CN101877526B

CN101877526B - 一种电动机

Info

Publication number: CN101877526B
Application number: CN2009101377771A
Authority: CN
Inventors: 郝双晖; 郝明晖
Original assignee: ZHEJIANG ZHONGKE DERUN TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Hangzhou SES Servo Motor Co., Ltd.
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: WO2010124592A1; CN101877526A

Abstract

本发明公开了一种电动机，包括电动机本体、控制器和磁电式传感器所述磁电式传感器用于感测电动机轴的转动，并将感测到的代表电动机轴位置的信息传输给控制器，通过控制器的处理，实现对电动机的精确控制。本发明中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，在使控制精度、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。

Description

一种电动机

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动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动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动机转子的位置信息，从而影响到整个系统的控制效果。

再有，传统的电动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动机。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动机就不再适用于任务二的工作条件，需要令选择电动机，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。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电动机，包括电动机本体、控制器和磁电式传感器，所述磁电式传感器用于感测电动机轴的转动，并将感测到的代表电动机轴位置的信息传输给控制器，通过控制器的处理，实现对电动机的精确控制；所述控制器包括外壳和控制模块，所述控制模块中的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动机角度的信息，并输出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动机轴的转动角度，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，分别作用于所述控制模块中的电动机驱动单元。

进一步地，所述电动机本体和控制器一体化设置。

更进一步地，所述外壳将控制模块罩在外壳内，并通过连接件与电动机固定在一起。

优选地，所述磁电式传感器包括磁钢环、导磁环和磁感应元件，其中，所述磁钢环固定在电动机轴上，所述导磁环固定在一骨架、并通过该骨架固定在电动机或控制器上，所述导磁环由两段或多段同半径的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，所述磁感应元件置于该缝隙内，当电动机转动时，所述磁钢环和所述导磁环发生相对旋转运动，所述磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号。

其中，所述的导磁环由两段同半径的弧段构成，分别为1/4弧段和3/4弧段，对应的磁感应元件为2个；或者，所述的导磁环由三段同半径的弧段构成，分别为1/3弧段，对应的磁感应元件为3个；或者，所述的导磁环由四段同半径的弧段构成，分别为1/4弧段，对应的磁感应元件为4个；或者，所述的导磁环由六段同半径的弧段构成，分别为1/6弧段，对应的磁感应元件为6个。

更好地，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。

在上述的电动机中，所述磁电式传感器设于外壳内，并位于电动机和控制模块之间或者位于控制模块之后。

更好地，所述的电动机还包括风扇，用于对电动机及控制器进行散热。所述风扇位于风扇罩内，并置于远离电动机的外壳的最外端部或位于电动机、控制模块和磁电式传感器中任何两个部件之间。

前述控制模块还包括电动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动机输入电流信号和磁电式传感器输出的代表电动机位置的信息，经过数据处理，输出控制信号给所述的电动机驱动单元，所述电动机驱动单元根据所述的控制信号输出合适的电压给电动机，从而实现对电动机的精确控制。

进一步地，所述电动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。

在具体实施上，所述数据处理单元为MCU，所述电动机驱动单元为IPM模块。

在前述控制器的传感器信号处理子单元中或磁电式传感器本身包括用于处理所述磁感应元件发出的电压信号的信号处理电路，所述信号处理电路包括：

A/D转换模块，对磁电式传感器中磁感应元件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；

合成模块，对磁电式传感器发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行处理得到基准信号D；

角度获取模块，根据该基准信号D，在标准角度表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ；以及

存储模块，用于存储标准角度表。

进一步地，在A/D转换模块和合成模块之间还包括温度补偿模块，用于消除温度对磁电式传感器发送来的电压信号的影响。

所述合成模块的输出信号还包括信号R。所述温度补偿模块包括系数矫正模块和乘法器，所述系数矫正模块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R₀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磁电式传感器发送来的、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合成模块。

进一步地，如果磁电式传感器发送来的一个电压信号为2或3的倍数，则在所述温度补偿模块之前还包括差分模块，用于抑制温度和零点漂移，并提高数据精度。

另外，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；进一步限定，所述电子电力开关为晶闸管或IGBT。

