本发明是关于精密确定高速旋转轴角位置的传感器和这种角位置传感器联用的高性能同步驱动装置。 就当前技术而言，许多的交流驱动装置、工业输送机、定位系统、以及自动操作装置都用了受控的电流源电子变换器，以便获得良好的性能。为了得到能精确限定与机械位置有关的幅度和相位的受控电流，就要用高分辨的位置传感装置来提供一个适当的相位基准。通常，用诸如解算器、磁和光编码器、霍尔传感器等装置来达到这个目的。然而，有许多应用场合，采用更为结实的装置往往是有好处的，这种装置要可以在高速、高温、高振动的条件下和受污染地环境中工作。例如，喷油致冷变速同步马达驱动装置要在超过200℃的温度条件下供出获得0至30，000rpm（转/分）的受控转矩。这类装置可以在将电机作为启动飞行器发动机的同步马达工作的飞行器电机系统中找到。上面提到的诸如解算器、磁向光编码器、霍尔传感器之类的装置，安装在这类场合下使用起来就不够结实。由于涡轮发动机必需在螺旋桨反向自转的条件下能够启动，这使问题更为复杂。
通常，飞行器启动电机有一个用作应急电源和起控制作用的永磁电机。
本发明的主要目的是推出一种经改善的具有高分辨力的高速旋转轴位置传感器。
本发明的附属目的是推出一种在旋转轴动态通过0rpm时能提供精确位置信息的位置传感器。
本发明的另一处主要目的是推出一种经改善的交流同步驱动装置。
本发明的再一个目的是推出一种经得信住恶劣环境的可靠的传感器和交流驱动装置。
本发明还有一个目的，就是推出一种经改善使校准容易的交流驱动器。
本发明所推出的一种精确的高速旋转轴角位置传感器实现了这些目的和另外一些目的。这种精密传感器用了一个与旋转轴和电路相连的多相永磁电机（PMG），电路根据永磁电机所产生的多相信号产生一个旋转轴角位置信号。这个电路最好是一个锁相环，通过将基准信号的各相与永磁电机输出的相应相比较，产生一个相位误差信号，用来产生旋转轴角位置信号。旋转轴角位置信号又确立了按DMG输出锁相的基准信号的相位。PMG输出信号在与转子基准信号比较前被积分器积分。这些经积分的PMG输出的幅度在转子动态过零时可以维持不变，这样，就在旋转轴改变方向时仍能精确指示轴的位置。通过将经积分的PMG输出的绝对幅度与一个基准信号比较，得出轴过零时有关角位置信号的真实性的指示。当轴逐渐停止再反向旋转时，只要速度变化率超过某一个最小值，角位置信号就仍然是真实的。
这种旋转轴位置传感器尤其可以用于高性能同步交流驱动装置。转子角位置信号用来产生一个多相电流基准信号，提供给一个产生同步马达定子电流的大功率电流源。在角位置传感器的锁相环中所产生的多相转子基准信号可以用作多相马达电流基准信号。或者，用来自数字转子角位置信号的一组交流波形合成的一个独立电流基准信号发生器来产生多相马达电流基准信号去控制大功率电流源，而用位置传感器锁相环中的转子基准信号发生器来产生与转子角位置信号有一选定相位差的多相马达基准信号，以便按转子的实际角位置校准转子角位置信号。这就消除了机械地调整马达轴上的PMG转子来获得马达所需的转矩角的需要。
用了本发明所推出的驱动装置，即使在螺旋桨反向自转的情况下马达也能启动。从静止初始启动时，只要经积分的PMG信号还没有达到予置的幅度，就一直有一个独立的基准信号，在转子角频率大致为零的情况下启动马达，以一定比率加速。这样，在得到可用的PMG电压前，马达将开始加速。
本发明所推出的同步马达的位置传感器和控制系统非常结实，甚至在相当恶劣的环境下也十分可靠。
从下面参照附图对优选实例所作的说明中可以充分地理解本发明。这些附图中：
图1为按本发明所推出的一种旋转轴角位置传感器的原理图;
图2为用来将永磁电机的各路输出积分、构成图1所示传感器部件的另一种结构的原理图;
图3为一种配上图1角位置的传感器的同步驱动装置的电原理图;
图4示出了另一个配上图1角位置传感器并带有相位校准的同步驱动装置实例。
