电机、微型云台以及微型云台的电机控制方法与流程
本发明涉及一种电机及一种微型云台，尤其涉及一种电机的电角度测量部件内置的电机以及相应的一体化微型云台和电机控制方法。
背景技术：
传统的云台基本上都是将电机驱动部件放在电机外部，使用高级电机控制算法—磁场定向控制（fieldorientedcontrol，foc）对电机进行控制。foc控制算法的前提条件是需要获取电机的旋转电角度和电机三相电流。通常采用采样电阻测量方法获取电机三相电流；同时采用角度传感器或磁编码器的测量方法获取电机的旋转电角度。
采用角度传感器测量电机的旋转电角度时，角度传感器需套在电机轴上，获取电机的物理角度，然后利用该物理角度换算出电机的旋转电角度。通常在使用角度传感器测量电机的旋转电角度时，角度传感器与电机轴之间存在较多的物理摩擦，传感器的寿命短。而且角度传感器的体积比较大，无法将电机驱动板集成在电机内部，导致其驱动的云台整体的体积较大，从而无法实现云台的小型化、微型化。
采用磁编码器测量电机的旋转电角度时，因为磁编码为非接触式传感器，故不存在物理摩擦，故寿命比角度传感器长。但是磁编码器在工作过程中需要与外部磁铁相配合，因此，无法将磁编码器集成在电机内部，导致其驱动的云台整体的体积较大，从而也无法实现云台的小型化、微型化。
技术实现要素：
为克服上述技术问题，本发明提供一种电机，包括：定子部件、转子部件以及至少两个霍尔元件；所述转子部件包括一个可旋转环形磁铁，所述定子部件包括若干电线圈绕组；所述霍尔元件设置在靠近定子部件的位置处，且在所述电机的旋转轴的径向方向上间隔排布，能够获取所述转子部件的磁场信号信息。
优选地，所述霍尔元件以相差120度固有电角度的位置设置。
优选地，所述定子部件上设置有若干凹槽，所述转子部件环绕所述定子部件设置，且所述霍尔元件设置所述凹槽内。
优选地，所述环形磁铁采用正弦波充磁的方式充磁。
优选地，还包括电机驱动部件；所述电机驱动部件为一电机驱动电路板，所述电机驱动电路板与所述电机的旋转轴垂直设置，具有容纳所述旋转轴的通孔结构，所述霍尔元件固定设置于所述电机驱动电路板的通孔结构的外侧。
优选地，还包括一驱动板压片和一定子底座；所述驱动板压片设置于所述定子部件和所述电机驱动部件之间；所述电机驱动部件通过驱动板压片安装于所述定子底座上。
优选地，所述旋转轴贯穿所述定子部件、所述转子部件、所述定子底座以及所述电机驱动部件的通孔结构。
本发明还提供一种微型云台，包括至少一个所述的电机、云台控制模块和imu模块；所述电机和imu模块分别与所述云台控制模块连接；其中所述imu模块安装在所述云台的负载上，并向所述云台控制模块输入所述负载的姿态数据；所述云台控制模块根据所述姿态数据和所述霍尔元件获取的所述转子部件的磁场信号信息控制电机的转动。
本发明还提供一种微型云台的电机控制方法，包括以下步骤：电机控制信号的获取步骤，根据所述imu模块输入的姿态数据获取电机的控制信号；电机的旋转电角度的获取步骤，通过对两个霍尔元件获取的转子部件的磁场信号信息解码获取电机的旋转电角度；三相正弦波的获取步骤，根据所述电机的控制信号和所述电机的旋转电角度生成控制电机的三相正弦波。
优选地，所述电机的旋转电角度的获取步骤如下：通过两个霍尔元件分别直接获取所述转子部件的磁场信号信息，所述两个霍尔元件设置为120°固有电角度的位置；通过所述两个霍尔元件所获取的磁场信号信息计算：如果在与所述两个霍尔元件呈120°固有电角度的位置设置有第三个霍尔元件，所述第三个霍尔元件的磁场信号信息；对三个霍尔元件的磁场信号信息解码获取电机的旋转电角度。
优选地，在获取电机的旋转电角度时，将获取的三个霍尔元件的磁场信号信息对应的360°的固有电角度平均划分为6个扇区，根据所述的三个霍尔元件的磁场信号信息解码每个扇区的旋转电角度。
