專利名稱：一體化輪轂電機及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種一體化輪轂電機及其控制方法，尤其是一種應(yīng)用位置檢測裝置的 永磁同步輪轂電機及其控制方法。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，城市交通中的諸如電動助力車、電動自行 車、電動摩托車、小型電動車、電動轎車、電動大巴等電動車輛逐漸興起。作為新一代電動汽 車的電動輪汽車，需要對關(guān)鍵部件輪轂電機加以改進，以便改進性能并降低成本。車用驅(qū)動電動機的運行特點是，電機由蓄電池供電，力求使有限的能量能夠行駛 最長的里程，這是與驅(qū)動電機性能緊密相關(guān)的。因此電機的啟動轉(zhuǎn)矩、電機的過載能力、電 機的運行效率、電機的重量和體積是對車用電機綜合評價的主要指標(biāo)，也將影響到對電動 車的技術(shù)性能及其技術(shù)指標(biāo)。申請?zhí)枮?008100008271. 6的文獻中公開了一種輪轂電機車 輪，省去了中間的傳動機構(gòu)，從而大大提高了電能的利用效率?，F(xiàn)有的輪轂電機通常為有刷直流電機和無刷直流電機，它們存在同等重量、同等 轉(zhuǎn)速情況下功率小、啟動轉(zhuǎn)矩小、過載能力小、轉(zhuǎn)矩波動大、電流大、特性軟及能耗高等缺
點o永磁電動機，特別是稀土永磁電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；體積小，質(zhì)量輕； 損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。因此永磁電動機產(chǎn)品，特別 是稀土永磁電機產(chǎn)品得到不斷的開發(fā)和極其廣泛的應(yīng)用。申請?zhí)枮?3103047. 5的文獻中公開了一種永磁同步輪轂電機，其采用一體化設(shè) 計，在一定程度上減少了轉(zhuǎn)矩脈動，然而其采用無位置傳感器，且只是采用了分?jǐn)?shù)槽繞組， 而未對極弧系數(shù)做出要求。無位置傳感器的一個缺點就是在低速時反電勢的信號小，通常 不足以達到控制的要求，因此該方案在低速時的控制性能不理想，轉(zhuǎn)矩脈動比較大，從而造 成電機發(fā)熱、噪聲及耐用性下降等不良影響。為了在低速時也能精確控制電機的運轉(zhuǎn)，需要在輪轂電機中使用位置檢測裝置， 而光電式位置檢測裝置因為以玻璃為主要材質(zhì)，抗震動和沖擊能力不強，故不適用于做輪 轂電機的位置檢測裝置。磁電式位置檢測裝置可以克服光電式位置檢測裝置的不足，然而 傳統(tǒng)磁電式位置檢測裝置測量精度比較低，且只能實現(xiàn)增量輸出。申請?zhí)枮?00410024190. 7的文獻中公開了一種磁電式位置檢測裝置，其實現(xiàn)了 絕對式位置檢測。該專利中，磁感應(yīng)傳感器采用表面貼的方式，即在圓環(huán)形定子內(nèi)側(cè)壁布置 磁感應(yīng)傳感器，進行旋轉(zhuǎn)磁場的感應(yīng)，然后根據(jù)傳感器電壓值求出旋轉(zhuǎn)角度值。然而所述磁 電式位置檢測裝置在物理結(jié)構(gòu)上具有以下缺點定子內(nèi)側(cè)一般呈圓弧形且光滑，傳感器不 易安裝固定，容易引起定位誤差，進而引起信號的相位偏差，使得信號中高次諧波分量大； 加工制造工藝復(fù)雜，不利于產(chǎn)業(yè)化；可靠性低，傳感器均布于內(nèi)側(cè)壁，傳感器的支持基體必 須為柔性體如FPC等，其與處理本體接觸處其抗拉強度不高，容易破裂，增加了加工難度， 影響產(chǎn)品的壽命；傳感器感應(yīng)的磁場泄露大，磁場不能得到充分應(yīng)用，使得信號中噪聲大，影響測量精度；要求傳感器體積小，使得產(chǎn)品成本比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提出一種一體化輪轂電 機，結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能、啟動特性好、體積小、效率高。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種一體化輪轂電機，包括電機軸和固定在其上的定子，定子外套設(shè)有轉(zhuǎn)子外殼， 轉(zhuǎn)子外殼的前后兩端通過轉(zhuǎn)子端蓋和軸承可旋轉(zhuǎn)固定在電機軸上，電機軸的兩端凸伸于轉(zhuǎn) 子端蓋之外形成長端和短端，轉(zhuǎn)子端蓋的外側(cè)固定有軸承端蓋，將電機軸的短端罩在其中， 所述的軸承端蓋中部凸設(shè)有軸承端蓋軸，朝電機軸方向凸設(shè)，所述的電機軸端部和軸承端 蓋軸的對應(yīng)位置設(shè)有位置檢測裝置；所述的電機軸上還套設(shè)有伺服控制器；所述位置檢測 裝置感測到軸承端蓋軸的轉(zhuǎn)動，并將感測到的信號傳輸給伺服控制器，通過伺服控制器的 處理，獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度或位置，進而實現(xiàn)對電機的精確控制?？蛇x地，位置檢測裝置包括磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件，所述導(dǎo)磁環(huán)固定在電機 軸上，由兩段或多段同半徑、同圓心的弧段構(gòu)成，相鄰兩弧段留有縫隙，所述磁感應(yīng)元件置 于該縫隙內(nèi)，所述的磁鋼環(huán)對應(yīng)設(shè)置在軸承端蓋軸上，當(dāng)磁鋼環(huán)與導(dǎo)磁環(huán)發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運 動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將該電壓信號傳輸給相應(yīng)的
信號處理裝置。優(yōu)選地，導(dǎo)磁環(huán)由兩段同半徑、同圓心的弧段構(gòu)成，分別為1/4弧段和3/4弧段，對 應(yīng)的磁感應(yīng)元件為2個；或者，所述的導(dǎo)磁環(huán)由三段同半徑的弧段構(gòu)成，分別為1/3弧段，對 應(yīng)的磁感應(yīng)元件為3個；或者，所述的導(dǎo)磁環(huán)由四段同半徑的弧段構(gòu)成，分別為1/4弧段，對 應(yīng)的磁感應(yīng)元件為4個；或者，所述的導(dǎo)磁環(huán)由六段同半徑的弧段構(gòu)成，分別為1/6弧段，對 應(yīng)的磁感應(yīng)元件為6個。優(yōu)選地，導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角，為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑向切削而 形成的倒角。優(yōu)選地，位置檢測裝置還包括骨架，用于固定所述導(dǎo)磁環(huán)；所述導(dǎo)磁環(huán)設(shè)置在骨架 成型模具上，在所述骨架一體成型時與骨架固定在一起；所述的骨架固定在電機軸上。優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、合成模塊、角度獲取模 塊、存儲模塊；A/D轉(zhuǎn)換模塊對位置檢測裝置中磁感應(yīng)元件發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn) 換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；合成模塊對位置檢測裝置發(fā)送來的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的多個 電壓信號進行處理得到基準(zhǔn)信號D ；角度獲取模塊根據(jù)該基準(zhǔn)信號D，在標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇 與其相對的角度作為偏移角度0 ；存儲模塊，用于存儲標(biāo)準(zhǔn)角度表。優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置在A/D轉(zhuǎn)換模塊和合成模塊之間還包括溫 度補償模塊，用于消除溫度對位置檢測裝置發(fā)送來的電壓信號的影響。優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置的所述合成模塊的輸出信號還包括信號R。優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置中所述溫度補償模塊包括系數(shù)矯正模塊和 乘法器，所述系數(shù)矯正模塊對所述合成模塊的輸出的信號R和對應(yīng)該信號的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的 信號Ro進行比較得到輸出信號K ；所述乘法器為多個，每一所述乘法器將從位置檢測裝置 發(fā)送來的、經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的一個電壓信號與所述系數(shù)矯正模塊的輸出信號K相乘，將相乘后的結(jié)果輸出給合成模塊。優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置中，如果位置檢測裝置發(fā)送來的一個電壓 信號為2或3的倍數(shù)，則在所述溫度補償模塊之前還包括差分模塊，對用于抑制溫度和零點 漂移，并提高數(shù)據(jù)精度?？蛇x地，位置檢測裝置包括分別固定在軸承端蓋軸上的第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼 環(huán)；設(shè)置在電機軸上的對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有 n(n = 1，2…n)個均勻分布的磁感應(yīng)元件，所述第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感 應(yīng)元件輸出呈格雷碼格式，相鄰兩個輸出只有一位變化；在定子上，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)，以 第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有有m(m為2或3的整數(shù)倍)個呈一定角度分布 的磁感應(yīng)元件，所述第一磁鋼環(huán)的磁極總對數(shù)與第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)相等，并且相鄰兩 極的極性相反；當(dāng)軸承端蓋軸相對于電機軸發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測 到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置。