CN114844399A - 永磁同步电机的位置解析电路、方法及其控制电路和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种永磁同步电机的位置解析电路、方法及其控制电路和系统。该位置解析电路包括：信号处理模块，被配置为将测量信号进行偏差修正，并输出包含永磁同步电机的外转子位置信息的采样信号；模数转换模块，被配置为将采样信号转换成数字信号；以及解析模块，被配置为对数字信号进行解析，以输出外转子的角度信息和转速信息。其中，该解析模块通过设计滞环比较将反正切算法和锁相环算法的角度进行融合补偿，可以输出抗干扰能力强、实时性高的角度信息，实现高性能和高效率的电机控制。

Description

永磁同步电机的位置解析电路、方法及其控制电路和系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，更具体地涉及一种永磁同步电机的位置解析电路、方法及其控制电路和系统。
背景技术
现有的跑步机的控制主要采用直流有刷电机控制系统、交流异步电机控制系统。采用直流有刷电机优点在于结构简单、控制系统简单、成本较低，但是采用直流有刷电机的缺点在于：存在换向碳刷，使得电机在工作过程中噪声很大，长时间运行还会造成碳刷的磨损，从而使得噪声问题越来越严重；采用交流异步电机的优点在于维护维修简单经济且结构简单，设计生产方便，采用交流异步电机的缺点在于：在同等功率下，交流异步电机体积更大，耗能更高，从而造成家用跑步机占地面积大且不节能。
上述两种电机应用下的跑步机噪声大，体积大，能耗高，大大降低了家庭用户使用的舒适感，采用永磁同步电机很好的解决了直流有刷电机的碳刷磨损问题，且相较于交流异步电机，其功率密度更大，非常适合家用跑步机这种紧凑空间下的动力需求应用。
图1示出了传统的永磁同步电机位置信号采集处理电路的电路示意图。如图1所示，传统的永磁同步电机位置信号采集处理电路100包括电阻R11~R16和电容C11~C13，其对电机101输出的3个开关霍尔高低电平HU1、HV1、HW1进行检测，并将检测到的三个信号HU、HV、HW输出至控制器102，由控制器102将其转换为数字信号组合，得到6种位置状态。经过程序算法对该离散的6个角度进行插值处理，得到线性角度用于控制系统的电机控制。
图2a和图2b分别示出了传统的无刷电机位置信号采集处理电路的角度和电机电流的变化示意图。其中图2a中的①为采样信号经过控制器102引脚电平读取并组合为数字信号表示的位置扇区号。电机101中的3个开关型霍尔器件按照120°的方式安装，则正常工作时可以表现出1~6共6种状态，该6种状态即表示电机旋转一周所处的6个等分位置，如图2a中的②所示。因为3个开关型霍尔器件只能表示出6个位置，因此每个位置扇区的分辨率为60°，为了得到更高的角度分辨率，只能采用插值法进行处理，插值法的原理如下：
当电机运行接近匀速或者加速度较小时，可认为电机在相邻扇区时速度恒定，因此可将上一个扇区位置时的速度作为本次扇区位置的速度。然后再计算当前扇区的持续时间，即可通过速度乘以当前时间得到实时位移角度，如图2a中的③所示。假设电机在上一位置扇区N的时间为Tp，则速度为VP=60°/Tp，若当前扇区的持续时间为Tc，则当前实时位置Xc可计算为：Xc=N+Vp×Tc。
如上所述，在传统的无刷控制系统中，由于电机位置传感器为3个开关型霍尔器件，其只能输出6个位置状态，因此分辨率只有60°。对于SVPWM（Space Vector Pulse WidthModulation，空间矢量脉宽调制）矢量控制系统而言，更低的分辨率意味着更差的电机控制电流及运转噪音。为了解决这一问题，传统无刷控制系统对离散的60°角度进行插值处理，通过估算角度方式进行角度线性化，该技术可使控制系统输出比离散角度更平滑的控制电流，但在跑步机这种冲击负载下，受速度波动影响，位置估算误差也会变大，在基于转子磁场定向的矢量控制系统中，存在位置误差就意味着最大扭矩损失及效率损失。在低速工况下运行，由于受到开关霍尔的安装精度及感应误差影响，且基于估算和校正的思想，因此传统无刷控制系统在跑步机应用中无法做到很好的低速扭矩性能及用户使用脚感。
相较于上述开关型霍尔传感器估测转子位置，现有技术也采用磁编码器应用到永磁同步电机控制系统中。磁编码器虽然具有高精度和高分辨率的特点，但在外转子电机控制系统中，其实现方式复杂且成本将大大增加，不适用于家用跑步机电机控制系统。
综上，因此亟需开发一种输出具有磁编码器精度的电机位置角度信号，实现方式简单，成本较低，而且适合跑步机运行的高性能和高效率的永磁同步电机控制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机的位置解析电路、方法及其控制电路和系统，可以获得精确的电机位置角度信息，实现高性能和高效率的电机控制。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种永磁同步电机的位置解析电路，接收所述永磁同步电机旋转时输出的测量信号，所述位置解析电路包括：信号处理模块，被配置为将所述测量信号进行偏差修正，并输出包含所述永磁同步电机的外转子位置信息的第一采样信号和第二采样信号；模数转换模块，被配置为将所述第一采样信号转换成第一数字信号，将所述第二采样信号转换成第二数字信号；以及解析模块，被配置为对所述第一数字信号和第二数字信号进行解析，以输出所述外转子的角度信息和转速信息。
可选的，所述解析模块包括：锁相环算法模块，被配置为根据所述第一数字信号和第二数字信号通过锁相环函数计算得到第一角度值；反正切算法模块，被配置为根据所述第一数字信号和第二数字信号通过反正切函数计算得到第二角度值；以及滞环比较模块，被配置为基于所述第一角度值和所述第二角度值之间的角度偏差对所述第一角度值进行补偿，得到表征所述永磁同步电机的外转子位置的角度信息。
可选的，所述滞环比较模块包括：求差单元，被配置为将所述第一角度值和所述第二角度值作差，获得二者之间的角度偏差；条件判断单元，被配置为获得所述角度偏差的绝对值与设定的控制阈值的比较结果；第一条件动作单元，被配置为在所述比较结果表征所述角度偏差的绝对值小于所述控制阈值时，输出第一补偿角；以及第二条件动作单元，被配置为在所述比较结果表征所述角度偏差的绝对值大于所述控制阈值时，输出第二补偿角。
可选的，所述第一补偿角为所述角度偏差，所述第二补偿角为前一次小于所述控制阈值的角度偏差。
可选的，所述解析模块还包括：取模单元，用于得到所述角度偏差的绝对值。
可选的，所述解析模块还包括：合并模块，用于接收所述第一补偿角或第二补偿角；以及求和模块，用于将所述合并模块的输出与所述第一角度值叠加，从而得到所述角度信息。
可选的，所述锁相环算法模块还配置为根据所述第一数字信号和所述第二数字信号计算得到表征所述外转子转速的转速信息。
可选的，所述锁相环算法模块配置为基于公式：sin(θ－θ*)=sinθ×cosθ*－cosθ×sinθ*构建PI调节器，其中θ*表示观测角度，θ表示实际角度，通过控制观测角度θ*跟随实际角度θ得到所述转速信息。
可选的，所述永磁同步电机设置有至少两个线性霍尔传感器，被配置为在所述永磁同步电机旋转时输出所述测量信号，所述测量信号至少包括第一测量信号和第二测量信号，所述第一测量信号具有正弦波形的形状，所述第二测量信号具有余弦波形的形状。
可选的，所述信号处理模块包括：第一信号处理模块，被配置为根据所述第一测量信号转换得到第一采样信号；以及第二信号处理模块，被配置为根据所述第二测量信号转换得到第二采样信号。
