CN102835020A - 用于测量电动机的特征的方法与系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于电动机的控制系统，所述电动机具有：第一控制装置，被配置为控制在第一线圈组内的电流，用于产生在转子上的第一扭矩；以及第二控制装置，被配置为控制在第二线圈组内的电流，用于产生在转子上的第二扭矩；所述系统包括：控制器，被配置为指示所述第一控制装置，以控制在所述第一线圈组内的电流，以产生在所述转子上的第一扭矩，以使得所述转子旋转；以及用于测量由所述第一线圈组产生的扭矩导致转子旋转而产生的与所述第二线圈组相关联的特征的装置，同时在所述第二线圈组的线圈中基本上没有电流流动。

Description

用于测量电动机的特征的方法与系统
技术领域
本发明涉及一种用于测量电动机的特征的方法与系统。
背景技术
电动机系统通常包括电动机和配置用于控制该电动机的电源的控制器。
已知类型的电动机的一个例子是同步无刷永磁的电动机，该同步无刷永磁的电动机不需要换向器电刷，而在有刷直流电动机中需要换向器电刷。
然而，如果不采用换向器刷子来确定在电动机电枢导体中的电流的时序，无刷电动机通常需要一些形式的定位传感器，这些定位传感器能被用于确定电流的时序。
此外，为了使无刷电动机的效率最大化，当驱动该电动机时，有必要校准该电动机，其中，多种不同参数被测量和存储在存储器中，供控制器使用，例如，测量和存储在由电动机定位传感器所确定的转子位置和与该电动机相关联的反电动势相角之间的偏移。
然而，在特定的校准程序中，例如转子的定位校准，要求电动机的转子是相对于电动机的线圈转动的，因此在该电动机被校准时，通常需要使用一个分离的电动机来使转子转动。
人们希望改善这种状况。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了根据所附的权利要求所述的一种控制系统和一种方法。
本发明提供了这样的优点：使得在电动机内的子电动机能使电动机的转子相对于电动机的定子旋转，同时在该电动机内的另一子电动机上进行校准测量。
附图说明
本发明现在将通过实施例结合所附的附图的方式进行描述，在这些附图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例所述的一个电动机的爆炸分解图。
图2是图1所示的电动机从另一个角度看的爆炸分解图。
图3图解地显示了根据本发明的一个实施例所述的一个电动机的线圈组装置的例子。
图4图解地显示了根据本发明的一个实施例所述的电动机的子线圈组，这些子线圈组被配置为Y形结构。
图5图解地显示了根据本发明的一个实施例所述的电动机的子线圈组，这些子线圈组被配置为三角形结构。
图6图解地显示了根据本发明的一个实施例所述的在子线圈组之一的线圈的布置的例子。
图7图解地显示了关于磁体的线圈的实施例。
图8图解地显示了根据本发明的一个实施例所述的一个控制装置的例子。
图9显示了一个霍尔传感器信号轨迹。
图10是开关装置的电路图。
图11显示了在转子相角、反电动势和电流之间的一种优选的关系。
具体实施方式
虽然已经在上下文中描述了本发明的一种用在车辆的车轮内的电动机的实施例，但本发明还可被应用于其他应用。所述的电动机是具有一组线圈的类型，这些线圈是附着到车辆的定子的一部分，由附着到车轮的转子径向围绕，该转子带有一组磁体。为避免产生疑问，本发明的多个方面同样也能应用于具有相同装置的发电机。另外，本发明的一些方面都可应用于具有将转子中央安装在径向环绕的线圈内的装置。
参考图1和图2，可最好地理解内在装配的物理装置。该装置可被描述为内建电子元件和轴承的电动机，或者也可以被描述为一个轮毂电动机或者轮毂驱动器，它被构建为适应分离的车轮。
首先参考图1，所述装置包括：定子252，包括：后部分230，形成所述装置的外壳的第一部分；以及散热器和驱动装置231，包括多组线圈和电子元件，以驱动所述线圈与散热器。该线圈驱动装置231被安装在后部分230以形成定子252，然后可将该定子安装到车辆，并且在使用的过程中不会旋转。这些线圈自身是在齿片上形成的，这些齿片与所述驱动装置231和后部分230一起形成定子252。
