專利名稱：一種電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電動機，尤其是一種用于精確位置控制的控制用電動機。
背景技術(shù)：
電動機是工業(yè)領(lǐng)域中使用非常廣泛的一種動力源，而對電動機的控制將直接影響整個系統(tǒng)的運行，因此，電動機的控制系統(tǒng)也被廣泛關(guān)注。 電動機的種類非常多，根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以把電動機分為異步電動機、同步電動機；交流電動機、直流電動機等。在現(xiàn)有的一些系統(tǒng)中，需要對電動機的位置、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。這種電動機與控制器、編碼器結(jié)合，可以實現(xiàn)對電動機的閉環(huán)控制。因具有高響應(yīng)特性，寬調(diào)速范圍等特點受到工農(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上裝置光電編碼器，將角度信息通過線纜傳輸?shù)娇刂破鳌?增量式編碼器軸旋轉(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)器來實現(xiàn)。計數(shù)起點可任意設(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，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，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。[0008] 另外，目前的電動機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，不能實時反映當(dāng)前電機轉(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)的電機設(shè)計追求的是對單一 目標(biāo)的完成和實現(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。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。任務(wù)二要求負(fù)載較小轉(zhuǎn)速適中，這樣任務(wù)一中選擇出的電機就不再適用于任務(wù)二的工作條件，需要令選擇電機，這樣必將造成浪費。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題在于，本實用新型提出了一種具有新磁電式傳感器
的電動機，從而低成本、提高系統(tǒng)的可靠性、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度快。 為了解決上述問題，本實用新型提供了一種電動機，包括電機本體、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，獲得電機軸轉(zhuǎn)動的角度或位置，進(jìn)而實現(xiàn)對電機的精確控制；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)；所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)分別固定在電動機的輸出軸上，所述第一磁鋼環(huán)被均勻地磁化為N[N < = 2n(n = 0， 1， 2…n)]對磁極，并且相鄰兩極的極性相反；所述第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為N，其磁序按照特定磁序算法確定；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；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 = 0，1，2…n)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件；當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺⒃撾妷盒盘栞敵鼋o所述控制器。[0012] 優(yōu)選地，在定子上對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為360° /N。 優(yōu)選地，在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2或4時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為90° /N，當(dāng)m為3時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為120° /N ;當(dāng)m為6時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為60° /N。[0014] 優(yōu)選地，所述磁感應(yīng)元件直接表貼在定子的內(nèi)表面。 所述控制用電機還包括兩個導(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)。[0016] 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。[0018] 優(yōu)選地，所述的磁感應(yīng)元件為霍爾應(yīng)應(yīng)元件。[0019] 優(yōu)選地，所述電機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)，并位于電機和控制模塊之間或者位于控制模塊之后。 所述控制用電機還包括風(fēng)扇，用于對電機及控制器進(jìn)行散熱。 優(yōu)選地，所述風(fēng)扇位于外殼內(nèi)，并置于遠(yuǎn)離電機的外殼的最外端部或位于電機、控制模塊和磁電式傳感器中任何兩個部件之間。 優(yōu)選地，所述控制模塊包括數(shù)據(jù)處理單元、電機驅(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輸入電流信號和磁電式傳感器輸出的代表電機角度的信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號給所述的電機驅(qū)動單元，所述電機驅(qū)動單元根據(jù)所述的控制信號輸出合適的電壓給電機，從而實現(xiàn)對電機的精確控制。[0025] 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)處理單元包括機械環(huán)控制子單元、電流環(huán)控制子單元、P麗控制信號產(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角度的信息，經(jīng)過A/D采樣、角度求解，得到電機軸的轉(zhuǎn)動角度，并將該角度傳輸給所述的機械環(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。