专利名称：基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种同步电机控制系统，尤其是一种基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，具体地说是基于巨磁电阻传感器的电动自行车及电动摩托车的矢量控制电机驱动控制系统。
背景技术：
永磁同步电机按其工作原理、驱动电流和控制方式的不同，可分为具有正弦波反电势的永磁同步电机(PMSM )和具有梯形波反电势的永磁同步电动机，后都又称为无刷直流电机(BLDCM)。 BLDCM和PMSM相比，一般采用方波的驱动方式。这是因为BLDCM本体结构上可以采用近似方波的气隙磁场。当电机本体气隙磁场的形状为方波时，可以采用方波形式的驱动电路，理论上来讲，转短波动为零，但这一结论是在理想情况下得到的。实际上由于定子电流的换向过渡过程以及难以获得理想的120度的电流方波，另一方面采用方波磁场不利于减小齿槽转矩，高速运行时电机附加损耗也有所增加，同时也增大了电机的振动和噪声。目前应用中的电机一般采用梯形波磁场甚至近似正弦波的磁场，在这种情况下，如果采用方波方式进行驱动，电机的转矩波动一般在14%以上。为了减少由于齿槽转矩的存在，导致输出转矩波动，引起振动和噪声，最优的方案是采用矢量控制(也称为磁场定向控制)的驱动方式。采用矢量控制，具有动态响应快，效率高、噪音低及安全可靠的特点永磁同步电机控制器由电机本体、位置传感器、驱动控制电路三部分组成。方波控制，不需要精确的转子位置，一般都会有采用霍尔元件检测转子位置，硬件上一般会有相应的光隔。而矢量控制需要精确的转子位置，需要专用的角度传感器。一般能获得电机的绝对位置的角度传感器有码盘编码器或旋转变压器等。但这两者的特点都是价格昂贵，不适合用在对成本要求较高的电动自行车和电动摩托车上。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其结构简单紧凑，响应速度快，抗干扰能力强，功耗低，成本低，安全可靠。按照本实用新型提供的技术方案，所述基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，包括永磁同步电机；所述永磁同步电机上安装有巨磁电阻传感器及与所述巨磁电阻传感器相对应配合的磁钢片，所述巨磁电阻传感器检测永磁同步电机的角度信息，并将所述角度信息传输到永磁同步电机控制器内，永磁同步电机控制器根据角度信息对永磁同步电机进行矢量控制。所述巨磁电阻传感器通过ADC转换器与永磁同步电机控制器相连。所述巨磁电阻传感器通过ADC转换器与数字信号处理电路相连，所述数字信号处理电路对巨磁电阻传感器输出的信息处理后传输到永磁同步电机控制器内。所述数字信号处理电路通过SPI接口或PWM接口与永磁同步电机控制器相连。所述永磁同步电机为内转子电机或外转子电机。所述永磁同步电机为内转子电机时，所述内转子电机包括内转子电机本体，巨磁电阻传感器安装于内转子电机本体的内转子电机传动轴上，并能与内转子电机传动轴上的磁钢片对应配合。所述外转子电机包括内齿轮安装外转子电机或外齿轮安装外转子电机。 所述外转子电机为内齿轮安装外转子电机时，包括电机外转子及位于所述电机外转子内的第一辅助齿轮，所述辅助齿轮内设有与第一辅助齿轮相啮合的第二辅助齿轮，第二辅助齿轮上安装有与巨磁电阻传感器相对应配合的磁钢片，巨磁电阻传感器安装于外转子传动轴上，外转子传动轴上还设有与电机外转子对应配合的电机定子。所述外转子电机为外齿轮安装外转子电机时，包括电机外转子及位于所述电机外转子内的第一辅助齿轮，所述辅助齿轮外侧设有与第一辅助齿轮相啮合的第二辅助齿轮，第二辅助齿轮上安装有与巨磁电阻传感器相对应配合的磁钢片，巨磁电阻传感器安装于外转子传动轴上，外转子传动轴上还设有与电机外转子对应配合的电机定子。当数字信号处理电路通过SPI接口与永磁同步电机控制器相连时，永磁同步电机控制器与巨磁电阻传感器间通过查询命令或由巨磁电阻传感器主动发送信息方式进行通信；当数字信号处理电路通过PWM接口与永磁同步电机控制器相连时，巨磁电阻传感器以主动发送信息与永磁同步电机控制器通信。本实用新型的优点通过在永磁同步电机上安装巨磁电阻传感器，通过巨磁电阻传感器与磁钢片的对应配合检测永磁同步电机的角度信息，巨磁电阻传感器将角度信息传输到永磁同步电机控制器，由永磁同步电机控制器对永磁同步电机进行矢量控制，结构简单紧凑，响应速度快，抗干扰能力强，功耗低，成本低，安全可靠。
