一種電機轉子位置傳感器及測量電機轉子位置的方法
2023-09-10 14:29:10
專利名稱：一種電機轉子位置傳感器及測量電機轉子位置的方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器和利用該傳感器測量的方法，尤其是涉及一種應用 於混合動力汽車中，對作為混合動力電機的永磁同步電機的轉子位置進行測量 的傳感器，該傳感器是一種基於渦流效應原理的傳感器，使用該傳感器精確測 量轉子位置的方法。
技術背景為了保證電機的平滑旋轉以及對電機的精確控制，不僅需要控制電樞電 流，而且需要檢測準確轉子位置。準確的轉子位置檢測能保證電機電流的正 弦曲線與相應的轉子位置同步，避免導通換向扭矩波動。目前，準確檢測轉 子位置主要有兩種方法位置傳感器測量方法和無位置傳感器技術測量轉子 位置的方法，利用位置傳感器方法主要有應用編碼器、旋轉變壓器以及霍爾 位置傳感器技術來檢測轉子位置信號；無論是編碼器，霍爾位置傳感器或者 旋轉變壓器都附有相關的電路確定轉子位置，在使用時都會受電機定子繞組 磁場影響，且有的傳感器如旋轉變壓器還在電機轉子速度較低時測量精度不 咼。發明內容本發明要解決的技術問題在於，為了彌補現有技術中測量轉子位置的傳感 器在測量時受電機定子繞組磁場影響，提供一種能消除電機定子繞組磁場影響 的轉子位置傳感器，並提供一種利用該傳感器精確測量轉子位置的方法。本發明為解決上述技術問題，本發明提供一種電機轉子位置傳感器，包括 安裝在電機轉子上的目標盤、固定於電機機殼內的感應器和與感應器相連的 DSP，所述的目標盤由導電材料製成，其外沿具有正弦曲線形狀，感應器包括 ASIC(Application Specific Integrated Circuit特定用途的集成電路)電路 和至少一個正弦平面繞組和一個餘弦平面繞組，所述正弦平面繞組和餘弦平面繞組與目標盤相對應，所述ASIC電路的輸出端接DSP， DSP通過運算在其數據 輸出口輸出轉子位置信號。進一步的，本發明中的感應元件中的平面繞組為四個，其中兩個為正弦繞 組兩個為餘弦繞組，正弦繞組和餘弦繞組按照第一正弦繞組、第一餘弦繞組、 第二正弦繞組、第二餘弦繞組的順序排例，且後面的繞組感應目標盤上渦旋的 正弦曲線的角度較前一繞組角度滯後90度。為了精確測量電機轉子位置和轉速，本發明的另一個目的是提供一種測量 電機轉子位置的方法。該方法利用在目標轉子上設置正弦或餘弦曲線形狀的由 導電材料製成的目標盤;在電機機殼內設置與目標盤相應的感應元件其輸出信 號接DSP進行數據處理；在DSP中進行數據處理至少包括以下步驟(1) 對感應元件產生的轉子位置的信號進行模/數轉換，並進行偏移得到雙 極性的位置信號；(2) 對雙極性的位置信號進行角度誤差和幅值誤差補償；(3) 進行低通濾波；(4) 檢查電機控制是否是扭矩控制模式；(5) 若步驟(4)的結果是肯定的，則對直流母線漂移進行帶通濾波補償後再 對位置信號進行解碼；(6) 若步驟(4)的結果是否定的，則直接對位置信號進行解碼。 進一步的，對位置偏移進行補償主要包括角度誤差和幅值誤差補償。對角度誤差和幅值誤差的補償是按下式進行的Se歸rB = GsCos(0 + A6>)= 5femw^4 —畫(^57"6*5fe"曹A = G^Ccw夕=-^-Se"，5 +-式中5"mwn， 5Wwon 為未經補償的信號，5Wwo"i ， ^"TOm為補償以後的信號，。，Gs和A^為常數，分別為未經補償的正弦相幅值，餘弦相幅值以 及角度誤差。