可选的，所述第一信号处理模块和所述第二信号处理模块均包括：差分放大单元，与所述永磁同步电机的测量信号输出端连接，被配置为将所述测量信号放大以得到输出电压；以及低通滤波单元，与所述差分放大单元的输出端连接，被配置为根据所述输出电压提供所述采样信号。
可选的，所述差分放大单元包括：第一电阻，其第一端与所述永磁同步电机的测量信号输出端连接；运算放大器，其正相输入端与所述第一电阻的第二端连接，输出端用于提供所述输出电压；第一电容，其第一端与所述运算放大器的正供电端连接，第二端接地；以及第二电阻和第二电容，并联连接于所述运算放大器的反相输入端和输出端之间。
可选的，所述低通滤波单元包括：第三电阻，其第一端与所述差分放大单元的输出端连接，第二端与所述采样信号的输出端连接；以及第三电容，其第一端与所述第三电阻的第二端连接，第二端接地。
可选的，所述测量信号还包括与所述第一测量信号互补的第三测量信号，以及与所述第二测量信号互补的第四测量信号，所述差分放大单元还包括：第四电阻和第四电容，其第一端与参考电压连接，第二端与所述运算放大器的正相输入端连接；以及第五电阻，其第一端与所述永磁同步电机的测量信号的互补输出端连接，第二端与所述运算放大器的反相输入端连接。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种永磁同步电机的位置解析方法，包括：接收所述永磁同步电机旋转时输出的测量信号；将所述测量信号进行偏差修正，输出包含所述永磁同步电机的外转子位置信息的第一采样信号和第二采样信号；将所述第一采样信号转换成第一数字信号，将所述第二采样信号转换成第二数字信号；以及对所述第一数字信号和第二数字信号进行解析，输出所述外转子的角度信息和转速信息。
可选的，所述对所述第一数字信号和第二数字信号进行解析，输出所述外转子的角度信息和转速信息的步骤包括：根据所述第一数字信号和第二数字信号通过锁相环函数计算得到第一角度值；根据所述第一数字信号和第二数字信号通过反正切函数计算得到第二角度值；以及基于所述第一角度值和所述第二角度值之间的角度偏差对所述第一角度值进行补偿，得到表征所述永磁同步电机的外转子位置的角度信息。
可选的，所述基于所述第一角度值和所述第二角度值之间的角度偏差对所述第一角度值进行补偿，得到表征所述永磁同步电机的外转子位置的角度信息的步骤包括：将所述第一角度值和所述第二角度值作差，获得二者之间的角度偏差；获得所述角度偏差的绝对值与设定的控制阈值的比较结果；在所述比较结果表征所述角度偏差的绝对值小于所述控制阈值时，输出第一补偿角；以及在所述比较结果表征所述角度偏差的绝对值大于所述控制阈值时，输出第二补偿角。
可选的，所述第一补偿角为所述角度偏差，所述第二补偿角为前一次小于所述控制阈值的角度偏差。
可选的，所述基于所述第一角度值和所述第二角度值之间的角度偏差对所述第一角度值进行补偿，得到表征所述永磁同步电机的外转子位置的角度信息的步骤还包括：将所述第一补偿角或所述第二补偿角与所述第一角度值叠加，从而得到所述角度信息。
可选的，所述对所述第一数字信号和第二数字信号进行解析，输出所述外转子的角度信息和转速信息的步骤还包括：根据所述第一数字信号和第二数字信号通过锁相环函数计算得到表征所述外转子转速的转速信息。
可选的，所述根据所述第一数字信号和第二数字信号通过锁相环函数计算得到表征所述外转子转速的转速信息的步骤包括：基于公式：sin(θ－θ*)=sinθ×cosθ*－cosθ×sinθ*构建PI调节器，其中θ*表示观测角度，θ表示实际角度，通过控制观测角度θ*跟随实际角度θ得到所述转速信息。
可选的，所述测量信号至少包括第一测量信号和第二测量信号，所述第一测量信号具有正弦波形的形状，所述第二测量信号具有余弦波形的形状。
可选的，所述测量信号还包括与所述第一测量信号互补的第三测量信号，以及与所述第二测量信号互补的第四测量信号。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种永磁同步电机的控制电路，所述永磁同步电机设置有至少两个线性霍尔传感器，被配置为在所述永磁同步电机旋转时输出测量信号，所述控制电路包括：电流采样电路，被配置为检测所述永磁同步电机输出的三相电流；上述的位置解析电路；以及驱动控制电路，被配置为基于所述位置解析电路输出的角度信息和所述转速信息以及所述三相电流提供控制信号，以控制所述永磁同步电机的驱动动作。
根据本发明实施例的第四方面，提供了一种电机控制系统，包括：逆变器电路；永磁同步电机，设置有至少两个线性霍尔传感器，被配置为在所述永磁同步电机旋转时输出测量信号；电流采样电路，被配置为检测所述永磁同步电机输出的三相电流；上述的位置解析电路；以及驱动控制电路，被配置为基于所述位置解析电路输出的角度信息和所述转速信息以及所述三相电流向所述逆变器电路提供控制信号，以控制所述永磁同步电机的驱动动作。
可选的，所述永磁同步电机包括：外转子组件；前端盖和后端盖，分别设置在所述外转子组件的两端并形成空腔；定子组件，设置在所述空腔内；磁环组件，设置在所述后端盖上，所述磁环组件可以提供正弦的充磁磁场；以及霍尔板组件，设置有至少两个线性霍尔传感器，被配置为感应所述正弦的充磁磁场，以输出测量信号。
可选的，所述线性霍尔传感器的数量为两个，且两个所述线性霍尔传感器在所述霍尔板组件上呈正交的方式安装。
可选的，所述线性霍尔传感器的数量为四个，且四个所述线性霍尔传感器在所述霍尔板组件上呈中心对称的方式安装。
可选的，所述至少两个线性霍尔传感器设置在所述霍尔板组件的边缘部分。
可选的，所述永磁同步电机还包括：屏蔽罩组件，设置在所述定子组件的下端，且与所述定子组件围绕转轴共轴对准。
可选的，所述屏蔽罩组件上设有霍尔板安装槽，用于放置所述霍尔板组件。
可选的，所述屏蔽罩组件与所述定子组件的端面之间具有第二间隙。
可选的，所述第二间隙的宽度大致为5mm。
可选的，所述定子组件同轴地设置于所述外转子组件内。
可选的，所述外转子组件与所述定子组件围绕转轴共轴对准。
可选的，所述磁环组件可操作性地联接到所述外转子组件，所述磁环组件和所述外转子组件被配置为作为一体围绕所述转轴相对于所述定子组件旋转。
可选的，所述至少两个线性霍尔传感器被配置为当所述外转子组件相对于所述定子组件旋转时，根据所述磁环组件的正弦的充磁磁场来产生所述测量信号。
可选的，所述测量信号表征所述充磁磁场的磁通密度。
可选的，所述磁环组件与所述霍尔板组件紧凑配合，以达到高精度的测量信号。
可选的，所述磁环组件被配置为封闭的环形圈。
可选的，所述封闭的环形圈的边缘表面被配置为直接面对所述霍尔板组件上的四个线性霍尔传感器。
可选的，所述磁环组件与所述霍尔板组件之间具有第一间隙。
可选的，所述第一间隙的宽带范围为2mm~5mm。
可选的，所述前端盖还设有第一轴承座，用于安装第一轴承。
可选的，所述后端盖还设有第二轴承座，用于安装第二轴承。
可选的，所述驱动控制电路包括：坐标变换模块，配置为将所述电流采样电路输出的三相电流通过Clark变换和Park变换后输出两相同步电流；第一求差模块，配置为将控制面板输出的转速信息与所述位置解析电路输出的转速信息进行作差运算；第一PI调节模块，配置为将所述第一求差模块比较的差值通过PI调节后输出第一参考电流；第二求差模块，配置为将所述第一PI调节模块输出的第一参考电流与所述坐标变换模块输出的两相电流中的一个进行作差运算；第二PI调节模块，配置为将所述第二求差模块比较的差值通过PI调节后输出第一参考电压；第三求差模块，配置为将第二参考电流与所述坐标变换模块输出的两相电流中的另一个进行作差运算；第三PI调节模块，配置为将所述第三求差模块比较的差值通过PI调节后输出第二参考电压； Park反变换模块，配置为将所述第一参考电压和所述第二参考电压通过Park反变换输出两相静止直角坐标系下的两相控制电压；以及空间矢量脉宽调制模块，配置为将所述两相控制电压进行空间矢量脉宽调制，输出PWM波形至所述逆变器电路。
