CN108370229A - 基于线性霍耳装置的场定向控制电机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

在所描述的实例中，一种用于永久磁体同步电机PMSM的电机控制系统(800)使用两个线性霍耳装置(801、802)产生指示由一组转子(820)磁体产生的第一磁场分量的强度的第一信号并且同时产生指示由所述转子(820)磁体产生的大致正交于所述第一磁场分量的第二磁场分量的强度的第二信号。基于所述第一信号和所述第二信号计算(807)所述转子(820)的角位置和角速度。基于所述计算出的角位置和角速度产生多个相位信号(809a‑809c)。使用所述多个相位信号(809a‑809c)控制所述电机的多个场绕组中的电流。

Description

基于线性霍耳装置的场定向控制电机驱动系统
技术领域
本文大体上涉及电机驱动系统，且更具体地说，涉及使用垂直布置的线性霍耳装置的电机驱动系统。
背景技术
无刷直流(DC)电动机(BLDC电机、BL电机)也被称作电子整流电机(ECM、EC电机)，其为由DC电力源通过集成的反相器/开关电源供电的同步电机，所述反相器/开关电源产生交流(AC)电信号以驱动电机。在此上下文中，AC不仅暗含正弦波，而且还暗含对波形不具有限制的双向电流。额外传感器和电子装置可控制反相器输出振幅和波形以控制DC总线使用率/效率和频率(即，转子速度)。
首先引入数字电机控制以克服传统的模拟系统在处置漂移、组件老化和由温度导致的变化中遇到的难题。可伸缩软件算法消除与组件有关的容限问题，并且其使开发者能动态地适应环境条件随时间的变化。举例来说，并非仅是能够使风扇电机全开或全关，现在可通过数字实施方案基于系统温度调整风扇速度。另外，系统本身可校准，因此消除对调度常规手动维护的需要。
霍耳传感器归因于低成本、小面积和容易的可积分性而成为中敏感度磁传感器的行业选择。然而，半导体霍耳传感器可遇到由例如失配、掺杂变化和非期望压电效应等非理想因素产生的偏移。被称为“自旋电流”的技术可用以减小所述偏移。
所谓的“霍耳效应”当磁场垂直于电流定向时发生。磁场在垂直于磁场的方向和电流的方向两者的方向上产生跨越导体的电压差，其被称为霍尔电压。通过测量霍尔电压，有可能确定磁场的幅值。典型霍耳传感器通常包含导电材料条带或板，其中电流流过所述板。当板定位于磁场中使得场的分量垂直于板时，在板内在垂直于磁场的方向和电流的方向两者的方向上产生霍尔电压。
使用当前技术产生的半导体霍耳效应传感器通常包含由硅生产的传感元件。这些装置的磁敏感度与用以构建传感元件的材料的电子迁移率μ直接有关。硅通常具有大约1500cm2/(Vs)的电子迁移率。
发明内容
在描述的实例中，用于永久磁体同步电机(PMSM)的电机控制系统使用两个线性霍耳装置产生指示由一组转子磁体产生的第一磁场分量的强度的第一信号并且同时产生指示由转子磁体产生的大致正交于第一磁场分量的第二磁场分量的强度的第二信号。基于第一信号和第二信号计算转子的角位置和角速度。基于计算出的角位置和角速度产生多个相位信号。使用多个相位信号控制电机的多个场绕组中的电流。
附图说明
图1A-1B是实例永久磁体同步电机(PMSM)的说明。
图2-4说明常规水平霍耳效应装置的操作。
图5A、5B和6说明垂直霍耳效应装置的操作。
图7A-7D说明在实例PMSM中处理由垂直和水平霍耳装置提供的信号的结果。
图8是使用垂直线性霍耳传感器的完整电机控制系统的框图。
图9是在实例PMSM中的2D线性霍耳传感器的放置的说明。
图10是说明霍耳装置的电当量的示意图。
图11是说明基于线性霍耳装置的场定向控制电机驱动系统的操作的流程图。
图12说明使用非线性观测器计算速度和角度的过程。
具体实施方式
出于一致性，在各个图中的类似元件由类似的参考数字表示。
永久磁体同步电机(PMSM)可被视为AC感应电机(ACIM)与无刷DC电机(BLDC)之间的十字形件。其具有类似于含有永久磁体的BLDC电机的转子结构。然而，其定子结构类似于其ACIM同类者的定子结构，其中绕组以在机器的空气间隙中产生正弦通量密度的方式构建。PMSM电机具有与BLDC电机相同的绕组结构，但不同的是具有可通过整形转子结构中的永磁体实现的正弦反EMF波形。
然而，不同于其ACIM相关物，PMSM电机在开环标量V/Hz控制下不良地执行，这是因为不存在在瞬变条件下提供机械阻尼的转子线圈。场定向控制(FOC)是与PMSM一起使用的最常用控制技术。因此，转矩波动可极低，与ACIM的转矩波动处于同等水平。然而，与ACIM相比，PMSM电机提供针对其大小的较高功率密度。此益处是由于在使用感应机器的情况下，需要定子电流的部分“感应”转子电流以便产生转子通量。这些额外电流在电机内产生热量。然而，已经通过转子上的永久磁体在PMSM中建立转子通量。
场定向电机驱动系统具有数个已知益处，例如：使每放大器的电机转矩达到最大；改进和简化电机动力学；和提供与梯形驱动相比更平滑转矩产生。其分为以下两类：有传感器和无传感器。“无传感器”驱动系统采用电流和电压测量以及对电机参数和动态模型的了解来估计转子电角度。“有传感器”驱动系统依赖于例如光学编码器或分解器的角度传感器直接测量转轴角度。
