一种电动机的制作方法

专利名称：一种电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机，尤其是一种用于精确位置控制的控制用电动机。
背景技术：
电动机是工业领域中使用非常广泛的一种动力源，而对电动机的控制将直接影响 整个系统的运行，因此，电动机的控制系统也被广泛关注。电动机的种类非常多，根据不同的分类标准，可以把电动机分为异步电动机、同步 电动机；交流电动机、直流电动机等。在现有的一些系统中，需要对电动机的位置、转速等 进行精确地控制，因此，出现了一种伺服电动机。这种电动机与控制器、编码器结合，可以实 现对电动机的闭环控制。因具有高响应特性，宽调速范围等特点受到工农业生产的广泛关 注。而在其输出轴上所使用的用于检测电机位置的位置检测器的精度直接影响到系统的速 度控制和定位精度。目前，位置检测传感器主要采用的是编码器。目前通用的方法是在电机上装置光 电编码器，将角度信息通过线缆传输到控制器。增量式编码器轴旋转时候带动光栅盘旋转，发光元件发出的光被光栅盘，指示光 栅的狭缝切割成断续光线被接收元件接受，输出相应的脉冲信号，其旋转方向和脉冲数量 需要借助判向电路和计数器来实现。计数起点可任意设定，旋转增量编码器转动时输出脉 冲，通过计数设备的内部记忆来记住位置，并且工作过程中也不能有干扰而丢失脉冲，否 则，记数设备记忆的零点就会偏移，并且无从知道。为了解决此问题，出现了绝对式编码器。绝对式编码器输出与位置一一对应的代 码，从代码的大小变化能判别出旋转方向和转子当前位置。这样抗干扰性，数据的可靠性大 大提高了，绝对式编码器已经越来越多的应用于各种工业系统的角度，长度测量和位置控 制。但是光电编码器存在一些难以克服的缺点光电编码器由玻璃物质通过刻线而成，其抗 震动和冲击能力不强，不适合于尘埃，结露等恶劣环境，并且结构和定位组装复杂。刻线间 距有极限，要提高分辨率必须增大码盘，难以做到小型化。在生产中必须保证很高的装配精 度，直接影响到生产效率，最终影响产品成本。由于上述光电编码器存在的问题，出现了在电动机上使用的磁电式编码器，这种 编码器主要包括磁钢、磁感应元件和信号处理电路，磁钢随着电动机的轴转动，产生变化的 磁场，磁感应元件感应该变化的磁场，将磁信号转变成电信号输出到给信号处理电路，信号 处理电路将该电信号处理成角度信号输出。但是，对于直流无刷电动机，该磁电式编码器中 使用的磁钢的磁极要与直流无刷电动机的磁极数目相适应。对于不同磁极数的直流无刷电 动机要与与其相适应的编码器相配合才可使用，因此，这种磁电式编码器的通用性很差。另外，目前的电动机一般采用线缆方式将位置信息传输到控制器的CPU，但通信过 程中易受电磁噪声干扰导致信息错误，并且存在通信的滞后性，不能实时反映当前电机转 子的位置信息，从而影响到整个系统的控制效果。再有，传统的电机设计追求的是对单一目标的完成和实现，但是在需要完成任务较多的要求下，对应不同任务就要选择不同的电机。例如，如任务一中要求大负载高转速， 需要选择大转矩高转速的电动机。任务二要求负载较小转速适中，这样任务一中选择出的 电机就不再适用于任务二的工作条件，需要令选择电机，这样必将造成浪费。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于，本发明提出了一种具有新磁电式传感器的电动 机，成本低，系统的可靠性高，系统响应速度快。本发明提供了一种电动机，包括电机本体、控制器和磁电式传感器，所述磁电式传 感器用于感测电机轴的转动，并将感测到的电压信号传输给控制器，通过控制器的处理，获 得电机轴转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制。其中，所述磁电式传感器包括转子和将转子套在内部的定子，所述转子包括第一 磁钢环、第二磁钢环；其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在同一转动轴上；在定子上，对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n(n =1，2…n)个均勻分布的磁感应元件，所述第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应元 件输出呈格雷码格式，相邻两个输出只有一位变化；在定子上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有有 m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件，所述第一磁钢环的磁极总对数与 第二磁钢环的磁极总数相等，并且相邻两极的极性相反；当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变 为电压信号，并将该电压信号输出给信号处理装置。优选地，在定子上对应于第一磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2 或4时，该夹角为90° /g;当m为3时，该夹角为120° /g ；当m为6时，该夹角为60° /g， 其中，g为第二磁钢环的磁极总数。优选地，所述磁感应元件直接表贴在定子的内表面。所述电动机还包括两个导磁环，每一所述导磁环是由多个同圆心、同半径的弧段 构成，相邻两弧段留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件分别设在该空隙内。优选地，所述的导磁环的弧段端部设有倒角。优选地，所述倒角为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。优选地，所述的磁感应元件为霍尔应应元件。优选地，所述电机本体和控制器一体化设置。优选地，所述控制器包括外壳和控制模块，所述外壳将控制模块罩在外壳内，并通 过连接件与电机固定在一起。优选地，所述磁电式传感器设于外壳内，并位于电机和控制模块之间或者位于控 制模块之后。所述电动机还包括风扇，用于对电机及控制器进行散热。