CN103516167B - 具有转子位置传感器的内转子型永磁电机、转子位置检测方法及伺服电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有转子位置传感器的内转子型永磁电机、转子位置检测方法及伺服电机系统，该电机包括4N个作为位置检测用的传感器绕组，其中N为＞0的整数，所述定子中至少有4N个突极分别绕有传感器绕组，所述4N个传感器绕组分为2组，每组的传感器绕组分为上段绕组和下段绕组，上段各绕组串联连接，下段各绕组串联连接，每组上段绕组串联后的合成电感的基波相位与下段绕组串联后的合成电感的基波相位相差180度彼此串联，2组绕组的各上段绕组电感的基波相位彼此相差90度，2组传感器绕组相并联，其并联接点为励磁信号输入端；2组绕组的各上段绕组与下端绕组的串联接点为位置信号的输出端。该伺服电机能够实现高温、高振动环境下的转角检测。

Description

具有转子位置传感器的内转子型永磁电机、转子位置检测方法及伺服电机系统

技术领域

本发明涉及伺服电机的转子位置角检测技术，具体涉及内转子型永磁电机转子位置的检测技术。

背景技术

目前对伺服电机的转子位置角检测主要利用光学编码器或旋转变压器的方式进行检测，这两种方式在实际的应用中都存在缺陷和不足：

1、光学编码器方式:该方式需要将光学编码器安装在电机的后面轴上，以便实现转子角度检测。但光学编码器由于用光学器件和半导体器件等构成，在高温环境下使用时半导体元件寿命变短可靠性差。同时，在强振动场合使用时，光学器件容易损坏、导致检测功能失效。并且由于电机后端装有编码器，很难实现电机的薄型化。

2、旋转变压器方式:该方式需要将旋转变压器安装在电机的后面轴上，以此实现转子角度检测。但旋转变压器有6条引线使接线增多，并且需要安装在电机的后部，很难实现电机的薄型化。

发明内容

本发明针对现有伺服电机的转子位置角检测所存在的问题，而提供一种具有转子位置传感器的内转子型永磁电机。该伺服电机能够实现高温、高振动环境下的转角检测，并减少接线数，可靠性更高。

同时基于该伺服电机，本发明还提供一种内转子型永磁电机转子位置的检测方法和利用本发明电机转角检测原理构成伺服电动机系统。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

具有转子位置传感器的内转子型永磁电机，包括转子以及定子，所述转子安置在定子内部，所述永磁电机还包括4N个作为位置检测用的传感器绕组，其中N为＞0的整数，所述定子中至少有4N个突极分别绕有传感器绕组，所述4N个传感器绕组分为2组，每组的传感器绕组分为上段绕组和下段绕组，上段各绕组串联连接，下段各绕组串联连接，每组上段绕组串联后的合成电感的基波相位与下段绕组串联后的合成电感的基波相位相差180度彼此串联，2组绕组的各上段绕组电感的基波相位彼此相差90度，2组传感器绕组相并联，其并联接点为励磁信号输入端；2组绕组的各上段绕组与下端绕组的串联接点为位置信号的输出端。

在永磁电机的优选实例中，所述永磁电机还包括3K个作为产生电磁转矩的转矩绕组，其中K为＞0的整数，所述定子上未绕有传感器绕组的突极中，至少3个突极上分别绕有转矩绕组，所述3K个转矩绕组分为3组，每组的绕组数≥1，3组转矩绕组的反电势彼此相差120度电角度，以三相星形或三角形相接。

进一步的，所述转子由永久磁钢、软磁材料磁轭及转轴构成，所述转子磁极沿转子外圆表面或嵌入转子中均匀分布，极性交替排列，永磁极对数为P≥2的整数，所述磁钢为瓦片型或环形。

