CN106464177A - 检测磁环位置指示器的方位的方法 - Google Patents

Abstract

磁指示环具有磁域之间的一组边界。识别这些边界中的一些或全部。测量和记录要识别的边界之间的角宽度的一组参考测量值。接着，测量那些边界之间的宽度的第二组测量值，并且这些宽度与参考组进行匹配。对宽度进行匹配，识别出边界中的哪些是来自参考组的边界。这使得相对于那些边界记录的其他数据能够被使用。例如，其他数据可能是用于驱动增压器中的压缩机轮的开关磁阻电动机中的边界之间的偏移，以及转子的位置。

Description

检测磁环位置指示器的方位的方法

技术领域

本发明涉及磁环指示器的检测。

背景技术

一些电动机，例如，开关磁阻电动机，的控制电路需要确定转子在旋转时的位置(即，方位)以致驱动电动机的线圈可以在合适的时候通电。以下将描述开关磁阻电动机的操作来说明这一点。

在图1A、1B和2到4中展示了典型的开关磁阻电动机。这个例子具有在定子1上的六个，优选地，均匀间隔的极2和在转子4上的四个，优选地，均匀间隔的极3的组合。在这个例子中，定子的极从定子环5向内突出，该环在定子极之间提供低磁阻材料的路径。

转子由十字形的叠片堆叠形成，并且由低磁阻材料形成。因此，由于将变得显而易见的原因，每个转子极均通过低磁阻路径连接到直径上对置的转子极。因此，如所标记的，极U通过低磁阻路径连接到极U’，并且极V通过低磁阻路径连接到V’。

定子的每个极均缠绕有线圈6，这些线圈成对排布，每对包括位于穿过定子的旋转轴的各直径的相反的两端的线圈。因此在这种情况下，如所标记的，这些对为线圈AA’、BB’和CC’。在同一时间用来自电动机控制电路10的电流(图5)对一对的线圈通电，并且在某种意义上使得一个提供朝向旋转轴的磁场，一个提供远离该轴的磁场。在图中，在线圈上的箭头表示在纸平面的上方的线圈中的电流的方向，虚线箭头表示磁通量。由通电的线圈产生的磁通量和它们各自的极一起通常沿着它们之间的直径排布，接着沿着定子环(在圆周方向上)到达该对的另一个通电线圈。

转子改变在通电的一对定子极之间的空间中的磁场线分布。沿通电的一对定子极之间的直径对齐的转子的直径上对置的一对极所处的转子位置，对于包含了在该对齐的转子极之间的转子的磁路，为具有最小磁阻转子的位置。在于1B中展示了对齐在定子极A和A’之间的转子极U和U’的例子。因此，这样的位置是磁能最小的位置。在未对齐位置，例如，如图1A中，磁通量仍然沿着转子的极之间的低磁阻路径流动，因此该通量从定子的通电的极之间的直径转移，结果是它不得不跨过转子和定子极之间更大的空气间隙，增大磁路的磁阻和磁能。因此，如果转子没有对齐，那么在其上存在转矩，牵引其朝向对齐的位置。

在运行转速，通过对定子线圈对依次充电以牵引转子的极朝向旋转方向来驱动电动机。因此，当例如，转子处在图1A的位置中，并且转子顺时针旋转，以致转子极U和U’接近定子极A和A’时，A和A’的线圈被通电使得U和U’朝向A和A’牵引。当到达U和U’与线圈A和A’对齐的图1B的位置时，A和A’被关闭(图2)，使得转子可以继续旋转，而不会减慢或牵引回到A和A’。这时候，转子极V和V’也接近线圈B和B’的定子极，因此B和B’被通电(图2)从而朝向B和B’在顺时针方向上向前牵引转子极V和V’。

当到达V和V’与线圈B和B’对齐的图3的位置时，B和B’被关闭，使得转子可以继续旋转，而不会减慢或牵引回到B和B’。这时候，转子极U’和U接近线圈C和C’的定子极，因此线圈C和C’被通电从而朝向C和C’在顺时针方向上向前牵引转子极U’和U。

