CN103222168B - 一种伺服电机和伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

一种伺服电机和伺服控制系统，其中伺服电机包括定子（1）、转子以及线性霍尔元件（2）和开关霍尔元件（3），线性霍尔元件（2）和开关霍尔元件（3）之间的电角度为90度，伺服电机还包括反电动势检测线圈（4）；伺服控制系统包括伺服控制器和伺服电机，线性霍尔元件（2）、开关霍尔元件（3）和反电动势检测线圈（4）输出的数据进入到伺服控制器中。该伺服电机和伺服控制系统仅采用一种线性霍尔传感器（2）和一个开关霍尔元件（3）来检测电机的位置，并且霍尔元件的布置与电机绕组下线方式、电机的技术、电机的槽数无关，对安装精度、电枢反应都不敏感，因此成本很低。

Description

一种伺服电机和伺服控制系统

技术领域

本发明涉及一种伺服电机，更具体地说，涉及一种伺服电机和伺服控制系统。

背景技术

传统的永磁电机、集中绕组永磁电机可能采用独立的位置传感器，例如旋转变压器(resolver)或光电编码器，不仅成本高，且安装困难。在电动自行车、电动摩托车中，为了降低成本，通常直接在电机定子上安装3个开关霍尔或3-4个线性霍尔来构成简易位置传感器，来实现电机换相或位置检测。这种方法中要求霍尔安装位置十分精确，因为当电机极对数P很大时，机械安装的精度需要提高P倍，且安装的位置与电机绕组下线方式、电机的极数、电机的槽数都有关系，特别是电机的电枢反应对位置检测有±3-5°的影响，因此这种简易位置传感器位置检测的偏差都在±3-10°左右，长期阻碍电机及控制器的生产和发展。

传统的永磁电机、伺服永磁电机可能采用独立的位置传感器，例如旋转变压器(resolver)或光电编码器，但成本高且安装困难。在电动自行车、电动摩托车中，为了降低成本，通常直接在电机定子上安装3个开关霍尔传感器或3-4个线性霍尔传感器来构成简易位置传感器，来实现电机换相或位置检测。这种方法中要求霍尔传感器的安装位置十分精确，因为当电机极对数P很大时，机械安装的精度需要提高P倍，且安装的位置与电机绕组下线方式、电机的极数、电机的槽数都有关系，特别是电机的电枢反应对位置检测的影响有±3-5°，因此这种简易位置传感器位置检测的偏差都在±3-10°左右，阻碍了电机及控制器生产。

正弦波驱动是电机的发展方向，它需要完整的位置信息，来实现正弦波矢量控制，但正弦波驱动的生产成本高。为了降低成本，目前的控制器还采用通过一种基于预估的180°正弦波驱动方法。它利用U、V、W开关霍尔的电机磁极位置方波信息，采用位置预估方法构建预估的正弦波位置信息，然后实现简易的180°正弦波驱动。简易的180°正弦波驱动在变速过程中的性能很差，可靠性不可能高。

在公告号为CN200972824Y的中国专利中，公开了一种独立的位置传感器，即霍尔旋转变压器，使用四个线性霍尔元件，将180°布置的两个线性霍尔元件的输出电压相减，试图补偿定、转子装配偏心，但由于无法同时补偿径向和切向磁场分量，所以不能起到良好的补偿效果，而且还存在磁极均匀性等问题。对于电动自行车、电动摩托车成本太高，而且独立结构传感器无法安装和被采用。

ZL200820207106.9专利中的霍尔旋转变压器，增加了一个环形软磁铁芯，将三维空间磁场，约束为二维空间磁场，大大改进了装配造成的偏差，但仍需要至少2个90°正交的线性霍尔元件，或3个120°分布的线性霍尔元件，分布精度和线性霍尔元件的一致性都会直接导致霍尔旋转变压器的幅值误差和相位误差，导致位置检测偏差，且多个线性霍尔元件成本较高，而且独立结构无法安装和被采用。

现有独立的霍尔旋转变压器的位置偏差只能达到0.5°～1°左右，而且性价比不够高。另外，现有霍尔编码器无法直接检测旋转的速度，必须再增加Ω=dθ/dt或相应的处理环节。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种伺服电机和伺服控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种伺服电机，包括定子、转子、以及设于所述定子端面上的、用于检测所述转子磁场位置的线性霍尔元件和开关霍尔元件；所述线性霍尔元件和开关霍尔元件均位于所述定子冲片的内圆周面上，所述线性霍尔元件和开关霍尔元件之间的电角度为90°，且所述线性霍尔元件和开关霍尔元件的磁敏感面均与所述转子的磁极表面相对；