优选地，所述风扇位于外壳内，并置于远离电机的外壳的最外端部或位于电机、控 制模块和磁电式传感器中任何两个部件之间。所述控制模块包括数据处理单元、电机驱动单元和电流传感器，所述数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机输入电流信号和磁电式传感器输出的代表 电机角度的信息，经过数据处理，输出控制信号给所述的电机驱动单元，所述电机驱动单元 根据所述的控制信号输出合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。其中，所述数据处理单元包括机械环控制子单元、电流环控制子单元、PWM控制信 号产生子单元和传感器信号处理子单元；所述传感器信号处理子单元接收所述磁电式传感器输出的代表电机角度的信息， 将电机的角度传输给所述的机械环控制子单元；所述传感器信号处理子单元还接收所述电 流传感器的检测到的电流信号，经过A/D采样后输出给所述的电流环控制子单元；所述机械环控制子单元根据接收到的指令信号和电机轴的转动角度，经过运算得 到电流指令，并输出给所述的电流环控制子单元；所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令的电流传感器输出的电流信号，经 过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元；所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具 有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机驱动单元。其中，所述电机驱动单元包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三 组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的 PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。优选地，所述传感器信号处理子单元或磁电式传感器中还包括磁电式传感器的信 号处理电路，用于根据所述磁电式传感器的电压信号得到电机轴的转动角度，具体包括A/D转换电路，对磁电式传感器发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换 为数字信号；相对偏移角度e i计算电路，用于计算位置检测装置中对应于第一磁钢环的磁感 应元件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量e i ；绝对偏移量0 2计算电路，根据位置检测装置中对应于第二磁钢环的磁感应元件 发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移
量角度合成及输出电路，用于将上述相对偏移量e i和绝对偏移量e 2相加，合成所 述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度0 ；存储电路，用于存储数据。 优选地，上述信号处理电路还包括信号放大电路，用于在A/D转换模块进行A/D转 换之前，对来自于磁电式传感器的电压信号进行放大。另外，所述相对偏移角度e i计算电路包括第一合成电路和第一角度获取电路，所 述第一合成电路对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到一 基准信号D ；所述第一角度获取电路根据该基准信号D，在第一标准标准角度表中选择一与 其相对的角度作为偏移角度elt)所述相对偏移角度e i计算电路还包括温度补偿电路，用于消除温度对磁电式传 感器发送来的电压信号的影响。其中，所述第一合成电路的输出还包括信号R;所述温度补偿单元具体包括系数 矫正器和乘法器，所述系数矫正器对所述合成模块的输出的信号R和对应该信号的标准状态下的信号Ro进行比较得到输出信号K ；所述乘法器为多个，每一所述乘法器将从位置检 测装置发送来的、经过A/D转换的一个电压信号与所述系数矫正模块的输出信号K相乘，将 相乘后的结果输出给第一合成电路。所述绝对偏移量e 2计算电路包括第二合成电路和第二角度获取电路，所述第二 合成电路用于对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到 一信号E ；所述第二角度获取电路根据该信号E在第二标准角度表中选择一与其相对的角 度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量e 2。在具体应用中，所述数据处理单元为MCU，所述电机驱动单元为IPM模块。更进一步地，所述电动机本体包括三相绕组，所述每一相绕组由多段绕组头尾串 联构成，每一段绕组的头部和输入的电源之间均连接一控制开关。其中，所述控制开关为电子电力开关；更进一步地，所述电子电力开关为晶闸管或 IGBT。当所述电动机本体包括三相绕组时，所述数据处理单元包括扭矩切换子单元，所 述矩切换子单元根据电动机实际需要输出的扭矩大小，选择相应的绕组，并输出控制指令 给所述电动机的控制开关，分别控制每一项绕组中的多个控制开关的开和关的组合。本发明所述的电动机，其使用的磁电式传感器中涉及到的磁钢的磁极数与电动的 转子的磁极数无关，使得电动机与磁电式传感器的匹配灵活，并且，本发明中的电动机由于 使用了这种结构的传感器，使控制精度、系统响应速度、可靠性大大提高的同时，又降低了 生产成本，因此提高了本发明中所述电动机的性价比。 由于本发明电动机的内部的绕组可由多段串联而成，因此可以通过控制电机内部 的绕组来对电机进行控制；由于本发明中的绕组是可变的，所以在低负载的条件下可以选 择低绕组状态，这样就降低了电机的工作电流，从而达到节能的目的；普通电机绕组是固定 的，任意一相绕组损坏则电机无法正常工作，而本发明每一相绕组由多段绕组构成，因此， 即使一个绕组损坏，但其他绕组极可工作，因此，靠性提高；制作简单，因而成本低。