当到达U和U’与C和V’对齐的图4的位置时，线圈C和C’被关闭，使得转子可以继续旋转，而不会减慢或牵引回到C和C’。这时候，转子极V’和V接近定子极A和A’，因此线圈A和A’被通电从而朝向A和A’在顺时针方向上向前牵引转子极V’和V。

当V’和V到达A和A’时，转子已经转动90°，因此，由于转子具有四折旋转对称，其实际上处于图2所示的相同位置，因此重复对线圈B和B’，接着对C和C’，然后对A和A’的通电的循环，从而推进定子到下一个90°，依此类推。

在本领域众所周知的，在转子旋转的特定角度关闭或接通线圈，例如，响应由霍尔效应传感器产生的信号，该霍尔效应传感器应对由安装在转子柄上的磁环提供的改变的磁场。图5展示的定子具有安装在电动机1的转子柄5上的磁传感器环50，该传感器环随着该柄，并因此随着该转子旋转。该传感器环沿着该柄放置，与转子有一定距离，从而避免与电动机自身的磁干扰(由于视图是沿着柄的轴，因此该距离在图中不明显)。该环按照八个扇区被径向磁化，每个扇区以相反的方向磁化。三个霍尔效应传感器51、53、55安装在环50的短距离外，并且相对定子静止。这些传感器环沿着环的圆周的一段分布，在圆周方向上彼此逐步间隔30°。这种组合意味着环的每个N到S的边界(其不同于从S到N的边界的传感器)每隔转子和环的旋转的30°依次穿过传感器，并且接着在90°之后，下一个N-S边界间隔30°再次以相同的顺序穿过它们，依此类推。每次N-S边界穿过传感器51、53、55时，它相关的信号调节电子器件在那时在相应的导体上产生相应的脉冲信号52、54、56(图6)。

图6展示了用于电动机的典型控制电路10。该电路包括在电源20上并联连接的定子线圈对。通过闭合开关21和22对彼此并联连接的线圈A和A’通电，并且类似地，通过闭合开关23和24对线圈B和B’通电，通过闭合开关25和26对线圈C和C’通电。这些开关是由控制电路10操作的，当要对线圈通电时，控制电路10闭合开关。线圈A和A’由其共用的一对开关21和22操作(类似地，每个线圈对B和B’和C和C’具有其自己的共用开关对)，这足以提供上述线圈通电的模式。开关21到26作为，例如，FET或IGBT晶体管提供。由霍尔效应传感器检测转子的位置，有关该位置的信号被传送到控制电路10，控制电路10使用根据该信号确定的位置来确定开关21到26的操作的时序。基本上，开关控制器27响应分别来自霍尔效应传感器51、53、55的脉冲，分别为线圈AA’、BB’和CC’的通电安排时间。然而，控制电路10在许多其他阶段处理来自霍尔效应传感器的信号52、54、56，形成控制回路。

信号52、54、56的使用如下。速度估计器32使用脉冲之间的时间来估计转子的角速度以提供转子速度信号33。控制回路设计为控制电动机的速度由输入信号——速度命令信号35设定，减法器36形成速度命令信号和转子速度信号之间的差值，从而形成速度误差信号37。回路控制器38，例如在这种情况下的比例-积分控制器，使用这个信号来调节电动机的转矩命令39。由电动机施加的转矩和该电动机的稳态速度之间的关系通常单调递增。因此，如果速度误差表明发动机运行得比需要的慢，那么控制器38增大命令的转矩，而如果速度误差表明发动机运行得比命令的快，那么控制器38减小命令的转矩。控制器38还过滤绕控制回路传播的信号以便使回路响应变平滑。

电动机1当然不直接受转矩命令的控制，转矩命令39转换为电动机的开关的控制角度42。这些角度为电动机的开关操作所处的转子的角度，特别是线圈对接通所处的角度、允许线圈对为“自由轮”的角度，以及线圈对关闭所处的角度。开关控制器27根据相关的脉冲52、54或56的时间和由转子速度信号33分发的角度42估计要操作开关的时间。