在与所述开关霍尔元件对应的定子极上还设有用于检测转子转速的反电动势检测线圈；

所述线性霍尔元件、开关霍尔元件和反电动势检测线圈分别连接至所述私服控制器；当所述定子和转子相对转动时，所述线性霍尔元件、开关霍尔元件和的反电动势检测线圈输出数据进入到所述伺服控制器中。

本发明所述的伺服电机，其中，所述定子冲片第一个绕线槽的槽口设有与所述线性霍尔元件的大小相匹配的线性霍尔槽；所述定子冲片第一个定子极上设有与所述开关霍尔元件大小相匹配的开关霍尔槽；

所述定子冲片线性霍尔槽的中心与所述开关霍尔槽的中心在空间相差90°的电角度；

所述线性霍尔元件位于所述线性霍尔槽中，所述开关霍尔元件位于所述开关霍尔槽中，所述反电动势检测线圈绕于所述定子冲片的第一个定子极上。

本发明所述的伺服电机，其中，所述反电动势检测线圈的电势系数Ke满足以下公式：

Ke=V/n_max，且Ke≤VCC,其中，n_max为电机的最高转速，VCC为所述伺服控制器控制电路的电源电压，V是电势。

本发明所述的伺服电机，其中，该伺服电机在360°电角度范围内的位置和转速的唯一性由以下参数确定：

定义该伺服电机的磁极对数P=N，所述线性霍尔元件的理想输出为V_h=V₀+VsinNθ，所述开关霍尔元件的理想输出为V_k=±Sig∣sinN(θ+90°)∣，所述反电动势检测线圈的理想输出为Ve=ΩKsinNθ，所述反电动势检测线圈的符号函数为±Sig∣Ve∣，其中，N为大于或等于1的自然数，Ω为该伺服电机的转速。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案为：构造一种伺服控制系统，包括伺服控制器和如上述所述的伺服电机，所述伺服控制器包括转角变换电路、速度变换电路和Id、Iq矢量控制模块，所述Id、Iq矢量控制模块通过交轴电流Iq来控制所述伺服电机的力矩和速度，通过直轴电流Id来扩大电机的速度范围；

所述转角变换电路与所述伺服电机的线性霍尔元件、开关霍尔元件和反电动势检测线圈连接，包括用于将所述线性霍尔元件输出的正弦波模拟输出电压转换成数字量的A/D转换模块，经所述A/D转换模块所得的数字量通过所述开关霍尔元件提供的符号函数来区分正弦波按90°为周期的多值性，利用所述反电动势检测线圈的符号函数±Sig∣Ve∣确定转角和速度的方向，最后通过所述伺服控制器的控制核心运算获得具有唯一性的数字量位置信号；所述速度变换电路包括用于将所述反电动势检测线圈的理想输出转换成模拟量或数字量的速度输出信号的信号滤波器或A/D转换模块。

本发明所述的伺服控制系统，其中，所述伺服控制器的控制核心为数字信号DSP或单片机MCU。

本发明所述的伺服控制系统，其中，所述伺服控制器的控制核心为现场可编程门阵列FPGA或专用集成电路ASIC。

本发明所述的伺服控制系统，其中，所述伺服电机为磁极对数P=3，槽数S=9的内转子电机。

本发明所述的伺服控制系统，其中，所述伺服电机为磁极对数P=23，槽数S=51的外转子轮毂电机。

实施本发明的伺服电机和伺服控制系统，具有以下有益效果：本发明仅采用一个线性霍尔传感器和一个开关霍尔传感器检测电机的位置，并同时采用一个反电动势检测线圈检测电机的速度；且霍尔元件的布置与电机绕组下线方式、电机的极数、电机的槽数都无关，对安装精度、电枢反应都不敏感，成本很低，且原理上不会产生相位误差和幅值差。伺服控制系统利用获得的精确的位置和速度信息，通过交轴电流Iq来控制电机的力矩和速度；通过直轴电流Id控制来扩大电机的速度范围。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明伺服电机优选实施例中当P=3，S=9的结构示意图；