優(yōu)選地，在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2 或4時，該夾角為90° /g;當(dāng)m為3時，該夾角為120° /g ；當(dāng)m為6時，該夾角為60° /g， 其中，g為第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)。可優(yōu)選地，位置檢測裝置包括分別固定在軸承端蓋軸上的第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼 環(huán)，所述第一磁鋼環(huán)被均勻地磁化為N[N <= 2n(n = 0，1,2-n)]對磁極，并且相鄰兩極的 極性相反；所述第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為N，其磁序按照特定磁序算法確定；在電機軸上， 對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有m(m為2或3的整數(shù)倍) 個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件；對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一 圓周上設(shè)有n(n = 0，1，2丨11)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件；當(dāng)軸承端蓋軸相對于電機 軸發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺⒃撾妷?信號輸出給一信號處理裝置。優(yōu)選地，在定子上對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為 360° /No優(yōu)選地，在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2或 4時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為90° /N，當(dāng)m為3時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之 間的夾角為120° /N;當(dāng)m為6時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為60° /N。優(yōu)選地，所述磁感應(yīng)元件直接表貼在電機軸的表面。優(yōu)選地，位置檢測裝置還包括兩個導(dǎo)磁環(huán)，每一所述導(dǎo)磁環(huán)是由多個同圓心、同半 徑的弧段構(gòu)成，相鄰兩弧段留有空隙，對應(yīng)于兩個磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件分別設(shè)在該空隙內(nèi)。優(yōu)選地，導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角，為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑向切削而 形成的倒角。本發(fā)明還提供了 一體化輪轂電機用的位置檢測裝置的信號處理裝置，包括A/D轉(zhuǎn) 換模塊、相對偏移角度0工計算模塊、絕對偏移量02計算模塊、角度合成及輸出模塊、存儲 模塊；A/D轉(zhuǎn)換模塊，對位置檢測裝置發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號；相對偏移角度9工計算模塊，用于計算位置檢測裝置中對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的磁感 應(yīng)元件發(fā)送來的第一電壓信號在所處信號周期內(nèi)的相對偏移量e1;絕對偏移量e2計算模 塊，根據(jù)位置檢測裝置中對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件發(fā)送來的第二電壓信號，通過計算來確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量02 ；角度合成及輸出模塊，用 于將上述相對偏移量和絕對偏移量e2相加，合成所述第一電壓信號所代表的在該時刻 的旋轉(zhuǎn)角度0 ；存儲模塊，用于存儲數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置還包括信號放大模塊，用于在A/D轉(zhuǎn)換模 塊進行A/D轉(zhuǎn)換之前，對來自于位置檢測裝置的電壓信號進行放大。優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置中，所述相對偏移角度e:計算模塊包括第 一合成單元和第一角度獲取單元，所述第一合成單元對位置檢測裝置發(fā)送來的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn) 換的多個電壓信號進行處理，得到一基準(zhǔn)信號D;所述第一角度獲取單元根據(jù)該基準(zhǔn)信號 D，在第一標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的角度作為偏移角度e 10優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置中所述相對偏移角度e ！計算模塊還包括 溫度補償單元，用于消除溫度對位置檢測裝置發(fā)送來的電壓信號的影響。優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置中所述第一合成單元的輸出還包括信號R。優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置中，所述溫度補償單元包括系數(shù)矯正器和 乘法器，所述系數(shù)矯正器對所述合成模塊的輸出的信號R和對應(yīng)該信號的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的信 號Ro進行比較得到輸出信號K ；所述乘法器為多個，每一所述乘法器將從位置檢測裝置發(fā) 送來的、經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的一個電壓信號與所述系數(shù)矯正模塊的輸出信號K相乘，將相乘后的 結(jié)果輸出給第一合成單元。優(yōu)選地，位置檢測裝置的信號處理裝置中，所述絕對偏移量e 2計算模塊包括第二 合成單元和第二角度獲取單元，所述第二合成單元用于對對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的位置檢測裝 置發(fā)送來的第二電壓信號進行合成，得到一信號E ；所述第二角度獲取單元根據(jù)該信號E在 第二標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的角度作為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕 對偏移量02。優(yōu)選地，磁感應(yīng)元件為霍爾感應(yīng)元件。本發(fā)明還提供了一種一體化輪轂電機的控制方法，該方法包括如下步驟步驟1 位置檢測裝置檢測電機轉(zhuǎn)子的位置并輸出信號給伺服控制器，伺服控制 器根據(jù)位置指令計算出指令速度；步驟2 速度控制器根據(jù)步驟1中的指令速度，通過微分器算出反饋速度算出指令 電流；步驟3 電流控制器根據(jù)指令和反饋電流經(jīng)2變3得到u、v、w三路電壓信號；步驟4 步驟3中的三路電壓信號經(jīng)脈寬調(diào)制和功率放大驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，達到相應(yīng) 的控制效果。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的一體化輪轂電機的控制模塊包括數(shù)據(jù)處理單元MCU、電機電 源控制單元IPM功率模塊和電流傳感器，所述數(shù)據(jù)處理單元接收輸入的指令信號、電流傳 感器采集的電機輸入電流信號和位置檢測裝置輸出的電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，輸出控制 信號給所述的電機電源控制單元，所述電機電源控制單元根據(jù)所述的控制信號輸出合適的 電壓給電機，從而實現(xiàn)對電機的精確控制。優(yōu)選地，數(shù)據(jù)處理單元包括機械環(huán)控制子單元、電流環(huán)控制子單元、PWM控制信號 產(chǎn)生子單元和傳感器信號處理子單元；傳感器信號處理子單元接收所述位置檢測裝置的電 壓信號，經(jīng)過A/D采樣、角度求解，得到電機軸的轉(zhuǎn)動角度，并將該角度傳輸給所述的機械
9環(huán)控制子單元；所述傳感器信號處理子單元還接收所述電流傳感器的檢測到的電流信號， 經(jīng)過A/D采樣后輸出給所述的電流環(huán)控制子單元；機械環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的指令信 號和電機軸的轉(zhuǎn)動角度，經(jīng)過運算得到電流指令，并輸出給所述的電流環(huán)控制子單元；電流 環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的電流指令的電流傳感器輸出的電流信號，經(jīng)過運算得到三相電 壓的占空比控制信號，并輸出給所述的PWM控制信號產(chǎn)生子單元；PWM控制信號產(chǎn)生子單元 根據(jù)接收到的三相電壓的占空比控制信號，生成具有一定順序的六路PWM信號，分別作用 于電機電源控制單元。優(yōu)選地，電機電源控制單元包括六個功率開關(guān)管，所述開關(guān)管每兩個串聯(lián)成一組， 三組并聯(lián)連接在直流供電線路之間，每一開關(guān)管的控制端受PWM控制信號產(chǎn)生子單元輸出 的PWM信號的控制，每一組中的兩個開關(guān)管分時導(dǎo)通。優(yōu)選地，數(shù)據(jù)處理單元為MCU，所述電機電源控制單元為IPM模塊。綜上所述，本發(fā)明具有如下優(yōu)點本發(fā)明采用廉價的磁感應(yīng)元件傳感器進行位置檢測，安裝加工極為方便?？煽啃?極高。采用所述磁感應(yīng)元件，產(chǎn)品抗沖擊和油污能力非常強，適用于惡劣工作環(huán)境下高精度 的控制。系統(tǒng)響應(yīng)速度快。采用內(nèi)置角度檢測方式，不存在角度信息的延時和通信引起的 錯誤，極大縮短了控制周期，提高了系統(tǒng)對負(fù)載擾動的快速響應(yīng)性。本發(fā)明中的永磁同步電機采用永磁體代替電勵磁，沒有了勵磁損耗，節(jié)約了能量， 提高了效率?？刂葡涞目刂破髂芨鶕?jù)電機負(fù)載扭矩的變化而變化，當(dāng)負(fù)載扭矩大時，電機 輸出大扭矩，當(dāng)負(fù)載扭矩小時，電機輸出小扭矩；這樣大大節(jié)約了用電量，同時，在剎車制動 時，關(guān)斷電機，電機作為發(fā)電機，產(chǎn)生電能，節(jié)約能量。本設(shè)計將電機的控制器和電機連接在一起，做成一體化，節(jié)約了空間?？刂葡洳捎?直流電源供電，可以使用蓄電池供電或者燃料電池供電。而且控制箱在結(jié)構(gòu)上進一步簡化， 節(jié)約了成本和安裝空間。本發(fā)明的電機轉(zhuǎn)速可以在零至最高速之間任意調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍十分寬泛。本發(fā)明中可任意設(shè)定啟動過程中的加速度，實現(xiàn)輪轂電機的軟啟動，可以有效降 低啟動過程中的電機電流(即轉(zhuǎn)矩)，使啟動過程中電氣和機械系統(tǒng)不受任何沖擊，實現(xiàn)了 大慣量機械負(fù)載真正意義上的柔性、平滑啟動。本發(fā)明采用新型的電磁結(jié)構(gòu)的永磁同步輪轂電機，用于車輪0-500轉(zhuǎn)/分范圍 內(nèi)的低速直接驅(qū)動，效率達到86%以上；較傳統(tǒng)電機具有體積小、效率高、過載能力強等特