为了接通线圈，该线圈相关的两个开关都要接通(对于线圈AA’为开关21和22)。在自由轮模式中，将线圈连接至正极的开关(例如，21)被断开，但是电流继续通过二极管循环，在截止角，两个开关都被断开，在线圈中的电流通过另一标记的二极管传递到地，在开关断开之后的短时间内消失。(可选地，对于自由轮模式，可能替代地断开将线圈连接至负极的开关的开关连接，电流继续流过该对的线圈和标记的另一个二极管。在自由轮模式中断开的两个开关可以依次交替，以共同平衡由它们之间的切换消耗的功率)。

由查找表41执行转矩命令信号到这些角度的转换。需要提供所需的转矩的角度取决于转子的速度，因此还向查找表41提供转子速度信号33，从而为转矩和速度提供角度。当电动机连接至它所需的负载上时驱动该电动机时，可以按照经验确定这些角度。

由查找表产生的角度42(通过偏移角度校正器43)传递到开关控制单元27，该开关控制单元相应地以校正的角度42’操作开关。更具体地，开关控制器27使用相应的导体上的脉冲52、54、56为相应的线圈对AA’、BB’、CC’的开关安排时间。根据由控制回路提供的角度42’和转子速度信号计算用于开关的操作的时间的偏移。首先由角度偏移校正器43根据由查找表41提供的那些角度42调整这些角度42’，以考虑到磁环50的N-S边界相对于转子的角位置。在电动机制造结束并且它的磁指示环50置于转子柄上时测量需要的偏移调整(产线结束(End-of-line，EOL)值44)，并且将该偏移调整编程到电动机控制电路10中。该偏移是转子极穿过线圈的定子极(A或B或C)所处的角度和相对于该转子极的N-S边界穿过相对于该线圈的传感器51、53、55所处的角度之间的差值。

在本领域还众所周知的是，对于电动机可以由定子和转子极的其他组合。这些组合具有线圈通电的不同阶段，以便在正方向上保持转子的转矩。定子极和转子极的数量之间的共同关系是定子极的数量比转子极多两个，并且定子极和转子极都为偶数。极的数量的选择通常考虑电动机的运行速度、运行功率、转矩波动(由电动机提供的转矩随着转子的角度的变化)的可接受程度，以及所需的电路。

在本例子中，指示环和相应的霍尔效应传感器提供了只是每90°的定子的位置的指示，由该指示确定其中一个线圈对的运行的整个周期。因此，如果要有效地运行电动机，其需要被准确定位。然而，问题在于，难以制作磁环使得其准确定位在它的磁域之间的边界。

最后注意到，在这样的电动机中，出于平衡转矩的理由，通常对彼此在直径上对置的成对的线圈充电是优选的。

发明内容

根据本发明，提供了一种为具有在不同磁化的扇区之间的一组边界的磁环指示器识别该组的多个边界的所述边界的方法，包括：

在控制电路中为所述多个边界提供所述多个边界中的相邻边界之间的角宽的多个第一测量值；

转动所述磁环指示器以致传感器向所述控制电路指示在所述传感器出所述多个边界的边界发生；

所述控制电路根据指示的所述边界发生计算出所述多个边界中的相邻边界之间的所述角宽度的多个第二测量值，使所述多个第一测量值的所述角宽度与所述多个第二测量值的所述角宽度匹配以提供所述匹配的指示。