图2是本发明伺服电机优选实施例中当P=23，S=51的结构示意图；

图3是本发明伺服电机优选实施例中线性霍尔元件、开关霍尔元件和反电动势检测线圈的输出波形图；

图4是本发明伺服控制系统优选实施例中伺服控制器的电路原理框图；

图5是本发明伺服控制系统优选实施例中图4的转角输出数字量图；

图6是本发明伺服控制系统优选实施例中的数字和模拟量转速输出图；

图7是本发明伺服控制系统优选实施例中当伺服控制器的控制核心采用FPGA和ASIC时的电路构成图；

图8是本发明伺服控制系统优选实施例图7中的转角输出数字量图；

图9是本发明伺服控制系统优选实施例的原理图。

具体实施方式

如图1和图2所示，在本发明的优选实施例中，该伺服电机，包括定子1、转子以及设于定子1端面上的、用于检测转子磁场位置的线性霍尔元件2和开关霍尔元件3。将线性霍尔元件2和开关霍尔元件3设于定子1的端面是为了方便引线。从图中可以看出，线性霍尔元件2和开关霍尔元件3均位于定子冲片的内圆周面上，线性霍尔元件2和开关霍尔元件3之间的电角度为90°，电角度=磁极对数×机械角度，且线性霍尔元件2和开关霍尔元件3的磁敏感面均与转子的磁极表面相对以便定子1和转子相对运动时，线性霍尔元件2和开关霍尔元件3敏感永磁体磁场的位置；

在与上述开关霍尔元件3对应的定子极上还设有用于检测转子转速的反电动势检测线圈4，线性霍尔元件2、开关霍尔元件3和反电动势检测线圈4的引脚均与印制电路板焊接或直接用线引出；此外，该伺服电机还包括伺服控制器，该伺服控制器与线性霍尔元件2、开关霍尔元件3和反电动势检测线圈4连接。当定子1和转子相对转动时，线性霍尔元件2、开关霍尔元件3和的反电动势检测线圈4输出的数据进入到伺服控制器中，伺服控制器再对电机的力矩和速度进行控制。

图1是当伺服电机为极对数P=3，槽数S=9的内转子电机时的结构示意图，当电机以角速度ω=PΩ稳速转动时，θ=ωt，转角是时间的函数，线性霍尔元件2的位置信号V_h=V₀+Vsin3θ,其中正弦波量：Vsin3θ=Vsin3ωt，而电机的U相反电动势eA(t)=e1(t)+e4(t)+e7(t)，其中e1(t)，e4(t)，e7(t)分别是U相绕组绕在j1、j4、j7三个定子极上的反电动势，U相反电动势eA(t)=e1(t)+e4(t)+e7(t)=3e1(t)=3Vmsin3ωt，U相反电动势eA(t)与e1(t)的相位相同，由于线性霍尔元件的位置在e1(t)所在的定子极的槽中，所以，线性霍尔元件的位置信号Vh与U相反电动势同相位，这为控制器提供了方便。

图2是当伺服电机为极对数P=23，槽数=51的外转子电机时的结构示意图，当电机以角速度ω=PΩ稳速转动时，θ=ωt，转角是时间的函数，线性霍尔元件的位置信号Vh=V0+VsinPθ,其中正弦波量：VsinPθ=VsinPωt，而电机的U相反电动势：eA(t)=e1(t)-e2(t)+e3(t)-e4(t)+e12(t)-e13(t)+e14(t)+e22(t)-e23(t)+e24(t)+e32(t)-e33(t)+e34(t)+e42(t)-e43(t)+e44(t)-e45(t)=VmsinP(θ+φ)，U相反电动势由17个极上的反电动势串联而成，由于每个极的相位不同，串联后，U相反电动势eA(t)与e1(t)的相位不同，存在一个固定的相位差φ，相位差φ可以测量出来或由上式计算出来，本实施例的电角度相位差φ=190.5883°=-10.5883°。可以通过软件或硬件方法对相位差进行偏置，偏置后使U相反电动势与线性霍尔元件的位置信号Vh同相位，以便方便控制器。