无传感器FOC驱动系统提供紧凑解决方案；然而，其可具有起动和低速问题。初始位置检测可为必需的，这是因为难以区分开北极和南极。因此，可需要大量处理。
有传感器FOC驱动系统具有高起动可靠性并且在低速下提供良好转矩产生。在相对于额定速度的低速度下的更好的速度控制是可能的。然而，需要角度传感器。在过去，角度传感器是脆弱且昂贵的。举例来说，光学编码器成本可大于$50。具有角度编码器的有传感器FOC系统与无传感器系统相比可需要更大空间并且需要更多电线和组件。
数字电机控制的一般概念是已知的；参看例如Brett Novak等人2009年6月的“设计高性能和高效功率电机控制系统(Designing High-Performance and Power-EfficientMotor Control Systems)”，其以引用的方式并入本文中。
集成的电机控制器的一般概念是已知的；参看例如Patrick Carner的2012年11月的“针对电机控制系统：C2000TMPiccoloTMF2805x微控制器的增加的集成度、改进的特征集和新软件(Increased integration,improved feature sets and new software formotor control systems:C2000TMPiccoloTMF2805x microcontrollers)”，其以引用的方式并入本文中。
如下文更详细地描述，实例实施例可提供其中空间和成本减到最少的集成式有传感器FOC系统。
图1A是实例永久磁体同步电机(PMSM)100的说明。在此实例中，转子120被配置成在定子110内旋转转轴124。定子110包含在111处指示的一组线圈。转子120包含一组永久磁体，例如南(S)极性磁体121和北(N)极性磁体122。
大部分PMSM使用安装于转子的表面上的永久磁体，例如磁体121、122。此配置使电机在磁性上看起来是“圆形的”，且电机转矩是转子上的磁体与由线圈111形成的定子的电磁体之间的反作用力的结果。此配置使得最佳转矩角度是90度，这可通过在实例FOC应用中将d轴电流调节到零来获得。
图1B说明可由转子120的转子磁体121、122产生的实例磁场。切向场将在如135处所说明的磁体之间是最强的，且在每一磁体的中心处是最弱的。径向场将在如134处所说明的每一磁体的中心处是最强的，且在所述磁体之间是最弱的。轴向场分量(未示出)可平行于转子的旋转轴延伸。
基本上，存在两种类别的霍耳效应传感器。一种类型是“线性”装置，其是指电压的输出线性地取决于磁通量密度。另一类型被称为“阈值”装置，或“数字”装置，其是指在阈值磁通量密度处存在输出电压锐减。在本文中使用线性霍耳传感器产生与即将发生的磁通量成比例的信号。
线性霍耳装置131、132可处于相同位置彼此相邻，以感测转子120上的永久磁体产生的径向和切向磁场。在一些实施例中，霍耳装置131、132可各自封装于单独模块中。在此情况下，其应位于接近于彼此处，使得其感测大致相同位置中的切向和径向场强度以简化信号解译。其还应放置成垂直于彼此以便准确地感测切向和径向磁通量。两个垂直定位的霍耳装置的此配置在本文中被称为“二维”(2D)。
在一些实施例中，两个霍耳装置可制造于同一集成电路裸片上。以此方式，其将位于同一裸片上靠在一起。可形成水平霍耳装置和垂直霍耳装置以产生两个霍耳装置之间的垂直关系。
在另一实施例中，两个霍耳装置可被配置成使得一个霍耳装置对径向磁通量敏感，而另一霍耳装置对轴向磁通量(即大致平行于转子120的轴的通量)敏感。
图2是实例水平霍尔传感器(HS)装置200的说明。图3是HS 200的等角视图。霍尔传感器的一般概念是已知的且在本文中不必详细描述。如上文所提及，“霍耳效应”当磁场垂直于电流定向时发生。磁场在垂直于磁场的方向和电流的方向两者的方向上产生跨越导体的电压差，其被称为霍尔电压。通过测量霍尔电压，有可能确定磁场的幅值。
在此实例中，霍尔传感器元件202可使用已知或稍晚开发的制造技术制造于衬底220上。确定霍耳效应传感器的敏感度的关键因素是高电子迁移率。以下材料尤其适用于霍耳效应传感器：砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)、磷化铟(InP)、锑化铟(InSb)和石墨烯。
形成与元件层202接触的接触区204、206，以提供穿过霍耳元件层的偏压电流210并且感测所得的霍耳效应电压212。
如图2中所说明，霍耳元件202可图案化成传统的十字形状。在其它实施例中，可图案化其它元件形状，例如八边形或大体上八边形、三角形或大体上三角形、四叶形或大体上四叶形，以及圆形或大体上圆形形状。类似地，取决于元件层202的几何形状，可更改接触衬垫204、206以及对应电线的数目以符合给定应用。
在此实例中，霍尔电压212可以由表达式(1)表示。
其中：Ibias＝跨越所述形状的电流；BZ＝垂直于所述形状的磁场；n＝电荷载流子密度；t＝霍耳元件的厚度；且e＝基本电荷。