优选地，在三相正弦波的获取步骤中，先将所述电机的控制信号和所述电机的旋转电角度进行park逆变换和空矢量脉冲宽度调制，获取三路脉冲宽度调制的占空比；然后将所述三路脉冲宽度调制的占空比进行逆变换生成所述的三相正弦波。
本发明采用两个线性霍尔传感器测量电机的旋转电角度，线性霍尔传感器为非接触式传感器，规避了角度传感器寿命短的特点；同时与传统的电机驱动相比，本发明可去掉电流采样电路，从而精简了驱动电路，可将电机驱动部件集成于电机内部，例如电机驱动板，且线性霍尔传感器体积小，从而将电机驱动部件和线性霍尔传感器均能够微型化的集成在电机内部，与电机合二为一。云台中使用上述的电机，能够实现云台的小型化、微型化，降低成本。
附图说明
图1为本传统云台电机控制示意图；
图2为本发明所涉及的电机结构拆分示意图；
图3为本发明所涉及的电机的电机驱动电路板的结构示意图；
图4为本发明所涉及的线性霍尔传感器与电机定子相线之间的关系结构示意图的一例；
图5为本发明所涉及的微型云台结构框图的一例；
图6为本发明所涉及的云台的电机控制方法框图；
图7为本发明所涉及的电机中三个霍尔信号的正弦曲线的示意图的一例。
具体实施方式
下面根据附图所示实施方式阐述本发明。此次公开的实施方式可以认为在所有方面均为例示，不具限制性。本发明的范围不受以下实施方式的说明所限，仅由权利要求书的范围所示，而且包括与权利要求范围具有同样意思及权利要求范围内的所有变形。
传统的云台结构中，其采用传统的foc算法对电机进行控制，其电机的控制框图如图1所示，包括电流采样电路和电机的旋转电角度获取电路。通过电流采样电路获取三相电流ia、ib和ic，然后经过clark变换得到
本发明中所涉及的电机的旋转电角度是指，电机的转子转动到某一位置所对应的电角度的值。
由上述的控制过程和图1可以看出，传统的foc运算方法需要获取电机的旋转电角度和电机的三相电流，其中电机的旋转电角度是通过角度传感器或磁编码器等较大的传感器直接获取，并需要在驱动控制中设计电流采样电路，所以传统的电机驱动无法避免传感器体积大、驱动电路结构复杂、驱动电路板体积大等的技术问题。
为克服上述技术问题本发明涉及一种利用两个线性霍尔传感器测量电机的旋转电角度的电机，所选的线性霍尔传感器为非接触式传感器，大小为2mm×3mm，比角度传感器和磁编码传感器体积要小，更容易集成在电机内部。同时为了减小电机驱动电路板的尺寸，去掉电流的采样电路，从而精简驱动电路结构，减小了驱动电路板体积。以此，可以将线性霍尔传感器和电机驱动电路板同时微型化集成在电机内部，从而大大的减小电机的体积。
[电机结构]
本发明所涉及的电机为体积较小的三相无刷电机，优选的，电机为直径最小为15mm的无刷电机，更优选的，电机的直径为15mm，高度为10mm的无刷电机。电机的拆分结构示意图如图2所示，电机包括电机转子端盖1、电机环形磁铁2、定子3、驱动板压片4、电机驱动电路板5、轴承6、电机定子底座7、轴8和螺钉9。所述电机转子端盖1恰好扣盖在电机环形磁铁2的外侧，电机环形磁铁2环绕在定子3外侧，且两者之间存在间隙；定子3通过驱动板压片4设置于电机驱动电路板5上，驱动板压片4由绝缘材料制成，能够使定子3与电机驱动电路板5绝缘；同时驱动板压片4能够使电机驱动电路板5安装于定子底座7上；轴8能够分别贯穿定子3、驱动板压片4、电机驱动电路板5、轴承6以及电机定子底座7上的通孔状结构，与电机转子端盖1过盈配合，从而可以带动电机环形磁体2旋转；轴8的底部还安装有螺钉9。
