CN112117872A - 特种电机、电气设备及车辆 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种特种电动机，包括：电动机本体；控制器，包括外壳和控制模块，所述控制模块设置于所述外壳内，通过连接件与所述电动机本体连接；多对极组合磁电编码器，与所述电动机本体同轴设置，包括同轴环形设置的第一多对极磁体以及第二多对极磁体和电路板，所述第一多对极磁体包括m对磁极，所述第二多对极磁体包括n对磁极，m和n为大于2的自然数且彼此互质，所述电路板上包括，第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器，与所述第一多对极磁体相邻设置；第三线性霍尔传感器和第四线性霍尔传感器，与所述第二多对极磁体相邻设置。所述特种电动机使用四个线性霍尔元件进行角度位置检测，避免使用大量开关霍尔元件对特种电动机结构的影响。

Description

特种电机、电气设备及车辆

技术领域

本申请涉及电动机领域，具体涉及一种特种电动机。

背景技术

电动机是工业领域中使用非常广泛的一种动力源。电动机包含有很多种类，根据不同的分类标准，可以将电动机分为异步电动机、同步电动机；交流电动机、直流电动机等。在现有的一些系统中，需要对电动机的位置、转速等进行精确的控制，伺服电动机系统应运而生。这种电动机与控制器、编码器相结合，通过编码器检测电动机的位置并反馈给控制器，从而实现对电动机的闭环控制。此种电动机具有高响应特性、宽调速范围等特点，受到了工农业生产的广泛关注。

在伺服电动机系统，编码器的精度直接影响到系统的速度控制和定位精度。目前，光电编码器的应用较为广泛，将其安装在转轴上，可将角度信息通过线缆传输到控制器。光电编码器分为增量式编码器和绝对式编码器。

增量式编码器轴旋转时带动光盘旋转，发光元件发出的光被光栅盘，指示光栅的狭缝切割成断续光线被接收元件接收，输出相应的脉冲信号。其旋转方向和脉冲数量需要借助判向电路与计数器来实现。计数起点可以任意设定。旋转增量编码器转动时输出脉冲，通过计数设备的内部记忆来记住位置，并且工作过程中不允许存在干扰而使得脉冲丢失，否则计数设备的记忆零点会发生偏移，使得编码器精度降低。

为了解决增量式光电编码器的弊端，出现了绝对式光电编码器。绝对式编码器输出与位置是呈一一对应关系的，绝对式编码器每一个位置对应一组二进制码，从代码的变化即可判断出旋转方向与绝对位置。其抗干扰性、数据可靠性大大提高，绝对式编码器越来越多的应用于各种工业系统的角度、长度测量和位置控制。

但是，光电编码器还存在一些难以克服的缺点。光电编码器由于由玻璃物质通过刻线而成，其抗震动和抗冲击能力不高，不适合用于尘埃、结露等恶劣环境，并且其结构与定位组装复杂。刻线间距有极限，要提高其分辨率必须增大码盘，难以做到小型化。在生产中还必须要保证很高的装配精度，这直接影响到生产效率，最终影响产品的成本。

为了克服上述编码器的不足，出现了用于电动机系统的磁电式编码器。此种编码器包括磁体、磁感应元件和信号处理电路。磁体随着电动机轴旋转，产生变化的磁场。磁感应元件感应到该变化的磁场，将磁信号转变成电信号输出到信号处理电路。信号处理电路将该电信号处理成角度信号输出。对于直流无刷电动机，该磁电式编码器中使用的磁体的磁极要与直流无刷电动机的磁极数目相适应才可以正常使用。而对于交流永磁同步电动机，磁电式编码器的使用没有此种限制。

根据磁电编码器磁信号发生源的不同可分为单对极磁电编码器和单多对极组合式磁电编码器以及多对极与多对极组合式磁电编码器。单多对极组合式磁电编码器即在传统的单对极磁电编码器的基础之上增加一个多对极磁场信号源，通过单对极磁体的信号来实现对多对极磁体的信号进行编码细分，达到提高分辨率的目的。多对极与多对极组合式磁电编码器在单多对极组合式磁电编码器的基础上，将单对极磁体变为多对极磁体，提高了单多对极组合式磁电编码器的可靠性和精度。