本發明的積極效果是，由於提出的傳感器滿足汽車標準，不受電機定子 繞組磁場影響。實現本發明提出的精確測量電機轉子位置和轉速的方法可以 由DSP器件統一完成，輸出的轉子位置角信號為數位訊號，通過該信號可以 直接得到轉子轉速值，這些結果可通過汽車CAN總線傳到汽車的總車控制器 使用，因此利用本發明傳感器和使用本發明的方法完成對電機轉子位置和速 度的精確測量裝置結構簡單，成本低。此外，本發明的優選的結構是利用兩 正弦和餘弦繞組完成對目標盤轉動產生的信號進行收集，可以消除目標盤和 探測器距離變化以及溫度變化對測量的影響，通過兩個正弦繞組和兩個餘弦 繞組感應的信號進行相減運算即可。
下面結合實施例和附圖來進一步說明本發明。
圖1為轉子位置傳感器在電機上安裝示意圖。
圖2為轉子位置傳感器中目標盤與感應元件中的平面繞組相對位置示意圖。
圖3為轉子位置及速度確定方法框圖。
具體實施方式
如圖1為本發明的一個實施例中轉子位置傳感器安裝示意圖，如圖所示: 本發明的轉子位置傳感器包括感應器2和目標盤1，安裝在電機的一端，目標 盤l為一環狀盤，其外側花紋形狀為正弦曲線或者餘弦曲線，由鋁或者鐵等金屬材料製成，安裝固定在轉子4支架上7上，與轉子4 一起繞轉子支架軸6 旋轉，感應器2通過傳感器安裝支架5安裝在定子3的一側，感應器2包括有 平面繞組和對平面繞組感應的信號進行處理的ASIC(Application Specific Integrated Circuit特定用途的集成電路，ASIC電路由奇瑞汽車公司設計制 作並商品化)，ASIC電路的輸出接TMS320f2808 DSP晶片。
圖2為感應器2與目標盤1相對位置示意圖，本實施例感應器2中具有4 個平面繞組它們是第一正弦平面繞組21、第一餘弦平面繞組22、第二正弦平 面繞組23、第二餘弦平面繞組24，正弦繞組和餘弦繞組兩兩相隔一字排列且 相距距離為目標盤1上正弦或者餘弦曲線的90度距離。目標盤1與轉子共同 固定在轉子支架上，與轉子支架一起旋轉。當目標盤1隨轉子4在磁場中旋轉 時，將在其表面產生與其外表一致的感應磁場，該感應磁場影響正對該處的平 面繞組，在該平面繞組中將產生與該感應磁場相一致的感應信號，理想的情況 下，如果目標盤的外沿只有一個全正弦曲線或餘弦曲線，則感應的電信號通過 歸一化處理後，進行反正切或者反餘切處理，即得到目標盤中與平面繞組對應 處的位置，也就是轉子位置。本實施例中，在ASIC電路具有一個並聯諧振電路，四個平面繞組就是 這個諧振電路中的感應部分，諧振電路是探測器晶片電路組成部分。此傳感 器的目標盤由於是外沿為正弦弦形狀的金屬鋁，在電機定子磁場中運動由於 渦流效應將在其表面產生磁場，該磁場大小與該處金屬鋁的寬度成正比，此 時當平面繞組掃此處將產生變化的電感，同時電感的變化導致諧振電路的相 移，因此通過確定相移可以精確確定轉子的位置。諧振電路中用四個平面繞 組的作用就是精確確定轉子位置，原理上用兩個就可以，通過這兩個得到正 弦和餘弦信號，就能得到轉子角的絕對位置。用四個的作用是目標盤和探測 器距離變化以及溫度變化對測量的影響可以通過對第一正弦平面繞組21和第 二正弦平面繞組23、第一餘弦平面繞組21和第二餘弦平面繞組24相減來消 除影響，這樣輸出信號就不受磁場和電場變化的影響了。