其中，电机驱动电路板5的结构示意图如图3所示，电机驱动电路板5由一个电机驱动芯片51、两个线性霍尔传感器52组成并设置于pcb板53上，其还至少包括一个未图示的插接件和若干电容、电阻，其中电机驱动芯片51集成有逆变器（如图7所示）以及未图示的过热保护、过流保护和错误报警等电路。因为在电机控制过程中通常需要至少3个互为120°固有电角度的线性霍尔传感器，但为了减少元件的数量，进一步的减小电机的体积，本发明通过改进算法仅使用2个线性霍尔传感器便可以获得使用三个线性霍尔传感器的效果。其中固有电角度由电机的结构决定，指在电机内部，相对静止的对象之间相差的实际电角度或者等价电角度的值。
在电机中，线性霍尔传感器52设置在靠近电机环形磁铁2的位置处，其可以设置于距离电机环形磁铁2具有一定的距离的位置处；因为定子3和电机环形磁体2以相互环绕的方式设置，所以线性霍尔传感器也可以插入式的方式设置于定子3的凹槽结构中，但线性霍尔传感器52和电机环形磁铁2的位置需确保使线性霍尔传感器能够获取电机环形磁铁2的磁场信息；优选地，采用插入式的设置方式以达到减小电机在轴向和径向方向的大小；且所述两个线性霍尔传感器52在所述电机的旋转轴的径向方向上间隔排布。在本发明中，根据电机的型号，两个线性霍尔传感器52设置于互为120°固有电角度的位置上，具体的实现方法见下文。例如假设电机为8极9槽的无刷电机时，电机的极对数为4对，如图4所示，由于两个线性霍尔传感器52的物理夹角为120°，所以两个线性霍尔传感器52对应夹角的电角度实际为4*120°=480°，即等效为120°固有电角度。定子3可划分为a、b和c三相，每相对应的电角度为120°，每相区域内均缠绕相应的线圈，分别称为a相线、b相线和c相线，如此在定子3上便有三个凹槽内具有两相线相交；将两个线性霍尔传感器52恰好卡固于定子3的凹槽中：将一个线性霍尔传感器52位于a相线与c相线相交的定子3的槽中间，另一个线性霍尔传感器52位于a相线和b相线相交的定子槽中间，使得两个线性霍尔传感器52相差120°的固有电角度；也不仅限于此，线性霍尔传感器52还可以设置于其他的凹槽内。图4的线性霍尔传感器52的位置仅为实施方式的一例，不表示本发明的线性霍尔传感器仅如图4设置。
因为要将电机驱动电路板5装进电机，所以将电机定子底座7的形状设置的与pcb板53的形状相同的形状。两个线性霍尔传感器52设置在电机环形磁铁2端面的正下方，用于检测到环形磁铁2的正弦磁场强度信号。与传统的电机结构相比，本发明的电机内部多设置了一个电机驱动电路板5和驱动板压片4，该驱动板压片4由绝缘材料制成，其不仅用于将电机驱动电路板5固定在定子3上，还能够使电机驱动电路板5与定子3绝缘。
[微型云台的结构]
上述电机可设置于云台中，因为电机结构中将电机驱动部件和线性霍尔传感器均设置于电机内部，以此减小了电机的体积，因此上述电机的使用也能够大大减小云台的体积。根据实际的运动轨迹的调节需求，可将至少一个上述电机同时安装于某云台中，以实现装置的运动方向的变化。
图5为本发明涉及的具有上述电机的微型云台结构框图的一例，如图5所示，微型云台至少包括一云台主控单片机11、一imu模块12、电机a13、电机b14和电机c15，其中imu模块12和电机a13、电机b14和电机c15分别与云台主控单片机11连接。云台主控单片机11可通过串行外设接口总线（serialperipheralinterface：spi）由imu模块12获取姿态数据，imu模块包括陀螺仪和加速度仪等，获取云台所在的装置的角速度、加速度等数据，然后进行姿态解算，云台主控单片机11将姿态数据进行处理分别得到电机a13、电机b14和电机c15的控制信号uq。