同时，电动机的控制直接影响整个系统的运行。因此，电动机的控制系统被广泛关注。传统的电动机一般采用线缆方式将位置信息传输到控制器的CPU中，但是其通信过程中容易受到电磁噪声干扰从而导致信息错误，并且存在通信的滞后性，不能实时反应电动机转子的位置信息，从而影响到系统整体的控制效果。而且传统电动机均是针对单一目标进行设计，但是在需要完成任务较多的要求下就需要更换电动机，不能够实现通用性，造成了巨大的浪费。

发明内容

基于此，本申请提出了一种特种电动机，所述特种电动机使用内外环磁极对数互质的多对极磁体和4个线性霍尔元件进行角度位置检测。通过使用所述编码器并集成控制系统，一方面可以提高电动机的控制精度、响应速度和可靠性，另一方面由于使用的线性霍尔元件数量确定，有效避免了使用大量开关霍尔元件对特种电动机结构的影响。

本申请提供的特种电动机包括：

电动机本体；

控制器，包括外壳和控制模块，所述控制模块设置于所述外壳内，通过连接件与所述电动机本体连接；

多对极组合磁电编码器，与所述电动机本体同轴设置，包括同轴环形设置的第一多对极磁体以及第二多对极磁体和电路板，所述第一多对极磁体包括m对磁极，所述第二多对极磁体包括n对磁极，m和n为大于2的自然数且彼此互质，所述电路板上包括，

第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器，与所述第一多对极磁体相邻设置；

第三线性霍尔传感器和第四线性霍尔传感器，与所述第二多对极磁体相邻设置。

根据本申请的一些实施例，所述电动机本体为永磁同步电动机。

根据本申请的一些实施例，第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器根据所述第一多对极磁体的磁极信号输出第一检测信号和第一检测信号。

根据本申请的一些实施例，所述第一检测信号和第一检测信号相位相差90度。

根据本申请的一些实施例，第三线性霍尔传感器和第四线性霍尔传感器根据所述第二多对极磁体的磁极信号输出第三检测信号和第四检测信号。

根据本申请的一些实施例，所述第三检测信号和第四检测信号相位相差90度。

根据本申请的一些实施例，所述第一线性霍尔传感器和第三线性霍尔传感器在一端对齐。

根据本申请的一些实施例，所述第一多对极磁体位于外环，所述第二多对极磁体位于内环，m大于n。

根据本申请的一些实施例，m和n为质数。

根据本申请的一些实施例，所述第一多对极磁体设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。

根据本申请的一些实施例，所述第二多对极磁体设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。

图1示出根据本申请示例实施例的特种电动机结构组成示意图。

图2示出根据本申请示例实施例的多对极组合磁电编码器结构平面图。

图3示出根据本申请示例实施例的多对极组合磁电编码器结构立体图。

图4示出根据本申请示例实施例的特种电动机工作原理图。

图5示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制系统原理图。

图6示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制方法流程图。

图7示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制方法第一子流程图。

图8示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制方法第二子流程图。

图9示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制装置框图。

图10示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制装置数据处理模块子框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一组件与另一组件。因此，下文论述的第一组件可称为第二组件而不偏离本申请概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，可能不是按比例的。附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。

本发明人发现，随着电动机控制精度的提升，其对编码器的分辨率要求也越来越高。现有的内外环极对数互质的多对极磁电编码器中，需要采用两个线性霍尔元件测量单周期角度，采用若干个开关霍尔元件来判断磁极区间。磁极对数越多、编码器的分辨率就越高，相应的需要的开关霍尔元件的数量就越多。由此带来的问题是开关霍尔元件的安装空间和线路布置问题。