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圖1是表示本發(fā)明的一體化輪轂電機的結(jié)構(gòu)的局部剖面圖；圖2是表示本發(fā)明的一體化輪轂電機的結(jié)構(gòu)的立體剖面圖；圖3是本發(fā)明軸承端蓋的局部放大圖；圖4是本發(fā)明的一體化輪轂電機的外形圖；圖5是本發(fā)明的一體化輪轂電機的另一側(cè)的外形圖；圖6是表示本發(fā)明的一體化輪轂電機的磁瓦排列分布示意圖；圖7和圖8是位置檢測裝置在本發(fā)明的輪轂電機中的安裝示意圖9是本發(fā)明的一體化輪轂電機的一種沖片的示意圖；圖10是本發(fā)明的一體化輪轂電機的另一種沖片的示意圖；圖11是兩種沖片疊加后的示意圖；圖12是本發(fā)明的一體化輪轂電機的位置檢測裝置的立體分解圖；圖13A-圖13D是導(dǎo)磁環(huán)分段布置的示意圖；圖14A-圖14D是導(dǎo)磁環(huán)的倒角設(shè)計的示意圖；圖15是安裝有兩個磁感應(yīng)元件的位置檢測裝置方案的信號處理裝置的框圖；圖16是安裝有三個磁感應(yīng)元件的位置檢測裝置方案的信號處理裝置的框圖；圖17是安裝有四個磁感應(yīng)元件的位置檢測裝置方案的信號處理裝置的框圖；圖18是安裝有六個磁感應(yīng)元件的位置檢測裝置方案的信號處理裝置的框圖；圖19是本發(fā)明的輪轂電機用的位置檢測裝置第二方案的關(guān)鍵部件的分解立體 圖；圖20是本發(fā)明的輪轂電機用的位置檢測裝置第二方案的安裝示意圖；圖21是位置檢測裝置第二實施例中的與第一磁鋼環(huán)對應(yīng)的兩個磁感應(yīng)元件的布 置示意圖；圖22是位置檢測裝置第二實施例中的第一磁鋼環(huán)均勻磁化為六對極時磁感應(yīng)元 件的布置示意圖；圖23是位置檢測裝置第二實施例中的第二磁鋼環(huán)所對應(yīng)的磁感應(yīng)元件個數(shù)為三 個時所得到的編碼；圖24是位置檢測裝置第二實施例中的第二磁鋼環(huán)的充磁順序；圖25是位置檢測裝置第二實施例中的第二磁鋼環(huán)所對應(yīng)的磁感應(yīng)元件布置示意 圖；圖26是本發(fā)明的輪轂電機用的位置檢測裝置的第二實施例的一個信號處理裝置 的框圖；圖27是磁感應(yīng)元件采用表貼式安裝的位置檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖28是根據(jù)位置檢測裝置的第三實施例的位置檢測裝置的分解立體圖；圖29是確定磁鋼環(huán)303的磁序的算法流程圖；圖30是由圖29得到的磁鋼環(huán)的充磁結(jié)構(gòu)圖以及磁感應(yīng)元件的排布順序的一個示 例；圖31是位置檢測裝置的第三實施例的位置檢測裝置的信號處理裝置的框圖；圖32是本發(fā)明的一體化輪轂電機內(nèi)部的走線圖；圖33是本發(fā)明的一體化輪轂電機的控制方法的流程圖；圖34是本發(fā)明的一體化輪轂電機的控制方法的框圖；圖35是本發(fā)明的交流伺服系統(tǒng)的側(cè)重于MCU部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖36是本發(fā)明的交流伺服系統(tǒng)的側(cè)重于IPM部分的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖37是本發(fā)明所得到的電機的效率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系圖。
具體實施例方式以下參照附圖，結(jié)合具體的優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行描述。然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所述實施例，而是可以根據(jù)具體的應(yīng)用要求進行相應(yīng)的變化。如圖1、圖2并結(jié)合圖3所示，本發(fā)明提供一種一體化輪轂電機，包括電機軸24和 固定在其上的定子12，定子12外套設(shè)有轉(zhuǎn)子外殼10，轉(zhuǎn)子外殼10的前后兩端通過轉(zhuǎn)子端 蓋8、14和軸承6、軸承19可旋轉(zhuǎn)固定在電機軸24上，電機軸24的兩端凸伸于轉(zhuǎn)子端蓋8、 14之外形成長端和短端，轉(zhuǎn)子端蓋8的外側(cè)固定有軸承端蓋1，將電機軸24的短端罩在其 中，軸承端蓋1中部凸設(shè)有軸承端蓋軸26，朝電機軸24方向凸設(shè)，電機軸24端部和軸承端 蓋軸26的對應(yīng)位置設(shè)有位置檢測裝置3 ；電機軸24上還套設(shè)有伺服控制器11 ；上述的位置 檢測裝置3可以采用多種結(jié)構(gòu)形式，包括單級和多級，其結(jié)構(gòu)、信號處理裝置和信號處理方 法，會在如下的內(nèi)容中詳細(xì)說明。位置檢測裝置3無論采用單級或多級的哪種具體結(jié)構(gòu)，都 是將磁鋼環(huán)固定在軸承端蓋軸26上，在電機軸4的端部可以設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)，并在導(dǎo)磁環(huán)的間 隙中設(shè)置磁感應(yīng)元件，該磁感應(yīng)元件通常采用霍爾感應(yīng)元件。輪轂電機的轉(zhuǎn)子外殼10以電 機軸4的軸線為中心旋轉(zhuǎn)，固定在轉(zhuǎn)子端蓋8上的軸承端蓋1也隨之轉(zhuǎn)動，軸承端蓋軸26 與電機軸4發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，設(shè)置在電機軸4上的磁感應(yīng)元件感應(yīng)到軸承端蓋軸26的轉(zhuǎn)動， 并將感測到的位置信號傳輸給伺服控制器11，通過伺服控制器11的處理，獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的 角度或位置，進而實現(xiàn)對電機的精確控制。本發(fā)明所提供的電機為輪轂型外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和普通的輪轂電機基本相 同。具體來說，輪轂電機的中間依次安裝軸承6、控制器11、定子沖片12、繞組、軸承19、花 鍵套磁瓦20和輪轂等部件；外部安裝由轉(zhuǎn)子端蓋8、轉(zhuǎn)子端蓋14、磁瓦13、轉(zhuǎn)子外殼10、剎 車片17、外端蓋1組成；外端蓋1和轉(zhuǎn)子端蓋8通過內(nèi)六角螺釘7連接；轉(zhuǎn)子端蓋8、轉(zhuǎn)子端 蓋14和轉(zhuǎn)子外殼10通過內(nèi)六角螺栓9、15連接。剎車片17通過內(nèi)六角螺釘18固定在轉(zhuǎn) 子端蓋14上；電機軸4上較長的一端有花鍵套20，花鍵套20頂在軸承19的一端，花鍵套 的另一端用兩個圓螺母21、22緊固，電機軸4上較短的一端有軸承6，軸承6外是固定用的 螺釘5，再外面固定有位置檢測裝置，即圖中的位置檢測裝置3，位置檢測裝置3的磁鋼環(huán)2 固定在軸承端蓋軸26上。花鍵套20上有螺栓孔，可以連接汽車的底盤；控制器11通過螺 釘23固定在定子上；定子沖片12疊加在一起，通過圓螺母22和鍵固定于電機軸4上。穿 線孔24、25用于布置位置檢測裝置的走線。本發(fā)明設(shè)計的與輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)和剎車片連接的 螺栓孔便于與車輪轉(zhuǎn)配成一體，由于一體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計省去了減速機構(gòu)，減少了機械損耗， 提高了整體效率。所述的電機轉(zhuǎn)軸上設(shè)有位置檢測裝置以及伺服控制器，位置檢測裝置將 檢測到的位置信號輸出給伺服控制器，通過伺服控制器的處理，獲得電機軸轉(zhuǎn)動的角度或 位置，進而實現(xiàn)對電機的精確控制。圖4和圖5是本發(fā)明的輪轂電機的外形圖。如圖4和圖5所示，由轉(zhuǎn)子端蓋28、 30、轉(zhuǎn)子外殼29和軸承端蓋31所圍成的轉(zhuǎn)子通過軸承32固定于電機軸27上，電機軸27 上留有穿線孔33。如圖6所示，所述的永磁同步輪轂電機的電機轉(zhuǎn)子磁路由磁瓦34和磁軛35組成， 外轉(zhuǎn)子上均勻布置16塊磁瓦，形成16個N、S交替排列的磁極，其布置為面向氣隙的結(jié)構(gòu)。 永磁體是表面式，而不是內(nèi)置式，這樣工藝簡單，能夠充分利用永磁體的磁能。這種槽極配 合與普通永磁同步電機不同。普通永磁同步電機都是8/9槽極配合，采用這種配合的永磁 同步電機內(nèi)部有很大的磁拉力，使產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不平穩(wěn)，同時產(chǎn)生很大的諧波，造成電機損耗 和噪音，而采用16/18槽極配合的永磁同步電機可以避免這些問題。
