CN107517025A - 一种电机位置反馈装置及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机位置反馈装置及其信号处理方法，属于电机的技术领域。一种电机位置反馈装置及其信号处理方法包括设置于定子线圈中或处于磁钢磁场范围内的PCB板上的两模拟量霍尔传感器，且两模拟量霍尔传感器的电相位在空间上呈相差90°设置，且信号经过多个部分的信号调理，计算正切值和反正切值，并输出位置信息；本发明通过设置两模拟量霍尔传感器分别感应A相绕组磁场在空间上的正弦值和余弦值，实现了转子位置信息的确定，空间更省，紧凑性更高，成本更低，利于大批量生产，且绕组零位在安装时便已设置，无需后期标定，使用更方便，且无机械传动，鲁棒性好，延长了电机使用寿命，并且信号经过信号调理过程，提高了转子位置信息的准确性。

Description

一种电机位置反馈装置及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及电机的技术领域，具体是涉及一种电机位置反馈装置及其信号处理方法。

背景技术

电机作为动力装置，不仅反应快速，且动力输出平稳，易于控制；同时，电机的能源消耗更加清洁，因此，受到各行各业的青睐。

近年来，轴向磁场永磁电机发展较快，尤其是无铁芯的永磁同步电机，这种电机为盘式结构，轴向尺寸较短，并且这种电机不具有凸极特性或具有微弱的凸极特性，因此在对这种无铁芯的永磁同步电机很难采用无传感器的控制方法。传统的，在电机的出轴的末端上加装编码器，如绝对值Hiperface编码器、数字增量式编码器或旋转变压器。但是，在加装编码器后，会造成轴向尺寸的变大，导致结构的不紧凑，增加了电机的成本，而且还需在电机控制前进行零位角的标定，对电机的使用均造成了影响，不利于这种无铁芯的永磁电机的发展。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现旨在提供一种电机位置反馈装置及其信号处理方法，以在定子线圈或处于磁钢磁场范围内的PCB板上的两个模拟量霍尔传感器，并且两者的电相位在空间上呈相差90°设置，通过感知定子线圈的磁场强度，分别感应到电机位置反馈装置及其信号处理方法及其信号处理方法相绕组磁场在空间上的正弦值和余弦值，后将得到的正弦值和余弦值经过幅值控制、偏差调整、相位调整和加直流偏置四个过程的信号调理后，得到正切值，并求得反正切值，从而得到转子的角度，获得位置信号，避免了加装编码器带来的尺寸变大，结构不紧凑的问题；同时霍尔传感器成本低，更利于生产制造；并且，电机的绕组零位传感器安装时已经确定，无需后期标定绕组零位，使用更加方便，还避免了机械性传动带来的鲁棒性差的问题，延长了电机的使用寿命。

具体技术方案如下：

一种电机位置反馈装置，具有这样的特征，包括：两模拟量霍尔传感器，两模拟量霍尔传感器的电相位在空间上呈相差90°设置，并且两模拟量霍尔传感器设置于定子线圈中，或两模拟量霍尔传感器设置于处于电机的磁钢磁场范围内的PCB板上。

上述的一种电机位置反馈装置，其中，定子线圈为PCB工艺制作的线圈，或定子线圈为绕线工艺制作的线圈。

上述的一种电机位置反馈装置，其中，两模拟量霍尔传感器贴于PCB工艺制作的定子线圈。

上述的一种电机位置反馈装置，其中，两模拟量霍尔传感器埋入绕线工艺制作的定子线圈。

一种信号处理方法，具有这样的特征，包括上述的电机位置反馈装置，分为以下步骤：

步骤一，两模拟量霍尔传感器分别感应A相绕组磁场在空间上的正弦值Vsin和余弦值Vcos；

步骤二，对正弦值Vsin和余弦值Vcos值进行信号调理；

步骤三，计算正切值(Vsin/Vcos)，并计算反正切值，输出位置信号。

上述的一种信号处理方法，其中，信号调理包括幅值控制过程、偏差调整过程、相位调整过程以及加直流偏置过程四个部分，且按完成的先后顺序依次为幅值控制过程、偏差调整过程、相位调整过程和加直流偏置过程。

上述的一种信号处理方法，其中，幅值控制过程为采用运算放大电路，并通过调整运算放大电路的参数，结合在相位调制过程中对信号幅值的影响，使对应的交流信号振幅最高峰值输出接近1Vpp。

