CN110932483A - 转子位置测量结构、电机及提高转子位置测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子位置测量结构，包括转子、磁铁、转子位置传感器和磁屏蔽环。磁铁安装在转子的一端，并跟随转子一起转动；转子位置传感器与磁铁相对设置；磁屏蔽环固定设置于转子位置传感器与磁铁之间，磁屏蔽环的中心通孔正对磁铁，且中心通孔与磁铁的形状和大小一致。本发明还公开了一种电机、以及提高电机的转子位置测量精度的方法。本发明能够屏蔽转子位置测量中的干扰源，修正干扰对测量结果带来的影响，从而提高了转子位置测量精度。

Description

转子位置测量结构、电机及提高转子位置测量精度的方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术。

背景技术

目前，弱混合动力汽车是采用混合励磁爪极电机作为起动发电机，即该电机同时作为启动电机和发电机使用。通过采用混合励磁方式，其兼有永磁发电机和电励磁发电机的优点，可以解决永磁发电机磁场不可调的缺点。当其作为启动电机时，电机控制中转子位置的测量精度会影响电机的工作效率和转矩波动。由于电机控制器是通过位置传感器感应转轴端部圆形磁铁的磁场在转动过程中的磁场变化来识别转子的位置，而定子线圈（励磁电流会有变化）、转子线圈（励磁电流的变化、转子自身的旋转）、转子永磁体（转子旋转会带来磁场变化）均会产生变化的外磁场，因而其均会对转子位置传感器对磁场的测量产生干扰。此外，位置传感器的信号输出还受到电源纹波的影响，电源纹波会在信号输出中产生噪音。另外，转轴端部的圆形磁体在安装过程中也必然会存在一定的位置偏差，这也会导致传感器感应到的磁场强度信号发生偏差。再者，控制器本身还会受到外界磁场的影响。可见，转子位置的测量精度会受到电机自身磁场（即前面提及的各种磁场）的干扰、控制器被磁场干扰、电源纹波、圆形磁体的安装位置偏差等诸多方面的影响。

现有的提高转子位置测量精度的方案多采用在电机的后端盖处(即面向PCB板背离磁传感器的一侧)加入磁屏蔽板降低磁场的干扰，但其效果有限，其只是屏蔽了来自磁场对控制器的次要干扰，无法有效的改善前述其它因素的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种转子位置测量结构，其能够减少电机自身磁场对转子位置传感器的干扰，提高转子位置传感器的测量精度。

本发明所要解决的进一步的技术问题在于提供一种能够提高电机的转子位置测量精度的方法。

本发明实施例提供了一种转子位置测量结构，包括转子、磁铁以及转子位置传感器，磁铁安装在转子的一端，并跟随所述转子一起转动；转子位置传感器与磁铁相对设置，其特点在于，转子位置测量结构还包括磁屏蔽环；磁屏蔽环固定设置于转子位置传感器与磁铁之间，磁屏蔽环的中心通孔正对磁铁，且中心通孔与磁铁的形状和大小一致。

本发明还提供了一种提高电机的转子位置测量精度的方法，该电机具有前述的转子位置测量结构，该提高电机的转子位置测量精度的方法包括以下步骤：

a、使电机匀速旋转；

b、控制器对电机的转子位置检测传感器输出的反映转子位置的正弦电压信号Uy和余弦电压信号Ux进行采样，获得多个采样点的正弦电压信号数据和余弦电压信号数据；

c、对多个采样点的正弦电压信号数据与余弦电压信号数据进行归一化处理，使正弦电压信号数据的幅值与余弦电压信号数据的幅值相等；

d、根据校正后的多个采样点的正弦电压信号数据和余弦电压信号数据通过计算得到多个采样点的实际测量的转子角度，建立多个转子转动周期的实际测量转子角度与采样点的对应关系；

e、将多个转子转动周期的实际测量转子角度与采样点的对应关系分别与标准的转子角度与采样点的对应关系进行比较，获得多个转子转动周期的转子角度测量误差与采样点的对应关系；

f、根据多个转子转动周期的转子角度测量误差与采样点的对应关系，获得转子角度测量误差平均值与一个转子转动周期内的转子角度的对应关系；

g、对转子角度测量误差平均值数据进行拟合，得到转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数并保存，转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数用于对电机实际工作时所检测到的转子角度进行补偿。