所述機械環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的指令信號和電機軸的轉(zhuǎn)動角度，經(jīng)過運算得到電流指令，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)過運算得到三相電壓的占空比控制信號，并輸出給所述的P麗控制信號產(chǎn)生子單元。所述P麗控制信號產(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P麗信號，分別作用于電機驅(qū)動單元。 優(yōu)選地，所述電機驅(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P麗控制信號產(chǎn)生子單元輸出的P麗信號的控制，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軸的轉(zhuǎn)動角度，具體包括A/D轉(zhuǎn)換電路、相對偏移角度ej十算電路、絕對偏移量92計算電路、角度合成及輸出模塊和存儲模塊。其中，所述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；所述相對偏移角度ej十算電路用于計算磁電式傳感器中對應(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91;所述絕對偏移量92計算電路根據(jù)磁電式傳感器中對應(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e 2 ;所述角度合成及輸出模塊，用于將上述相對偏移量e工和絕對偏移量92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 ;所述存儲模塊用于存儲數(shù)據(jù)。 另外，所述磁電式傳感器的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。 優(yōu)選地，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，所述合成電路對磁電式傳感器發(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，在第一角度存儲表中選擇一與其相對的角度作為偏移角度^。
優(yōu)選地，所述相對偏移角度e工計算電路還包括溫度補償電路，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。
優(yōu)選地，所述相對偏移角度e工計算電路還包括一系數(shù)矯正電路，其根據(jù)合成電路
的輸出進(jìn)行運算，得到一輸出信號K。 優(yōu)選地，所述溫度補償電路包括多個乘法器，每一所述乘法器將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的、磁電式傳感器發(fā)送來的一個電壓信號與輸出信號K相乘，將相乘后的結(jié)果輸出給第一合成電路。 優(yōu)選地，所述絕對偏移量9 2計算電路包括第二合成電路和第二角度獲取電路，所述譯碼器用于對對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的磁電式傳感器發(fā)送來的第二電壓信號進(jìn)行處理，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。 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)處理單元為MCU，所述電機驅(qū)動單元為IPM模塊。 另外，所述電動機本體包括三相繞組，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)；進(jìn)一步限定，所述電子電力開關(guān)為晶閘管或IGBT。 在前述數(shù)據(jù)處理單元中還包括扭矩切換子單元，所述矩切換子單元根據(jù)電動機實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的控制開關(guān)，分別控制每一項繞組中的多個控制開關(guān)的開和關(guān)的組合。 本實用新型所述的電動機，其使用的磁電式傳感器中涉及到的磁鋼的磁極數(shù)與電動機的轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)無關(guān)，使得電動機與磁電式傳感器的匹配靈活，并且，本實用新型中的電動機由于使用了這種結(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，因此提高了本實用新型中所述電動機的性價比。 由于本實用新型電動機的內(nèi)部的繞組可由多段串聯(lián)而成，因此可以通過控制電機內(nèi)部的繞組來對電機進(jìn)行控制；由于本實用新型中的繞組是可變的，所以在低負(fù)載的條件下可以選擇低繞組狀態(tài)，這樣就降低了電機的工作電流，從而達(dá)到節(jié)能的目的；普通電機繞組是固定的，任意一相繞組損壞則電機無法正常工作，而本實用新型每一相繞組由多段繞組構(gòu)成，因此，即使一個繞組損壞，但其他繞組還可工作，因此，靠性提高，制作簡單，因而成本低。

圖1是本實用新型安裝有風(fēng)扇的控制用電機的分解圖。[0041] 圖2是本實用新型未安裝風(fēng)扇的控制用電機的分解圖。 圖3A、3B和3C分別是本實用新型設(shè)置有導(dǎo)磁環(huán)的磁電式傳感器結(jié)構(gòu)的立體分解圖、示意圖和結(jié)構(gòu)圖。 圖4A-圖4D是本實用新型的導(dǎo)磁環(huán)的倒角設(shè)計圖。 圖5為本實用新型所述磁電式傳感器的信號處理方法的流程圖之一。 圖6為本實用新型所述磁電式傳感器的信號處理方法的流程圖之二。 圖7為本實用新型所述磁電式傳感器的信號處理方法的流程圖之三。 圖8為本實用新型所述磁電式傳感器的信號處理方法的流程圖之四。 圖9本實用新型的實施例1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10是本實用新型的實施例1的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖。 圖11是第二磁鋼環(huán)的充磁磁序的算法流程圖。 圖12A-圖12B是本實用新型的實施例1的第二磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖。 圖13是本實用新型實施例1的信號處理裝置的框圖。[0053] 圖14是本實用新型實施例2的磁電式傳感器中的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖15是本實用新型實施例2的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖。 圖16是本實用新型實施例2的信號處理裝置的框圖。 圖17是本實用新型實施例3的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖18是本實用新型實施例3的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖。 圖19是本實用新型實施例3的信號處理裝置的框圖。 圖20是本實用新型實施例4的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖21是本實用新型實施例4的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖。 圖22是本實用新型實施例4的信號處理裝置的框圖。 圖23A-圖23B為本實用新型對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件與導(dǎo)磁環(huán)、定子的分布圖。 圖24是本實用新型磁感應(yīng)元件直接表貼于磁電式傳感器上的磁電式傳感器結(jié)構(gòu)的立體分解圖。 圖25A-圖25D分別是對就于第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件直接表貼于磁電式傳感器
