用于ETC的伺服电动机及其控制系统的制作方法

本发明涉及电子不停车收费系统领域，尤其涉及用于ETC的伺服电动机及其控制系统。

背景技术：

随着人民生活水平的不断提高，私家车数量激增，导致现有高速公路、路桥、车场管理人工收费系统负荷的增加，并造成因等待交费而损失的车时以及燃油浪费不断增加，电子不停车收费系统的收费效率比人工收费系统提升5到10倍，因此电子不停车收费系统在高速公路收费、路桥收费、车场管理收费中得到广泛应用。

现有技术中用于ETC，即电子不停车收费系统的电动机通常为传统三相异步电动机，传统三相异步电动机功率密度以及功率因数均较低，体积大，浪费电能多，电网的投资大，噪音大，振动大且响应慢。采用传统三相异步电动机的电子不停车收费系统的收费效率仍有提升空间。改进电子不停车收费系统的电动机，可以提升电子不停车收费系统的收费效率，提高收费系统单位时间内的机动车通过量，减轻高速公路收费系统、路桥收费系统、车场管理收费系统的负荷。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种功率密度高、功率因数高且响应快的用于ETC的伺服电动机及其控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于ETC的伺服电动机，包括电动机主体，电动机主体包括壳体，壳体内设置有转子以及定子，转子具有转轴和固定在转轴上的用于驱动的磁体，定子具有配置在磁体的外周的定子铁芯和用于产生旋转磁场的绕组，所述定子的内径为65-69毫米，定子上开设有定子槽，定子槽的数量为10～14个，定子由定子冲片叠压而成；所述转子为表贴式结构的偏心磁钢转子，转子上开设有转子槽，转子槽的数量为7～9个，转子由转子冲片叠加而成；所述定子冲片的外径为122-128毫米；所述绕组为分数槽集中绕组。

磁钢偏心使得电动机的每极气隙磁密分布近似正弦波形，谐波含量极少，电动机性能尤其是由于谐波分量引起的振动和噪声很小，可以做到低振动和低噪音以及低转矩波动的效果，有效的降低了电动机的转矩波动，优化了空载反电动势波形，使得电动机可以持续高效、平稳地工作。

进一步的是：还包括行星齿轮减速箱，行星齿轮减速箱的太阳齿轮安装在所述转轴上，行星齿轮的的托架上设置有输出轴。

进一步的是：所述分数槽集中绕组的每个线圈绕制在一个定子齿上，且每个线圈嵌在两个相邻的定子槽中。

进一步的是：所述电动机的输入电压为310V直流电，额定输入电流为4.6A，最大输入电流为10A。

本发明还提供了用于ETC的伺服电动机的控制系统，包括电动机，电动机包括电动机主体，电动机主体包括壳体，壳体内设置有转子以及定子，转子具有转轴和固定在转轴上的用于驱动的磁体，定子具有配置在磁体的外周的定子铁芯和用于产生旋转磁场的绕组，所述定子的内径为65-69毫米，定子上开设有定子槽，定子槽的数量为10～14个，定子由定子冲片叠压而成；所述转子为表贴式结构的偏心磁钢转子，转子上开设有转子槽，转子槽的数量为7～9个，转子由转子冲片叠加而成；所述定子冲片的外径为122-128毫米；所述绕组为分数槽集中绕组；所述控制系统包括整流电路以及与整流电路相连的桥式逆变电路，整流电路与电源相连，桥式逆变电路与电动机相连。

进一步的是：还包括行星齿轮减速箱，行星齿轮减速箱的太阳齿轮安装在所述转轴上，行星齿轮的的托架上设置有输出轴。

进一步的是：所述分数槽集中绕组的每个线圈绕制在一个定子齿上，且每个线圈嵌在两个相邻的定子槽中。

进一步的是：所述电动机的输入电压为310V直流电，额定输入电流为4.6A，最大输入电流为10A。

本发明有益效果是：磁钢偏心使得电动机的每极气隙磁密分布近似正弦波形，谐波含量极少，电动机性能尤其是由于谐波分量引起的振动和噪声很小，可以做到低振动和低噪音以及低转矩波动的效果，有效的降低了电动机的转矩波动，优化了空载反电动势波形，使得电动机可以持续高效、平稳地工作；行星齿轮减速箱使得的电动机的外形尺寸较小，且传动效率高达95％以上；分数槽集中绕组降低绕组的 用铜量，同时降低了电动机的定位转矩，优化了电动机的空载反电动势波形；电动机功率密度高、功率因数高，噪声、振动低，通过驱动器结合行星齿轮减速箱输出大转矩，转矩输出平稳，动态响应特性好，可以频繁正反转运行。

