil 并且 B_D < C_DD = {A_0 ;B_0 ;C_0 ;B_D}；如果{A_0；B_0 ；C_0} = 100 并且 B_D >= C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}；如果{A_0；B_0 ；C_0} = 100 并且 B_D < C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;B_D}；如果{A_0；B_0 ；C_0} = 001 并且 B_D >= A_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}；如果{A_0；B_0 ；C_0} = 001 并且 B_D < A_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;B_D}；如果{A_0；B_0 ；C_0} = 110 并且 B_D >= A_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}；如果{A_0；B_0 ；C_0} = 110 并且 B_D < A_DD = {A_0 ;B_0 ;C_0 ;B_D}；
TT71a = A-Bx cos(—)-Cx cos(—)
= By. sin( j) - C x sin( j)R = ^a2+J32K =
R基于本實(shí)施例的位置檢測裝置的信號處理方法與實(shí)施例一的方法相同。實(shí)施例四本實(shí)施例與實(shí)施例三不同的，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)置有6個磁感應(yīng)元件，六個磁 感應(yīng)元件之間的夾角為60° /6，第一磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖24所
7J\ o圖25示出了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有6個磁感應(yīng)元件時信號處理裝置的電路框圖。 其具體過程在前三個實(shí)施例已說明，在此不同重復(fù)說明。基于本實(shí)施例的位置檢測裝置的信號處理方法與實(shí)施一的方法相同。圖26是本發(fā)明的實(shí)施例一至實(shí)施例四的位置檢測裝置的另一種結(jié)構(gòu)的立體分解 圖。該位置檢測裝置包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)201a和第二 磁鋼環(huán)201b，第一磁鋼環(huán)201a和第二磁鋼環(huán)201b分別固定在電機(jī)軸200上，其中定子為支 架203。磁感應(yīng)元件204直接表貼在支架203的內(nèi)表面。與實(shí)施例一至四類似，圖24中的位置檢測裝置中的第一磁鋼環(huán)可以設(shè)置有2、4、 3、6個磁感應(yīng)元件。基于不同數(shù)目的磁感應(yīng)元件的位置檢測裝置的信號處理裝置和信號處 理方法分別與實(shí)施例一至四的方法相同?？刂破骺刂破靼刂破魍鈿?07和控制模塊602，控制器外殼607將控制模塊602罩在 其內(nèi)，并通過連接件與電機(jī)本體601固定在一起。圖27是電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。電機(jī)系統(tǒng)由伺服控制器、電機(jī)和編碼器組成?？刂颇?塊包括數(shù)據(jù)處理單元、電機(jī)電源控制單元和電流傳感器。所述數(shù)據(jù)處理單元為MCU，所述電 機(jī)電源控制單元為IPM模塊。MCU接收輸入的指令信號、電流傳感器采集的電機(jī)輸入電流信 號和磁電式傳感器輸出的電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，輸出PWM信號給IPM，IPM根據(jù)PWM信號 輸出三相電壓給電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。整個系統(tǒng)是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，控制 周期短(一個控制周期只有幾十個微秒)，響應(yīng)快，精度高。圖28是電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。如圖28所示，在MCU的內(nèi)部有CPU、A/D、同步通訊 口和PWM信號產(chǎn)生模塊等，A/D將電流傳感器輸入到MCU的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而 得到電流反饋。編碼器將電機(jī)角度位置信息通過同步口通訊傳遞給MCU。MCU中的CPU根 據(jù)電流反饋和角度反饋運(yùn)行控制程序?？刂瞥绦蛑饕瑱C(jī)械環(huán)和電流環(huán)，機(jī)械環(huán)根據(jù)設(shè) 定指令和角度反饋，計算出電流指令，電流環(huán)根據(jù)電流指令和電流反饋，計算出三相電壓占 空比。PWM信號產(chǎn)生模塊根據(jù)三相電壓占空比，產(chǎn)生PWM信號，傳遞給IPM。IPM根據(jù)PWM信 號，產(chǎn)生三相電壓給電機(jī)。圖29是機(jī)械環(huán)的框圖。如圖29所示，機(jī)械環(huán)根據(jù)角度指令和編碼器的角度反饋， 經(jīng)過控制計算，計算出電流指令，傳遞給電流環(huán)。機(jī)械環(huán)包含位置環(huán)和速度環(huán)，位置環(huán)輸出 速度指令，速度環(huán)輸出電流指令。