磁瓦的極弧系數(shù)約為0. 88，徑向厚度為6mm，材料為釹鐵硼磁極，其通過膠均勻地 粘貼在轉(zhuǎn)子磁軛圓筒內(nèi)表面。極弧系數(shù)小于1的磁瓦的充磁方式為平行充磁。采用這種磁 瓦極弧系數(shù)，可以提升氣隙磁密的正弦性，以便于控制和減少力矩的波動。為了提高氣隙 磁密的正弦性，可以采用正弦充磁的磁瓦，也可用Helbach排列磁瓦，或者使用不等厚的磁 瓦，還可以用極弧系數(shù)小于1的磁瓦；相比于永磁同步電機其它提高氣隙正弦性的方法，采 用極弧系數(shù)小于1的磁瓦方法工藝簡單，容易實現(xiàn)。圖7和圖8是表示位置檢測裝置在本發(fā)明的輪轂電機中的安裝示意圖。如圖7和 圖8所示，磁感應(yīng)元件感應(yīng)模塊39安裝在電機軸上，磁鋼環(huán)38安裝在軸承端蓋軸37上，隨 著軸承端蓋36的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。所述的永磁同步輪轂電機的電機定子磁路由圖9和圖10所示的兩種不同形狀的 沖片疊壓而成，中間用螺桿壓緊；內(nèi)徑小的定子沖片40夾在內(nèi)徑大的定子沖片41之間，疊 加后的形狀如附圖11所示；兩端用定子擋板、鍵螺栓42和螺母43固定在軸上。繞組采用集中繞組，總共是18槽，三相繞組，每一相繞6個線包，其中3個線包排 在一起，其余三個在180對面排列在一起；三個槽為一組，分為6組，輸入的電壓為3相，分 別為A相、B相、C相，6組的排列順序為A相、B相、C相、A相、B相、C相。采用集中繞組更 好地利用了空間，且改善了散熱條件。根據(jù)本發(fā)明的輪轂電機用的位置檢測裝置3的第一實施例，提供了一種單極位置 檢測裝置。如圖12所示，安裝于軸上的位置檢測裝置由磁感應(yīng)元件板102、磁鋼環(huán)103、導(dǎo) 磁環(huán)104、骨架105組成；磁感應(yīng)元件板102由PCB板和磁感應(yīng)元件106組成，骨架105固定 在電機軸上，用于固定導(dǎo)磁環(huán)104并且把整個位置檢測裝置連接到電機上。磁鋼環(huán)103主 要是產(chǎn)生正弦磁場；導(dǎo)磁環(huán)104設(shè)置在骨架成型模具上，在骨架105—體成型時與骨架105 固定在一起。導(dǎo)磁環(huán)104起聚磁作用，由兩段或多段同半徑、同圓心的弧段構(gòu)成，相鄰兩弧 段留有縫隙，所述磁感應(yīng)元件置于該縫隙內(nèi)，磁鋼環(huán)所產(chǎn)生的磁通通過導(dǎo)磁環(huán)。PCB板是固 定磁感應(yīng)元件并且輸出六路信號線。當(dāng)磁鋼環(huán)與導(dǎo)磁環(huán)發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，磁感應(yīng)元件 把通過導(dǎo)磁環(huán)的磁場轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號直接進入主控板芯片，由主控板上芯片對 電壓信號進行處理，最后得到角位移。導(dǎo)磁環(huán)可以由兩段同半徑、同圓心的弧段構(gòu)成，分別為1/4弧段和3/4弧段，對應(yīng) 的磁感應(yīng)元件為2個；或者，導(dǎo)磁環(huán)由三段同半徑的弧段構(gòu)成，分別為1/3弧段，對應(yīng)的磁感 應(yīng)元件為3個；或者，導(dǎo)磁環(huán)由四段同半徑的弧段構(gòu)成，分別為1/4弧段，對應(yīng)的磁感應(yīng)元 件為4個；或者，導(dǎo)磁環(huán)由六段同半徑的弧段構(gòu)成，分別為1/6弧段，對應(yīng)的磁感應(yīng)元件為6 個。圖13A-圖13D是導(dǎo)磁環(huán)分段布置的示意圖，圖中44表示導(dǎo)磁環(huán)，45表示磁鋼環(huán)，46表 示霍爾元件。圖14A到圖14D以由1/4弧段和3/4弧段構(gòu)成的導(dǎo)磁環(huán)為例，圖示了本發(fā)明的導(dǎo)磁 環(huán)的倒角設(shè)計。如圖14A到圖14D所示，導(dǎo)磁環(huán)由兩段或多段同半徑、同圓心的弧段構(gòu)成， 圖14A所示的導(dǎo)磁環(huán)沒有設(shè)計倒角，圖14B到圖14D所示的弧段端部設(shè)有倒角，所述倒角為 沿軸向(圖14B)或徑向(圖14C)或同時沿軸向、徑向(圖14D)切削而形成的倒角，151、
153表示軸向切面，152、154表示徑向切面。根據(jù)磁密公式5 = *可以知道，當(dāng) 一定時候，
可以通過減少S，增加B。因為永磁體產(chǎn)生的磁通是一定的，在導(dǎo)磁環(huán)中S較大，所以B比較
13小，因此可以減少因為磁場交變而導(dǎo)致的發(fā)熱。而通過減少導(dǎo)磁環(huán)端部面積能夠增大端部 的磁場強度，使得磁感應(yīng)元件的輸出信號增強。這樣的信號拾取結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，拾取的 信號噪聲小，生產(chǎn)成本低，可靠性高，而且尺寸小。本發(fā)明還提供了一種基于上述結(jié)構(gòu)的位置檢測裝置的信號處理裝置，包括A/D 轉(zhuǎn)換模塊、合成模塊、角度獲取模塊和存儲模塊，其中，A/D轉(zhuǎn)換模塊對位置檢測裝置中磁 感應(yīng)元件發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對應(yīng)于磁感應(yīng)元 件的個數(shù)，該模塊中具有多個A/D轉(zhuǎn)換器，分別用于對每個磁感應(yīng)元件發(fā)送來的電壓信號 進行A/D轉(zhuǎn)換；所述合成模塊對經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的多個電壓信號進行處理，得到基準(zhǔn)信號D ； 所述角度獲取模塊，根據(jù)該基準(zhǔn)信號D，在角度存儲表中選擇與其相對的角度作為偏移角度 e ；所述存儲模塊用于存儲數(shù)據(jù)。上述各個模塊可以構(gòu)成一 MCU。以下通過實施例詳細(xì)描 述本發(fā)明的位置檢測裝置及其信號處理裝置與方法。圖15是安裝有兩個磁感應(yīng)元件的位置檢測裝置方案的信號處理裝置的框圖。磁 感應(yīng)元件&和H2的輸出信號接MCU的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入口，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到輸出 信號接乘法器1、2，系數(shù)矯正器7的輸出信號K接乘法器1、2的輸入端，乘法器1、2的輸出 信號接合成器3的輸入端，合成器3輸出信號D和R，系數(shù)矯正器7接收合成器3輸出的信 號D和R，通過運算得到信號K，通過使磁感應(yīng)元件氏和H2的信號與該信號K進行相乘，以 此來進行溫度補償，消除溫度對信號的影響。存儲器4中存儲有一角度存儲表，MCU根據(jù)信 號D在角度存儲表中選擇與其相對的角度作為偏移角度0。其中對信號的處理，即合成器3對信號的處理原則是比較兩個信號的數(shù)值的大 小，數(shù)值小的用于輸出的信號D，信號D的結(jié)構(gòu)為{第一個信號的符合位，第二個信號的符合 位，較小數(shù)值的信號的數(shù)值位}。以本實施例為例，說明如下約定當(dāng)數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0位(二進制左起第1位)為符號位，X_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負(fù)，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。X_D表示數(shù)據(jù)X的數(shù)值位(數(shù)據(jù)的絕對值)，即去除符號位剩下數(shù)據(jù)位。如果 A_D>=B_DD = {A_0 ；B_0 ;B_D}R二 JA2+B2 ；否則D = {A_0 ;B_0 ;A_D}R= y/A'+B2。在存儲模塊中存儲有一標(biāo)準(zhǔn)角度表，其中存儲了對應(yīng)于一系列的碼，每一個碼對 應(yīng)于一個角度。該表是通過標(biāo)定得到的，標(biāo)定方法是，利用本施例的檢測裝置和一高精度 位置傳感器，將本施例中的磁感應(yīng)元件輸出的信號和該高精度位置傳感器輸出的角度進行 一一對應(yīng)，以此建立出一磁感應(yīng)元件輸出的信號與角度之間的關(guān)系表。另外，在存儲模塊中還存儲了一些數(shù)據(jù)修正表，這些表中包括一個信號R與其標(biāo) 準(zhǔn)狀態(tài)下的信號Ro的對應(yīng)表，通過合成模塊，即合成器3得到的信號R，通過查表可以得到 一信號禮，通過將信號禮和信號R進行比較，如除法運算，得到信號K。圖16是安裝有三個磁感應(yīng)元件的位置檢測裝置方案的信號處理裝置的框圖。本方案的信號處理裝置與兩個磁感應(yīng)元件的方案中的相似，不同之處在于，磁感應(yīng)元件有三 個，輸出給合成器的信號為三個，合成器在取舍信號時與上述方案中的有所不同。在這里， 僅說明合成器如何取舍信號。在本實施例中，對信號的處理，即合成器4對信號的處理原則是先判斷三個信號 的符合位，并比較符合位相同的信號的數(shù)值的大小，數(shù)值小的用于輸出的信號D，信號D的 結(jié)構(gòu)為{第一個信號的符合位，第二個信號的符合位，第三個信號的符合位，較小數(shù)值的信 號的數(shù)值位}。以本實施例為例約定當(dāng)數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0位(二進制左起第1位)為符號位，X_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負(fù)，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。
0119]X_D表示數(shù)據(jù)X的數(shù)值位(數(shù)據(jù)的絕對值)，即去除符號位剩下數(shù)據(jù)位。
0120]如果{A_0;B_0 ;C_0} = 010 并且 A_D >= C_D
0121]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}
0122]如果{A_0;B_0 ;C_0} = 010 并且 A_D < C_D
0123]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}
0124]如果{A_0;B_0 ;C_0} = 101 并且 A_D >= C_D
0125]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}
0126]如果{A_0;B_0 ;C_0} = 101 并且 A_D < C_D
0127]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}
0128]如果{A_0；B_0 ；C_0} = Oil 并且 B_D >= C_D
0129]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}
0130]如果{A_0；B_0 ；C_0} = Oil 并且 B_D < C_D
0131]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;B_D}
0132]如果{A_0；B_0 ；C_0} = 100 并且 B_D >= C_D
0133]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}
0134]如果{A_0；B_0 ；C_0} = 100 并且 B_D < C_D
0135]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;B_D}
0136]如果{A_0；B_0 ；C_0} = 001 并且 B_D >= A_D