在前述数据处理单元中还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动机内部的绕组来对电动机进行控制；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，这样就降低了电动机的工作电流，从而达到节能的目的；普通电动机绕组是固定的，任意一相绕组损坏则电动机无法正常工作，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。

附图说明

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；

图3是本发明的磁电式传感器安装于轴上的结构原理图；

图4是本发明的磁电式传感器的立体分解图；

图5是本发明的磁电式传感器安装于轴上的立体图；

图6是本发明的磁电式传感器安装于轴上的另一立体图；

图7是磁钢环安装于轴上的立体图；

图8是导磁环安装于骨架上的立体图；

图9是将导磁环从骨架上取下后的立体图；

图10A～图10D是本发明的导磁环的倒角设计图；

图11是本发明第一实施例的磁电式传感器的结构示意图；

图12是本发明第一实施例的信号处理装置的框图；

图13是本发明第二实施例的磁电式传感器的结构示意图；

图14是本发明第二实施例的信号处理装置的框图；

图15是本发明第三实施例的磁电式传感器的结构示意图；

图16是本发明第三实施例的信号处理装置的框图；

图17是本发明第四实施例的磁电式传感器的结构示意图；

图18是本发明第四实施例的信号处理装置的框图；

图19是电动机系统控制结构原理简图；

图20是电动机系统控制结构原理图；

图21是另一电动机系统控制结构原理图；

图22是机械环的框图；

图23是只有速度环的情况下的机械环的框图；

图24是电流环的框图；

图25是PWM信号产生模块的框图；

图26是IPM原理图；

图27是电动机本体内部的绕组接线图；

图28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动机本体401、控制器和磁电式传感器。控制器包括控制器外壳407和控制模块402。磁电式传感器用于感测电动机轴的转动，并将感测到的电压信号传输给控制器，通过控制器的处理，获得电动机轴转动的角度或位置，进而实现对电动机的精确控制。

本发明中的电动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。

本发明的电动机还可以安装有风扇408，用于对电动机及控制器进行散热。风扇408位于风扇罩409内，并置于远离电动机的外壳的最外端部或位于电动机本体401、控制模块402和磁电式传感器中任何两个部件之间。

磁电式传感器

本发明中就用到的磁电式传感器可以包括信号处理电路，也可以不包括信号处理电路，如果不包括信号处理电路，则该电路位于控制器内。以下在介绍磁电式传感器时介绍的信号处理电路和该电路位于控制内时的处理相同，因此，在说明控制器的处理模块时不再重复说明。

图3是表示本发明的磁电式传感器安装于轴上的结构原理图。图4是表示本发明的磁电式传感器的立体分解图。如图3和图4所示，本发明的磁电式传感器由磁感应元件板102、磁钢环103、导磁环104、骨架105组成；磁感应元件板102由PCB板和磁感应元件106组成，磁感应元件板102上还装有接插件108。

磁钢环103装在轴107上，导磁环104固定在骨架105上，骨架105固定在电动机的合适位置。当轴107转动时，磁钢环103转动，产生正弦磁场，而导磁环104起聚磁作用，磁钢环103产生的磁通通过导磁环104。PCB板上固定的磁感应元件106把通过导磁环104的磁场转换成电压信号并输出，该电压信号直接进入主控板芯片。由主控板上芯片对电压信号进行处理，最后得到位角位移。

其中，在制作所述的磁电式传感器时，导磁环104设置在骨架成型模具上，在所述骨架一体成型时与骨架105固定在一起。

图5和图6是本发明的磁电式传感器安装于轴上的总体的立体图。图7是磁钢环安装于轴上的立体图。图8是导磁环安装于骨架上的立体图。图9是将导磁环从骨架上取下后的立体图。以上各图中与图3和图4中相同的部件以相同附图标记指示。导磁环104安装于骨架105上，磁钢环103安装轴107上，导磁环104与磁钢环103可以相对转动。本发明通过合理安排各部件的布局，可以减少磁电式传感器的尺寸。

