CN202260954U - 一种三相多态伺服电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三相多态伺服电机，包括定子、转子、伺服控制器以及设于定子端面上的用于检转子磁场位置的线性霍尔元件和开关霍尔元件；线性霍尔元件和开关霍尔元件之间的电角度为90°，线性霍尔元件和开关霍尔元件分别连接至伺服控制器；该伺服电机的定子极上还绕有两组串联的三相绕组。本实用新型仅采用一个线性霍尔和一个开关霍尔检测位置，不会产生相位误差和幅值误差，可以获得的精确的位置信息。双三相绕组通过伺服控制器自动改变驱动信号，能够实现双三相绕组串联的H桥驱动和双三相绕组并联的Y全桥驱动，从而大幅度提高了电机绕组和电源的利用率。此外，本实用新型采用正弦波矢量控制，电机的力矩波动小、噪音小、高效率的区域宽。

Description

一种三相多态伺服电机

技术领域

本实用新型涉及一种伺服电机，更具体地说，涉及一种三相多态伺服电机。

背景技术

传统的永磁电机、集中绕组永磁电机可能采用独立的位置传感器，例如旋转变压器(resolver)或光电编码器，不仅成本高，且安装困难。在电动自行车、电动摩托车中，为了降低成本，通常直接在电机定子上安装3个开关霍尔或3-4个线性霍尔来构成简易位置传感器，来实现电机换相或位置检测。这种方法中要求霍尔安装位置十分精确，因为当电机极对数P很大时，机械安装的精度需要提高P倍，且安装的位置与电机绕组下线方式、电机的极数、电机的槽数都有关系，特别是电机的电枢反应对位置检测有±3-5°的影响，因此这种简易位置传感器位置检测的偏差都在±3-10°左右，长期阻碍电机及控制器的生产和发展。

正弦波驱动是电机的发展方向，它需要完整的位置信息，来实现正弦波矢量控制，但正弦波驱动的生产成本高。为了降低成本，目前的控制器还采用通过一种基于预估的180°正弦波驱动方法。它利用U、V、W开关霍尔的电机磁极位置方波信息，采用位置预估方法构建预估的正弦波位置信息，然后实现简易的180°正弦波驱动。简易的180°正弦波驱动在变速过程中的性能很差，可靠性不可能高。

在公告号为CN200972824Y的中国专利中，公开了一种独立的位置传感器，即霍尔旋转变压器，使用四个线性霍尔元件，将180°布置的两个线性霍尔元件的输出电压相减，试图补偿定、转子装配偏心，但由于无法同时补偿径向和切向磁场分量，所以不能起到良好的补偿效果，而且还存在磁极均匀性等问题。对于电动自行车、电动摩托车成本太高，而且独立结构传感器无法安装和被采用。

ZL200820207106.9专利中的霍尔旋转变压器，增加了一个环形软磁铁芯，将三维空间磁场，约束为二维空间磁场，大大改进了装配造成的偏差，但仍需要至少2个90°正交的线性霍尔元件，或3个120°分布的线性霍尔元件，分布精度和线性霍尔元件的一致性都会直接导致霍尔旋转变压器的幅值误差和相位误差，导致位置检测偏差，且多个线性霍尔元件成本较高，而且独立结构无法安装和被采用。

现有独立的霍尔旋转变压器的位置偏差只能达到0.5°～1°左右，而且性价比不够高。

传统的低电压永磁电机、集中绕组永磁电机，例如：电动汽车、电动自行车、电动摩托车可能电池供电，电池组的电压不高，一般在24V～64V左右，传统的三相Y全桥驱动电机的绕组和电源利用率不高，为了提高绕组和电源利用率，工业上可以采用单H桥驱动，为了达到两种状态，需要将6个绕组端全部引出，并通过硬件开关切换的方法，实现单H桥到单Y全桥驱动两种状态的切换，成本高可靠性低，难以实用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种三相多态电机。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种三相多态电机，包括定子，转子，伺服控制器，以及设于所述定子端面上的用于检测所述转子磁场位置的线性霍尔元件和开关霍尔元件；所述线性霍尔元件和开关霍尔元件均位于所述定子冲片的圆周面上，所述线性霍尔元件和开关霍尔元件之间的电角度为90°，且所述线性霍尔元件和开关霍尔元件的磁敏感面均与所述转子的磁极表面相对；所述线性霍尔元件和开关霍尔元件分别连接至所述伺服控制器；