輸出為兩路， 一路 為正弦信號， 一路為餘弦信號，此兩路信號輸出到DSP進行處理後，輸出轉 子位置角的信號。本實施例中，電機中目標盤1的材料為鋁也可以為其它金屬材料如銅、 鐵等，把目標盤裝1在於轉子支架上上，傳感器感應器2通過傳感器支架部 分5固定安裝在電機機殼內，保證如圖l所示安裝。目標盤1隨著電機轉子4 一起旋轉，目標盤1處於交變的電磁場中，由於目標盤l為金屬導體，會產 生感應電流，稱為渦流效應，故本傳感器也稱為基於渦流效應的轉子傳感器。 目標盤1的導電材料產生渦流損耗，感應器2中的四個平面繞組第一正弦平面繞組21、第一餘弦平面繞組22、第二正弦平面繞組23、第二餘弦平面繞組 24為諧振電路的一部分，由於目標盤1導電材料的渦流效應會導致平面繞組 中電感的減少。此傳感器的平面繞組掃過的目標盤1的面積與電感變化成正 比，同時電感的變化導致諧振電路的相移，因此通過確定相移可以精確確定 轉子的位置。輸出信號每個極對數重複自身波形，例如，本電機是具有6對 極的IPM (Interior Permanent Magnet Machine)電機，每個機械旋轉周期， 輸出信號的波形會重複6次。該傳感器的兩路輸出信號輸入DSP晶片中進行 解碼得到轉子位置信號。具體過程如圖3所示(1) 通過TMS320f2808 DSP晶片的兩個12位的AD通道對轉子位置傳 感器兩個輸出信號進行ADC，並進行偏移得到雙極性的位置信號。(2) 由於安裝限制及誤差等原因，正交的兩相信號會存在幅值和角度上 的誤差。按照下式進行補償，其中，其中，Se腳n， S謹飾為ASIC電路輸出 的帶有目標盤位置信息的正弦信號和餘弦信號通過ADC後存儲到DSP內存內 的數位訊號，該信號沒有經過補償，&rao^， &朋0^為在05 內經過補償以 後的信號formula see original document page 8為沒有經補償的正弦相幅值，餘弦相幅值，其數值與電機 轉子轉速、轉子位置傳感器感應器中繞組線圈數量以及目標盤形狀有關，formula see original document page 8為 角度誤差，是通過實際測得的轉子位置角與通過傳感器測量的角位置比較得 到的，實際測得的轉子位置角可以通過觀測反電動勢等可以得到。formula see original document page 8(3)對補償後的信號進行200Hz低通濾波處理。
《4) 如果電機速度超過一定值a並且目前是扭矩模式，需要考慮直流母線漂移的影響，因此對(3)的濾波結果再進行67Hz的低通濾波，兩次 濾波結果相差得到帶通濾波結果，消除直流母線漂移對位置信號的影響。(5) 通過對正餘弦信號結果值求反正切並考慮轉子位置偏移的影響 進行補償，限定轉子位置角在
設此時值為ak， ak-l為上一次採樣後求 得的值，並求得差值ek=ak-ak-l(6) 根據AD通道一個採樣周期最少採樣次數為2可以得出，如果 ek〈-;r時則表明電機在正轉，此時實際ek二ek+2;r,如果ek〉7r時，此時表明電 機正在反轉，實際ek^k-2;r，根據& = & —a"求得k時刻的轉子位置角。一 個機械周期有6個輸出波形，因此限定&在
(7) 如果速度採樣開始，則速度採樣時刻A為&，則機械角速度^ = ^111，其中& —為上一個速度採樣時刻&的值 A,(8) 對速度進行100hz的低通濾波濾除噪音。這裡，對運算結果先進行200HZ的低通濾波，得到0-200HZ通頻帶，如 果進行直流母線漂移影響，再進行67HZ的低通濾波，得到0-67hz通頻帶， 如果兩次濾波結果相差得到67Hz-200HZ的通頻帶。