上的結(jié)構(gòu)示意圖。[0065]圖26是電機系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理簡圖。圖27是電機系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖。圖28是另一電機系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖。圖29是機械環(huán)的框圖。圖30是只有速度環(huán)的情況下的機械環(huán)的框圖。圖31是電流環(huán)的框圖。圖32是P麗信號產(chǎn)生模塊的框圖。圖33是IPM原理圖。圖34是電動機本體內(nèi)部的繞組接線圖。圖35是電動機本體內(nèi)部具有多段繞組的控制結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體的實施例對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)地說明。 圖1是本實用新型安裝有風(fēng)扇的控制用電機的分解圖。圖2是本實用新型未安裝
風(fēng)扇的控制用電機的分解圖。如圖1和圖2所示，本實用新型的控制用電機包括電機本體
501、控制器和磁電式傳感器?？刂破靼刂破魍鈿?07和控制模塊502。磁電式傳感器
用于感測電機軸的轉(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
機軸轉(zhuǎn)動的角度或位置，進(jìn)而實現(xiàn)對電機的精確控制。[0077] 本實用新型中的電機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。 本實用新型的控制用電機還可以安裝有風(fēng)扇508 ，用于對電機及控制器進(jìn)行散熱。
風(fēng)扇508位于風(fēng)扇罩509內(nèi)，并置于遠(yuǎn)離電機的外殼的最外端部或位于電機本體501、控制
模塊502和磁電式傳感器中任何兩個部件之間。 磁電式傳感器 本實用新型中用到的磁電式傳感器可以包括信號處理電路，也可以不包括信號處 理電路，如果不包括信號處理電路，則該電路位于控制器內(nèi)。以下在介紹磁電式傳感器時介 紹的信號處理電路和該電路位于控制內(nèi)時的處理相同，因此，在說明控制器的處理模塊時 不再重復(fù)說明。 圖3A、3B和3C分別是本實用新型設(shè)置有導(dǎo)磁環(huán)的磁電式傳感器結(jié)構(gòu)的立體分解 圖、示意圖和結(jié)構(gòu)圖。如圖3A、3B和3C所示，本實用新型的磁電式傳感器由磁鋼環(huán)302、磁 鋼環(huán)303、導(dǎo)磁環(huán)304、導(dǎo)磁環(huán)305、支架306和多個磁感應(yīng)元件組成。具體地，磁鋼環(huán)302、 303的直徑小于導(dǎo)磁環(huán)304、305的直徑，因而導(dǎo)磁環(huán)304、305分別套設(shè)在磁鋼環(huán)302、303外 側(cè)，磁鋼環(huán)302、303固定在轉(zhuǎn)軸301上，且導(dǎo)磁環(huán)304、305與磁鋼環(huán)302、303可以相對轉(zhuǎn)動， 從而使設(shè)置在支架306內(nèi)表面上的多個傳感器元件307處于磁鋼環(huán)的空隙內(nèi)。 圖3C是將本實用新型設(shè)置有導(dǎo)磁環(huán)的磁電式傳感器的各元件組合到一起后的平 面結(jié)構(gòu)圖，從圖3C可以看出磁鋼環(huán)302、磁鋼環(huán)303平行布置在軸301上，對應(yīng)于磁鋼環(huán) 302、磁鋼環(huán)303分別設(shè)有兩列磁感應(yīng)元件308和309。這里為下文說明方便，將第一列磁感 應(yīng)元件即對應(yīng)磁鋼環(huán)302和導(dǎo)磁環(huán)304的多個磁感應(yīng)元件都用磁感應(yīng)元件308表示，而將 第二列磁感應(yīng)元件即對應(yīng)磁鋼環(huán)303和導(dǎo)磁環(huán)305的多個磁感應(yīng)元件都用磁感應(yīng)元件309 表示。為了說明方便，這里將磁鋼環(huán)302定義為第一磁鋼環(huán)，將磁鋼環(huán)303定義為第二磁 鋼環(huán)，將導(dǎo)磁環(huán)304限定為對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302，將導(dǎo)磁環(huán)305限定為對應(yīng)于第二磁鋼環(huán) 303，然后本實用新型不限于上述的限定。 如圖4A-圖4D所示，導(dǎo)磁環(huán)由兩段或多段同半徑、同圓心的弧段構(gòu)成，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。所述倒角為沿軸 向351或徑向352或同時沿軸向354、徑向353切削而形成的倒角。 根據(jù)磁密公式萬=|可以知道，當(dāng)小 一定時候，可以通過減少S，增加B。 因為永磁體產(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 少因為磁場交變而導(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度，使 得磁感應(yīng)元件的輸出信號增強。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。 相鄰兩弧段間留有縫隙，磁感應(yīng)元件置于該縫隙內(nèi)，當(dāng)磁鋼環(huán)與導(dǎo)磁環(huán)發(fā)生相對 旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將該電壓信號傳輸給 相應(yīng)的控制器。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。 第一磁鋼環(huán)302被均勻地磁化為N(N < = 2n(n = 0， 1， 2…n))對磁極，并且相鄰兩 極的極性相反，第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為N，其磁序按照磁序算法確定；在支架306上，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302，以第一磁鋼環(huán)302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308 ;對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303，以第二磁鋼環(huán)303的中 心為圓心的同一圓周上設(shè)有n(n = 0，1，2…n)個呈360° /N角度分布的磁感應(yīng)元件309。 在上述磁電式傳感器上還可以包括信號處理裝置，其包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、相對偏 移角度ej十算模塊、絕對偏移量92計算模塊、角度合成及輸出模塊和存儲模塊，其中，所 述A/D轉(zhuǎn)換模塊對磁電式傳感器發(fā)送來的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號；所述相對偏移角度9 i計算模塊用于計算磁電式傳感器中對應(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。所述絕對偏移量e2 計算模塊根據(jù)磁電式傳感器中對應(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e 2 ;所述角度合成及輸