进一步地，为了保证机械安装精度，定子冲片第一个绕线槽的槽口与线性霍尔元件2的大小相匹配的线性霍尔槽，而定子冲片第一个定子极上设有与开关霍尔元件大小相匹配的开关霍尔槽，且当该伺服电机为内转子电机时，开关霍尔槽位于定子冲片的内圆周面上，而当该伺服电机为外转子轮毂电机时，开关霍尔槽位于定子冲片的外圆周面上线性霍尔元件2位于前述的定子冲片的线性霍尔槽中，而开关霍尔元件则位于开关霍尔槽中，反电动势检测线圈4绕于定子冲片的第一个定子极上，其引脚可以直接用线索引出。可以理解的，所述线性霍尔槽的中心应当与所述霍尔槽的中心在空间相差90°的电角度。

进一步地，上述反电动势检测线圈4的电势系数Ke满足以下公式：

Ke=V/n_max，且Ke≤VCC,其中，n_max为电机的最高转速，VCC为所述伺服控制器控制电路的电源电压，V是电势。在本发明的优选实施例中，取V=5V，n_max=1500rpm,VCC=5V。

进一步地，定义该伺服电机的磁极对数P=N，线性霍尔元件2的理想输出为V_h=V₀+VsinNθ，开关霍尔元件3的理想输出为V_k=±Sig∣sinN(θ+90°)∣，反电动势检测线圈4的理想输出为Ve=ΩKsinNθ，反电动势检测线圈4的符号函数为±Sig∣Ve∣，其中，N为大于或等于1的自然数，Ω为该伺服电机的转速。如果取n=3，则线性霍尔元件2、开关霍尔元件3和反电动势检测线圈4的输出波形图如图3所示。

如图4所示，在本发明的另一具体实施例中，一种伺服控制系统，包括伺服控制器和上述的伺服电机，该伺服控制器包括转角变换电路、速度变换电路和Id、Iq矢量控制模块，Id、Iq矢量控制模块能够通过交轴电流Iq来控制所述伺服电机的力矩和速度，通过直轴电流Id来扩大电机的速度范围。其中，转角变换电路包括用于将线性霍尔元件2输出的正弦波模拟输出电压转换成数字量的A/D转换模块，经A/D转换模块所得的数字量通过开关霍尔元件3提供的符号函数来区分正弦波按90°为周期的多值性，利用反电动势检测线圈4的符号函数±Sig∣Ve∣确定转角和速度的方向，最后通过伺服控制器的控制核心运算获得具有唯一性的数字量位置信号；速度变换电路包括用于将反电势检测线圈4的理想输出转换成模拟量或数字量的速度输出信号的信号滤波器或A/D转换模块。

该伺服控制器的工作原理为：A/D转换模块将线性霍尔元件2输出的正弦波模拟输出电压转换成数字量，再通过开关霍尔元件3提供的符号函数来区分正弦波按90°为周期的多值性；利用反电动势检测线圈4通过比较器转换成符号函数±Sig∣Ve∣来确定转角和速度的方向，再通过位置确定模块运算获得具有唯一性的数字量位置信号。速度变换电路则利用定子极上的反电动势检测线圈4的理想输出Ve=ΩKsinPθ，经信号滤波器或A/D转换模块转换成数字量，即获模拟量或数字量的速度输出信号Ω。如图5和图6所示，当采用16位A/D转换模块时，速度变换电路将反电动势检测线圈4的理想输出经信号滤波器或A/D转换模块转换成数字量，即获模拟量或数字量的速度输出信号Ω。

优选地，上述伺服控制器的控制核心可以是数字信号DSP或单片机MCU，也可以采用现场可编程门阵列FPGA或专用集成电路ASIC。

图7是当转角变换电路采用的是FPGA和ASIC时的电路结构原理图，在本发明的一个具体实施例中，采用一个10位A/D变换电路，一个12位EPROM；线性霍尔元件2的输出V_h=V₀+Vsinθ经滤波后送至10位A/D变换电路模拟输入端，变换后的10位数字信号D0～D9顺序地接至12位EPROM的A0～A9地址输入端，如图9所示；开关霍尔元件3的理想输出V_k=±Sig∣sinN(θ+90°)∣连接到12位EPROM的A10地址端，反电动势检测线圈4的理想输出Ve=ΩKsinθ，符号函数为±Sig∣Ve∣，连接到12位EPROM的A11地址端；用高精度位置发生装置产生10位分辨率的线性变化的位置，线性霍尔元件2的输出V_h被变换成与之对应的10位数字信号D(D0～D9)，将10位数字信号D(D0～D9)，赋值给12位EPROM的A0～A9地址空间；连同A10地址端的电平来确定V_h的相位，如图3所示，由于A/D变换电路的输出与EPROM输出对应相连，这就将V_h变换成了随位置线性变化的锯齿波数字输出信号，A11地址端的电平用来确定位移和速度的发向。如图8和图9所示，该方法实现的转角变换电路，U相反电动势eA(t)与e1(t)的相位可能存在一个固定的相位差φ，可以通过改变12位EPROM地址空间中的数值，从零地址空间开始，数值上减去相位差φ，进行偏置，偏置后使U相反电动势与线性霍尔元件的位置信号V_h同相位。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种伺服电机，其特征在于，包括定子(1)、转子、以及设于所述定子(1)端面上的用于检测所述转子磁场位置的线性霍尔元件(2)和开关霍尔元件(3)；所述线性霍尔元件(2)和开关霍尔元件(3)均位于定子冲片的圆周面上，所述线性霍尔元件(2)和开关霍尔元件(3)之间的电角度为90°，且所述线性霍尔元件(2)和开关霍尔元件(3)的磁敏感面均与所述转子的磁极表面相对；