此设计产生大约300V/AT(伏特/安培*特斯拉)的敏感度。举例来说，将在1mT场中通过100uA的偏压电流产生大约30uV的霍尔电压。沟道电阻可为大约5.7k欧姆。
图3说明在实例感测配置中定位于霍耳元件202上方的磁体230。来自磁体230的以相对于偏压电流210的流动的垂直或略微垂直的方式穿过霍耳元件202的通量线232产生跨越接触件206形成的霍耳效应电压212。
图4是封装在安装于衬底440上的实例表面安装封装中的水平霍耳装置200的说明。举例来说，衬底440可为刚性或柔性印刷电路板。所述衬底可以是任何常用或稍晚开发的用于电子系统和封装的材料，例如：硅、陶瓷、普列克斯玻璃、玻璃纤维、塑料和金属。霍耳装置200被称为“水平”装置，这是因为霍耳元件位置平行于衬底440；此定向使其对来自磁体230的在垂直于衬底440的方向434上移动的磁通量232敏感。
图5A、5B是形成于p型半导体衬底520中的实例垂直霍耳装置500的横截面图。深N阱(dnwell)522可使用已知扩散技术形成于衬底520中。浅P阱(spwell)524可使用已知扩散技术围绕dnwell 522形成以用于隔离。接触件504、505、506可由dnwell 522中的扩散形成。偏压电流510可通过接触件504注入到dnwell 522中并且可通过接触件505收集返回的偏压电流511。可响应于应用于dnwell 522的磁场而跨越接触件506而形成霍尔电压512。
图5B说明偏压电流510如何流动穿过dnwell 522。垂直霍耳装置500对垂直于dnwell 522以及因此衬底520的平面中的磁通量532最敏感。
图6是封装在安装于衬底640上的实例表面安装封装中的垂直霍耳装置500的说明。举例来说，衬底640可为刚性或柔性印刷电路板。所述衬底可以是任何常用或稍晚开发的用于电子系统和封装的材料，例如：硅、陶瓷、普列克斯玻璃、玻璃纤维、塑料和金属。霍耳装置500被称为“垂直”装置，这是因为霍耳元件522位置垂直于衬底640。其对来自磁体630的在平行于衬底640的方向634上移动的磁通量632敏感。
图7A-7D说明在实例PMSM(例如，PMSM 100)中处理由垂直霍耳装置(例如，垂直霍耳装置500)和水平霍耳装置(例如，水平霍耳装置200)提供的信号的结果。一般来说，垂直霍耳装置与水平霍耳装置相比具有较低敏感度。其与水平霍耳装置相比还具有较高残余偏移。
参考图7A，曲线750说明来自线性水平霍耳装置的原始低通经滤波传感器数据，其经对准为对再次参考图1A的转子120的转子磁体121、122产生的径向磁通量敏感。类似地，曲线751说明来自线性垂直霍耳装置的原始经滤波传感器数据，其经对准为对转子120的转子磁体121、122产生的切向磁通量敏感。在这两种情况下，所述曲线在转子120旋转穿过数个电循环时以毫特斯拉(mT)对时间表示磁通量强度。在此实例中，使用相对于彼此定向成90°的两个水平霍耳传感器。这两个传感器具有相同敏感度(V/mT)。所述曲线图指示切向磁场较弱。
在其中使用2D霍尔传感器的另一实例中，将适合于将其对准使得垂直霍尔传感器拾取径向场且水平霍尔传感器拾取切向场，这是因为水平霍尔传感器与垂直霍尔传感器相比通常更敏感。
图7B说明将增益应用于径向磁性曲线750并且将增益应用于切向磁性曲线751以使增益经调整径向曲线752的振幅等于增益经调整切向曲线753的振幅的结果。
图7C说明使用如曲线754所示的增益经调整霍尔传感器数据计算针对转子120的给定旋转速度的角位置(相位)与时间的结果。类似地，曲线755说明使用从光学编码器获得的数据计算转子120的角位置的结果。可使用已知或稍晚开发的算法从传感器数据计算角位置。举例来说，可基于两个场强度信号通过直接计算四象限反正切或使用非线性观测器间接计算角度来确定所述角度。通过表达式(2)说明使用四象限反正切直接计算电角度。
θe＝arctan(Hr,Ht) (2)
其中Hr是径向场强度，且Ht是切向场强度。
图12说明用于使用非线性观测器计算速度和角度的过程。四象限反正切方法对感测到的径向和切向磁性信号中的噪声测量值和谐波较敏感。非线性观测器过程包含充当滤波器的积分器。在此实例中，通过余弦函数1211的输出缩放径向场强度信号1201，同时通过正弦函数1210的输出缩放切向场强度信号1202，且接着在求和器1205中将其组合。函数1206对经缩放的输入(其中所述输入已经乘以比例增益Kp)与所述输入的经缩放的积分(其中所述输入已经积分并且乘以积分性增益Ki)求和。函数1208对所述输入积分以从角速度转译到角位置。
再次参考图7C，在低成本霍尔传感器结果与昂贵光学传感器结果之间基本上不存在差异。
图7D说明随时间的相位误差。在FOC控制系统中，转矩“丢失”与1-cos(θ_err)成比例，其中θ_err是角度测量误差。假设可校正DC误差(归因于机械未对准)，所述误差等效于小于1％的转矩丢失。
图8是使用两个线性霍耳传感器801、802的完整电机控制系统800的框图。电机控制系统800可控制包括具有场绕组的定子810和具有多个永久磁体的转子820的PMSM。
