一种轮毂电机及其位置信号处理方法与流程

本发明属于电动车领域，尤其是涉及一种应用于电动自行车、电动摩托车以及电动三轮车的轮毂电机及其位置信号处理方法。

背景技术：

电动自行车及电动摩托车是目前市场广为普及的轻便绿色交通工具，市场保有量达到上亿辆，且每年有几千万的增量快速发展。随着数量的普及，人们对电动车的性能和功能也提出更高的需求，如出现智能电动车、互联网电动车等概念。电动车控制器控制技术也逐渐从120度方波控制向正弦波矢量控制发展。然而作为电动车核心部件的驱动轮毂电机，仍然多年保持固有的技术状态，鲜有出现创新性的发展，目前市场主流轮毂电机为无刷直流电机，电机磁钢采用满贴模式，电机极对数高。当前轮毂电机的位置反馈均采用三个电气相位相差60度或120度嵌在定子铁芯槽口上的开关霍尔，这种位置反馈存在的主要问题是无法满足控制器矢量控制所需要的精确位置反馈，在电机启动、尤其坡路起步容易后遛和抖动，低速运行效率低，堵转扭矩偏低；另外铁芯槽口上的开关霍尔靠近发热源，特别容易受热及因热受力损坏，目前统计电机退货率有25％是霍尔故障引起。

为不改变现有电机结构和生产工艺，达到提高电机性能和可靠性，需要在电机上安装位置检测装置。同时位置检测装置需要抗震性好，以适应车类运行路况；精度高，以适应轮毂电机高极对数情况下的精确电角度位置反馈；另外，由于目前两轮电动车市场对成本控制特别敏感，现有控制器方案已经非常成熟低廉，因此位置检测装置不仅本身成本要控制，而且需要根据现有控制器的技术方案不作大的变动基础上，可灵活设定输出形式，以降低控制器的角度反馈计算的复杂程度，从而保证控制器的成本不会太多的变化。

中国专利cn202260955公开了一种轮毂电机，其亦在轮毂电机内部采用一种位置检测装置，其位置检测装置是在磁环的外侧同轴的定子圆周上放置若干段等规格铁氧体，各个铁氧体中间有间隙，用于安装磁感应元件。这种磁场的积分结构，磁感应元件很容易受到外部磁场的干扰，导致信号输出的不稳定，甚至导致输出角度的错误，若外部增加磁场屏蔽罩，则位置检测装置的结构相应增大很多。另外此结构不够灵活，尤其针对外转子的轮毂电机，磁环安装在旋转的端盖上，必须磁环内侧定位，需要改变端盖结构和另外增加机械连接部件；同时磁敏感元件需要在磁环的外侧，体积特别大，抗震性不好，成本高。另外该专利采用的是控制器电机一体结构设计，电机需要重新设计，不能改变目前市场普遍采用的电机方案和生产工艺；一体设计结构大大增加电机生产复杂程度，无法满足批量化生产，同时维护成本高。该专利位置检测装置的磁敏感元件输出模拟信号直接到控制器，对控制器cpu的信号处理复杂程度提高很多，增加控制器成本；因此无法进行大规模生产和推广。

对于电机控制，精确的角度反馈是提高电机性能的关键因素之一，尤其矢量控制中的电角度需要准确的反映当前电机磁链所在的位置。如矢量控制模型中3/2变换：

根据三相反馈电流计算d/q轴反馈电流大小,θk为电角度。θk越准确，id和iq越反映实际运行状态，电流pi调节控制越精确，电机电流波动越小，尤其在低速大电流情况下越明显。反映到电动车骑行感觉上越平稳舒适。

目前电机控制进行矢量计算时所用的角度，除了上述采用三个开关霍尔精度比较低的角度反馈计算外，即便采用绝对位置反馈，通常是采用绝对机械位置乘以极对数得到当前的电角度位置，也即采用机械角度按极对数均分的情况计算。这种对于反馈精度足够高，或极对数低的情况是可行，反馈精度足够高带来的是成本的增加。但对于价格敏感的电动车轮毂电机，极数通常达到46或48极，此时采用均分处理，对由于电机制造或位置检测装置的安装误差所产生的电角度不均匀性非常明显，因此需要一种处理方式，使用低成本的位置反馈装置仍能精确的进行电角度位置反馈

