CN112415385A - 一种eps控制器中电机角度零位检测及零位标定方法 - Google Patents

Abstract

一种EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法，其控制器与电机安装在同一壳体内，在电机角度信号通过的电机轴上安装一颗圆形磁铁，控制器上的磁感应芯片的中心与圆形磁铁中心对齐。表面式永磁同步电机通过检测设备被伺服电机拖动旋转；用检测设备的探针测试其转动时的反电动势；将检测设备的探针扎到芯片的引脚测试点上提供信号；电机角度零位标定；给磁感应芯片断电，延时后再上电；测试标定结果：连续采集感应芯片的角度值，并对其进行存储和判断。本发明简化了电机的生产工艺，电机在出厂时电机零位不需要精确定位；可以在EPS控制器的零位检测设备中完成零位标定及零位检测，便于大规模生产应用。

Description

一种EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法

技术领域

本发明涉及同步电机控制技术领域，特别涉及一种EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法。

背景技术

为了满足EPS控制器总成(简称：EPS)产品平台化、标准化和工程化需求。设计一款结构紧凑、扩展性强、易于工程化实现，同时节约了EPS物料、研发及生产成本的EPS控制器总成(包括ECU和 PMSM)显得尤为重要。PMSM(Permanent-Magnet Synchronous Motor，永磁同步电机)广泛应用于电动助力转向系统EPS总成中，为了实现永磁同步电机的FOC控制，EPS控制器需采集电机角度信号。目前，国内大多数EPS厂家无刷控制系统采用旋转变压器和霍尔编码式作为FOC控制中电机角度输入信号。

传统的旋转变压器首先由专用芯片产生一组正弦激励信号给旋变原边,随后旋变副边产生两组输出信号；EPS控制器通过RDC电路将其模拟量转换成数字角度。旋转变压器虽然能够抵抗恶劣环境，但其机械安装和电气连接要求严格，其定子与转子之间的转动中心必须一致，保证气隙磁场的变化规律严格按照理论值变化；定子与转子之间轴向次中心线重合；装配式不能过紧或过松；且旋转变压器属于信号元件，易受噪音影响。

传统的霍尔编码式传感器PMSM利用霍尔效应制成的一种半导体器件，当器件置于磁场中，N极磁场接近时，器件输出高电平，S极此项接近时，器件输出低电平。EPS控制器通过HALL_A、HALL_B及 HALL_C确定电机角度区间，然后通过ENCODER_A和ENCODER_B计算精确角度信号。虽然其结构比旋转变压器小，但精度没有旋转变压器高，且电机生产过程中由于高温等原因霍尔容易失效，可靠性不高。这两种电机角度解析方式对电机厂的要求都比较高,而且都需要将其安装在电机上，工艺复杂，要通过线束与EPS控制器连接。

发明内容

本发明提出了一种生产工艺简单、电机出厂电机零位不需要精确定位、可以通过检测设备来完成电机零位检测及零位标定的EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法，EPS控制器包括控制器和永磁同步电机，其控制器与电机安装在同一壳体内，在电机角度信号通过电机轴上安装一颗圆形磁铁，随电机轴旋转；在EPS控制器PCB板上安装一颗磁感应芯片，该磁感应芯片的中心与圆形磁铁中心对齐。永磁同步电机在旋转过程中，磁感应芯片根据磁阻效应，检测电机角度变化，从而输出多种形式数字角度信号；永磁同步电机为表面式永磁同步电机；EPS控制器通过检测设备进行电机角度零位检测，EPS控制器中的电机角度零位检测方法的执行步骤如下：

S1通过使用检测设备将伺服电机对插到表面式永磁同步电机转子上，伺服电机用于拖动表面式永磁同步电机旋转；

S2将检测设备的探针扎到表面式永磁同步电机的三相端子上，测试电机转动时的反电动势；

S3将检测设备的探针扎到表面式永磁同步电机PCBA芯片引脚对应的测试点上提供信号；

S4对表面式永磁同步电机的角度进行零位标定；

S5给磁感应芯片断电，延时2S后，再次给磁感应芯片上电；

S6标定结果测试，表面式永磁同步电机定转速转动，连续采集多个U-V反电动势过正零点时，磁感应芯片的角度值，并对采集的磁感应芯片角度值进行存储和判断。

具体地，电机零位标定，在理想情况下，圆形磁铁的中心与磁感应芯片的中心相对后，在特定的情况下，为了补偿电机角度的变化需在磁感应芯片中编程角度偏移量，EPS控制器电机角度零位标定S4 的具体步骤如下：