综上所述，本发明提供的永磁同步电机在传统的外转子永磁同步电机的基础上，使用线性霍尔传感器代替3个开关型霍尔器件，可以测量连续的磁环磁场，并且输出连续的测量信号，区别于传统的开关型霍尔只能获取粗略的离散角度，线性霍尔传感器可以获取连续的电机位置角度信息，不需要经过插值算法进行估算，不存在角度误差，测量更精确。
此外，本发明提供使用线性霍尔传感器测量电机位置角度，并且既可以使用正交的两线性霍尔进行测量，也可以使用四个中心对称的线性霍尔进行测量。
进一步的，使用中心对称方式安装的四个线性霍尔，可以输出两组互补的测量信号，一方面，可以消除霍尔器件不一致以及磁环充磁不一致带来的影响，另一方面，经过差分放大电路可以实现大电流强磁环境下共模干扰的抑制，提高了控制系统的抗干扰能力。
进一步的，本发明通过设计滞环比较将反正切算法和锁相环算法的输出角度进行融合补偿。反正切算法计算位置角度具有实时性高的特点，锁相环算法计算位置角具有可靠性高，抗干扰能力强的特点，利用滞环比较输出补偿角度对锁相环算法计算的位置角进行补偿，可以输出抗干扰能力强，实时性高的角度信息。并且，通过锁相环算法可以直接输出用于速度闭环控制的转速信息。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出了传统的永磁同步电机位置信号采集处理电路的电路示意图；
图2a示出了传统的无刷电机位置信号采集处理电路的角度变化示意图；
图2b示出了传统的无刷电机位置信号采集处理电路的电机电流变化示意图；
图3示出了根据本发明的永磁同步电机的立体分解图；
图4示出了根据本发明的永磁同步电机的横截面的示意图；
图5示出了根据本发明的永磁同步电机的局部放大示意图；
图6示出了根据本发明的永磁同步电机的局部剖视图；
图7示出了根据本发明的永磁同步电机中的霍尔板组件的一种结构示意图；
图8示出了图7的霍尔板组件的输出信号的波形示意图；
图9示出了一种用于两个正交的线性霍尔传感器的信号处理电路的电路示意图；
图10示出了根据本发明的永磁同步电机中的霍尔板组件的另一种结构示意图；
图11示出了图10的霍尔板组件的输出信号的波形示意图；
图12示出了本发明的四个中心对称的线性霍尔传感器对干扰波形自动纠正的示意图；
图13示出了一种用于四个中心对称的线性霍尔传感器的信号处理电路的电路示意图；
图14示出了根据本发明的用于永磁同步电机的控制电路的电路示意图；
图15示出了根据本发明的解析模块的电路示意图；
图16示出了图15中的锁相环算法模块的原理示意图；
图17示出了图15中的反正切算法模块的原理示意图；
图18示出了根据本发明的一种电机控制系统的电路示意图；
图19a示出了根据本发明的电机控制系统的输出角度的波形示意图；
图19b示出了根据本发明的电机控制系统的电机电流的波形示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本申请的发明人通过研究发现，传统无刷控制系统由于使用了外转子永磁同步电机，很好的解决了直流有刷电机的碳刷磨损问题，且相较于交流异步电机，其功率密度更大，非常适合家用跑步机这种紧凑空间下的动力需求应用。本申请在外转子永磁同步电机的基础上，使用若干个线性霍尔传感器代替3个开关型霍尔器件，使得其的输出具有磁编码器精度的电机位置角度信号，可实现高性能和高效率的电机控制。
本发明提供了一种永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）200。永磁同步电机200是一种无刷电机，也被称为电子换向（EC）电机，PMSM是在转子/转子壳体内部使用永磁体代替绕组的同步电机。永磁同步电机200由直流电源通过集成的逆变器/开关电源供电，产生交变电信号以驱动电极。交变电信号包括双向电流。与有刷直流电机相比，无刷电机具有多种优势，包括高转矩重量比、更高的每瓦转矩（提高效率）、增加可靠性、降低噪音、更长的使用寿命（无碳刷和换向器侵蚀）、消除换向器的电离火花、并整体降低电磁干扰（EMI）。
图3示出了根据本发明的永磁同步电机的立体分解图，图4示出了根据本发明的永磁同步电机的横截面的示意图，图5示出了根据本发明的永磁同步电机的局部放大示意图，如图3、图4和图5所示，永磁同步电机200可以包括转轴1、外转子组件2、定子组件3、前端盖4、后端盖5、屏蔽罩组件6、霍尔板组件7和磁环组件8。
其中，外转子组件2可以包括转子壳体和连接到转子壳体上的至少一个转子磁体（图中未示出）。转子磁体可以是相当于提供磁通的至少一个转子磁对极。在一些实施例中，转子磁极可以是永磁体，并且转子磁对极是N极与S极。转子磁极可以由诸如铁氧体或粘结NdFeB的磁性材料制成。在一些实施例中，可以通过该多个磁体。多个磁体可以相当于多个转子磁对极。多个转子磁对极可以是以交替形式（例如N-S-N-S-N-S）提供的相对磁极。多个转子磁体可以被配置为产生磁通。
定子组件3可以同轴地设置在外转子组件2的内部。外转子组件2和定子组件3可以围绕转轴1共轴对准。其中，外转子组件2的两端分别安装前端盖4和后端盖5并形成空腔，定子组件3位于空腔内，并与外转子组件2同轴设置，前端盖4和后端盖5中分别设有第一轴承座41和第二轴承座51，第一轴承座41和第二轴承座51内分别安装有第一轴承91和第二轴承92。转轴1与外转子组件2连接，外转子组件2套在定子组件3外，转轴1支撑在第一轴承91和第二轴承92上。屏蔽罩组件6安装在定子组件3的下端，且与定子组件3围绕转轴1共轴对准，屏蔽罩组件6上设有霍尔板安装槽61，霍尔板安装槽61中放置有霍尔板组件7，所述后端盖5上还安装有磁环组件8，磁环组件8安装连接在转轴1的尾端，所述磁环组件8位于霍尔板组件7的下方，磁环组件8与霍尔板组件7紧凑配合可以达到高精度的反馈信号，更准确的判断转子位置，提高控制精度。
永磁同步电机还可以包括围绕定子的多个绕组（未示出）。在图3所示的例子中，定子组件3可以是径向绕组定子。在径向绕组定子中，每个定子磁极从定子轮毂的圆周径向延伸以形成径向延伸部分，并且在径向延伸部分的端部处切向地膨胀以形成切向延伸部分。在一些替代实施例中，定子组件3可以是轴向绕组定子。在轴向绕组定子中，每个定子磁极在与径向方向正交的方向上围绕定子轮毂的圆周横向地延伸。
当电流通过绕组时，多个绕组和定子被转换成电磁体（定子磁极）。电流例如可以是三相电流。控制电路可以被配置为产生正弦电流，用于给定子上的绕组通电以驱动外转子组件2。控制电路可以被配置为引导外转子组件2的旋转。控制电路被配置为通过使用一个或多个位置传感器测量转子的旋转位置来确定转子相对于定子的方向/位置。
永磁同步电机可以由直流（DC）电源通过开关电源供电。开关电源可以是集成逆变器。开关电源可以被配置为产生双向直流电。在一些情况下，双向直流电具有正弦波形。或者，双向直流电具有方波波形。可选的，双向直流电可以具有锯齿波形。双向直流电的任何类型的波形都可以被考虑。
图6示出了根据本发明的永磁同步电机的局部剖视图。如前所述，屏蔽罩组件6安装在定子组件3的下端，且与定子组件3围绕转轴1共轴对准。在一些实施例中，屏蔽罩组件6与定子组件3的端面存在一定的间隙。该间隙可以为空气间隙。在一些实施例中，间隙的宽度范围为约5mm。可选地，间隙的宽度可以小于5mm，或者间隙的宽度可以大于5mm。