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种成本低、位置反馈精度高、对控制器性能要求低、装配工艺简单、可靠性高的轮毂电机及其提高电气角度位置反馈准确度的位置信号处理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种轮毂电机，包括电机轴、定子、转子及位置检测装置，所述位置检测装置包括设于电机轴上的pcb板和可随转子同步转动的磁环，所述pcb板上设有多个磁感应件，于磁环静止或转动时，所述磁感应件可感应磁环的磁通变化；所述转子上设有左端盖和用于安装刹车组件的右端盖，所述位置检测装置设于右端盖内侧。位置检测装置安装在电机轴上右端盖的内侧，电子元件远离电机发热源，提高了电机的可靠性，而且无需改变现有端盖的结构，不改变现有电机电磁方案和主要装配工艺方案，只是随端盖加工轴承室时一起加工装配面，简化了现有电机流水线上开关霍尔焊接工艺，加工成本低，磁感应件在磁环内侧感应，结构紧凑简洁。

进一步的，所述位置检测装置还包括用于连接pcb板的支架，该支架上设有用于容置所述磁感应件的安装孔。

进一步的，所述pcb板上沿周向均匀设有六个磁感应件。

进一步的，所述pcb板上沿周向均匀设有三个磁感应件。

进一步的，所述pcb板上设有集成有ad转换器的微处理器和参数存储单元，所述参数存储单元存储的参数包括电机极对数设定、输出形式设定、电气角度相位偏移量设定和电机每个磁对极电气零角度时对应的机械角度位置序列设定。

进一步的，所述位置检测装置的参数输出形式设定包括设定选择输出机械绝对位置角度和设定选择输出电气绝对位置角度。

进一步的，所述参数可通过外部设备通过通信电路读写。

本发明还公开了一种外置型轮毂电机，包括电机轴、定子、转子及位置检测装置，所述位置检测装置包括设于电机轴上的pcb板和可随转子同步转动的磁环，所述pcb板上设有多个磁感应件，于磁环静止或转动时，所述磁感应件可感应磁环的磁通变化；所述转子上设有左端盖和用于安装刹车组件的右端盖，所述左端盖外侧的电机轴上设有壳体，所述位置检测装置设于该壳体内。位置检测装置安装在左端盖外侧的电机轴上，不仅无需改变原有电机内部结构和端盖结构，而且拆装检修方便，生产时只有电机线从轴孔穿线，工艺更简单，同时电机动力线和反馈信号线分离，实现强电动力线与弱电信号分离传输，减少强弱电之间的干扰，减小信号反馈的干扰，提高可靠性。

进一步的，所述壳体内设有用于连接pcb板的固定架，该固定架上设有用于容置所述磁感应件的安装孔。

进一步的，所述右端盖上设有衬套，所述磁环设于该衬套上。

本发明的位置检测装置在不改变现有电机结构和生产工艺的基础上，代替了传统的三开关霍尔位置检测方式，提供高精度绝对位置反馈，实现电机磁链的精确检测控制，提高电机运行效率，增大低速输出扭矩，改善骑行舒适性；提供根据参数设定，输出对应电机极对数数量的电角度反馈，以降低控制器矢量控制时反馈磁链位置计算时的处理难度；同时根据外部写入的电机每对极的电气零角度对应的机械角度位置，实现更精确地电机每一对极磁场位置的检测，并通过线形插补计算提高电气角度分辨率，进一步提高电气位置反馈准确度，改善控制性能；还提供电机多种参数的存储空间，存储电机控制必要的参数，节约控制器的成本，提供具有电角度输出功能的多种输出方式，满足不同控制器的接口需求，在不改变现有控制器技术方案，作接口上微小变更即可兼容。

本发明还公开了一种用于轮毂电机的参数学习模式下的位置信号处理方法，包括以下步骤：

1)分别与轮毂电机三相动力线和位置检测装置相连的控制装置通过预定的协议使能位置检测装置参数写入功能，设定输出形式为机械绝对位置角度输出，擦除当前存储的参数；

2)控制装置给设于定子(2)上的三相动力线依次循环通电，驱动电机转动，所述位置检测装置的磁感应件(411)检测到磁环(42)上的磁通变化，输出模拟电压信号经过ad转换模块、数字滤波模块、查表及修正系数提取模块，输出机械绝对位置角度；