图I为本实用新型永磁同步电机的控制系统框图。图2为巨磁电阻传感器的原理示意图。图3为巨磁电阻传感器的信号输出示意图。图4为本实用新型的结构框图。图5为本实用新型与内转子电机配合的结构示意图。图6为本实用新型与内齿轮安装外转子的配合示意图。图7为本实用新型与外齿轮安装外转子电机的配合示意图。附图标记说明1-巨磁电阻传感器、2-内转子电机本体、3-内转子电机传动轴、4-外转子传动轴、5-电机定子、6-电机外转子、7-第一辅助齿轮及8-第二辅助齿轮。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点，和直流电机相比，它没有机械换向器和电刷，与异步电机相比，它不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子电阻损耗小，且转子参数可测，控制性能好。永磁同步电机的矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能，大范围的速度和位置控制，尤其是在车载系统对噪声，高动态性能以及小体积需要不断增长，永磁电机的数字控制系统逐渐成为主流。永磁同步电机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的幅值来控制定子电流或电压，这样，永磁同步电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子的实验位置就可以得知电机转子的磁通位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。如何得到精确的转子位置和速度信号以实现磁声定向和速度控制呢？目前，主要采用码盘编码器或旋转变压器等可以得到精确的位置信息，但成本太高。巨磁电阻效应是指材料的电阻率在有外磁场作用时较无外磁场时发生显著变化的现象，如图2所示。为了测量物体的转动角度的大小，往往可以通过探测磁钢因转动而造 成其磁场的方向相对于固定的GMR (Giant Magneto Resistive)磁场传感器的改变,可探测平面内磁场方向和大小的GMR磁场传感器可以探测相对其转动的磁钢的转动角度。当一块磁铁固定在转动轮子的边沿而GMR磁场传感器固定在轮子的旁边并保持一定的距离时，参考磁铁随轮子而转动，每当轮子转动一圈，就会使巨磁电阻的值从小到大变化一周。将巨磁电阻接成电桥的方式就可以用差分的方式感应到磁场的大小，同时也能消除温度等干扰因素。当采用两个电桥时就能感应到零度和90度两个方向的磁场强度，从而决定磁性材料的转动角度。如图3所示。然后再经由巨磁电阻传感器I内部的数据处理芯片把具本的角度信息转换成电机主控制单元可读的数字信号。如图4所示为了能够便于对永磁同步电机控制器的控制，同时降低安装与控制成本，本实用新型在永磁同步电机上安装有巨磁电阻传感器I及与巨磁电阻传感器I对应配合的磁钢片，所述巨磁电阻传感器I检测永磁同步电机的角度信息，并将所述角度信息传输到永磁同步电机控制器内，永磁同步电机控制器根据角度信息对永磁同步电机进行矢量控制。永磁同步控制器与三相桥电流采样电路、三相桥功率驱动电路、巨磁电阻传感器I及永磁同步电机构成永磁同步电机控制系统，其结构如图I所示。巨磁电阻传感器I与永磁同步电机控制器间的连接方式可以经过AD转换器转换后直接输入到永磁同步电机控制器内，也可以经过AD转换器转换后输入到数字信号处理电路相连，所述数字信号处理电路包括常用的滤波，以及相应的计算；数字信号处理电路与永磁同步电机控制器间可采用标准的SPI接口、PWM接口连接后进行通信。