该伺服电机的定子极上还绕有两组串联的三相绕组，两所述三相绕组串联后形成A相进线端和A相出线端、B相进线端和B相出线端、以及C相进线端和C相出线端；且两所述三相绕组的中点相接在一起；

所述伺服控制器包括功率驱动模块，所述功率驱动模块的功率开关的A相H桥电路与所述A相进线端和A相出线端相连接，所述功率开关的B相H桥电路与所述B相进线端和B相出线端连接，所述功率开关的C相H桥电路与所述C相进线端和C相出线端连接。

本实用新型所述的三相多态伺服电机，其中，所述A相H桥电路包括上桥T1、T2和下桥T7、T8；所述B相H桥电路包括上桥T3、T4和下桥T9、T10；所述C相H桥电路包括上桥T5、T5和下桥T11、T12。

本实用新型所述的三相多态伺服电机，其中，所述定子冲片第一个绕线槽的槽口设有与所述线性霍尔元件的大小相匹配的线性霍尔元件槽；所述定子冲片第一个定子极上设有与所述开关霍尔元件大小相匹配的开关霍尔槽；所述定子冲片线性霍尔槽的中心与所述开关霍尔槽的中心在空间相差90°的电角度；

所述线性霍尔元件位于所述线性霍尔槽中，所述开关霍尔元件位于所述开关霍尔槽中。

本实用新型所述的三相多态伺服电机，其中，所述伺服控制器包括转角变换电路和速度变换电路：

所述转角变换电路包括用于将所述线性霍尔元件输出的正弦波模拟输出电压转换成数字量的A/D转换模块，经所述A/D转换模块所得的数字量通过所述开关霍尔元件提供的符号函数来区分正弦波按90°为周期的多值性，最后通过所述伺服控制器的控制核心运算获得具有唯一性的数字量位置信号。

本实用新型所述的三相多态伺服电机，其中，所述伺服控制器的控制核心为数字信号DSP或单片机MCU。

本实用新型所述的三相多态伺服电机，其中，所述伺服控制器的控制核心为现场可编程门阵列FPGA或专用集成电路ASIC。

本实用新型所述的三相多态伺服电机，其中，该伺服电机为磁极对数为P＝3，槽数S＝9的内转子电机。

本实用新型所述的三相多态伺服电机，其中，该伺服电机为磁极对数为P＝23，槽数S＝51的外转子轮毂电机。

本实用新型所述的三相多态伺服电机，其中，该伺服电机为磁极对数为P＝24，槽数S＝54的外转子轮毂电机。

实施本实用新型的三相多态伺服电机，具有以下有益效果：本实用新型仅采用一个线性霍尔和一个开关霍尔检测位置，霍尔元件安装方便，且不会产生相位误差和幅值误差，可以获得的精确的位置信息。双三相绕组通过伺服控制器自动改变驱动信号，能够实现双三相绕组串联的H桥驱动和双三相绕组并联的Y全桥驱动，从而大幅度提高了电机绕组和电源的利用率。此外，本实用新型采用正弦波矢量控制，电机的力矩波动小、噪音小、高效率的区域宽。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型优选实施例中当三相多态伺服电机为P＝3，S＝9的内转子电机时的结构原理图；

图2是本实用新型三相多态伺服电机优选实施例中双三相绕组串联的H桥驱动结构原理图；

图3A和图3B是本实用新型三相多态伺服电机优选实施例中双三相绕组并联的Y桥驱动结构原理图；

图4是本实用新型三相多态伺服电机优选实施例中伺服控制器的静态控制特性；

图5是本实用新型三相多态伺服电机优选实施例中霍尔元件和绕组元件的输出波形图；

图6是本实用新型三相多态伺服电机中电机、霍尔传感器及伺服控制器示意图；

图7是本实用新型三相多态伺服电机中伺服控制器的原理框图；

图8是本实用新型三相多态伺服电机中图7的转角输出数字量；

图9是本实用新型实施例中P＝23，S＝51外转子电机含传感器的结构原理图；

图10是本实用新型实施例中P＝24，S＝54外转子电机含传感器的结构原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中，该三相多态伺服电机包括定子1，转子，伺服控制器，以及设于定子1端面上的用于检测转子磁场位置的线性霍尔元件2和开关霍尔元件3。为了接线方便，线性霍尔元件2和开关霍尔元件3均位于定子冲片的圆周面上，线性霍尔元件2和开关霍尔元件3之间的电角度为90°，其中，电角度＝磁极对数×机械角度，且线性霍尔元件2和开关霍尔元件3的磁敏感面均与转子的磁极表面相对以便定子1和转子相对运动时，线性霍尔元件2和开关霍尔元件3敏感永磁体磁场的位置。线性霍尔元件2和开关霍尔元件3分别连接至伺服控制器。