3)控制装置在电机旋转过程中实时记录当电机磁场定向到u相时对应的机械角度位置，旋转至少一圈，并记录具有电机极对数相同个数的位置数据；

4)控制装置对所记录的位置数据进行排序，通过通信电路将排序后的位置数据序列、电机极对数及电气角度相位偏移量写入到所述位置检测装置的参数存储单元；

5)控制装置通过协议写入参数，设置输出形式为电气绝对位置输出。

在参数学习模式的基础上，还公开了一种用于轮毂电机的正常工作模式下的位置信号处理方法，包括以下步骤：

6)所述位置检测装置的磁感应件(411)检测到磁环(42)上的磁通变化，输出模拟电压信号经过ad转换模块、数字滤波模块、查表及修正系数提取模块，得到机械绝对位置角度；

7)当前的机械绝对位置角度减去电气角度相位偏移量参数数据；

8)所述位置检测装置根据当前的机械绝对位置数据依次与存储的电机各个磁对极电气零角度时对应的机械角度位置序列数据对比，确定电机当前磁极所在的绝对位置区间；

9)通过线性拟合和细分插补计算，输出电气角度绝对位置数据。

进一步的，所述步骤5)中的输出形式可以为机械绝对位置输出，所述步骤7)、步骤8)及步骤9)的处理过程于控制装置中进行。

本发明的有益效果是：1、轮毂电机结构简洁，生产工艺简单可靠；2、位置反馈避开发热源，抗震可靠；3、提供机械角度和电气角度输出选择，满足不同控制接口要求，对控制器性能要求低；4、提供高精度绝对位置反馈，并通过对电机每对磁极电角度位置的准确学习并存储，以消除位置检测装置安装的偏差和电机加工装配误差形成的磁场电周期偏差，形成位置检测装置的电气角度反馈和实际电机磁链位置准确对应，有效减小电机运行时的电流波动；并通过对电角度进一步的细分，使控制电流更加精确；这种处理方式尤其适合轮毂电机这种高极对数情况；5、控制参数存储在电机一侧，满足控制器与电机的互换性；6、综合成本低，性价比高，有效提高电机综合性能，尤其启动和低速特性，提高驾驶舒适性。

附图说明

图1为本发明的实施例1的剖面结构示意图。

图2为图1中的a处结构放大图。

图3为本发明实施例1的爆炸结构示意图。

图4为实施例1中支架的立体结构示意图。

图5为本发明实施例1的另一种结构的剖面示意图。

图6为本发明实施1的位置检测计算处理框图。

图7为本发明实施1中的机械角度和在24对极电机下的电气角度输出示意图。

图8为本发明实施例2的剖面结构示意图。

图9为图8中的b处结构放大图。

图10为本发明实施例2的爆炸结构示意图。

图11为实施例2中支架的主视结构示意图。

图12为实施例2中支架的立体结构示意图。

图13为本发明实施例2的另一种结构的剖面示意图。

图14为本发明实施的电角度参数学习模式下的流程图。

图15为本发明参数存储单元的存储格式图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-4所示，一种轮毂电机，包括电机轴1、固定在电机轴1上绕有三相电机动力线的定子2及套设在定子2外侧粘贴有n对极磁钢33的转子3，转子3两侧通过螺钉安装有左端盖31和用于安装刹车装置的右端盖32，左端盖31通过左轴承311可旋转地固定在电机轴1上，位于左轴承311外侧的左端盖31和电机轴1之间还设有油封312，起到防水作用，右端盖32通过右轴承321可旋转地固定在电机轴1上，位于右轴承321外侧的右端盖32和电机轴1之间还设有油封322。

该轮毂电机的内侧，位于定子2上的出线孔相对的一侧，安装有位置检测装置，其包括安装在电机轴1上用于固定pcb板41的中空环形支架43，支架43通过键配合或过盈配合固定在电机轴1上，端部有卡环432限位。pcb板41可以通过胶粘接方式与支架43连接，支架43上沿周向均匀形成三个或六个安装孔431，pcb板41上焊接有微处理器、通信电路及多个磁感应件411，磁感应件411插入并通过胶粘接固定在上述安装孔431内，抗震性较高。

pcb板41上设置有集成了ad转换器的微处理器，根据输入的每路磁感应件411的电压值变化，传输给微处理器计算单元处理，计算查表得到当前的绝对机械角度值，通过通信电路经由复合电缆6输出绝对角度值。pcb板41上还设置有读写功能的参数存储单元，可以通过参数设定选择输出机械角度和电气角度，其可以是是独立的eeprom，也可以是集成在微处理器内部的falsh区域或eeprom区域。参数存储单元存储的参数包括：a、电机极对数设定；b、输出形式设定；c、电气角度相位偏移量设定；d、电机每个磁对极电气零角度时对应的机械角度位置序列；e、其他控制所必需的参数。参数输出形式设定包括可以设定选择输出机械角度，以及可以设定选择输出电气角度；电气角度起始位置的偏移量通过参数(c)电气角度相位偏移量设定。上述所有参数均可由外部设备通过通信电路读写。

