CN216290573U - 内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构和算法，其结构包括内置驱动电路板、线性霍尔传感器、平面感应磁钢、电机转子和电机定子，其特征在于，所述内置驱动电路板安装在永磁无刷电机内部，用于驱动电机运行；所述线性霍尔传感器至少两个，用于感应所述平面感应磁钢的磁场变化。本实用新型提供一种基于内置驱动电路的永磁无刷电机的转子位置检测设备和方法，不仅结构更紧凑，而且内置驱动电路板意味着节省了外置驱动电路板的安装成本和线束成本，具有非常好的实用价值。

Description

内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构

技术领域

本实用新型属于永磁无刷电机领域，涉及内置驱动电路的永磁无刷电机结构，尤其是涉及基于线性霍尔感应的转子位置检测机构。

背景技术

传统永磁无刷电机基本采用三个开关霍尔传感器检测电机转子角度；并且一般采用外置驱动电路控制永磁无刷电机的运行。但是存在以下几个缺点：（a）开关霍尔传感器检测转子位置角度分辨率较低，一个电周期仅提供6个离散的位置信息，无法满足矢量控制对高分辨率转子位置信息的需要；（b）虽然业界也存在“基于开关霍尔传感器的永磁无刷电机矢量控制算法”，但这类算法一般都要求电机转速平稳、负载冲击较小，大多应用于风机类应用场合，当应用场合要求电机具有低速大扭矩、高动态响应的输出能力时，这类算法就无法满足应用需求；（c）外置驱动电路需要增加霍尔感应电路板、电机绕组和霍尔信号的线束以及外置驱动电路的安装外壳等成本，而且对于某些应用场合，空间上也不够结构紧凑。

专利号为CN 113162333 A的中国发明专利，公开了一种无刷电机的磁环编码器结构及无刷电机，包括磁环和线性霍尔传感器。磁环安装在无刷电机内的转子轴上，能随电机转子轴同步转动；线性霍尔传感器设有至少两个，并安装在电路板上，电路板设有通孔，电机转子轴贯穿电路板的通孔。整篇专利没有关于驱动电路的描述，可以推定，所述的电路板仅用于安装线性霍尔传感器及其***电路，不含内置驱动电路，需要一套外置的驱动电路，用于驱动电机的运行。

上述技术方案设计了一套基于磁环编码器结构的无刷电机转子位置检测机构，这种结构没有内部集成电机驱动电路，需要通过电机绕组和霍尔信号的线束实现电机与外置驱动电路之间的电连接，外置驱动电路则需要额外的安装位置。许多应用场合要求整机结构紧凑，该方案的电机及其驱动电路占用空间相对更大，成本也更高；与平面感应磁钢相比，磁环结构也不够紧凑，且成本相对高。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种基于内置驱动电路的永磁无刷电机的转子位置检测结构，不仅结构更紧凑，而且内置驱动电路板意味着节省了外置驱动电路板的安装成本和线束成本，具有非常好的实用价值。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构，包括内置驱动电路板、线性霍尔传感器、平面感应磁钢、电机转子和电机定子，其特征在于，所述内置驱动电路板安装在永磁无刷电机内部，用于驱动电机运行；所述线性霍尔传感器至少两个，用于感应所述平面感应磁钢的磁场变化；所述平面感应磁钢安装在电机转子的轴上随着转子轴同步转动产生正弦交变磁场；所述电机定子的三相绕组线圈与内置驱动电路板的三根金属接头电连接。

在上述方案的基础上，所述线性霍尔传感器所在平面与平面感应磁钢所在平面平行，所述平面感应磁钢的所在平面与电机转子的转子轴心线垂直，所述平面感应磁钢的圆柱形圆心线与电机转子的转子轴心线重合。