如上文更详细描述，一个线性霍耳装置801可放置成邻近转子820以检测转子820的转子磁体产生的径向磁场。类似地，第二线性霍耳装置802可放置成邻近转子820并且接近于霍耳装置801以便检测转子820的转子磁体产生的轴向或切向磁场。如上文更详细描述，这两个线性霍耳传感器处于相同位置垂直于彼此，以便感测在转子820旋转时或在其静止时由其转子磁体产生的磁场的两个正交分量。
模拟前端(AFE)803、804经连接以接收和缓冲来自两个霍耳装置的传感器数据。缓存的传感器数据接着提供到模/数转换器(ADC)805、806以产生表示正交磁场分量的强度的样本数字流。
角度和速度计算逻辑807接着可处理所述数字流以使用已知或稍晚开发的算法基于角位置的改变计算瞬时角位置和瞬时旋转速度。举例来说，如上文更详细描述，可基于两个场强度信号通过直接计算四象限反正切或使用非线性观测器间接计算角度来确定所述角度。
电机控制器和驱动逻辑808接着可产生针对定子810中的场绕组的相位信号809a-809c。已知或稍晚开发的技术可用以产生相位信号。举例来说，可使用已知的克拉克(Clarke)和帕克(Park)变换。通过使用克拉克变换，可识别直流(Id)和正交(Iq)电流。帕克变换可用以实现Id和Iq电流从静止参考帧到移动参考帧的变换并且控制定子矢量电流和转子通量向量之间的空间关系。在以引用的方式并入本文中的“对TMS320C2xx的克拉克&帕克变换(Clarke&Park Transforms on the TMS320C2xx)”(德克萨斯仪器公司(TexasInstruments)，BPRA048，1997年)中更详细地描述帕克和克拉克变换的操作。
在一些实施例中，线性霍耳装置801、802可封装于单独封装中。AFE 803、804、ADC805、806、角度逻辑807和逻辑控制808可全部提供于单一集成电路(例如可从德克萨斯仪器公司(Texas Instruments)得到的C2000(tm)Piccolo(tm)F2805x微控制器装置)中。
在另一实施例中，线性霍耳装置801、802、AFE 803、804、ADC 805、806、角度逻辑807和逻辑控制808可全部提供于单一集成电路中，使得整个FOC电机控制和驱动系统提供于单一集成电路中。
图9是在实例PMSM 900中的2D阵列中的两个线性霍耳传感器901、902的放置的说明。电机壳体911围绕包含场绕组912的定子。转子920被配置成于壳体911内旋转。端盖914被配置成与电机壳体911配合。端盖914包含轴承支撑件以与转子轴承913配合。
印刷电路板940安装于端盖914上。电机控制器901安装于衬底940上并且包含缓存器、ADC、角度/速度逻辑和关于图8更详细地描述的控制/驱动逻辑。线性霍耳装置901、902安装于衬底940上的使其放置成在PMSM 900的正常操作期间接近于转子920的位置中。线性霍耳装置901可定位成对转子920的转子磁体产生的径向磁通量敏感，而线性霍耳装置902可定位成垂直于霍耳装置901，以便对转子920的转子磁体产生的切向磁通量敏感。
在另一实施例中，线性霍耳装置901和902可制造于包含控制PMSM 900所需的所有的控制和驱动逻辑901的同一集成电路内。以此方式，单集成式微控制器可用以感测转子920的转子磁体产生的磁通量，以便准确地确定转子速度和位置并且产生提供到PMSM 900的场绕组912的相位信号。
在另一实施例中，代替测量径向和切向场，可使用一对垂直布置的霍耳传感器测量在转子末端的轴向和切向末端场。从组合件视角，此配置可更方便。如果使用含有两个霍耳传感器的表面安装封装，那么如前所述将需要水平和垂直传感器。
图10是说明例如水平霍耳装置200或垂直霍耳装置500的霍耳装置的电当量的示意图。在此模型中，假设偏压电流在端口N处注入并且在端口S处移除，且跨越端口W和E测量霍尔电压。存在对偏压电流的有效沟道电阻R1和在霍尔电压路径中的沟道电阻R0。此外，由电阻器R2-R5表示惠斯通电桥电阻效应。通常，即使使用当前技术发展水平的光刻技术和制造工艺，仍不可避免大偏移(归因于惠斯通电桥类型电模型中的电阻器失配)。每一和所有这些电阻效应可随时间和温度变化，从而造成偏移电压漂移。
可使用被称为“自旋电流”的偏压电流补偿技术至少部分地减小偏移。在此技术中，依序提供偏压电流到霍耳元件上的至少两对不同的接触件N、S、E、W。供应的电流的叠加产生霍耳装置中的连续地自旋的电流矢量。通过同时测量对应终端之间的电压，可隔离含有霍尔电压和周期性偏移电压的信号。可通过平均化至少一个周期内的信号来消除偏移电压。
图11是说明基于线性霍耳装置的场定向控制电机驱动系统的操作的流程图。再次参考图1，例如PMSM 100的PMSM的转子磁体可产生取决于参考的取样点具有径向、轴向和切向分量的磁场。在PMSM 100的操作期间，使用两个或更多个垂直线性霍耳装置产生1102指示由PMSM 100的转子产生的正交磁场分量的至少两个信号。举例来说，第一线性霍耳装置可产生指示由包含于电动机100的转子内的转子磁体产生的第一磁场分量的强度的第一信号，而第二线性霍耳装置可同时产生指示由转子磁体产生的大致正交于第一磁场分量的线性霍耳装置的强度的第二信号。举例来说，所述磁场分量中的一个可为径向分量，而第二磁性分量可为切向或轴向分量。
