用於ETC的伺服電動機及其控制系統的製作方法

2023-10-10 02:15:49

本發明涉及電子不停車收費系統領域，尤其涉及用於ETC的伺服電動機及其控制系統。

背景技術：

隨著人民生活水平的不斷提高，私家車數量激增，導致現有高速公路、路橋、車場管理人工收費系統負荷的增加，並造成因等待交費而損失的車時以及燃油浪費不斷增加，電子不停車收費系統的收費效率比人工收費系統提升5到10倍，因此電子不停車收費系統在高速公路收費、路橋收費、車場管理收費中得到廣泛應用。

現有技術中用於ETC，即電子不停車收費系統的電動機通常為傳統三相異步電動機，傳統三相異步電動機功率密度以及功率因數均較低，體積大，浪費電能多，電網的投資大，噪音大，振動大且響應慢。採用傳統三相異步電動機的電子不停車收費系統的收費效率仍有提升空間。改進電子不停車收費系統的電動機，可以提升電子不停車收費系統的收費效率，提高收費系統單位時間內的機動車通過量，減輕高速公路收費系統、路橋收費系統、車場管理收費系統的負荷。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是提供了一種功率密度高、功率因數高且響應快的用於ETC的伺服電動機及其控制系統。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：用於ETC的伺服電動機，包括電動機主體，電動機主體包括殼體，殼體內設置有轉子以及定子，轉子具有轉軸和固定在轉軸上的用於驅動的磁體，定子具有配置在磁體的外周的定子鐵芯和用於產生旋轉磁場的繞組，所述定子的內徑為65-69毫米，定子上開設有定子槽，定子槽的數量為10～14個，定子由定子衝片疊壓而成；所述轉子為表貼式結構的偏心磁鋼轉子，轉子上開設有轉子槽，轉子槽的數量為7～9個，轉子由轉子衝片疊加而成；所述定子衝片的外徑為122-128毫米；所述繞組為分數槽集中繞組。

磁鋼偏心使得電動機的每極氣隙磁密分布近似正弦波形，諧波含量極少，電動機性能尤其是由於諧波分量引起的振動和噪聲很小，可以做到低振動和低噪音以及低轉矩波動的效果，有效的降低了電動機的轉矩波動，優化了空載反電動勢波形，使得電動機可以持續高效、平穩地工作。

進一步的是：還包括行星齒輪減速箱，行星齒輪減速箱的太陽齒輪安裝在所述轉軸上，行星齒輪的的託架上設置有輸出軸。

進一步的是：所述分數槽集中繞組的每個線圈繞制在一個定子齒上，且每個線圈嵌在兩個相鄰的定子槽中。

進一步的是：所述電動機的輸入電壓為310V直流電，額定輸入電流為4.6A，最大輸入電流為10A。

本發明還提供了用於ETC的伺服電動機的控制系統，包括電動機，電動機包括電動機主體，電動機主體包括殼體，殼體內設置有轉子以及定子，轉子具有轉軸和固定在轉軸上的用於驅動的磁體，定子具有配置在磁體的外周的定子鐵芯和用於產生旋轉磁場的繞組，所述定子的內徑為65-69毫米，定子上開設有定子槽，定子槽的數量為10～14個，定子由定子衝片疊壓而成；所述轉子為表貼式結構的偏心磁鋼轉子，轉子上開設有轉子槽，轉子槽的數量為7～9個，轉子由轉子衝片疊加而成；所述定子衝片的外徑為122-128毫米；所述繞組為分數槽集中繞組；所述控制系統包括整流電路以及與整流電路相連的橋式逆變電路，整流電路與電源相連，橋式逆變電路與電動機相連。