在上述方案的基础上，所述电机定子的固定支架设有绝缘层，所述内置驱动电路板通过固定支架上的支撑柱和卡扣设置在电机定子上。

在上述方案的基础上，所述内置驱动电路板的外轮廓为圆形，所述内置驱动电路板与电机转子的轴心线垂直并且圆心与电机转子的轴心线重合。

在上述方案的基础上，所述线性霍尔传感器采用贴片封装并设置在内置驱动电路板上，所述线性霍尔传感器设置在以电机转子轴心线为圆心的圆周上，相邻两个所述线性霍尔传感器在圆周上的角度差值为90°。

在上述方案的基础上，所述平面感应磁钢呈现为圆柱形，所述平面感应磁钢为一对极的磁钢，所述平面感应磁钢与电机转子的转子轴固定连接。

在上述方案的基础上，所述平面感应磁钢的N极磁场方向与电机转子主磁场的N极磁场方向之间存在角度差值。

本实用新型的优点在于：

1.电机内部集成内置驱动电路板，通过电路板上的三根金属插片与电机定子线圈电连接；通过电机定子固定支架上的支撑柱和卡扣，将电路板固定在电机定子上。这样的安装结构不仅成本低，结构紧凑，占用空间小，而且能够确保电路板与电机定子之间的安装精度要求。

线性霍尔传感器采用贴片封装，并贴装在内置驱动电路板上。通过贴片焊接工艺，能够确保线性霍尔传感器与电路板之间的安装精度要求，进一步的，确保了线性霍尔传感器与平面感应磁钢之间的安装精度要求。

平面感应磁钢采用小尺寸的一对极圆柱形磁钢，相比磁环结构，具有成本低，安装简单，尺寸小巧等优点。而且，磁环结构要求：磁环极对数和电机转子主磁场极对数的配合，具有一定的对应关系，线性霍尔传感器在电路板上的圆周位置角度也随着磁环极对数的变化而变化；而采用一对极磁场的平面感应磁钢，对电机转子主磁场的极对数没有任何限制，两路线性霍尔传感器在圆周上的角度关系是确定不变的。

附图说明

图1是本实用新型提供的内置驱动电路的永磁无刷电机结构示意图。

图中，内置驱动电路板1、线性霍尔传感器2、平面感应磁钢3、电机转子4、电机定子5。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例的附图对本实用新型实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本实用新型的优选实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型专利保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“转子初始位置参数所包含的两路线性霍尔信号的交流幅值、直流偏置、转子初始位置补偿角”应做广义理解，只要能够通过简单的运算就能够得到“两路线性霍尔信号的交流幅值、直流偏置、转子初始位置补偿角”的其他参数（例如，通过线性霍尔信号最大值和最小值，可以计算得到线性霍尔信号的交流幅值和直流偏置；例如，转子初始位置补偿角可以通过角度的三角函数形式表达），都应视为“转子初始位置参数”的另一种表达形式，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型实施例提出了内置驱动电路的永磁无刷电机的转子位置检测机构。永磁无刷电机包括外壳、设于外壳内的定子组件、转子组件和安装转子组件的转子轴等部件，永磁无刷电机的结构是公开的结构，因此本申请内不提供具体的图纸；永磁无刷电机驱动电路的拓扑结构是公开的结构，因此本申请内不提供具体的电路图纸。

本实用新型提出的内置驱动电路的永磁无刷电机的转子位置检测机构，通过两路线性霍尔传感器，检测安装在永磁无刷电机转子轴上的平面感应磁钢的磁场变化，获得电机的转子位置和转速。

两路线性霍尔传感器2采用贴片封装，贴装在内置驱动电路板1上，电路板与转子轴的轴心线垂直，因此，两路线性霍尔传感器2到平面感应磁钢3的距离相等。两路线性霍尔传感器2分布在以转子轴的轴心线为圆心的圆周上，由于所采用的平面感应磁钢3是一对极磁钢，因此，两路线性霍尔传感器2在圆周上的分布互差90度机械角度。线性霍尔传感器2感应的磁场为轴向磁场。线性霍尔传感器2在电路板上的安装，采用贴片焊接工艺，从而确保线性霍尔传感器2的安装精度，减小转子位置检测的误差。

