CN112290750A - 一种凸极轮毂电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了轮毂电机系统技术领域的一种凸极轮毂电机及其控制方法，轮毂电机包括主轴；定子支架，套设于主轴上；定子铁芯，套设于定子支架的外侧；矢量控制板，设于定子支架上；三相绕组，缠绕于定子铁芯上，并与矢量控制板连接；六个MOS管，环设于矢量控制板上，并与矢量控制板连接；轮毂，套设于定子铁芯的外侧；燕尾凸台，相互间隔并环设于轮毂的内侧；SPOKE型转子铁芯，分别设于各燕尾凸台上；磁钢，内嵌于各SPOKE型转子铁芯间；前端盖，套设于主轴上，并位于轮毂的前端；后端盖，套设于主轴上，并位于轮毂的后端；编码器磁环，环设于前端盖的内侧。本发明的优点在于：极大地提升了轮毂电机安装的便捷性、运行的稳定性以及效率，降低了成本。

Description

一种凸极轮毂电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及轮毂电机系统技术领域，特别指一种凸极轮毂电机及其控制方法。

背景技术

传统的电动两轮车用轮毂电机多由分立的磁编码器、矢量控制器和轮毂电机组成。磁编码器一般固定在电机定子轴端的支架上，矢量控制器一般外置在电动两轮车的车架的尾部，这种布局方式不仅需要额外的空间放置矢量控制器，还需要延长轮毂电机相线和磁编码器信号线束连接到矢量控制器，这导致整个轮毂电机存在安装不便、线束成本增加、增加能量传输损耗以及位置信号丢失风险的缺点。

此外，传统的轮毂电机的转子磁钢表贴在导磁轮毂内圆面，属于隐极电机；电机的电磁转矩的数学表达式为

其中id表示直轴电流，id*iq*(Ld-Lq)表示磁阻转矩，隐极电机的控制策略多采用id＝0，完全没有利用到电机本身的磁阻转矩，导致轮毂电机的运行效率低下。

因此，如何提供一种凸极轮毂电机及其控制方法，实现提升轮毂电机安装的便捷性、运行的稳定性以及效率，降低成本，成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种凸极轮毂电机及其控制方法，实现提升轮毂电机安装的便捷性、运行的稳定性以及效率，降低成本。

第一方面，本发明提供了一种凸极轮毂电机，包括一定子组件以及一转子组件；

所述定子组件包括：

一主轴；

一定子支架，套设于所述主轴上；

一定子铁芯，套设于所述定子支架的外侧；

一矢量控制板，设于所述定子支架上；

一三相绕组，缠绕于所述定子铁芯上，并与所述矢量控制板连接；

六个MOS管，环设于所述矢量控制板上，并与所述矢量控制板连接；

所述转子组件包括：

一轮毂，套设于所述定子铁芯的外侧；

若干个燕尾凸台，相互间隔并环设于所述轮毂的内侧；

若干个SPOKE型转子铁芯，分别设于各所述燕尾凸台上；

若干个磁钢，内嵌于各所述SPOKE型转子铁芯间；

一前端盖，套设于所述主轴上，并位于所述轮毂的前端；

一后端盖，套设于所述主轴上，并位于所述轮毂的后端；

一编码器磁环，环设于所述前端盖的内侧。

进一步地，所述矢量控制板包括：

一环状PCB板，设于所述定子支架上；

一MCU，设于所述环状PCB板上；

一电流采样电路，与所述MCU连接，并设于所述环状PCB板上；

一霍尔信号采集电路，包括六个霍尔传感器，各所述霍尔传感器均与MCU连接，并设于所述环状PCB板上；

一MOS管驱动电路，一端与所述MCU连接，另一端与所述MOS管连接，并设于所述环状PCB板上；

一三相全桥电路，包括三个桥臂；各所述桥臂均由两个MOS管串联组成，且MOS管的门极与所述MOS管驱动电路连接；各所述桥臂的中点与电机的三相线相连，并设于所述环状PCB板上。

进一步地，还包括：

一保护屏障，设于所述矢量控制板的内侧，并覆盖所述霍尔传感器。

进一步地，所述保护屏障为塑料屏障。

进一步地，所述轮毂为玻璃纤维增强复合塑料轮毂。

进一步地，所述燕尾凸台与SPOKE型转子铁芯上的燕尾槽贴合。

进一步地，各所述霍尔传感器间相互间隔60°。

进一步地，所述定子支架上设有一用于固定矢量控制板的卡扣。

第二方面，本发明提供了一种凸极轮毂电机的控制方法，包括如下步骤：

步骤S10、MCU生成三相脉冲信号,经过MOS管驱动电路放大后驱动三相全桥电路给轮毂电机供电后，使转子组件旋转起来，带动编码器磁环旋转，霍尔传感器感应编码器磁环的磁信号并转换为电信号，MCU将所述电信号转换为轮毂电机的位置信号；