進一步的是：還包括行星齒輪減速箱，行星齒輪減速箱的太陽齒輪安裝在所述轉軸上，行星齒輪的的託架上設置有輸出軸。

進一步的是：所述分數槽集中繞組的每個線圈繞制在一個定子齒上，且每個線圈嵌在兩個相鄰的定子槽中。

進一步的是：所述電動機的輸入電壓為310V直流電，額定輸入電流為4.6A，最大輸入電流為10A。

本發明有益效果是：磁鋼偏心使得電動機的每極氣隙磁密分布近似正弦波形，諧波含量極少，電動機性能尤其是由於諧波分量引起的振動和噪聲很小，可以做到低振動和低噪音以及低轉矩波動的效果，有效的降低了電動機的轉矩波動，優化了空載反電動勢波形，使得電動機可以持續高效、平穩地工作；行星齒輪減速箱使得的電動機的外形尺寸較小，且傳動效率高達95％以上；分數槽集中繞組降低繞組的 用銅量，同時降低了電動機的定位轉矩，優化了電動機的空載反電動勢波形；電動機功率密度高、功率因數高，噪聲、振動低，通過驅動器結合行星齒輪減速箱輸出大轉矩，轉矩輸出平穩，動態響應特性好，可以頻繁正反轉運行。

附圖說明

圖1為用於ETC的伺服電動機主視圖示意圖；

圖2為用於ETC的伺服電動機左視圖示意圖；

圖3為定子衝片示意圖；

圖4為轉子截面示意圖；

圖5為轉子衝片示意圖；

圖6為分數槽集中繞組展開示意圖；

圖7為電動機接線示意圖；

圖8為電動機Id＝0矢量控制系統示意圖；

圖9為將永磁同步電機定子繞組變換為兩相旋轉坐標系的坐標變換原理示意圖；

圖10為將靜止的兩相坐標系轉換為隨轉子同步旋轉的兩相坐標系變換過程示意圖；

圖中標記為：殼體1，定子衝片2，定子槽21，定子齒22，轉子衝片3，轉子槽31，偏心磁鋼32。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進一步加以說明。

如圖1至圖6所示，用於ETC的伺服電動機，包括電動機主體，電動機主體包括殼體1，殼體1內設置有轉子以及定子，轉子具有轉軸和固定在轉軸上的用於驅動的磁體，定子具有配置在磁體的外周的定子鐵芯和用於產生旋轉磁場的繞組，所述定子的內徑為65-69毫米，定子上開設有定子槽21，定子槽21的數量為10～14個，定子由定子衝片2疊壓而成；所述轉子為表貼式結構的偏心磁鋼轉子，即所述磁體為偏心磁鋼32，轉子上開設有轉子槽31，轉子槽31的數量為7～9個，轉子由轉子衝片3疊加而成；所述定子衝片2的外徑為122-128毫米；所述繞組為分數槽集中繞組；磁鋼偏心使得電動機的每極氣隙磁密分布近似正弦波形，諧波含量極少，電動機性能尤其是由於諧波分量引起的振動和噪聲很小，可以做到低振動和低噪音以及低轉矩波動的效果，有效的降低了電動機的轉矩波動，優化了空載反電動勢波形，使得電動機可以持續高效、平穩地工作；具體的，可以是定子槽21的數量為10個，轉子槽31的數量為7個，或者是定子槽21的數量為12個，轉子槽31的數量為8個，或者是定子槽21的數量為14個，轉子槽31的數量為9個；定子的內徑為65毫米，定子衝片2的外徑為122毫米，或者是定子的內徑為67毫米，定子衝片2的外徑為125毫米，或者是定子的內徑為69毫米，定子衝片2的外徑為128毫米。

還包括行星齒輪減速箱，行星齒輪減速箱的太陽齒輪安裝在所述轉軸上，行星齒輪的的託架上設置有輸出軸；行星齒輪減速箱用幾個 完全相同的行星齒輪均勻的分布在中心輪的周圍來共同分擔載荷，每個齒輪所受的載荷較小，其外形尺寸也較小，使得電動機整體尺寸較小；由於行星齒輪傳動採用了對稱的分流傳動結構，使作用於中心輪和轉臂軸承中的反作用力相互平衡，有利於提高傳動效率，效率可達95％以上。

所述分數槽集中繞組的每個線圈繞制在一個定子齒22上，且每個線圈嵌在兩個相鄰的定子槽21中；分數槽集中繞組該繞組有效地縮短了繞組端部尺寸，降低繞組的用銅量，進而降低電動機的線圈的銅耗，提高了電動機的效率，同時分數槽集中繞組還降低了電動機的定位轉矩，優化了電動機的空載反電動勢波形。

