CN103175559A - 双凸极式双转子电机两个转子相对位置的测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双凸极式双转子电机两个转子相对位置的测量装置及方法，电机的内转子转轴上设有增量式光电编码器，中间转子位置处设有霍尔位置检测装置，霍尔开关电路的数目等于电机相数M，N-S交替排列的磁环的对数等于电机转子级数R；M个霍尔开关电路沿定子的圆周方向均布于定子中，R对N-S交替排列的磁环套在中间转子转轴上；采用霍尔位置传感器实现中间转子相对于定子的位置测量，得到中间转子相对定子的角位移
Figure 729194DEST_PATH_IMAGE001
；通过增量式光电编码器测量内转子相对定子的角位移
Figure 142858DEST_PATH_IMAGE002
，计算中间转子相对内转子的位置角度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；提高了整套检测装置的性价比，满足检测精度的要求。

Description

双凸极式双转子电机两个转子相对位置的测量装置及方法
技术领域
本发明是关于一种测量双凸极式双转子电机的两个转子相对角位移的方法，属于电机位置检测领域。 
背景技术
双转子电机是是混合动力汽车的关键部件之一。对双转子电机实施有效控制需要检测两个转子的相对角位移。目前常用的测量方法是基于两个旋转变压器装置，分别将两个转子相对电机定子的转角位置检测出，再通过求差电路对结果求差，得到双转子的相对角位移和转速差。中国专利申请号为201010604357.2公开了一种测量同轴双转子电机两个转子相对转角和转速的方法及实现该方法的传感器，该方法所采用的旋转变压器分辨率高，其输出是模拟信号，需要进行模数转换，后续的解码、求差电路也使检测系统复杂化，且检测装置成本较高。对于双凸极式双转子电机，控制过程中只需要检测离散的位置信息，所以在满足精度要求的情况下，可以采用霍尔位置传感器加增量式光电编码器的装置，以降低检测装置的成本，提高性价比。 
发明内容
本发明的目的是在满足双凸极式双转子电机驱动控制系统需要的精度要求下，简化现有的双转子位置检测系统，以提高整套检测系统的性价比而提供一种测量双凸极式双转子电机的双转子相对角位移的装置及该装置的测量方法。 
本发明双凸极式双转子电机两个转子相对位置的测量装置采用的技术方案是：电机的内转子转轴上设有增量式光电编码器，电机的中间转子位置处设有霍尔位置检测装置，霍尔位置检测装置包括霍尔开关电路和由N-S交替排列的磁环，霍尔开关电路的数目等于电机相数M，N-S交替排列的磁环的对数等于电机转子级数R；M个霍尔开关电路沿定子的圆周方向均布于定子中，R对N-S交替排列的磁环套在中间转子转轴上。 
本发明基于所述测量装置的测量方法采用的技术方案是采用如下步骤： 
1）中间转子旋转每旋转电角度 时，M个霍尔开关电路输出高低电平信号中会有一个发生跳变，在一个电周期内获得2M个霍尔位置信号，利用DSP的软件程序计算得到中间转子相对定子的角位移
Figure DEST_PATH_524864DEST_PATH_IMAGE002
；
2）通过增量式光电编码器测量内转子相对定子的角位移
Figure DEST_PATH_121937DEST_PATH_IMAGE002
， 
3）计算中间转子相对内转子的位置角度
Figure DEST_PATH_921265DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure DEST_PATH_913492DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明与现有技术相比，具有如下优点： 
（1）现有的检测装置采用的是旋转变压器，虽然精度高但成本也相对较高，本发明采用增量式光电编码器实现内转子相对于定子的位置测量，采用霍尔位置传感器实现中间转子相对于定子的位置测量，采用霍尔位置传感器代替现有测量方法中的旋转变压器，由于旋转变压器输出的是模拟信号，后续的信号调理、解码、求差电路等也使检测系统复杂程度提高。
（2）采用霍尔位置检测装置和增量式光电编码器检测转子角位移，提高了整套检测装置的性价比，检测装置输出的是离散的位置信号，使后续的信号调理电路简单化，对于双凸极式双转子电机而言，检测精度也满足驱动控制的要求。 
