CN101359893A - 测量永磁同步电机转子角位置的方法及位置传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量永磁同步电机转子角位置的方法及位置传感器，属于永磁同步电机技术领域。该测量永磁同步电机转子角位置的方法包括：硬件电路产生高频振荡电流；高频振荡电流流入探头线圈，使得探头线圈产生交变磁场；交变磁场使得信号盘表面产生电涡流；通过信号盘随电机转子的旋转，电涡流使得所述探头线圈的绕组有效阻抗发生变化，从而得到有效阻抗的变化值；获取有效阻抗的变化值。该位置传感器包括：硬件电路，探头线圈，信号盘。通过本发明提供的技术方案，在测量永磁同步电机转子角位置中，实现了高速度，高分辨率，信号失真小等特点。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机领域，特别涉及测量永磁同步电机转子角位置的方法及位置传感器。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)与直流电机、感应电机、普通同步电机相比，具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快、控制灵活等优点，逐渐成为交流伺服系统执行电机的主流，尤其是在高精度、高性能要求的功率伺服系统领域。因此，它非常适应于混合动力汽车和电动汽车的驱动系统。
从近年来汽车发展看，永磁同步电机驱动系统已经是当前混合动力汽车和电动汽车驱动系统研究的一个热点，它通常采用的控制方式是低速时采用矢量控制，高速时采用弱磁控制。永磁同步电机的矢量控制需要准确的实时检测转子绝对角位置。
目前，检测电机转子位置传感器主要有两类：一类是以数字量信号输出，如开关霍尔传感器；开关霍尔传感器在电机高速时的分辨率较差，影响电机的弱磁扩速范围；另一类是以模拟量信号输出。模拟量信号在电动汽车和混合动力汽车车体恶劣的电磁环境干扰下不利于传输，易产生信号失真，且模拟量信号在解算角度前还须进行A/D转换，导致信号滞后，影响传感器的动态响应性能。
发明内容
为了在测量永磁同步电机转子角位置过程中，实现高速度、高分辨率，信号失真小，本发明提供一种测量永磁同步电机转子角位置的方法及位置传感器，该传感器能适应于电动汽车和混合动力汽车的复杂电磁干扰环境，满足高精度、高性能伺服系统的控制要求。
该传感器主要由信号盘、探头线圈、硬件电路三部分构成基本工作系统，硬件电路提供高频振荡电流流入探头线圈，在探头线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属导体在这一磁场内时，则在此金属表面产生感应电流，称之为电涡流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与探头线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使探头线圈中的高频电流的幅值和相位得到改变(即线圈的有效阻抗)，这一变化与信号盘金属导体的磁导率、电导率、几何形状、几何尺寸以及探头线圈到信号盘表面的距离等参数有关。通常假定信号盘金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则探头线圈和信号盘系统的物理性质可由信号盘金属导体的电导率σ、磁导率ξ、尺寸因子τ、探头线圈与信号盘表面的距离D、以及探头线圈激励电流的角频率ω等参数来描述，即探头线圈有效阻抗可用Z＝f(τ，ξ，σ，D，ω)函数来表示。控制D，ξ，σ，ω这几个参数不变，则探头线圈的有效阻抗Z就成为信号盘尺寸因子τ的单值函数，我们将该有效阻抗Z引入到波形产生电路中，就可以得到频率f与信号盘尺寸因子τ对应的数字脉冲信号，而根据信号盘的尺寸因子τ又可以计算出其绝对角位置θ(t)，因此，信号盘的绝对角位置θ(t)变化转化成传感器输出数字脉冲的频率f变化：f∝θ(t)，从而实现对永磁同步电机转子绝对角位置θ(t)的测量。