權利要求
1. 一種電機轉子位置傳感器，包括安裝在電機轉子上的目標盤(1)、固定於電機機殼內的感應器(2)和與感應器相連的DSP，其特徵在於所述目標盤(1)由導電材料製成，其外沿具有正弦曲線形狀；感應器(2)包括ASIC電路和至少一個正弦平面繞組和一個餘弦平面繞組；所述正弦平面繞組和餘弦平面繞組與目標盤(1)相對應；所述ASIC電路的輸出端接DSP，DSP通過運算在其數據輸出口輸出轉子位置信號。
2. 根據權利要求1所述的一種電機轉子位置傳感器，其特徵在於所述 的感應器(2)中的平面繞組為四個，分別為第一正弦繞組(21)、第二正弦繞組 (23)、第一餘弦繞組(22)、第二餘弦繞組(24)，按第一正弦繞組(21)、第一 餘弦繞組(22)、第二正弦繞組(23)、第二餘弦繞組(24)的順序排列，且後面 的繞組感應目標盤上渦旋的正弦曲線的角度較前一繞組角度滯後90度。
3. 根據權利要求1所述的一種電機轉子位置傳感器，其特徵在於所述 的目標盤(l)環形帶狀，其外沿兩側為以目標盤中心線對稱的正弦曲線狀，其 材質為為金屬鋁。
4. 根據權利要求1所述的一種電機轉子位置傳感器，其特徵在於所述 電機為內嵌式永磁電機。
5. —種測量電機轉子位置的方法，利用在目標轉子上設置正弦或餘弦曲 線形狀的由導電材料製成的目標盤；在電機機殼內設置與目標盤相應的感應 元件其輸出信號接DSP進行數據處理；其特徵在於在DSP中進行數據處理包括以下步驟(1) 對感應元件產生的轉子位置的信號進行模/數轉換，並進行偏移得到雙極性的位置信號；(2) 對雙極性的位置信號進行角度誤差和幅值誤差補償；(3) 進行低通濾波；(4) 檢査電機控制是否是扭矩控制模式；(5) 若步驟(4)的結果是肯定的，則對直流母線漂移進行帶通濾波補償後 再對位置信號進行解碼；(6) 若步驟(4)的結果是否定的，則直接對位置信號進行解碼。
6.根據權利要求5所述的一種測量電機轉子位置的方法，其特徵在於，所述步驟(2)中對角度誤差和幅值誤差的補償是按下式進行的 = GsOw(S + A6 )式中Se"w"， SmyoM為未經補償的信號，Seraom ， Seraom為補償以後的 信號，。，Gs和A0為常數，分別為未經補償的正弦相幅值，餘弦相幅值以 及角度誤差。
全文摘要
本發明公開了一種電機轉子位置傳感器及利用該傳感器精確測量轉子位置的方法。該轉子位置傳感器包括設置於目標轉子上的具有正弦餘弦曲線形狀的由導電材料製成的目標盤，固定於電機機殼內的與目標盤相對應的帶有平面繞組的感應元件和與感應元件相連的ASIC電路。該方法是通過對該轉子位置傳感器上感應的信號通過DSP進行處理完成精確測量轉子位置的。本發明提出的傳感器滿足汽車標準，不受電機定子繞組磁場影響，具有高性能低成本的優點。實現本發明提出的精確測量電機轉子位置和轉速的方法可以由DSP器件統一完成，因此利用本發明傳感器和使用本發明的方法完成對電機轉子位置和速度的精確測量裝置結構簡單，成本低。
文檔編號G01D5/14GK101398313SQ20071007732
公開日2009年4月1日 申請日期2007年9月25日 優先權日2007年9月25日
發明者謝美娟 申請人:奇瑞汽車股份有限公司