其中SPI接口方式可采用主控制单元发查询命令，由巨磁电阻传感器I回应角度信息的方式进行通信，也可以由巨磁电阻传感器I周期发送角度信息的方式进行通信。PWM方式则是由巨磁电阻传感器I直接发送用PWM信号表示的角度信息方式进行通信，具体的角度信息由PWM信号的占空比表示。当巨磁电阻传感器I通过AD转换器进行模数转换后向永磁同步电机控制器内输入表示角度信息的数字量，以替代旋转奕压器的旋变解码信号，是角度信息的模拟信号方式，可由专用解码芯片进行解码或由主控单元芯片进行软件解码。永磁同步电机包括内转子电机与外转子电机，内转子电机、外转子电机与巨磁电阻传感器I间对应关系，下面通过相应的叙述来具体说明。如图5所示，内转子电机包括内转子电机本体2及内转子电机传动轴3，对于内转子电机可以在转子上延长一小段轴，将冲磁好的磁钢片固定在延长轴的截面上，巨磁电阻传感器I垂直于轴线安装，与磁钢片距离2_左右，将巨磁电阻传感器I的PCB板焊接固定于内转子电机的外壳上，必要时可另外磁场屏蔽措施以避免电机本身的磁场对巨磁电阻传感器I的影响。磁钢片可冲磁成单对极或多对极。如果是单对极的磁钢片，巨磁电阻传感器I的转动周期将对应于电机的转子的转动周期。对于外转子的电机有两种安装方式，可以借助于两个辅助的齿轮相配合来转动磁钢片。如图6所示所述外转子电机为 内齿轮安装外转子电机时，包括电机外转子6及位于所述电机外转子6内的第一辅助齿轮7，所述辅助齿轮7内设有与第一辅助齿轮7相啮合的第二辅助齿轮8，第二辅助齿轮8上安装有与巨磁电阻传感器I相对应配合的磁钢片，巨磁电阻传感器I安装于外转子传动轴4上，外转子传动轴4上还设有与电机外转子6对应配合的电机定子5。当电机外转子6转动时，由第一辅助齿轮7带动第二辅助齿轮8转动，从而转动磁钢片。装有巨磁电阻传感器I的PCB板位于外转子传动轴4上。第二辅助齿轮8可用轴承等方式和装有巨磁电阻传感器I的PCB板一起固定在电机的外壳上。如图7所示所述外转子电机为外齿轮安装外转子电机时，包括电机外转子6及位于所述电机外转子6内的第一辅助齿轮7，所述辅助齿轮7外侧设有与第一辅助齿轮7相啮合的第二辅助齿轮8，第二辅助齿轮8上安装有与巨磁电阻传感器I相对应配合的磁钢片，巨磁电阻传感器I安装于外转子传动轴4上，外转子传动轴4上还设有与电机外转子6对应配合的电机定子5。当电机外转子6转动时，由第一辅助齿轮7带动第二辅助齿轮8转动，从而转动磁钢片。第一辅助齿轮7固定于外转子的外圆上，第二辅助齿轮8和第一辅助齿轮7相咬合，第二辅助齿轮8可用轴承等方式和装有巨磁电阻传感器I的PCB板一起固定在电机的外壳上。本实用新型通过在永磁同步电机上安装巨磁电阻传感器1，通过巨磁电阻传感器I与磁钢片的对应配合检测永磁同步电机的角度信息，巨磁电阻传感器I将角度信息传输到永磁同步电机控制器，由永磁同步电机控制器对永磁同步电机进行矢量控制，结构简单紧凑，响应速度快，抗干扰能力强，功耗低，成本低，安全可靠。
权利要求1.一种基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，包括永磁同步电机；其特征是所述永磁同步电机上安装有巨磁电阻传感器(I)及与所述巨磁电阻传感器(I)相对应配合的磁钢片，所述巨磁电阻传感器(I)检测永磁同步电机的角度信息，并将所述角度信息传输到永磁同步电机控制器内，永磁同步电机控制器根据角度信息对永磁同步电机进行矢量控制。
2.根据权利要求I所述的基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其特征是所述巨磁电阻传感器(I)通过ADC转换器与永磁同步电机控制器相连。
3.根据权利要求I所述的基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其特征是所述巨磁电阻传感器(I)通过ADC转换器与数字信号处理电路相连，所述数字信号处理电路对巨磁电阻传感器输出的信息处理后传输到永磁同步电机控制器内。