角度指令為控制程序設(shè)定的指令或者根據(jù)設(shè)定指令計算出來。編碼器檢測電機(jī)轉(zhuǎn) 軸的角度位置信號，并將角度信號通過同步口通訊傳遞給MCU，MCU得到角度反饋。角度指 令減去角度反饋，得到角度誤差，通過PID控制器對角度進(jìn)行PID控制，得到速度指令，角度 的PID控制叫做位置環(huán)，位置環(huán)輸出的是速度指令，傳遞給速度環(huán)。角度反饋通過微分器得 到速度反饋，速度指令減去速度反饋，得到速度誤差，通過PID控制器對速度進(jìn)行PID控制， 得到電流指令速度的PID控制叫做速度環(huán)。電流指令為速度環(huán)的輸出，也為機(jī)械環(huán) 的輸出，機(jī)械換輸出電流指令I(lǐng)turef給電流環(huán)。圖30是只有速度 環(huán)的情況下的機(jī)械環(huán)的框圖。在有些情況下，不需對電機(jī)進(jìn)行位 置控制，只需要進(jìn)行速度控制，因此機(jī)械環(huán)中沒有位置環(huán)，只有速度環(huán)。速度指令為控制程 序設(shè)定的指令。編碼器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度位置信號，并將角度信號通過同步口通訊傳遞 給MCU，MCU得到角度反饋，角度反饋通過微分器得到速度反饋。速度指令減去速度反饋，得 到速度誤差，通過PID控制器對速度進(jìn)行PID控制，得到電流指令I(lǐng)i Mf。速度的PID控制叫 做速度環(huán)。電流指令為速度環(huán)的輸出，也為機(jī)械環(huán)的輸出，機(jī)械換輸出電流指令Ι,—Μ給電 流環(huán)。圖31是電流環(huán)的框圖。電流環(huán)根據(jù)機(jī)械環(huán)輸出的電流指令和電流傳感器的電流 反饋，經(jīng)過控制計算，產(chǎn)生加給PWM信號產(chǎn)生模塊的三相電壓占空比。電流傳感器可以為3個或者2個。電流傳感器為3個時，每一個電流傳感器分別檢 測電機(jī)U、V、W三相中一相電流的大小。電流傳感器將檢測的三相電流信號傳遞給CPU，CPU 經(jīng)過A/D采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而獲得電機(jī)的三相電流大小。正常情況下電 機(jī)的三相電流之和為零，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)某些異常時，如電機(jī)漏電，三相電流之和不為零。當(dāng)電 流傳感器出現(xiàn)故障或者電流A/D采樣故障時，也可能造成CPU獲得的三相電流值之和不為 零，可以以此作為一個項(xiàng)系統(tǒng)檢測依據(jù)，出現(xiàn)上述故障時及時報警。電流傳感器為2個時，檢測電機(jī)U、V、W三相中兩相電流的大小。電流傳感器將檢 測的兩相電流信號傳遞給CPU，CPU經(jīng)過A/D采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，獲得電機(jī)的 兩相電流大小。由于電機(jī)的三相電流之和為零，所以根據(jù)兩相電流大小，可以計算出第三相 電流大小。這樣只用兩個電流傳感器就能滿足電機(jī)系統(tǒng)的需要，降低了成本。機(jī)械輸出的電流指令為Ii Mf，為q軸的電流指令。電流傳感器輸出的信號傳遞給 MCU，經(jīng)過A/D采樣，得到電流反饋。如果電流傳感器為三個，則直接得到三相電流反饋Ia fb，Ibjb' I。—^，如果電流傳感器為兩個，則得到直接得到兩相電流反饋，另一相電流反饋根據(jù) 三相電流反饋之和為零，計算得到。三相電流反饋IaJb，Ibjb, I。—fb經(jīng)過3->2變換，得到d， q軸的電流反饋Id—fb，I,—fb。一般將d軸的電流指令I(lǐng)d &控制為0。分別將d，q軸的電流 指令減去d，q軸的電流反饋，得到d，q軸的電流誤差I(lǐng)d e 和I,—，通過PID控制器分別對 d，q軸電流進(jìn)行PID控制，得到d，q軸的指令電壓Ud ref，Uq ref0指令電壓Ud ref，U^ref經(jīng)過 2->3變換，得到三相指令電壓，即為三相電壓占空比Ua—占空比，Ub_^fitfc, Uc^fitfco三相占空比 為電流環(huán)的輸出，傳遞給PWM信號產(chǎn)生模塊。上述3_>2變換的公式為 3->2變換將電流傳感器反饋的電機(jī)三相電流，經(jīng)過坐標(biāo)變換，變換為d，q軸電流。 式中Ia，Ib，I。為反饋的三相電流，在電流環(huán)框圖中對應(yīng)為Ia—fb，Ib—fb，I?！