电机a13、电机b14和电机c15均为上文所述的集成有线性霍尔传感器和电机驱动电路板的电机，电机驱动电路板的电机驱动芯片上集成有逆变器（如图7所示）以及未图示的过热保护、过流保护和错误报警等电路。具体的，如图2所示，电机a13、电机b14和电机c15分别为体积较小的三相无刷电机，其包括电机转子端盖1、电机环形磁铁2、定子3、驱动板压片4、电机驱动电路板5、轴承6、电机定子底座7、轴8和螺钉9。所述电机转子端盖1恰好扣盖在电机环形磁铁2的外侧，电机环形磁铁2环绕在定子3外侧，且两者之间存在间隙；定子3通过驱动板压片4设置于电机驱动电路板5上，驱动板压片4由绝缘材料制成，能够使定子3与电机驱动电路板5绝缘；同时驱动板压片4能够使电机驱动电路板5安装于定子底座7上；轴8能够分别贯穿定子3、驱动板压片4、电机驱动电路板5、轴承6以及电机定子底座7上的通孔状结构，与电机转子端盖1过盈配合，从而可以带动电机环形磁体2旋转；轴8的底部还安装有螺钉9。其中，电机驱动电路板5由一个电机驱动芯片51、两个线性霍尔传感器52固定于pcb板53上组成，其还至少包括一个未图示的插接件和若干电容、电阻；且两个线性霍尔传感器52互为120°固有电角度的位置设置。
[微型云台的电机控制方法]
图6为本发明涉及的云台的电机控制方法框图，如图6所示，整个控制过程无电流采样电路部分，电机驱动电路板简化了云台的控制算法，使得整个云台可只需一个单片机即可完成对电机的控制及算法的实现，而传统云台通常需要四个单片机分别控制不同的电机及算法的实现，所以本发明所涉及的云台体积比传统云台体积可以缩小好几倍，同时也降低了成本。
在微型云台结构中，云台主控单片机11分别控制电机a13、电机b14和电机c15在不同方向上的转动。结合图5与图6，云台主控单片机11分别利用电机a13、电机b14和电机c15上的线性霍尔传感器获取的各自的数据进行解码，分别计算出电机a13、电机b14和电机c15旋转电角度θ；同时云台主控单片机11根据imu模块输入的姿态数据分别获取电机a13、电机b14和电机c15的控制信号uq，云台主控单片机11通过获取的三个电机13-15的旋转电角度θ和相应的控制信号uq分别获取三个电机13-15的三路脉冲宽度调制的占空比，最后分别由三个电机13-15的逆变器对各自的三路占空比进行逆变换获取三相正弦波以分别驱动相应的电机的工作。
云台主控单片机11控制电机a13、电机b14和电机c15的方法相同，下面以云台主控单片机11控制电机a13的工作过程为例进行说明，其控制电机b14和电机c15的过程不再重复说明。
云台控制电机的方法采用的是开环foc算法，没有闭环，其中每个电机的控制方法相同，下面具体说明云台主控单片机11控制电机a13的控制方法。
结合图5和图6，uq为电压矢量力矩分量，为电机的控制信号，由云台的云台主控单片机11根据imu模块输入的角速度和加速度等数据进行姿态解算得到的姿态角获取，其值越大电机转速的越快，如果为负数，电机则反转；ud为电压矢量的励磁分量，在表贴式三相永磁无刷电机中一般设为0，在本控制方案中，ud直接设置为0。同时，云台主控单片机11内部的ad转换器读取电机a13内部的线性霍尔传感器的信号后，由云台主控单片机11对线性霍尔传感器的信号进行解码获取电机a13的旋转电角度；云台主控单片机11将uq和电机a13的旋转电角度θ做park逆变换后得到两相静止坐标系对应的值
在上述的控制过程中，通过线性霍尔传感器52获取的信号解码电机a13的旋转电角度θ的过程包括下述步骤1）至3），具体如下。
1）获取两个线性霍尔传感器52的信号。
线性霍尔传感器52可采集电机环形磁铁2的正弦磁场信号，因为线性霍尔传感器52的输出的电压与电机环形磁铁2的磁场强度成正比，所以在此直接采用ad转换器分别直接读取输入到两个线性霍尔传感器52的电压值即可表示电机环形磁铁的磁场强度值ha和hb即可。