该伺服电机的定子极上还绕有两组串联的三相绕组4，两三相绕组4串联后形成A相进线端和A相出线端、B相进线端和B相出线端、以及C相进线端和C相出线端；且两三相绕组4的中点相接在一起，形成中点O。伺服控制器包括功率驱动模块，具体为功率驱动电路，该功率驱动电路采用H桥方式，其功率开关的A相H桥电路与A相进线端和A相出线端相连接，功率开关的B相H桥电路与B相进线端和B相出线端连接，功率开关的C相H桥电路与C相进线端和C相出线端连接。进一步地，上述A相H桥电路由上桥T1、T2和下桥T7、T8构成；B相H桥电路由上桥T3、T4和下桥T9、T10构成；C相H桥电路由上桥T5、T5和下桥T11、T12构成。当转子相对于定子1转动时，线性霍尔元件2和开关霍尔元件3的输出被送入伺服控制器，两个霍尔元件的输出信号反应了转子的位置和转子的转速。

如图2所示，在串联的H桥的正向驱动中，功率开关T1-T12的关系为：T1＝T8，T3＝T10，T5＝T12是H桥的正向驱动，T7＝T2，T9＝T4，T11＝T6是H桥的反向驱动，因此形成双三相绕组串联的H桥驱动；如图3A和3B所示，在并联的Y全桥驱动中，功率开关T1-T12的关系为：T2＝T7，T4＝T9，T6＝T11，T8＝T1，T10＝T3，T12＝T5，这就相当于，由上桥臂T1、T3、T5，下桥臂T7、T9、T11构成的三相桥驱动器来驱动由A+、B+、C+形成的三相Y接绕组电机，由上桥臂T2、T4、T6、下桥臂T8、T10、T12构成的三相桥驱动器来驱动由A-、B-、C-形成的三相Y接绕组电机，从而形成共中点的双三相绕组并联的Y全桥驱动。

且，上述双三相绕组串联的H桥驱动和双三相绕组并联的Y全桥驱动两种状态是通过伺服控制器根据转速和力矩需要自动改变驱动信号来实现的；对电机速率控制时，在(50～80)％最高转速以下工作时采用双三相绕组串联的H桥驱动，在(50～80)％最高转速以上工作时采用双三相绕组并联的Y全桥驱动；对电机力矩控制时，在(50～80)％最大力矩以下工作时采用双三相绕组串联的H桥驱动，在(50～80)％最大力矩以上工作时采用双三相绕组并联的Y全桥驱动。双三相绕组通过伺服控制器自动改变驱动信号，能够实现双三相绕组串联的H桥驱动和双三相绕组并联的Y全桥驱动，从而大幅度提高了电机绕组和电源的利用率。

基于电机学原理，在双三相绕组串联的H桥驱动状态中，由于绕组串联后等效电机的绕组匝数成倍增加，所以等效电机的力矩系数(Nm/A)和电势系数(V/rpm)也成倍增加为2倍，相当于提高力矩2倍，降低转速2倍。非常有利于电机低速大力矩工作。在双三相绕组并联的Y全桥驱动状态中，两台三相Y接全桥电机并联，电机的内阻减小到1/4，对于减小高速运行中的损耗非常有利。H桥对电机的相绕组实施驱动，Y桥电机的线绕组实施驱动，H桥驱动与Y桥驱动相比，电源电压的利用率提高1.73倍，相当于可提高转速1.73倍。本实用新型上述两种驱动状态下，电压的利用率与力矩系数变化的比为：2/1.73＝1.157，也即，本实用新型两种驱动状态可展宽电机转速范围1.157倍，而不必提供额外的弱磁升速电流。电机的自然特性和经过伺服控制器后的系统特性如图4所示。图中，双三相绕组串联的H桥驱动的电机的机械特性的斜率比双三相绕组并联的Y全桥驱动的机械特性的斜率大，经过伺服控制器力矩和速度闭环控制后的特性如图9所示，基于功率平衡原理，低速区S1＝S2，高速区S3＝S4，(图中S面积相当于功率)可见，本实用新型从原理上可以实现电机系统理想的控制特性。