图10A到图10D以由1/4弧段和3/4弧段构成的导磁环为例，图示了本发明的导磁环的倒角设计。如图10A到图10D所示，导磁环由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，图10A所示的导磁环没有设计倒角，图10B到图10D所示的弧段端部设有倒角，所述倒角为沿轴向(图10B)或径向(图10C)或同时沿轴向、径向(图10D)切削而形成的倒角，151、154表示轴向切面，152、153表示径向切面。相邻两弧段间留有缝隙，磁感应元件置于该缝隙内，当磁钢环与导磁环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换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的控制器。

根据磁密公式

可以知道，当φ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。

本发明还提供了一种基于上述结构的磁电式传感器的信号处理装置，包括：A/D转换模块、合成模块、角度获取模块和存储模块，其中，A/D转换模块对磁电式传感器中磁感应元件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，对应于磁感应元件的个数，该模块中具有多个A/D转换器，分别用于对每个磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换；所述合成模块对经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到基准信号D；所述角度获取模块，根据该基准信号D，在角度存储表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ；所述存储模块用于存储数据。

上述各个模块可以构成一MCU。以下通过实施例详细描述本发明的磁电式传感器及其信号处理装置。

实施例1

根据本发明的第一实施例，提供了设有两个磁感应元件的磁电式传感器。

图11是本发明第一实施例的磁电式传感器的结构示意图。如图11所示，导磁环由两段同半径的弧段构成，分别为1/4弧段111和3/4弧段112，位置A和B相距角度为90°，并开有狭缝，分别以109和110表示的两个磁感应元件H_1a、H_2a放置于A和B处的狭缝中，采用此结构有利于减少磁场泄露，提高磁感应元件感应的磁通量，并且由于磁表面感应的磁通是磁场的积分，因此有利用降低信号噪声以和信号中的高次谐波。在电动机轴上，由两段同半径的弧段111、112构成的导磁环与磁钢环113同心安装。

图12是本发明第一实施例的信号处理装置的框图，磁感应元件H₁和H₂的输出信号接MCU的内置A/D转换器模拟输入口，经模数转换后得到输出信号接乘法器20a、21a，系数矫正器7的输出信号K接乘法器20a、21a的输入端，乘法器20a、21a的输出信号接合成器3a的输入端，合成器3a输出信号D和R，系数矫正器5a接收合成器3a输出的信号D和来自于存储器41a的信号R，通过运算得到信号K，通过使磁感应元件H_1a和H_2a的信号与该信号K进行相乘，以此来进行温度补偿，消除温度对信号的影响。存储器40a中存储有一角度存储表，MCU根据信号D在角度存储表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ。

其中对信号的处理，即合成器3a对信号的处理原则是：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}。以本实施例为例，说明如下：

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_D＞＝B_D

D＝{A_0；B_0；B_D}

R = \sqrt{A^{2} + B^{2}};

否则：

D＝{A_0；B_0；A_D}

R = \sqrt{A^{2} + B^{2}} .

在存储模块中存储有一标准角度表，其中存储了对应于一系列的码，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。

另外，在存储模块中还存储了一些数据修正表，这些表中包括一个信号D与信号R₀的对应表，其中信号R₀为信号R在标准状态下的信号，通过合成模块，即合成器3a得到的信号D，通过查表可以得到一信号R₀，通过将信号R₀和信号R进行比较，如除法运算，得到信号K。

实施例2

根据本发明的第二实施例，提供了设有四个磁感应元件的磁电式传感器。

图13是本发明第二实施例的磁电式传感器的结构示意图。如图13所示，导磁环由四段同半径的1/4弧段118、119、120和121构成，A，B，C，D四个位置角度依次相隔为90°，并且都有一狭缝。分别以114、115、116和117表示的4个磁感应元件H_1b、H_2b、H_3b、H_4b分别放置于狭缝A、B、C和D处，采用此结构有利于减少磁场泄露，提高磁感应元件感应的磁通量，并且由于磁表面感应的磁通是磁场的积分，因此有利用降低信号噪声以和信号中的高次谐波。四段同半径的1/4弧段118、119、120和121构成的导磁环和磁钢环122同心安装。