在与所述开关霍尔元件(3)对应的定子极上还设有用于检测转子转速的反电动势检测线圈(4)；

所述线性霍尔元件(2)、开关霍尔元件(3)和反电动势检测线圈(4)分别连接至伺服控制器；

所述反电动势检测线圈(4)的电势系数Ke满足以下公式：Ke＝V/n_max，且Ke≤VCC,其中，n_max为电机的最高转速，VCC为所述伺服控制器控制电路的电源电压，V是电势。

2.根据权利要求1所述的伺服电机，其特征在于，所述定子冲片第一个绕线槽的槽口设有与所述线性霍尔元件(2)的大小相匹配的线性霍尔元件槽；所述定子冲片第一个定子极上设有与所述开关霍尔元件(3)大小相匹配的开关霍尔槽；所述定子冲片线性霍尔槽的中心与所述开关霍尔槽的中心在空间相差90°的电角度；

所述线性霍尔元件(2)位于所述线性霍尔槽中，所述开关霍尔元件(3)位于所述开关霍尔槽中，所述反电动势检测线圈(4)绕于所述定子冲片的第一个定子极上。

3.根据权利要求1所述的伺服电机，其特征在于，该伺服电机在360°电角度范围内的位置和转速的唯一性由以下参数确定：定义该伺服电机的磁极对数P＝N，所述线性霍尔元件(2)的理想输出为V_h＝V₀+VsinNθ，所述开关霍尔元件(3)的理想输出为V_k＝±Sig∣sinN(θ+90°)∣，所述反电动势检测线圈(4)的理想输出为Ve＝ΩKsinNθ，所述反电动势检测线圈(4)的符号函数为±Sig∣Ve∣，其中，N为大于或等于1的自然数，Ω为该伺服电机的转速。

4.一种伺服控制系统，其特征在于，包括伺服控制器和如权利要求1-3任一项所述的伺服电机，其中，所述伺服控制器包括转角变换电路、速度变换电路和Id、Iq矢量控制模块，所述Id、Iq矢量控制模块通过交轴电流Iq来控制所述伺服电机的力矩和速度，通过直轴电流Id来扩大电机的速度范围；

所述转角变换电路与所述伺服电机的线性霍尔元件(2)、开关霍尔元件(3)和反电动势检测线圈(4)连接，包括用于将所述线性霍尔元件(2)输出的正弦波模拟输出电压转换成数字量的A/D转换模块，经所述A/D转换模块所得的数字量通过所述开关霍尔元件(3)提供的符号函数来区分正弦波按90°为周期的多值性，利用所述反电动势检测线圈(4)的符号函数±Sig∣Ve∣确定转角和速度的方向，最后通过所述伺服控制器的控制核心运算获得具有唯一性的数字量位置信号；

所述速度变换电路包括用于将所述反电动势检测线圈(4)的理想输出转换成模拟量或数字量的速度输出信号的信号滤波器或A/D转换模块。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述伺服控制器的控制核心为数字信号DSP或单片机MCU。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述伺服控制器的控制核心包括现场可编程门阵列FPGA。

7.根据权利要求4-6任一项所述的伺服控制系统，其特征在于，所述伺服电机为磁极对数P＝3，槽数S＝9的内转子电机。

8.根据权利要求4-6任一项所述的伺服控制系统，其特征在于，所述伺服电机为磁极对数P＝23，槽数S＝51的外转子轮毂电机。