进一步的，所述定子上的突极沿定子内圆放射状分布，各突极形状不一定相同。

基于上述内转子型永磁电机，本发明提供的内转子型永磁电机转子位置的检测方法，包括如下步骤：

（1）将内转子型永磁电机中定子上的4N个传感器绕组相互连接形成的励磁信号输入端接到高频励磁电源，传感器绕组相互连接形成的位置信号输出端输出位置信号；

（2）根据如下公式进行反正切运算处理后可得到转子位置角θ_m，

其中V₁₂和V₃₄为传感器绕组输出的位置信号。

利用本发明电机转角检测原理构成伺服电动机系统，其包括：

基于上述方案形成的具有转子位置传感器的内转子型永磁电机、励磁信号及位置信号处理单元、以及控制电路及功放电路单元，所述永磁电机输出轴连接控制对象，励磁信号及位置信号处理单元产生励磁信号供给永磁电机的传感器绕组的励磁信号输入端,传感器绕组的位置信号输出端输出位置信号，并输入到励磁信号及位置信号处理单元；

励磁信号及位置信号处理单元利用公式：

${\mathrm{\θ}}_m=\frac{1}{10}\·{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{V_{12}}{V_{34}}\right)$

对信号进行处理得到电动机的转子位置角并输出给控制电路及功放电路单元；

控制电路及功放电路单元中，控制电路将运行指令与转子角度信息比较，利用对偏差值的比例积分微分等控制规律来调节电机的电压或电流使上述偏差值减小，实现控制对象追随运行指令的运行。

基于上述方案形成的内转子型永磁电机，无需使用光学编码器和旋转变压器，通过在电机中设置转子角度检测功能绕组，将转角检测功能与电机转矩功能集于一体的新结构电机。

由于电机内部没有半导体及光学器件，与光学编码器比，其可以在高温高振动环境下实现转角检测，能构成可靠性更高的伺服系统；与电机后部加旋变或编码器结构相比，可实现轴向长度极短的伺服电机。

本发明中，检测位置用引线与旋变的6根相比，减少两根，配线减少可靠性提高。

本发明可应用于工业控制、机器人、航空航天、战车等高温及强振动环境的伺服控制机构及系统，以及低惯量超薄型伺服电机系统。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本实例中P=5,N=1,转矩突极数为12时的电机结构中定子的结构示意图；

图2为本实例中P=5,N=1,转矩突极数为12时的电机结构中转子的结构示意图；

图3为图1所示实例中定子上传感器绕组连接的等效电路图；

图4为图1所示实例中相应的电势矢量图；

图5为转角位置检测构成原理图；

图6为伺服电动机系统。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明提供的内转子型永磁电机，即转子在定子内部的永磁电机，其主要包括转子和定子。

参见图2，转子100由永久磁钢101，软磁材料磁轭102及转轴103构成。转子磁极沿转子外圆表面(或嵌入转子中)均匀分布，极性交替排列，磁钢为瓦片型或环形，永磁极对数为P≥2的整数。

参见图1，定子200由硅钢片等软磁材料及线圈构成，定子具有突极,突极沿定子内圆放射状分布,各突极形状不一定相同。

为了能够实现电机转角的检测，本发明在电机的定子上绕有4N个作为位置检测用的传感器绕组以及3K个作为产生电磁转矩的转矩绕组，其中N、K为＞0的整数。

在上述定子中，至少有4N个突极分别绕有作为位置检测用的传感器绕组，这里N为大于0的整数，上述4N个传感器绕组分为2组，每组的传感器绕组分为上段绕组和下段绕组，上段各绕组串联连接，下段各绕组串联连接，每组上段绕组串联后的合成电感的基波相位与下段绕组串联后的合成电感的基波相位相差180度彼此串联，2组绕组的各上段绕组电感的基波相位彼此相差90度，2组传感器绕组相并联，其并联接点为励磁信号输入端，2组绕组的各上段绕组与下端绕组的串联接点为位置信号的输出端。

其余没有绕传感器绕组的突极中，至少有3个突极上绕有作为产生电磁转矩的转矩绕组，这些转矩绕组分为3组，每组的绕组数大于或等于1，3组绕组的反电势彼此相差120度电角度，接成三相星形或三角形。