由于本实用新型仅使用一个线性霍尔元件，原理上不存在由于多个线性霍尔元件产生的幅值误差和相位误差，所以本实用新型位置传感器的位置检测精度优于0.05°～0.5°。且，基于电机与驱动的两种状态，本实用新型通过正弦波矢量控制方法对电机的力矩和速度进行控制，获得理想的控制特性。一般来讲，本实用新型可以提高电机的效率(5～15)％，提高电机的最大力矩(50～100)％。

其次，为了保证机械安装精度，且无论电机是内转子电机还是外转子电机，无论电机的极数P和槽数S是多少，定子冲片第一个绕线槽的槽口均设有与线性霍尔元件2的大小相匹配的线性霍尔元件槽；定子冲片第一个定子极上则设有与开关霍尔元件3大小相匹配的开关霍尔槽；且可以理解的，定子冲片线性霍尔槽的中心与开关霍尔槽的中心在空间相差90°的电角度，上述线性霍尔元件2位于线性霍尔槽中，开关霍尔元件3位于开关霍尔槽中。

如图5所示，在本实用新型的优选实施例中，线性霍尔元件2的理想输出为Vh＝V0+Vsin3θ，开关霍尔元件3的理想输出为Vk＝±Sig|sin3(θ+90°)|，于是利用这些量，可以确定360°电角度位置和电机转速的唯一性；由于仅使用一个线性霍尔元件2和一个开关霍尔元件3，因此从原理上，不存在多个检测元件可能产生的幅值误差和相位误差。

如图7所示，同时参见图8。上述伺服控制器内含转角变换电路，该转角变换电路包括：A/D转换模块，用于将线性霍尔元件2输出的正弦波模拟输出电压转换成数字量，再通过开关霍尔元件3提供的符号函数来区分正弦波按90°为周期的多值性；通过伺服控制器的控制核心运算获得具有唯一性的数字量位置信号。优选地，位置确定模块可以采用数字信号DSP或单片机MCU，也可以采用现场可编程门阵列FPGA或专用集成电路ASIC。

其次，本实用新型的三相多态伺服电机既可以是极对数P＝3，槽数S＝9的内转子电机，也可以是磁极对数为P＝23，槽数S＝51的外转子轮毂电机或磁极对数为P＝24，槽数S＝54的外转子轮毂电机。

如图1所示，当该伺服电机为磁极对数P＝3，槽数S＝9的内转子电机，且电机以角速度ω＝PΩ稳速转动时，线性霍尔元件2的位置信号Vh＝V0+Vsin3θ，其中正弦波量：Vsin3θ＝Vsin3ωt，θ＝ωt，转角是时间的函数，而电机的A相反电势eA(t)＝e1(t)+e4(t)+e7(t)，其中e1(t)，e4(t)，e7(t)分别是A相绕组绕在三个定子极上的反电势，A相反电势eA(t)＝e1(t)+e4(t)+e7(t)＝3e1(t)＝3Vmsin3ωt，A相反电势eA(t)与e1(t)的相位不同，也即，线性霍尔元件2的位置信号Vh与A相反电势同相位，这为控制器提供了方便。注意A相由A+和A-两套绕组串联而成。

如图9所示，当该伺服电机为磁极对数P＝23，槽数S＝51的外转子轮毂电机，且电机以角速度ω＝PΩ稳速转动时，θ＝ωt，转角是时间的函数，线性霍尔元件2的位置信号Vh＝V0+VsinPθ，而电机的A相反电势：

eA(t)＝e1(t)-e2(t)+e3(t)-e4(t)+e12(t)-e13(t)+e14(t)+e22(t)-e23(t)+e24(t)+e32(t)-e33(t)+e34(t)+e42(t)-e43(t)+e44(t)-e45(t)＝VmsinP(θ+φ)，其中下标是极的序号，表明极上绕组反电势的空间位置，A相反电势由17个极上的反电势串联而成，由于每个极的相位不同，串联后，A相反电势eA(t)与e1(t)的相位不同，存在一个固定的相位差φ，相位差φ可以测量出来或计算出来，本实施例的相位差φ＝-10.5883°。可以通过软件或硬件方法对相位差进行偏置，偏置后使A相反电势与线性霍尔元件的位置信号Vh同相位，以便方便控制器。注意所说A相绕组由A+和A-两套绕组串联而成。