可基于来自线性霍耳装置的信号使用已知或稍晚开发的算法计算1104转子的角位置和角速度。
接着可基于计算出的角位置和角速度使用已知或稍晚开发的算法产生1106多个相位信号。
接着可使用多个相位信号使用已知或稍晚开发的算法控制1108电机的多个场绕组中的电流。举例来说，可使用克拉克和帕克变换产生一组脉宽调制信号，所述脉宽调制信号可组合以形成针对场绕组的正弦、梯形等相位信号。
以此方式，准确且低成本的场定向控制电机驱动系统可提供于不需要任何额外传感器装置或辅助感测磁体的单一集成电路封装中。
本文中说明十字形装置，但可图案化其它元件形状，例如八边形或大体上八边形、三角形或大体上三角形、四叶形或大体上四叶形、圆形或大体上圆形形状。类似地，取决于霍耳元件层的几何形状，可更改接触衬垫和对应电线的数目以符合给定应用。
在一些实施例中，线性霍耳装置可封装于单独封装中。在一些实施例中，线性霍耳装置以及所有缓冲和处理逻辑可封装于单一集成电路中。
虽然本文中描述二维阵列的两个垂直霍耳装置，但其它实施例可包含大于两个霍耳装置。举例来说，可使用三个霍耳装置感测切向、径向和轴向磁通量分量。
虽然本文中描述实例PMSM，但可使用本发明的其它实施例控制其它电机配置，例如其中转子围绕场绕组的配置。可使用其它实施例控制“盘形”样式的电机等。
本发明中描述的技术可以用硬件、软件、固件或其任何组合来实施。举例来说，可在软件中执行角位置和速度确定过程。类似地，可在软件中执行电机控制处理。如果用软件实施，那么所述软件可以在一或多个处理器中执行，所述处理器例如微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)，或数字信号处理器(DSP)。执行所述技术的软件可以初始存储在计算机可读媒体(例如，压缩光盘(CD)、磁盘、磁带、文件、存储器，或任何其它计算机可读存储装置)中，并且在处理器中加载以及执行。在一些情况下，软件还可以在计算机程序产品中出售，所述计算机程序产品包括计算机可读媒体以及用于所述计算机可读媒体的包装材料。在一些情况下，软件指令可以通过可装卸计算机可读媒体(例如，软盘、光盘、快闪存储器、USB密钥)、通过来自另一数字系统上的计算机可读媒体中的传输路径等来分布。
术语“耦合”和其派生词打算意指间接、直接、光学和/或无线电连接。举例来说，如果第一个装置耦合到第二个装置，那么所述连接可以通过直接电连接、通过经由其它装置和连接的间接电连接、通过光学电连接和/或通过无线电连接。
虽然方法步骤可以在本文中按顺序方式呈现并且描述，但是所显示并且描述的步骤中的一或多个可以省略、重复、同时执行和/或按与图中所示的和/或本文中所描述的次序不同的次序执行。因此，实例实施例不限于图中所展示和/或本文中所描述的步骤的特定次序。
在所描述的实施例中可能进行修改，且其它实施例在权利要求的范围内为可能的。

Claims (18)

1.一种用于控制电动机的方法，所述方法包括：
使用第一线性霍耳装置产生指示由包含于所述电动机的转子内的一组转子磁体产生的第一磁场分量的强度的第一信号；
同时使用第二线性霍耳装置产生指示由所述转子磁体产生的大致正交于所述第一磁场分量的第二磁场分量的强度的第二信号；
基于所述第一信号和所述第二信号计算所述转子的角位置和角速度；
基于所述计算出的角位置和角速度产生多个相位信号；和
使用所述多个相位信号控制所述电机的多个场绕组中的电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一线性霍耳装置位于邻近所述转子处，且其中所述第二线性霍耳装置定位成垂直于所述第一线性霍耳装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在计算所述角位置之前归一化所述第一信号和所述第二信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含通过提供对所述第一线性霍耳装置和对所述第二线性霍耳装置的偏压补偿，从所述第一信号和所述第二信号移除偏移。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一霍耳装置和所述第二霍耳装置形成于同一集成电路中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一磁场分量是径向分量且所述第二磁场分量是切向或轴向场分量。
7.一种电机驱动系统，其包括：
多维阵列的至少一第一线性霍耳装置和第二线性霍耳装置；
角度-速度计算逻辑，其经耦合以从所述线性霍耳装置中的每一个接收指示磁场强度的信号；和