在一些实施例中，磁环组件8可以是封闭的环形圈。封闭的环形圈的边缘表面可以被配置为直接面对霍尔板组件7上的至少两个线性霍尔传感器。示例地，磁环组件8与霍尔板组件7之间也保持一定的间隙。在一些实施例中，间隙的宽度范围为约2mm~约5mm。
在图6中，外转子组件2可以被配置为相对于定子组件3围绕转轴1旋转。外转子组件2可以包括设置在转子壳体的内部部分上的多个转子磁体，使得当转子壳体和转子磁体围绕旋转轴旋转时，转子磁体依次面对多个定子磁体。转子壳体可以以角速度ω旋转。角速度ω可以由至少两个线性霍尔传感器来测量。当电机工作时，霍尔板组件7固定不动，外转子组件2带着磁环组件8一起旋转，因磁环组件8具有正弦充磁磁场，因此霍尔板组件7上的至少两个线性霍尔传感器由于其特性，可以感应正弦变化的磁场，继而输出正弦波形的测量信号。
传统方案中，位置传感器直接置于永磁同步电机的强磁环境下，随着磁场大小的变化，得到的磁极位置也会存在偏差，且位置传感器易受到强磁干扰甚至导致电子器件损坏。本申请采用外置磁环组件8的方式将永磁同步电机主磁场与位置检测磁场物理隔离，避免永磁同步电机具有大电流时磁场对位置传感器产生不良影响，有效提高位置检测的精度、抗干扰性以及稳定性。
此外，在永磁同步电机尺寸受到限制的应用场景中（例如电机长度受限，需要做短），霍尔板组件7和磁环组件8需要靠近永磁同步电机主磁场，在大电流强磁环境下，其可能会受到干扰，导致检测精度以及稳定性降低。本申请通过屏蔽罩组件6实现径向导磁、轴向隔磁，即永磁同步电机主磁场涡流随着定子组件3的转轴1传到至屏蔽罩组件6与转轴1的连接处，然后沿屏蔽罩组件6径向传导，此时永磁同步电机磁场空间的轴向辐射被屏蔽罩组件6遮挡，大大减小其向外辐射的强度，达到磁场屏蔽的作用，以抑制永磁同步电机主磁场对霍尔板组件7及磁环组件8的影响。因此，屏蔽罩组件6还可以实现霍尔板组件7以及磁环组件8的紧凑安装，从而实现永磁同步电机小型化设计。
图7示出了根据本发明的永磁同步电机中的霍尔板组件的一种结构示意图。如图7所示，霍尔板组件71可以包括至少两个位置传感器。位置传感器可以被配置为检测转子磁体的位置。位置传感器可以是磁场传感器。转子磁体的位置可以表征外转子组件2的位置。位置传感器可以被配置为测量磁场的磁通密度。位置传感器可以对所测量的磁场的磁通密度具有线性响应。位置传感器的输出电压可以随测量的磁场的磁通密度而线性变化。此外，当外转子组件2相对于定子组件3旋转时，位置传感器的输出电压可以响应于磁场的变化而变化。
所述至少两个位置传感器可以被配置为当外转子组件2相对于定子组件3旋转时基于所测量的磁场来检测转子磁极的旋转位置。位置传感器可以被配置为产生表征磁场的磁通密度的测量信号。在一些实施例中，测量信号可以具有大致正弦波形的形状。
如前所述，转子磁体可以可操作地联接到转子壳体。相应地，转子的旋转位置可以与转子磁极的旋转位置相关联。转子的旋转位置可以根据转子磁极的旋转位置来确定，并且可以基于所测量的磁场来确定。控制电路可以被配置为基于所确定的转子的旋转位置来控制永磁同步电机的驱动动作。
在一些实施例中，位置传感器可以是线性磁场传感器。例如，传感器可以是线性霍尔传感器。霍尔效应传感器是固态磁传感器装置，并且可以用于感测位置、速度和/或方向移动。霍尔效应传感器的优点包括非接触式无磨损操作、低维护、坚固的设计以及由于其坚固的包装而对振动、灰尘和湿气的低敏感性。当位置传感器选自线性霍尔传感器时，可以测量连续的磁环磁场，相较于传统开关霍尔，其可直接检测到连续的电机位置角度从而用于电机控制，而传统开关霍尔只能获得粗略的离散角度，连续角度需要进行估算，导致角度存在误差，不利于对永磁同步电机的控制。
霍尔效应传感器是响应于磁场而改变其输出电压的传感器。磁场由霍尔板感应，并且在偏置的霍尔板上产生与感应磁通成比例的“霍尔”电压。霍尔电压是取决于磁场的大小和方向以及来自电源的电流的电位差。霍尔效应传感器作为模拟传感器工作，直接返回输出电压。利用已知的磁场，可以确定从磁场的极点到霍尔板的距离。霍尔效应传感器可以产生线性输出。线性模拟霍尔效应传感器的输出信号可以直接从运算放大器的输出端获得，输出电压与通过霍尔效应传感器的磁场成正比。
在图7示出的例子中，霍尔板组件71上设置有2个线性霍尔传感器，即线性霍尔传感器711和线性霍尔传感器712。示例的，线性霍尔传感器711和线性霍尔传感器712在霍尔板组件71上呈“正交”的方式安装。在一些实施例中，线性霍尔传感器711和线性霍尔传感器712设置在霍尔板组件71的边缘部分。其中，线性霍尔传感器711输出一组测量信号（即正弦信号），线性霍尔传感器712输出另一组测量信号（即余弦信号）。
图8示出了图7的霍尔板组件的输出信号的波形示意图。在一些实施例中，霍尔板组件感应出的正弦磁场与电机的外转子组件的永磁磁场呈一定的倍数周期关系。例如，磁环具有2个磁极，若外转子组件2具有8个磁极，则测量信号的正弦磁场的变换周期为外转子永磁磁场的4倍。此时霍尔板组件上的线性霍尔传感器将输出与永磁磁场相位相关的正弦电压信号，即当电机运行一个正弦周期时，线性霍尔传感器则运行1/4正弦周期，电机的角度则为线性霍尔输出角度的4倍。因为本实施例的2个线性霍尔传感器呈正交的方式安装，当磁环组件跟随外转子组件顺时针旋转时，正交的2个线性霍尔传感器711和线性霍尔传感器712分别输出如图7所示的正弦电压信号和余弦电压信号。
图9示出了一种用于两个正交的线性霍尔传感器的信号处理电路的电路示意图。本实施例的信号处理电路300包括第一信号处理模块310和第二信号处理模块320。第一信号处理模块310的输入端用于接收电机301输出的正弦电压信号VSIN，并将获得的采样信号Vs1输出至模数转换电路302的ADC端口ADC1进行信号解析。第二信号处理模块320的输入端用于接收电机301输出的余弦电压信号VCOS，并将其转换成采样信号Vs2输出至模数转换电路302的ADC端口ADC2进行信号解析。
示例的，第一信号处理模块310包括差分放大单元311和低通滤波单元312。差分放大单元311包括运算放大器U1A、电阻R21和电阻R22、以及电容C21和电容C22。电阻R21的第一端与电机301的测量信号输出端口连接，第二端与运算放大器U1A的正相输入端连接，电阻R22和电容C22并联连接于运算放大器U1A的反相输入端和输出端之间，运算放大器U1A的供电端连接于电源电压VDD和地之间，电容C21的第一端与运算放大器U1A的正供电端连接，第二端接地，运算放大器U1A的输出端用于输出第一电压信号Vo1。低通滤波单元312包括电阻R23和电容C23，电阻R23的第一端与运算放大器U1A的输出端连接，第二端与电容C23的第一端连接，电容C23的第二端接地，电阻R23和电容C23的中间节点与模数转换电路302的端口ADC1连接。该电路中运算放大器U1A工作于深度负反馈状态，根据运算放大器的“虚短”和“虚断”特性，可以得到Vo1=VSIN，差分放大单元311处理得到的第一电压信号Vo1经过电阻R23和电容C23组成的一阶低通滤波后得到采样信号Vs1。
