CN101398313B - 一种电机转子位置传感器及测量电机转子位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机转子位置传感器及利用该传感器精确测量转子位置的方法。该转子位置传感器包括设置于目标转子上的具有正弦余弦曲线形状的由导电材料制成的目标盘，固定于电机机壳内的与目标盘相对应的带有平面绕组的感应元件和与感应元件相连的ASIC电路。该方法是通过对该转子位置传感器上感应的信号通过DSP进行处理完成精确测量转子位置的。本发明提出的传感器满足汽车标准，不受电机定子绕组磁场影响，具有高性能低成本的优点。实现本发明提出的精确测量电机转子位置和转速的方法可以由DSP器件统一完成，因此利用本发明传感器和使用本发明的方法完成对电机转子位置和速度的精确测量装置结构简单，成本低。

Description

一种电机转子位置传感器及测量电机转子位置的方法

技术领域

本发明涉及一种传感器和利用该传感器测量的方法，尤其是涉及一种应用于混合动力汽车中，对作为混合动力电机的永磁同步电机的转子位置进行测量的传感器，该传感器是一种基于涡流效应原理的传感器，使用该传感器精确测量转子位置的方法。

背景技术

为了保证电机的平滑旋转以及对电机的精确控制，不仅需要控制电枢电流，而且需要检测准确转子位置。准确的转子位置检测能保证电机电流的正弦曲线与相应的转子位置同步，避免导通换向扭矩波动。目前，准确检测转子位置主要有两种方法：位置传感器测量方法和无位置传感器技术测量转子位置的方法，利用位置传感器方法主要有应用编码器、旋转变压器以及霍尔位置传感器技术来检测转子位置信号；无论是编码器，霍尔位置传感器或者旋转变压器都附有相关的电路确定转子位置，在使用时都会受电机定子绕组磁场影响，且有的传感器如旋转变压器还在电机转子速度较低时测量精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，为了弥补现有技术中测量转子位置的传感器在测量时受电机定子绕组磁场影响，提供一种能消除电机定子绕组磁场影响的转子位置传感器，并提供一种利用该传感器精确测量转子位置的方法。

本发明为解决上述技术问题，本发明提供一种电机转子位置传感器，包括安装在电机转子上的目标盘、固定于电机机壳内的感应器和与感应器相连的DSP，所述的目标盘由导电材料制成，其外沿具有正弦曲线形状，感应器包括ASIC(Application Specific Integrated Circuit特定用途的集成电路)电路和至少一个正弦平面绕组和一个余弦平面绕组，所述正弦平面绕组和余弦平面绕组与目标盘相对应，所述ASIC电路的输出端接DSP，DSP通过运算在其数据输出口输出转子位置信号。

进一步的，本发明中的感应元件中的平面绕组为四个，其中两个为正弦绕组两个为余弦绕组，正弦绕组和余弦绕组按照第一正弦绕组、第一余弦绕组、第二正弦绕组、第二余弦绕组的顺序排例，且后面的绕组感应目标盘上涡旋的正弦曲线的角度较前一绕组角度滞后90度。

为了精确测量电机转子位置和转速，本发明的另一个目的是提供一种测量电机转子位置的方法。该方法利用在目标转子上设置正弦或余弦曲线形状的由导电材料制成的目标盘；在电机机壳内设置与目标盘相应的感应元件其输出信号接DSP进行数据处理；在DSP中进行数据处理至少包括以下步骤：

(1)对感应元件产生的转子位置的信号进行模/数转换，并进行偏移得到双极性的位置信号；

(2)对双极性的位置信号进行角度误差和幅值误差补偿；

(3)进行低通滤波；

(4)检查电机控制是否是扭矩控制模式；

(5)若步骤(4)的结果是肯定的，则对直流母线漂移进行带通滤波补偿后再对位置信号进行解码；

(6)若步骤(4)的结果是否定的，则直接对位置信号进行解码。

进一步的，对位置偏移进行补偿主要包括角度误差和幅值误差补偿。

对角度误差和幅值误差的补偿是按下式进行的：

SensorA＝G_ASinθ

SensorB＝G_BCos(θ+Δθ)

Sensor_A1＝SensorA＝G_ASinθ

$\mathrm{Sensor}{B}_1=G_A\mathrm{Cos\θ}=\frac{G_A}{G_B\mathrm{Cos\Δ\θ}}\mathrm{SensorB}+\frac{\mathrm{SensorASin\Δ\θ}}{\mathrm{Cos\Δ\θ}}$

式中：Sensor_A，Sensor_B为未经补偿的信号，Sensor_A1，Sensor_B1为补偿以后的信号，G_A，G_B和Δθ为常数，分别为未经补偿的正弦相幅值，余弦相幅值以及角度误差。