所述電動機的輸入電壓為310V直流電，額定輸入電流為4.6A，最大輸入電流為10A。

如圖7至圖8所示，用於ETC的伺服電動機的控制系統，包括電動機，電動機包括電動機主體，電動機主體包括殼體1，殼體1內設置有轉子以及定子，轉子具有轉軸和固定在轉軸上的用於驅動的磁體，定子具有配置在磁體的外周的定子鐵芯和用於產生旋轉磁場的繞組，所述定子的內徑為65-69毫米，定子上開設有定子槽21，定子槽21的數量為10～14個，定子由定子衝片2疊壓而成；所述轉子為表貼式結構的偏心磁鋼轉子，即所述磁體為偏心磁鋼32，轉子上開設有轉子槽31，轉子槽31的數量為7～9個，轉子由轉子衝片3疊加而成；所述定子衝片2的外徑為122-128毫米；所述繞組為分數槽集中繞組；如圖7所示，所述控制系統包括整流電路41、與整流電路 41相連的橋式逆變電路42，整流電路41與電源相連，橋式逆變電路42與電動機相連；所述分數槽集中繞組的每個線圈繞制在一個定子齒22上，且每個線圈嵌在兩個相鄰的定子槽21中；電動機的輸入電壓為200-240V交流電，頻率為50赫茲或者60赫茲，功率為2千瓦，可以分別實現高速道閘0.6秒、0.3秒的兩種起落杆的起落時間要求；整流電路41用於將220V的直流電轉化成310V直流電，逆變電路用於將310V直流電轉化成交流電；電動機功率密度高、功率因數高，噪聲、振動低，通過驅動器結合行星齒輪減速箱輸出大轉矩，轉矩輸出平穩，動態響應特性好，可以頻繁正反轉運行。

由於該電動機轉子磁路結構為表貼式轉子，交直軸磁阻相等，所以我們採用Id＝0的控制方式，即電動機的反電動勢相量E0與釘子電流相量I1同相，此時單位定子電流可獲最大轉矩或者說在產生所需求轉矩的情況下，只需最小的定子電流，從而使電機銅耗下降，效率有所提高。由矢量控制系統圖我們清晰的看出，採用了三個串聯的閉環分別實現電動機的位置、速度、和電流控制。n和θ為傳感器檢測出的電動機實際轉速和角度空間位移，ia、ib、ic為電流傳感器檢測出的實際定子三相電流值。轉子位置實際值和指令值的差值作為位置控制器的輸入，其輸出信號作為速度的指令值，並與實際速度比較後作為速度控制器的輸入。速度控制器的輸出即為轉矩的指令值。轉矩的實際值可根據給定的勵磁磁鏈和經矢量變換後的實際的Id和Iq由轉矩公式求出，實際轉矩信號與轉矩指令值的差值經轉矩控制器和矢量變換後，即可得到電機三相電流的指令值，，再經過空間矢量脈 寬調製(SVPWM)變換可實現電動機的控制。

由於ETC收費系統要精確地控制抬杆，落杆的時間，這就要求控制器可以精確地控制永磁同步電機的角速度，想要精確地控制永磁同步電機的角速度必須有能對永磁同步電機轉子位置信息和電機轉速信息提供實時反饋的傳感器，本控制系統採用增量式光電編碼器提供轉子位置信息和電機轉速信息，由於採用高精度2500線編碼器，並將編碼器安裝在電機非負載軸端，所以可以精確地實時地提供永磁同步電機轉子位置信息和電機轉速信息，為後續的精確控制提供高精度的反饋。

三相交流電動機是一個耦合強、非線性、階次高的多變量系統，它在三相靜止坐標系裡面的數學模型相當複雜，應用傳統的控制策略對其實現交流調速有很大的困難，所以對該永磁同步電機的控制方法採用矢量控制的方法，將旋轉的電樞繞組產生的磁場固定在q軸上(也就是與定子磁極軸線正交的軸)，定子磁極的軸線稱為d軸，這樣d磁動勢Fd和q軸磁動勢Fq空間正交且靜止，便可以產生恆定的電磁轉矩將電能持續地轉換為機械能。