位置检测装置的参数(b)输出形式作用为可以设定选择输出机械角度，以及可以设定选择输出电气角度；机械角度是指轮毂每转一圈，输出一个周期0-360度对应的绝对值位置；电气角度是指轮毂每转一圈，输出n个周期0-360度对应的绝对位置(n为电机极对数)，每个电气零角度的起始位置对应参数(d)电机每个磁对极电气零角度时对应的机械角度位置；电气角度起始位置的偏移量通过参数(c)电气角度相位偏移量设定。

参数存储单元数据可由外部设备通过通信电路读写，通信电路具有双向通信功能，包括同步串口、异步串口或其他总线形式，物理电路接口包括rs485、rs422、can、rs232、ttl电平等。

右端盖32的轴承室内安装有圆环状的磁环42，其配合面随右端盖32加工轴承室时一同加工，即保证磁环42与转子3的同轴度，也有效降低加工成本。该磁环42为径向ns一对极充磁，其外壁通过厌氧胶粘接在右端盖32上，装配时，磁环42套设在支架43上安装孔431的外围，当磁环42静止或随着转子3转动时，磁感应件411实时检测磁环42内部的磁通大小，通过ad转换，由微处理器计算绝对位置角度，通过复合电缆6输出到电动车的控制器。pcb板41上可以安装按60度均匀分布在同一圆周上的六个磁感应件411，磁感应件411的磁敏感部位与磁环42的内侧中心对齐，感应磁环42内侧磁通变化；也可以安装按120度均匀分布在同一圆周上的三个磁感应件。

当使用三路磁感应件时，产生三路相位差120度的正弦信号；当使用六路磁感应件时，产生六路正弦信号，其中机械位置相差180度的两路磁感应件检测信号相位对称，通过两路对称信号差分合成，六路正弦信号仍合成三路相位相差120度正弦信号。微处理器根据ad转换后相位相差120度的三相正弦信号进行判断，确定当前磁环磁场所在的位置区间和查表项，根据位置区间和查表项检索角度表格，输出当前机械角度。

如图6的处理框图所示，数据处理过程及方式包括：ad转换模块、数字滤波模块、查表及修正系数提取模块、数据存储模块、参数存储模块、系数计算模块、输出形式判断处理模块、电气角度输出细分拟合及输出模块、机械角度输出模块等。

微处理器根据参数(b)输出形式设定，当设定选择输出机械角度时，微处理器通过通信电路直接输出当前机械角度；当设定选择输出电气角度时，微处理器根据参数(d)电机每个磁对极电气零角度时对应的机械角度位置和参数(a)电机极对数，计算拟合当前机械角度对应的电角度绝对位置，进一步细分插补计算，输出当前电机磁极所在的电气角度绝对位置。

所述输出形式中的机械角度是指轮毂每转一圈，输出一个周期0-360度对应的绝对值位置，如16bit输出即输出一个周期的0-65535数据，12bit输出即输出一个周期的0-4095数据，其他类推；电气角度是指转子每转一圈，输出n个周期0-360度对应的绝对位置(n为电机任意极对数)，如16bit输出即输出n个周期的0-65535数据，12bit输出即输出n个周期的0-4095数据，其他类推。图7为电机极对数在24对极下的机械角度和电气角度对照图。

每个电气角度的起始位置对应参数(d)存储的电机每个磁对极电气零角度时对应的机械角度位置；电气角度起始位置的偏移量通过参数(c)电气角度相位偏移量设定。在计算电角度位置时，当前机械位置先减去电气角度相位偏移量。

如图5所示，磁环42和磁感应件411的位置可以互换，即磁环42位于磁感应件411的内侧，当磁环42静止或随着转子3转动时，磁感应件411实时检测磁环42外部的磁通大小。

实施例2

如图8-12所示，本实施例中的轮毂电机与实施例1中的不同之处在于，位置检测装置设置在左端盖31外侧，位于出线孔的同一侧，位置检测装置的信号输出电缆7与电机动力线线缆6相互独立输出。