4.根据权利要求3所述的基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其特征是所述数字信号处理电路通过SPI接口或PWM接口与永磁同步电机控制器相连。
5.根据权利要求I所述的基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其特征是所述永磁同步电机为内转子电机或外转子电机。
6.根据权利要求5所述的基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其特征是所述永磁同步电机为内转子电机时，所述内转子电机包括内转子电机本体(2),巨磁电阻传感器(I)安装于内转子电机本体(2)的内转子电机传动轴(3)上，并能与内转子电机传动轴(3)上的磁钢片对应配合。
7.根据权利要求5所述的基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其特征是所述外转子电机包括内齿轮安装外转子电机或外齿轮安装外转子电机。
8.根据权利要求7所述的基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其特征是所述外转子电机为内齿轮安装外转子电机时，包括电机外转子(6)及位于所述电机外转子(6)内的第一辅助齿轮(7)，所述辅助齿轮(7)内设有与第一辅助齿轮(7)相啮合的第二辅助齿轮(8)，第二辅助齿轮(8)上安装有与巨磁电阻传感器(I)相对应配合的磁钢片，巨磁电阻传感器(I)安装于外转子传动轴(4 )上，外转子传动轴(4 )上还设有与电机外转子(6)对应配合的电机定子(5)。
9.根据权利要求7所述的基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其特征是所述外转子电机为外齿轮安装外转子电机时，包括电机外转子(6)及位于所述电机外转子(6)内的第一辅助齿轮(7)，所述辅助齿轮(7)外侧设有与第一辅助齿轮(7)相啮合的第二辅助齿轮(8)，第二辅助齿轮(8)上安装有与巨磁电阻传感器(I)相对应配合的磁钢片，巨磁电阻传感器(I)安装于外转子传动轴(4)上，外转子传动轴(4)上还设有与电机外转子(6)对应配合的电机定子(5)。
10.根据权利要求4所述的基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其特征是当数字信号处理电路通过SPI接口与永磁同步电机控制器相连时，永磁同步电机控制器与巨磁电阻传感器(I)间通过查询命令或由巨磁电阻传感器(I)主动发送信息方式进行通信；当数字信号处理电路通过PWM接口与永磁同步电机控制器相连时，巨磁电阻传感器(I)以主动发送信息与永磁同步电机控制器通信。
专利摘要本实用新型涉及一种基于巨磁电阻传感器的车用永磁同步电机控制系统，其包括永磁同步电机；所述永磁同步电机上安装有巨磁电阻传感器及与所述巨磁电阻传感器相对应配合的磁钢片，所述巨磁电阻传感器检测永磁同步电机的角度信息，并将所述角度信息传输到永磁同步电机控制器内，永磁同步电机控制器根据角度信息对永磁同步电机进行矢量控制。本实用新型通过在永磁同步电机上安装巨磁电阻传感器，通过巨磁电阻传感器与磁钢片的对应配合检测永磁同步电机的角度信息，巨磁电阻传感器将角度信息传输到永磁同步电机控制器，由永磁同步电机控制器对永磁同步电机进行矢量控制，结构简单紧凑，响应速度快，抗干扰能力强，功耗低，成本低，安全可靠。
文档编号H02P6/08GK202550953SQ20122014802
公开日2012年11月21日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者谈正言 申请人:无锡市凌翔电气驱动技术有限公司