同样的，第二信号处理模块320包括差分放大单元321和低通滤波单元322。差分放大单元321包括运算放大器U2A、电阻R24和电阻R25、以及电容C24和电容C25。电阻R24的第一端与电机301的测量信号输出端口连接，第二端与运算放大器U2A的正相输入端连接，电阻R25和电容C25并联连接于运算放大器U1A的反相输入端和输出端之间，运算放大器U2A的供电端连接于电源电压VDD和地之间，电容C24的第一端与运算放大器U2A的正供电端连接，第二端接地，运算放大器U2A的输出端用于输出第二电压信号Vo2。低通滤波单元322包括电阻R26和电容C26，电阻R26的第一端与运算放大器U2A的输出端连接，第二端与电容C26的第一端连接，电容C26的第二端接地，电阻R26和电容C26的中间节点与模数转换电路302的端口ADC2连接。该电路中运算放大器U2A工作于深度负反馈状态，根据运算放大器的“虚短”和“虚断”特性，可以得到Vo2=VCOS，差分放大单元321处理得到的第二电压信号Vo2经过电阻R26和电容C26组成的一阶低通滤波后得到采样信号Vs2。
图10示出了根据本发明的永磁同步电机中的霍尔板组件的另一种结构示意图。在图10示出的例子中，霍尔板组件72上设置有4个线性霍尔传感器，即线性霍尔传感器721、线性霍尔传感器722、线性霍尔传感器723和线性霍尔传感器724。示例地，线性霍尔传感器721、线性霍尔传感器722、线性霍尔传感器723和线性霍尔传感器724在霍尔板组件72上呈“中心对称”的方式安装。在一些实施例中，线性霍尔传感器721、线性霍尔传感器722、线性霍尔传感器723和线性霍尔传感器724设置在霍尔板组件72的边缘部分。其中，线性霍尔传感器721和线性霍尔传感器723输出一组测量信号，线性霍尔传感器722和线性霍尔传感器724输出另外一组测量信号。
图11示出了图10的霍尔板组件的输出信号的波形示意图。如上所述，霍尔板组件感应出的正弦磁场与电机的外转子组件的永磁磁场呈一定的倍数周期关系。因为本实施例的至少两个线性霍尔传感器呈中心对称的方式安装（即霍尔互相垂直），因此对称分布的线性霍尔传感器721和线性霍尔传感器723将输出一组互补的正弦信号，对称分布的线性霍尔传感器722和线性霍尔传感器724将输出另一组互补的余弦信号。当磁环组件跟随外转子组件顺时针旋转时，霍尔板组件将输出图11所示的测量信号波形。
图12示出了本发明的四个中心对称的线性霍尔传感器对干扰波形自动纠正的示意图，在一种可行的实施例中，同一组的互补信号可以经过信号处理模块（其中包括差分放大电路）进行共模干扰的抑制，当输入信号受到外界干扰时，互补的两路信号将都被干扰，而两路被干扰信号输入到差分放大电路后，干扰信号将被抵消。此外，当磁环组件8的磁极充磁一致性不佳，或是线性霍尔传感器电气误差较大时，对称分布的线性霍尔传感器在一定程度上能够消除原始误差，且两组差分信号波动幅度相同时，还可以自动纠正误差，因此四个呈中心对称布置的线性霍尔传感器在大电流强磁环境下，具有更好的抗干扰性、兼容性以及稳定性。
图13示出了一种用于四个中心对称的线性霍尔传感器的信号处理电路的电路示意图。本实施例的信号处理电路400包括第一信号处理模块410和第二信号处理模块420。其中第一信号处理模块410的输入端用于接收电机401输出的一组互补的正弦电压信号VSIN+和VSIN-，并将获得的采样信号Vs1输出至模数转换电路402的ADC端口ADC1进行信号解析。第二信号处理模块420的输入端用于接收电机401输出的另一组互补的余弦电压信号VCOS+和VCOS-，并将其转换成采样信号Vs2输出至模数转换电路402的ADC端口ADC2进行信号解析。
示例的，第一信号处理模块410包括差分放大单元411和低通滤波单元412。其中差分放大单元411与第一实施例的差分放大单元311相比，区别在于还包括电阻R27、电阻R28和电容C27。其中，电阻R21的第一端与电机401的正弦电压信号VSIN+的输出端连接，第二端与运算放大器U1A的正相输入端连接，电阻R27的第一端与电机401的正弦电压信号VSIN-的输出端连接，第二端与运算放大器U1A的反相输入端连接，电阻R28和电容C27并联连接于参考电压VREF与运算放大器U1A的正相输入端之间。除此之外，差分放大单元411的其他元件以及连接关系和低通滤波单元412中的元件以及连接关系与第一实施例中的差分放大单元311和低通滤波单元312完全相同，在此不再赘述。同样的，本实施例的运算放大器U1A工作于深度负反馈状态，根据运算放大器的“虚短”和“虚断”特性，可以得到经过差分放大单元411处理后得到的第一电压信号Vo1=VSIN+，该电压信号经过低通滤波单元412后得到采样信号Vs1，并输出至模数转换电路402的端口ADC1。
第二信号处理模块420包括差分放大单元421和低通滤波单元422。其中差分放大单元421与第一实施例的差分放大单元321相比，区别在于还包括电阻R29、电阻R30和电容C28。其中，电阻R24的第一端与电机401的余弦电压信号VCOS+的输出端连接，第二端与运算放大器U2A的正相输入端连接，电阻R29的第一端与电机401的余弦电压信号VCOS-的输出端连接，第二端与运算放大器U2A的反相输入端连接，电阻R30和电容C28并联连接于参考电压VREF与运算放大器U2A的正相输入端之间。除此之外，差分放大单元421的其他元件以及连接关系和低通滤波单元422中的元件以及连接关系与第一实施例中的差分放大单元321和低通滤波单元322完全相同，在此不再赘述。同样的，本实施例的运算放大器U2A工作于深度负反馈状态，根据运算放大器的“虚短”和“虚断”特性，可以得到经过差分放大单元421处理后得到的第二电压信号Vo2=VCOS+，该电压信号经过低通滤波单元422后得到采样信号Vs2，并输出至模数转换电路402的端口ADC2。
图14示出了根据本发明的用于永磁同步电机的控制电路的一种电路示意图。该控制电路500被配置为根据接收的测量信号对永磁同步电机的外转子进行定位，并基于确定的所述外转子的旋转位置来控制电机的驱动动作。如图14所示，该控制电路500包括信号处理模块510、模数转换模块520、解析模块530以及驱动控制模块540。其中，信号处理模块510例如可以基于电机端的线性霍尔传感器的数量为2个或4个来通过图9或者图13示出的例子来实现。本实施例以电机端的线性霍尔传感器的数量为4个为例，当电机的外转子旋转时，电机端实时输出4路的测量信号（如图11示出的2路正弦信号和2路余弦信号），信号处理模块510配置为将该测量信号进行偏差修正，并输出包含外转子位置信息的采样信号（该采样信号包括正弦信号和余弦信号），模数转换模块520配置为将正交的正弦信号和余弦信号转换成数字信号，解析模块530配置为通过反正切算法和PLL锁相环算法对所述数字信号进行解析，从而获得电机的外转子的角度与转速。驱动控制模块540被配置为基于确定的所述外转子的角度信息和转速信息向所述电机提供控制信号，以控制所述永磁同步电机的驱动动作，驱动控制模块540的具体结构将在以下的图18中进行说明。
在本发明公开的实施例中，应用线性霍尔传感器得到正、余弦信号后，通过A/D转换电路（模数转换电路）可以得到一定位数的数字电压值。即，对第一组测量信号或第二组测量信号进行A/D转换获得第一数字信号和第二数字信号。而此时的数字电压值虽然与位置传感器的测量位置有一定关系，但是并不是位置传感器的测量角度值，还需要进行角度解析。
图15示出了根据本发明的解析模块的电路示意图。如图15所示，本实施例的解析模块530包括锁相环算法模块531、反正切算法模块532、滞环比较模块533、合并模块534以及求和模块535。
其中，锁相环算法模块531被配置为接收所述第一数字信号（正弦信号sin）和第二数字信号（余弦信号cos），并根据所述第一数字信号和第二数字信号通过锁相环函数计算得到第一角度值PLL_Theta和转速信息Omega。
反正切算法模块532被配置为接收所述第一数字信号和所述第二数字信号，并根据接收的信号通过反正切函数计算得到第二角度值ATAN_Theta。