S41：初始化磁感应芯片与EPS控制器通讯；

S42：解锁磁感应芯片内部EEPROM存储器；

S43：控制表面式永磁同步电机定转速旋转采集电机的反电动势。

当表面式永磁同步电机旋转稳定后,检测设备连续采集多组U-V 线反电动势过正零点时，磁感应芯片的角度值β,β值大于120就减去 120，β值大于240就减去240，同步采集的时间滞后不得超过50μs，采样速率20K；根据公式α＝β-2π/12n+2π/(3n)，计算出9个α值，offset值为α的平均值；将offset值写入磁感应芯片的EEPROM寄存器 (拓展寄存器)中，并存储9个α值和offset值。

本发明产生的有益效果如下：

1、控制器壳体与电机壳体为一体式结构，简化电机的生产工艺，电机在出厂时电机零位不需要精确定位，采用的磁感应芯片可提供两种数字信号通路，主路通过PLL产生高精度、低延时角度信号，另一路低功耗信号通路应用于记圈功能、磁场测量及诊断比较；

2、可以通过检测设备完成表面式永磁同步电机零位标定及零位检测，便于大规模生产应用。

附图说明

图1为本发明的部分结构图；

图2为本发明的电机线反电动势与磁感应芯片解析角度关系图；

图中：

1——圆形磁铁 2——磁感应芯片 3——PCB板

4——电机轴 5——电机转子。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解所述术语的具体含义。

一种EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法，EPS控制器包括控制器和永磁同步电机，其控制器与电机安装在同一壳体内，在电机角度信号通过电机轴4上安装一颗圆形磁铁1，在EPS控制器 PCB板3上安装一颗磁感应芯片2，该磁感应芯片2与圆形磁铁1中心对齐如图1所示。当永磁同步电机在旋转过程中，磁感应芯片2根据磁阻效应，检测电机角度变化，从而输出PWM、SPI、ABI(或UVW) 等多种形式数字角度信号，永磁同步电机为表面式永磁同步电机，EPS 控制器通过检测设备进行电机角度零位检测。

具体地，EPS控制器总成的零位检测方法的执行步骤如下：

S1通过使用检测系统的设备将伺服电机对插到表面式永磁同步电机转子5上，伺服电机用于拖动表面式永磁同步电机旋转；

S2将检测设备的探针扎到表面式永磁同步电机的三相端子上，测试电机转动时的反电动势；

S3将检测设备的探针扎到表面式永磁同步电机PCB板3上的磁感应芯片2的引脚对应的测试点上提供信号；

S4对表面式永磁同步电机角度进行零位标定；

S5磁感应芯片2断电，延时2s后，再次给磁感应芯片2上电；

S6标定结果测试表面式永磁同步电机定转速转动，检测设备连续采集6个U-V反电动势过正零点时感应芯片2的角度值，并对采集的磁感应芯片角度值进行存储和判断。

具体地，伺服电机与表面式永磁同步电机是直接连接的。

优选地，表面式永磁同步电机PCB板3上的磁感应芯片2采用用于测量角度的芯片A1333，需要用到芯片A1333的6个引脚，分别是2号VCC引脚，为测试点T519、5号GND引脚、8号CS/SA0引脚，为测试点T504、9号SCLK引脚，为测试点T503、10号MOSI/SA1引脚，为测试点T502、11号MISO引脚,为测试点T501。该芯片可以直接输出数字角度，还可自由选择多种角度信号输出形式如SPI、UVW、 ABI、PWM。用于计算输出角度的内部算法如下：

Angle_out＝Angle_RAW-ZERO_OFFSET

ZERO_OFFSET存储在磁感应芯片A1333的EEPROM中。

具体地，电机零位标定，在理想情况下，圆形磁铁1的中心与磁感应芯片2的中心相对后，在特定的情况下，为了补偿电机角度的变化需在磁感应芯片2中编程角度偏移量，EPS控制器的电机角度零位标定S4的具体步骤如下：

S41：初始化磁感应芯2片与EPS控制器通讯；

S42：解锁磁感应芯片2内部EEPROM存储器；

S43：控制表面式永磁同步电机定转速旋转采集电机的反电动势。

具体地，当表面式永磁同步电机旋转稳定后,检测设备连续采集多组U-V线反电动势过正零点时，磁感应芯片2的角度值β，β值大于 120就减去120，β值大于240就减去240，同步采集时间滞后不得超过50μs，采样速率20K。