步骤S20、对轮毂电机进行全工况标定，并测量轮毂电机的输出转矩随d轴电流和q轴电流的变化关系；

步骤S30、基于轮毂电机的直流母线电压获取电压限制椭圆曲线，基于所述变化关系获取等转矩曲线；

步骤S40、在轮毂电机的恒转矩区间以相同相电流大小下转矩最大为约束条件，在轮毂电机的弱磁区间以达到设定最大电压利用率为约束条件，确定d轴电流和q轴电流的取值组合；

步骤S50、MCU通过电流采样电路对两相电流进行采样，并将采样的两相电流依次经过电流CLARK变换、电流PARK变换以及电压反PARK变换后，再利用SVPWM算法得出三相占空比，利用高级定时器基于所述三相占空比得到三相脉冲信号；

步骤S60、所述三相脉冲信号经过MOS管驱动电路进行放大后，控制MOS管的通断，在定子组件侧形成旋转的电压矢量，进而对轮毂电机进行变频控制。

进一步地，所述步骤S20中，所述全工况标定具体为：

让轮毂电机分别在80％额定电压、额定电压以及120％额定电压下，由零速加速到峰值转速，每隔预设的转速区间记录不同d轴电流和q轴电流下，轮毂电机的输出转矩，进而建立电压、转速以及输出转矩的对应关系。

本发明的优点在于：

1、通过将所述矢量控制板设于定子支架上，将所述编码器磁环设于前端盖的内侧，极大地缩短了连接到所述矢量控制板的线束长度，不需要额外的空间放置所述矢量控制板，减少了能量传输损耗，降低了位置信号丢失的风险，进而极大地提升了轮毂电机安装的便捷性、运行的稳定性，并降低了成本。

2、通过对轮毂电机进行全工况标定，基于恒转矩区间和弱磁区间确定d轴电流和q轴电流的取值组合，对两相电流进行采样得到三相占空比进而对轮毂电机的转矩进行矫正，避免给定电流的震荡，从而达到减小铜损的效果，且有效利用轮毂电机本身的磁阻转矩，进而极大地提升了轮毂电机运行的效率。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种凸极轮毂电机的爆炸图。

图2是本发明转子组件的结构示意图。

图3是本发明定子铁芯及三相绕组的结构示意图。

图4是本发明一种凸极轮毂电机的电路原理框图。

图5是本发明一种凸极轮毂电机的控制方法的流程图。

标记说明：

100-一种凸极轮毂电机，1-定子组件，2-转子组件，11-主轴，12-定子支架，13-定子铁芯，14-矢量控制板，15-三相绕组，16-MOS管，21-轮毂，22-燕尾凸台，23-SPOKE型转子铁芯，24-磁钢，25-前端盖，26-后端盖，27-编码器磁环，141-环状PCB板，142-MCU，143-电流采样电路，144-霍尔信号采集电路，145-MOS管驱动电路，146-三相全桥电路，231-燕尾槽，121-卡扣。

具体实施方式

请参照图1至图5所示，本发明一种凸极轮毂电机100的较佳实施例，包括一定子组件1以及一转子组件2；

所述定子组件1包括：

一主轴11；

一定子支架12，套设于所述主轴11上；

一定子铁芯13，套设于所述定子支架12的外侧；

一矢量控制板14，设于所述定子支架12上；

一三相绕组15，缠绕于所述定子铁芯13上，并与所述矢量控制板14连接；即所述三相绕组15的出线直接焊接到矢量控制板14的三相输入端；

六个MOS管16，环设于所述矢量控制板14上，并与所述矢量控制板14连接；所述MOS管16为功率开关器件，具有开通和关断功能，通过六个所述MOS管16不同的开关组合，给所述轮毂电机100输出所需的三相电压；

所述转子组件2包括：

一轮毂21，套设于所述定子铁芯13的外侧；

若干个燕尾凸台22，相互间隔并环设于所述轮毂21的内侧；

若干个SPOKE型转子铁芯23，分别设于各所述燕尾凸台22上；

若干个磁钢24，内嵌于各所述SPOKE型转子铁芯23间；

一前端盖25，套设于所述主轴11上，并位于所述轮毂21的前端；

一后端盖26，套设于所述主轴11上，并位于所述轮毂21的后端；

一编码器磁环27，环设于所述前端盖25的内侧。

所述矢量控制板14包括：

一环状PCB板141，设于所述定子支架12上；所述环状PCB板141的内径为23mm，外径为160mm；

一MCU142，设于所述环状PCB板141上；

一电流采样电路143，与所述MCU142连接，并设于所述环状PCB板141上；

一霍尔信号采集电路144，包括六个霍尔传感器(未图示)，各所述霍尔传感器均与MCU142连接，并设于所述环状PCB板141上；所述霍尔传感器用于采集编码器磁环27的磁场强度，输出线性电压值，然后通过所述MCU142计算得到轮毂电机100的位置信号；