猑。式中Id，Iq為變 換后的d，q軸電流，在電流環(huán)框圖中對應(yīng)為Id ft，Iq fb。式中、為電機(jī)的電角度，其中、 =pX、，p為電機(jī)的極對數(shù)，、為電機(jī)的機(jī)械角度，、為控制框圖中的角度反饋，通過角 度求解算法得到。2_>3變換的公式為3_>2變換將d，q軸電壓轉(zhuǎn)換為電機(jī)的三相電壓。式中Ud，Uq為d，q軸電壓，在電 流環(huán)框圖中對應(yīng)為udref, Uq—ref。式中Ua，Ub, U。為計算出來的需加給電機(jī)的三相電壓，在電 流環(huán)框圖中對應(yīng)為ua 占空比，ub—占空比，占空比。 式中為電機(jī)的電角度。圖32是PWM信號產(chǎn)生模塊的框圖。PWM信號產(chǎn)生模塊根據(jù)電流環(huán)計算出來的三相 電壓占空比，以及控制程序設(shè)定的控制周期和死區(qū)時間，產(chǎn)生六路PWM信號，傳遞給IPM，控 制IPM內(nèi)部的六個IGBT?？刂浦芷诤退绤^(qū)時間是在編寫控制程序的時候設(shè)定好的，一般在 程序運(yùn)行的過程中不作改變。設(shè)置死區(qū)的原因是IPM內(nèi)部同一相上下橋臂IGBT不能同時 導(dǎo)通，同時導(dǎo)通則會損壞IGBT，因此必須有一個關(guān)斷死區(qū)，保證同一相上下橋臂IGBT不會 同時導(dǎo)通。圖33是IPM原理圖。IPM內(nèi)部有六個功率開關(guān)管(IGBT)，六個IGBT可以分為三 組，分別對應(yīng)U、V、W三相，每一相有兩個IGBT，分別稱之為上、下橋臂。PN之間的電壓為控 制器的母線電壓，輸入到控制器的交流電，經(jīng)過整流、濾波變換為直流電，P、N分別為直流電 的正負(fù)極。PWM信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的六路PWM信號，分別控制IPM內(nèi)部的六個IGBT。以U 相為例，如果PWM_U為導(dǎo)通信號，則U相上橋臂導(dǎo)通，U相輸出的電勢為P極電勢，如果PWM_ U(帶上劃線的)為導(dǎo)通信號，則U相下橋臂導(dǎo)通，U相輸出的電勢為N極電勢。當(dāng)PWM_U和 PWM_U(帶上劃線的)都為關(guān)斷時，電流通過續(xù)流二極管流動。當(dāng)電流流向電機(jī)時，電流通過 下橋臂的續(xù)流二極管從N極流向電機(jī)，此時U相電勢輸出的電勢為N極電勢；當(dāng)電流從電機(jī) 流出時，電流通過上橋臂的續(xù)流二極管從電機(jī)流向P極，此時U相輸出的電勢為P極電勢。圖34是另一電機(jī)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖，此時，控制器中包括用于處理來自于磁電 式傳感器的電壓信號的信號處理電路，該部分與前述在磁電式傳感器的說明中所述的信號 處理電路相同；其他部分與圖27相同，因此，在此不再重復(fù)說明。電動機(jī)本體和風(fēng)扇采用現(xiàn)有技術(shù)中的任何一種均可。在此不再贅述。另外，本發(fā)明電動機(jī)本體內(nèi)部包括三相繞組，所述每一相繞組由多段繞組頭尾串 聯(lián)構(gòu)成，每一段繞組的頭部和輸入的電源之間均連接一控制開關(guān)。如35圖，為電機(jī)繞組一 實(shí)施例的安裝與控制示意圖。在該實(shí)施例中，每一相電機(jī)繞組由兩段繞組組成，如L11和 L12頭尾串聯(lián)組成一相，L11和L12的頭部分別連接控制開關(guān)K3、K4，K3、K4的另一端并聯(lián) 在一起，與V相相聯(lián)，同理，L21和L22頭尾串聯(lián)組成一相，L21和L22的頭部分別連接控制 開關(guān)Kl、K2，Kl、K2的另一端并聯(lián)在一起，與U相相聯(lián)，L31和L32頭尾串聯(lián)組成一相，頭尾
串聯(lián)。L31和L32的頭部分別連接控制開關(guān)K5、K6，K5、K6的另一端并聯(lián)在一起，與W相相聯(lián)。具有該多段繞組的電動機(jī)的控制如圖36所示，該圖僅為電動機(jī)控制器其他部分一種情況，當(dāng)然也包括前述的控制器其他部分的各種變形形式。IPM接收經(jīng)PWM調(diào)制后的信號后輸出U，V，W三相電壓，由于電壓是經(jīng)過PMW調(diào)制 后輸出的因此電壓的幅值是確定的。當(dāng)在負(fù)載較大對轉(zhuǎn)矩要求場合較大的情況下，因?yàn)榕ぞ氐拇笮正比于NI (N為線 圈匝數(shù)，I為流經(jīng)線圈的電流)若N較小，那么將需要一個較大的電流來滿足轉(zhuǎn)矩的要求， 但是受到電機(jī)繞組線圈可流過的最大電流的限制，所以這種方法可能達(dá)不到轉(zhuǎn)矩的要求， 因此需要采取增加線圈匝數(shù)的方式滿足轉(zhuǎn)矩的要求，通過控制器中的扭矩切換子單元控制 開關(guān)Kl，K3，K5使它們處于閉合狀態(tài)，控制開關(guān)K2，K4，K6使它們處于斷開狀態(tài)，此時電機(jī) 繞組線圈L11，L12，L21，L22，L31，L32都為通電工作狀態(tài)，電機(jī)處于高繞組狀態(tài)電機(jī)的反電 動勢￡ = 4.44Nf<pm (N為線圈的匝數(shù)，f為轉(zhuǎn)子頻率，磁通)增加，而U-E = IIHIX1減小， 因?yàn)殡姍C(jī)電流I與(U-E)成正相關(guān)，所以電機(jī)中電流減小，這樣可以使流過繞組線圈的電流 小于電機(jī)繞組線圈的最大電流，而同時因?yàn)榫€圈匝數(shù)得到了顯著的增加，所以轉(zhuǎn)矩T增大 可以達(dá)到負(fù)載的要求。