如图10所示，当该伺服电机为磁极对数P＝24，槽数S＝54的外转子轮毂电机，且电机以角速度ω＝PΩ稳速转动时，θ＝ωt，转角是时间的函数，线性霍尔元件的位置信号Vh＝V0+VsinPθ，而电机的A相反电势：

eA(t)＝e1(t)-e2(t)+e 3(t)+e10(t)-e11(t)+e12(t)+e19(t)-e20(t)+e21(t)+e28(t)-e29(t)+e30(t)+e37(t)-e38(t)+e39(t)+e46(t)-e47(t)+e47(t)＝VmsinP(θ+φ)，其中下标是极的序号，表明极上绕组反电势的空间位置，A相反电势由18个极上的反电势串联而成，由于每个极的空间相位不同，串联后，A相反电势eA(t)与e1(t)的相位不同，存在一个固定的相位差φ，相位差φ可以测量出来或计算出来，本实施例的相位差φ＝+0.834°。可以通过软件或硬件方法对相位差进行偏置，偏置后使A相反电势与线性霍尔元件的位置信号Vh同相位，以方便控制器。注意所说A相绕组由A+和A-两套绕组串联而成。

此外，本实用新型的三相多态伺服电机可用于电动汽车、电动自行车、电动摩托车和其它伺服电机应用场合，因此应用范围亦十分广泛。

以上实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据此实施，并不能限制本实用新型的保护范围。凡跟本实用新型权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种三相多态伺服电机，其特征在于，包括定子(1)、转子、伺服控制器，以及设于所述定子(1)端面上的用于检测所述转子磁场位置的线性霍尔元件(2)和开关霍尔元件(3)；所述线性霍尔元件(2)和开关霍尔元件(3)均位于所述定子冲片的圆周面上，所述线性霍尔元件(2)和开关霍尔元件(3)之间的电角度为90°，且所述线性霍尔元件(2)和开关霍尔元件(3)的磁敏感面均与所述转子的磁极表面相对；所述线性霍尔元件(2)和开关霍尔元件(3)分别连接至所述伺服控制器；

该伺服电机的定子极上还绕有两组串联的三相绕组(4)，两所述三相绕组(4)串联后形成A相进线端和A相出线端、B相进线端和B相出线端、以及C相进线端和C相出线端；且两所述三相绕组(4)的中点相接在一起；

所述伺服控制器包括功率驱动模块，所述功率驱动模块的功率开关的A相H桥电路与所述A相进线端和A相出线端相连接，所述功率开关的B相H桥电路与所述B相进线端和B相出线端连接，所述功率开关的C相H桥电路与所述C相进线端和C相出线端连接。

2.根据权利要求1所述的三相多态伺服电机，其特征在于，所述A相H桥电路包括上桥T1、T2和下桥T7、T8；所述B相H桥电路包括上桥T3、T4和下桥T9、T10；所述C相H桥电路包括上桥T5、T5和下桥T11、T12。

3.根据权利要求1所述的三相多态伺服电机，其特征在于，所述定子冲片第一个绕线槽的槽口设有与所述线性霍尔元件(2)的大小相匹配的线性霍尔元件槽；所述定子冲片第一个定子极上设有与所述开关霍尔元件(3)大小相匹配的开关霍尔槽；所述定子冲片线性霍尔槽的中心与所述开关霍尔槽的中心在空间相差90°的电角度；

所述线性霍尔元件(2)位于所述线性霍尔槽中，所述开关霍尔元件(3)位于所述开关霍尔槽中。

4.根据权利要求1所述的三相多态伺服电机，其特征在于，所述伺服控制器包括转角变换电路、速度变换电路；

所述转角变换电路包括用于将所述线性霍尔元件(2)输出的正弦波模拟输出电压转换成数字量的A/D转换模块，经所述A/D转换模块所得的数字量通过所述开关霍尔元件(3)提供的符号函数来区分正弦波按90°为周期的多值性，最后通过所述伺服控制器的控制核心运算获得具有唯一性的数字量位置信号。

5.根据权利要求4所述的三相多态伺服电机，其特征在于，所述伺服控制器的控制核心为数字信号DSP或单片机MCU。

6.根据权利要求4所述的三相多态伺服电机，其特征在于，所述伺服控制器的控制核心包括现场可编程门阵列FPGA或专用集成电路ASIC。

7.根据权利要求1-6任一项所述的三相多态伺服电机，其特征在于，该伺服电机为磁极对数为P＝3，槽数S＝9的内转子电机。

8.根据权利要求1-6任一项所述的三相多态伺服电机，其特征在于，该伺服电机为磁极对数为P＝23，槽数S＝51的外转子轮毂电机。

9.根据权利要求1-6任一项所述的三相多态伺服电机，其特征在于，该伺服电机为磁极对数为P＝24，槽数S＝54的外转子轮毂电机。

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