为了在编码器和电动机有限的结构空间下，满足编码器分辨率提高而产生的磁极对数数量增加的要求，本申请提供的特种电动机，使用内外环极对数互质的多对磁极和四个线性霍尔元件，实现绝对角度的检测，适用于环形永磁体极对数数量特别多的场景。从而在不影响编码器与电动机本体集成的前提下，可通过增加磁体极对数数量来提高控制精度。

图1示出根据本申请示例实施例的特种电动机结构组成示意图。

如图1所示，所述特种电动机包括：电动机本体1、控制器8和多对极组合磁电编码器7。控制器8包括控制模块5、外壳6。

所述控制模块5，设置于所述外壳6内，通过连接件与所述电动机本体1连接。所述多对极组合磁电编码器7，设置于所述外壳6内，与所述电动机本体1同轴设置。所述多对极组合磁电编码器7设置于电动机本体1之前、电动机本体1与控制模块5之间，也可以设置于控制模块5之后或者。

所述多对极组合磁电编码器7包括编码器磁体结构100和电路板4。编码器磁体结构100包括同轴环形设置的第一多对极磁体110、第一组霍尔元件20以及第二多对极磁体120、第二组霍尔元件30。所述第一多对极磁体包括m对磁极，所述第二多对极磁体包括n对磁极，m和n为大于2的自然数且彼此互质。

根据本申请的示例实施例，所述电动机本体1为永磁同步电动机，包含定子、转子、转轴、磁钢、绕组以及一系列连接件。第一多对极磁体2、第二多对极磁体3和电路板4同时工作。第一多对极磁体2、第二多对极磁体3随同电动机转轴一同旋转。

图2示出根据本申请示例实施例的多对极组合磁电编码器磁体结构平面图。

图3示出根据本申请示例实施例的多对极组合磁电编码器磁体结构立体图。

如图2、图3所示，根据本申请实施例的多对极组合磁电编码器磁体结构100，包括：在第一空间平面内同轴环形设置的第一多对极磁体110以及第二多对极磁体120。第一多对极磁体110包括m对磁极，第二多对极磁体120包括n对磁极，m和n为大于2的自然数且彼此互质。例如，根据一些实施例，m和n为质数。如图2、3所示，本实施例中，m为5，n为3，但本申请不限于此。

根据本申请的示例实施例，第一多对极磁体110位于外环，所述第二多对极磁体120位于内环，第一多对极磁体110的对极数目m大于第二多对极磁体120的对极数目n。这是因为外环的直径要大于内环直径，为了使磁体尺寸均匀，外环磁体的数目要大于内环磁体的数目。

根据本申请的一些实施例，第一多对极磁体110可以设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。在图1、2所示的实施例中，第一多对极磁体110的磁化方向设置为轴向。第二多对极磁体120也可设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。图1、2所示的实施例中，第二多对极磁体120的磁化方向设置为轴向。磁化方向不限于此，也可以将第一多对极磁体110的磁化方向设置为径向、第二多对极磁体120的磁化方向设置为轴向，或者将第一多对极磁体110、第二多对极磁体120的磁化方向均设置为径向，本申请对此不作限制。

第一多对极磁体110、第二多对极磁体120均可由多个磁对极粘连形成，但不限于此。根据本申请的实施例，磁体可以采用钕铁硼永磁材料制成，多个磁体可贴附基板上，或直接贴附在例如转轴端部。根据一些实施例，多个磁体可设置在支撑板上。支撑板可为环形结构，沿其内孔圆周法向方向可设置第二多对极磁体120。所述第一多对极磁体110固定在支撑板的环形表面。固定方式可以为胶接。

如图2、3所示，多对极组合编码器100还包括第一组霍尔元件和第二组霍尔元件，用于检测多对极磁体产生的磁信号。第一组霍尔元件，包括第一线性霍尔传感器111和第二线性霍尔传感器112，与所述第一多对极磁体110相邻设置于电路板上，并根据所述第一多对极磁体110的磁极信号输出第一组检测信号。第一线性霍尔传感器111和第二线性霍尔传感器112的输出信号相位相差90度。