當(dāng)在負(fù)載不大但是要求高速性的場合中，由于速度較高即頻率較大，因此產(chǎn)生了 較大的反電動勢使(U-E)的差值變小，這樣就導(dǎo)致了電機(jī)中電流I的減小造成了電機(jī)轉(zhuǎn) 矩的下降抑制了電機(jī)的高速性，為了更好的保證電機(jī)的高速性可以采取減少繞組匝數(shù)的方 式，通過扭矩切換子單元的控制，使開關(guān)Kl，K3，K5處于斷開狀態(tài)，開關(guān)K2，K4，K6處于閉合 狀態(tài)，此時電機(jī)繞組Lll，L21，L31處于工作狀態(tài)而繞組L12，L22，L32未被接入電機(jī)工作電 路中，由公式E = 4.44iVfpm可見線圈匝數(shù)減少后，要達(dá)到同樣的反電動勢頻率f可以增 加一倍即速度可以在原基礎(chǔ)上增大一倍，所以在相同工作速度的條件下減少線圈匝數(shù)的控 制方式可以具有更小的反電動勢，從而獲得更大的電流使電機(jī)扭矩增大高速性能更好達(dá)到 工作要求。圖35中的控制開關(guān)可以采用電子電力開關(guān)，如晶閘管或IGBT等形式。以上僅是一個電動機(jī)繞組的實(shí)施例，每一相繞組的個數(shù)不限于兩個，可以為多個， 由于原理相同，在此不再重復(fù)說明。以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā) 明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依然可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行 修改和等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范 圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種電動機(jī)，包括電機(jī)本體、控制器和磁電式傳感器，其特征在于，所述磁電式傳感器用于感測電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動，并將感測到的電壓信號傳輸給控制器，通過控制器的處理，獲得電機(jī)軸轉(zhuǎn)動的角度或位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制；其中，所述磁電式傳感器包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，所述轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)；其中，所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)分別固定在同一電機(jī)軸上；在定子上，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有n(n＝1，2…n)個均勻分布的磁感應(yīng)元件，所述第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感應(yīng)元件輸出呈格雷碼格式，相鄰兩個輸出只有一位變化；在定子上，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有m(m為2或3的整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件，所述第一磁鋼環(huán)的磁極總對數(shù)與第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)相等，并且相鄰兩極的極性相反；當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，其特征在于，在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的相鄰兩個 磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2或4時，該夾角為90° /g;當(dāng)m為3時，該夾角為120° / g ；當(dāng)m為6時，該夾角為60° /g，其中，g為第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，其特征在于，所述磁感應(yīng)元件直接表貼在定子的內(nèi)表所述磁電式傳感器還包括兩個導(dǎo)磁環(huán)，每一所述導(dǎo)磁環(huán)是由多個同圓心、同半徑的弧 段構(gòu)成，相鄰兩弧段留有空隙，對應(yīng)于兩個磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件分別設(shè)在該空隙內(nèi)；所述的導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角；所述倒角為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑向切削而形成的倒角。