附图说明
图1为本发明提供的双凸极式双转子电机的转子位置测量装置总体安装示意图； 
图2为图1中放大的霍尔位置检测装置1-1的组件霍尔开关电路2-2和磁环的安装图；
图3为图2中霍尔开关电路2-2的输出信号与中间转子位置角度关系图；
图4为图2中霍尔开关电路2-2的输出信号调理电路图；
图5为霍尔开关电路输出信号跳变状态与中间转子位置角度对应关系表；
图6为图1中增量式光电编码器1-2输出内转子位置信号的接收电路图；
图7为图1中增量式光电编码器1-2输出内转子位置信号的波形图以及经倍频处理后的信号波形图；
图中，1-1. 霍尔位置检测装置；1-2. 增量式光电编码器；1-3. 中间转子转轴；1-4. 内转子转轴；2-1. N-S交替排列磁环；2-2. 霍尔开关电路芯片。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。 
由于双凸极式双转子电机的中间转子和内转子同为旋转部件，因此两个转子的相对位置无法直接由现有的传感器测得，因此本发明选用霍尔位置传感器和增量式光电编码器的组合，完成对两个转子相对角位移的测量。 
参见图1，电机的中间转子的位置传感器采用霍尔位置检测装置1-1。内转子的位置传感器采用增量式光电编码器1-2，增量式光电编码器1-2安装在内转子转轴1-4上。 
参见图1-2，霍尔位置检测装置1-1包括霍尔开关电路2-2和配套使用的N-S交替排列的磁环2-1。选取霍尔开关电路的数目等于电机相数，N-S交替排列的磁环2-1中，选取磁环2-1对数等于转子级数。对于不同相数、极数的电机和不同的精度要求，只需要更换相应的霍尔开关电路数目和磁环对数即可。参见图2，将霍尔位置检测装置1-1中的M个霍尔开关电路2-2沿定子的圆周方向均匀安装在定子中，M个霍尔开关电路2-2排布上依次间隔电角度
Figure DEST_PATH_687544DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure DEST_PATH_929170DEST_PATH_IMAGE006
，M为电机的相数。将R对N-S交替排列的磁环2-1套在中间转子转轴1-3上，R为中间转子极数。 
中间转子旋转时，M个霍尔开关电路输出高低电平信号。参见图3，中间转子每旋转电角度
Figure DEST_PATH_673135DEST_PATH_IMAGE001
时，霍尔开关电路输出的高低电平信号Position1，2…M中就会有一个发生跳变，一个电周期内，可获得2M个精准的霍尔位置信号。 
为了让霍尔开关电路2-2输出的高低电平信号翻转的更加迅速，将霍尔开关电路2-2输出的高低电平信号Position1，2…M输入信号调理电路，参见图4，图中VDD是霍尔位置传感器1-1的供电电源，R1是为霍尔开关电路2-2接的上拉电阻，C1和C2均为滤波电容。Position1，2…M是霍尔传感器出来的位置信号，经过施密特触发器的两个反相器整形后输出信号Cap1，2…M。 
将信号Cap1，2…M输入DSP的增强捕获模块eCAP的捕获端口ECAP，由DSP捕获中断程序捕获每一次ECAP端口跳变的值，参见图5，查表得出中间转子相对定子的位置，这里下标m表示中间转子middle rotor。通过霍尔位置检测装置1-1测量中间转子相对定子的位置
Figure DEST_PATH_245247DEST_PATH_IMAGE002
。 
中间转子旋转后，在一个电周期内，只能捕获到2M个精准的位置信号，在ECAP端口未发生跳变的时段，中间转子位置角度值则利用DSP的软件程序按照下式计算得到： 
Figure DEST_PATH_974169DEST_PATH_IMAGE007
上式中，
Figure DEST_PATH_521825DEST_PATH_IMAGE008
指中间转子相对定子的角位移，下标m指中间转子middle rotor, 
Figure DEST_PATH_19803DEST_PATH_IMAGE009
指前一次当ECAP端口发生跳变时刻由查表所得的精准中间转子位置值，
Figure DEST_PATH_645911DEST_PATH_IMAGE010
指在得到精准位置值后计算所得的中间转子相对定子的旋转角速度，