电机控制器和驱动逻辑，其经耦合以从所述角度-速度计算逻辑接收角速度信息，具有用于提供多个相位信号以控制电机的多个输出。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第二线性霍耳装置定位成垂直于所述第一线性霍耳装置。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述多维阵列的霍耳装置、所述角度-速度计算逻辑以及所述电机控制器和驱动逻辑全部形成于单一集成电路IC上。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一线性霍耳装置与所述IC的衬底水平地形成，且其中所述第二线性霍耳装置与所述衬底水平地并且与所述第一线性霍耳装置垂直地形成。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一线性霍耳装置与所述IC的衬底水平地形成，且其中所述第二线性霍耳装置与所述衬底垂直地形成。
12.根据权利要求9所述的系统，其进一步包含具有转子和多个场绕组的电机，其中所述多个相位信号耦合到所述场绕组，且其中所述转子包含多个转子磁体。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述IC安装成邻近于所述转子，使得所述至少两个线性霍耳装置可操作以感测所述多个转子磁体产生的变化的磁场强度的至少两个正交分量。
14.一种永久磁体同步电机PMSM，其包括：
定子，其具有多个场绕组，其中多个相位信号耦合到所述场绕组；
转子，其被配置成参照所述定子旋转，所述转子具有多个转子磁体；
电机驱动系统，其经定位以便在所述转子磁体产生的磁场内，其中所述电机驱动系统包含定位成垂直于彼此的第一线性霍耳装置和第二线性霍耳装置。
15.根据权利要求14所述的PMSM，其中所述电机驱动系统进一步包含：
角度-速度计算逻辑，其经耦合以从所述线性霍耳装置中的每一个接收指示磁场强度的信号；和
电机控制器和驱动逻辑，其经耦合以从所述角度-速度计算逻辑接收角速度信息，具有用于提供耦合到所述定子的所述场绕组的多个相位的多个输出。
16.根据权利要求15所述的PMSM，其中所述第一线性霍耳装置、所述第二线性霍耳装置、所述角度-速度计算逻辑以及所述电机控制器和驱动逻辑全部形成于单一集成电路IC上。
17.根据权利要求16所述的PMSM，其中所述第一线性霍耳装置与所述IC的衬底水平地形成，且其中所述第二线性霍耳装置与所述衬底水平地并且与所述第一线性霍耳装置垂直地形成。
18.根据权利要求16所述的PMSM，其中所述第一线性霍耳装置与所述IC的衬底水平地形成，且其中所述第二线性霍耳装置与所述衬底垂直地形成。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107634696A (zh) * 2017-09-18 2018-01-26 六安源创电机制造科技有限公司 一种用于电机的抗干扰调速方法
DE102017128869B3 (de) * 2017-12-05 2019-05-29 Infineon Technologies Ag Magnetwinkelsensoranordnung und Verfahren zum Schätzen eines Rotationswinkels
JP7056602B2 (ja) * 2018-03-20 2022-04-19 株式会社デンソー 検出装置、制御装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置
TWI675544B (zh) * 2018-04-24 2019-10-21 建準電機工業股份有限公司 用於直流無刷馬達之位置感測系統及其切換方法
CN110620459B (zh) * 2018-06-20 2024-01-05 Bsh家用电器有限公司 用于操作bldc电动机的驱动电路
EP3599714A1 (en) * 2018-07-24 2020-01-29 BSH Hausgeräte GmbH Method for determining the rotor position of a bldc motor
DE102018118814A1 (de) * 2018-08-02 2020-02-06 Beckhoff Automation Gmbh Verfahren zum Identifizieren eines Schlittens eines linearen Transportsystems
US11424700B2 (en) 2018-08-24 2022-08-23 Infineon Technologies Austria Ag Hall element sensing circuit
CN109962651B (zh) * 2019-05-03 2020-11-06 佛山市磁家有导科技有限公司 基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法
CN110022113B (zh) * 2019-05-21 2020-11-06 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种永磁同步直线电机的伺服控制方法