图1示出了按本发明所推出的一种位置传感器1，用来产生一个表示旋转轴3的绝对角位置的信号。位置传感器1含有一个由轴3驱动的多相永磁电机（PMG）5。例如，PMG5可以是一个二极三相电机，每转产生一个电周期。当轴3旋转时，在引线7a、7b和7c上的开路电压是一组三相电压，相对幅度与轴3的位置有关。这组电压的幅度和频率与速度成正比，因此，轴3必须转动起来才能开始确定其位置。为了得到在很宽的频率范围肉保持基本恒定的信号，PMG5的输出馈送到三个运算积分器9a、9b和9c。由于一个积分器的增益本来就与频率成反比，因此经积分的输出电压与从PMG5得到电压相比具有较低的谐波成分，更为精确地表示了相位关系。为了防止交流积分器9的输出的漂移，特意在各积分电容的两端跨接了泄漏电阻（未示出）。为了使误差降至最小，通过低偏置、低输入偏置电流使所选的运算放大器最优化并同时选定积分电容和泄漏电阻的值，使得在整个额定的速度范围内相位误差不超过所要求的公差。实际上可以达到在超过15-20，000rpm的速度范围内，相位误差低于2°。在很低的速度（1-15rpm）上，可以算出相位误差和总的降低振幅。这个相位误差仅持续低速运行时才显得重要。
用来对各交流积分器输出的相位进行跟踪的专用锁相环11产生一个指示轴位置的二进制编码信号。三相锁相环11有三个分别以相乘数模变换器13a、13b、13c构成的相位比较器，将模拟的经积分的PMG输出的各相分别与由基准信号发生器所产生的数字三相基准信号的相应相乘。基准信号发生器是一个存储在只读存储器（RPM）15内的一个三相正弦查找表。加法器17对各乘法数模变换器13所产生的模拟的相位误差信号求和。合成的总相位误差信号由误差积分器19积分，得到一个经积分的总相位误差信号。这个经积分的总相位误差信号的幅度由绝对值电路21提取，加到一个压控振荡器（VCO）23上，压控振荡器23产生一个频率随经积分的总相位误差信号的辐度成正比变化的脉冲信号。这个可变的脉冲信号加到一个数字计数器25计数器根据由极性检测器27所检测出的经积分的总相位误差信号的极性向上或向下计数。
计数器25的输出是数字的二进制轴位置信号θ。这个二进制轴位置信号用来对存储在RPM15的三相正弦查找表进行访问，RPM15产生三相转子位置基准信号。
锁相环电路11将二进制轴位置信号θ按多相PMG信号进行相位锁定。从锁相环电路11还可以取得另外一些信号，例如，由该差积分器19所产生的与轴3旋转速度成正比的经积分的总相位误差信号。此外，极性检测器27的输出提供了轴旋转方向的一个数字，而VCO23所产生的频率可变信号可取为一个按PMG电压锁相的时钟信号。
如前所述，在很低的速度上，传感器1会产生一个能被算出的相位误差。为了指示是否存在这个相位误差，幅度一直流变换器29将交流积分器9的输出的幅度变换成一个直流信号。该直流信号通过一个低通滤波器31后，在比较器33内与一个可以由电池35提供的最小电压基准进行比较。电池35提供的那个电压选择成稍低于渐近电平，使得比较器33的状态可以指示什么时候锁相环11所产生的数据是真实的。对于交流积分器频率动态过零旋转改变方向时并不在低速驻留的情况，则交流积分器输出的幅度不会有明显的跌落，不会出现多大的相位误差。
位置传感器1的工作情况如下。当相位锁定到正向旋转着的PMG5上时，产生出正序列波形，二进制计数器25向上计数。然后，根据计数器25的输出访问ROM查找表15，得出相位超前交流积分器9的电压90度的一组三相正弦波的二进制表示。在这种情况下，相乘数模变换器13的各路平均输出和加法器17的输出均精确为零，因此误差积分器19和VCO23的输出都保持不变。
如果计数器25所产生的二进制读数开始落后于交流积分器输出的相位，则相乘数模变换器13的各路平均输出和加法器17的输出都成为正的，这使误差积分器19的输出电压和VCO23的频率增加，从而计数器25所产生的二进制计数就前进得快一些，直到重新获得正确的相位关系为止。
如果计数器25所产生的二进制读数开始超前于交流积分器9输出的相位，则相乘数模变换器13的各路平均输邮和加法器17的输邮都成为负的，这使误差积分器19的输出电压和VCO23的频率降低，从而由计数器25所产生的读数就前进得慢的些，直到重新获得正确的相位关系为止。