基于上述方案，本发明的具体实施如下：

作为举例，该实例以P=5，N=1，转矩突极数为12的内转子型永磁电机进行说明。

参见图1，本实例中共在定子上绕有4N个传感器绕组，N=1，即4个传感器绕组。具体的绕制方式如上所述，此处不加以赘述。

由此绕制的传感器绕组，其电感特性如下:

图3为4个传感器绕组绕制后的等效电路图，其中L1、L2、L3、L4为传感器绕组，彼此连接成桥式电路。

电感L1、L2、L3、L4随转子角度θ_m的变化分别为

L1=L0+Lmsin(10θ_m)(1)

L2=L0+Lmsin(10θ_m-180)(2)

L3=L0+Lmcos(10θ_m)(3)

L4=L0+Lmcos(10θ_m-180)(4)

其中L0为电感的直流分量、Lm为电感的基波分量。

本实例中，设有12个转矩绕组，分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12，根据转矩绕组的绕制要求，这12个转矩绕组分为3组（如图4所示）：

第1组由T1、T4、T7、T10绕组构成,它们的反电势同相位，彼此串联连接，构成U相电势Vu。

第2组由T2、T5、T8、T11绕组构成，它们的反电势同相位，彼此串联连接，构成V相电势Vv。

第3组由T3、T6、T9、T12绕组构成，它们的反电势同相位，彼此串联连接，构成W相电势Vw。

上述U、V、W相电势的相位彼此相位相差120度、构成3相对称永磁交流电动机系统，具体的电势矢量图如图4所示。

基于上述电机结构，其转子角度检测过程如下：

由图3可知，4个传感器绕组彼此连接成桥式电路中，X1-X2端为励磁信号输入端，而Y1-Y2端为位置信号的输出端。

参见图5，在检测时，将X1-X2端接到频率为几千Hz以上的高频励磁电源e，将桥式电路的Y1-Y2端的信号电压接到位置信号处理单元300，经位置单元处300可的到转子的位置角θ_m。

其中，高频励磁电源e将为X1-X2端提供供高频交流或高频脉冲作为励磁信号。

在本实例中，作为举例，以励磁信号电压e=e_msin(ωt)，来说明位置检测的过程。这里e_m为励磁信号电压的幅值，ω为励磁信号的角频率，t为时间。

因为频率高可忽略电阻的影响，本发明利用式(1)、(2)、(3)、(4)通过简单的计算可得到传感器绕组输出的位置信号V₁₂和V₃₄：

$V_{12}=-\frac{L_m}{2L_0}\·e_m\·\sin (10\·{\mathrm{\θ}}_m)---\left(5\right)$

$V_{34}=-\frac{L_m}{2L_0}\·e_m\·\cos (10\·{\mathrm{\θ}}_m)---\left(6\right)$

其中L0为电感的直流分量，Lm为电感的基波分量，e_m为励磁信号电压的幅值。

根据式(5)、(6)可得转子角度θ_m：

${\mathrm{\θ}}_m=\frac{1}{10}\·{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{V_{12}}{V_{34}}\right)---\left(7\right)$

由此可知，将桥式电路的输出信号V₁₂和V₃₄输入到位置信号处理单元300，在位置信号处理单元中利用通常的模拟信号处理或数字信号处理方式进行式(7)的反正切运算处理后既可得到转子位置角θ_m。

由此形成的永磁电机，其无需使用光学编码器和旋转变压器，通过在电机中设置转子角度检测功能绕组，将转角检测功能与电机转矩功能集于一体的新结构电机。

再者，其检测位置用引线，针对作为输入端的X1-X2端和输出端的Y1-Y2端，只需四根，与旋变的6根相比，减少两根，配线减少可靠性提高。

参见图5，其所示为利用本发明电机转角检测原理构成伺服电动机系统，该系统中电动机400输出轴连接控制对象500，由励磁信号及位置信号处理单元300产生励磁信号e供给电机的传感器绕组线端X1-X2,传感器绕组的输出信号V₁₂和V₃₄经Y1-Y2线端输入到励磁信号及位置信号处理单元300。