内置驱动电路板1的外轮廓和电机外壳的内壁均为圆形或圆柱形，两个圆形或圆柱形的半径差值仅为0.2~0.4mm，确保了电路板与电机转子轴之间的同心度，进而保证了两路线性霍尔传感器2与转子轴的轴心线的距离相等或接近相等；电机定子5上设有绝缘材料固定支架，通过固定支架上的支撑柱和卡扣，将电路板固定在电机定子5上，并确保电路板所在平面与平面感应磁钢3所在平面平行，进而保证了两路线性霍尔传感器2与平面感应磁钢3所在平面的距离相等或接近相等。

平面感应磁钢3采用直径为6.0mm的一对极磁钢，与其安装底座之间采用胶水粘接固定；平面感应磁钢3的安装底座与电机转子5的转子轴之间，采用螺纹紧固结构。安装工艺不仅结构紧凑、装配方便，而且能够确保平面感应磁钢与转子轴之间的安装精度，减小转子位置检测的误差。

两路线性霍尔传感器2和内置驱动电路都集成在同一块电路板上，因此，只需要通过简单的阻容低通滤波，就可以将线性霍尔传感器2信号输入到内置驱动电路上的嵌入式单片机ADC接口，将线性霍尔传感器2的模拟信号转换为嵌入式单片机的数字信号，并进行转子位置检测算法的计算。下面详细解释本实用新型的转子位置检测算法：

内置驱动电路首次上电时，必须运行转子初始位置参数检测算法，从而获得转子初始位置参数，并将这些参数存入掉电存储电路中；内置驱动电路非首次上电时，可以根据控制需要，选择“是”或“否”运行转子初始位置参数检测算法。

所述的掉电存储电路可以是嵌入式单片机的内部集成电路，也可以是嵌入式单片机的外挂电路，例如外挂EEPROM芯片；转子初始位置参数包括两路线性霍尔信号的交流幅值（ 、）、直流偏置（、）、转子初始位置补偿角（和）。转子初始位置参数检测算法的具体实现步骤如下：

（a）内置驱动电路首次上电时，按基于矢量控制（即FOC控制）的永磁无刷电机I/F启动控制策略拖动电机运行；控制交轴电流，控制直轴电流；预设的电机转速曲线输出转子电角速度和转子机械角速度，对转子角速度进行积分运算得到转子位置电角度和转子位置机械角度，它们之间满足如下关系：

（b）采集两路互差90°的线性霍尔输出信号和，分别得到最大值和、最小值和，进一步的，将两路线性霍尔输出信号进行标幺化处理，处理结果如下：

其中，、是标幺化处理的结果；、是直流偏置；、是交流幅值。直流偏置、可以表示为

交流幅值、可以表示为

由于各部件的安装误差叠加或两路霍尔信号检测电路的不一致，两路线性霍尔信号的交流幅值、直流偏置都存在不一致的现象，这将会引起转子位置检测误差，通过标幺化处理，可以有效补偿这一现象导致的转子位置检测误差。

（c）电机匀速正转运行时，获取两路线性霍尔信号输出和的第一组角度补偿角，分别是和；电机匀速反转运行时，获取两路线性霍尔信号输出和的第二组角度补偿角，分别是和。由于电机的负载转矩不为零，交轴电流方向与电机转子交轴方向（即D轴方向）不能完全重合，因此需要电机匀速正转运行和匀速反转运行，分别得到角度补偿角，并做加和平均，最终得到转子位置检测算法的初始位置补偿角，如下式：

（d）运算完成后，将自动控制电机停机，并将转子初始位置参数存入掉电存储电路。并根据控制需要，可以选择进入电机正常运行模式或继续处于停机状态。

内置驱动电路非首次上电时，一般不需要运行转子初始位置参数检测算法，可以直接进入电机正常运行模式；电机正常运行模式下，只需要运行转子初始位置补偿算法和转子位置解码算法，运算得到的转子位置和转速信息可以用于永磁无刷电机的矢量控制（FOC）算法。转子初始位置补偿算法和转子位置解码算法的具体实现步骤如下：