DE102019115787B3 (de) * 2019-06-11 2020-10-15 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Ermittlung des Winkels des Rotors eines Elektromotors, Steuergerät sowie Fahrzeug
CN110095739B (zh) * 2019-06-19 2024-01-16 福州大学 一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统以及方法
DE102020110419A1 (de) * 2020-04-16 2021-10-21 Ebm-Papst Mulfingen Gmbh & Co. Kg Regelungsvorrichtung und Verfahren zur Reduktion des Kommutierungswinkelfehlers bei einem EC-Motor
KR102286118B1 (ko) * 2020-07-27 2021-08-06 주식회사 세원공업 홀센서를 활용한 위치 추정 방식의 약계자 제어 모빌리티 시스템
GB2613340A (en) * 2021-11-26 2023-06-07 Paragraf Ltd Graphene based rotational transducer and torque sensor
WO2023186329A1 (en) * 2022-04-01 2023-10-05 Pierburg Pump Technology Gmbh Automotive secondary electric device

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5418768A (en) * 1977-07-12 1979-02-13 Mitsubishi Electric Corp Angle sensor
US20050248306A1 (en) * 2004-05-05 2005-11-10 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Permanent magnet synchronous motor and controller therefor
CN101398316A (zh) * 2007-09-25 2009-04-01 奇瑞汽车股份有限公司 一种电机转子位置传感器的标定方法
CN101398313A (zh) * 2007-09-25 2009-04-01 奇瑞汽车股份有限公司 一种电机转子位置传感器及测量电机转子位置的方法
JP2011205874A (ja) * 2010-03-24 2011-10-13 Sofutoronikusu Kk 自動ドア施錠機構
CN102346045A (zh) * 2010-07-29 2012-02-08 株式会社电装 旋转角探测器
CN103066756A (zh) * 2011-10-19 2013-04-24 普罗蒂恩电子有限公司 一种电动机或发电机
CN103427749A (zh) * 2012-05-22 2013-12-04 北京航天发射技术研究所 一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法
CN103444059A (zh) * 2011-04-11 2013-12-11 罗伯特·博世有限公司 包括具有干扰场补偿的转子位置检测的电子换向电动机
CN104296650A (zh) * 2013-07-17 2015-01-21 英飞凌科技股份有限公司 分立磁角度传感器装置和磁角度传感器布置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5493187A (en) 1993-05-18 1996-02-20 Yamamoto Electric Corporation Method and apparatus for controlling brushless motor
JP4936299B2 (ja) * 2000-08-21 2012-05-23 メレクシス・テクノロジーズ・ナムローゼフェンノートシャップ 磁場方向検出センサ
RU2188494C1 (ru) 2001-04-16 2002-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики" Вентильный электродвигатель с встроенными датчиками скорости и углового положения ротора
US6800913B2 (en) * 2002-11-04 2004-10-05 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Hybrid Hall vector magnetometer