根据公式α＝β-2π/12n+2π/(3n)，计算出各组的α值，offset 值为α的平均值；将offset值写入磁感应芯片的EEPROM寄存器(拓展寄存器)中，并存储α值和offset值。

上式中n＝3时，α＝β+30；n＝4时，α＝β+22.5。

具体地，零位检测方法执行步骤的标定结果测试中磁感应芯片2 的角度值的计算公式为：2π/n-(2π/(3n)-2π/(12n))+2πk/n，误差为±1°。

磁感应芯片2的角度为：90+120k，n＝3时，k＝0,1,2。

磁感应芯片2的角度为：67.5+90k，n＝4时，k＝0,1,2.3。

如图2所示的EPS控制器的另一种电机角度零位标定方法：因为测量线反电动势方便，直接测量U-V线反电动势的波形过零点时与解析角度的相位差β；推导磁感应芯片解析角度与机械角度的相位差，即图2中12槽8极、n＝4，9槽6极、n＝3，(α-β-π/6n)的值，将差值补偿到磁感应芯片对应程序，进行标定工作。

本实施例EPS控制器总成的控制器与电机安装在同一壳体内，简化电机的生产工艺，电机出厂时电机零位不需要精确定位，采用的磁感应芯片可提供两种数字信号通路，主路通过PLL产生高精度、低延时角度信号，另一路低功耗信号通路应用于记圈功能、磁场测量及诊断比较；可以通过检测设备完成表面式永磁同步电机零位标定及零位检测，便于大规模生产应用。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内，如选用其他基于磁阻效应的磁感应芯片也是适用的。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (7)

1.一种EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法，所述EPS控制器包括控制器和永磁同步电机，所述的控制器与永磁同步电机安装在同一壳体内，在电机角度信号通过的电机轴(4)上安装一颗圆形磁铁(1)，所述圆形磁铁(1)随电机轴(4)旋转；在所述控制器的PCB板(3)上安装一颗磁感应芯片(2)，所述磁感应芯片(2)中心与圆形磁铁(1)中心相对；其特征在于：所述EPS控制器通过检测设备进行电机角度零位检测，所述EPS控制器的零位检测方法执行步骤如下：

S1通过所述检测设备将伺服电机对插到永磁同步电机转子上，所述伺服电机用于拖动永磁同步电机旋转；

S2将所述检测设备的探针扎到永磁同步电机的三相端子上，测试电机转动时的反电动势；

S3将所述检测设备的探针扎到永磁同步电机PCBA的磁感应芯片的引脚测试点上提供信号；

S4所述永磁同步电机角度进行零位标定；

S5所述磁感应芯片断电，延时一定时间后，磁感应芯片再次上电；

S6标定结果测试：所述永磁同步电机定转速转动，连续采集多个U-V反电动势过正零点时，磁感应芯片的角度值，并对采集的磁感应芯片角度值进行存储和判断。

2.根据权利要求1所述EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法，其特征在于：所述伺服电机与永磁同步电机直接连接。

3.根据权利要求1所述EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法，所述电机零位标定，在理想情况下，圆形磁铁的中心与磁感应芯片的中心相对，在特定的情况下，为了补偿电机角度的变化需在磁感应芯片中编程角度偏移量，所述零位检测方法步骤中的零位标定S4的具体步骤如下：

S41：初始化所述磁感应芯片与EPS控制器通讯；

S42：解锁所述磁感应芯片内部EEPROM存储器；

S43：控制所述永磁同步电机定转速旋转采集磁感应芯片的角度值β。

4.根据权利要求1或3所述的EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法，其特征在于：所述永磁同步电机定转速旋转稳定后，所述检测设备连续采集多组U-V线反电动势过正0点时的磁感应芯片角度值β，同步采集时的采样速率为20K；根据公式α＝β-2π/12n+2π/(3n)，计算出各组的α值，offset值为α的平均值；将offset值写入磁感应芯片的EEPROM寄存器或者拓展寄存器中，并存储计算出的α值和offset值。

5.根据权利要求3或4所述的EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法，其特征在于：所述磁感应芯片的角度值β，当β值大于120，就减去120；当β值大于240，就减去240。

6.根据权利要求1或3所述的EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法，其特征在于：所述检测设备在同步采集磁感应芯片的角度值β时，时间滞后不能超过50μs。

7.根据权利要求1所述EPS控制器中电机角度零位检测及零位标定方法，其特征在于：所述标定结果测试中磁感应芯片的角度值的计算公式为：2π/n-(2π/(3n)-2π/(12n))+2πk/n，其误差为±1°。

Images