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专利名称：电动机转子位置检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电动机转子位置的检测装置，尤其涉及一种适用于自控式永磁同步电动机调速系统的转子位置检测和初始定位装置。
背景技术：
永磁同步电动机调速系统被适用于快速、准确、精密的位置控制领域，尤其被广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化、数控机床、工业自动缝制设备等领域。
由于永磁同步电动机转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间分布上分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动式波形也就有正弦波、梯形波两种。这里以正弦型永磁同步电动机调速系统(PMSM)为例来介绍永磁电动机的矢量控制模型。
在这儿，我们假设电动机是线性的，其参数不随温度等变化，并忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼绕组。
转子坐标系(d-q轴系)中的永磁同步电动机定子磁链方程为Ψsd＝Ldisd+ΨrΨsq＝Lqisq式中，Ψr--转子磁钢在定子上的耦合磁链；Ld、Lq--永磁同步电动机的直、交轴主电感；isd、isq--定子电流矢量的直、交轴分量。
PMSM的转矩方程为Td＝pm(Ψsdisq-Ψsqisd)＝pm[Ψrisq+(Ld-Lq)isdisq]式中，pm--电动机的极对数。
从上式可以看出，永磁同步电动机的电磁转矩Td基本上取决于定子交轴电流分量isq和直轴电流分量isd。在永磁同步电动机中，由于转子采用钕铁硼等永磁材料，磁链恒定不变，故采用转子磁链定向方式来控制用磁同步电动电动机。
所谓转子磁链定向控制，就是把定向坐标系的M轴定向在转子磁链矢量Ψe上，并与它同步旋转，即M轴与转子的几何轴线d轴重合。由于M-T轴系与d-q轴系重合，M-T轴系的同步电动机数学模型实际上也是d-q轴系上的数学模型，把矢量在d、q轴上分解，并考虑到转子磁链定向，可得到转矩方程为Td＝pmLmdΨeisT/LeLmd和Le均为电动机的结构常数。
如上式所示，同步电动机转子磁链定向控制时，转矩Td只与转子磁链Ψe及定子电流的转矩分量isT(isq)成正比，且Ψe和isT相互解偶，彼此独立，只要很好地控制转子励磁电流ie和定子电流的励磁分量isM，保持转子磁链Ψe幅值恒定，则电磁转矩Td只受定子电流的转矩分量isT控制，这样同步电动机的矢量控制变频调速就和直流他励电动机的调压调速具有完全相同的品质。
由于磁链Ψe和isd、ie的关系复杂，为了简化控制系统，可把定子电流矢量始终控制在T轴(q轴)上，即定子电流无M轴(d轴)励磁分量，isq＝is，即isd＝0，那么转子磁链为一恒定值，电磁转矩只与定子电流的幅值成正比。也就是定子电流全部用来产生转矩，电磁转矩方程为Td＝pmΨris通过以上分析，我们知道，只要能准确地检测出转子空间位置(d轴)，通过控制逆变器使三相定子的合成电流(磁动势)位于q轴上，那么，永磁同步电动机的电磁转矩Td只与定子电流的幅值is成正比，即只要很好地控制定子电流的幅值，就可以很好地控制电磁转矩Td。
电动机转子位置的检测包括对转子初始位置的检测、电机运行后转子位置的检测，并通过相应的软件处理，得到转子在空间上高精度的绝对位置。对转子初始位置的检测主要是使电动机调速系统逆变器能够正确换相，以控制电动机的正常运转。电机运行后转子位置的检测主要是为了满足需要快速、精确、精密的位置控制场合，其主要是细分空间角度，以提高了转子位置的检测精确度。它的输出为空间相对角度。
通过前文所述，要能准确地检测出转子空间位置(d轴)，只知道精确的相对角度是不行的，通常电机起动后，在检测到转子初始位置检测装置送出的某一路信号沿时，开始对电机运行转子位置检测装置送出的脉冲记数，以次推算出高精度的转子空间绝对位置。
转子位置检测器一般都做成无接触式，有多种不同的形式，永磁同步电动机的转子检测方法比较常用的是磁敏式和光电式。
磁敏式检测方法是利用磁敏元件来反映转子位置，送出一组位置信号。它要求和同步电动机转子同轴相连的检测器转子为永磁结构，并和同步电动机的极对数相同，在检测器定子上安装磁敏元件。由于受极对数的限制，分辨率一般做不高。所以应用场合有限。