所述多个边界可能是在所述磁指示环的不同磁化的扇区之间的全部边界。

所述多个边界可能是所述磁环指示器的不同磁化的扇区之间的具有特定类型的边界，该边界可能是北磁化到南磁化边界或南磁化到北磁化边界中的一个。

控制电路可能根据指示的所述边界发生的次数计算所述角宽度。

可能通过所述电路执行以下步骤一次或多次而执行所述匹配：

在提供的所述角宽度和计算出的所述角宽度之间选择新的对准偏移；

根据选择的所述对准偏移，将提供的所述角宽度中的每一个分别与计算出的所述角宽度比较，直到所述控制电路确定所述比较的结果满足匹配准则。

所述匹配准则可能是每个计算出的角宽度等于提供的所述角宽度从而在一幅度内。

在包括所述控制电路和所述磁指示环的系统的制造过程中可能测量提供的所述角宽度。

在后续的操作中，所述方法还包括：

传感器向所述控制电路指示处于所述传感器的所述多个边界的边界发生；

所述控制电路响应传感器指示以选择如所述匹配的所述指示所指示的为所述边界记录的数据。

本发明还提供了使用本发明的方法操作包括转子和定子的开关磁阻电动机的方法，其中所述磁环指示器固定为随着所述转子旋转。

本发明还提供使用本发明的方法操作包括转子和定子的开关磁阻电动机的方法，其在后续操作中还包括：

传感器向所述控制电路指示在所述传感器处的所述多个边界的发生，

所述控制电路响应传感器指示以选择如所述匹配的所述指示所指示的为所述边界记录的数据，并且使用所述偏移角度来控制所述电动机的定子线圈的运行的时序。

本发明的方法可能与连接以驱动增压器的压缩机轮的开关磁阻电动机一起使用。

附图说明

现在将参照以下附图对本发明的示例进行描述：

图1-4展示了已知的开关磁阻在运行速度下的操作中定子旋转的连续阶段或相位；

图5展示了安装在图1等的电动机上的、同时用在图1等的电动机的第二已知控制电路中和根据本发明的电动机控制电路的例子中的磁位置指示环；

图6为用于图1等的电动机的已知控制电路的电路框图；

图7展示了围绕磁指示环的理想边界位置；

图8展示了围绕磁指示环的现实边界位置的示例；

图9A和9B为在制造结束是记录指示环的N-S边界之间的扇区宽度的方法的流程图；

图10为在服务的使用过程中识别N-S边界的流程图；

图11为图10的详细部分。

具体实施方式

图7展示了围绕磁指示环的理想边界位置，其可能用在上述电动机控制电路中。该环具有均匀和交替分别的8个极(4个北极和4个南极)，以致恰好每90°出现N-S域边界(当该环以一个特定方向穿过霍尔效应传感器时，其与S-N域边界不同)。选择八极环的结果是，理想地，对于四极转子的相应的一个极，每个N-S边界具有相同的角度偏移。

然而，这样准确地位于磁域边界的磁环的制造是昂贵的。在图8中，展示了更现实的极的分布。其具有被分开大于90°的一些N-S域边界和一些被分开小于90°的N-S域边界。然而，上述霍尔效应传感器和控制电路10假设这些N-S边界被准确地90°间隔开。这导致对定子通电的线圈的关闭和开启的定时误差。然而，在制造过程中，通过测量每个N-S边界的角度偏移位置然后提供带有用于每个N-S域边界的单独角度偏移(例如，上述EOL值44)的控制电路，这是可以允许的。然而，这导致另一问题，即，当在运行中使用时，控制电路知道哪个N-S边界是哪个。

一种解决这个问题的方法将是在转子/磁指示环上提供标记一个特定N-S边界的位置的第二种参考标记，该标记接着可以被控制电路10检测。接着，该电路可以计数哪个N-S边界被霍尔效应传感器检测到。然而，这增加了复杂度，其自然增加了成本并且降低了可靠性。

然而，本发明使用现有的霍尔效应传感器(事实上只需要其中一个)设法解决了这个问题。

在制造过程中，测量N-S边界相对彼此的角度位置。图9A展示了这个过程。

在第一步骤(步骤901)中，转子柄被旋转，而磁环固定在其最终位置。在第二步骤(902)中，其中一个霍尔效应传感器用于指示N-S边界的发生，并且记录由连接至转子的柄编码器指示的转子的角度位置。为若干次旋转记录这些，然后用于计算N-S边界之间的扇区的角度宽度。在第三步骤(903)中，每个特定扇区在若干次旋转中采用的角度被平均，从而为每个扇区提供平均角度。在最后的步骤(904)中，N-S边界之间的扇区的平均角度宽度被记录在控制电路10中，以便后续在运行中使用。该记录通过例如，在磁环上产生的按顺序的宽度，表明哪个扇区满足哪个边界。