附图说明

图1为用于ETC的伺服电动机主视图示意图；

图2为用于ETC的伺服电动机左视图示意图；

图3为定子冲片示意图；

图4为转子截面示意图；

图5为转子冲片示意图；

图6为分数槽集中绕组展开示意图；

图7为电动机接线示意图；

图8为电动机Id＝0矢量控制系统示意图；

图9为将永磁同步电机定子绕组变换为两相旋转坐标系的坐标变换原理示意图；

图10为将静止的两相坐标系转换为随转子同步旋转的两相坐标系变换过程示意图；

图中标记为：壳体1，定子冲片2，定子槽21，定子齿22，转子冲片3，转子槽31，偏心磁钢32。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步加以说明。

如图1至图6所示，用于ETC的伺服电动机，包括电动机主体，电动机主体包括壳体1，壳体1内设置有转子以及定子，转子具有转轴和固定在转轴上的用于驱动的磁体，定子具有配置在磁体的外周的定子铁芯和用于产生旋转磁场的绕组，所述定子的内径为65-69毫米，定子上开设有定子槽21，定子槽21的数量为10～14个，定子由定子冲片2叠压而成；所述转子为表贴式结构的偏心磁钢转子，即所述磁体为偏心磁钢32，转子上开设有转子槽31，转子槽31的数量为7～9个，转子由转子冲片3叠加而成；所述定子冲片2的外径为122-128毫米；所述绕组为分数槽集中绕组；磁钢偏心使得电动机的每极气隙磁密分布近似正弦波形，谐波含量极少，电动机性能尤其是由于谐波分量引起的振动和噪声很小，可以做到低振动和低噪音以及低转矩波动的效果，有效的降低了电动机的转矩波动，优化了空载反电动势波形，使得电动机可以持续高效、平稳地工作；具体的，可以是定子槽21的数量为10个，转子槽31的数量为7个，或者是定子槽21的数量为12个，转子槽31的数量为8个，或者是定子槽21的数量为14个，转子槽31的数量为9个；定子的内径为65毫米，定子冲片2的外径为122毫米，或者是定子的内径为67毫米，定子冲片2的外径为125毫米，或者是定子的内径为69毫米，定子冲片2的外径为128毫米。

还包括行星齿轮减速箱，行星齿轮减速箱的太阳齿轮安装在所述转轴上，行星齿轮的的托架上设置有输出轴；行星齿轮减速箱用几个 完全相同的行星齿轮均匀的分布在中心轮的周围来共同分担载荷，每个齿轮所受的载荷较小，其外形尺寸也较小，使得电动机整体尺寸较小；由于行星齿轮传动采用了对称的分流传动结构，使作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力相互平衡，有利于提高传动效率，效率可达95％以上。

所述分数槽集中绕组的每个线圈绕制在一个定子齿22上，且每个线圈嵌在两个相邻的定子槽21中；分数槽集中绕组该绕组有效地缩短了绕组端部尺寸，降低绕组的用铜量，进而降低电动机的线圈的铜耗，提高了电动机的效率，同时分数槽集中绕组还降低了电动机的定位转矩，优化了电动机的空载反电动势波形。

所述电动机的输入电压为310V直流电，额定输入电流为4.6A，最大输入电流为10A。

如图7至图8所示，用于ETC的伺服电动机的控制系统，包括电动机，电动机包括电动机主体，电动机主体包括壳体1，壳体1内设置有转子以及定子，转子具有转轴和固定在转轴上的用于驱动的磁体，定子具有配置在磁体的外周的定子铁芯和用于产生旋转磁场的绕组，所述定子的内径为65-69毫米，定子上开设有定子槽21，定子槽21的数量为10～14个，定子由定子冲片2叠压而成；所述转子为表贴式结构的偏心磁钢转子，即所述磁体为偏心磁钢32，转子上开设有转子槽31，转子槽31的数量为7～9个，转子由转子冲片3叠加而成；所述定子冲片2的外径为122-128毫米；所述绕组为分数槽集中绕组；如图7所示，所述控制系统包括整流电路41、与整流电路 41相连的桥式逆变电路42，整流电路41与电源相连，桥式逆变电路42与电动机相连；所述分数槽集中绕组的每个线圈绕制在一个定子齿22上，且每个线圈嵌在两个相邻的定子槽21中；电动机的输入电压为200-240V交流电，频率为50赫兹或者60赫兹，功率为2千瓦，可以分别实现高速道闸0.6秒、0.3秒的两种起落杆的起落时间要求；整流电路41用于将220V的直流电转化成310V直流电，逆变电路用于将310V直流电转化成交流电；电动机功率密度高、功率因数高，噪声、振动低，通过驱动器结合行星齿轮减速箱输出大转矩，转矩输出平稳，动态响应特性好，可以频繁正反转运行。