光电式检测方法，是利用光电元件，对带有槽口(或栅格)的旋转圆盘(光栅片)的位置进行检测。输出一系列反映转子位置的脉冲信号，检测分辨率高，适合检测高速运转的电动机。
然而，传统的光电式检测电动机转子初始位置时，需要通过调整码盘位置，使检测装置的输出波形与定子感应电动势波形形成合适、唯一的对应关系，实际操作十分麻烦。不利于大批量的生产。

发明内容
本实用新型的目的在于提供一种电动机转子位置的检测装置，其能精确检测高速运转的电动机的转子位置，并能避免在检测电动机转子初始位置时，需要调整码盘位置的弊端。
为达到上述目的，本实用新型提供的电动机转子位置的检测装置，其包含一转子初始位置检测电路板，一电机运行转子位置检测电路板，一光栅片；所述的光栅片安装在电动机轴上；所述的转子初始位置检测电路板、电机运行转子位置检测电路板安装在电动机的后端盖上；所述的电动机机座内表面、所述的电动机定子矽钢片圆柱体侧面分别做一标记；所做标记用以确定电机定子绕组与机座的位置关系，使得给定定子电流的情况下，定子磁场在空间有确定的位置关系。
所述的转子初始位置检测电路板上设置有3个反射式光电传感器，该3个反射式光电传感器在空间上呈60度间隔做圆周分布；
所述的电机运行转子位置检测电路板上设置有一光电增量编码器；所述的3个反射式光电传感器和所述的光栅片相配合，对转子初始位置进行检测；所述的光电增量编码器和所述的光栅片配合，对电动机运行过程中转子的相对位置进行检测。
所述的光栅片上对称设置有若干对用于转子初始位置检测的遮光部分、透光部分，且遮光部分和透光部分顺次沿360度圆周均匀分布。
所述的光栅片上还设置有若干用于电动机运行过程中转子相对位置检测的光栅格，所述光栅格和所述遮光部分、透光部分设计在同一块矽钢片上。
所述的光栅片内圆上，设有一光栅片凸块；所述的电动机转子位置的检测装置还包含一光栅片底座，该光栅底座上设有和该光栅片凸块适配的光栅导向槽；所述光栅片固定于该光栅片底座上。
所述的电动机轴上设有2个定位孔，所述的光栅片底座上设有与其相配的2个定位孔；所述光栅片底座通过上述定位孔并相配锁紧螺丝固定于电动机轴上；所述的光栅片为180线光栅片，或360线光栅片。
本实用新型能精确检测高速运转的电动机的转子位置，并能准确测出电动机转子初始位置，按照电动机顺时针或者逆时针旋转的要求对应的逆变器换相时序来控制逆变器换相，保证永磁同步电动机的正常工作。避免在检测电动机转子初始位置时，需要调整码盘位置的弊端。且其设计简单，实现方便。


图1为本实用新型安装于电动机轴上的剖面示意图；图2-1、图2-2为本实用新型中电路板的示意图；图3-1为电动机轴示意图；图3-2、图3-3为光栅片底座示意图；图4-1，图4-2为本实用新型中光栅片的示意图；图5为Y形连接绕组三相全控桥式逆变电路模型示意图；图6为电动机调速系统逆变器的换相位置检测装置输出波形；
图7为本实用新型中增量式光电编码器的2路输出信号示意图；图8为检测给定电流的情况下，验证转子位置一致性的说明图。
具体实施方式
以下根据图1至图8，说明本实用新型的一较佳实施方式。
如图1所示，为本实用新型提供的电动机转子位置的检测装置1安装于电动机轴2上的剖面示意图；本实用新型包含转子初始位置检测电路板11，电机运行转子位置检测电路板12，它们都固定在电机后端盖3上。本实用新型还包含光栅片13，其安装于光栅片底座14上并安装于电动机轴2上。
如图2-1、图2-2所示，为本实用新型中转子初始位置检测电路板11、电机运行转子位置检测电路板12的示意图。电路板11上设置有3个反射式光电传感器111、112、113。该3个反射式光电传感器111、112、113在空间上呈60度间隔做圆周分布。电路板12上设置有光电增量编码器121。
如图3-2、图3-3所示，为光栅片底座示意图；光栅片13安装在光栅片底座14上。光栅片底座14可采用质轻铝材制造，并在其上设有光栅片导向槽141。
如图4-1，图4-2所示，为本实用新型中光栅片13的示意图；光栅片13可采用180线光栅片131，或360线光栅片132。光栅片131(132)上，设有应用于电动机转子初始位置检测的透光部分1311(1321)、遮光部分1312(1322)；以及应用于电动机运行过程中转子位置检测的光栅格1313(1323)；可将透光部分1311(1321)、遮光部分1312(1322)和光栅格1313(1323)设计到同一块矽钢片上。简化了设计、节省了空间。