本发明还提供了一种电机，其包括控制器以及前述的转子位置测量结构；控制器存储有电机的转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数，拟合函数是根据前述的提高电机的转子位置测量精度的方法获得。

本发明还提供了一种提高电机的转子位置测量精度的方法，所述电机具有上述的结构，该提高电机的转子位置测量精度的方法包括如下步骤：

a、控制器获取转子位置传感器输出的反映转子位置的正弦电压信号Uy和余弦电压信号Ux；

b、控制器对获取的当前正弦电压信号数据与当前余弦电压信号数据进行归一化处理，使当前正弦电压信号数据的幅值与当前余弦电压信号数据的幅值相等；

c、控制器实时计算当前的转子角度检测值；

d、控制器根据转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数获得当前的转子角度检测值对应的误差值，将该误差值补偿当前的转子角度检测值，得到补偿后的转子角度。

本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明实施例的转子位置测量结构中，磁屏蔽环的中心通孔正对磁铁，且中心通孔与磁铁的形状和大小一致，能充分地屏蔽来自于电机的磁场对转子位置传感器的干扰，同时确保用于检测转子位置的磁铁的磁场能够通过，被转子位置传感器所识别，进而提高了转子位置传感器的测量精度；

2、本发明实施例的磁屏蔽环屏蔽了转子位置测量中的主要干扰源，且磁屏蔽环的面积与现有技术中安装于电机端盖的磁屏蔽板相比大幅缩小，由于其完全替代了现有的磁屏蔽板，因而节约了原材料的使用；

3、采用本发明实施例的方法能够较为准确地获得转子位置测量补偿数据，该转子位置测量补偿数据在电机实际运行控制中可被用来实时地冲抵因磁场干扰、转子磁铁的安装误差、电源噪声等引起的转子位置测量误差，从而提高转子位置传感器的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明一实施例的转子位置测量结构的原理示意图。

图2示出了根据本发明一实施例的转子位置测量结构的结构示意图。

图3示出了根据本发明另一实施例的提高转子位置测量精度的方法的流程示意图。

图4示出了根据本发明另一实施例的经过校正后的多个采样点的正弦电压信号数据与余弦电压信号数据的示意图。

图5示出了根据本发明另一实施例的通过反切计算得到的多个采样点的实际测量的转子角度数据的示意图。

图6示出了根据本发明另一实施例的一个转子转动周期的理论转子角度数据的示意图。

图7示出了根据本发明另一实施例的多个转子转动周期的转子角度测量误差数据的示意图。

图8示出了根据本发明另一实施例的转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

请参阅图1和图2。根据本发明一实施例的转子位置测量结构，包括转子1、磁铁2、转子位置传感器3和磁屏蔽环4。

磁铁2安装在转子1的一端，并跟随转子1一起转动。转子位置传感器3安装在PCB电路板5上，并与磁铁2相对设置。磁屏蔽环4固定设置于转子位置传感器3与磁铁2之间，磁屏蔽环4的中心通孔40正对磁铁2，且中心通孔40与磁铁2的形状和大小一致。

在本实施例中，磁铁2安装在一磁铁座8上，磁铁座8与转子1的一端相连，磁铁座8的材质为非金属材料（例如塑料）。磁铁2为圆形，中心通孔40也为圆形，中心通孔40的孔径和圆形磁铁2的直径相等。磁屏蔽环4固定于电机100的壳体6，固定的方式包括但不限于粘接、卡接、螺钉连接等。可选地，磁屏蔽环4的材质为坡莫合金。在图2的示例中，电机100的壳体6具有板状部61，板状部61位于转子位置传感器3与磁铁2之间，板状部61具有一凸起部62，凸起部62穿过磁屏蔽环4的中心通孔40，并与中心通孔40过盈配合，从而将磁屏蔽环4固定。