由于该电动机转子磁路结构为表贴式转子，交直轴磁阻相等，所以我们采用Id＝0的控制方式，即电动机的反电动势相量E0与钉子电流相量I1同相，此时单位定子电流可获最大转矩或者说在产生所需求转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使电机铜耗下降，效率有所提高。由矢量控制系统图我们清晰的看出，采用了三个串联的闭环分别实现电动机的位置、速度、和电流控制。n和θ为传感器检测出的电动机实际转速和角度空间位移，ia、ib、ic为电流传感器检测出的实际定子三相电流值。转子位置实际值和指令值的差值作为位置控制器的输入，其输出信号作为速度的指令值，并与实际速度比较后作为速度控制器的输入。速度控制器的输出即为转矩的指令值。转矩的实际值可根据给定的励磁磁链和经矢量变换后的实际的Id和Iq由转矩公式求出，实际转矩信号与转矩指令值的差值经转矩控制器和矢量变换后，即可得到电机三相电流的指令值，，再经过空间矢量脉 宽调制(SVPWM)变换可实现电动机的控制。

由于ETC收费系统要精确地控制抬杆，落杆的时间，这就要求控制器可以精确地控制永磁同步电机的角速度，想要精确地控制永磁同步电机的角速度必须有能对永磁同步电机转子位置信息和电机转速信息提供实时反馈的传感器，本控制系统采用增量式光电编码器提供转子位置信息和电机转速信息，由于采用高精度2500线编码器，并将编码器安装在电机非负载轴端，所以可以精确地实时地提供永磁同步电机转子位置信息和电机转速信息，为后续的精确控制提供高精度的反馈。

三相交流电动机是一个耦合强、非线性、阶次高的多变量系统，它在三相静止坐标系里面的数学模型相当复杂，应用传统的控制策略对其实现交流调速有很大的困难，所以对该永磁同步电机的控制方法采用矢量控制的方法，将旋转的电枢绕组产生的磁场固定在q轴上(也就是与定子磁极轴线正交的轴)，定子磁极的轴线称为d轴，这样d磁动势Fd和q轴磁动势Fq空间正交且静止，便可以产生恒定的电磁转矩将电能持续地转换为机械能。

由于该永磁同步电机定子绕组是三相对称星形接法(Y)，我们通过坐标变换原理将其变换为两相旋转坐标系，具体变换过程如附图9所示：

用矩阵形式表示如下：

然后将静止的两相坐标系转换为随转子同步旋转的两相坐标系即派克变换(Park)，变换过程如附图10：

注：θ为转子d轴与定子绕组A相轴线的夹角。

用矩阵形式表示如下：

按照上述原理得到定子三相静止坐标系A、B、C与随转子同步旋转两相坐标系d、q之间的关系表达式，矩阵形式如下：

SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。

设直流母线侧电压为Udc，逆变器输出的三相相电压为UA、UB、 UC，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量UA(t)、UB(t)、UC(t)，它们的方向始终在各相的轴线上而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120°。假设Um为相电压有效值，f为电源频率，则有：

其中，θ＝2πft，则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U(t)就可以表示为：

U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍，Um为相电压峰值，且以角频率ω＝2πf按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量U(t)在三相坐标轴(a，b，c)上的投影就是对称的三相正弦量。

由于逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，特定义开关函数S_x(x＝a,b,c)为：

(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和两个零矢量U0(000)、U7(111)，下面以其中一种开关组合为例分析，假设S_x(x＝a,b,c)＝(100)，此时：

求解上述方程可得：UaN＝2Ud/3、UbN＝-Ud/3、UcN＝-Ud/3。同理可计算出其它各种组合下的空间电压矢量。

其中非零矢量的幅值相同(模长为2Udc/3)，相邻的矢量间隔60°,而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量，即：

或者等效成下式：

U_ref*T＝U_x*T_x+U_y*T_y+U₀*T₀

其中，Uref为期望电压矢量；T为采样周期；Tx、Ty、T0分别为对应两个非零电压矢量Ux、Uy和零电压矢量U0在一个采样周期的作用时间；其中U0包括了U0和U7两个零矢量。式(1-6)的意义是，矢量Uref在T时间内所产生的积分效果值和Ux、Uy、U0分别在时间Tx、Ty、T0内产生的积分效果相加总和值相同。

由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是如图1-3所示的圆形。所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压向量合成的技术，在电压空间向量上，将设定的电压向量由U4(100)位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到 的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。

本发明的用于ETC的伺服电动机，磁钢偏心使得电动机的每极气隙磁密分布近似正弦波形，谐波含量极少，电动机性能尤其是由于谐波分量引起的振动和噪声很小，可以做到低振动和低噪音以及低转矩波动的效果，有效的降低了电动机的转矩波动，优化了空载反电动势波形，使得电动机可以持续高效、平稳地工作；行星齿轮减速箱使得的电动机的外形尺寸较小，且传动效率高达95％以上；分数槽集中绕组降低绕组的用铜量，同时降低了电动机的定位转矩，优化了电动机的空载反电动势波形；电动机功率密度高、功率因数高，噪声、振动低，通过驱动器结合行星齿轮减速箱输出大转矩，转矩输出平稳，动态响应特性好，可以频繁正反转运行。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。