虽然未示出，多个电容电路板也可安装到所述定子，用于提供在所述电动机和电压降之间的电容，以降低电压线降。
转子240包括：前部分220和圆柱形部分分221，形成一个盖，这个盖基本上围绕所述定子252。所述转子包括多个磁体242，被配置在圆柱形部分221的内部。因此，这些磁体紧密接近于在线圈驱动装置231上的线圈，以致由在线圈驱动装置231上的线圈所产生的磁场在这些磁体242上产生一个力，这些磁体242被配置为围绕所述转子240的圆柱形部分221的内部，因而导致转子240旋转。
所述转子240是通过轴承座223附着到所述定子252。该轴承座223可以是标准的轴承座，可被用于适合装配这种电动机的车辆。该轴承座包括两部分，第一部分固定到所述定子，第二部分固定到所述转子。该轴承座是固定到所述定子252的壁230的中心部分233，也固定到转子240的外壳壁220的中心部分225。因此，所述转子240是旋转地固定到车辆，通过在所述转子240的中心部分225处的轴承块223而被用于车辆。
所述转子还包括一个聚焦环和磁体227，用于定位传感，正如下面的讨论。
图2显示了与图1所示相同的装置的爆炸分解图，从相对侧显示了定子252，该定子包括后定子壁230与线圈和电子元件装置231。所述转子240包括外转子壁220和圆周壁221，磁体242是圆周地配置在该圆周壁221内。如前所述，所述定子252是通过在所述转子的中心部分和定子壁的轴承座223而连接到所述转子240。
此外，在图1中还显示了控制装置80，也被称为电动机驱动电路或逆变器，该控制装置带有下面所述的控制电子元件。另外，在图1和图2中，在所述转子的圆周壁221与所述定子外壳230的外边缘之间提供一个V型密封件350。进一步，在图2中，磁环227包括聚焦环和多个磁体，所述磁环被提供用于指示所述转子相对于所述定子的位置，一系列传感器被配置在所述定子252的控制装置80上。
图3图解地显示了根据本发明的一个实施例所述的电动机40的一个例子。在这个例子中，所述电动机是大致圆形的。然而，需要明确的是，本发明的实施例也能够采用其他拓扑结构。例如，用于产生线性运动的线圈的线性装置也是可想象的。
在这个实施例中，所述电动机40包括8个线圈组60，每个线圈组60具有三个子线圈组61、62、63，这些子线圈组是分别耦合到各自的控制装置64，其中，每个控制装置64和各自的子线圈组形成一个三相逻辑电动机或者子电动机，它可独立于其它子电动机而被控制。所述控制装置64以三相电压电源驱动它们各自的子电动机，从而使得各自的子线圈组产生一个旋转的磁场。虽然本实施例描述的每个线圈组60具有三个子线圈组61、62、63，但本发明并不受限于此，并且需要明确的是，每个线圈组60可具有任意数量的子线圈组。同样地，虽然本实施例描述的电动机具有八个线圈组60（也就是，八个子电动机），所述电动机可具有两个或者多个线圈组（也就是，两个或者多个子电动机），这些线圈组与控制装置相关联。
所述电动机40可包括转子（在图3中未示出），该转子定位在由该电动机的各种线圈的位置所限定的圆形的中心，因而使得所述转子能在由这些线圈所产生的旋转磁场内旋转。优选地，虽然所述转子是被安排在这些线圈周围，正如之前在图1和图2中所揭示的。所述转子通常可包括一个或多个永磁体，该永磁体被配置为这样旋转以致它们的极扫过所述电动机40的线圈的末端。在子线圈组61、62、63的线圈中的电流的适当开关使得所述转子的永磁体的极能同步吸引和排斥，以产生所述电动机40的旋转动作。应该明确的是，图3是高度图解性的，而在实践中，子线圈组将被安置于所述定子的外围，该定子与转子的磁体围绕这些线圈。
对于本领域技术人员而言，每个控制装置包括一个三相桥式逆变器，该逆变器包括六个开关。该三相桥式逆变器是耦合到一个线圈组60的三个子线圈组，以形成一个三相电动机构造。因此，如上所述，所述电动机包括八个三相子电动机，其中每个三相子电动机包括一个控制装置64，该控制装置耦合到线圈组60的三相子线圈组。