图1是本发明安装有风扇的电动机的分解图。 图2是本发明未安装风扇的电动机的分解图。 图3是本发明实施例一的位置检测装置的立体分解图。 图4是图3所示的位置检测装置的安装图。 图5是图3所示的位置检测装置的另一安装图。 图6是导磁环的结构图。 图7是导磁环的另一结构图。 图8是导磁环的又一结构图。 图9是导磁环的另一结构图。
图10本发明所述位置检测装置的信号处理方法的流程图之一。 图11本发明所述位置检测装置的信号处理方法的流程图之二。 图12本发明所述位置检测装置的信号处理方法的流程图之三。 图13本发明所述位置检测装置的信号处理方法的流程图之四。
图14是本发明实施例一对应于第二磁钢环设有3个磁感应元件时得到的编码。图15是本发明实施例一对应于第二磁钢环设有3个磁感应元件时第二磁钢环的 充磁顺序。图16是本发明实施例一的第二磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构图。图17是本发明实施例一的第一磁钢环均勻磁化为6对极时对应2个磁感应元件 的布置图。图18为本发明实施例一的第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构图。图19为本发明实施例一的信号处理装置的电路框图。图20为本发明实施例二的第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构图。图21为本发明实施例二的信号处理装置的电路框图。图22为本发明实施例三的第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构图。图23为本发明实施例三的信号处理装置的电路框图。图24为本发明实施例四的第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构图。图25本发明实施例四的信号处理装置的电路框图。图26为本发明的实施例一至实施例四的位置检测装置的另一种结构的立体分解 图。图27是电机系统结构简图。图28是电机系统结构原理图。图29是机械环的框图。图30是只有速度环的情况下的机械环的框图。图31是电流环的框图。图32是PWM信号产生模块的框图。图33是IPM原理图。图34是另一种电机系统结构原理图。图35是电动机本体内部的绕组接线图。图36是电动机本体内部具有多段绕组的控制结构原理图
具体实施例方式以下结合附图和具体的实施例对本发明进行详细地说明。图1是本发明安装有风扇的电动机的分解图。图2是本发明未安装风扇的电动机 的分解图。如图1和图2所示，本发明的电动机包括电机本体601、控制器和磁电式传感器。 控制器包括控制器外壳607和控制模块602。磁电式传感器用于感测电机轴的转动，并将感 测到的电压信号传输给控制器，通过控制器的处理，获得电机轴转动的角度或位置，进而实 现对电机的精确控制。电机本体和控制器一体化设置。本发明的电动机还可以安装有风扇608，用于对电机及控制器进行散热。风扇608 位于风扇罩609内，并置于远离电机的外壳的最外端部或位于电机本体601、控制模块602 和磁电式传感器中任何两个部件之间。 本发明中的电机本体和控制器可以一体化设置，通过一体化设置，缩短了磁电式 传感器信号的传输路径，降低了信号干扰，因此，提高了控制的可靠性。
磁电式传感器参照附图，图3是本发明实施例一的位置检测装置的立体分解图。如图3 图5 所示，该位置检测装置包括转子和将转子套在内部的定子，转子包括第一磁钢环201a和第 二磁钢环201b以及第一导磁环205a和第二导磁环205b，第一磁钢环201a和第二磁钢环 201b分别固定在电机轴200上，其中定子为支架203。如图3和图5所示，第一导磁环205a和第二导磁环205b分别由多个同圆心、同半 径的弧段构成，相邻两个弧段之间留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件204分别设 在该空隙内。如图6 图9所示，两个导磁环的弧段端部设有倒角，所述倒角为沿轴向251 或径向252或同时沿轴向252、径向252切削而形成的倒角。根据磁密公式可以知道，当 一定时候，可以通过减少S，增加B。因为永磁体产生的磁通是一定的，在导磁环中S较大，所以B比较小，因此可以减 少因为磁场交变而导致的发热。而通过减少导磁环端部面积能够增大端部的磁场强度，使 得磁感应元件的输出信号增强。这样的信号拾取结构制造工艺简单，拾取的信号噪声小，生 产成本低，可靠性高，而且尺寸小。对应于第二磁钢环201b，以第二磁钢环201b的中心为圆心的同一圆周上设有n(n =1，2…n)个均勻分布的磁感应元件，第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应原件输 出呈格雷码形式。磁极的极性为格雷码的首位为“0”对应于“N/S”极，首位为“1”对应于 “S/N，，极。第一磁钢环201a均勻的磁化为g(g的取值等于第二磁钢环中的磁极总数)对极 (N极和S极交替排列)，当第二磁钢环中的磁极总数为6时，第一磁钢环201a的极对数为 6对。以第一磁钢环201a的中心为圆心的同一圆周上，设置有m个磁感应元件，如2个，如 图13所示，二个磁感应元件Hi、H2之间的夹角为90° /6。第一磁钢环均勻地磁化为6对极 时磁感应元件的布置如图10所示。当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元 件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。定义第一磁钢环中相邻一对“N-S”为一个信号周期，因此，任一“N-S”对应的机械 角度为360° /g(g为“N-S”个数)，假定转子在t时刻旋转角度e位于第nth信号周期内， 则此时刻角位移e可认为由两部分构成1.在第nth信号周期内的相对偏移量，磁感应元 件氏和H2感应第一磁钢环的磁场来确定在此“N-S”信号周期内的偏移量0 ！(值大于0小 于360° /g) ；2.