CN103731077A - 电机转子位置和转速的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机转子位置和转速的检测装置，包括固定设置于电机转子的转轴上的位置传感器转子，所述位置传感器转子包括能够产生正弦空间磁场的永磁体，所述检测装置还包括设置于电机定子上的用于检测所述正弦空间磁场的3个线性霍尔元件，各所述线性霍尔元件以互差120度电角度的方式分布在与所述转轴垂直的平面上的以所述转轴为圆心的圆周上。本发明还提供了一种电机转子位置和转速的检测方法，根据3个线性霍尔元件输出的电压值的大小关系判断当前处于电角度周期中的哪个电角度区间，再根据所述电压值和所述电角度区间计算所述电机转子的位置。本发明能够低成本且高精度、高可靠性地实现电机转子的位置和速度检测。

Description

电机转子位置和转速的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及电机检测领域，特别涉及一种电机转子位置和转速的检测装置及方法。

背景技术

目前，电动自行车、自平衡电动两轮车、具有平衡功能的独轮车和电动汽车等都以电动机作为主要动力输出装置，这些应用领域的成本较低，但是对电动机转子位置传感器的精度及可靠性的要求比较高。

现有技术中，永磁无刷直流电动机的位置检测装置有：离散霍尔传感器、光电编码器和旋转变压器。离散霍尔传感器在一个电角度周期提供六个位置，位置精度低，采用此位置检测装置，电机转矩脉动大、速度计算精度低。光电编码器虽然位置精度高，但价格昂贵，且受应用环境影响较大，不合适对可靠性要求高且成本低的电动车领域。旋转变压器可靠性及位置检测精度都很高，但其同样价格昂贵，且解码算法复杂，需要采用硬件芯片解码，虽然电路简单，但解码芯片价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种低成本且精度和可靠性高的电机转子位置和转速的检测装置及方法。

为此，本发明提供了一种电机转子位置和转速的检测装置，包括固定设置于电机转子的转轴上的位置传感器转子，所述位置传感器转子包括能够产生正弦空间磁场的永磁体，所述检测装置还包括设置于电机定子上的用于检测所述正弦空间磁场的3个线性霍尔元件，各所述线性霍尔元件以互差120度电角度的方式分布在与所述转轴垂直的平面上的以所述转轴为圆心的圆周上。

进一步地，所述圆周的半径为能够使得所述线性霍尔元件检测到的磁场强度小于其能够感应的最大磁场强度的数值并且大于预定值。

优选地，所述永磁体具有两个对极。

优选地，所述永磁体为磁极交替分布的四片瓦片式钕铁硼磁钢。

本发明还提供了一种基于所述电机转子位置和转速的检测装置的电机转子位置和转速的检测方法，根据所述3个线性霍尔元件中依次相邻布置的第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件分别输出的第一电压值、第二电压值和第三电压值之间的大小关系判断当前处于电角度周期中的哪个电角度区间，再根据所述电压值和所述电角度区间计算所述电机转子的位置。

进一步地，所述判断当前处于电角度周期中的哪个电角度区间具体包括：当第二电压值小于或等于第一电压值且第一电压值小于第三电压值时，所述电角度区间为第一区间；当第二电压值小于或等于第三电压值且第三电压值小于第一电压值时，所述电角度区间为第二区间；当第三电压值小于或等于第二电压值且第二电压值小于第一电压值时，所述电角度区间为第三区间；当第三电压值小于或等于第一电压值且第一电压值小于第二电压值时，所述电角度区间为第四区间；当第一电压值小于或等于第三电压值且第三电压值小于第二电压值时，所述电角度区间为第五区间；当第一电压值小于或等于第二电压值且第二电压值小于第三电压值时，所述电角度区间为第六区间。