0137]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}
0138]如果{A_0；B_0 ；C_0} = 001 并且 B_D < A_D
0139]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;B_D}
0140]如果{A_0；B_0 ；C_0} = 110 并且 B_D >= A_D
0141]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}
0142]如果{A_0；B_0 ；C_0} = 110 并且 B_D < A_D
0143]D = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;B_D}
0144]a = A-Bx cos(π/3) 一 C x cos(π/3) β= Bx sin(π/3) -Cx sin(π/3)
R =扣2+ p2圖17是安裝有四個磁感應(yīng)元件的位置檢測裝置方案的信號處理裝置的框圖。信 號處理裝置與處理方法與實施例1相類似，不同在于，由于本實施例2中有4個互成90度 的磁感應(yīng)元件，因此，在信號處理裝置上增加了減法器，即數(shù)字差分模塊，通過該減法器模 塊抑制溫度和零點漂移，以此來提高數(shù)據(jù)精度，最終輸出給合成器的信號仍為2個，處理過 程及方法與實施例1相同。因此，在此不再贅述。圖18是安裝有六個磁感應(yīng)元件的位置檢測裝置方案的信號處理裝置的框圖。方 案的信號處理裝置與三個磁感應(yīng)元件的方案中的相似，不同之處在于，增加了差動放大模 塊，通過該差動放大模塊抑制溫度和零點漂移，以此來提高數(shù)據(jù)精度，最終輸出給合成器的 信號仍為三個，處理過程及方法與三個傳感器的方案的相同，在此不再重復(fù)。以上以采用導(dǎo)磁環(huán)的方案為例描述了本發(fā)明的位置檢測裝置的安裝方案，而本發(fā) 明還可以采用表貼的方式安裝磁感應(yīng)元件。由于除了磁感應(yīng)元件的安裝方式之外的其余部 分的安裝方式與上述實施例中的類似，故在此不再贅述。根據(jù)本發(fā)明的輪轂電機用的位置檢測裝置的第二實施例中，磁鋼環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)各為 兩個，磁感應(yīng)元件也相應(yīng)地有兩列，其中磁鋼環(huán)不同于第一實施例中的只有一對磁極，而是 可以被磁化有多對磁極。除了這些位置檢測裝置的關(guān)鍵部件以外的其它部件的安裝與結(jié)構(gòu) 與第一實施例中的相似，在此不再贅述。圖19是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的位置檢測裝置方案的關(guān)鍵部件的分解立體 圖。圖20是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的位置檢測裝置方案的安裝示意圖。本實施例的位 置檢測裝置3包括轉(zhuǎn)子和將轉(zhuǎn)子套在內(nèi)部的定子，轉(zhuǎn)子包括第一磁鋼環(huán)201a和第二磁鋼環(huán) 201b以及第一導(dǎo)磁環(huán)205a和第二導(dǎo)磁環(huán)205b，第一磁鋼環(huán)201a和第二磁鋼環(huán)201b分別 固定在電機軸200上，其中定子為支架203。第一導(dǎo)磁環(huán)205a和第二導(dǎo)磁環(huán)205b分別由多 個同圓心、同半徑的弧段構(gòu)成，相鄰兩個弧段之間留有空隙，對應(yīng)于兩個磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元 件204分別設(shè)在該空隙內(nèi)。磁感應(yīng)元件與外殼固定，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將 感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置。第一磁鋼環(huán)201a均勻的磁化為g(g的取值等于第二磁鋼環(huán)中的磁極總數(shù))對極 (N極和S極交替排列)，當(dāng)?shù)诙配摥h(huán)中的磁極總數(shù)為6時，第一磁鋼環(huán)201a的極對數(shù)為 6對。以第一磁鋼環(huán)201a的中心為圓心的同一圓周上，設(shè)置有m個磁感應(yīng)元件，如2個，如 圖21所示，二個磁感應(yīng)元件Hi、H2之間的夾角為90° /6。第一磁鋼環(huán)均勻地磁化為6對極 時磁感應(yīng)元件的布置如圖22所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元 件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置。定義第一磁鋼環(huán)中相鄰一對“N-S”為一個信號周期，因此，任一“N-S”對應(yīng)的機械 角度為360° /g(g為“N-S”個數(shù))，假定轉(zhuǎn)子在t時刻旋轉(zhuǎn)角度e位于第nth信號周期內(nèi)， 則此時刻角位移e可認(rèn)為由兩部分構(gòu)成1.在第nth信號周期內(nèi)的相對偏移量，磁感應(yīng)元 件氏和H2感應(yīng)第一磁鋼環(huán)的磁場來確定在此“N-S”信號周期內(nèi)的偏移量0 ！(值大于0小 于360° /g) ；2.第rith信號周期首位置的絕對偏移量92，用傳感器氏，114，...扎感應(yīng)磁環(huán) 2的磁場來確定此時轉(zhuǎn)子究竟是處于哪一個“N-S”來得到e2。對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)201b，以第二磁鋼環(huán)201b的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有n(n =1，2…n)個均勻分布的磁感應(yīng)元件，第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感應(yīng)原件輸出呈格雷碼形式。磁極的極性為格雷碼的首位為“0”對應(yīng)于“N/S”極，首位為“1”對應(yīng)于 “S/N”極。例如，當(dāng)n為3時，得到如圖23所示的編碼，得到如圖24所示的第二磁鋼環(huán)的充 磁順序，如圖25所示，三個磁感應(yīng)元件均布周圍進行讀數(shù)。圖26示出了本實施例中對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)設(shè)有2個磁感應(yīng)元件、第二磁鋼環(huán)設(shè)有 3個磁感應(yīng)元件時信號處理裝置的電路框圖。傳感器11和12的輸出信號接放大器21、22 進行放大，然后接A/D轉(zhuǎn)換器31、32，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到輸出信號接乘法器4、5，系數(shù)矯正器 10輸出信號接乘法器4、5的輸入端，乘法器4、5的輸出信號A、B接合成器6的輸入端，第 一合成器6對信號A、B進行處理，得到信號D、R，根據(jù)信號D從存儲器8中存儲的標(biāo)準(zhǔn)角度 表中選擇一與其相對的角度作為偏移角度、。其中，第五合成器6的輸出信號R輸送給系 數(shù)矯正器10，系數(shù)矯正器10根據(jù)信號R和從存儲器9中查表得到信號禮得到信號K，該信 號K作為乘法器4、5的另一輸入端，與從放大器21、22輸出的信號CI、C2分雖相乘得到信 號A、B作為第一合成器6的輸入。傳感器1_3、1_4、. . . Hnl_n的輸出信號分別接放大器2_3、2_4、. . . 2_n進行放大， 然后接A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過第二合成器7進行合成，得到一信號E ；根據(jù)該信號 E在存儲器11中的第二標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的角度作為第一電壓信號所處的信 號周期首位置的絕對偏移量e2，e2通過加法器12得到測量的絕對角位移輸出e。其中，第二合成器7的功能是，通過對傳感器H3、H4、. . .Hn的信號進行合成，得到此 時刻轉(zhuǎn)子處于哪一個“N-S”信號周期內(nèi)。第二合成器7的處理是當(dāng)數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0位(二進制左起第 1位)為符號位，X_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負(fù)，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。也即當(dāng)感應(yīng)的磁場 為N時，輸出為X_0 = 0，否則為X_0 = 1。則對于本實施例，E= {C3_0 ；C4_0 ；Cn_0}。其中，第一合成器6對信號的處理是比較兩個信號的數(shù)值的大小，數(shù)值小的用于 輸出的信號D，信號D的結(jié)構(gòu)為{第一個信號的符合位，第二個信號的符合位，較小數(shù)值的信 號的數(shù)值位}。具體如下這里約定(后文各合成器均使用該約定)，當(dāng)數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0 位(二進制左起第1位)為符號位，x_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負(fù)，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。 X_D表示數(shù)據(jù)X的數(shù)值位(數(shù)據(jù)的絕對值)，即去除符號位剩下的數(shù)據(jù)位。如果 A_D>=B_DD = {A_0 ;B_0 ;B_D}R= √A2+B2 ；否則D = {A_0 ;B_0 ;A_D}R= √A2+B2 ；信號K 一般是通過將信號禮和R進行除法運算得到。對于第一、二標(biāo)準(zhǔn)角度表，在存儲器中存儲了兩個表，每個表對應(yīng)于一系列的碼， 每一個碼對應(yīng)于一個角度。該表是通過標(biāo)定得到的，標(biāo)定方法是，利用本施例的檢測裝置和 一高精度位置傳感器，將本施例中的磁感應(yīng)元件輸出的信號和該高精度位置傳感器輸出的 角度進行一一對應(yīng)，以此建立出一磁感應(yīng)元件輸出的信號與角度之間的關(guān)系表。也就是，對應(yīng)于信號D存儲了一個第一標(biāo)準(zhǔn)角度表，每一個信號D代表一個相對偏移量elt)對應(yīng)于信 號E，存儲了一個第二標(biāo)準(zhǔn)角度表，每一個信號E代表一個絕對偏移量e 2。本發(fā)明不限于上述示例，第一磁鋼環(huán)還可以設(shè)有三個、四個、六個磁感應(yīng)元件，相 應(yīng)的導(dǎo)磁環(huán)和信號處理電路也要做相應(yīng)變化，然而其變化與第一實施例中所述的類似，故 在此不再贅述。