由于采用了磁屏蔽环4，因此可以降低电机本体磁场变化及励磁电流变化对电机转子位置测量的干扰。

请参阅图3。根据本发明另一实施例的提高转子位置测量精度的方法，包括以下步骤：

a、通过外部驱动装置带动电机100匀速旋转，电机100具有前述的转子位置测量结构；

b、控制器对电机的转子位置检测传感器3输出的反映转子位置的正弦电压信号Uy和余弦电压信号Ux进行采样，获得多个采样点的正弦电压信号数据和余弦电压信号数据；正弦电压信号Uy和余弦电压信号Ux具有正交关系；

c、对多个采样点的正弦电压信号数据与余弦电压信号数据进行归一化处理，通过归一化处理使正弦电压信号数据的幅值与余弦电压信号数据的幅值相等，上述的幅值包括正电压方向幅值和负电压方向幅值，如图4所示。上述的归一化处理的过程是先计算正弦电压信号数据、余弦电压信号数据在纵轴方向（电压大小方向）的偏离值（具体来说，在没有安装偏差、干扰时，输出的应当是标准的正、余弦波形y1=A1*SIN(x)、y2=A2*COS(x)，其中A1、A2是振幅、A1=A2，x是转子角度、y1和y2是正、余弦电压信号；由于安装偏差、干扰，实际输出的正、余弦电压信号在纵轴方向发生整体偏移，变为y1=A1*SIN(x)+Δy1、y2=A2*COS(x)+Δy2，其中Δy1、Δy2即偏离值，并可能导致A1≠A2），从电压信号数据中消除该偏离值（即从正弦电压信号数据中减去Δy1、从余弦电压信号数据中减去Δy2），然后将正弦电压信号数据、余弦电压信号数据的幅值调整到±1（即对正、余弦电压信号数据分别乘以1/A1、1/A2，使其振幅变为1）。转子位置传感器由于安装偏差、干扰等原因会造成正弦电压信号和余弦电压信号的幅值不一致，因此需要对幅值进行校正（归一化处理），从而能降低磁铁2的安装误差对转子位置测量的影响。可选地，采样点的数量大于1800个，对10个以上的转子转动周期的正弦电压信号Uy和余弦电压信号Ux进行采样，转子每旋转一周为一个转动周期，在图中的示例中，一个转子转动周期控制器采样180组数据（即180个采样点），图4的纵坐标代表信号强度，其中，正弦、余弦电压信号数据归一化后的幅值（+1、-1）乘以了2π，横坐标代表采样点序号；

d、根据校正后的多个采样点的正弦电压信号数据和余弦电压信号数据通过反正切函数计算得到多个采样点的实际测量的转子角度，建立多个转子转动周期的实际测量转子角度与采样点序号的对应关系，如图5所示，图5中的纵坐标代表转子实时角度（单位为弧度），角度范围为0到2π，横坐标代表采样点序号；

e、将多个转子转动周期的实际测量转子角度与采样点序号的对应关系分别与标准的一个转子转动周期的转子角度与采样点序号的对应关系进行比较，获得多个转子转动周期的转子角度测量误差与采样点序号的对应关系；理论上，没有受到外界磁场、电源纹波等干扰和安装误差影响的标准反正切波形应当是一条斜率不变的直线，如图6所示，图6中的纵坐标代表转子角度（单位为弧度），横坐标代表采样点序号；通过把实际测量的每个转子转动周期的转子角度数据分别与标准的一个转子转动周期的转子角度数据进行比较，求出两者差值，得到了每个转子转动周期的转子角度测量误差，如图7所示，图7中的纵坐标代表转子角度测量误差（单位为弧度），横坐标代表采样点序号，数据偏离0点越大表示误差越大；