优选地，根据如下公式计算所述电机转子的位置θ_e：

θ_e=θ_x+K·V_e，其中，θ_x为所述电角度区间的初始位置，其取值如下：

K为所述线性霍尔元件检测到的最大磁场强度所对应的电压值的倒数，V_e为所述电角度区间内的有效电压值，其取值如下：

优选地，根据如下公式计算所述电机转子的位置θ_e：

θ_e=θ_x+arcsin(K·V_e)，其中，θ_x为所述电角度区间的初始位置，其取值如下：

K为所述线性霍尔元件检测到的最大磁场强度所对应的电压值的倒数，V_e为所述电角度区间内的有效电压值，其取值如下：

进一步地，还包括根据两个以上所述电机转子的位置计算所述电机转子的转速。

优选地，计算得到k-1时刻的转子位置θ_e,k-1和k时刻的转子位置θ_e,k，k-1时刻和k时刻之间的时间差为T，根据如下公式计算所述电机转子的转速n_k：

其中，p为所述位置传感器转子的永磁体的极对数。

本发明的电机转子位置和转速的检测装置，采用线性霍尔元件作为检测器件，比现有技术的检测装置降低了器件成本，简化了制造工艺，同时提高了可靠性；基于该装置的检测方法通过软件对线性霍尔元件输出的电压进行解码处理，大大提高了转子位置和速度的检测精度。

附图说明

图1为本发明的电机转子位置和转速的检测装置的优选的实施方式的示意图；

图2为本发明的电机转子位置和转速的检测装置的优选的实施方式的位置传感器转子的永磁体的示意图；

图3为本发明的电机转子位置和转速的检测装置的优选的实施方式的位置传感器转子的底座的示意图；

图4为本发明的电机转子位置和转速的检测装置的优选的实施方式的线性霍尔元件输出的电压波形图；

图5为本发明的电机转子位置和转速的检测方法的优选的实施方式的流程图；

图6为本发明的电机转子位置和转速的检测方法的优选的实施方式的电角度区间示意图；

图7为本发明的电机转子位置和转速的检测方法的优选的实施方式的曲线近似的示意图。

附图标记说明：

1   位置传感器转子        2   电机定子

31  第一线性霍尔元件      32  第二线性霍尔元件

33  第三线性霍尔元件      4   底座

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的电机转子位置和转速的检测装置及方法作进一步的详细描述，但不作为对本发明的限定。

参照图1，为本发明的电机转子位置和转速的检测装置的优选的实施方式的示意图。在该实施方式中，电机为两对极无刷直流电动机。该检测装置包括固定设置于电机转子的转轴上的位置传感器转子1、以及设置于电机定子2上用于检测位置传感器转子1的正弦空间磁场的3个线性霍尔元件31、32、33。

位置传感器转子1包括能够产生正弦空间磁场的永磁体，参照图2，该永磁体具有两个对极，优选为磁极交替分布的四片瓦片式钕铁硼磁钢。永磁体采用图2中箭头所示的径向平行充磁方式，充磁方式简单，该永磁体结构设计及充磁方式保证位置传感器转子1的磁场空间呈正弦分布。位置传感器转子1还包括固定设置于电机转子的转轴上的底座4，如图3所示。永磁体与底座4之间采用粘接等方式固定，并通过锲型槽与底座相互配合，如图1所示，保证电机在高速运行时永磁体与底座4牢固固定。

如图1所示，在该实施方式中，3个线性霍尔元件31、32、33以互差120度电角度的方式分布在与转轴垂直的平面上的以转轴为圆心的圆周上。优选地，线性霍尔元件采用霍尼韦尔公司的SS495A元件。3个线性霍尔元件为依次相邻布置的第一线性霍尔元件31、第二线性霍尔元件32和第三线性霍尔元件33。在该优选的实施方式中，这3个线性霍尔元件的位置关系继续参照图1，第一线性霍尔元件31的中心和圆心的连线与第二线性霍尔元件32的中心和圆心的连线的夹角为60度机械角度，第三线性霍尔元件33的中心和圆心的连线与第二线性霍尔元件32的中心和圆心的连线的夹角也为60度机械角度。

由于该实施方式中的位置传感器转子1具有两个对极，其旋转一周时的电角度为720度，因此相差60度机械角度的第一线性霍尔元件31和第二线性霍尔元件32之间、第二线性霍尔元件32和第三线性霍尔元件33之间的电角度相差120度。同时，由于第一线性霍尔元件31和第三线性霍尔元件33之间的机械角度相差180+60度，因此其电角度相差360+120度，即第一线性霍尔元件31和第三线性霍尔元件33之间相差120度电角度。因此，在该实施方式中，3个线性霍尔元件之间互差120度电角度。