滞环比较模块533被配置为接收所述第一角度值PLL_Theta和第二角度值ATAN_Theta，并基于所述第一角度值PLL_Theta和第二角度值ATAN_Theta计算得到第一补偿角ATAN_Theta_Fusion和第二补偿角PLL_Theta_Fusion。其中第一补偿角ATAN_Theta_Fusion为本次比较使用的角度偏差，第二补偿角为PLL_Theta_Fusion为前一次小于控制阈值时的角度偏差。
具体的，滞环比较模块533包括求差单元5331、取模单元5332、条件判断单元5333、第一条件动作单元5334和第二条件单元5335。求差单元5331被配置为将第一角度值PLL_Theta与第二角度值ATAN_Theta做差，获得二者之间的角度偏差。取模单元5332用于获得所述角度偏差值的绝对值。条件判断单元5333用于将该角度偏差值的绝对值与系统控制阈值（例如0.1）进行比较。当该角度偏差的绝对值小于系统控制阈值时控制第一条件动作单元5334输出第一补偿角ATAN_Theta_Fusion；当该角度偏差的绝对值大于系统控制阈值时控制第二条件动作单元5335输出第二补偿角PLL_Theta_Fusion。
合并模块534为路径选择模块，用于将第一补偿角ATAN_Theta_Fusion和第二补偿角PLL_Theta_Fusion中的一个提供给求和模块535，求和模块535将获得的角度偏差值与第一角度值PLL_Theta叠加，从而输出最终的角度信息Theta。
图16示出了图15中的锁相环算法模块的原理示意图。本实施例的锁相环算法通过以下公式构建：sin(θ－θ*)=sinθ×cosθ*－cosθ×sinθ*（在本实施例中，字母上加*表示观测值，不加表示实际值）。根据上述公式构建PI调节器，即可得到图16所示的原理图。如图16所示，观测角度θ*经过变换单元5320和变换单元5321变换成sinθ*和cosθ*，乘法器5311计算得到实际角度的正弦信号sinθ与观测角度的余弦信号cosθ*的乘积sinθ×cosθ*，乘法器5312计算得到实际角度的余弦信号cosθ与观测角度的正弦信号sinθ*的乘积cosθ×sinθ*，求差模块5313将这两个乘积做差，得到差值sinθ×cosθ*－cosθ×sinθ*，乘法器5314获得该差值与系数K1之间的乘积，并通过积分器5315进行PI调节，最终得到转速信息Omega。同时积分器5316对积分器5315的输出再次求积分，乘法器5317获得积分器5315的输出与系数K2之间的乘积，求和模块5318将乘法器5317和积分器5316的输出叠加在一起，并通过取余单元5319进行取余，最终得到第一角度值PLL_Theta。在本实施例中，通过构建PI调节器，使得sin(θ－θ*)≈0，此时观测角度θ*跟随实际角度θ，即θ*≈θ，通过前级PI调节器输出转速信息Omega，后级PI调节器输出第一角度值PLL_Theta。
图17示出了图15中的反正切算法模块的原理示意图。本实施例的反正切算法通过以下公式构建：θ=arctan(sinθ/cosθ)。如图17所示，第一数字信号（正弦信号sin）和第二数字信号（余弦信号cos）被提供至函数计算模块5322，通过反正切函数直接计算求得角度，但是角度范围为-π/2~π/2，通过求和模块5323将角度范围调整得到0~2π，最终得到第二角度值ATAN_Theta。
在本实施例中，锁相环算法模块和反正切算法模块同时工作，因为反正切算法模块直接以传感器采集的数字信号做数字运算得到角度，虽然实时性很高，但是抗干扰能力很差，且只能得到角度信息，无法获得转速信息。锁相环算法模块可同时输出角度信息和转速信息，原理相当于PI调节器，其输出平滑滤波滞后，因此解算得到的角度信息有延迟。本实施例通过设计滞环比较模块将两种算法角度融合补偿，将锁相环计算出的角度与反正切计算的角度进行比较，并设置偏差阈值。当二者之间的偏差小于偏差阈值时，则将当前的角度偏差补偿到锁相环输出的角度上，若二者之间的偏差大于偏差阈值，则将上一次计算得到的偏差补偿到锁相环输出的角度上。通过融合算法，该位置解析模块即可输出抗干扰能力强、实时性高的角度信息，而且可以直接输出用于速度闭环控制的转速信息。
图18示出了根据本发明的一种电机控制系统的电路示意图。如图18所示，该电机控制系统600包括电机610、逆变器电路620、位置解析电路630、驱动控制电路640、电流采样电路650和控制面板660。
其中，电机610例如通过本发明上述实施例提供的永磁同步电机200来实现，其使用若干个线性霍尔传感器代替开关型霍尔器件，当磁环组件跟随外转子组件顺时针旋转时，若干个线性霍尔传感器可以输出正弦和余弦的测量信号。
位置解析电路630可以包括信号处理模块510、模数转换模块520以及解析模块530。当电机的外转子旋转时，电机610实时输出多路的测量信号，信号处理模块510将该测量信号进行偏差修正，并输出包含外转子位置信息的采样信号，模数转换模块520将该采样信号转换成数字信号。在本发明公开的实施例中，应用线性霍尔传感器得到正、余弦信号后，通过模数转换模块520可以得到一定位数的数字电压值。即，对第一组测量信号或第二组测量信号进行A/D转换获得第一数字信号和第二数字信号。解析模块530配置为通过反正切算法和PLL锁相环算法对模数转换模块520转换获得的第一数字信号和第二数字信号进行解析，最终获得外转子的角度信息Theta和转速信息Omega。其中，信号处理模块510、模数转换模块520以及解析模块530在上述实施例中已经具体描述了，通过设计滞环比较将反正切算法和锁相环算法角度融合补偿，输出抗干扰能力强、实时性高的角度信息，在此不再赘述。
电流采样电路650用于检测电机610输出的三相电流Ia、Ib和Ic。
驱动控制电路640配置为根据位置解析电路630输出的角度/转速信息以及电流采样电路650输出的三相电流生成控制信号，控制逆变器电路620的输出电压，最终调节电机610的电流。具体的，驱动控制电路640包括坐标变换模块6401、PI调节模块6403、PI调节模块6404、PI调节模块6405、求差模块6406、求差模块6407、求差模块6408、Park反变换模块6409和SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制）模块6410。
其中，坐标变换模块6401可以包括Clark变换和Park变换这两种过程，Clark变换过程用于将电流采样电路650输出的三相电流Ia、Ib和Ic通过Clark变换后输出两相静止直角坐标系α-β下的两相定子电流Iα和Iβ。Park变换过程用于将Clark变换输出的两相定子电流Iα和Iβ以及位置解析电路630输出的角度信息θ通过Park变换后输出两相同步旋转坐标系d-q下的两相电流Id和Iq。
求差模块6406配置为将控制面板660输出的转速信息与位置解析电路630输出的转速信息Omega进行作差运算。
PI调节模块6403配置为将求差模块6406比较的差值通过PI调节后输出q轴参考电流Iq*。
求差模块6407配置为将PI调节模块6403输出的q轴参考电流Iq*与坐标变换模块6401输出的两相电流Iq进行作差运算。
PI调节模块6404配置为将求差模块6407比较的差值通过PI调节后输出q轴参考电压Vq。
求差模块6408配置为将d轴参考电流Id*与坐标变换模块6401输出的两相电流Id进行作差运算。
PI调节模块6405配置为将求差模块6408比较的差值通过PI调节后输出d轴参考电压Vd。
Park反变换模块6409配置为将PI调节模块6404输出的q轴参考电压Vq和PI调节模块6405输出的d轴参考电压Vd通过Park反变换输出两相静止直角坐标系α-β下的两相控制电压Uα和Uβ。