第rith信号周期首位置的绝对偏移量92，用传感器氏，114，...扎感应磁环 2的磁场来确定此时转子究竟是处于哪一个“N-S”来得到e2。基于该位置检测装置及原理的信号处理装置包括A/D转换模块、相对偏移量e ！ 计算模块、绝对偏移量02计算模块和存储模块。其信号处理流程如图10-13所示，对位置 检测装置中第一磁钢环和第二磁钢环发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为 数字信号；由相对偏移量e i计算模块对位置检测装置发送来的对应于第一磁钢环的第一 电压信号进行角度9 i求解，计算对应于第一磁钢环的信号在所处信号周期内的相对偏移 量9 1;由绝对偏移量02计算模块对位置检测装置发送来的对应于第二磁钢环的第一电压 信号进行角度9 2求解，来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量02;通 过角度合成及输出模块，如加法器用于将上述相对偏移量和绝对偏移量e2相加，合成
10所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度0。对于图11，为在图10的基础上增加的 信号放大模块，具体如放大器，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于位置检测 装置的电压信号进行放大。图12是包括温度补偿的信号处理流程图，在进行角度求解 之前，还包括温度补偿的过程；图13为基于图12的温度补偿的具体过程，即进行温度补偿 时，要先进行系数矫正，而后再将A/D转换器输出的信号与系数矫正的输出通过乘法器进 行相乘的具体方式来进行温度补偿。当然，温度补偿的具体方式还有很多种，在些就不一一 介绍。相对偏移量e工计算模块包括信号合成单元、第一角度获取单元和温度补偿单元， 信号合成单元对不同位置检测装置发送来的经过A/D转换的电压信号进行处理，得到一基 准信号D ；所述第一角度获取单元根据该基准信号D，在第一标准角度表中选择一与其相对 的角度作为偏移角度e工；其中，在得到基准信号D之前，先对输入给信号合成单元的信号 由温度补偿单元进行温度补偿，再将温度补偿后的信号进行处理得到信号D。这里所述的处 理将在后面详细说明。绝对偏移量e 2计算模块包括第二合成器和所述第二角度获取单元， 用于对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到轴转过信 号周期数，从而确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量e 2，具体实现方式 是所述第二合成器对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成， 得到一信号E ；所述第二角度获取单元根据该信号E在第二标准角度表中选择一与其相对 的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量e 2。实施例一在实施例一中，对应于第二磁钢环设有3磁感应元件，对应于第一磁钢环设有2磁 感应元件。由于第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应原件输出呈格雷码形式。磁极的 极性为格雷码的首位为“0”对应于“N/S”极，首位为“1”对应于“S/N”极。因此，在本实施 例中，由于n为3时，得到如图14所示的编码，得到6个码，即得到6个极，充磁顺序如图15 所示，个磁感应元件均布周围进行读数。第二磁钢环、导磁环和磁感应元件的位置关系如图 16所示。由于第二磁钢环的磁极总数为6，因此，第一磁钢环被均勻的磁化为6对极，其与2 个磁感应元件的布置图及磁序如图17所示，第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的位置关系 如图18所示.图19示出了本实施例中对应于第一磁钢环设有2个磁感应元件、第二磁钢环设有 3个磁感应元件时信号处理装置的电路框图。传感器1_1和1_2的输出信号接放大器2_1、 2_2进行放大，然后接A/D转换器3_1、3_2，经模数转换后得到输出信号接乘法器4、5，系数 矫正器10输出信号接乘法器4、5的输入端，乘法器4、5的输出信号A、B接合成器6的输入 端，第一合成器6对信号A、B进行处理，得到信号D、R，根据信号D从存储器8中存储的标 准角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度elt>其中，第五合成器6的输出信号R输 送给系数矫正器10，系数矫正器10根据信号R和从存储器9中查表得到信号礼得到信号 K,该信号K作为乘法器4、5的另一输入端，与从放大器2_1、2_2输出的信号CI、C2分虽相 乘得到信号A、B作为第一合成器6的输入。传感器1_3、1_4、. . . Hnl_n的输出信号分别接放大器2_3、2_4、. . . 2_n进行放大，然后接A/D转换器进行模数转换后通过第二合成器7进行合成，得到一信号E ；根据该信号 E在存储器11中的第二标准角度表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信 号周期首位置的绝对偏移量e2，e2通过加法器12得到测量的绝对角位移输出e。其中，第二合成器7的功能是，通过对传感器H3、H4、. . .Hn的信号进行合成，得到此 时刻转子处于哪一个“N-S”信号周期内。第二合成器7的处理是当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第 1位)为符号位，X_0 = 1表示数据X为负，X_0 = 0表示数据X为正。也即当感应的磁场 为N时，输出为X_0 = 0，否则为X_0 = 1。则对于本实施例，E= {C3_0 ；C4_0 ；Cn_0}。其中，第一合成器6对信号的处理是比较两个信号的数值的大小，数值小的用于 输出的信号D，信号D的结构为{第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，较小数值的信 号的数值位}。