上述的一种信号处理方法，其中，偏差调整过程包括正向偏差调整和负向偏差调整，偏差调整可采用加法电路或减法电路进行调整。

上述的一种信号处理方法，其中，相位调整过程通过采用移相电路来对交流信号进行相位角的超前或滞后调整。

上述的一种信号处理方法，其中，加直流偏置过程为采用加法电路，对Vsin和Vcos加直流偏置电压，如2.5V的直流偏置电压。

上述技术方案的积极效果是：1、在电机的定子线圈中或处于电机的磁钢磁场范围内的PCB板上设置两模拟量霍尔传感器，并将两模拟量霍尔传感器的电相位在空间上呈相差90°设置，通过检测到的信号，得到转子的位置信息，方法简单，空间更小，结构更紧凑；2、只需设置两模拟量霍尔传感器，成本更低，更利于生产制造，更符合企业流水线式的大批量生产；3、电机的绕组零位在两传感器安装时已经确定，后期无需进行绕组零位的标定，使用更加方便；4、通过传感器产生信号，排除了机械式的传动，鲁棒性更好，延长了电机的使用寿命；5、转子的位置信息在确定之前对信号进行了信号调理，结果更准确，精度更高。

附图说明

图1为本发明的一种电机位置反馈装置的实施例的结构图；

图2为本发明的一种电机位置反馈装置的另一种安装方式；

图3为本发明的一种电机位置反馈装置的另一种安装方式的一视角的结构图；

图4为本发明的一种信号处理方法的流程图；

图5为本发明一较佳实施例的反向放大电路；

图6为本发明一较佳实施例的反向器的电路图；

图7为本发明一较佳实施例的加法电路；

图8为本发明一较佳实施例的减法电路；

图9为本发明一较佳实施例的相位角超前的移相电路；

图10为本发明一较佳实施例的相位角滞后的移相电路。

附图中：1、定子线圈；2、处于电机的磁钢磁场范围内的PCB板；3、模拟量霍尔传感器；4、定子壳；41、通孔；5、磁钢；6、螺栓。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图1至附图10对本发明提供的技术方案作具体阐述，但以下内容不作为本发明的限定。

图1为本发明的一种电机位置反馈装置的实施例的结构图；图2为本发明的一种电机位置反馈装置的另一种安装方式；图3为本发明的一种电机位置反馈装置的另一种安装方式的一视角的结构图。如图1、图2以及图3所示，本实施例提供的电机位置反馈装置包括：两模拟量霍尔传感器3。

具体的，在电机的定子线圈1或处于电机的磁钢磁场范围内的PCB板2上设置有两模拟量霍尔传感器3，并且两模拟量霍尔传感器3在安装时，在空间的电相位呈相差90°设置，保证了两模拟量霍尔传感器3感应到的信号分别为A相绕组磁场在空间上的正弦值Vsin和余弦值Vcos，便于后期对信号的处理以及位置信号的确定。

具体的，定子线圈1包括PCB工艺制作的线圈和绕线工艺制作的线圈，当为PCB工艺制作的定子线圈1时，两模拟量霍尔传感器3贴于定子线圈1上；当为绕线工艺制作的定子线圈1时，两模拟量霍尔传感器3埋入定子线圈1中，尽可能大的节省了布置空间，保证了电机结构的紧凑性。

更加具体的，两模拟量霍尔传感器3贴于或埋入定子线圈1上时，两模拟量霍尔传感器3位于转子磁钢5的内、外侧边缘上或位于转子磁钢5轴向磁场的直接作用范围内。转子磁钢5为轴向多极充磁，同时采用正弦波方式，使其磁场在外侧边缘上具有正弦特性。当两模拟量霍尔传感器3安装于PCB板的表面上时，两模拟量霍尔传感器3接近转子磁钢5的外侧边缘上，此时，两模拟霍尔传感器3穿过定子壳4上的通孔41。

更加具体的，处于电机的磁钢磁场范围内的PCB板2位于磁钢5的外边缘处，处于电机的磁钢磁场范围内的PCB板2通过螺栓6固定于定子壳4上，两个模拟量霍尔传感器3焊接于处于电机的磁钢磁场范围内的PCB板2上，两者在空间上相差90度电角度，即分别对应于A相绕组的0相位及90度相位。两个模拟量霍尔传感器3的检测感应区域的中心线通过转子磁钢5的中心，保证了两霍尔传感器信号检测的准确性。