4.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，其特征在于，所述的磁感應(yīng)元件為霍爾應(yīng)應(yīng)元件；所述電機(jī)本體和控制器一體化設(shè)置；所述控制器包括外殼和控制模塊，所述外殼將控制模塊罩在外殼內(nèi)，并通過連接件與 電機(jī)固定在一起；所述磁電式傳感器設(shè)于外殼內(nèi)，并位于電機(jī)和控制模塊之間或者位于控制模塊之后；還包括風(fēng)扇，用于對電機(jī)及控制器進(jìn)行散熱；所述風(fēng)扇位于外殼內(nèi)，并置于遠(yuǎn)離電機(jī)的外殼的最外端部或位于電機(jī)、控制模塊和磁 電式傳感器中任何兩個部件之間。
5.如權(quán)利要求4所述的電動機(jī)，其特征在于，所述控制模塊包括數(shù)據(jù)處理單元、電機(jī)驅(qū) 動單元和電流傳感器，所述數(shù)據(jù)處理單元接收輸入的指令信號、電流傳感器采集的電機(jī)輸 入電流信號和磁電式傳感器輸出的代表電機(jī)角度的信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號給 所述的電機(jī)驅(qū)動單元，所述電機(jī)驅(qū)動單元根據(jù)所述的控制信號輸出合適的電壓給電機(jī)，從 而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。
6.如權(quán)利要求5所述的電動機(jī)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元包括機(jī)械環(huán)控制子單 元、電流環(huán)控制子單元、PWM控制信號產(chǎn)生子單元和傳感器信號處理子單元；所述傳感器信號處理子單元接收所述磁電式傳感器輸出的代表電機(jī)角度的信息，將電機(jī)的角度傳輸給所述的機(jī)械環(huán)控制子單元；所述傳感器信號處理子單元還接收所述電流傳 感器的檢測到的電流信號，經(jīng)過A/D采樣后輸出給所述的電流環(huán)控制子單元；所述機(jī)械環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的指令信號和電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動角度，經(jīng)過運(yùn)算得到電 流指令，并輸出給所述的電流環(huán)控制子單元；所述電流環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的電流指令的電流傳感器輸出的電流信號，經(jīng)過運(yùn) 算得到三相電壓的占空比控制信號，并輸出給所述的PWM控制信號產(chǎn)生子單元；所述PWM控制信號產(chǎn)生子單元根據(jù)接收到的三相電壓的占空比控制信號，生成具有一 定順序的六路PWM信號，分別作用于電機(jī)驅(qū)動單元；所述電機(jī)驅(qū)動單元包括六個功率開關(guān)管，所述開關(guān)管每兩個串聯(lián)成一組，三組并聯(lián)連 接在直流供電線路之間，每一開關(guān)管的控制端受PWM控制信號產(chǎn)生子單元輸出的PWM信號 的控制，每一組中的兩個開關(guān)管分時導(dǎo)通。
7.如權(quán)利要求6所述的電動機(jī)，其特征在于，所述傳感器信號處理子單元或磁電式傳 感器中包括磁電式傳感器的信號處理電路，用于根據(jù)所述磁電式傳感器的電壓信號得到電 機(jī)軸的轉(zhuǎn)動角度，具體包括A/D轉(zhuǎn)換電路，對磁電式傳感器發(fā)送來的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號；相對偏移角度9工計算電路，用于計算位置檢測裝置中對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元 件發(fā)送來的第一電壓信號在所處信號周期內(nèi)的相對偏移量e工；絕對偏移量9 2計算電路，根據(jù)位置檢測裝置中對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件發(fā)送來的第二電壓信號，通過計算來確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量 02；角度合成及輸出模塊，用于將上述相對偏移量和絕對偏移量e2相加，合成所述第 一電壓信號所代表的在該時刻的旋轉(zhuǎn)角度e ； 