類似于位置檢測裝置的第一實施例，當(dāng)設(shè)有導(dǎo)磁環(huán)時，導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒 角，為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑向切削而形成的倒角。作為替代，磁感應(yīng)元件可以直接表貼在電機軸表面上，即不設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)，如圖27 所示。其它部件以及其信號處理裝置與有導(dǎo)磁環(huán)的類似，在此不再贅述。根據(jù)本發(fā)明的輪轂電機用的位置檢測裝置的第三實施例中，各個部件的個數(shù)及其 安裝方案與第二實施例中的類似，所不同的是磁鋼環(huán)的充磁方式及磁感應(yīng)元件的布置位置。圖28是根據(jù)第三實施例的位置檢測裝置的分解立體圖。對應(yīng)于磁鋼環(huán)302、磁鋼 環(huán)303分別設(shè)有兩列磁感應(yīng)元件308和309。為了說明方便，這里將第一列磁感應(yīng)元件即對 應(yīng)磁鋼環(huán)302和導(dǎo)磁環(huán)304的多個磁感應(yīng)元件都用磁感應(yīng)元件308表示，而將第二列磁感 應(yīng)元件即對應(yīng)磁鋼環(huán)303和導(dǎo)磁環(huán)305的多個磁感應(yīng)元件都用磁感應(yīng)元件309表示。為了 說明方便，這里將磁鋼環(huán)302定義為第一磁鋼環(huán)，將磁鋼環(huán)303定義為第二磁鋼環(huán)，將導(dǎo)磁 環(huán)304限定為對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302，將導(dǎo)磁環(huán)305限定為對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)305，然而本 發(fā)明不限于上述的限定。第一磁鋼環(huán)302被均勻地磁化為N[N <=2n(n = 0,1,2-n)]對磁極，并且相鄰兩 極的極性相反；所述第二磁鋼環(huán)303的磁極總數(shù)為N，其磁序按照特定磁序算法確定；在軸 301上，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)302，以第一磁鋼環(huán)302的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有m(m為2 或3的整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件308 ；對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303，以第二磁鋼 環(huán)303的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有11(11 = 0，1，2丨11)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件 309。在定子上對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)303的相鄰兩個磁感應(yīng)元件309之間的夾角為360° /N。 當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒?號，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置。圖29是磁鋼環(huán)303的磁序算法流程圖。如圖29所示，首先進行初始化a
= “0……0”;然后將當(dāng)前編碼入編碼集，即編碼集中有“0……0”;接著檢驗入編碼集的集合元 素是否達到8，如果是則程序結(jié)束，反之將當(dāng)前編碼左移一位，后面補0 ；然后檢驗當(dāng)前編碼 是否已入編碼集，如果未入編碼集則將當(dāng)前編碼入編碼集繼續(xù)進行上述步驟，如果已入編 碼集則將當(dāng)前碼末位去0補1 ；接著檢驗當(dāng)前編碼是否已入編碼集，如果未入編碼集則將當(dāng) 前編碼入編碼集繼續(xù)進行上述步驟，如果已入編碼集則檢驗當(dāng)前碼是否為“0……0”，是則 結(jié)束，否則將當(dāng)前編碼的直接前去碼末位去0補1 ；接著檢驗當(dāng)前編碼是否已入編碼集，如 果未入編碼集則將當(dāng)前編碼入編碼集繼續(xù)進行上述步驟，如果已入編碼集則檢驗當(dāng)前碼是 否為“0……0”，然后繼續(xù)進行下面的程序。其中0磁化為“N/S”，l磁化為“S/N”。這樣得 到了圖30所示的磁鋼環(huán)303充磁結(jié)構(gòu)圖以及H3、H4和H5的排布順序。本實施例中，在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m 為2或4時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為90° /N，當(dāng)m為3時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為120° /N;當(dāng)m為6時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為60° /N。圖31是根據(jù)第三實施例的位置檢測裝置的信號處理裝置的框圖。由于其信號處 理方式與第二實施例的類似，故在此不再贅述。類似于位置檢測裝置的第一實施例，第一磁鋼環(huán)可以設(shè)有兩個、三個、四個、六個 磁感應(yīng)元件，相應(yīng)的導(dǎo)磁環(huán)和信號處理電路也要做相應(yīng)變化，然而其變化與第一實施例中 所述的類似，故在此不再贅述。類似于位置檢測裝置的第一實施例，當(dāng)設(shè)有導(dǎo)磁環(huán)時，導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒 角，為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑向切削而形成的倒角。作為替代，以上位置檢測裝置的各實施例中的磁感應(yīng)元件可以直接表貼在電機軸 的表面，即不設(shè)置導(dǎo)磁環(huán)，其它部件以及其信號處理裝置與有導(dǎo)磁環(huán)的類似，在此不再贅 述。以上位置檢測裝置的各實施例中，磁感應(yīng)元件優(yōu)選為霍爾感應(yīng)元件。采用霍爾感 應(yīng)元件的產(chǎn)品抗沖擊和抗油污能力非常強，適用于惡劣工作環(huán)境下高精度的控制。系統(tǒng)響 應(yīng)速度快。采用內(nèi)置角度檢測方式，不存在角度信息的延時和通信引起的錯誤，極大縮短了 控制周期，提高了系統(tǒng)對負(fù)載擾動的快速響應(yīng)性。相比于無位置傳感器，本傳感器方案在低 速時的檢測性能具有明顯優(yōu)勢。由于電機結(jié)構(gòu)為外轉(zhuǎn)子，位置檢測裝置安裝不能像內(nèi)轉(zhuǎn)子一樣安裝在端蓋上；本 設(shè)計將位置檢測裝置固定在軸上，在端蓋上反向伸出一小軸，隨電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，再在小軸上 安裝磁鋼。位置檢測裝置由保持架和鐵氧體組成。位置檢測裝置只用磁感應(yīng)元件來采集電 機轉(zhuǎn)速信號，而不進行處理，位置檢測裝置將信號傳輸?shù)娇刂破鳎每刂破髦械男酒瑢π?號進行處理，計算出電機的轉(zhuǎn)速。圖32是一體化輪轂電機內(nèi)部的走線圖，由雙點劃線表示的1線為控制箱給繞組供 電線路走線，由虛線表示的2線為位置檢測裝置走線，由單點劃線表示的3線為控制箱走 線。位置檢測裝置是通過三個螺釘固定在軸上的，保持位置檢測裝置內(nèi)圓與軸同心，磁鋼裝 在端蓋內(nèi)部伸出的尾軸上，保持磁鋼和位置檢測裝置內(nèi)圓同心。位置檢測裝置的接線通過 軸上的開槽進入軸的內(nèi)孔，再由軸上豎直孔連接到控制箱，給控制箱輸入信號?？刂葡洳捎?直流電源供電，可以使用蓄電池供電或者燃料電池供電。而且控制箱在結(jié)構(gòu)上進一步簡化， 節(jié)約了成本和安裝空間。位置檢測裝置采集的電壓信號通過接插件與主板相連。本發(fā)明還提供了一種一體化輪轂電機的控制方法，如圖33和圖34所示，該方法 包括如下步驟步驟1 位置檢測裝置檢測電機轉(zhuǎn)子的位置并輸出信號給伺服控制器，伺服 控制器根據(jù)位置指令計算出指令速度；步驟2 速度控制器根據(jù)步驟1中的指令速度，通過 微分器算出反饋速度算出指令電流；步驟3 電流控制器根據(jù)指令和反饋電流經(jīng)2變3得到 u、v、w三路電壓信號；步驟4 步驟3中的三路電壓信號經(jīng)脈寬調(diào)制和功率放大驅(qū)動電機運 轉(zhuǎn)，達到相應(yīng)的控制效果。圖35是本發(fā)明的交流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，該圖中重點圖示了數(shù)據(jù)處理單元 MCU的結(jié)構(gòu)。控制模塊包括數(shù)據(jù)處理單元MCU、電機電源控制單元IPM功率模塊和電流傳感 器，數(shù)據(jù)處理單元接收輸入的指令信號、電流傳感器采集的電機輸入電流信號和位置檢測 裝置輸出的電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號給電機電源控制單元，電機電源控制單 元根據(jù)控制信號輸出合適的電壓給電機，從而實現(xiàn)對電機的精確控制。