SVPWM模块6410配置为将两相控制电压Uα和Uβ进行空间矢量脉宽调制，输出PWM波形至逆变器电路620，所述逆变器电路620向电机610输出三相电压Ua、Ub和Uc，从而控制电机610。
图19a和图19b分别示出了根据本发明的电机控制系统的输出角度和电机电流的波形示意图。如图19a和图19b所示，本实施例的电机控制系统600具有电机角度解析实时性高、延迟低且输出平滑的优点，可以输出平滑的电机电流，因此电机运行过程中扭矩波动小，体现在跑步机系统则表现为脚感平顺和速度波动小。
综上所述，本发明提供的永磁同步电机在传统的外转子永磁同步电机的基础上，使用4个对称分布的线性霍尔传感器代替3个开关型霍尔器件，使得其的输出具有磁编码器精度的电机位置角度信号，可实现高性能和高效率的电机控制。
此外，本发明提供使用线性霍尔传感器测量电机位置角度，并且既可以使用正交的两线性霍尔进行测量，也可以使用四个中心对称的线性霍尔进行测量。
进一步的，使用中心对称方式安装的四个线性霍尔，可以输出两组互补的测量信号，一方面，可以消除霍尔器件不一致以及磁环充磁不一致带来的影响，另一方面，经过差分放大电路可以实现大电流强磁环境下共模干扰的抑制，提高了控制系统的抗干扰能力，
进一步的，本发明通过设计滞环比较将反正切算法和锁相环算法的输出角度进行融合补偿。反正切算法计算位置角度具有实时性高的特点，锁相环算法计算位置角具有可靠性高，抗干扰能力强的特点，利用滞环比较输出补偿角度对锁相环算法计算的位置角进行补偿，可以输出抗干扰能力强，实时性高的角度信息。并且，通过锁相环算法可以直接输出用于速度闭环控制的转速信息。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (46)

1.一种永磁同步电机的位置解析电路，接收所述永磁同步电机旋转时输出的测量信号，所述位置解析电路包括：
信号处理模块，被配置为将所述测量信号进行偏差修正，并输出包含所述永磁同步电机的外转子位置信息的第一采样信号和第二采样信号；
模数转换模块，被配置为将所述第一采样信号转换成第一数字信号，将所述第二采样信号转换成第二数字信号；以及
解析模块，被配置为对所述第一数字信号和第二数字信号进行解析，以输出所述外转子的角度信息和转速信息。
2.根据权利要求1所述的位置解析电路，其中，所述解析模块包括：
锁相环算法模块，被配置为根据所述第一数字信号和第二数字信号通过锁相环函数计算得到第一角度值；
反正切算法模块，被配置为根据所述第一数字信号和第二数字信号通过反正切函数计算得到第二角度值；以及
滞环比较模块，被配置为基于所述第一角度值和所述第二角度值之间的角度偏差对所述第一角度值进行补偿，得到表征所述永磁同步电机的外转子位置的角度信息。
3.根据权利要求2所述的位置解析电路，其中，所述滞环比较模块包括：
求差单元，被配置为将所述第一角度值和所述第二角度值作差，获得二者之间的角度偏差；
条件判断单元，被配置为获得所述角度偏差的绝对值与设定的控制阈值的比较结果；
第一条件动作单元，被配置为在所述比较结果表征所述角度偏差的绝对值小于所述控制阈值时，输出第一补偿角；以及
第二条件动作单元，被配置为在所述比较结果表征所述角度偏差的绝对值大于所述控制阈值时，输出第二补偿角。
4.根据权利要求3所述的位置解析电路，其中，所述第一补偿角为所述角度偏差，所述第二补偿角为前一次小于所述控制阈值的角度偏差。
5.根据权利要求3所述的位置解析电路，其中，所述解析模块还包括：
取模单元，用于得到所述角度偏差的绝对值。
6.根据权利要求3所述的位置解析电路，其中，所述解析模块还包括：
合并模块，用于接收所述第一补偿角或第二补偿角；以及
求和模块，用于将所述合并模块的输出与所述第一角度值叠加，从而得到所述角度信息。
7.根据权利要求2所述的位置解析电路，其中，所述锁相环算法模块还配置为根据所述第一数字信号和所述第二数字信号计算得到表征所述外转子转速的转速信息。
8.根据权利要求7所述的位置解析电路，其中，所述锁相环算法模块配置为基于公式：sin(θ－θ*)=sinθ×cosθ*－cosθ×sinθ*构建PI调节器，其中θ*表示观测角度，θ表示实际角度，通过控制观测角度θ*跟随实际角度θ得到所述转速信息。
9.根据权利要求1所述的位置解析电路，其中，所述永磁同步电机设置有至少两个线性霍尔传感器，被配置为在所述永磁同步电机旋转时输出所述测量信号，所述测量信号至少包括第一测量信号和第二测量信号，所述第一测量信号具有正弦波形的形状，所述第二测量信号具有余弦波形的形状。
10.根据权利要求9所述的位置解析电路，其中，所述信号处理模块包括：
第一信号处理模块，被配置为根据所述第一测量信号转换得到第一采样信号；以及
第二信号处理模块，被配置为根据所述第二测量信号转换得到第二采样信号。
11.根据权利要求10所述的位置解析电路，其中，所述第一信号处理模块和所述第二信号处理模块均包括：
差分放大单元，与所述永磁同步电机的测量信号输出端连接，被配置为将所述测量信号放大以得到输出电压；以及
低通滤波单元，与所述差分放大单元的输出端连接，被配置为根据所述输出电压提供采样信号。
12.根据权利要求11所述的位置解析电路，其中，所述差分放大单元包括：
第一电阻，其第一端与所述永磁同步电机的测量信号输出端连接；
运算放大器，其正相输入端与所述第一电阻的第二端连接，输出端用于提供所述输出电压；
第一电容，其第一端与所述运算放大器的正供电端连接，第二端接地；以及
第二电阻和第二电容，并联连接于所述运算放大器的反相输入端和输出端之间。
13.根据权利要求11所述的位置解析电路，其中，所述低通滤波单元包括：
第三电阻，其第一端与所述差分放大单元的输出端连接，第二端与所述采样信号的输出端连接；以及
第三电容，其第一端与所述第三电阻的第二端连接，第二端接地。
14.根据权利要求12所述的位置解析电路，其中，所述测量信号还包括与所述第一测量信号互补的第三测量信号，以及与所述第二测量信号互补的第四测量信号，所述差分放大单元还包括：
第四电阻和第四电容，其第一端与参考电压连接，第二端与所述运算放大器的正相输入端连接；以及
第五电阻，其第一端与所述永磁同步电机的测量信号的互补输出端连接，第二端与所述运算放大器的反相输入端连接。
15.一种永磁同步电机的位置解析方法，包括：
接收所述永磁同步电机旋转时输出的测量信号；
将所述测量信号进行偏差修正，输出包含所述永磁同步电机的外转子位置信息的第一采样信号和第二采样信号；
将所述第一采样信号转换成第一数字信号，将所述第二采样信号转换成第二数字信号；以及
对所述第一数字信号和第二数字信号进行解析，输出所述外转子的角度信息和转速信息。
16.根据权利要求15所述的位置解析方法，其中，所述对所述第一数字信号和第二数字信号进行解析，输出所述外转子的角度信息和转速信息的步骤包括：
根据所述第一数字信号和第二数字信号通过锁相环函数计算得到第一角度值；
根据所述第一数字信号和第二数字信号通过反正切函数计算得到第二角度值；以及
基于所述第一角度值和所述第二角度值之间的角度偏差对所述第一角度值进行补偿，得到表征所述永磁同步电机的外转子位置的角度信息。
17.根据权利要求16所述的位置解析方法，其中，所述基于所述第一角度值和所述第二角度值之间的角度偏差对所述第一角度值进行补偿，得到表征所述永磁同步电机的外转子位置的角度信息的步骤包括：
将所述第一角度值和所述第二角度值作差，获得二者之间的角度偏差；
获得所述角度偏差的绝对值与设定的控制阈值的比较结果；