本发明的技术方案具体包括：
一种位置传感器，包括：
硬件电路，用于提供高频振荡电流；
探头线圈，用于根据流入的高频振荡电流，产生交变的磁场；
信号盘，用于使磁场产生电涡流效应，当信号盘随电机转子旋转时，在传感器信号盘中产生的电涡流损耗会导致探头线圈绕组的有效阻抗变化。
一种测量永磁同步电机转子角位置的方法包括如下步骤：
硬件电路产生高频振荡电流，
高频振荡电流流入探头线圈，使得探头线圈产生交变磁场；
交变磁场使得信号盘表面产生电涡流；
通过信号盘随电机转子的旋转，电涡流使得所述探头线圈的绕组有效阻抗发生变化，从而得到有效阻抗的变化值；
获取有效阻抗的变化值，由于探头线圈绕组的有效阻抗变化对应于永磁同步电机转子绝对角位置，从而实现对永磁同步电机转子角位置的测量。
本发明的技术方案，通过设计了一种适用于永磁同步电机转子的数字式位置传感器，在测量永磁同步电机转子角位置中，实现了高速度、高分辨率，信号失真小，并且电机高速时的分辨率也很高，在恶劣的电磁环境干扰下不影响信号的传输，失真小，也减小了信号滞后等动态响应性能。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的位置传感器的探头线圈和硬件电路模块示意图；
图2是本发明实施例1提供的位置传感器的信号盘的示意图；
图3是本发明实施例1提供的位置传感器安装在永磁电机端面位置的剖面图；
图4是本发明实施例2提供的位置传感器的工作流程图；
图5是本发明实施例2提供的测量永磁同步电机转子角位置的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种用于永磁同步电机转子的数字式位置传感器。
如图1所示：为本实施例提供的位置传感器的探头线圈和硬件电路模块示意图。该位置传感器主要由信号盘、探头线圈、硬件电路三部分构成基本工作系统，位置传感器的探头线圈和硬件电路模块封装为一体(简称传感器模块)，呈扁平扇形，传感器的厚度仅为6毫米，传感器内部布置有2组平面线圈绕组L1、L2和信号处理电路模块。2组线圈互差180度的电角度周期，构成振荡电路的一部分。
如图2所示：为位置传感器信号盘的示意图，其下底面设有安装螺纹孔，用于将信号盘安装固定在电机转子上；其上表面为被测金属导体形面，由具有正、余弦结构的两条曲线环围构成。
如图3所示：为位置传感器安装在永磁电机端面位置的剖面图，传感器模块通过螺钉固定在一个2毫米厚的传感器支架上，传感器支架与电机定子固定为一体，保持相对位置。传感器信号盘通过螺钉固定在电机转子支撑上，传感器模块和传感器信号盘沿轴向相对布置，两者相对面A-A平面为感应面，传感器模块和传感器信号盘所在的位置为电机内部空间，没有增加电机的轴向长度。采用该布置方式的位置传感器系统，结构简单，安装方便，充分利用了电机的内部空间。
如图4所示：为位置传感器的工作流程图，给传感器提供5V直流电源时，高频振荡电路产生高频振荡电流流入探头线圈，在探头线圈中产生交变的磁场，该磁场使传感器信号盘表面产生电涡流效应，该磁场使传感器信号盘金属导体表面产生电涡流效应，当传感器信号盘随电机转子旋转时，在传感器信号盘金属导体表面产生的电涡流损耗会导致探头线圈绕组的有效阻抗变化，而有效阻抗的变化与探头线圈绕组扫过的传感器信号盘金属导体表面面积成比例，即探头线圈有效阻抗可用Z＝f(S)函数来表示，S为传感器信号盘被测金属导体表面面积，它是信号盘的绝对角位置θ(t)的单值函数S＝g(θ(t))。将该有效阻抗Z引入到波形产生电路中，就可以得到频率f与信号盘的绝对角位置θ(t)对应的数字脉冲信号，通过信号处理电路对该脉冲信号作滤波、比较、放大等处理，最后以数字量脉冲频率信号输出。根据该数字脉冲信号的频率f就可解算出信号盘的绝对角位置θ(t)，从而实现对永磁同步电机转子绝对角位置θ(t)的测量。