另外，在光栅片131(132)内圆上设计了一个光栅片凸块1314(1324)。安装时，光栅片131(132)沿光栅片导向槽141放到光栅片底座14上，如图3-2所示，且光栅片凸块1314(1324)配合光栅片导向槽141，并加上其他一些紧固件(如卡簧142，平垫143，波纹垫片144、压环145等)使光栅片13相对于光栅底座14位置固定。
如图3-3所示，光栅片底座14上，还有2只定位孔1461、1462。如图3-1所示，电机轴2上同时也设有2只定位孔21，可以利用紧定螺丝，将已装设有光栅片的光栅底座14固定到电机轴2上，从而保证了不同电机光栅片与电机转子有固定的位置关系。
如图5所示，为Y形连接绕组三相全控桥式逆变电路模型示意图。其中，U1为直流母线电压，VF1～VF6为功率开关管。Hall_A、Hall_B、hall_C为应用本实用新型后3个反射式光电传感器111、112、113的输出信号，经过译码电路、电压变换电路来驱动6只功率开关管的导通和关断。
逆变器(未在图中示出)按照表一所示的6个工作状态S1～S6循环一次，电机就转动一周。

表一永磁同步电动机调速系统逆变器的6个换相状态表一中，Hall_A、Hall_B、Hall_C三列0代表输出为低电平；1代表输出为高电平。在这儿，我们以永磁同步电动机，转子为2对极为例，所以转子旋转一周对应2个转子磁场正旋波，即2×360°＝720°的电角度。3个反射式光电传感器111、112、113在空间呈60度间隔作圆周分布，配合光栅片131(或132)上的光栅格，既透光部分1311(1321)、遮光部分1312(1322)工作，Hall_A、Hall_B、Hall_C的输出波形为相序120°电角度的方波，如图5所示。
本实施例中，由于永磁同步电动机转子为2对极，所以光栅片上的遮光部分1311(1321)、遮光部分1312(1322)为两对，沿360度圆周均匀分布。如图4-1、图4-2所示。
表一中，VF1～VF6六列中ON表示相应的功率开关管处于导通状态；OFF表示相应的功率开关管处于关断状态。不同的功率开关管的导通、关断组合，构成了逆变器的6个工作状态S1～S6。
假设并约定逆变器S1-S2-S3-S4-S5-S6-S1的工作时序对应电动机顺时针方向转动；S6-S5-S4-S3-S2-S1-S6的工作时序对应电动机逆时针方向转动。在每次控制设备上电运行前的瞬间，主控制器会检测3个反射式光电传感器的输出信号，然后决定电机在本次运转过程中，逆变器的工作时序。
举例来说，假设电机按顺时针方向旋转。在电动机运转之前，主控制器检测到Hall_A、Hall_B、Hall_C的输出信号为011，逆变器就会按照S3-S4-S5-S6-S1-S2-S3的工作时序控制相应功率开关管的导通和关断，以驱动电机正常运转。
对于2对极永磁同步电动机，3个反射式光电传感器111、112、113配合光栅片131(或132)，组成转子初始位置的检测装置，提供了3路相序间隔为120°电角度的方波，如图6所示。能反映转子的空间绝对角度，其分辨率为60°电角度，即30°空间机械角度。
如上所述，在每次控制设备上电运行前的瞬间，主控制器会通过转子初始位置检测装置，得到逆变器某一工作时序，然后驱动电机转动，在检测得到到转子初始位置检测装置送出的某一路信号沿时。开始对电机运行转子位置检测装置送出的脉冲记数，依次推算出高精度的转子空间绝对位置。主系统就可以完成对电机快速、准确、精密的位置控制。
本实用新型中，采用内部带比较器及透镜的光电增量编码器121、180线光栅片131(或者360线光栅片132)配合工作，检测电机运行过程中转子的相对位置。增量编码器的输出为2路正交方波A、B的波形如图7所示。主驱动器将检测到的2路正交方波作四倍频处理，对转子位置检测的精确度可以提高4倍。以180线光栅片为例说明光栅格1313间隔1°，转子位置的检测分辨率为1°。主驱动器经过四倍频处理其分辨率提高到0.25°。
如背景技术中所述，永磁同步电动机调速系统只要很好地控制定子电流的幅值，就可以很好地控制电磁转矩。定子各相电流的给定，需要参考的因素之一就是转子实时的空间绝对位置，转子位置的检测精度越高，给定的电流合成的定子磁场波形越逼近正弦波，系统的性能越好。