第二组霍尔元件，包括第三线性霍尔传感器121和第四线性霍尔传感器122，与所述第二多对极磁体120相邻设置电路板上，根据所述第二多对极磁体120的磁极信号输出第二组检测信号。第三线性霍尔传感器121和第四线性霍尔传感器122的输出信号相位相差90度。根据一些实施例，在上述编码器结构中，所述第一线性霍尔传感器111和第三线性霍尔传感器121在一端对齐。

根据本申请的第二方面，提供一种所述特种电动机的控制方法。在确定所述特种电动机的控制方法前，需要清楚的了解其工作原理。

图4示出根据本申请示例实施例的特种电动机工作原理图。

如图4所示，所述特种电动机在工作过程中，由多对极组合编码器检测电动机的电机轴转角，将检测到的电压信号传输给控制器。通过控制器的处理，获得电机轴转动的角度或位置。通过控制系统进行计算输出六路PWM信号，驱动逆变器模块工作输出三相电压信号，从而驱动电机工作，进而实现对电机的精确控制。

根据所述特种电动机的工作原理，可以得出其控制原理。图5示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制系统原理图。

如图5所示，首先，上位机发送电机的角度指令给系统。系统通过比较指令与磁电式传感器检测到的角度信息输出角度误差信号进入PID控制器。通过计算输出速度指令信息。

然后，系统比较速度指令与磁电式传感器检测的角度指令的微分，输出速度误差进入PID控制器。通过计算，输出q轴的电流控制指令I_{q_ref}。上位机同时发送d轴电流指令I_{d_ref}。

电流传感器分别检测三相的电流信号I_{a_fb}、I_{b_fb}、I_{c_fb}，通过3-2变换输出d轴、q轴电流反馈信号I_{d_fb}、I_{q_fb}，与指令信号进行比较。产生d轴、q轴电流误差信号I_{d_err}、I_{q_err}。分别输出至PID控制器进行计算，输出电压指令U_{d_ref}、U_{q_ref}。

3-2变换计算公式如3-1所示。此公式将I_{a_fb}、I_{b_fb}、I_{c_fb}三个反馈电流信号转化为d、q轴的反馈电流信号I_{d_fb}、I_{q_fb}。式中θ_e为电动机的电角度，其中θ_e＝p×θ_r。p为电机的极对数、θ_r为电机的机械角度，由磁电式传感器测出。

再通过2-3变换输出三路电压信号U_{a_占空比}、U_{b_占空比}、U_{c_占空比}至PWM模块，PWM模块产生六路PWM波输入到逆变器模块。

2-3变换计算公式如3-2所示。此公式将d、q轴的电压指令U_{d_ref}、U_{q_ref}转化为三路的三相电压信号U_{a_占空比}、U_{b_占空比}、U_{c_占空比}。式中θ_e为电动机的电角度。

最后，逆变器通过输入的PWM波实现开关的开断，从而输出三路电压信号U_a、U_b、U_c至电动机，对电动机进行驱动，从而实现对电动机的精确控制。

针对本发明中将电动机本体、多对极组合磁电编码器和控制模块集成为一体的所述特种电动机，基于上述工作原理和系统控制原理，下面描述所述特种电动机的控制方法，以与其进行匹配。