出模塊用于將上述相對偏移量ejp絕對偏移量92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9 ;所述存儲模塊用于存儲標(biāo)定過程中得到的角度和系數(shù)K矯正用數(shù)據(jù)。 對應(yīng)上述處理裝置的流程如圖5-8所示，如圖5所示，對磁電式傳感器中第一磁 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 J十算模塊對磁電式傳感器發(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
e 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e i ;由絕對偏移 量92計算模塊對磁電式傳感器發(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e2
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e2 ;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e工和絕對偏移量92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 。對于圖6，為在圖5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，對來自于磁電式傳感器的電壓信號進(jìn)行
放大。圖7是包括溫度補償?shù)男盘柼幚砹鞒虉D，在進(jìn)行角度e工求解之前，還包括溫度補償
的過程；圖8為基于圖7的溫度補償?shù)木唧w過程，即進(jìn)行溫度補償時，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 溫度補償。當(dāng)然，溫度補償?shù)木唧w方式還有很多種，在此就不一一介紹。 以下通過實施例詳細(xì)說明本實用新型的磁電式傳感器及其信號處理裝置與方法。 實施例1 本實用新型的實施例1提供了第一列磁感應(yīng)元件設(shè)有兩個磁感應(yīng)元件308，第二 列感應(yīng)元件設(shè)有三個磁感應(yīng)元件309的磁電式傳感器。 圖9為本實用新型的實施例1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 10為本實用新型的實施例1的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系圖。對應(yīng)于 第一磁鋼環(huán)302的第一列磁感應(yīng)元件308為2個，即m = 2，用&和H2表示，這兩個磁感應(yīng) 元件&和H2分別放置于對應(yīng)導(dǎo)磁環(huán)304的兩個夾縫中。對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的第二列 磁感應(yīng)元件309為3個，即n = 3，用H3、 H4和H5表示。取磁極數(shù)N = 8，這樣，對應(yīng)于第二 磁鋼環(huán)303的相鄰兩個磁感應(yīng)元件309之間的夾角為360° /8。對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的 相鄰兩個磁感應(yīng)元件308之間的夾角為90。 /8。 從圖10可以看出第一磁鋼環(huán)302的充磁順序以及&和H2的磁極排布。圖11是 第二磁鋼環(huán)303的算法流程圖。如圖ll所示，首先進(jìn)行初始化a[O] ="0……O";然后將當(dāng)前編碼入編碼集，即編碼集中有"0……O";接著檢驗入編碼集的集合元素是否達(dá)到2 如果
是則程序結(jié)束，反之將當(dāng)前編碼左移一位，后面補O;然后檢驗當(dāng)前編碼是否已入編碼集，
如果未入編碼集則將當(dāng)前編碼入編碼集繼續(xù)進(jìn)行上述步驟，如果已入編碼集則將當(dāng)前碼末
位去0補1 ;接著檢驗當(dāng)前編碼是否已入編碼集，如果未入編碼集則將當(dāng)前編碼入編碼集繼
續(xù)進(jìn)行上述步驟，如果已入編碼集則檢驗當(dāng)前碼是否為"o……0"，是則結(jié)束，否則將當(dāng)前編
碼的直接前去碼末位去O補1 ;接著檢驗當(dāng)前編碼是否已入編碼集，如果未入編碼集則將當(dāng) 前編碼入編碼集繼續(xù)進(jìn)行上述步驟，如果已入編碼集則檢驗當(dāng)前碼是否為"O……0"，然后
繼續(xù)進(jìn)行下面的程序。其中0磁化為"N/S"， 1磁化為"S/N"。這樣得到了圖12所示的磁鋼 環(huán)303充磁結(jié)構(gòu)圖以及H3、 H4和H5的排布順序。 圖13是本實用新型實施例1的信號處理裝置的框圖，第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件輸 出信號接放大器，放大器的輸出信號輸入給A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入口 ，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到輸 出信號接乘法器4ja、5Ja，系數(shù)矯正器10_la的輸出信號接乘法器4_la、5_la的輸入端， 乘法器4_la、5_la的輸出信號A， B接第一合成器6_la的輸入端，第一合成器6_la的輸出 信號D作為存儲器8_la和存儲器9_la的輸入信號，存儲器9_la的輸出信號接系數(shù)矯正器 10Ja，存儲器8_la的輸出信號9 !作為加法器12_la的輸入端。 傳感器l_3a、l_4a、. . . l_na的輸出信號分別接三個放大器2_3a、2_4a、. . . 2—na進(jìn) 行放大，然后接AD轉(zhuǎn)換器3_3a、3_4a、. . . 3_na進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過第二器7_la進(jìn)行譯碼，