位置检测装置包括安装在电机轴1上的壳体5，壳体5内安装有用于安装磁环42的衬套52和用于安装pcb板41的固定架51，衬套52通过通过止口定位使用螺钉连接在右端盖32上，衬套52和壳体5之间通过密封圈53密封连接。磁环42粘接在衬套52上，并整体安装在右端盖32的外侧，随着右端盖32和转子旋转。固定架51固定在壳体5上，并整体固定在电机轴1上，端部有卡环限位。本实施例的其它结构与处理方式与实施例1相同，不再赘述。

如图12所示，磁环42和磁感应件411的位置可以互换，即磁环42位于磁感应件411的内侧，当磁环42静止或随着转子3转动时，磁感应件411实时检测磁环42外部的磁通大小。

用于上述轮毂电机的位置信号处理方法，在参数学习模式下，如图14所示，以一种电角度位置学习方式的流程为例，包括以下步骤：

步骤一，分别连接轮毂电机三相动力线和位置检测装置信号线到控制装置，该控制装置包括电动车控制器或其他可实现电机旋转并能与位置检测装置通信处理的特定的设备。

步骤二，控制装置通过预定的协议使能位置检测装置参数写入功能，设定输出形式为机械绝对位置角度输出，擦除当前存储参数；

步骤三，控制装置给电机三相动力线依次循环通电，驱动电机旋转，位置检测装置的磁感应件检测磁环的磁通变化，输出模拟电压信号经过ad转换模块、数字滤波模块、查表及修正系数提取模块、输出机械绝对位置角度；

进一步的，通电顺序为u相电流进，vw出；v相电流进，uw出，w相电流进，uv出，依次循环，驱动电机旋转一圈以上；

进一步的，通电顺序也可以u相电流进，v出；v相电流进，w出，w相电流进，u出，依次循环，驱动电机旋转一圈以上；

步骤四，控制装置在电机旋转过程中实时记录当电机磁场定向到u相时对应的机械角度位置；旋转不少于一圈，并记录具有电机极对数相同个数的位置数据，当然这里的u相也可指定v相或w相；

步骤五，控制装置对所记录的数据排序，通过通信电路把排序好的数据序列写入到轮毂电机位置检测装置的对应参数存储单元，也即写入位置检测装置中电机每个磁对极电气零角度时对应的机械角度位置序列所在的存储区域；并依次写入电机极对数和电气角度相位偏移量到轮毂电机位置检测装置的对应参数存储单元；存储格式如图15所示；所述的电气角度相位偏移量是指用户用于控制的电气角度相位提前量或滞后量；

步骤六，控制装置通过协议写入参数，设置输出形式为电角度输出。

用于上述轮毂电机的位置信号处理方法，在正常工作模式下，包括以下步骤：

步骤一，分别连接轮毂电机三相动力线和位置检测装置信号线到控制装置；这里的控制装置特指电动车控制器；

步骤二，位置检测装置的磁感应件检测磁环的磁通大小输出电压信号，经过ad转换模块、数字滤波模块、查表及修正系数提取模块、得到当前机械绝对位置；

步骤三，当前的机械绝对位置数据减去电气角度相位偏移量参数数据；

步骤四，位置检测装置根据当前的机械绝对位置数据依次与参数存储的电机每个磁对极电气零角度时对应的机械角度位置序列数据比较，确定电机当前磁极所在的绝对位置区间；

步骤五，通过线形拟合和细分插补计算，输出电气角度绝对位置数据。

步骤三、步骤四及步骤五的具体操作方法为：

其处理过程，在参数学习模式下，其步骤六可以设置参数输出形式为机械绝对位置输出；此种情况下，在正常工作模式下的步骤三、步骤四、步骤五处理过程放在控制装置中。

控制装置中的处理过程还包括：实时检测电机三相电流反馈，根据获取的电气角度位置数据和电流反馈值，通过3/2坐标矢量变换，得到d/q轴反馈电流；反馈电流与指令电流作比较，误差进行pi控制，得到d/q控制电压；d/q控制电压与获取的电气角度数据再进行2/3坐标矢量变换计算，得到u/v/w三相电机控制电压；三相控制电压经过脉宽调制电路，通过pwm驱动电路驱动功率转换器件，最后驱动电机旋转，达到精确控制效果。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。