數(shù)據(jù)處理單元MCU包括機械環(huán)控制子單元、電流環(huán)控制子單元、PWM控制信號產(chǎn)生 子單元和傳感器信號處理子單元；傳感器信號處理子單元接收位置檢測裝置的電壓信號， 經(jīng)過A/D采樣、角度求解，得到電機軸的轉(zhuǎn)動角度，并將該角度傳輸給的機械環(huán)控制子單 元；傳感器信號處理子單元還接收電流傳感器的檢測到的電流信號，經(jīng)過A/D采樣后輸出 給電流環(huán)控制子單元；機械環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的指令信號和電機軸的轉(zhuǎn)動角度，經(jīng) 過運算得到電流指令，并輸出給電流環(huán)控制子單元；電流環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的電流 指令的電流傳感器輸出的電流信號，經(jīng)過運算得到三相電壓的占空比控制信號，并輸出給 PWM控制信號產(chǎn)生子單元；PWM控制信號產(chǎn)生子單元根據(jù)接收到的三相電壓的占空比控制 信號，生成具有一定順序的六路PWM信號，分別作用于電機電源控制單元。圖36是本發(fā)明的交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該圖中重點圖示了電機電源控制單 元IPM的結(jié)構(gòu)。電機電源控制單元IPM包括六個功率開關(guān)管，所述開關(guān)管每兩個串聯(lián)成一 組，三組并聯(lián)連接在直流供電線路之間，每一開關(guān)管的控制端受PWM控制信號產(chǎn)生子單元 輸出的PWM信號的控制，每一組中的兩個開關(guān)管分時導(dǎo)通。電機轉(zhuǎn)速可以在零速至最高速之間任意調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍十分寬泛。還可任意設(shè)定 啟動過程中的加速度，實現(xiàn)輪轂電機的軟啟動，可以有效降低啟動過程中的電機電流(對 應(yīng)于轉(zhuǎn)矩)，使啟動過程中電氣和機械系統(tǒng)不受任何沖擊，實現(xiàn)了大慣量機械負(fù)載真正意義 上的柔性、平滑啟動。由電流傳感器和磁感應(yīng)元件感應(yīng)模塊得到的電流信號和電壓信號分別用作電流 環(huán)和機械環(huán)的反饋信號，機械環(huán)和電流環(huán)分別將設(shè)定指令轉(zhuǎn)換為電流指令和電壓占空比， 最終輸入到PWM信號產(chǎn)生模塊中。由于采用了交流伺服系統(tǒng)，故能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速和軟啟 動。本交流伺服系統(tǒng)還能根據(jù)車輪轉(zhuǎn)動時不同的路況下的阻力距，電機來產(chǎn)生不同的扭矩， 節(jié)約電能。本交流伺服系統(tǒng)還具有短時間三倍過載的能力，控制器給出三倍過載電流，在電 機電流未飽和的情況下，可以在短時間內(nèi)允許三倍過載轉(zhuǎn)矩。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所得到的電機的效率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系圖37所示。由于本發(fā)明 采用新型電磁結(jié)構(gòu)的永磁同步輪轂電機，用于車輪0-500轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)的低速直接驅(qū)動時， 效率達到86%以上；較傳統(tǒng)電機具有體積小、效率高、過載能力強等特點。另外，本發(fā)明在極槽配合上采用16/18配合，避免了永磁同步電機內(nèi)部產(chǎn)生的轉(zhuǎn) 矩不平穩(wěn)以及產(chǎn)生很大的諧波，進而避免了電機損耗和噪音。外轉(zhuǎn)子上均勻布置16塊磁 瓦，形成16個N、S交替排列的磁極，其布置為面向氣隙的結(jié)構(gòu)。永磁體是表面式，而不是內(nèi) 置式，這樣工藝簡單，能夠充分利用永磁體的磁能。本發(fā)明中的定子一體化輪轂電機的電機定子磁路由兩種不同形狀的沖片疊壓而 成，中間用螺桿壓緊；內(nèi)徑小的定子沖片夾在內(nèi)徑大的定子沖片之間，疊加后兩端用定子擋 板、鍵螺栓和螺母固定在軸上。繞組采用集中式繞組，減少了端部的繞線，這樣就使電機繞 組的端部長度變短。電機繞組的端部長度變短，減少了銅耗，電機效率提高。同時電機端部 長短變短，電機的軸向結(jié)構(gòu)尺寸減小，電機長度變短，相應(yīng)電機體積也減小，提高了電機的 功率密度。本發(fā)明的電機的磁瓦極弧系數(shù)小于1，可以提升氣隙磁密的正弦性，以便于控制和 減少力矩的波動。這種方法工藝簡單，容易實現(xiàn)。本發(fā)明的電機啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動速度快、輸出功率大、特性硬，特別是能耗低，效率高達90%。過載能力強，一般來說，短時間可以達到三倍過載，在車輛啟動時可以提供大轉(zhuǎn)矩。 以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照上述實施例對本發(fā) 明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依然可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行 修改和等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范 圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種一體化輪轂電機，包括電機軸和固定在其上的定子，定子外套設(shè)有轉(zhuǎn)子外殼，轉(zhuǎn)子外殼的前后兩端通過轉(zhuǎn)子端蓋和軸承可旋轉(zhuǎn)固定在電機軸上，電機軸的兩端凸伸于轉(zhuǎn)子端蓋之外形成長端和短端，轉(zhuǎn)子端蓋的外側(cè)固定有軸承端蓋，將電機軸的短端罩在其中，其特征在于，所述的軸承端蓋中部凸設(shè)有軸承端蓋軸，朝電機軸方向凸設(shè)，所述的電機軸端部和軸承端蓋軸的對應(yīng)位置設(shè)有位置檢測裝置；所述的電機軸上還套設(shè)有伺服控制器；所述位置檢測裝置感測到軸承端蓋軸的轉(zhuǎn)動，并將感測到的信號傳輸給伺服控制器，通過伺服控制器的處理，獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度或位置，進而實現(xiàn)對電機的精確控制。
2.如權(quán)利要求1所述的一體化輪轂電機，其特征在于，所述的位置檢測裝置，包括磁鋼 環(huán)、導(dǎo)磁環(huán)和磁感應(yīng)元件，所述導(dǎo)磁環(huán)固定在電機軸上，由兩段或多段同半徑、同圓心的弧 段構(gòu)成，相鄰兩弧段留有縫隙，所述磁感應(yīng)元件置于該縫隙內(nèi)，所述的磁鋼環(huán)對應(yīng)設(shè)置在軸 承端蓋軸上，當(dāng)磁鋼環(huán)與導(dǎo)磁環(huán)發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號 轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將該電壓信號傳輸給相應(yīng)的信號處理裝置；所述的導(dǎo)磁環(huán)由兩段同半徑、同圓心的弧段構(gòu)成，分別為1/4弧段和3/4弧段，對應(yīng)的 磁感應(yīng)元件為2個；或者，所述的導(dǎo)磁環(huán)由三段同半徑的弧段構(gòu)成，分別為1/3弧段，對應(yīng)的 磁感應(yīng)元件為3個；或者，所述的導(dǎo)磁環(huán)由四段同半徑的弧段構(gòu)成，分別為1/4弧段，對應(yīng)的 磁感應(yīng)元件為4個；或者，所述的導(dǎo)磁環(huán)由六段同半徑的弧段構(gòu)成，分別為1/6弧段，對應(yīng)的 磁感應(yīng)元件為6個；所述的導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角；所述的倒角為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑向切削而形成的倒角；所述的位置檢測裝置還包括骨架，用于固定所述導(dǎo)磁環(huán)；所述導(dǎo)磁環(huán)設(shè)置在骨架成型模具上，在所述骨架一體成型時與骨架固定在一起；所述 的骨架固定在電機軸上；所述的磁感應(yīng)元件為霍爾感應(yīng)元件。
3.基于權(quán)利要求2所述的一體化輪轂電機，其特征在于，其位置檢測裝置的信號處理 裝置包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，對位置檢測裝置中磁感應(yīng)元件發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；合成模塊，對位置檢測裝置發(fā)送來的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的多個電壓信號進行處理得到基準(zhǔn) 信號D;角度獲取模塊，根據(jù)該基準(zhǔn)信號D，在標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇與其相對的角度作為偏移角度 9 ；以及存儲模塊，用于存儲標(biāo)準(zhǔn)角度表；其位置檢測裝置的信號處理裝置在A/D轉(zhuǎn)換模塊和合成模塊之間還包括溫度補償模 塊，用于消除溫度對位置檢測裝置發(fā)送來的電壓信號的影響；位置檢測裝置的信號處理裝置的所述合成模塊的輸出信號還包括信號R ；位置檢測裝置的信號處理裝置中所述溫度補償模塊包括系數(shù)矯正模塊和乘法器，所述 系數(shù)矯正模塊對所述合成模塊的輸出的信號R和對應(yīng)該信號的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的信號Ro進行 比較得到輸出信號K ；所述乘法器為多個，每一所述乘法器將從位置檢測裝置發(fā)送來的、經(jīng) 過A/D轉(zhuǎn)換的一個電壓信號與所述系數(shù)矯正模塊的輸出信號K相乘，將相乘后的結(jié)果輸出給合成模塊；位置檢測裝置的信號處理裝置中，如果位置檢測裝置發(fā)送來的一個電壓信號為2或3 的倍數(shù)，則在所述溫度補償模塊之前還包括差分模塊，對用于抑制溫度和零點漂移，并提高 數(shù)據(jù)精度。
4.如權(quán)利要求1所述的一體化輪轂電機，其特征在于，所述的位置檢測裝置，包括 分別固定在軸承端蓋軸上的第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)；設(shè)置在電機軸上的對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有 n(n = 1，2…n)個均勻分布的磁感應(yīng)元件，所述第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得n個磁感 應(yīng)元件輸出呈格雷碼格式，相鄰兩個輸出只有一位變化；在定子上，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有有m(m 為2或3的整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件，所述第一磁鋼環(huán)的磁極總對數(shù)與第 二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)相等，并且相鄰兩極的極性相反；當(dāng)軸承端蓋軸相對于電機軸發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號 轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置；在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2或4時，該夾 角為90° /g;當(dāng)m為3時，該夾角為120° /g;當(dāng)m為6時，該夾角為60° /g，其中，g為第 二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)；所述的磁感應(yīng)元件為霍爾感應(yīng)元件。