然后接存儲器ii_ia得到e 2。 e工和e 2通過加法器i2_ia得到測量的絕對角位移e輸出。 其中，在信號的處理過程中，第一合成器6ja的輸出按以下方式進(jìn)行 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，XJ)= 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。 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 如果A—D〉二B—D D = {A_0 ;B_0 ;B_D} R= ^2+JB2 ; 否則 D = {A_0 ;B_0 ;A_D} R= V^2+jB2 。 第二合成器7_la的輸出按以下方式進(jìn)行 E = {C3_0 ;C4_0 ; Cn_0}信號K 一般是通過將信號R。和R進(jìn)行除法運算得到。 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e1()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9 2。 實施例2 本實用新型的第二實施例提供了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302設(shè)有四個磁感應(yīng)元件的 示意圖。 圖14是本實用新型實施例2的磁電式傳感器中的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、 磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖15是本實用新型實施例2的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng) 元件的位置關(guān)系圖。 如圖14所示，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的第一列磁感應(yīng)元件308為4個，即m = 4， 用HpH^Hg和H4表示，這兩個磁感應(yīng)元件HpH^Hg和H4分別放置于對應(yīng)第一導(dǎo)磁環(huán)304的 四個夾縫中。對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的第二列磁感應(yīng)元件309為3個，即n = 3，用H5、 H6 和H7表示。取N = 8，這樣，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的相鄰兩個磁感應(yīng)元件309之間的夾角 為360° /8。對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的相鄰兩個磁感應(yīng)元件308之間的夾角為90° /8。 從圖15可以看出磁鋼環(huán)302的充磁順序以及HpH^Hs和H4的磁極排布。第二磁 鋼環(huán)303的充磁結(jié)構(gòu)及算法流程與實施例1的相同，在此省略對它們的說明。 圖16是本實用新型實施例2的信號處理裝置的框圖。信號處理裝置與處理方法 與實施例1相類似，不同在于，由于本實施例2中有4個磁感應(yīng)元件，第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng) 元件ljc(H》和l_2c(H2)和輸出信號接放大電路2jc進(jìn)行差動放大，第一磁鋼環(huán)的磁感 應(yīng)元件l_3c(H3)和l_4c(H4)的輸出信號接放大電路2—2c進(jìn)行差動放大，最終輸出給合成 器的信號仍為2個，處理過程及方法與實施例1相同。因此，在此不再贅述。 實施例3 本實用新型的第三實施例提供了對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有三個磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu) 圖。 圖17是本實用新型實施例3的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié)構(gòu) 示意圖；圖18是本實用新型實施例3的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān)系 圖； 如圖17所示，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的第一列磁感應(yīng)元件308為3個，S卩m = 3， 用Hp H2和H3表示，這兩個磁感應(yīng)元件Hp H2和H3分別放置于對應(yīng)第一導(dǎo)磁環(huán)304的三個 夾縫中。對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的第二列磁感應(yīng)元件309為3個，即n = 3，用H4、 H5和H6 表示。取N二 8，這樣，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的相鄰兩個磁感應(yīng)元件309之間的夾角為 360° /8。對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的相鄰兩個磁感應(yīng)元件308之間的夾角為120° /8。 從圖18可以看出磁鋼環(huán)302的充磁順序以及H" H2和H3的磁極排布。第二磁鋼 環(huán)302的充磁結(jié)構(gòu)及算法流程與實施例1的相同，在此省略對它們的說明。 圖19是本實用新型實施例3的信號處理裝置的框圖。與實施例1不同的是，磁感 應(yīng)元件有三個，輸出給合成器的信號為三個，合成器在處理信號時與實施例1不同，其余與 實施例1相同。在這里，僅說明合成器如何進(jìn)行處理得到D和R。 在本實施例中，對信號的處理，即第一合成器71b的輸出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■0125 ■0126
表示數(shù)據(jù)x為負(fù)，X—0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。0127 :0128 0129:
0130: 0131:
0132: 0133: 0134: 0135: :0136 :0137 :0138 :01390140 :01410142 0143: 0144: 0145: 0146: 0147: 0148: 0149:0150 :01510152015301540155 0156
結(jié)構(gòu)圖
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，XJ)
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一D 〉= C_D
D =仏—0 ;B_0 ;C_0 ;C— 如果{A—0 ;B—0 ;C_0}: D = {A_0 ;B_0 ;C_0 ;A— 如果{A_0 ;B_0 ;C_0}: D = {A_0 ;B—0 ;C_0 ;C—
如果{A—0 ;B—0 ;C_0}:
D = {A—0 ;B—0 ;C—0 ;A— 如果仏—0 ;B—0 ;C_0}: D =仏—0 ;B_0 ;C_0 ;C— 如果{A_0 ;B_0 ;C_0}: D = {A_0 ;B_0 ;C_0 ;B— 如果{A_0 ;B—0 ;C_0}: D = {A—0 ;B—0 ;C_0 ;C— 如果{A—0 ;B—0 ;C—0}: D =仏—0 ;B_0 ;C_0 ;B-如果{A—0 ;B—0 ;C_0}: D = {A_0 ;B_0 ;C_0 ;A-如果{A_0 ;B_0 ;C_0}: D = {A_0 ;B—0 ;C_0 ;B-如果{A—0 ;B—0 ;C_0}: D = {A—0 ;B—0 ;C—0 ;A-如果仏—0 ;B—0 ;C—0}: D =仏_0 ;B_0 ;C_0 ;B.