当电机旋转时，3个线性霍尔元件31、32、33输出电压的波形如图4所示，其中V_max为检测到最大磁场强度时输出的电压值。其中V₁、V₂、V₃分别为第一线性霍尔元件31、第二线性霍尔元件32、第三线性霍尔元件33的输出电压。

电压信号的幅值由永磁体的磁性及线性霍尔元件的空间位置决定。线性霍尔元件到圆心的距离即圆周的半径的选取，既要保证磁场在线性霍尔元件处感应出足够大的电压以保证电压的采样精度，又要保证该处磁场小于线性霍尔元件能够感应的最大磁场值以避免饱和。该实施方式采用的线性霍尔元件SS495A能够感应的最大磁场强度为±800高斯，其对应的输出电压为±2V，优选地，选取线性霍尔元件的放置位置即圆周半径，以使得线性霍尔元件感应到的最大磁场对应的电压为1.8V，即V_max=1.8V。

根据图4所示的波形，可以把360度电角度周期划分为6个区间I～VI，如图6所示，每个区间及其具体划分准则如表1的第一列和第二列所示：

表1电角度区间及其特性

第一区间I	V2≤V1<V3	V1=Vmaxsinθ
			第二区间II	V2≤V3<V1	V3=-Vmaxsinθ
第三区间III	V3≤V2<V1	V2=Vmaxsinθ
			第四区间IV	V3≤V1<V2	V1=-Vmaxsinθ
第五区间V	V1≤V3<V2	V3=Vmaxsinθ
			第六区间VI	V1≤V2<V3	V2=-Vmaxsinθ

表1中第三列表示每个区间内大小居中的电压值，其中θ∈[-30°,30°)。

根据上述特性，对3个线性霍尔元件的输出电压进行解码，即可得到电机转子的位置。具体方法为，如图5所示，先根据3个线性霍尔元件输出的电压值的大小关系，依照表1第一列和第二列所描述的区间划分准则，判断当前处于电角度周期中的哪个电角度区间，再根据电压值和电角度区间计算电机转子的位置，然后根据两个以上电机转子的位置计算电机转子的转速。

具体地，判断出当前所处的电角度区间后，根据如下公式计算电机转子的位置θ_e：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_e={\mathrm{\θ}}_x+\arcsin (K\·V_e)\\ ={\mathrm{\θ}}_x+\arcsin (\frac{1}{V_{\max }}\·V_e)\end{array},$ 其中，θ_x为所在电角度区间的初始位置，其取值如表2所示：

表2电角度区间的初始位置

电角度区间	初始位置θx（单位：度）
		第一区间I	0
第二区间II	60
		第三区间III	120
第四区间IV	180
		第五区间V	240
第六区间VI	300

V_e为所在电角度区间内3个线性霍尔元件的输出电压值中大小居中的电压值，其取值如表3所示：

表3电角度区间的居中电压值

电角度区间	居中电压值Ve
		第一区间I	V1
第二区间II	-V3
		第三区间III	V2
第四区间IV	-V1
		第五区间V	V3
第六区间VI	-V2

如图7所示，在θ为小角度时近似地有θ≈sinθ，在上述方法中，θ∈[-30°,30°)，属于小角度，因此可以用θ来近似sinθ。例如在第一区间I内，居中电压值V_e=V₁=V_maxsinθ≈V_maxθ，在第二区间II内，居中电压值V_e=-V₃=-V_maxsinθ≈-V_maxθ，其他电角度区间类似。

用θ来近似sinθ，可以简化位置计算时对arcsin()函数的计算，从而大大减少计算量。因此，优选地，根据如下公式计算电机转子的位置θ_e：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_e={\mathrm{\θ}}_x+K\·V_e\\ ={\mathrm{\θ}}_x+\frac{1}{V_{\max }}\·V_e\end{array},$ 其中，θ_x的取值如表2所示，V_e的取值为表3所示。