US7211984B2 (en) * 2004-11-09 2007-05-01 General Motors Corporation Start-up and restart of interior permanent magnet machines
WO2007062766A1 (de) * 2005-12-01 2007-06-07 Emb-Papst St. Georgen Gmbh & Co. Kg Elektromotor
US7579799B2 (en) 2006-01-17 2009-08-25 Raytheon Company System and method for determining angular position and controlling rotor orientation
GB0723973D0 (en) * 2007-12-07 2008-01-16 Melexis Nv Hall sensor array
US8193748B2 (en) * 2008-10-10 2012-06-05 Smi Holdings, Inc. Integrated brushless DC motor and controller
EP2402779A1 (en) * 2010-07-02 2012-01-04 Liaisons Electroniques-Mecaniques Lem S.A. Hall sensor system
JP2012098190A (ja) * 2010-11-03 2012-05-24 Aisin Seiki Co Ltd 直線変位検出装置
US9321172B2 (en) * 2011-05-13 2016-04-26 Hdt Expeditionary Systems, Inc. Modular rotational electric actuator
SE535717C2 (sv) * 2011-05-22 2012-11-20 Johan Linder Motorenhet innefattande en borstlös DC-motor med styrelektronik
KR20130068050A (ko) * 2011-12-15 2013-06-25 한국전자통신연구원 홀 센서 신호 발생 장치
RU118483U1 (ru) 2012-01-10 2012-07-20 Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) Электромеханический модуль
US8664901B2 (en) * 2012-02-15 2014-03-04 GM Global Technology Operations LLC Method and system for estimating electrical angular speed of a permanent magnet machine

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5418768A (en) * 1977-07-12 1979-02-13 Mitsubishi Electric Corp Angle sensor
US20050248306A1 (en) * 2004-05-05 2005-11-10 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Permanent magnet synchronous motor and controller therefor
CN101398316A (zh) * 2007-09-25 2009-04-01 奇瑞汽车股份有限公司 一种电机转子位置传感器的标定方法
CN101398313A (zh) * 2007-09-25 2009-04-01 奇瑞汽车股份有限公司 一种电机转子位置传感器及测量电机转子位置的方法
JP2011205874A (ja) * 2010-03-24 2011-10-13 Sofutoronikusu Kk 自動ドア施錠機構
CN102346045A (zh) * 2010-07-29 2012-02-08 株式会社电装 旋转角探测器
CN103444059A (zh) * 2011-04-11 2013-12-11 罗伯特·博世有限公司 包括具有干扰场补偿的转子位置检测的电子换向电动机
CN103066756A (zh) * 2011-10-19 2013-04-24 普罗蒂恩电子有限公司 一种电动机或发电机
CN103427749A (zh) * 2012-05-22 2013-12-04 北京航天发射技术研究所 一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法
CN104296650A (zh) * 2013-07-17 2015-01-21 英飞凌科技股份有限公司 分立磁角度传感器装置和磁角度传感器布置

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