每个三相桥式逆变器是被配置为提供PMW电压控制穿过各自的子线圈组61、62、63，以提供用于各自子电动机的所需扭矩。
对于给定的线圈组，控制装置64的三相桥式开关是被配置为施加单独的电压相穿过每个子线圈组61、62、63。
图4显示了在图3中所示的电动机，在该图中，每个控制装置桥式逆变器是耦合到它们各自的子线圈组，以形成Y型结构。
图5显示了在图3中所示的电动机，在该图中，每个控制装置桥式逆变器是耦合到它们各自的子线圈组，以形成三角形结构。
优选地，所述控制装置是定位在与其他电动机组件相同的外壳/外套内，例如，邻近于它们各自的线圈组。
每个子线圈组可以包括一个或多个线圈。在本例中，每个子线圈组包括三个线圈，正如在图6中图解所示。在图6中，这三个线圈被标记为74A、74B和74C。这三个线圈74A、74B和74C是交替地缠绕以致每个线圈产生一个磁场，对于给出的电流方向，该磁场是反平行于它的线圈，但它们具有共同的相位。如上所述，当所述电动机40的转子的永磁体扫过所述线圈74A、74B和74C的末端时，在这些线圈内的电流的合适开关可被用于产生想要的力，以用于对所述转子提供一个推动力。
参考图7，可以理解在每个子线圈组内的线圈74A、74B和74C是在相反方向缠绕以产生反平行的磁场的原因，图7显示，在所述转子上的磁体242的布置是围绕所述定子的线圈44、46和48。为简化说明，这个布置是被显示为磁体和线圈的线性排布，但是应当明确的是，在本发明的实施例中的描述的线圈可被布置为围绕所述定子的外围，以及所述磁体可被布置在所述转子的圆周内，正如已经描述的。
所述磁体242是被配置为以交替的磁极对着子线圈组44、46和48。因此，对于所述磁体的交替的磁极面，每个子线圈组的三个线圈74A、74B和74C表现出交替的磁场。因此，当一个子线圈组的左手螺旋的线圈具有对抗所述磁体之一的北极的排斥力时，相邻的中心线圈将会具有对抗所述磁体的南极的排斥力，等等。
正如在图7中图解地所示，磁体与线圈的比率是八个磁体比九个线圈。这个布置的优点是：这些磁体和线圈将不会优选地排成一列。如果发生这样的优选的直线排列，那么电动机只能处于这样一个位置，在该位置中，没有力会被施加在所述线圈与所述磁体之间，以给出一个明确的方向，感知所述电动机将会转动。通过将不同数量的线圈和磁体安排为围绕所述电动机，无论所述转子和电动机停止在什么位置，在特定的方向上总会有一个合力。虽然本实施例描述了八个磁体比九个线圈的比率，但是其他的比率也是可以应用的，例如九个磁体比六个线圈。
图8显示了根据本发明的一个实施例所述的控制装置80的一个例子。
所述控制装置80包括第一电路板83和第二电路板82。优选地，第二电路板82是被配置为覆盖在所述第一电路板83上，如图8中所示。
所述第一电路板83包括大量的开关，这些开关是被配置为施加交流电压穿过各自的子线圈组。这些开关可以包括诸如MOSFET或IGBT等半导体装置。在本实施例中，这些开关包括IGBT开关。
如上所述，大量的开关是被配置为形成n-相桥接电路。因此，本领域技术人员所熟知，开关的数量将取决于电压相的数量，以被应用于各自的子电动机。在本实施例中，所述控制装置和子线圈组被配置为形成一个三相电动机，各自的控制装置的第一电路板83包括六个开关。虽然本设计显示每个子发电机具有一个三相结构，但子电动机能够被设计为具有两相或者更多相的结构。
所述子线圈组的线（例如铜丝）可被直接连接到适当的开关设备。
第二电路板82包括一定数量的电子元件，这些电子元件用于控制安装在第一电路板83上的开关的操作。安装在第二电路板82上的电子元件的例子包括：用于控制开关的操作的控制逻辑元件，用于提供PWM电压控制和接口组件（例如CAN接口芯片）的逻辑元件，用于使得所述控制装置80能与控制装置80外部的设备（例如其他控制装置80或主控制器）进行通信的逻辑元件。通常，第二控制电路板82会通过所述接口进行通信，以接收扭矩需求的请求，并传送状态信息。可替代地，各自的第二电路板能够被整合为一个单独的控制板，用于控制在各自的第一电路板上的开关的操作。