进一步地，该方法还包括根据两个以上电机转子的位置计算电机转子的转速。优选地，以采样周期T对线性霍尔元件的输出电压进行采样，并根据电压的采样值计算电机转子在各个采样时间的位置，利用其中k-1时刻的转子位置θ_e,k-1和k时刻的转子位置θ_e,k，根据如下公式即可计算出电机转子的转速n_k：

其中，p为位置传感器转子的极对数。

以上具体实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不能用于限定本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这些修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电机转子位置和转速的检测装置，包括固定设置于电机转子的转轴上的位置传感器转子，其特征在于，所述位置传感器转子包括能够产生正弦空间磁场的永磁体，所述检测装置还包括设置于电机定子上的用于检测所述正弦空间磁场的3个线性霍尔元件，各所述线性霍尔元件以互差120度电角度的方式分布在与所述转轴垂直的平面上的以所述转轴为圆心的圆周上。

2.根据权利要求1所述的电机转子位置和转速的检测装置，其特征在于，所述圆周的半径为能够使得所述线性霍尔元件检测到的磁场强度小于其能够感应的最大磁场强度的数值并且大于预定值。

3.根据权利要求1所述的电机转子位置和转速的检测装置，其特征在于，所述永磁体具有两个对极。

4.根据权利要求3所述的电机转子位置和转速的检测装置，其特征在于，所述永磁体为磁极交替分布的四片瓦片式钕铁硼磁钢。

5.一种基于权利要求1所述的电机转子位置和转速的检测装置的电机转子位置和转速的检测方法，其特征在于，根据所述3个线性霍尔元件中依次相邻布置的第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件分别输出的第一电压值、第二电压值和第三电压值之间的大小关系判断当前处于电角度周期中的哪个电角度区间，再根据所述电压值和所述电角度区间计算所述电机转子的位置。

6.根据权利要求5所述的电机转子位置和转速的检测方法，其特征在于，所述判断当前处于电角度周期中的哪个电角度区间具体包括：

当第二电压值小于或等于第一电压值且第一电压值小于第三电压值时，所述电角度区间为第一区间；

当第二电压值小于或等于第三电压值且第三电压值小于第一电压值时，所述电角度区间为第二区间；

当第三电压值小于或等于第二电压值且第二电压值小于第一电压值时，所述电角度区间为第三区间；

当第三电压值小于或等于第一电压值且第一电压值小于第二电压值时，所述电角度区间为第四区间；

当第一电压值小于或等于第三电压值且第三电压值小于第二电压值时，所述电角度区间为第五区间；

当第一电压值小于或等于第二电压值且第二电压值小于第三电压值时，所述电角度区间为第六区间。

7.根据权利要求6所述的电机转子位置和转速的检测方法，其特征在于，根据如下公式计算所述电机转子的位置θ_e：

θ_e=θ_x+K·V_e，

其中，

θ_x为所述电角度区间的初始位置，其取值如下：

K为所述线性霍尔元件检测到的最大磁场强度所对应的电压值的倒数，

V_e为所述电角度区间内的有效电压值，其取值如下：

8.根据权利要求6所述的电机转子位置和转速的检测方法，其特征在于，根据如下公式计算所述电机转子的位置θ_e：

θ_e=θ_x+arcsin(K·V_e)，

其中，

θ_x为所述电角度区间的初始位置，其取值如下：

K为所述线性霍尔元件检测到的最大磁场强度所对应的电压值的倒数，

V_e为所述电角度区间内的有效电压值，其取值如下：

9.根据权利要求5所述的电机转子位置和转速的检测方法，其特征在于，还包括根据两个以上所述电机转子的位置计算所述电机转子的转速。

10.根据权利要求9所述的电机转子位置和转速的检测方法，其特征在于，计算得到k-1时刻的转子位置θ_e,k-1和k时刻的转子位置θ_e,k，k-1时刻和k时刻之间的时间差为T，根据如下公式计算所述电机转子的转速n_k：

$n_k=\frac{60\×({\mathrm{\θ}}_{e,k}-{\mathrm{\θ}}_{e,k-1})}{2\mathrm{p\πT}},$

其中，p为所述位置传感器转子的永磁体的极对数。

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