图9B展示了替代过程。

在第一步骤(步骤901’)中，转子柄设定为以恒定角速度旋转，而磁环固定在其最终位置。在第二步骤(902’)中，其中一个霍尔效应传感器用于指示N-S边界的次数。为若干次旋转记录这些，然后用于计算N-S边界之间的扇区的角度宽度。在第三步骤(903’)中，每个特定扇区在若干次旋转中采用的角度被平均，从而为每个扇区提供平均角度。在最后的步骤(904’)中，N-S边界之间的扇区的平均角度宽度被记录在控制电路10中，以便后续在运行中使用。该记录通过例如，在磁环上产生的按顺序的宽度，表明哪个扇区满足哪个边界。

(用宽度记录的N-S边界的标识与当在由偏移校正器43使用的EOL值44中记录单独的N-S边界偏移时使用的N-S边界的标识相同，或者可以当在由偏移校正器43使用的EOL值44中记录单独的N-S边界偏移时使用的N-S边界的标识相关。)

在运行中，控制电路10使用平均扇区宽度信息来识别哪个N-S边界为穿过霍尔效应传感器的N-S边界，因此当控制电路操作线圈开关时可以应用正确的角度偏移。图10中展示了该过程。

在第一步骤中，电动机被设定为以恒定速度驱动。(这种驱动的完成是假定N-S边界理想地每90°间隔开，但是当控制操作开关21到26开启和关闭定子线圈的时间时，优选地使用测量出的指示环的整体角度位置相对转子之间的偏移。)

在第二步骤中，经过起始于某一任意N-S边界闯过其中特定一个霍尔效应传感器的转子的四次旋转，记录下由该特定的霍尔效应传感器所指示的N-S边界之间的时间。(在这个步骤中只需要其中一个霍尔效应传感。)由于电动机旋转速度是恒定的，因此这些时间与N-S边界之间的扇区的角宽度成比例。

在第三步骤中，验证这些数据。例如，检查扇区宽度是否在规格的+/-8°之间。

在第四步骤中，来自所有四次旋转的相同的N-S边界到N-S边界扇区的时间被平均，从而为所有四个扇区提供平均时间。接着，使用已知的电极的速度将这些时间转换为角度。

在第五步骤中，将那些宽度与为更窄或更宽扇区的相同模式所记录的那些宽度进行匹配。这是使用如图11所示的示例过程确定的，其通过图9的过程在制造结束的时候，将在图10过程的第四步骤中的平均扇区宽度与记录在控制电路10中的平均扇区宽度进行比较。

图11的过程的在准备步骤(未显示)中，为磁扇区宽度的两个测量值之间的可允许差值设定一幅度。其可以是恒定的，或者可以根据在制造结束时和/或在图10的过程中测量到的宽度的变化确定。(另一种可能将是使得该幅度为在制造结束时记录的扇区的最高和最低宽度。)

接着，在第一步骤中，猜测在图10过程中测量的第一扇区是这样的第一扇区：其平均宽度在制造结束时记录。检查这些扇区是否与所述幅度的精确度在宽度上匹配，以及两组中的每个后续扇区是否匹配，得出这是正确的结论。(因此，在决定中，图W、X、Y和Z中的六边形为在运行过程中的宽度，H_i和L_i(其中i为索引1、2、3、4)为在制造过程中测量到的分别在幅度+/-的宽度。

如果第一猜测没有得到确认，那么在第二、第三和第四步骤中，分别做出在图10过程中分别测量出的第二、第三和第四扇区为平均宽度在制造结束时记录的第一扇区的猜测，并且为每个做出类似的检查。因此，在第二步骤中，例如，在图10过程中测量到的第二扇区宽度与在制造结束时记录的第一扇区宽度比较，将第三与第二比较，将第四与第三比较，并且将第一与第四比较，如果所有的比较落入幅度内，那么第二猜测得到确认，并且该过程完成。第三和第四步骤是相同的，但是在图10过程中确定的宽度组和在制造过程结束时记录的宽度组的成员之间的对齐的偏移每次增加一。