—D}
=010并且A—D < C_D ;
=101并且A—D >= C_D ;
=101并且A—D < C—D ;
=Oil并且B—D 〉= C_D —W ;
=Oil并且BJ) < C_D —W ;
=100并且B—D 〉= C_D —W ;
=100并且B—D < C—D —W ;
=001并且B—D 〉= A_D —W ;
=001并且B—D < A_D —W ;
=110并且B—D 〉= A_D —W ;
=110并且B—D < A—D —W ;
a = X - 5 x cos(胥)- C x cos(胥) 〃 =5xsin(*)-Cxsin(,)
實施例4
根據(jù)本實用新型的第四實施例，提供了對應(yīng)于第-
-磁鋼環(huán)設(shè)有六個磁感應(yīng)元件的
圖20是本實用新型實施例4的第一磁鋼環(huán)霍爾元件和導(dǎo)磁環(huán)、磁感應(yīng)元件的結(jié) 構(gòu)示意圖；圖21是本實用新型實施例4的第一磁鋼環(huán)充磁磁序及與磁感應(yīng)元件的位置關(guān) 系圖。如圖20所示，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的第一列磁感應(yīng)元件308為6個，即m = 6，用Hp H2、 H3、 H4、 H5和H6表示，這兩個磁感應(yīng)元件Hp H2、 H3、 H4、 H5和H6分別放置于對應(yīng)第一導(dǎo) 磁環(huán)304的六個夾縫中。對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的第二列磁感應(yīng)元件309為3個，即n = 3，用H7、 H8和H9表示。取N = 8，這樣，對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的相鄰兩個磁感應(yīng)元件309 之間的夾角為360° /8。對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302的相鄰兩個磁感應(yīng)元件308之間的夾角為 60° /8。 從圖21可以看出磁鋼環(huán)302的充磁順序以及HpmHs和He的排布。第一
磁鋼環(huán)302的充磁結(jié)構(gòu)及算法流程與實施例1的相同，在此省略對它們的說明。 圖22是本實用新型實施例4的信號處理裝置的框圖。與實施例3不同的是，磁
感應(yīng)元件有六個，因此，第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件ljd(H》l—2d0g輸出信號接放大電路
2jd進(jìn)行差動放大，第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件l_3d(H3) l_4d(H4)輸出信號接放大電路2_2(1
進(jìn)行差動放大，第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件l_5d(H5) l_6d(H6)輸出信號接放大電路23d進(jìn)行
差動放大，最終輸出給合成器的信號仍為3個，處理過程及方法與實施例3相同。 上述四個實施例是在n = 3的情況下，m值變化的各種實施例，本實用新型不限于
此，第二磁鋼環(huán)上的磁感應(yīng)元件n可以是任意整數(shù)(n = 0， 1，2…n)，如圖23A-圖23B所示，
分別為當(dāng)n = 4、5時的第二磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件的分布分。其各自的磁化順序及
算法流程分別與圖10、11類似，在此省略對它們的詳細(xì)說明。 圖24是本實用新型磁感應(yīng)元件直接表貼于磁電式傳感器上的磁電式傳感器結(jié)構(gòu) 的立體分解圖。圖25A-圖25D分別是對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件直接表貼于磁電式 傳感器上的結(jié)構(gòu)示意圖。在磁感應(yīng)元件直接表貼于磁電式傳感器上的情況下，磁感應(yīng)元件 的排布順序與上述帶有導(dǎo)磁環(huán)的順序相同，且信號處理裝置及方法也相同，在此省略詳細(xì) 說明。 控制器 控制器包括控制器外殼507和控制模塊502，控制器外殼507將控制模塊502罩在 其內(nèi)，并通過連接件與電機本體501固定在一起。 圖26是電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。電機系統(tǒng)由伺服控制器、電機和編碼器組成。這里所 述的編碼器和以下圖中所涉及的編碼器即為本實用新型中所述的磁電式傳感器?？刂颇K 包括數(shù)據(jù)處理單元、電機驅(qū)動單元和電流傳感器。所述數(shù)據(jù)處理單元為MCU，所述電機驅(qū)動 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P麗信號給IPM， IPM根據(jù)P麗信號輸出三相電 壓給電機，從而實現(xiàn)對電機的精確控制。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27是電機系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖。此時，磁電式傳感器的信號處理電路位于該傳 感器中，控制器只需通過同步通訊接口接收該傳感器的信號即可。如圖27所示，在MCU的 內(nèi)部有CPU、 A/D、同步通訊口和P麗信號產(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行控制程序?？刂瞥绦蛑饕瑱C械 環(huán)和電流環(huán)，機械環(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。P麗信號產(chǎn)生模塊根據(jù)三相電壓占空比，產(chǎn)生P麗信號，傳 遞給IPM。 IPM根據(jù)P麗信號，產(chǎn)生三相電壓給電 。[0166] 圖28是另一電機系統(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。 圖29是機械環(huán)的框圖。如圖29所示，機械環(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krrf。速度的PID控制叫做速度環(huán)。電流指令為速度環(huán)的輸出，也為機械環(huán) 的輸出，機械換輸出電流指令I(lǐng)q—ref給電流環(huán)。 圖30是只有速度環(huán)的情況下的機械環(huán)的框圖。在有些情況下，不需對電機進(jìn)行位 置控制，只需要進(jìn)行速度控制，因此機械環(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)q 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，也為機械環(huán)的輸出，機械換輸出電流指令I(lǐng)q—w給電 流環(huán)。 圖31是電流環(huán)的框圖。電流環(huán)根據(jù)機械環(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PTO1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，從而獲得電機的三相電流大小。正常情況下電 機的三相電流之和為零，當(dāng)電機出現(xiàn)某些異常時，如電機漏電，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，獲得電機的 兩相電流大小。由于電機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系統(tǒng)的需要，降低了成本。 機械輸出的電流指令為I,，f，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， Ib—fb， 1?！猣b，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Ia—fb， Ib—ft， I?！猣t經(jīng)過3_>2變換，得到d， q軸 的電流反饋Id—fb， kfb。 一般將d軸的電流指令I(lǐng)d，f控制為O。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Iq—6 ，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 Mf。指令電壓Ud ref， Uq Mf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， 流環(huán)的輸出，傳遞給P麗信號產(chǎn)生模塊。