本发明的积极效果是，由于提出的传感器满足汽车标准，不受电机定子绕组磁场影响。实现本发明提出的精确测量电机转子位置和转速的方法可以由DSP器件统一完成，输出的转子位置角信号为数字信号，通过该信号可以直接得到转子转速值，这些结果可通过汽车CAN总线传到汽车的总车控制器使用，因此利用本发明传感器和使用本发明的方法完成对电机转子位置和速度的精确测量装置结构简单，成本低。此外，本发明的优选的结构是利用两正弦和余弦绕组完成对目标盘转动产生的信号进行收集，可以消除目标盘和探测器距离变化以及温度变化对测量的影响，通过两个正弦绕组和两个余弦绕组感应的信号进行相减运算即可。

下面结合实施例和附图来进一步说明本发明。

附图说明

图1为转子位置传感器在电机上安装示意图。

图2为转子位置传感器中目标盘与感应元件中的平面绕组相对位置示意图。

图3为转子位置及速度确定方法框图。

具体实施方式

如图1为本发明的一个实施例中转子位置传感器安装示意图，如图所示：本发明的转子位置传感器包括感应器2和目标盘1，安装在电机的一端，目标盘1为一环状盘，其外侧花纹形状为正弦曲线或者余弦曲线，由铝或者铁等金属材料制成，安装固定在转子4支架上7上，与转子4一起绕转子支架轴6旋转，感应器2通过传感器安装支架5安装在定子3的一侧，感应器2包括有平面绕组和对平面绕组感应的信号进行处理的ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit特定用途的集成电路，ASIC电路由奇瑞汽车公司设计制作并商品化)，ASIC电路的输出接TMS320f2808 DSP芯片。

图2为感应器2与目标盘1相对位置示意图，本实施例感应器2中具有4个平面绕组它们是第一正弦平面绕组21、第一余弦平面绕组22、第二正弦平面绕组23、第二余弦平面绕组24，正弦绕组和余弦绕组两两相隔一字排列且相距距离为目标盘1上正弦或者余弦曲线的90度距离。目标盘1与转子共同固定在转子支架上，与转子支架一起旋转。当目标盘1随转子4在磁场中旋转时，将在其表面产生与其外表一致的感应磁场，该感应磁场影响正对该处的平面绕组，在该平面绕组中将产生与该感应磁场相一致的感应信号，理想的情况下，如果目标盘的外沿只有一个全正弦曲线或余弦曲线，则感应的电信号通过归一化处理后，进行反正切或者反余切处理，即得到目标盘中与平面绕组对应处的位置，也就是转子位置。

本实施例中，在ASIC电路具有一个并联谐振电路，四个平面绕组就是这个谐振电路中的感应部分，谐振电路是探测器芯片电路组成部分。此传感器的目标盘由于是外沿为正弦弦形状的金属铝，在电机定子磁场中运动由于涡流效应将在其表面产生磁场，该磁场大小与该处金属铝的宽度成正比，此时当平面绕组扫此处将产生变化的电感，同时电感的变化导致谐振电路的相移，因此通过确定相移可以精确确定转子的位置。谐振电路中用四个平面绕组的作用就是精确确定转子位置，原理上用两个就可以，通过这两个得到正弦和余弦信号，就能得到转子角的绝对位置。用四个的作用是目标盘和探测器距离变化以及温度变化对测量的影响可以通过对第一正弦平面绕组21和第二正弦平面绕组23、第一余弦平面绕组21和第二余弦平面绕组24相减来消除影响，这样输出信号就不受磁场和电场变化的影响了。输出为两路，一路为正弦信号，一路为余弦信号，此两路信号输出到DSP进行处理后，输出转子位置角的信号。

本实施例中，电机中目标盘1的材料为铝也可以为其它金属材料如铜、铁等，把目标盘装1在于转子支架上上，传感器感应器2通过传感器支架部分5固定安装在电机机壳内，保证如图1所示安装。目标盘1随着电机转子4一起旋转，目标盘1处于交变的电磁场中，由于目标盘1为金属导体，会产生感应电流，称为涡流效应，故本传感器也称为基于涡流效应的转子传感器。目标盘1的导电材料产生涡流损耗，感应器2中的四个平面绕组第一正弦平面绕组21、第一余弦平面绕组22、第二正弦平面绕组23、第二余弦平面绕组24为谐振电路的一部分，由于目标盘1导电材料的涡流效应会导致平面绕组中电感的减少。此传感器的平面绕组扫过的目标盘1的面积与电感变化成正比，同时电感的变化导致谐振电路的相移，因此通过确定相移可以精确确定转子的位置。输出信号每个极对数重复自身波形，例如，本电机是具有6对极的IPM(Interior Permanent Magnet Machine)电机，每个机械旋转周期，输出信号的波形会重复6次。该传感器的两路输出信号输入DSP芯片中进行解码得到转子位置信号。具体过程如图3所示：