图14是本发明第二实施例的信号处理装置的框图。

实施例2的信号处理装置与处理方法与实施例1相类似，不同在于，由于本实施例2中有4个互成90度的磁感应元件，因此，在信号处理装置上增加了减法器，即数字差分模块，通过该减法器模块抑制温度和零点漂移，以此来提高数据精度，最终输出给合成器的信号仍为2个，处理过程及方法与实施例1相同。因此，在此不再赘述。

实施例3

根据本发明的第三实施例，提供了设有三个磁感应元件的磁电式传感器。

图15是本发明第三实施例的磁电式传感器的结构示意图。如图15所示，导磁环由三段同半径的1/3弧段126、127和128构成，A，B，C三个位置依次相距120°，并且开有一狭缝，分别以123、124和125表示的3个传感器H_1c、H_2c、H_3c分别放置狭缝处，采用此结构有利于减少磁场泄露，提高传感器感应的磁通量，并且由于传感器表面感应的磁通是磁场的积分，因此有利用降低信号噪声以和信号中的高次谐波。三段同半径的1/3弧段126、127和128构成的导磁环和磁钢环129同心安装。

图16是本发明第三实施例的信号处理装置的框图。

与实施例1不同的是，磁感应元件有三个，输出给合成器的信号为三个，合成器在处理信号时与实施例1不同，其余与实施例1相同。在这里，仅说明合成器如何处理信号。

在本实施例中，对信号的处理，即合成器3c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：

如果{A_0；B_0；C_0}＝010并且A_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝010并且A_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝101并且A_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝101并且A_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝011并且B_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝011并且B_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝100并且B_D＞＝C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝100并且B_D＜C_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝001并且B_D＞＝A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝001并且B_D＜A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝110并且B_D＞＝A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

如果{A_0；B_0；C_0}＝110并且B_D＜A_D

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

α = A - B \times \cos (\frac{π}{3}) - C \times \cos (\frac{π}{3})

β = B \times \sin (\frac{π}{3}) - C \times \sin (\frac{π}{3})

R = \sqrt{α^{2} + β^{2}}

实施例4

根据本发明的第四实施例，提供了设有六个磁感应元件的磁电式传感器。

图17是本发明第四实施例的磁电式传感器的结构示意图。如图17所示，导磁环由六段同半径的1/6弧段136、137、138、139、140和141构成，A，B，C，D，E，F六个位置依次相距60°，并且都开有一狭缝，分别以130、131、132、133、134和135表示的6个传感器H_1d、H_2d、H_3d、H_4d、H_5d、H_6d分别放置狭缝内，采用此结构有利于减少磁场泄露，提高传感器感应的磁通量，并且由于传感器表面感应的磁通是磁场的积分，因此有利用降低信号噪声以和信号中的高次谐波。电动机非负载输出端轴上装有永磁环，由六段同半径的1/6弧段 136、137、138、139、140和141构成的导磁环和磁钢环142同心安装。

图18是本发明第四实施例的信号处理装置的框图。与实施例3不同的是，磁感应元件有六个，因此，在信号处理装置上增加了减法器模块，通过该减法器模块抑制温度和零点漂移，以此来提高数据精度，最终输出给合成器的信号仍为3个，处理过程及方法与实施例3相同。

控制器

控制器包括控制器外壳407和控制模块402，控制器外壳407将控制模块402罩在其内，并通过连接件与电动机本体401固定在一起。

图19是电动机系统结构简图。电动机系统由伺服控制器、电动机和编码器组成。这里所述的编码器和以下图中所涉及的编码器即为本发明中所述的磁电式传感器。控制模块包括数据处理单元、电动机驱动单元和电流传感器。所述数据处理单元为MCU，所述电动机驱动单元为IPM模块。MCU接收输入的指令信号、电流传感器采集的电动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动机，从而实现对电动机的精确控制。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20是电动机系统控制结构原理图。此时，磁电式传感器的信号处理电路位于该传感器中，控制器只需通过同步通讯接口接收该传感器的信号即可。如图20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。编码器将电动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，产生三相电压给电动机。

图21是另一电动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20相同，因此，在此不再重复说明。

图22是机械环的框图。如图22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。编码器检测电动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I_{q_ref}。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I_{q_ref}给电流环。