Figure DEST_PATH_947896DEST_PATH_IMAGE011
指中间转子位置计算的频率，由DSP中EPWM4周期寄存器设置得到。由于计算所得位置信号可以及时修正，因此精度完全满足双凸极式电机的驱动控制要求。
通过增量式光电编码器1-2测量内转子相对定子的位置
Figure DEST_PATH_893856DEST_PATH_IMAGE012
，这里下标i表示内转子。测量方法包括：增量式光电编码器1-2在双转子电机中的安装；对增量式光电编码器输出信号的处理。内转子旋转时，光电检测装置输出两组正交脉冲信号A、B和一组定位脉冲信号Z。增量式光电编码器1-2内部集成的四线驱动芯片将A、B、Z三组信号以差分形式输出：SIGA+、SIGA-、SIGB+、SIGB-、SIGZ+、SIGZ-，增加了抗干扰能力。 
参见图6，将增量式光电编码器1-2的六路输出信号SIGA+、SIGA-、SIGB+、SIGB-、SIGZ+、SIGZ-输入四路差分接收器AM26LS32，转为三路信号：QEPA、QEPB、QEPZ。 
参见图7，将三路信号QEPA、QEPB、QEPZ分别输入DSP的增强正交编码脉冲模块eQEP的三个引脚：EQEP1A、EQEP1B、EQEP1I，通过设置增强正交编码脉冲模块eQEP的相关寄存器，可得到不同的倍频处理后的输出信号QCLK信号，提高位置计算精度。 
倍频处理后输出QCLK信号的周期个数可由eQEP模块中的计数器QPOSCNT的值读取，再利用软件程序计算得出内转子相对定子位置的准确角度
Figure DEST_PATH_836404DEST_PATH_IMAGE012
。 
中间转子相对内转子的位置角度
Figure DEST_PATH_743180DEST_PATH_IMAGE003
，由式
Figure DEST_PATH_163797DEST_PATH_IMAGE004
求得。这里下标m-i指中间转子相对内转子。 

Claims (4)

1.一种双凸极式双转子电机两个转子相对位置的测量装置，其特征是：电机的内转子转轴上设有增量式光电编码器，电机的中间转子位置处设有霍尔位置检测装置，霍尔位置检测装置包括霍尔开关电路和由N-S交替排列的磁环，霍尔开关电路的数目等于电机相数M，N-S交替排列的磁环的对数等于电机转子级数R；M个霍尔开关电路沿定子的圆周方向均布于定子中，R对N-S交替排列的磁环套在中间转子转轴上。
2. 一种如权利要求1所述测量装置的测量方法，其特征是采用如下步骤：
1）中间转子旋转每旋转电角度                                               
Figure 2012105171731100001DEST_PATH_IMAGE002
时，M个霍尔开关电路输出高低电平信号中会有一个发生跳变，在一个电周期内获得2M个霍尔位置信号，利用DSP的软件程序计算得到中间转子相对定子的角位移
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
2）通过增量式光电编码器测量内转子相对定子的角位移
Figure 2012105171731100001DEST_PATH_IMAGE004
， 
3）计算中间转子相对内转子的位置角度
Figure 2012105171731100001DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure 2012105171731100001DEST_PATH_IMAGE008
。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征是：将霍尔开关电路输出的高低电平信号输入信号调理电路整形，将整形后的输出信号输入DSP的捕获端口，由DSP捕获每一次跳变的值。
4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征是：将增量式光电编码器的输出信号输入四路差分接收器转为三路信号，将三路信号分别输入DSP的增强正交编码脉冲模块，通过设置增强正交编码脉冲模块的相关寄存器，得到不同的倍频处理后的输出信号。
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