具体如下这里约定(后文各合成器均使用该约定)，当数据X为有符号数时，数据X的第0 位(二进制左起第1位)为符号位，x_0 = 1表示数据X为负，X_0 = 0表示数据X为正。 X_D表示数据X的数值位(数据的绝对值)，即去除符号位剩下的数据位。如果A_D>=B_DD = {A_0 ;B_0 ;B_D}R= yjA2+B2 ；否则D = {A_0 ;B_0 ;A_D}R= y/A2+B2 ；信号K 一般是通过将信号礼和R进行除法运算得到。对于第一、二标准角度表，在存储器中存储了两个表，每个表对应于一系列的码， 每一个码对应于一个角度。该表是通过标定得到的，标定方法是，利用本施例的检测装置和 一高精度位置传感器，将本施例中的磁感应元件输出的信号和该高精度位置传感器输出的 角度进行一一对应，以此建立出一磁感应元件输出的信号与角度之间的关系表。也就是，对 应于信号D存储了一个第一标准角度表，每一个信号D代表一个相对偏移量0lt)对应于信 号E，存储了一个第二标准角度表，每一个信号E代表一个绝对偏移量e 2。实施例二与实施例一不同的，在本实施例中，对应于第一磁钢环设置有4个磁感应元件，四 个磁感应元件Hi、H2、H3、H4之间的夹角为90° /6，第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构 关系如图20所示。图21示出了对应于第一磁钢环设有4个磁感应元件时信号处理装置的电路框图。 传感器1_1和1_2的输出信号接放大电路2_1进行差动放大，传感器1_3和1_4的输出信 号接放大电路2_2进行差动放大，然后接A/D转换器3_1、3_2，后续处理类似于设有2个磁 感应元件时的情况。其中，第二合成器7的功能是，通过对传感器H5、H6、. . .Hn的信号进行合成，得到此 时刻转子处于哪一个“N-S”信号周期内。基于本实施例的位置检测装置的信号处理方法与实施例一的方法相同。
实施例三本实施例与实施例一和二不同的是对应于第一磁钢环设置有3个磁感应元件，三 个磁感应元件Hi、H2、H3之间的夹角为120° /6，如图22所示，图23示出了对应于第一磁钢环设有3个磁感应元件时信号处理装置的电路框图。 处理过程与前两个实施例基本相同，不同的是，由于合成器7的输入信号为3个，因此，信 号D、R的处理与前两个实施例略有不同。在本实施例中，第一合成器7对信号的处理原则 是先判断三个信号的符合位，并比较符合位相同的信号的数值的大小，数值小的用于输出 的信号D，信号D的结构为{第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，第三个信号的符合 位，较小数值的信号的数值位}。以本实施例为例约定当数据X为有符号数时，数据X的第0位(二进制左起第1位)为符号位，X_0 = 1表示数据X为负，X_0 = 0表示数据X为正。X_D表示数据X的数值位(数据的绝对值)，即去除符号位剩下数据位。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基于本实施例的位置检测装置的信号处理方法与实施例一的方法相同。实施例四本实施例与实施例三不同的，对应于第一磁钢环设置有6个磁感应元件，六个磁 感应元件之间的夹角为60° /6，第一磁钢环、导磁环和磁感应元件的结构关系如图24所
7J\ o图25示出了对应于第一磁钢环设有6个磁感应元件时信号处理装置的电路框图。 其具体过程在前三个实施例已说明，在此不同重复说明。基于本实施例的位置检测装置的信号处理方法与实施一的方法相同。图26是本发明的实施例一至实施例四的位置检测装置的另一种结构的立体分解 图。该位置检测装置包括转子和将转子套在内部的定子，转子包括第一磁钢环201a和第二 磁钢环201b，第一磁钢环201a和第二磁钢环201b分别固定在电机轴200上，其中定子为支 架203。磁感应元件204直接表贴在支架203的内表面。与实施例一至四类似，图24中的位置检测装置中的第一磁钢环可以设置有2、4、 3、6个磁感应元件。基于不同数目的磁感应元件的位置检测装置的信号处理装置和信号处 理方法分别与实施例一至四的方法相同。控制器控制器包括控制器外壳607和控制模块602，控制器外壳607将控制模块602罩在 其内，并通过连接件与电机本体601固定在一起。图27是电机系统结构简图。电机系统由伺服控制器、电机和编码器组成。控制模 块包括数据处理单元、电机电源控制单元和电流传感器。所述数据处理单元为MCU，所述电 机电源控制单元为IPM模块。MCU接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机输入电流信 号和磁电式传感器输出的电压信号，经过数据处理，输出PWM信号给IPM，IPM根据PWM信号 输出三相电压给电机，从而实现对电机的精确控制。整个系统是一个闭环的控制系统，控制 周期短(一个控制周期只有几十个微秒)，响应快，精度高。图28是电机系统结构原理图。如图28所示，在MCU的内部有CPU、A/D、同步通讯 口和PWM信号产生模块等，A/D将电流传感器输入到MCU的模拟信号转换为数字信号，从而 得到电流反馈。编码器将电机角度位置信息通过同步口通讯传递给MCU。MCU中的CPU根 据电流反馈和角度反馈运行控制程序。控制程序主要包含机械环和电流环，机械环根据设 定指令和角度反馈，计算出电流指令，电流环根据电流指令和电流反馈，计算出三相电压占 空比。PWM信号产生模块根据三相电压占空比，产生PWM信号，传递给IPM。IPM根据PWM信 号，产生三相电压给电机。图29是机械环的框图。如图29所示，机械环根据角度指令和编码器的角度反馈， 经过控制计算，计算出电流指令，传递给电流环。机械环包含位置环和速度环，位置环输出 速度指令，速度环输出电流指令。