上述3_>2變換的公式為
U,
b—占空比，
.占空比c
三相占空比為電
cos A
2
-sin《 -sin(《-了;r)
2 3_>2變換將電流傳感器反饋的電機三相電流，經(jīng)過坐標(biāo)變換，變換為d， q軸電流c
式中Ia， Ib， 1。為反饋的三相電流，在電流環(huán)框圖中對應(yīng)為Ia—fb， Ib—ft， I?！猣t。式中Id， I,為變 換后的d，q軸電流，在電流環(huán)框圖中對應(yīng)為Idft，Iqfb。式中9e為電機的電角度，其中ee =pX 、，p為電機的極對數(shù)，、為電機的機械角度，、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
c/一
cos《 之
一sin《 -sin(足 3-〉2變換將d， q軸電壓轉(zhuǎn)換為電機的三相電壓。式中Ud， Uq為d， q軸電壓，在電 流環(huán)框圖中對應(yīng)為Ud ref， Uq Mf。式中Ua， Ub， U。為計算出來的需加給電機的三相電壓，在電 流環(huán)框圖中對應(yīng)為Ua—占空比，Ub—占空比，Uc—占空比。式中9e為電機的電角度。 圖32是P麗信號產(chǎn)生模塊的框圖。P麗信號產(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P麗信號，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。P麗信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的六路P麗信號，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)P麗—U和 PW1LU(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)電流流向電機時，電流通過 下橋臂的續(xù)流二極管從N極流向電機，此時U相電勢輸出的電勢為N極電勢；當(dāng)電流從電機 流出時，電流通過上橋臂的續(xù)流二極管從電機流向P極，此時U相輸出的電勢為P極電勢。 電動機本體和風(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，本實用新型電動機本體內(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34圖，為電機繞
17組一實施例的安裝與控制示意圖。在該實施例中，每一相電機繞組由兩段繞組組成，如Lll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)K1、K2， K1、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。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)。[0184] 具有該多段繞組的電動機的控制如圖35所示，該圖僅為電動機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)P麗調(diào)制后的信號后輸出U， V， W三相電壓，由于電壓是經(jīng)過P麗調(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，因為扭矩的大小T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)K1， 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)，此時電機繞組線圈Ll 1 ， L12， L21 ， L22， L31 ， L32都為通電工作狀態(tài)，電機處于高繞組狀態(tài)電機的反電動勢E-4.44iVf^ (N為線圈的匝數(shù)，f為轉(zhuǎn)子頻率，&磁通)增加，而U-E = IR+IXi減小，因為電機電流I與(U-E)成正相關(guān)，所以電機中電流減小，這樣可以使流過繞組線圈的電流小于電機繞組線圈的最大電流，而同時因為線圈匝數(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)致了電機中電流I的減小造成了電機轉(zhuǎn)矩的下降抑制了電機的高速性，為了更好的保證電機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)，此時電機繞組Lll， L21， L31處于工作狀態(tài)而繞組L12， L22， L32未被接入電機工作電路中，由公式^-4.44iV^^可見線圈匝數(shù)減少1/2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扭矩增大高速性能更好達(dá)到工作要求。 圖34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繞組的實施例，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。 以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制。盡管參照上述實施例對本實用新型進(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，依然可以對本實用新型的技術(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)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求一種電動機，包括電機本體、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，獲得電機軸轉(zhuǎn)動的角度或位置，進(jìn)而實現(xiàn)對電機的精確控制；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)分別固定在電動機的輸出軸上，所述第一磁鋼環(huán)被均勻地磁化為N[N＜＝2n(n＝0，1，2…n)]對磁極，并且相鄰兩極的極性相反；所述第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為N，其磁序按照特定磁序算法確定；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；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＝0，1，2…n)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件；當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺⒃撾妷盒盘栞敵鼋o所述控制器。
2. 如權(quán)利要求1所述的電動機，其特征在于，在所述磁電式傳感器中，在定子上對應(yīng)于 第一磁鋼環(huán)相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2或4時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之 間的夾角為90。 /N，當(dāng)m為3時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為120° /N;當(dāng)m為6 時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為60。 /N。