5.如權(quán)利要求1所述的一體化輪轂電機，其特征在于，所述的位置檢測裝置，包括分別固定在軸承端蓋軸上的第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)，所述第一磁鋼環(huán)被均勻地磁化 為N[N<= 2n(n = 0，1，2丨11)]對磁極，并且相鄰兩極的極性相反；所述第二磁鋼環(huán)的磁極 總數(shù)為N，其磁序按照特定磁序算法確定；在電機軸上，對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設(shè)有m(m 為2或3的整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件；對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的 中心為圓心的同一圓周上設(shè)有n(n = 0，1，2丨11)個呈一定角度分布的磁感應(yīng)元件；當(dāng)軸承端蓋軸相對于電機軸發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動時，所述磁感應(yīng)元件將感測到的磁信號 轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置；在定子上對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為360° /N ； 在定子上對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角，當(dāng)m為2或4時，每相鄰 兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為90° /N，當(dāng)m為3時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為 120° /N ；當(dāng)m為6時，每相鄰兩個磁感應(yīng)元件之間的夾角為60° /N ； 所述磁感應(yīng)元件直接表貼在電機軸的表面；還包括兩個導(dǎo)磁環(huán)，每一所述導(dǎo)磁環(huán)是由多個同圓心、同半徑的弧段構(gòu)成，相鄰兩弧段 留有空隙，對應(yīng)于兩個磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件分別設(shè)在該空隙內(nèi)；所述的導(dǎo)磁環(huán)的弧段端部設(shè)有倒角，為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑向切削而形成 的倒角；所述的磁感應(yīng)元件為霍爾感應(yīng)元件。
6.一種基于上述權(quán)利要求4或5任一項所述的一體化輪轂電機，其特征在于，其位置檢 測裝置的信號處理裝置包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，對位置檢測裝置發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；相對偏移角度9工計算模塊，用于計算位置檢測裝置中對應(yīng)于第一磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元 件發(fā)送來的第一電壓信號在所處信號周期內(nèi)的相對偏移量e工；絕對偏移量9 2計算模塊，根據(jù)位置檢測裝置中對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的磁感應(yīng)元件發(fā)送來的第二電壓信號，通過計算來確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量 02；角度合成及輸出模塊，用于將上述相對偏移量和絕對偏移量e2相加，合成所述第 一電壓信號所代表的在該時刻的旋轉(zhuǎn)角度e ； 存儲模塊，用于存儲數(shù)據(jù)； 其位置檢測裝置的信號處理裝置還包括信號放大模塊，用于在A/D轉(zhuǎn)換模塊進行A/D轉(zhuǎn)換之前，對來自于位置檢測裝置的電壓 信號進行放大；其位置檢測裝置的信號處理裝置中，所述相對偏移角度e i計算模塊包括第一合成單 元和第一角度獲取單元，所述第一合成單元對位置檢測裝置發(fā)送來的經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的多個 電壓信號進行處理，得到一基準(zhǔn)信號D ；所述第一角度獲取單元根據(jù)該基準(zhǔn)信號D，在第一 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)角度表中選擇一與其相對的角度作為偏移角度e！；其位置檢測裝置的信號處理裝置中所述相對偏移角度e i計算模塊還包括溫度補償單 元，用于消除溫度對位置檢測裝置發(fā)送來的電壓信號的影響；其位置檢測裝置的信號處理裝置中所述第一合成單元的輸出還包括信號R ； 其位置檢測裝置的信號處理裝置中，所述溫度補償單元包括系數(shù)矯正器和乘法器，所 述系數(shù)矯正器對所述合成模塊的輸出的信號R和對應(yīng)該信號的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的信號Ro進行 比較得到輸出信號K ；所述乘法器為多個，每一所述乘法器將從位置檢測裝置發(fā)送來的、經(jīng) 過A/D轉(zhuǎn)換的一個電壓信號與所述系數(shù)矯正模塊的輸出信號K相乘，將相乘后的結(jié)果輸出 給第一合成單元；其位置檢測裝置的信號處理裝置中，所述絕對偏移量e 2計算模塊包括第二合成單元 和第二角度獲取單元，所述第二合成單元用于對對應(yīng)于第二磁鋼環(huán)的位置檢測裝置發(fā)送來 的第二電壓信號進行合成，得到一信號E ；所述第二角度獲取單元根據(jù)該信號E在第二標(biāo)準(zhǔn) 角度表中選擇一與其相對的角度作為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量 9 2°
7.—種一體化輪轂電機的控制方法，其特征在于，該方法包括如下步驟步驟1 位置檢測裝置檢測電機轉(zhuǎn)子的位置并輸出信號給伺服控制器，伺服控制器根 據(jù)位置指令計算出指令速度；步驟2 速度控制器根據(jù)步驟1中的指令速度，通過微分器算出反饋速度算出指令電流；步驟3 電流控制器根據(jù)指令和反饋電流經(jīng)2變3得到u、v、w三路電壓信號； 步驟4 步驟3中的三路電壓信號經(jīng)脈寬調(diào)制和功率放大驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，達到相應(yīng)的控 制效果。
8.如權(quán)利要求1所述的一體化輪轂電機，其特征在于，所述伺服控制器中的控制模塊包括數(shù)據(jù)處理單元、電機電源控制單元、功率模塊和電流傳感器，所述數(shù)據(jù)處理單元接收輸 入的指令信號、電流傳感器采集的電機輸入電流信號和位置檢測裝置輸出的電壓信號，經(jīng) 過數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號給所述的電機電源控制單元，所述電機電源控制單元根據(jù)所述 的控制信號輸出合適的電壓給電機，從而實現(xiàn)對電機的精確控制；
9.如權(quán)利要求8所述的一體化輪轂電機，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元包括機械環(huán) 控制子單元、電流環(huán)控制子單元、PWM控制信號產(chǎn)生子單元和傳感器信號處理子單元；所述傳感器信號處理子單元接收所述位置檢測裝置的電壓信號，經(jīng)過A/D采樣、角度 求解，得到電機軸的轉(zhuǎn)動角度，并將該角度傳輸給所述的機械環(huán)控制子單元；所述傳感器信 號處理子單元還接收所述電流傳感器的檢測到的電流信號，經(jīng)過A/D采樣后輸出給所述的 電流環(huán)控制子單元；所述機械環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的指令信號和電機軸的轉(zhuǎn)動角度，經(jīng)過運算得到電 流指令，并輸出給所述的電流環(huán)控制子單元；所述電流環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的電流指令的電流傳感器輸出的電流信號，經(jīng)過運 算得到三相電壓的占空比控制信號，并輸出給所述的PWM控制信號產(chǎn)生子單元；所述PWM控制信號產(chǎn)生子單元根據(jù)接收到的三相電壓的占空比控制信號，生成具有一 定順序的六路PWM信號，分別作用于電機電源控制單元；所述電機電源控制單元包括六個功率開關(guān)管，所述開關(guān)管每兩個串聯(lián)成一組，三組并 聯(lián)連接在直流供電線路之間，每一開關(guān)管的控制端受PWM控制信號產(chǎn)生子單元輸出的PWM 信號的控制，每一組中的兩個開關(guān)管分時導(dǎo)通。
10.如權(quán)利要求8所述的一體化輪轂電機，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元為MCU，所述 電機電源控制單元為IPM模塊。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種一體化輪轂電機及其控制方法，所述的一體化輪轂電機，包括電機軸和固定在其上的定子，定子外套設(shè)有轉(zhuǎn)子外殼，轉(zhuǎn)子外殼的前后兩端通過轉(zhuǎn)子端蓋和軸承可旋轉(zhuǎn)固定在電機軸上，電機軸的兩端凸伸于轉(zhuǎn)子端蓋之外形成長端和短端，轉(zhuǎn)子端蓋的外側(cè)固定有軸承端蓋，將電機軸的短端罩在其中，其特征在于，所述的軸承端蓋中部凸設(shè)有軸承端蓋軸，朝電機軸方向凸設(shè)，所述的電機軸端部和軸承端蓋軸的對應(yīng)位置設(shè)有位置檢測裝置；所述的電機軸上還套設(shè)有伺服控制器；所述位置檢測裝置感測到軸承端蓋軸的轉(zhuǎn)動，并將感測到的信號傳輸給伺服控制器，通過伺服控制器的處理，獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度或位置，進而實現(xiàn)對電機的精確控制。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能、啟動特性好、體積小、效率高。
文檔編號H02K11/00GK101877524SQ20091013776
公開日2010年11月3日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者郝雙暉, 郝明暉 申請人:浙江關(guān)西電機有限公司