在每个电路板上还安装了传感器，该传感器可被用于确定所述转子240的位置，例如，霍尔传感器是被配置为产生一个电信号，该电信号取决于聚焦环与磁体227的相对位置，聚焦环与磁体都被安装在所述转子240上。为了确定所述转子转动的方向，所述电路板优选地包括两个传感器，这些传感器是偏移预定的角度，以致来自每个所述传感器的信号的改变可被分析，以确定所述转子240的相对位置以及所述转子的旋转方向。优选地，为使得每个控制设备能互相独立地操作，继而使每个子电动机能相互独立地操作，每个电路板具有它们自己的一套定位传感器。
通过图示说明，图9显示了一个典型的霍尔传感器轨迹，该轨迹是关于安装在一个电路板上的两个霍尔传感器的。这两个霍尔传感器是由预定的距离相分离的，以致当第一霍尔传感器提供指示零相角的信号时，第二霍尔传感器提供指示90度相角的信号。通过分析在由第一霍尔传感器和第二霍尔传感器所产生的信号之间的相角的相对改变，有可能确定所述转子相对于所述定子的旋转方向。
图10显示了安装在第一电路板上的六个开关，它们被配置成三相桥式结构。这个开关装置是被耦合到一个线圈组的子线圈组，其中，该子线圈组是被放置在一个Y形结构中。这六个半导体开关是连接到电压电源，例如300伏，并接地。成对的各自的子线圈组是连接在所述桥接电路的引脚之间。简单地说，为操作所述电动机，这些开关是成对操作的，一个开关在桥上的顶半部，另一个开关在桥的底半部，它们连接不同的引脚。典型地，每个开关承载当时三分之一的输出电流。
为改变所述电动机的旋转方向，在所述线圈内的电流的时序和极性是改变为导致在相反方向产生合力。如上所述，脉宽调制技术是被用于对施加到所述半导体开关的栅极的信号进行脉宽调制，以控制施加到所述线圈的电压，其中，PWM电压是基于所接收的扭矩需求的请求来确定的。该PWM电压依次确定所述线圈的电路，继而确定所产生的扭矩。
优选地，对于在所述电动机内的每个子电动机，施加到与线圈组相关联的子电动机的电相角将会与所述转子的相角同步，其中，所述转子的相角是采用霍尔传感器来确定的。因此，将某个电压施加到子线圈组将会取决于所述转子相对于所述定子的位置。图11显示了在所述转子的相角、所述电相角与所述电流之间的优选的关系，其中，零电压，继而零电流，对应于零转子相角。
然而，为了补偿在安装在电路板上的霍尔传感器的位置上的可能的变化，并确保在转子和电相角之间的优选关系能被维持，通常需要对于在所述电动机内的每个控制装置的相角进行校正。
通常，这个校正程序涉及确定在零相转子位置与零电相角之间的偏移。如果该零相转子位置和零电相角不一致，则需要确定在这两个值之间的偏移是怎样。
所述校正程序是利用所述电动机的子电动机之一来执行，以使所述转子旋转，因此使得能在其他子电动机相关联的线圈组内测量反电动势。然后，与所测量的反电动势值关联的电相角是与所述转子的位置（由所述霍尔传感器来确定）进行比较，以确定对于不同控制装置的相角的偏移。
通过图示说明，这个校正程序是采用控制器来执行，以提供扭矩需求到所述电动机控制装置之一，因而导致所述转子相对于所述定子旋转。没有扭矩需求被提供给其他子电动机（也就是，基本上没有电压会通过其他子电动机各自的控制装置而被施加到它们的线圈组）。因此，基本上没有电流能再与其他子电动机相关联的线圈内流动。例如，与其他子电动机相关联的线圈是被放置在一个开放的电路装置中。当所述转子在转动时，对于每个子电动机的转子相角和反电动势都被测量，没有扭矩需求被提供到所述子电动机（也就是，在该子电动机内，基本上没有电流在相关联的线圈内流动）。然后，对于各自的子电动机，在所述转子相角与所述电相角之间的相位偏移值被确定。
当执行所述校准程序时，如果反电动势为零时，电相角通常将会是零。
对于带有非活动线圈组的子电动机，一旦它的相角偏移值已经被确定，接着对于已经被用于驱动所述转子的子电动机，确定它的相角偏移。对于剩下的子电动机，为测量其相角偏移，被发送到该子电动机的扭矩需求是被设为零，而已经具有它们已计算的相角偏移的这些子电动机之一是被提供一个扭矩需求，因而导致产生一个扭矩，并导致所述转子相对于所述定子旋转。接着，测量该转子相角和电相角（从所述反电动势来确定），并确定相角偏移值。