通常来说，电机生产厂家多数不提供电动机转子位置的检测装置，每台电机定子绕组在装入机座时并没有精确的位置要求，使得不同电机在给定相同定子电流的情况下，其定子磁场在空间位置不唯一，使得转子所处的位置也不唯一。如图8所示将电机B、C相电源引出线短接，加U＝5V，I＝500mA的直流电，此时给定的电流会在空间形成固定的定子磁场，与电机转子上的永磁体形成的磁场相互作用，作用力会驱使转子旋转到某一固定位置。
通常每台电动机转子的位置都不相同。这就解释了，为什么传统的光电式传感器检测电动机转子初始位置时，需要通过调整码盘位置，使检测装置的输出波形与定子感应电动势波形形成合适、唯一的对应关系。究其原因，是同一型号不同台次的电机在给定电流的情况下，合成的磁场波形在空间位置不一致。
由于通常同一型号的电机，定子绕组之间的绕制差异、矽钢片的叠装工艺的差异都可忽略不记。在本实用新型中，为解决上述问题，在电动机机座内表面和定子矽钢片圆柱体侧面分别做一标记，在定子线圈压入机座时，利用特制的夹具让2个标记对准，然后将定子及矽钢片组件压入机座内。该制造工艺可以保证同一型号不同台次的电机，在给定电流的情况下，合成的磁场波形在空间位置有较高的一致性，本公司的产品可控制在±2.5°以内。
本实用新型具有结构简洁、生产工艺简单、成本低廉、可靠性高、安装免调试的优点。并能准确测出电动机转子初始位置，按照电动机顺时针或者逆时针旋转的要求对应的逆变器换相时序来控制逆变器换相，保证永磁同步电动机的正常工作。同时能避免在检测电动机转子初始位置时，需要调整码盘位置的弊端。
权利要求1.一种电动机转子位置的检测装置，特征在于，其包含一转子初始位置检测电路板，一电机运行转子位置检测电路板，一光栅片；所述的光栅片安装在电动机轴上；所述的转子初始位置检测电路板、电机运行转子位置检测电路板安装在电动机的后端盖上；所述的电动机机座内表面、所述的电动机定子矽钢片圆柱体侧面分别做一标记；该标记确定安装时电机定子绕组与机座的位置关系；所述的转子初始位置检测电路板上设置有3个反射式光电传感器，该3个反射式光电传感器在空间上呈60度间隔做圆周分布；所述的电机运行转子位置检测电路板上设置有一光电增量编码器；所述的3个反射式光电传感器和所述的光栅片相配合，对转子初始位置进行检测；所述的光电增量编码器和所述的光栅片配合，对电动机运行过程中转子的相对位置进行检测。
2.如权利要求1所述的电动机转子位置的检测装置，其特征在于，所述的光栅片上对称设置有若干对用于转子初始位置检测的遮光部分、透光部分，且遮光部分和透光部分顺次沿360度圆周均匀分布。
3.如权利要求2所述的电动机转子位置的检测装置，其特征在于，所述的光栅片上还设置有若干用于电动机运行过程中转子相对位置检测的光栅格，所述光栅格和所述遮光部分、透光部分设计在同一块矽钢片上。
4.如权利要求1或3所述的电动机转子位置的检测装置，其特征在于，所述的光栅片内圆上，设有一光栅片凸块。
5.如权利要求4所述的电动机转子位置的检测装置，其特征在于，所述的电动机转子位置的检测装置还包含一光栅片底座，该光栅底座上设有和该光栅片凸块适配的光栅导向槽；所述光栅片固定于该光栅片底座上。
6.如权利要求5所述的电动机转子位置的检测装置，其特征在于，所述的电动机轴上设有2个定位孔，所述的光栅片底座上设有与其相配的2个定位孔；所述光栅片底座通过上述定位孔并相配锁紧螺丝固定于电动机轴上。
7.如权利要求2或3所述的电动机转子位置的检测装置，其特征在于，所述的光栅片为180线光栅片，或360线光栅片。
专利摘要本实用新型涉及一种电动机转子位置的检测装置，其包含一转子初始位置检测电路板，一电机运行转子位置检测电路板，一光栅片；光栅片安装在电动机轴上；转子初始位置检测电路板、电机运行转子位置检测电路板安装在电动机的后端盖上；电动机机座内表面、所述的电动机定子矽钢片圆柱体侧面分别做一标记；该标记确定安装时电机定子绕组与机座的位置关系；转子初始位置检测电路板上设置有3个反射式光电传感器，该3个反射式光电传感器在空间上呈60度间隔做圆周分布；电机运行转子位置检测电路板上设置有一光电增量编码器；其能精确检测高速运转的电动机的转子位置，并能避免在检测电动机转子初始位置时，需要调整码盘位置的弊端。
文档编号G01R31/34GK2708330SQ20042002022
公开日2005年7月6日 申请日期2004年2月17日 优先权日2004年2月17日
发明者甄力, 钱敏, 郭惠君 申请人:上海鲍麦克斯电子科技有限公司