一MOS管驱动电路145，一端与所述MCU142连接，另一端与所述MOS管16连接，并设于所述环状PCB板141上；所述MOS管驱动电路145用于通断MOS管16；

一三相全桥电路146，包括三个桥臂(未图示)；各所述桥臂均由两个MOS管16串联组成，且MOS管16的门极与所述MOS管驱动电路145连接；各所述桥臂的中点与电机100的三相线相连，并设于所述环状PCB板141上；所述三相全桥电路146用于将直流电源转换为轮毂电机100适配的交流电压，并集成三相输入端。

还包括：

一保护屏障(未图示)，通过胶粘剂设于所述矢量控制板14的内侧，并覆盖所述霍尔传感器。

所述保护屏障为塑料屏障，起到隔热、防尘的作用。

所述轮毂21为玻璃纤维增强复合塑料轮毂，玻璃纤维增强复合塑料是以玻璃及其制品(玻璃布、带、毡、纱等)作为增强材料，以合成树脂作基底材料的一种增强型复合材料，具备直径小、粘弹性、弹塑性、韧性大的优点，两种材料的结合有更低的热膨胀系数、尺寸稳定性增强、有利于提高装配精度、噪声显著降低、具有较强的耐酸碱腐蚀性、耐氧化、耐紫外线能力。

所述燕尾凸台22与SPOKE型转子铁芯23上的燕尾槽231贴合。

各所述霍尔传感器间相互间隔60°。

所述定子支架12上设有一用于固定矢量控制板14的卡扣121。

本发明的附图以极对数为P＝24，定子槽为Z＝54的内嵌式凸极轮毂电机为例加以说明，但并不局限于这种极槽配合。

本发明一种凸极轮毂电机的控制方法的较佳实施例，包括如下步骤：

步骤S10、MCU生成三相脉冲信号,经过MOS管驱动电路放大后驱动三相全桥电路给轮毂电机供电后，使转子组件旋转起来，带动编码器磁环旋转，霍尔传感器感应编码器磁环的磁信号并转换为电信号，MCU将所述电信号转换为轮毂电机的位置信号；

步骤S20、对轮毂电机进行全工况标定，并测量轮毂电机的输出转矩随d轴电流(直轴电流)和q轴电流(交轴电流)的变化关系；

步骤S30、基于轮毂电机的直流母线电压获取电压限制椭圆曲线，基于所述变化关系获取等转矩曲线；

步骤S40、在轮毂电机的恒转矩区间(额定转速以下)以相同相电流大小下转矩最大为约束条件，在轮毂电机的弱磁区间(额定转速以上属于弱磁区间，弱磁是一种策略，意指施加负直轴电流，削弱励磁磁场，从而达到转速上升的效果)以达到设定最大电压利用率为约束条件，确定d轴电流和q轴电流的取值组合；即实现轮毂电机电流轨迹的最优分配；

步骤S50、MCU通过电流采样电路对两相电流进行采样，并将采样的两相电流依次经过电流CLARK变换、电流PARK变换以及电压反PARK变换后，再利用SVPWM算法得出三相占空比，利用高级定时器基于所述三相占空比得到三相脉冲信号；

步骤S60、所述三相脉冲信号经过MOS管驱动电路进行放大后，控制MOS管的通断，在定子组件侧形成旋转的电压矢量，进而对轮毂电机进行变频控制。

所述步骤S20中，所述全工况标定具体为：

让轮毂电机分别在80％额定电压、额定电压以及120％额定电压下，由零速加速到峰值转速，每隔预设的转速区间记录不同d轴电流和q轴电流下，轮毂电机的输出转矩，进而建立电压、转速以及输出转矩的对应关系。

综上所述，本发明的优点在于：

1、通过将所述矢量控制板设于定子支架上，将所述编码器磁环设于前端盖的内侧，极大地缩短了连接到所述矢量控制板的线束长度，不需要额外的空间放置所述矢量控制板，减少了能量传输损耗，降低了位置信号丢失的风险，进而极大地提升了轮毂电机安装的便捷性、运行的稳定性，并降低了成本。