图4为本发明的一种信号处理方法的流程图；图5为本发明一较佳实施例的反向放大电路；图6为本发明一较佳实施例的反向器的电路图；图7为本发明一较佳实施例的加法电路；图8为本发明一较佳实施例的减法电路；图9为本发明一较佳实施例的相位角超前的移相电路；图10为本发明一较佳实施例的相位角滞后的移相电路。如图1至图10所示，基于本发明所提供的电机位置反馈装置得到的一种信号处理方法包括以下步骤：

步骤一，两模拟量霍尔传感器分别感应A相绕组磁场在空间上的正弦值Vsin和余弦值Vcos；

步骤二，对正弦值Vsin和余弦值Vcos进行信号调理；

步骤三，计算正切值(Vsin/Vcos)，并计算反正切值，并输出位置信号。

通过上述的信号处理方法，更加准确的确定了电机转子的位置信号，且过程简单，易于操作。

更加具体的，在步骤二中，需对两模拟量霍尔传感器上感应的正弦值Vsin和余弦值Vcos进行信号调理，信号调理包括幅值控制过程、偏差调整过程、相位调整过程以及加直流偏置过程四个部分，且感应到的模拟信号正弦值Vsin和余弦值Vcos在信号调理中按完成的先后顺序依次为幅值控制过程、偏差调整过程、相位调整过程和加直流偏置过程，实现了对感应信号的处理，进一步保证了电机转子位置信息的准确性。

更加具体的，信号在幅值控制过程中，采用运算放大电路，运算放大电路包括反向放大电路和反向器，并通过调整反向放大电路的参数，如调节电阻值的大小，后通过反向器将放大后的反向信号矫正，同时考虑到相位调制过程中对信号幅值的影响，可使对应的交流信号振幅最高峰值输出为1Vpp左右，实现了对检测信号进行放大，防止通过两模拟量霍尔传感器产生的模拟信号的幅值过小而影响电机转子位置信息的确定，提高准确性。如图5和图6所示，在反向放大电路中，v01为放大电路的输出，v0为来自模拟量霍尔传感器的输出信号，Rt为PTC正温度系数的热敏电阻，Rf为可调电阻，存在如下关系，

通过调节Rf来改变放大倍数，同时Rt具有温度补偿作用，可补偿由于温度升高后磁场减弱后的影响。

并且，由于放大电路为反向信号，因此，v01需经过反向器得到v1信号，完成幅值控制。

更加具体的，偏差调整过程包括正向偏差调整和负向偏差调整，信号在偏差调整过程中，可通过加法电路或减法电路来实现。当Vsin或Vcos信号的平均值小于设定值时，需要进行正向偏差调整，通过加法电路来实现时，开关置于VCC侧；通过减法电路来实现时，开关置于-VCC侧。当Vsin或Vcos信号的平均值大于设定值时，需要进行负向偏差调整，通过加法电路来实现时，开关置于-VCC侧；通过减法电路来实现时，开关置于VCC侧，从而得到合适的电压大小。这样能防止信号采集的不准确性，提高了电机转子位置信息的确定精度。

如图7所示，加法电路，设R21＝R22＝R23，此时，

v₂＝v₁+v₀₁

式中，v2为偏差调整后的输出信号，v1为幅值控制后的输出信号，v01为偏差调整量，v01由图中分压电路得到。当v2的平均值小于设定值时，开关S1置于VCC侧，使v2加上一个正向电压；当v2的平均值大于设定值时，开关S1置于-VCC侧，使v2加上一个负向电压。通过调整电阻器Ra的大小可得到合适的电压大小。

如图8所示，减法电路，设R24＝R25,R26＝R27,此时，

v₂＝v₁-v₀₁

式中，v2为偏差调整后的输出信号，v1为幅值控制后的输出信号，v01为偏差调整量，v01同样由分压电路得到，在图7未标出分压电路，采用图6中相同的方法得到。当v2的平均值小于设定值时，开关S1置于-VCC侧，使v2减去一个负向电压；当v2的平均值大于设定值时，开关S1置于VCC侧，使v2减去一个正向电压。通过调整电阻器Ra的大小可得到合适的电压大小。