角度指令为控制程序设定的指令或者根据设定指令计算出来。编码器检测电机转 轴的角度位置信号，并将角度信号通过同步口通讯传递给MCU，MCU得到角度反馈。角度指 令减去角度反馈，得到角度误差，通过PID控制器对角度进行PID控制，得到速度指令，角度 的PID控制叫做位置环，位置环输出的是速度指令，传递给速度环。角度反馈通过微分器得 到速度反馈，速度指令减去速度反馈，得到速度误差，通过PID控制器对速度进行PID控制， 得到电流指令速度的PID控制叫做速度环。电流指令为速度环的输出，也为机械环 的输出，机械换输出电流指令Ituref给电流环。图30是只有速度 环的情况下的机械环的框图。在有些情况下，不需对电机进行位 置控制，只需要进行速度控制，因此机械环中没有位置环，只有速度环。速度指令为控制程 序设定的指令。编码器检测电机转轴的角度位置信号，并将角度信号通过同步口通讯传递 给MCU，MCU得到角度反馈，角度反馈通过微分器得到速度反馈。速度指令减去速度反馈，得 到速度误差，通过PID控制器对速度进行PID控制，得到电流指令Ii Mf。速度的PID控制叫 做速度环。电流指令为速度环的输出，也为机械环的输出，机械换输出电流指令Ι,—Μ给电 流环。图31是电流环的框图。电流环根据机械环输出的电流指令和电流传感器的电流 反馈，经过控制计算，产生加给PWM信号产生模块的三相电压占空比。电流传感器可以为3个或者2个。电流传感器为3个时，每一个电流传感器分别检 测电机U、V、W三相中一相电流的大小。电流传感器将检测的三相电流信号传递给CPU，CPU 经过A/D采样，将模拟信号转换为数字信号，从而获得电机的三相电流大小。正常情况下电 机的三相电流之和为零，当电机出现某些异常时，如电机漏电，三相电流之和不为零。当电 流传感器出现故障或者电流A/D采样故障时，也可能造成CPU获得的三相电流值之和不为 零，可以以此作为一个项系统检测依据，出现上述故障时及时报警。电流传感器为2个时，检测电机U、V、W三相中两相电流的大小。电流传感器将检 测的两相电流信号传递给CPU，CPU经过A/D采样，将模拟信号转换为数字信号，获得电机的 两相电流大小。由于电机的三相电流之和为零，所以根据两相电流大小，可以计算出第三相 电流大小。这样只用两个电流传感器就能满足电机系统的需要，降低了成本。机械输出的电流指令为Ii Mf，为q轴的电流指令。电流传感器输出的信号传递给 MCU，经过A/D采样，得到电流反馈。如果电流传感器为三个，则直接得到三相电流反馈Ia fb，Ibjb' I。—^，如果电流传感器为两个，则得到直接得到两相电流反馈，另一相电流反馈根据 三相电流反馈之和为零，计算得到。三相电流反馈IaJb，Ibjb, I。—fb经过3->2变换，得到d， q轴的电流反馈Id—fb，I,—fb。一般将d轴的电流指令Id &控制为0。分别将d，q轴的电流 指令减去d，q轴的电流反馈，得到d，q轴的电流误差Id e 和I,—，通过PID控制器分别对 d，q轴电流进行PID控制，得到d，q轴的指令电压Ud ref，Uq ref0指令电压Ud ref，U^ref经过 2->3变换，得到三相指令电压，即为三相电压占空比Ua—占空比，Ub_^fitfc, Uc^fitfco三相占空比 为电流环的输出，传递给PWM信号产生模块。上述3_>2变换的公式为 3->2变换将电流传感器反馈的电机三相电流，经过坐标变换，变换为d，q轴电流。 式中Ia，Ib，I。为反馈的三相电流，在电流环框图中对应为Ia—fb，Ib—fb，I。—^。式中Id，Iq为变 换后的d，q轴电流，在电流环框图中对应为Id ft，Iq fb。式中、为电机的电角度，其中、 =pX、，p为电机的极对数，、为电机的机械角度，、为控制框图中的角度反馈，通过角 度求解算法得到。2_>3变换的公式为3_>2变换将d，q轴电压转换为电机的三相电压。式中Ud，Uq为d，q轴电压，在电 流环框图中对应为udref, Uq—ref。式中Ua，Ub, U。为计算出来的需加给电机的三相电压，在电 流环框图中对应为ua 占空比，ub—占空比，占空比。 式中为电机的电角度。图32是PWM信号产生模块的框图。PWM信号产生模块根据电流环计算出来的三相 电压占空比，以及控制程序设定的控制周期和死区时间，产生六路PWM信号，传递给IPM，控 制IPM内部的六个IGBT。控制周期和死区时间是在编写控制程序的时候设定好的，一般在 程序运行的过程中不作改变。设置死区的原因是IPM内部同一相上下桥臂IGBT不能同时 导通，同时导通则会损坏IGBT，因此必须有一个关断死区，保证同一相上下桥臂IGBT不会 同时导通。图33是IPM原理图。IPM内部有六个功率开关管(IGBT)，六个IGBT可以分为三 组，分别对应U、V、W三相，每一相有两个IGBT，分别称之为上、下桥臂。PN之间的电压为控 制器的母线电压，输入到控制器的交流电，经过整流、滤波变换为直流电，P、N分别为直流电 的正负极。PWM信号产生模块产生的六路PWM信号，分别控制IPM内部的六个IGBT。以U 相为例，如果PWM_U为导通信号，则U相上桥臂导通，U相输出的电势为P极电势，如果PWM_ U(带上划线的)为导通信号，则U相下桥臂导通，U相输出的电势为N极电势。当PWM_U和 PWM_U(带上划线的)都为关断时，电流通过续流二极管流动。当电流流向电机时，电流通过 下桥臂的续流二极管从N极流向电机，此时U相电势输出的电势为N极电势；当电流从电机 流出时，电流通过上桥臂的续流二极管从电机流向P极，此时U相输出的电势为P极电势。图34是另一电机系统控制结构原理图，此时，控制器中包括用于处理来自于磁电 式传感器的电压信号的信号处理电路，该部分与前述在磁电式传感器的说明中所述的信号 处理电路相同；其他部分与图27相同，因此，在此不再重复说明。电动机本体和风扇采用现有技术中的任何一种均可。在此不再赘述。另外，本发明电动机本体内部包括三相绕组，所述每一相绕组由多段绕组头尾串 联构成，每一段绕组的头部和输入的电源之间均连接一控制开关。如35图，为电机绕组一 实施例的安装与控制示意图。在该实施例中，每一相电机绕组由两段绕组组成，如L11和 L12头尾串联组成一相，L11和L12的头部分别连接控制开关K3、K4，K3、K4的另一端并联 在一起，与V相相联，同理，L21和L22头尾串联组成一相，L21和L22的头部分别连接控制 开关Kl、K2，Kl、K2的另一端并联在一起，与U相相联，L31和L32头尾串联组成一相，头尾