由於該永磁同步電機定子繞組是三相對稱星形接法(Y)，我們通過坐標變換原理將其變換為兩相旋轉坐標系，具體變換過程如附圖9所示：

用矩陣形式表示如下：

然後將靜止的兩相坐標系轉換為隨轉子同步旋轉的兩相坐標系即派克變換(Park)，變換過程如附圖10：

註：θ為轉子d軸與定子繞組A相軸線的夾角。

用矩陣形式表示如下：

按照上述原理得到定子三相靜止坐標系A、B、C與隨轉子同步旋轉兩相坐標系d、q之間的關係表達式，矩陣形式如下：

SVPWM的理論基礎是平均值等效原理，即在一個開關周期內通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉到某個區域中，可由組成這個區域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個採樣周期內分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉，通過逆變器的不同開關狀態所產生的實際磁通去逼近理想磁通圓，並由兩者的比較結果來決定逆變器的開關狀態，從而形成PWM波形。

設直流母線側電壓為Udc，逆變器輸出的三相相電壓為UA、UB、 UC，其分別加在空間上互差120°的三相平面靜止坐標繫上，可以定義三個電壓空間矢量UA(t)、UB(t)、UC(t)，它們的方向始終在各相的軸線上而大小則隨時間按正弦規律做變化，時間相位互差120°。假設Um為相電壓有效值，f為電源頻率，則有：

其中，θ＝2πft，則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量U(t)就可以表示為：

U(t)是一個旋轉的空間矢量，它的幅值為相電壓峰值的1.5倍，Um為相電壓峰值，且以角頻率ω＝2πf按逆時針方向勻速旋轉的空間矢量，而空間矢量U(t)在三相坐標軸(a，b，c)上的投影就是對稱的三相正弦量。

由於逆變器三相橋臂共有6個開關管，為了研究各相上下橋臂不同開關組合時逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關函數Sx(x＝a,b,c)為：

(Sa、Sb、Sc)的全部可能組合共有八個，包括6個非零矢量Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和兩個零矢量U0(000)、U7(111)，下面以其中一種開關組合為例分析，假設Sx(x＝a,b,c)＝(100)，此時：

求解上述方程可得：UaN＝2Ud/3、UbN＝-Ud/3、UcN＝-Ud/3。同理可計算出其它各種組合下的空間電壓矢量。

其中非零矢量的幅值相同(模長為2Udc/3)，相鄰的矢量間隔60°,而兩個零矢量幅值為零，位於中心。在每一個扇區，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來合成每個扇區內的任意電壓矢量，即：

或者等效成下式：

Uref*T＝Ux*Tx+Uy*Ty+U0*T0

其中，Uref為期望電壓矢量；T為採樣周期；Tx、Ty、T0分別為對應兩個非零電壓矢量Ux、Uy和零電壓矢量U0在一個採樣周期的作用時間；其中U0包括了U0和U7兩個零矢量。式(1-6)的意義是，矢量Uref在T時間內所產生的積分效果值和Ux、Uy、U0分別在時間Tx、Ty、T0內產生的積分效果相加總和值相同。

由於三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個等效的旋轉電壓，其旋轉速度是輸入電源角頻率，等效旋轉電壓的軌跡將是如圖1-3所示的圓形。所以要產生三相正弦波電壓，可以利用以上電壓向量合成的技術，在電壓空間向量上，將設定的電壓向量由U4(100)位置開始，每一次增加一個小增量，每一個小增量設定電壓向量可以用該區中相鄰的兩個基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到 的設定電壓向量就等效於一個在電壓空間向量平面上平滑旋轉的電壓空間向量，從而達到電壓空間向量脈寬調製的目的。

本發明的用於ETC的伺服電動機，磁鋼偏心使得電動機的每極氣隙磁密分布近似正弦波形，諧波含量極少，電動機性能尤其是由於諧波分量引起的振動和噪聲很小，可以做到低振動和低噪音以及低轉矩波動的效果，有效的降低了電動機的轉矩波動，優化了空載反電動勢波形，使得電動機可以持續高效、平穩地工作；行星齒輪減速箱使得的電動機的外形尺寸較小，且傳動效率高達95％以上；分數槽集中繞組降低繞組的用銅量，同時降低了電動機的定位轉矩，優化了電動機的空載反電動勢波形；電動機功率密度高、功率因數高，噪聲、振動低，通過驅動器結合行星齒輪減速箱輸出大轉矩，轉矩輸出平穩，動態響應特性好，可以頻繁正反轉運行。

儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。