3. 如權(quán)利要求1所述的電動機，其特征在于，在所述磁電式傳感器中，所述磁感應(yīng)元件 直接表貼在定子的內(nèi)表面。
4. 如權(quán)利要求1所述的電動機，其特征在于，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)。
5. 如權(quán)利要求4所述的電動機，其特征在于，所述的導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角。
6. 如權(quán)利要求5所述的電動機，其特征在于，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。
7. 如權(quán)利要求1所述的電動機，其特征在于，所述磁電式傳感器中的磁感應(yīng)元件為霍 爾應(yīng)應(yīng)元件。
8. 如權(quán)利要求1所述的電動機，其特征在于，所述電機本體和控制器一體化設(shè)置。
9. 如權(quán)利要求1所述的電動機，其特征在于，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固定在一起。
10. 如權(quán)利要求9所述的電動機，其特征在于，所述磁電式傳感器設(shè)于外殼內(nèi)，并位于 電機和控制模塊之間或者位于控制模塊之后。
11. 如權(quán)利要求1或8或9所述的電動機，其特征在于，還包括風(fēng)扇，用于對電機及控制 器進(jìn)行散熱。
12. 如權(quán)利要求11所述的電動機，其特征在于，所述風(fēng)扇位于外殼內(nèi)，并置于遠(yuǎn)離電機 的外殼的最外端部或位于電機、控制模塊和磁電式傳感器中任何兩個部件之間。
13. 如權(quán)利要求9所述的電動機，其特征在于，所述控制模塊包括數(shù)據(jù)處理單元、電機 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 輸入電流信號和磁電式傳感器輸出的代表電機角度的信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號給所述的電機驅(qū)動單元，所述電機驅(qū)動單元根據(jù)所述的控制信號輸出合適的電壓給電機， 從而實現(xiàn)對電機的精確控制。
14. 如權(quán)利要求13所述的電動機，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元包括機械環(huán)控制子 單元、電流環(huán)控制子單元、P麗控制信號產(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角度的信息，將電 機的角度傳輸給所述的機械環(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；所述機械環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的指令信號和電機軸的轉(zhuǎn)動角度，經(jīng)過運算得到電 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 算得到三相電壓的占空比控制信號，并輸出給所述的P麗控制信號產(chǎn)生子單元；所述P麗控制信號產(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P麗信號，分別作用于電機驅(qū)動單元。
15. 如權(quán)利要求14所述的電動機，其特征在于，所述電機驅(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P麗控制信號產(chǎn)生子單元輸出的P麗信號的控制，每一組中的兩個開關(guān)管分時導(dǎo)通。
16. 如權(quán)利要求14所述的電動機，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 i計算電路，用于計算磁電式傳感器中對應(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9 i ;絕對偏移量e 2計算電路，根據(jù)磁電式傳感器中對應(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9 2 ;角度合成及輸出模塊，用于將上述相對偏移量e工和絕對偏移量02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)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的電動機，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。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的電動機，其特征在于，所述相對偏移角度9 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 成電路對磁電式傳感器發(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^。
19. 如權(quán)利要求18所述的電動機，其特征在于，所述相對偏移角度ej十算電路還包括溫度補償電路，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。
20. 如權(quán)利要求19所述的電動機，其特征在于，所述第一合成電路的輸出還包括信號R ;所述溫度補償單元包括系數(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磁電式傳感器發(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。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的電動機，其特征在于，所述絕對偏移量92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)的磁 電式傳感器發(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92。
22. 如權(quán)利要求13所述的電動機，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元為MCU，所述電機驅(qū) 動單元為IPM模塊。
23. 如權(quán)利要求1或13所述的電動機，其特征在于，所述電動機本體包括三相繞組，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)。
24. 如權(quán)利要求23所述的電動機，其特征在于，所述控制開關(guān)為電子電力開關(guān)。
25. 如權(quán)利要求24所述的電動機，其特征在于，所述電子電力開關(guān)為晶閘管或IGBT。
26. 如權(quán)利要求23所述的電動機，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)電動機實際需要輸出的扭矩大小，選擇相應(yīng)的繞組，并輸出控制 指令給所述電動機的控制開關(guān)，分別控制每一項繞組中的多個控制開關(guān)的開和關(guān)的組合。
專利摘要本實用新型公開了一種電動機，包括電機本體、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，獲得電機軸轉(zhuǎn)動的角度或位置，進(jìn)而實現(xiàn)對電機的精確控制；所述的電動機，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)，使得電動機與磁電式傳感器的匹配靈活，并且，本實用新型中的電動機由于使用了這種結(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，因此提高了本實用新型中所述電動機的性價比。
文檔編號H02K11/00GK201490863SQ200920150040
公開日2010年5月26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)明者郝雙暉, 郝明暉 申請人:浙江關(guān)西電機有限公司