串联。L31和L32的头部分别连接控制开关K5、K6，K5、K6的另一端并联在一起，与W相相联。具有该多段绕组的电动机的控制如图36所示，该图仅为电动机控制器其他部分一种情况，当然也包括前述的控制器其他部分的各种变形形式。IPM接收经PWM调制后的信号后输出U，V，W三相电压，由于电压是经过PMW调制 后输出的因此电压的幅值是确定的。当在负载较大对转矩要求场合较大的情况下，因为扭矩的大小T正比于NI (N为线 圈匝数，I为流经线圈的电流)若N较小，那么将需要一个较大的电流来满足转矩的要求， 但是受到电机绕组线圈可流过的最大电流的限制，所以这种方法可能达不到转矩的要求， 因此需要采取增加线圈匝数的方式满足转矩的要求，通过控制器中的扭矩切换子单元控制 开关Kl，K3，K5使它们处于闭合状态，控制开关K2，K4，K6使它们处于断开状态，此时电机 绕组线圈L11，L12，L21，L22，L31，L32都为通电工作状态，电机处于高绕组状态电机的反电 动势￡ = 4.44Nf<pm (N为线圈的匝数，f为转子频率，磁通)增加，而U-E = IIHIX1减小， 因为电机电流I与(U-E)成正相关，所以电机中电流减小，这样可以使流过绕组线圈的电流 小于电机绕组线圈的最大电流，而同时因为线圈匝数得到了显著的增加，所以转矩T增大 可以达到负载的要求。当在负载不大但是要求高速性的场合中，由于速度较高即频率较大，因此产生了 较大的反电动势使(U-E)的差值变小，这样就导致了电机中电流I的减小造成了电机转 矩的下降抑制了电机的高速性，为了更好的保证电机的高速性可以采取减少绕组匝数的方 式，通过扭矩切换子单元的控制，使开关Kl，K3，K5处于断开状态，开关K2，K4，K6处于闭合 状态，此时电机绕组Lll，L21，L31处于工作状态而绕组L12，L22，L32未被接入电机工作电 路中，由公式E = 4.44iVfpm可见线圈匝数减少后，要达到同样的反电动势频率f可以增 加一倍即速度可以在原基础上增大一倍，所以在相同工作速度的条件下减少线圈匝数的控 制方式可以具有更小的反电动势，从而获得更大的电流使电机扭矩增大高速性能更好达到 工作要求。图35中的控制开关可以采用电子电力开关，如晶闸管或IGBT等形式。以上仅是一个电动机绕组的实施例，每一相绕组的个数不限于两个，可以为多个， 由于原理相同，在此不再重复说明。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照上述实施例对本发 明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的技术方案进行 修改和等同替换，而不脱离本技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范 围当中。
权利要求
一种电动机，包括电机本体、控制器和磁电式传感器，其特征在于，所述磁电式传感器用于感测电机轴的转动，并将感测到的电压信号传输给控制器，通过控制器的处理，获得电机轴转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制；其中，所述磁电式传感器包括转子和将转子套在内部的定子，所述转子包括第一磁钢环、第二磁钢环；其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在同一电机轴上；在定子上，对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n(n＝1，2…n)个均匀分布的磁感应元件，所述第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应元件输出呈格雷码格式，相邻两个输出只有一位变化；在定子上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件，所述第一磁钢环的磁极总对数与第二磁钢环的磁极总数相等，并且相邻两极的极性相反；当转子相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给控制器。
2.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，在定子上对应于第一磁钢环的相邻两个 磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，该夹角为90° /g;当m为3时，该夹角为120° / g ；当m为6时，该夹角为60° /g，其中，g为第二磁钢环的磁极总数。
3.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述磁感应元件直接表贴在定子的内表所述磁电式传感器还包括两个导磁环，每一所述导磁环是由多个同圆心、同半径的弧 段构成，相邻两弧段留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件分别设在该空隙内；所述的导磁环的弧段端部设有倒角；所述倒角为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。
4.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述的磁感应元件为霍尔应应元件；所述电机本体和控制器一体化设置；所述控制器包括外壳和控制模块，所述外壳将控制模块罩在外壳内，并通过连接件与 电机固定在一起；所述磁电式传感器设于外壳内，并位于电机和控制模块之间或者位于控制模块之后；还包括风扇，用于对电机及控制器进行散热；所述风扇位于外壳内，并置于远离电机的外壳的最外端部或位于电机、控制模块和磁 电式传感器中任何两个部件之间。