图6示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制方法流程图。

如图6所示，所述特种电动机控制方法，包括：

S1：电流传感器采集所述电动机本体的输入电流信号；

S2：所述多对极组合磁电传感器检测并输出所述电动机本体的角度信息；

S3：接收数据、进行数据处理并输出控制信号；

S4：接收控制信号并向所述电动机本体输出电压信号。

图7示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制方法第一子流程图。

如图7所示，所述磁电传感器检测并输出的所述电动机本体的角度信息S2，包括：

S21：通过四个线性霍尔传感器件采集电动机旋转时带动磁体产生的旋转磁场信息；

S22：通过放大器、A/D转换器进行信号放大与转换；

S23：通过查表与计算程序计算出电动机的实际转角；

S24：进行误差补偿；

S25：计算完成后输出电动机转动的实际角度信息。

图8示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制方法第二子流程图。

如图8所示，所述接收数据、进行数据处理并输出控制信号S3，包括：

S31：接收电流传感器检测到的电流信号，经过A/D采样后输出电流信号；

S32：接收磁电传感器输出的代表电动机角度的信息并输出；

S33：接收指令信号和电动机轴的转动角度信息，运算得到电流指令并输出；

S34：接收电流指令和电流信号，运算得到三相电压的占空比控制信号并输出；

S35：接收三相电压占空比控制信号，生成具有六路PWM信号。

图9示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制装置框图。

如图9所示，所述控制装置包括电流传感器模块S51、磁电传感器模块S52、数据处理模块S53和电动机驱动模块S54。

电流传感器模块S51用于采集所述电动机本体的输入电流信号；

磁电传感器模块S52用于检测并输出的所述电动机本体的角度信息；

数据处理模块S53用于接收数据、进行数据处理并输出控制信号；

电动机驱动模块54用于接收控制信号并向所述电动机本体输出电压信号。

图10示出根据本申请示例实施例的特种电动机控制装置数据处理模块子框图。

如图10所示，在上述控制装置中，所述数据处理模块S53包括传感信号处理子模块S531、机械环控制子模块S532、电流环控制子模块S533和PWM控制信号产生子模块S534。

传感信号处理子模块S531用于：接收电流传感器检测到的电流信号，经过A/D采样后输出电流信号；接收磁电传感器输出的代表电动机角度的信息并输出。

机械环控制子模块S532用于接收指令信号和电动机轴的转动角度信息，运算得到电流指令并输出。

电流环控制子模块S533用于根据接收的电流指令和电流信号，运算得到三相电压的占空比控制信号并输出。

PWM控制信号产生子模块S534用于接收三相电压占空比控制信号，生成具有六路PWM信号。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (13)

1.一种特种电动机，其特征在于，包括：

电动机本体；

控制器，包括外壳和控制模块，所述控制模块设置于所述外壳内，通过连接件与所述电动机本体连接；

多对极组合磁电编码器，与所述电动机本体同轴设置，包括同轴环形设置的第一多对极磁体以及第二多对极磁体和电路板，所述第一多对极磁体包括m对磁极，所述第二多对极磁体包括n对磁极，m和n为大于2的自然数且彼此互质，所述电路板上包括，

第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器，与所述第一多对极磁体相邻设置；

第三线性霍尔传感器和第四线性霍尔传感器，与所述第二多对极磁体相邻设置。

2.根据权利要求1所述的特种电动机，其特征在于，所述电动机本体为永磁同步电动机。

3.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器根据所述第一多对极磁体的磁极信号输出第一检测信号和第一检测信号。

4.根据权利要求3所述的编码器，其特征在于，所述第一检测信号和第一检测信号相位相差90度。

5.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，第三线性霍尔传感器和第四线性霍尔传感器根据所述第二多对极磁体的磁极信号输出第三检测信号和第四检测信号。

6.根据权利要求5所述的编码器，其特征在于，所述第三检测信号和第四检测信号相位相差90度。

7.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，所述第一线性霍尔传感器和第三线性霍尔传感器在一端对齐。

8.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，所述第一多对极磁体位于外环，所述第二多对极磁体位于内环，m大于n。

9.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，m和n为质数。

10.根据权利要求1所述的编码器磁体结构，其特征在于，所述第一多对极磁体设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。

11.根据权利要求10所述的编码器磁体结构，其特征在于，所述第二多对极磁体设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。

12.一种电气设备，其特征在于，包括：根据权利要求1-11中任一项所述的电机。

13.一种车辆，其特征在于，包括：根据权利要求1-11中任一项所述的电机。

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