图23是只有速度环的情况下的机械环的框图。在有些情况下，不需对电动机进行位置控制，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。编码器检测电动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I_{q_ref}。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I_{q_ref}给电流环。

图24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动机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，从而获得电动机的三相电流大小。正常情况下电动机的三相电流之和为零，当电动机出现某些异常时，如电动机漏电，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，检测电动机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，获得电动机的两相电流大小。由于电动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动机系统的需要，降低了成本。

机械输出的电流指令为I_{q_ref}，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I_{a_fb}，I_{b_fb}，I_{c_fb}，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I_{a_fb}，I_{d_fb}，I_{c_fb}经过3-＞2变换，得到d，q轴的电流反馈I_{d_fb}，I_{q_fb}。一般将d轴的电流指令I_{d_ref}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I_{d_err}和I_{q_err}，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U_{d_ref}，U_{q_ref}。指令电压U_{d_ref}，U_{q_ref}经过2-＞3变换，得到三相指令电压，即为三相电压占空比U_{a_占空比}，U_{b_占空比}，U_{c_占空比}。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：

[\begin{matrix} I_{d} \\ I_{q} \end{matrix}] = \frac{2}{3} [\begin{matrix} \cos θ_{e} & \cos (θ_{e} - \frac{2}{3} π) & \cos (θ_{e} + \frac{2}{3} π) \\ - \sin θ_{e} & - \sin (θ_{e} - \frac{2}{3} π) & - \sin (θ_{e} + \frac{2}{3} π) \end{matrix}] [\begin{matrix} I_{a} \\ I_{b} \\ I_{c} \end{matrix}]

3-＞2变换将电流传感器反馈的电动机三相电流，经过坐标变换，变换为d，q轴电流。式中I_a，I_b，I_c为反馈的三相电流，在电流环框图中对应为I_{d_fb}，I_{b_fb}，I_{c_fb}。式中I_d，I_q为变换后的d，q轴电流，在电流环框图中对应为I_{d_fb}，I_{q_fb}。式中θ_e为电动机的电角度，其中：θ_e＝p×θ_r，p为电动机的极对数，θ_r为电动机的机械角度，θ_r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：

[\begin{matrix} U_{a} \\ U_{b} \\ U_{c} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \cos θ_{e} & - {\sin θ}_{e} \\ \cos (θ_{e} - \frac{2}{3} π) & - \sin (θ_{e} - \frac{2}{3} π) \\ \cos (θ_{e} + \frac{2}{3} π) & - \sin (θ_{e} + \frac{2}{3} π) \end{matrix}] [\begin{matrix} U_{d} \\ U_{q} \end{matrix}]

3-＞2变换将d，q轴电压转换为电动机的三相电压。式中U_d，U_q为d，q轴电压，在电流环框图中对应为U_{d_ref}，U_{q_ref}。式中U_a，U_b，U_c为计算出来的需加给电动机的三相电压，在电流环框图中对应为U_{a_占空比}，U_{b_占空比}，U_{c_占空比}。式中θ_e为电动机的电角度。

图25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26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。当电流流向电动机时，电流通过下桥臂的续流二极管从N极流向电动机，此时U相电势输出的电势为N极电势；当电流从电动机流出时，电流通过上桥臂的续流二极管从电动机流向P极，此时U相输出的电势为P极电势。

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27图，为电动机绕组一实施例的安装与控制示意图。在该实施例中，每一相电动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K1、K2，K1、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28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，但是受到电动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K1，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，此时电动机绕组线圈L11，L12，L21，L22，L31，L32都为通电工作状态，电动机处于高绕组状态电动机的反电动势 (N为线圈的匝数，f为转子频率，

磁通)增加，而U-E＝IR+IX_l减小，因为电动机电流I与(U-E)成正相关，所以电动机中电流减小，这样可以使流过绕组线圈的电流小于电动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，这样就导致了电动机中电流I的减小造成了电动机转矩的下降抑制了电动机的高速性，为了更好的保证电动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K1，K3，K5处于断开状态，开关K2，K4，K6处于闭合状态，此时电动机绕组L11，L21，L31处于工作状态而绕组L12，L22，L32未被接入电动机工作电路中，由公式可见线圈匝数减少1/2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动机扭矩增大高速性能更好达到工作要求。