（a）采集两路互差90°机械角度的线性霍尔输出信号和，读取掉电存储电路中的“转子初始位置参数”，并根据两路线性霍尔信号的交流幅值（和）和直流偏置（和），对线性霍尔输出信号和进行标幺化处理，得到标幺化结果和。

（b）读取掉电存储电路内的“转子初始位置参数”，并根据转子初始位置补偿角和，对两路线性霍尔信号的标幺化结果和进行坐标变换，得到两路线性霍尔信号的角度补偿结果和。坐标变换的方法为：

其中，系数；是两路线性霍尔信号的正交偏差角度（通常），因此系数，坐标变换的方法进一步简化为：

以上两个步骤（即步骤a和步骤b）实现了转子初始位置补偿算法。

（c）将两路线性霍尔信号的角度补偿结果和输入正交锁相环（PLL）算法，计算得到电机转子位置和转速。正交锁相环算法具有公开的结构，因此本申请内不提供具体的算法原理图。

所述的电机转子位置和转速分别是机械角度和机械角速度，用于永磁同步电机矢量控制时，需要根据电机转子极对数，换算成电角度和电角速度形式。

本实用新型所述的内置驱动电路在嵌入式单片机内的核心算法至少包括：转子位置检测算法和永磁无刷电机矢量控制（FOC控制）算法。所述的永磁无刷电机矢量控制（FOC控制）控制算法，具有公开的原理框图和实现方法，因此本申请内不再做详细的阐述。

综上所述，本实用新型公开了一种内置驱动电路的永磁无刷电机的转子位置检测方法，与现有技术相比，其优势在于：整机结构紧凑，安装方便，成本更低，转子位置检测的算法容易实现，具有很好的实用价值。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构，包括内置驱动电路板(1)、线性霍尔传感器(2)、平面感应磁钢(3)、电机转子(4)和电机定子(5)，其特征在于，所述内置驱动电路板(1)安装在永磁无刷电机内部，用于驱动电机运行；所述线性霍尔传感器(2)至少两个，用于感应所述平面感应磁钢(3)的磁场变化；所述平面感应磁钢(3)安装在电机转子(4)的轴上随着转子轴同步转动产生正弦交变磁场；所述电机定子(5)的三相绕组线圈与内置驱动电路板(1)的三根金属接头电连接。

2.根据权利要求1所述的一种内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构，其特征在于：所述线性霍尔传感器(2)所在平面与平面感应磁钢(3)所在平面平行，所述平面感应磁钢(3)的所在平面与电机转子的转子轴心线垂直，所述平面感应磁钢(3)的圆柱形圆心线与电机转子的转子轴心线重合。

3.根据权利要求1所述的一种内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构，其特征在于：所述电机定子(5)的固定支架设有绝缘层，所述内置驱动电路板(1)通过固定支架上的支撑柱和卡扣设置在电机定子(5)上。

4.根据权利要求1所述的一种内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构，其特征在于：所述内置驱动电路板(1)的外轮廓为圆形，所述内置驱动电路板(1)与电机转子(4)的轴心线垂直并且圆心与电机转子(4)的轴心线重合。

5.根据权利要求1所述的一种内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构，其特征在于：所述线性霍尔传感器(2)采用贴片封装并设置在内置驱动电路板(1)上，所述线性霍尔传感器(2)设置在以电机转子(4)轴心线为圆心的圆周上，相邻两个所述线性霍尔传感器(2)在圆周上的角度差值为90°。

6.根据权利要求1所述的一种内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构，其特征在于：所述平面感应磁钢(3)呈现为圆柱形，所述平面感应磁钢(3)为一对极的磁钢，所述平面感应磁钢(3)与电机转子(4)的转子轴固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种内置驱动电路的永磁无刷电机转子位置检测机构，其特征在于：所述平面感应磁钢(3)的N极磁场方向与电机转子主磁场的N极磁场方向之间存在角度差值。

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