存儲模塊，用于存儲數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電動機(jī)，其特征在于，還包括信號放大電路，用于在A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，對來自于磁電式傳感器的電壓 信號進(jìn)行放大；所述相對偏移角度9工計算電路包括第一合成電路和第一角度獲取電路，所述第一合 成電路對位置檢測裝置發(fā)送來的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的多個電壓信號進(jìn)行處理，得到一基準(zhǔn)信號 D ；所述第一角度獲取電路根據(jù)該基準(zhǔn)信號D，在第一標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的 角度作為偏移角度9 ?。凰鱿鄬ζ平嵌?工計算電路還包括溫度補(bǔ)償電路，用于消除溫度對磁電式傳感器 發(fā)送來的電壓信號的影響；所述第一合成電路的輸出還包括信號R ；所述溫度補(bǔ)償單元包括系數(shù)矯正器和乘法器，所述系數(shù)矯正器對所述合成模塊的輸出 的信號R和對應(yīng)該信號的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的信號Ro進(jìn)行比較得到輸出信號K ；所述乘法器為多 個，每一所述乘法器將從位置檢測裝置發(fā)送來的、經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的一個電壓信號與所述系 數(shù)矯正模塊的輸出信號K相乘，將相乘后的結(jié)果輸出給第一合成電路；所述絕對偏移量e 2計算電路包括第二合成電路和第二角度獲取電路，所述第二合成電路用于對對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的位置檢測裝置發(fā)送來的第二電壓信號進(jìn)行合成，得到一信 號E ；所述第二角度獲取電路根據(jù)該信號E在第二標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的角度作 為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量02。
9.如權(quán)利要求4所述的電動機(jī)，其特征在于，所述電動機(jī)本體包括三相繞組，所述每 一相繞組由多段繞組頭尾串聯(lián)構(gòu)成，每一段繞組的頭部和輸入的電源之間均連接一控制開 關(guān)；所述控制開關(guān)為電子電力開關(guān)；所述電子電力開關(guān)為晶閘管或IGBT。
10.如權(quán)利要求9所述的電動機(jī)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元包括扭矩切換子單 元，所述矩切換子單元根據(jù)電動機(jī)實(shí)際需要輸出的扭矩大小，選擇相應(yīng)的繞組，并輸出控制 指令給所述電動機(jī)的控制開關(guān)，分別控制每一項(xiàng)繞組中的多個控制開關(guān)的開和關(guān)的組合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電動機(jī)，包括電機(jī)本體、控制器和磁電式傳感器，其特征在于，所述磁電式傳感器用于感測電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動，并將感測到的電壓信號傳輸給控制器，通過控制器的處理，獲得電機(jī)軸轉(zhuǎn)動的角度或位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制；所述磁電式傳感器包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，所述轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)；所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)分別固定在同一電動機(jī)的軸上；在定子上，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)設(shè)有n個均勻分布的磁感應(yīng)元件，所述第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感應(yīng)元件輸出呈格雷碼格式，相鄰兩個輸出只有一位變化；對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有m個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件。成本低，系統(tǒng)的可靠性高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。
文檔編號H02P6/16GK101877527SQ20091013778
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者葉勁峰 申請人:北京敬業(yè)北微節(jié)能電機(jī)有限公司