本实施例提供的位置传感器，用于测量永磁同步电机转子角位置，具有高速性能好，分辨率高，输出信号易于传输，体积小，易于布置和安装等特点。
实施例2
本实施例提供了一种测量永磁同步电机转子角位置的方法，该方法中采用了实施例1中的位置传感器，利用电涡流效应将电机转子角位置变化转化为探头线圈等效阻抗的变化，并把探头线圈作为波形产生电路的一部分，从而得到输出脉冲频率f与信号盘的绝对角位置相对应的数字量信号的电机转子角位置检测方法。
该方法具体包括以下步骤：
步骤1、硬件电路产生高频振荡电流；
步骤2、高频振荡电流流入探头线圈，使得探头线圈产生交变磁场；
步骤3、交变磁场使得信号盘表面产生电涡流；
步骤4、通过信号盘随电机转子的旋转，电涡流使得所述探头线圈的绕组有效阻抗发生变化，从而得到有效阻抗的变化值；
其中，有效阻抗的变化值取决于探头线圈绕组扫过的信号盘金属导体表面面积和频率；
探头线圈绕组扫过的信号盘金属导体表面面积是信号盘的绝对角位置的单值函数，两者一一对应；
步骤5、获取有效阻抗的变化值，探头线圈绕组的有效阻抗变化对应于永磁同步电机转子绝对角位置，从而实现对永磁同步电机转子角位置的测量；
其中，步骤5中具体包括：
探头线圈作为波形发生电路阻抗的一部分，将其有效阻抗引入到波形产生电路中，便可获得频率与信号盘的绝对角位置对应的数字脉冲信号；
信号处理电路对所述数字脉冲信号作滤波、比较、放大等处理，以数字量脉冲频率信号输出；
根据数字脉冲信号的频率就可解算出信号盘的绝对角位置，从而实现对永磁同步电机转子绝对角位置的测量。
本实施例中的技术方案，采用新型的数字式位置传感器，使得在测量永磁同步电机转子角位置中，电机高速情况下传感器的检测分辨率也很高，且在恶劣的电磁环境干扰下不影响信号的传输，失真小，也减小了信号滞后等动态响应性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1、一种测量永磁同步电机转子角位置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、硬件电路产生高频振荡电流；
步骤2、所述高频振荡电流流入探头线圈，使得所述探头线圈产生交变磁场；
步骤3、所述交变磁场使得信号盘表面产生电涡流；
步骤4、所述信号盘随电机转子旋转，所述电涡流使得所述探头线圈的绕组有效阻抗发生变化，得到有效阻抗的变化值；
步骤5、获取有效阻抗的变化值，所述探头线圈绕组的有效阻抗变化对应于永磁同步电机转子绝对角位置，从而实现对永磁同步电机转子角位置的测量。
2、根据权利要求1所述的测量永磁同步电机转子角位置的方法，其特征在于，所述有效阻抗的变化值根据所述探头线圈绕组扫过的信号盘金属导体表面面积和频率确定；
所述探头线圈绕组扫过的信号盘金属导体表面面积与信号盘的绝对角位置对应。
3、根据权利要求1所述的测量永磁同步电机转子角位置的方法，其特征在于，所述步骤5中，具体包括：
获得频率与信号盘的绝对角位置对应的数字脉冲信号；
信号处理电路对所述数字脉冲信号作滤波、比较、放大等处理，以数字量脉冲频率信号输出；
根据所述数字脉冲信号的频率就可解算出信号盘的绝对角位置，从而实现对永磁同步电机转子绝对角位置的测量。
4、一种位置传感器，其特征在于，包括：
硬件电路，用于提供高频振荡电流；
探头线圈，用于根据流入的高频振荡电流，产生交变的磁场；
信号盘，用于使所述磁场产生电涡流效应，当信号盘随电机转子旋转时，在传感器信号盘中产生的电涡流损耗会导致探头线圈绕组的有效阻抗变化。
5、根据权利要求4所述的位置传感器，其特征在于，所述有效阻抗反映永磁同步电机转子绝对角位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |