用於測量電動機的特徵的方法與系統的製作方法
2023-12-03 13:41:36
專利名稱：用於測量電動機的特徵的方法與系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量電動機的特徵的方法與系統。
背景技術：
電動機系統通常包括電動機和配置用於控制該電動機的電源的控制器。已知類型的電動機的一個例子是同步無刷永磁的電動機,該同步無刷永磁的電動機不需要換向器電刷，而在有刷直流電動機中需要換向器電刷。然而，如果不採用換向器刷子來確定在電動機電樞導體中的電流的時序，無刷電動機通常需要一些形式的定位傳感器，這些定位傳感器能被用於確定電流的時序。
此外，為了使無刷電動機的效率最大化，當驅動該電動機時，有必要校準該電動機，其中，多種不同參數被測量和存儲在存儲器中，供控制器使用，例如，測量和存儲在由電動機定位傳感器所確定的轉子位置和與該電動機相關聯的反電動勢相角之間的偏移。然而，在特定的校準程序中，例如轉子的定位校準，要求電動機的轉子是相對於電動機的線圈轉動的，因此在該電動機被校準時，通常需要使用一個分離的電動機來使轉子轉動。人們希望改善這種狀況。
發明內容
根據本發明的一個方面，提供了根據所附的權利要求所述的一種控制系統和一種方法。本發明提供了這樣的優點使得在電動機內的子電動機能使電動機的轉子相對於電動機的定子旋轉，同時在該電動機內的另一子電動機上進行校準測量。
本發明現在將通過實施例結合所附的附圖的方式進行描述，在這些附圖中
圖I顯示了根據本發明的一個實施例所述的一個電動機的爆炸分解圖。圖2是圖I所示的電動機從另一個角度看的爆炸分解圖。圖3圖解地顯示了根據本發明的一個實施例所述的一個電動機的線圈組裝置的例子。圖4圖解地顯示了根據本發明的一個實施例所述的電動機的子線圈組，這些子線圈組被配置為Y形結構。圖5圖解地顯示了根據本發明的一個實施例所述的電動機的子線圈組，這些子線圈組被配置為三角形結構。圖6圖解地顯示了根據本發明的一個實施例所述的在子線圈組之一的線圈的布置的例子。圖7圖解地顯示了關於磁體的線圈的實施例。
圖8圖解地顯示了根據本發明的一個實施例所述的一個控制裝置的例子。圖9顯示了一個霍爾傳感器信號軌跡。圖10是開關裝置的電路圖。圖11顯示了在轉子相角、反電動勢和電流之間的一種優選的關係。
具體實施例方式
雖然已經在上下文中描述了本發明的一種用在車輛的車輪內的電動機的實施例，但本發明還可被應用於其他應用。所述的電動機是具有一組線圈的類型，這些線圈是附著到車輛的定子的一部分，由附著到車輪的轉子徑向圍繞，該轉子帶有一組磁體。為避免產生疑問，本發明的多個方面同樣也能應用於具有相同裝置的發電機。另外，本發明的一些方面都可應用於具有將轉子中央安裝在徑向環繞的線圈內的裝置。
參考圖I和圖2，可最好地理解內在裝配的物理裝置。該裝置可被描述為內建電子元件和軸承的電動機，或者也可以被描述為一個輪轂電動機或者輪轂驅動器，它被構建為適應分離的車輪。首先參考圖1，所述裝置包括定子252，包括後部分230，形成所述裝置的外殼的第一部分；以及散熱器和驅動裝置231，包括多組線圈和電子元件，以驅動所述線圈與散熱器。該線圈驅動裝置231被安裝在後部分230以形成定子252，然後可將該定子安裝到車輛，並且在使用的過程中不會旋轉。這些線圈自身是在齒片上形成的，這些齒片與所述驅動裝置231和後部分230 —起形成定子252。雖然未示出，多個電容電路板也可安裝到所述定子，用於提供在所述電動機和電壓降之間的電容，以降低電壓線降。轉子240包括前部分220和圓柱形部分分221，形成一個蓋，這個蓋基本上圍繞所述定子252。所述轉子包括多個磁體242，被配置在圓柱形部分221的內部。因此，這些磁體緊密接近於在線圈驅動裝置231上的線圈，以致由在線圈驅動裝置231上的線圈所產生的磁場在這些磁體242上產生一個力，這些磁體242被配置為圍繞所述轉子240的圓柱形部分221的內部，因而導致轉子240旋轉。所述轉子240是通過軸承座223附著到所述定子252。該軸承座223可以是標準的軸承座，可被用於適合裝配這種電動機的車輛。該軸承座包括兩部分，第一部分固定到所述定子，第二部分固定到所述轉子。該軸承座是固定到所述定子252的壁230的中心部分233，也固定到轉子240的外殼壁220的中心部分225。因此，所述轉子240是旋轉地固定到車輛，通過在所述轉子240的中心部分225處的軸承塊223而被用於車輛。所述轉子還包括一個聚焦環和磁體227，用於定位傳感，正如下面的討論。圖2顯示了與圖I所示相同的裝置的爆炸分解圖，從相對側顯示了定子252，該定子包括後定子壁230與線圈和電子元件裝置231。所述轉子240包括外轉子壁220和圓周壁221，磁體242是圓周地配置在該圓周壁221內。如前所述，所述定子252是通過在所述轉子的中心部分和定子壁的軸承座223而連接到所述轉子240。此外，在圖I中還顯示了控制裝置80，也被稱為電動機驅動電路或逆變器，該控制裝置帶有下面所述的控制電子元件。另外，在圖I和圖2中，在所述轉子的圓周壁221與所述定子外殼230的外邊緣之間提供一個V型密封件350。進一步，在圖2中，磁環227包括聚焦環和多個磁體，所述磁環被提供用於指示所述轉子相對於所述定子的位置，一系列傳感器被配置在所述定子252的控制裝置80上。圖3圖解地顯示了根據本發明的一個實施例所述的電動機40的一個例子。在這個例子中，所述電動機是大致圓形的。然而，需要明確的是，本發明的實施例也能夠採用其他拓撲結構。例如，用於產生線性運動的線圈的線性裝置也是可想像的。在這個實施例中,所述電動機40包括8個線圈組60,每個線圈組60具有三個子線圈組61、62、63，這些子線圈組是分別耦合到各自的控制裝置64，其中，每個控制裝置64和各自的子線圈組形成一個三相邏輯電動機或者子電動機，它可獨立於其它子電動機而被控制。所述控制裝置64以三相電壓電源驅動它們各自的子電動機，從而使得各自的子線圈組產生一個旋轉的磁場。雖然本實施例描述的每個線圈組60具有三個子線圈組61、62、63，但本發明並不受限於此，並且需要明確的是，每個線圈組60可具有任意數量的子線圈組。同樣地，雖然本實施例描述的電動機具有八個線圈組60 (也就是，八個子電動機)，所述電動機可具有兩個或者多個線圈組(也就是，兩個或者多個子電動機)，這些線圈組與控制裝置相關聯。 所述電動機40可包括轉子(在圖3中未示出)，該轉子定位在由該電動機的各種線圈的位置所限定的圓形的中心，因而使得所述轉子能在由這些線圈所產生的旋轉磁場內旋轉。優選地，雖然所述轉子是被安排在這些線圈周圍，正如之前在圖I和圖2中所揭示的。所述轉子通常可包括一個或多個永磁體，該永磁體被配置為這樣旋轉以致它們的極掃過所述電動機40的線圈的末端。在子線圈組61、62、63的線圈中的電流的適當開關使得所述轉子的永磁體的極能同步吸引和排斥，以產生所述電動機40的旋轉動作。應該明確的是，圖3是高度圖解性的，而在實踐中，子線圈組將被安置於所述定子的外圍，該定子與轉子的磁體圍繞這些線圈。對於本領域技術人員而言，每個控制裝置包括一個三相橋式逆變器，該逆變器包括六個開關。該三相橋式逆變器是耦合到一個線圈組60的三個子線圈組，以形成一個三相電動機構造。因此，如上所述，所述電動機包括八個三相子電動機，其中每個三相子電動機包括一個控制裝置64，該控制裝置耦合到線圈組60的三相子線圈組。每個三相橋式逆變器是被配置為提供PMW電壓控制穿過各自的子線圈組61、62、63，以提供用於各自子電動機的所需扭矩。對於給定的線圈組，控制裝置64的三相橋式開關是被配置為施加單獨的電壓相穿過每個子線圈組61、62、63。圖4顯示了在圖3中所示的電動機，在該圖中，每個控制裝置橋式逆變器是耦合到它們各自的子線圈組，以形成Y型結構。圖5顯示了在圖3中所示的電動機，在該圖中，每個控制裝置橋式逆變器是耦合到它們各自的子線圈組，以形成三角形結構。優選地，所述控制裝置是定位在與其他電動機組件相同的外殼/外套內，例如，鄰近於它們各自的線圈組。每個子線圈組可以包括一個或多個線圈。在本例中，每個子線圈組包括三個線圈，正如在圖6中圖解所示。在圖6中，這三個線圈被標記為74A、74B和74C。這三個線圈74A、74B和74C是交替地纏繞以致每個線圈產生一個磁場，對於給出的電流方向，該磁場是反平行於它的線圈，但它們具有共同的相位。如上所述，當所述電動機40的轉子的永磁體掃過所述線圈74A、74B和74C的末端時，在這些線圈內的電流的合適開關可被用於產生想要的力，以用於對所述轉子提供一個推動力。參考圖7，可以理解在每個子線圈組內的線圈74A、74B和74C是在相反方向纏繞以產生反平行的磁場的原因，圖7顯示，在所述轉子上的磁體242的布置是圍繞所述定子的線圈44、46和48。為簡化說明，這個布置是被顯示為磁體和線圈的線性排布，但是應當明確的是，在本發明的實施例中的描述的線圈可被布置為圍繞所述定子的外圍，以及所述磁體可被布置在所述轉子的圓周內，正如已經描述的。所述磁體242是被配置為以交替的磁極對著子線圈組44、46和48。因此，對於所述磁體的交替的磁極面，每個子線圈組的三個線圈74A、74B和74C表現出交替的磁場。因此，當一個子線圈組的左手螺旋的線圈具有對抗所述磁體之一的北極的排斥力時，相鄰的中心線圈將會具有對抗所述磁體的南極的排斥力，等等。正如在圖7中圖解地所示，磁體與線圈的比率是八個磁體比九個線圈。這個布置·的優點是這些磁體和線圈將不會優選地排成一列。如果發生這樣的優選的直線排列，那麼電動機只能處於這樣一個位置，在該位置中，沒有力會被施加在所述線圈與所述磁體之間，以給出一個明確的方向，感知所述電動機將會轉動。通過將不同數量的線圈和磁體安排為圍繞所述電動機，無論所述轉子和電動機停止在什麼位置，在特定的方向上總會有一個合力。雖然本實施例描述了八個磁體比九個線圈的比率，但是其他的比率也是可以應用的，例如九個磁體比六個線圈。圖8顯示了根據本發明的一個實施例所述的控制裝置80的一個例子。所述控制裝置80包括第一電路板83和第二電路板82。優選地，第二電路板82是被配置為覆蓋在所述第一電路板83上,如圖8中所示。所述第一電路板83包括大量的開關，這些開關是被配置為施加交流電壓穿過各自的子線圈組。這些開關可以包括諸如MOSFET或IGBT等半導體裝置。在本實施例中，這些開關包括IGBT開關。如上所述，大量的開關是被配置為形成η-相橋接電路。因此，本領域技術人員所熟知，開關的數量將取決於電壓相的數量，以被應用於各自的子電動機。在本實施例中，所述控制裝置和子線圈組被配置為形成一個三相電動機，各自的控制裝置的第一電路板83包括六個開關。雖然本設計顯示每個子發電機具有一個三相結構，但子電動機能夠被設計為具有兩相或者更多相的結構。所述子線圈組的線(例如銅絲)可被直接連接到適當的開關設備。第二電路板82包括一定數量的電子元件，這些電子元件用於控制安裝在第一電路板83上的開關的操作。安裝在第二電路板82上的電子元件的例子包括用於控制開關的操作的控制邏輯元件，用於提供PWM電壓控制和接口組件(例如CAN接口晶片)的邏輯元件，用於使得所述控制裝置80能與控制裝置80外部的設備(例如其他控制裝置80或主控制器)進行通信的邏輯元件。通常，第二控制電路板82會通過所述接口進行通信，以接收扭矩需求的請求，並傳送狀態信息。可替代地，各自的第二電路板能夠被整合為一個單獨的控制板，用於控制在各自的第一電路板上的開關的操作。在每個電路板上還安裝了傳感器，該傳感器可被用於確定所述轉子240的位置，例如，霍爾傳感器是被配置為產生一個電信號，該電信號取決於聚焦環與磁體227的相對位置，聚焦環與磁體都被安裝在所述轉子240上。為了確定所述轉子轉動的方向，所述電路板優選地包括兩個傳感器，這些傳感器是偏移預定的角度，以致來自每個所述傳感器的信號的改變可被分析，以確定所述轉子240的相對位置以及所述轉子的旋轉方向。優選地，為使得每個控制設備能互相獨立地操作，繼而使每個子電動機能相互獨立地操作，每個電路板具有它們自己的一套定位傳感器。通過圖示說明，圖9顯示了一個典型的霍爾傳感器軌跡，該軌跡是關於安裝在一個電路板上的兩個霍爾傳感器的。這兩個霍爾傳感器是由預定的距離相分離的，以致當第一霍爾傳感器提供指示零相角的信號時，第二霍爾傳感器提供指示90度相角的信號。通過分析在由第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器所產生的信號之間的相角的相對改變，有可能確定所述轉子相對於所述定子的旋轉方向。圖10顯示了安裝在第一電路板上的六個開關，它們被配置成三相橋式結構。這個開關裝置是被耦合到一個線圈組的子線圈組，其中，該子線圈組是被放置在一個Y形結構中。這六個半導體開關是連接到電壓電源，例如300伏，並接地。成對的各自的子線圈組是 連接在所述橋接電路的引腳之間。簡單地說，為操作所述電動機，這些開關是成對操作的，一個開關在橋上的頂半部，另一個開關在橋的底半部，它們連接不同的引腳。典型地，每個開關承載當時三分之一的輸出電流。為改變所述電動機的旋轉方向，在所述線圈內的電流的時序和極性是改變為導致在相反方向產生合力。如上所述，脈寬調製技術是被用於對施加到所述半導體開關的柵極的信號進行脈寬調製，以控制施加到所述線圈的電壓，其中，PWM電壓是基於所接收的扭矩需求的請求來確定的。該PWM電壓依次確定所述線圈的電路，繼而確定所產生的扭矩。優選地，對於在所述電動機內的每個子電動機，施加到與線圈組相關聯的子電動機的電相角將會與所述轉子的相角同步，其中，所述轉子的相角是採用霍爾傳感器來確定的。因此，將某個電壓施加到子線圈組將會取決於所述轉子相對於所述定子的位置。圖11顯示了在所述轉子的相角、所述電相角與所述電流之間的優選的關係，其中，零電壓，繼而零電流，對應於零轉子相角。然而，為了補償在安裝在電路板上的霍爾傳感器的位置上的可能的變化，並確保在轉子和電相角之間的優選關係能被維持，通常需要對於在所述電動機內的每個控制裝置的相角進行校正。通常，這個校正程序涉及確定在零相轉子位置與零電相角之間的偏移。如果該零相轉子位置和零電相角不一致，則需要確定在這兩個值之間的偏移是怎樣。所述校正程序是利用所述電動機的子電動機之一來執行，以使所述轉子旋轉，因此使得能在其他子電動機相關聯的線圈組內測量反電動勢。然後，與所測量的反電動勢值關聯的電相角是與所述轉子的位置(由所述霍爾傳感器來確定)進行比較，以確定對於不同控制裝置的相角的偏移。通過圖示說明，這個校正程序是採用控制器來執行，以提供扭矩需求到所述電動機控制裝置之一，因而導致所述轉子相對於所述定子旋轉。沒有扭矩需求被提供給其他子電動機(也就是，基本上沒有電壓會通過其他子電動機各自的控制裝置而被施加到它們的線圈組)。因此，基本上沒有電流能再與其他子電動機相關聯的線圈內流動。例如，與其他子電動機相關聯的線圈是被放置在一個開放的電路裝置中。當所述轉子在轉動時，對於每個子電動機的轉子相角和反電動勢都被測量，沒有扭矩需求被提供到所述子電動機(也就是，在該子電動機內，基本上沒有電流在相關聯的線圈內流動)。然後，對於各自的子電動機，在所述轉子相角與所述電相角之間的相位偏移值被確定。當執行所述校準程序時，如果反電動勢為零時，電相角通常將會是零。對於帶有非活動線圈組的子電動機，一旦它的相角偏移值已經被確定，接著對於已經被用於驅動所述轉子的子電動機，確定它的相角偏移。對於剩下的子電動機，為測量其相角偏移，被發送到該子電動機的扭矩需求是被設為零，而已經具有它們已計算的相角偏移的這些子電動機之一是被提供一個扭矩需求，因而導致產生一個扭矩，並導致所述轉子相對於所述定子旋轉。接著，測量該轉子相角和電相角(從所述反電動勢來確定)，並確定相 角偏移值。因此，對於具有多個子電動機的電動機，通過測量關於子電動機的在非活動子線圈組內產生的反電動勢，同時另一個子電動機被用於使所述轉子相對於所述定子旋轉，使得對於具有非活動子線圈組的子電動機，在所述霍爾傳感器的相角和電相角之間的相位偏移能被確定。所述控制器被配置為產生用於控制各自的子電動機的操作的扭矩需求信號，且該控制器執行必要的測量來確定相角偏移值，該控制器可被定位在所述電動機的外部，或者被安裝在所述電動機的內部。