因此，对于具有多个子电动机的电动机，通过测量关于子电动机的在非活动子线圈组内产生的反电动势，同时另一个子电动机被用于使所述转子相对于所述定子旋转，使得对于具有非活动子线圈组的子电动机，在所述霍尔传感器的相角和电相角之间的相位偏移能被确定。
所述控制器被配置为产生用于控制各自的子电动机的操作的扭矩需求信号，且该控制器执行必要的测量来确定相角偏移值，该控制器可被定位在所述电动机的外部，或者被安装在所述电动机的内部。可替代地，该控制器的功能可被分解为两个控制器，一个控制器定位在所述电动机内，而另一个控制器是定位在所述电动机的外部。
如果控制器是定位于电动机的外部，该控制器也能够作为主控制器，该主控制器被配置为控制车辆的总体操作，各自的轮内电动机都安装到该车辆。
所述扭矩需求信号是通过共同的控制装置来直接或者间接地与各自的轮内电动机控制装置80进行通信的。该扭矩需求信号通常将会通过通信总线（例如，CAN总线）进行通信。然而，本领域技术人员所应当明确的是，这种信号也能够通过任意合适的方式进行通信。附加的控制信号能够通过控制器与各自的控制装置80进行通信。
所测量的霍尔传感器信号和反电动势的值可以通过通信总线而与所述控制器进行通信。

Claims (8)

1.一种用于电动机的控制系统，所述电动机具有：第一控制装置，被配置为控制在第一线圈组内的电流，用于产生在转子上的第一扭矩；以及第二控制装置，被配置为控制在第二线圈组内的电流，用于产生在转子上的第二扭矩；所述系统包括：控制器，被配置为指示所述第一控制装置，以控制在所述第一线圈组内的电流，以产生在所述转子上的第一扭矩，以使得所述转子旋转；以及用于测量由所述第一线圈组产生的扭矩导致转子旋转而产生的与所述第二线圈组相关联的特征的装置，同时在所述第二线圈组的线圈中基本上没有电流流动。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述转子包括磁体，且所测量的与所述第二线圈组相关联的特征是所述转子磁体相对于所述第二线圈组移动而在所述第二线圈组内感应的电压。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：还包括用于确定关于所述第二线圈组的转子的相角的装置，其中，所述控制器是被配置为确定在所测量的相角与所测量的在所述第二线圈组内感应的电压的相位之间的偏移。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于：所述用于确定相角的装置使用从两个霍尔传感器整合进入所述电动机内的数据。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于：所述用于确定相角的装置使用来自所述霍尔传感器的由定位在所述转子上的磁体产生的电压波动。
6.一种测量电动机的方法，所述电动机具有：第一控制装置，被配置为控制在第一线圈组内的电流，用于产生在转子上的第一扭矩；以及第二控制装置，被配置为控制在第二线圈组内的电流，用于产生在转子上的第二扭矩；所述方法包括：控制在所述第一线圈组内的电流，用于产生在所述转子上的第一扭矩，以使得所述转子旋转；以及测量由所述第一线圈组产生的扭矩导致转子旋转而产生的与所述第二线圈组相关联的特征，同时在所述第二线圈组的线圈中基本上没有电流流动。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述转子包括磁体，且所测量的与所述第二线圈组相关联的特征是所述转子磁体相对于所述第二线圈组移动而在所述第二线圈组内感应的电压。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：还包括确定关于所述第二线圈组的转子的相角，其中，所述控制器是被配置为确定在所测量的相角与所测量的在所述第二线圈组内感应的电压的相位之间的偏移。
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