在励磁信号及位置信号处理单元300中,利用式(7)对信号进行处理得到电动机的转子位置角θ_m并输出给控制电路及功放电路单元600。

在控制电路及功放电路单元600中，控制电路将运行指令与转子角度信息比较，利用对偏差值的比例积分微分等控制规律来调节电机的电压或电流使上述偏差值减小,实现控制对象追随运行指令的运行。

其中位置信号处理单元可以由模拟电路构成,也可将其进行A/D变换后由单片机或DSP等数字电路构成。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.具有转子位置传感器的内转子型永磁电机，包括转子以及定子，所述转子安置在定子内部，其特征在于，所述永磁电机还包括4N个作为位置检测用的传感器绕组，其中N为＞0的整数，所述定子中至少有4N个突极分别绕有传感器绕组，所述4N个传感器绕组分为2组，每组的传感器绕组分为上段绕组和下段绕组，上段各绕组串联连接，下段各绕组串联连接，每组上段绕组串联后的合成电感的基波相位与下段绕组串联后的合成电感的基波相位相差180度彼此串联，2组绕组的各上段绕组电感的基波相位彼此相差90度，2组传感器绕组相并联，其并联接点为励磁信号输入端；2组绕组的各上段绕组与下端绕组的串联接点为位置信号的输出端。

2.根据权利要求1所述的具有转子位置传感器的内转子型永磁电机，其特征在于，所述永磁电机还包括3K个作为产生电磁转矩的转矩绕组，其中K为＞0的整数，所述定子上未绕有传感器绕组的突极中，至少3个突极上分别绕有转矩绕组，所述3K个转矩绕组分为3组，每组的绕组数≥1，3组转矩绕组的反电势彼此相差120度电角度，以三相星形或三角形相接。

3.根据权利要求1所述的具有转子位置传感器的内转子型永磁电机，其特征在于，所述转子由永久磁钢、软磁材料磁轭及转轴构成，所述转子磁极沿转子外圆表面或嵌入转子中均匀分布，极性交替排列，永磁极对数为P≥2的整数，所述磁钢为瓦片型或环形。

4.根据权利要求1或2所述的具有转子位置传感器的内转子型永磁电机，其特征在于，所述定子上的突极沿定子内圆放射状分布，各突极形状不一定相同。

5.内转子型永磁电机转子位置的检测方法，其特征在于，所述检测方法基于权利要求1至4中任一项所述的具有转子位置传感器的内转子型永磁电机进行，包括如下步骤：

(1)将内转子型永磁电机中定子上的4N个传感器绕组相互连接形成的励磁信号输入端接到高频励磁电源，传感器绕组相互连接形成的位置信号输出端输出位置信号；

(2)根据如下公式进行反正切运算处理后可得到转子位置角θ_m，

其中V₁₂和V₃₄为传感器绕组输出的位置信号。

6.伺服电动机系统，其特征在于，所述系统包括：权利要求1至4中任一项所述的具有转子位置传感器的内转子型永磁电机、励磁信号及位置信号处理单元、以及控制电路及功放电路单元，所述永磁电机输出轴连接控制对象，励磁信号及位置信号处理单元产生励磁信号供给永磁电机的传感器绕组的励磁信号输入端,传感器绕组的位置信号输出端输出位置信号，并输入到励磁信号及位置信号处理单元；

励磁信号及位置信号处理单元利用公式：

${\mathrm{\θ}}_m=\frac{1}{10}\·{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{V_{12}}{V_{34}}\right)$

对信号进行处理得到电动机的转子位置角并输出给控制电路及功放电路单元；

控制电路及功放电路单元中，控制电路将运行指令与转子角度信息比较，利用对偏差值的比例积分微分等控制规律来调节电机的电压或电流使上述偏差值减小，实现控制对象追随运行指令的运行。