可替代地，該控制器的功能可被分解為兩個控制器，一個控制器定位在所述電動機內，而另一個控制器是定位在所述電動機的外部。如果控制器是定位於電動機的外部，該控制器也能夠作為主控制器，該主控制器被配置為控制車輛的總體操作，各自的輪內電動機都安裝到該車輛。所述扭矩需求信號是通過共同的控制裝置來直接或者間接地與各自的輪內電動機控制裝置80進行通信的。該扭矩需求信號通常將會通過通信總線(例如，CAN總線)進行通信。然而，本領域技術人員所應當明確的是，這種信號也能夠通過任意合適的方式進行通信。附加的控制信號能夠通過控制器與各自的控制裝置80進行通信。所測量的霍爾傳感器信號和反電動勢的值可以通過通信總線而與所述控制器進行通信。
權利要求
1.一種用於電動機的控制系統，所述電動機具有第一控制裝置，被配置為控制在第一線圈組內的電流，用於產生在轉子上的第一扭矩；以及第二控制裝置，被配置為控制在第二線圈組內的電流，用於產生在轉子上的第二扭矩；所述系統包括控制器，被配置為指示所述第一控制裝置，以控制在所述第一線圈組內的電流，以產生在所述轉子上的第一扭矩，以使得所述轉子旋轉；以及用於測量由所述第一線圈組產生的扭矩導致轉子旋轉而產生的與所述第二線圈組相關聯的特徵的裝置，同時在所述第二線圈組的線圈中基本上沒有電流流動。
2.根據權利要求I所述的控制系統，其特徵在於所述轉子包括磁體，且所測量的與所述第二線圈組相關聯的特徵是所述轉子磁體相對於所述第二線圈組移動而在所述第二線圈組內感應的電壓。
3.根據權利要求2所述的控制系統，其特徵在於還包括用於確定關於所述第二線圈組的轉子的相角的裝置，其中，所述控制器是被配置為確定在所測量的相角與所測量的在所述第二線圈組內感應的電壓的相位之間的偏移。
4.根據權利要求3所述的控制系統，其特徵在於所述用於確定相角的裝置使用從兩個霍爾傳感器整合進入所述電動機內的數據。
5.根據權利要求4所述的控制系統，其特徵在於所述用於確定相角的裝置使用來自所述霍爾傳感器的由定位在所述轉子上的磁體產生的電壓波動。
6.一種測量電動機的方法，所述電動機具有第一控制裝置，被配置為控制在第一線圈組內的電流，用於產生在轉子上的第一扭矩；以及第二控制裝置，被配置為控制在第二線圈組內的電流，用於產生在轉子上的第二扭矩；所述方法包括控制在所述第一線圈組內的電流，用於產生在所述轉子上的第一扭矩，以使得所述轉子旋轉；以及測量由所述第一線圈組產生的扭矩導致轉子旋轉而產生的與所述第二線圈組相關聯的特徵，同時在所述第二線圈組的線圈中基本上沒有電流流動。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於所述轉子包括磁體，且所測量的與所述第二線圈組相關聯的特徵是所述轉子磁體相對於所述第二線圈組移動而在所述第二線圈組內感應的電壓。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於還包括確定關於所述第二線圈組的轉子的相角，其中，所述控制器是被配置為確定在所測量的相角與所測量的在所述第二線圈組內感應的電壓的相位之間的偏移。
全文摘要
一種用於電動機的控制系統，所述電動機具有第一控制裝置，被配置為控制在第一線圈組內的電流，用於產生在轉子上的第一扭矩；以及第二控制裝置，被配置為控制在第二線圈組內的電流，用於產生在轉子上的第二扭矩；所述系統包括控制器，被配置為指示所述第一控制裝置，以控制在所述第一線圈組內的電流，以產生在所述轉子上的第一扭矩，以使得所述轉子旋轉；以及用於測量由所述第一線圈組產生的扭矩導致轉子旋轉而產生的與所述第二線圈組相關聯的特徵的裝置，同時在所述第二線圈組的線圈中基本上沒有電流流動。
文檔編號H02K11/00GK102835020SQ201080017351
公開日2012年12月19日 申請日期2010年9月29日 優先權日2009年10月15日
發明者理察·伯克 申請人:普羅蒂恩電子有限公司