2）计算第三个线性霍尔传感器的信号。
由于电机a13中的两个线性霍尔传感器是以120°固有电角度的位置设置的，所以可以根据公式sina+sin(a+120)+sin(a-120)=0得到三个线性霍尔传感器的磁场强度ha、hb和hc的关系：ha+hb+hc=0，即可算出第三个线性霍尔传感器的磁场强度为：hc=-(ha+hb)。
因为线性霍尔传感器52感应的是电机a13上的环形磁铁2端面的磁场强度，由于磁环采用正弦波的充磁方式，环形磁铁2的端面在气隙中产生的磁场强度为正弦。线性霍尔传感器52固定不动，环形磁铁2旋转一周，故线性霍尔传感器52采集到的磁场强度与电机的电角度的关系图形是个正弦曲线，所以根据上述公式可知第三个线性霍尔传感器的输出信号也是正弦曲线信号。获取的三个线性霍尔传感器的三相正弦信号图像示例图如图7所示，图像的横坐标表示电机的电角度，纵坐标表示线性霍尔传感器采集到的磁场强度。
3）解码获得电机的旋转电角度。
如图7所示，将上述获取的三个线性霍尔传感器的三相正弦信号图像的360°电角度平均划分为6个扇区，根据ha、hb和hc的正负号判断电机环形磁铁位于具体的哪个扇区。由于反三角函数会得到2个对应的角度，故分别只求ha、hb和hc在0°至60°范围内的反三角函数，即可获得每个扇区对应的旋转电角度，相应的电机的旋转电角度计算公式如下：
扇区1：θ=sin-1ha
扇区2：θ=60°+sin-1（-hc）
扇区3：θ=120°+sin-1（hb）
扇区4：θ=180°+sin-1（-ha）
扇区5：θ=240°+sin-1（hc）
扇区6：θ=300°+sin-1（-hb）
上述过程便可解码计算出电机的旋转电角度θ。之后根据图6所示的控制方法，云台主控单片机11将uq和电机的旋转电角度θ做park逆变换后得到两相静止坐标系对应的值
在上述实施方式中，微型云台中总共设置三个本发明涉及的集成有线性霍尔传感器和电机驱动电路板的电机，并多使用于无人机等需调节三个方向的领域，但不仅限于此。也可以根据具体的使用背景，将具有恰当个数的电机的微型云台应用于其他行业或环境中，实现云台的微型化，简单化。
在上述实施方式中，电机中设置两个线性霍尔传感器，第三个线性霍尔传感器的正弦波的获取根据前述的两个线性霍尔传感器计算获取的，但不仅限于此。也可以设置3个线性霍尔传感器，直接通过ad转换器读取三个线性霍尔传感器的输出信号；还可以根据电机的具体型号，设置三个或三个以上的线性霍尔传感器，只要线性霍尔传感器的数量和位置能够遵循120°电角度的算法解码出电机的旋转电角度即可。
在上述实施方式中，为了使电机及电机所在的微型云台的体积足够小，将电机驱动芯片51和线性霍尔传感器52均微型化集成于电机驱动电路板5的pcb板53上，但不仅限于此。可在电机内部仅将线性霍尔传感器微型化集成于电机内部，将电机驱动芯片51设置于电机外侧，此时，云台所采用的电机控制方法可以采用传统的foc算法也可以采用上述实施方式中的开环foc算法。
上述实施方式中，在解码获得电机的旋转电角度的步骤中，需要将获取的三个线性霍尔传感器的三相正弦信号图像的360°电角度平均划分为6个扇区，并根据该正弦信号图像分别对三个线性霍尔传感器获取的磁场强度进行反正弦三角变换获取对应扇区的旋转电角度，但不限于此，还可以通过反余弦三角变换的计算方法获取对应扇区的旋转电角度。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
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