f、根据多个转子转动周期的转子角度测量误差与采样点序号的对应关系，获得该转子角度测量误差平均值与一个转子转动周期内（即0～2π）的转子角度的对应关系，如图8所示，该转子角度测量误差平均值是根据多个转子转动周期的转子角度测量误差值求和后再除以转子转动周期的个数而获得；另外，由于电机被匀速拖动、采样点相对转子实际旋转角度均匀分布，因而由采样点序号即可推算出其对应的转子角度。图8中的纵坐标代表转子角度测量误差（单位为弧度），横坐标代表转子角度（单位为弧度）；

g、用正弦函数对转子角度测量误差平均值数据进行拟合，得到转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数并保存，图8示出了根据本发明另一实施例的转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数的示意图。此外，由于每个电机在尺寸、安装等方面均存在细微差异，因此优选每个电机均进行上述测试并得到其对应的转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数，并存入各自的控制器中。

在本实施例中，步骤a中，是利用一台可控对拖电机带动电机以1000RPM的速度旋转。控制器通过AD采样获得2000组SIN和COS电压信号数据（即2000个采样点），控制器为MCU，转子位置检测传感器3为英飞凌公司制造的型号为TLE5009的巨磁阻角度传感器，其通过巨磁电阻(GMR)元件来探测磁场的方向，输出正弦和余弦角分量。由于本发明目的在于消除系统的自身误差，不同电机转速下的系统误差基本相同，因此，仅需测量某一个转速下的误差即可。

进一步地，所述的步骤b至步骤g通过MATLAB软件实现，但不限于此。

本实施例使用sin函数拟合转子角度测量误差数据，从而得到系统误差波形（该波形主要用于消除安装公差等对转子位置传感器造成的干扰，此外也可进一步消除外界磁场、电源纹波的影响）。将该误差波形储存到控制器中，用于对电机实际工作时所检测到的转子角度进行补偿。

根据本发明又一实施例的提高电机的转子位置测量精度的方法，包括如下步骤：

a、在电机实际运行过程中，控制器获取转子位置传感器3输出的反映转子位置的正弦电压信号Uy和余弦电压信号Ux；

b、控制器对获取的当前正弦电压信号数据与当前余弦电压信号数据进行归一化处理，使当前正弦电压信号数据的幅值与当前余弦电压信号数据的幅值相等，上述的幅值包括正电压方向幅值和负电压方向幅值；

c、控制器通过反正切函数实时计算当前的转子角度检测值；

d、控制器中存储有根据前述实施例获得的转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数，根据该拟合函数获得当前的转子角度检测值对应的误差值，将当前的转子角度检测值减去该误差值，得到补偿后的转子角度。

进一步地，在上述的步骤b中，控制器是利用前面一个或多个转子转动周期检测到的正弦电压信号数据与余弦电压信号数据对当前检测到的正弦电压信号数据和余弦电压信号数据进行归一化处理，即：利用前面一个或多个转子转动周期检测到的正、余弦电压信号数据计算正、余弦电压信号数据在纵轴方向（电压大小方向）的偏离值以及振幅（即前面所述的Δy1、Δy2、A1、A2的大小），从当前正、余弦电压信号数据中消除该偏离值（即从正弦电压信号数据中减去Δy1、从余弦电压信号数据中减去Δy2），然后将当前正弦电压信号数据、余弦电压信号数据的幅值调整到±1（即对正、余弦电压信号数据分别乘以1/A1、1/A2，使其振幅变为1）。