由微控制器执行图10和11的过程，该微控制器形成图6的电路的一部分，并且在程序的控制下。微控制器优选地执行图6的电流的其他控制和计算步骤。

这种扇区的匹配允许控制电路10知道哪个N-S边界是哪个。由微控制器产生两个组之间哪个对齐的指示，因此电路具有哪个N-S边界是哪个的指示，并且因此当由霍尔效应传感器52、54、56中的一个检测到特定N-S边界是，可以(根据EOL值44)选择正确的角度偏移来使用。

可能使用匹配两组宽度的其他方法。例如，对于这两组之间的四个可能的宽度对齐，为四个扇区中的每一个产生根据制造的宽度相对测量的宽度的比率，并且选择最佳对齐作为在四个扇区上最为恒定的比率。(如果根据制造和运行的宽度用相同的单位，那么对于对齐的情况对于所有扇区该比率应当适当统一)

本发明特别适用于增压器的开关磁阻电动机，其中，该电动机连接为驱动压缩机轮。这种环境是不友好的，并且需要简单健壮的传感器，如磁指示环。

Claims (13)

1.为具有在不同磁化的扇区之间的一组边界的磁环指示器识别该组的多个边界中的所述边界的方法，包括：

在控制电路中为所述多个边界提供所述多个边界中的相邻边界之间的角宽度的多个第一测量值；

转动所述磁环指示器，以致传感器向所述控制电路指示在所述传感器处所述多个边界的边界发生；

所述控制电路根据指示的所述边界发生，计算出所述多个边界中的相邻边界之间的所述角宽度的多个第二测量值，并且

使所述多个第一测量值的所述角宽度与所述多个第二测量值的所述角宽度匹配，以提供所述匹配的指示。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个边界是在所述磁指示环的不同磁化的扇区之间的全部边界。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个边界是所述磁环指示器的不同磁化的扇区之间的具有特定类型的边界。

4.根据权利要求3所述的方法，所述特定类型的边界是北磁化到南磁化边界或南磁化到北磁化边界中的一个。

5.根据以上任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述控制电路根据指示的所述边界发生的次数计算所述角宽度。

6.根据以上任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述匹配是通过由所述电路一次或多次执行以下步骤而执行的：

在提供的所述角宽度和计算出的所述角宽度之间选择新的对准偏移；

根据选择的所述对准偏移，将提供的所述角宽度中的每一个分别与计算出的所述角宽度比较，直到所述控制电路确定所述比较的结果满足匹配准则。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述匹配准则是：每个计算出的角宽度等于提供的所述角宽度从而在一幅度内。

8.根据以上任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，在包括所述控制电路和所述磁指示环的系统的制造过程中对所提供的所述角宽度进行测量。

9.根据以上任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，在后续的操作中，所述方法还包括：

传感器向所述控制电路指示在所述传感器处的所述多个边界中的边界发生；

所述控制电路响应传感器指示，以选择如所述匹配的所述指示所指示的为所述边界记录的数据。

10.使用权利要求1到9中任意一项所述的方法操作包括转子和定子的开关磁阻电动机的方法，其特征在于，所述磁指示环被固定，以随着所述转子旋转。

11.使用权利要求10的方法操作包括转子和定子的开关磁阻电动机的方法，其特征在于，在后续的操作中，所述方法还包括：

传感器向所述控制电路指示在所述传感器处的所述多个边界的边界发生，

所述控制电路响应这一传感器指示，以选择如所述匹配的所述指示所指示的为所述边界记录的数据，并且使用所述偏移角度来控制所述电动机的定子线圈的运行的时序。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述开关磁阻电动机连接以驱动增压器的压缩机轮。

13.一种方法，其大致如这里参照图10和11所述并且如图10和11所示。