2、通过对轮毂电机进行全工况标定，基于恒转矩区间和弱磁区间确定d轴电流和q轴电流的取值组合，对两相电流进行采样得到三相占空比进而对轮毂电机的转矩进行矫正，避免给定电流的震荡，从而达到减小铜损的效果，且有效利用轮毂电机本身的磁阻转矩，进而极大地提升了轮毂电机运行的效率。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种凸极轮毂电机，其特征在于：包括一定子组件以及一转子组件；

所述定子组件包括：

一主轴；

一定子支架，套设于所述主轴上；

一定子铁芯，套设于所述定子支架的外侧；

一矢量控制板，设于所述定子支架上；

一三相绕组，缠绕于所述定子铁芯上，并与所述矢量控制板连接；

六个MOS管，环设于所述矢量控制板上，并与所述矢量控制板连接；

所述转子组件包括：

一轮毂，套设于所述定子铁芯的外侧；

若干个燕尾凸台，相互间隔并环设于所述轮毂的内侧；

若干个SPOKE型转子铁芯，分别设于各所述燕尾凸台上；

若干个磁钢，内嵌于各所述SPOKE型转子铁芯间；

一前端盖，套设于所述主轴上，并位于所述轮毂的前端；

一后端盖，套设于所述主轴上，并位于所述轮毂的后端；

一编码器磁环，环设于所述前端盖的内侧。

2.如权利要求1所述的一种凸极轮毂电机，其特征在于：所述矢量控制板包括：

一环状PCB板，设于所述定子支架上；

一MCU，设于所述环状PCB板上；

一电流采样电路，与所述MCU连接，并设于所述环状PCB板上；

一霍尔信号采集电路，包括六个霍尔传感器，各所述霍尔传感器均与MCU连接，并设于所述环状PCB板上；

一MOS管驱动电路，一端与所述MCU连接，另一端与所述MOS管连接，并设于所述环状PCB板上；

一三相全桥电路，包括三个桥臂；各所述桥臂均由两个MOS管串联组成，且MOS管的门极与所述MOS管驱动电路连接；各所述桥臂的中点与电机的三相线相连，并设于所述环状PCB板上。

3.如权利要求1所述的一种凸极轮毂电机，其特征在于：还包括：

一保护屏障，设于所述矢量控制板的内侧，并覆盖所述霍尔传感器。

4.如权利要求3所述的一种凸极轮毂电机，其特征在于：所述保护屏障为塑料屏障。

5.如权利要求1所述的一种凸极轮毂电机，其特征在于：所述轮毂为玻璃纤维增强复合塑料轮毂。

6.如权利要求1所述的一种凸极轮毂电机，其特征在于：所述燕尾凸台与SPOKE型转子铁芯上的燕尾槽贴合。

7.如权利要求1所述的一种凸极轮毂电机，其特征在于：各所述霍尔传感器间相互间隔60°。

8.如权利要求1所述的一种凸极轮毂电机，其特征在于：所述定子支架上设有一用于固定矢量控制板的卡扣。

9.一种凸极轮毂电机的控制方法，其特征在于：所述方法需使用如权利要求1至8任一项所述的轮毂电机，包括如下步骤：

步骤S10、MCU生成三相脉冲信号,经过MOS管驱动电路放大后驱动三相全桥电路给轮毂电机供电后，使转子组件旋转起来，带动编码器磁环旋转，霍尔传感器感应编码器磁环的磁信号并转换为电信号，MCU将所述电信号转换为轮毂电机的位置信号；

步骤S20、对轮毂电机进行全工况标定，并测量轮毂电机的输出转矩随d轴电流和q轴电流的变化关系；

步骤S30、基于轮毂电机的直流母线电压获取电压限制椭圆曲线，基于所述变化关系获取等转矩曲线；

步骤S40、在轮毂电机的恒转矩区间以相同相电流大小下转矩最大为约束条件，在轮毂电机的弱磁区间以达到设定最大电压利用率为约束条件，确定d轴电流和q轴电流的取值组合；

步骤S50、MCU通过电流采样电路对两相电流进行采样，并将采样的两相电流依次经过电流CLARK变换、电流PARK变换以及电压反PARK变换后，再利用SVPWM算法得出三相占空比，利用高级定时器基于所述三相占空比得到三相脉冲信号；

步骤S60、所述三相脉冲信号经过MOS管驱动电路进行放大后，控制MOS管的通断，在定子组件侧形成旋转的电压矢量，进而对轮毂电机进行变频控制。

10.如权利要求9所述的一种凸极轮毂电机的控制方法，其特征在于：所述步骤S20中，所述全工况标定具体为：

让轮毂电机分别在80％额定电压、额定电压以及120％额定电压下，由零速加速到峰值转速，每隔预设的转速区间记录不同d轴电流和q轴电流下，轮毂电机的输出转矩，进而建立电压、转速以及输出转矩的对应关系。

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