本发明的提高电机的转子位置测量精度的方法能够修正各种干扰对测量结果带来的影响，大幅减低了转子位置检测的误差，使得电机控制转矩脉动减小，提高了电机控制的稳定性及控制效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种转子位置测量结构，包括转子、磁铁以及转子位置传感器，所述磁铁安装在所述转子的一端，并跟随所述转子一起转动；所述转子位置传感器与所述磁铁相对设置，其特征在于，所述转子位置测量结构还包括磁屏蔽环；所述磁屏蔽环固定设置于所述转子位置传感器与所述磁铁之间，所述磁屏蔽环的中心通孔正对所述磁铁，且所述中心通孔与所述磁铁的形状和大小一致。

2.根据权利要求1所述的转子位置测量结构，其特征在于，所述转子位置传感器为巨磁阻角度传感器。

3.根据权利要求1所述的转子位置测量结构，其特征在于，所述磁屏蔽环固定于电机的壳体。

4.根据权利要求1或3所述的转子位置测量结构，其特征在于，所述磁屏蔽环的材质为坡莫合金。

5.一种提高电机的转子位置测量精度的方法，其特征在于，所述电机具有如权利要求1至4任意一项所述的转子位置测量结构，所述提高电机的转子位置测量精度的方法包括以下步骤：

a、使电机匀速旋转；

b、控制器对所述电机的转子位置检测传感器输出的反映转子位置的正弦电压信号Uy和余弦电压信号Ux进行采样，获得多个采样点的正弦电压信号数据和余弦电压信号数据；

c、对所述多个采样点的正弦电压信号数据与余弦电压信号数据进行归一化处理，使正弦电压信号数据的幅值与余弦电压信号数据的幅值相等；

d、根据校正后的多个采样点的正弦电压信号数据和余弦电压信号数据通过计算得到多个采样点的实际测量的转子角度，建立多个转子转动周期的实际测量转子角度与采样点的对应关系；

e、将多个转子转动周期的实际测量转子角度与采样点的对应关系分别与标准的转子角度与采样点的对应关系进行比较，获得多个转子转动周期的转子角度测量误差与采样点的对应关系；

f、根据多个转子转动周期的转子角度测量误差与采样点的对应关系，获得转子角度测量误差平均值与一个转子转动周期内的转子角度的对应关系；

g、对转子角度测量误差平均值数据进行拟合，得到转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数并保存，所述的转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数用于对电机实际工作时所检测到的转子角度进行补偿。

6.根据权利要求5所述的提高转子位置测量精度的方法，其特征在于，其特征在于，所述的步骤g中用正弦函数对转子角度测量误差平均值数据进行拟合。

7.根据权利要求5所述的提高转子位置测量精度的方法，其特征在于，所述采样点的数量大于等于1800个，采样时间大于等于10个转子转动周期。

8.一种电机，其特征在于，包括控制器以及如权利要求1至4任意一项所述的转子位置测量结构；

所述控制器存储有所述电机的转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数，所述拟合函数是根据权利要求5至7中任意一项的方法获得。

9.一种提高电机的转子位置测量精度的方法，其特征在于，所述电机具有如权利要求8所述的结构，所述提高电机的转子位置测量精度的方法包括如下步骤：

a、控制器获取转子位置传感器输出的反映转子位置的正弦电压信号Uy和余弦电压信号Ux；

b、控制器对获取的当前正弦电压信号数据与当前余弦电压信号数据进行归一化处理，使当前正弦电压信号数据的幅值与当前余弦电压信号数据的幅值相等；

c、控制器实时计算当前的转子角度检测值；

d、控制器根据转子角度测量误差平均值与转子角度的拟合函数获得当前的转子角度检测值对应的误差值，将该误差值补偿当前的转子角度检测值，得到补偿后的转子角度。

10.根据权利要求9所述的提高转子位置测量精度的方法，其特征在于，在所述的步骤b中，控制器是利用前面一个或多个转子转动周期检测到的正弦电压信号数据与余弦电压信号数据对当前检测到的正弦电压信号数据和余弦电压信号数据进行归一化处理。

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