更加具体的，在经过偏差调整过程后的Vsin或Vcos信号的相位角可能会出现超前或滞后问题，在相位调整过程中，当Vsin或Vcos信号的相位角出现滞后时，通过图9所示的相位角超前的移相电路进行相位角的超前调整；当Vsin或Vcos信号的相位角出现超前时，通过图10所示的相位角滞后的移相电路进行相位角的滞后调整，进一步保证了电机转子位置信息确定的准确性。即通过调整图9和图10中可调电位器RP1和RP2的大小，可达到移相的目的。配合幅值控制过程中调节电阻值的大小，使相位调整过程后Vsin和Vcos交流信号振幅最高峰值为1Vpp。

更加具体的，加直流偏置过程中，采用加法电路，对Vsin和Vcos加直流偏置电压，直流偏置电压为固定电压值，即在图9和图10中相位调整过程的输出信号V3加上一个固定的电压值，如2.5V的直流偏置电压，保证了反馈装置与现有的编码器的兼容，满足接口规范。

本实施例提供的电机位置反馈装置及其信号处理方法，包括设置于定子线圈1中或处于电机的磁钢磁场范围内的PCB板2上的两模拟量霍尔传感器3，且在安装时两模拟量霍尔传感器3的电相位在空间上呈相差90°设置，并且信号经过包括幅值控制、偏差调整、相位调整以及加直流偏置四个部分的信号调理过程，计算正切值和反正切值，并输出位置信息；通过设置两模拟量霍尔传感器3分别感应A相绕组磁场在空间上的正弦值Vsin和余弦值Vcos，实现了转子位置信息的确定，结构简单，空间更省，紧凑性更高，并且模拟量霍尔传感器3的成本更低，更利于大批量生产；同时，在安装时便实现了绕组零位的设置，无需后期标定，使用更方便，并且无机械传动，鲁棒性更好，延长了电机的使用寿命，并且信号经过信号调理过程，提高了转子位置信息的准确性。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电机位置反馈装置，其特征在于，包括：两模拟量霍尔传感器，两模拟量霍尔传感器的电相位在空间上呈相差90°设置，并且两模拟量霍尔传感器设置于定子线圈中，或两模拟量霍尔传感器设置于处于电机的磁钢磁场范围内的PCB板上。

2.根据权利要求1所述的一种电机位置反馈装置，其特征在于，所述定子线圈为PCB工艺制作的线圈，或定子线圈为绕线工艺制作的线圈。

3.根据权利要求2所述的一种电机位置反馈装置，其特征在于，所述两模拟量霍尔传感器贴于PCB工艺制作的定子线圈。

4.根据权利要求2所述的一种电机位置反馈装置，其特征在于，所述两模拟量霍尔传感器埋入绕线工艺制作的定子线圈。

5.一种信号处理方法，其特征在于，包括权利要求1～4所述电机位置反馈装置，分为以下步骤：

步骤一，两模拟量霍尔传感器分别感应A相绕组磁场在空间上的正弦值Vsin和余弦值Vcos；

步骤二，对正弦值Vsin和余弦值Vcos值进行信号调理；

步骤三，计算正切值(Vsin/Vcos)，并计算反正切值，输出位置信号。

6.根据权利要求5所述的一种信号处理方法，其特征在于，所述信号调理包括幅值控制过程、偏差调整过程、相位调整过程以及加直流偏置过程四个部分，且按完成的先后顺序依次为幅值控制过程、偏差调整过程、相位调整过程和加直流偏置过程。

7.根据权利要求6所述的一种信号处理方法，其特征在于，所述幅值控制过程为采用运算放大电路，并通过调整运算放大电路的参数，结合在相位调制过程中对信号幅值的影响，使对应的交流信号振幅最高峰值输出接近1Vpp。

8.根据权利要求6所述的一种信号处理方法，其特征在于，所述偏差调整过程包括正向偏差调整和负向偏差调整，所述偏差调整可采用加法电路或减法电路进行调整。

9.根据权利要求6所述的一种信号处理方法，其特征在于，所述相位调整过程通过采用移相电路来对交流信号进行相位角的超前或滞后调整。

10.根据权利要求6所述的一种信号处理方法，其特征在于，所述加直流偏置过程为采用加法电路，对Vsin和Vcos加直流偏置电压，如2.5V的直流偏置电压。