图27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。

Claims

1.一种电动机，包括电动机本体、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动机轴的转动，并将感测到的代表电动机轴位置的信息传输给控制器，所述控制器接收该代表电动机轴位置的信息并进行处理，并精确控制电动机本体的运行；所述控制器包括外壳和控制模块，所述控制模块中的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；所述控制模块还包括电流传感器；

所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令和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；

2.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述电动机本体和控制器一体化设置。

3.如权利要求2所述的电动机，其特征在于，所述外壳将控制模块罩在外壳内，并通过连接件与电动机固定在一起。

4.如权利要求1或2或3所述的电动机，其特征在于，所述磁电式传感器包括磁钢环、导磁环和磁感应元件，其中，所述磁钢环固定在电动机轴上，所述导磁环固定在一骨架、并通过该骨架固定在电动机或控制器上，所述导磁环由两段或多段同半径的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，所述磁感应元件置于该缝隙内，当电动机转动时，所述磁钢环和所述导磁环发生相对旋转运动，所述磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号。

5.如权利要求4所述的电动机，其特征在于，所述的导磁环由两段同半径的弧段构成，分别为1/4弧段和3/4弧段，对应的磁感应元件为2个；或者，所述的导磁环由三段同半径的弧段构成，分别为1/3弧段，对应的磁感应元件为3个；或者，所述的导磁环由四段同半径的弧段构成，分别为1/4弧段，对应的磁感应元件为4个；或者，所述的导磁环由六段同半径的弧段构成，分别为1/6弧段，对应的磁感应元件为6个。

6.如权利要求5所述的电动机，其特征在于，所述的导磁环的弧段端部设有倒角。

7.如权利要求6所述的电动机，其特征在于，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。

8.如权利要求3所述的电动机，其特征在于，所述磁电式传感器设于外壳内，并位于电动机和控制模块之间或者位于控制模块之后。

9.如权利要求1或2或3所述的电动机，其特征在于，所述电动机还包括风扇，用于对电动机及控制器进行散热。

10.如权利要求9所述的电动机，其特征在于，所述风扇位于风扇罩内，并置于远离电动机的外壳的最外端部或位于电动机、控制模块和磁电式传感器中任何两个部件之间。

11.如权利要求4所述的电动机，其特征在于，所述控制模块还包括电动机驱动单元，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动机输入电流信号和磁电式传感器输出的代表电动机位置的信息，经过数据处理，输出控制信号给所述的电动机驱动单元，所述电动机驱动单元根据所述的控制信号输出合适的电压给电动机，从而实现对电动机的精确控制。

12.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述电动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。

13.如权利要求11所述的电动机，其特征在于，所述数据处理单元为MCU，所述电动机驱动单元为IPM模块。

14.如权利要求1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包括用于处理所述磁感应元件发出的电压信号的信号处理电路，所述信号处理电路包括：

存储模块，用于存储标准角度表。

15.如权利要求14所述的电动机，其特征在于，在A/D转换模块和合成模块之间还包括温度补偿模块，用于消除温度对磁电式传感器发送来的电压信号的影响。

16.如权利要求15所述的电动机，其特征在于，所述合成模块的输出信号还包括信号R。

17.如权利要求16所述的电动机，其特征在于，所述温度补偿模块包括系数矫正模块和乘法器，所述系数矫正模块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R₀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磁电式传感器发送来的、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合成模块。

18.如权利要求15所述的电动机，其特征在于，如果磁电式传感器发送来的一个电压信号为2或3的倍数，则在所述温度补偿模块之前还包括差分模块，用于抑制温度和零点漂移，并提高数据精度。

19.如权利要求1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。

20.如权利要求19所述的电动机，其特征在于，所述控制开关为电子电力开关。

21.如权利要求20所述的电动机，其特征在于，所述电子电力开关为晶闸管或IGBT。

22.如权利要求20所述的电动机，其特征在于，所述控制器中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，分别控制每一相绕组中的多个控制开关的开和关的组合。