5.如权利要求4所述的电动机，其特征在于，所述控制模块包括数据处理单元、电机驱 动单元和电流传感器，所述数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机输 入电流信号和磁电式传感器输出的代表电机角度的信息，经过数据处理，输出控制信号给 所述的电机驱动单元，所述电机驱动单元根据所述的控制信号输出合适的电压给电机，从 而实现对电机的精确控制。
6.如权利要求5所述的电动机，其特征在于，所述数据处理单元包括机械环控制子单 元、电流环控制子单元、PWM控制信号产生子单元和传感器信号处理子单元；所述传感器信号处理子单元接收所述磁电式传感器输出的代表电机角度的信息，将电机的角度传输给所述的机械环控制子单元；所述传感器信号处理子单元还接收所述电流传 感器的检测到的电流信号，经过A/D采样后输出给所述的电流环控制子单元；所述机械环控制子单元根据接收到的指令信号和电机轴的转动角度，经过运算得到电 流指令，并输出给所述的电流环控制子单元；所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令的电流传感器输出的电流信号，经过运 算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元；所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一 定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机驱动单元；所述电机驱动单元包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连 接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号 的控制，每一组中的两个开关管分时导通。
7.如权利要求6所述的电动机，其特征在于，所述传感器信号处理子单元或磁电式传 感器中包括磁电式传感器的信号处理电路，用于根据所述磁电式传感器的电压信号得到电 机轴的转动角度，具体包括A/D转换电路，对磁电式传感器发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数 字信号；相对偏移角度9工计算电路，用于计算位置检测装置中对应于第一磁钢环的磁感应元 件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量e工；绝对偏移量9 2计算电路，根据位置检测装置中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量 02；角度合成及输出模块，用于将上述相对偏移量和绝对偏移量e2相加，合成所述第 一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度e ； 存储模块，用于存储数据。
8.根据权利要求16所述的电动机，其特征在于，还包括信号放大电路，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于磁电式传感器的电压 信号进行放大；所述相对偏移角度9工计算电路包括第一合成电路和第一角度获取电路，所述第一合 成电路对位置检测装置发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到一基准信号 D ；所述第一角度获取电路根据该基准信号D，在第一标准标准角度表中选择一与其相对的 角度作为偏移角度9 ！；所述相对偏移角度9工计算电路还包括温度补偿电路，用于消除温度对磁电式传感器 发送来的电压信号的影响；所述第一合成电路的输出还包括信号R ；所述温度补偿单元包括系数矫正器和乘法器，所述系数矫正器对所述合成模块的输出 的信号R和对应该信号的标准状态下的信号Ro进行比较得到输出信号K ；所述乘法器为多 个，每一所述乘法器将从位置检测装置发送来的、经过A/D转换的一个电压信号与所述系 数矫正模块的输出信号K相乘，将相乘后的结果输出给第一合成电路；所述绝对偏移量e 2计算电路包括第二合成电路和第二角度获取电路，所述第二合成电路用于对对应于第二磁钢环的位置检测装置发送来的第二电压信号进行合成，得到一信 号E ；所述第二角度获取电路根据该信号E在第二标准角度表中选择一与其相对的角度作 为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量02。
9.如权利要求4所述的电动机，其特征在于，所述电动机本体包括三相绕组，所述每 一相绕组由多段绕组头尾串联构成，每一段绕组的头部和输入的电源之间均连接一控制开 关；所述控制开关为电子电力开关；所述电子电力开关为晶闸管或IGBT。
10.如权利要求9所述的电动机，其特征在于，所述数据处理单元包括扭矩切换子单 元，所述矩切换子单元根据电动机实际需要输出的扭矩大小，选择相应的绕组，并输出控制 指令给所述电动机的控制开关，分别控制每一项绕组中的多个控制开关的开和关的组合。
全文摘要
本发明公开了一种电动机，包括电机本体、控制器和磁电式传感器，其特征在于，所述磁电式传感器用于感测电机轴的转动，并将感测到的电压信号传输给控制器，通过控制器的处理，获得电机轴转动的角度或位置，进而实现对电机的精确控制；所述磁电式传感器包括转子和将转子套在内部的定子，所述转子包括第一磁钢环、第二磁钢环；所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在同一电动机的轴上；在定子上，对应于第二磁钢环设有n个均匀分布的磁感应元件，所述第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应元件输出呈格雷码格式，相邻两个输出只有一位变化；对应于第一磁钢环设有m个呈一定角度分布的磁感应元件。成本低，系统的可靠性高，系统响应速度快。
文档编号H02P6/16GK101877527SQ20091013778
公开日2010年11月3日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者叶劲峰 申请人:北京敬业北微节能电机有限公司