在所述比较结果表征所述角度偏差的绝对值小于所述控制阈值时，输出第一补偿角；以及
在所述比较结果表征所述角度偏差的绝对值大于所述控制阈值时，输出第二补偿角。
18.根据权利要求17所述的位置解析方法，其中，所述第一补偿角为所述角度偏差，所述第二补偿角为前一次小于所述控制阈值的角度偏差。
19.根据权利要求17所述的位置解析方法，其中，所述基于所述第一角度值和所述第二角度值之间的角度偏差对所述第一角度值进行补偿，得到表征所述永磁同步电机的外转子位置的角度信息的步骤还包括：
将所述第一补偿角或所述第二补偿角与所述第一角度值叠加，从而得到所述角度信息。
20.根据权利要求16所述的位置解析方法，其中，所述对所述第一数字信号和第二数字信号进行解析，输出所述外转子的角度信息和转速信息的步骤还包括：
根据所述第一数字信号和第二数字信号通过锁相环函数计算得到表征所述外转子转速的转速信息。
21.根据权利要求20所述的位置解析方法，其中，所述根据所述第一数字信号和第二数字信号通过锁相环函数计算得到表征所述外转子转速的转速信息的步骤包括：
基于公式：sin(θ－θ*)=sinθ×cosθ*－cosθ×sinθ*构建PI调节器，其中θ*表示观测角度，θ表示实际角度，通过控制观测角度θ*跟随实际角度θ得到所述转速信息。
22.根据权利要求15所述的位置解析方法，其中，所述测量信号至少包括第一测量信号和第二测量信号，所述第一测量信号具有正弦波形的形状，所述第二测量信号具有余弦波形的形状。
23.根据权利要求22所述的位置解析方法，其中，所述测量信号还包括与所述第一测量信号互补的第三测量信号，以及与所述第二测量信号互补的第四测量信号。
24.一种永磁同步电机的控制电路，所述永磁同步电机设置有至少两个线性霍尔传感器，被配置为在所述永磁同步电机旋转时输出测量信号，所述控制电路包括：
电流采样电路，被配置为检测所述永磁同步电机输出的三相电流；
权利要求1-14任一项所述的位置解析电路；以及
驱动控制电路，被配置为基于所述位置解析电路输出的角度信息和所述转速信息以及所述三相电流提供控制信号，以控制所述永磁同步电机的驱动动作。
25.一种电机控制系统，包括：
逆变器电路；
永磁同步电机，设置有至少两个线性霍尔传感器，被配置为在所述永磁同步电机旋转时输出测量信号；
电流采样电路，被配置为检测所述永磁同步电机输出的三相电流；
权利要求1-14任一项所述的位置解析电路；以及
驱动控制电路，被配置为基于所述位置解析电路输出的角度信息和所述转速信息以及所述三相电流向所述逆变器电路提供控制信号，以控制所述永磁同步电机的驱动动作。
26.根据权利要求25所述的电机控制系统，其中，所述永磁同步电机包括：
外转子组件；
前端盖和后端盖，分别设置在所述外转子组件的两端并形成空腔；
定子组件，设置在所述空腔内；
磁环组件，设置在所述后端盖上，所述磁环组件可以提供正弦的充磁磁场；以及
霍尔板组件，设置有至少两个线性霍尔传感器，被配置为感应所述正弦的充磁磁场，以输出测量信号。
27.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述线性霍尔传感器的数量为两个，且两个所述线性霍尔传感器在所述霍尔板组件上呈正交的方式安装。
28.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述线性霍尔传感器的数量为四个，且四个所述线性霍尔传感器在所述霍尔板组件上呈中心对称的方式安装。
29.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述至少两个线性霍尔传感器设置在所述霍尔板组件的边缘部分。
30.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述永磁同步电机还包括：
屏蔽罩组件，设置在所述定子组件的下端，且与所述定子组件围绕转轴共轴对准。
31.根据权利要求30所述的电机控制系统，其中，所述屏蔽罩组件上设有霍尔板安装槽，用于放置所述霍尔板组件。
32.根据权利要求30所述的电机控制系统，其中，所述屏蔽罩组件与所述定子组件的端面之间具有第二间隙。
33.根据权利要求32所述的电机控制系统，其中，所述第二间隙的宽度大致为5mm。
34.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述定子组件同轴地设置于所述外转子组件内。
35.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述外转子组件与所述定子组件围绕转轴共轴对准。
36.根据权利要求35所述的电机控制系统，其中，所述磁环组件可操作性地联接到所述外转子组件，所述磁环组件和所述外转子组件被配置为作为一体围绕所述转轴相对于所述定子组件旋转。
37.根据权利要求36所述的电机控制系统，其中，所述至少两个线性霍尔传感器被配置为当所述外转子组件相对于所述定子组件旋转时，根据所述磁环组件的正弦的充磁磁场来产生所述测量信号。
38.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述测量信号表征所述充磁磁场的磁通密度。
39.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述磁环组件与所述霍尔板组件紧凑配合，以达到高精度的测量信号。
40.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述磁环组件被配置为封闭的环形圈。
41.根据权利要求40所述的电机控制系统，其中，所述封闭的环形圈的边缘表面被配置为直接面对所述霍尔板组件上的四个线性霍尔传感器。
42.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述磁环组件与所述霍尔板组件之间具有第一间隙。
43.根据权利要求42所述的电机控制系统，其中，所述第一间隙的宽带范围为2mm~5mm。
44.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述前端盖还设有第一轴承座，用于安装第一轴承。
45.根据权利要求26所述的电机控制系统，其中，所述后端盖还设有第二轴承座，用于安装第二轴承。
46.根据权利要求25所述的电机控制系统，其中，所述驱动控制电路包括：
坐标变换模块，配置为将所述电流采样电路输出的三相电流通过Clark变换和Park变换后输出两相同步电流；
第一求差模块，配置为将控制面板输出的转速信息与所述位置解析电路输出的转速信息进行作差运算；
第一PI调节模块，配置为将所述第一求差模块比较的差值通过PI调节后输出第一参考电流；
第二求差模块，配置为将所述第一PI调节模块输出的第一参考电流与所述坐标变换模块输出的两相电流中的一个进行作差运算；
第二PI调节模块，配置为将所述第二求差模块比较的差值通过PI调节后输出第一参考电压；
第三求差模块，配置为将第二参考电流与所述坐标变换模块输出的两相电流中的另一个进行作差运算；
第三PI调节模块，配置为将所述第三求差模块比较的差值通过PI调节后输出第二参考电压；
Park反变换模块，配置为将所述第一参考电压和所述第二参考电压通过Park反变换输出两相静止直角坐标系下的两相控制电压；以及
空间矢量脉宽调制模块，配置为将所述两相控制电压进行空间矢量脉宽调制，输出PWM波形至所述逆变器电路。
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