(1)通过TMS320f2808 DSP芯片的两个12位的AD通道对转子位置传感器两个输出信号进行ADC，并进行偏移得到双极性的位置信号。

(2)由于安装限制及误差等原因，正交的两相信号会存在幅值和角度上的误差。按照下式进行补偿，其中，其中，Sensor_A，Sensor_B为ASIC电路输出的带有目标盘位置信息的正弦信号和余弦信号通过ADC后存储到DSP内存内的数字信号，该信号没有经过补偿，Sensor_A1，Sensor_B1为在DSP内经过补偿以后的信号，G_A，G_B为没有经补偿的正弦相幅值，余弦相幅值，其数值与电机转子转速、转子位置传感器感应器中绕组线圈数量以及目标盘形状有关，Δθ为角度误差，是通过实际测得的转子位置角与通过传感器测量的角位置比较得到的，实际测得的转子位置角可以通过观测反电动势等可以得到。

Sensor_A＝G_Asinθ

Sensor_B＝G_Bcos(θ+Δθ)

Sensor_A1＝Sensor_A＝G_Asinθ

${\mathrm{Sensor}}_{B1}=G_A\cos \mathrm{\θ}=\frac{G_A}{G_B\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}{\mathrm{Sensor}}_B+\frac{{\mathrm{Sensor}}_A\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}{\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)}$

(3)对补偿后的信号进行200Hz低通滤波处理。

(4)如果电机速度超过一定值a并且目前是扭矩模式，需要考虑直流母线漂移的影响，因此对(3)的滤波结果再进行67Hz的低通滤波，两次滤波结果相差得到带通滤波结果，消除直流母线漂移对位置信号的影响。

(5)通过对正余弦信号结果值求反正切并考虑转子位置偏移的影响进行补偿，限定转子位置角在[0，2π]设此时值为ak，ak-1为上一次采样后求得的值，并求得差值：ek＝ak-ak-1

(6)根据AD通道一个采样周期最少采样次数为2可以得出，如果ek＜-π时则表明电机在正转，此时实际ek＝ek+2π，如果ek＞π时，此时表明电机正在反转，实际ek＝ek-2π，根据θ_k＝θ_k-1+ek求得k时刻的转子位置角。一个机械周期有6个输出波形，因此限定θ_k在[0，6*2π]

(7)如果速度采样开始，则速度采样时刻θ_k为θ_s，则机械角速度 $\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_{s-1}}{{\mathrm{\Δ}}_t},$ 其中θ_s-1为上一个速度采样时刻θ_k的值

(8)对速度进行100hz的低通滤波滤除噪音。

这里，对运算结果先进行200HZ的低通滤波，得到0-200HZ通频带，如果进行直流母线漂移影响，再进行67HZ的低通滤波，得到0-67hz通频带，如果两次滤波结果相差得到67Hz-200HZ的通频带。

Claims (1)

1.一种测量电机转子位置的方法，利用在目标转子上设置正弦或余弦曲线形状并由导电材料制成的目标盘；在电机机壳内设置与目标盘相应的感应元件，其输出信号接DSP进行数据处理；其特征在于：在DSP中进行数据处理包括以下步骤：

(1)对感应元件产生的转子位置的信号进行模/数转换，并进行偏移得到双极性的位置信号；

(2)对双极性的位置信号进行角度误差和幅值误差补偿；对角度误差和幅值误差的补偿是按下式进行的：

SensorA＝G_ASinθ

SensorB＝G_BCos(θ+Δθ)

SensorA₁＝SensorA＝G_ASinθ

$\mathrm{Sensor}{B}_1=G_A\mathrm{Cos\θ}=\frac{G_A}{G_B\mathrm{Cos\Δ\θ}}\mathrm{SensorB}+\frac{\mathrm{SensorA}\sin \mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{Cos\Δ\θ}}$

式中：SensorA，SensorB为未经补偿的信号，SensorA₁，SensorB₁为补偿以后的信号，G_A，G_B和Δθ为常数，分别为未经补偿的正弦相幅值，余弦相幅值以及角度误差；Δθ为角度误差，是通过实际测得的转子位置角与通过传感器测量的角位置比较得到，实际测得的转子位置角是通过观测反电动势得到；

(3)进行低通滤波；

(4)检查电机控制是否是扭矩控制模式；

(5)若步骤(4)的结果是肯定的，则对直流母线漂移进行带通滤波补偿后再对位置信号进行解码；

(6)若步骤(4)的结果是否定的，则直接对位置信号进行解码。

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