当相位锁定到反向旋转着的PMG5时，产生出负序列波形，而极性检测器27将使计数器25工作在向下计数的模式。ROM查找表15的输出现在就产生出一个相位超前积分器电压90度的一组三相正弦波负序列的二进制表示。相乘数模变换器13的各路平均输出和加法器17的输出都精确为零。误差积分器19的输出为负值，然而通过绝对值电路21还原成一个正电压，加在VCO23的输入端。VCO23的频率将保持不变。如果二进制读数开始落后于交流积分器9的输出的相位，则相乘数模变换器13的各路输出和加法器17的输出成为正的，这使积分器输出的负电压的绝对值减小，从而使加在VCO23上的正输入电压减小，因此VCO23的频率降低，二进制计数器25向下计数就慢一些，直到重新获得正确的相位关系。
如果由计数器25产生的二进制读数开始超前于相乘数模变换器13的输入的相位，则这些变换器的输出和加法器17的输出成为负值，这使误差积分器19输出的负电压的绝对值增大，从而使绝对值电路21的输出和VCO23的频率增大，因此由计数器25所产生的读数就向下进得更快一些，直到重新获得正确的相位关系为止。
在零频率上，理想情况是误差积分器19的输出和VCO23的频率为零，而读数维持不变。实际上，由于误差积分器19和VCO23有偏置误差，误差积分器19的输出将在零电平附近缓慢地上下漂移，极性检测器27就会使计数器上下计少量的数，因此而使零频率上平均读数依然表示了输入信号的相位。
如果PMG5安装得偏离了所要求的角度，通过在ROM15中加装一组具有相应位移的正弦查找表就能校正作为结果的二进制输出的精度。实际上，很容易得到具有能容纳几组相隔不多度数的正弦查找表的空间的各种ROM，只要用一些开关从许多所需组中选出对这二进制输出正确定相的那组问题就解决了。如果希望根据速度或其它某个参量来改变输出定相，则可以用一个经适当的解码数字信号来代替这些开关。
作为另一种用交流运算积分器9来产生经积分的PMG多相信号的方法，可以用导线37将PMG的各输出短路，而用电流传感器39通过传感短路线中的各路电流来产生三相经积分的PMG输出，如图2所示。
另一种可提供更高精度的基本变型是采用一个具有多于一对极的PMG5。对于这PMG的每个电周期重复得出最终输出。
位置传感器1能在相当宽的速度范围内精确地指示轴的位置，并且，即使在速度动态过零时也能保持精确跟踪。当轴的运行长期驻留在低速而引起某个可预测的角误差时，“真实”指示器会被复位。
这种轴位置传感器例如可用于高速驱动装置中。图3示出了这种驱动装置的一个例子。在三相同步马达45的轴43上整体地装有一个12极三相PMG41。为了在较宽的速度范围内从PMG41得到振幅恒定的三相信号，三个具有规定泄漏电阻的交流积分器9a、9b、9c都装有精密的低偏置放大器。从这些积分器9a、9b、9c得到的输出形成了一组三相电压，其瞬时幅度精确地表示了在很宽的速度范围（1-20，000rpm）内的轴位置。锁相环11′在可逆数字计数器25中产生一个表示马达45转子电相位的8位二进制基准角度，其分辨率电角度为1.4°或机械角度为0.23°。
锁相环11′基本上与结合图1所示的轴位置传感器说明的锁相环11相同，因此相同的元件就标以相同的标号。由ROM15所产生的三相数字正弦基准信号除了要与经积分的三相PMG输出比较外，还用作为受控电流变换器47的一个基准。受控电流变换器47有一个为三相脉冲宽度调制变换器51产生三相电压基准的模拟三相电压基准发生器49。变换器51产生马达45的三相定子电流。闭合的反馈回路53保证了定子电流Ia、Ib、Ic对ROM15所产生的三相电流基准信号的跟踪。该反馈回路53包括一对电流传感器55、57，一个产生第三电流基准的加法器59，以及三个产生三相电流基准信号与定子电流间的误差信号（用来调节电压基准发生器49）的加法器61、63、65。在收到启动信号前，计数器25产生的二进制基准角度的频率由一个加在误差积分器19上的预置信号预置为零。当从零或非常低的速度启动时，二进制基准角度没有得到锁相，因此是不真实的。此时，由真实信号控制的模拟开关67将从误差积分器19上断开总相位误差信号，而代之以电池69提供的一个最小加速度基准信号。因此，当预置信号移去时，电池69提供的最小加速度基准信号将使VCO23产生的基准频率线性上升，从而变换器51产生的定子电流对马达45的转子正向加速。在启动马达时，变换器51上还加有启动信号，使变换器点火电路工作。一旦转子开始转动，锁相环11′就会进行锁相，交流积分器的输出将达到一个足以产生一个“真实”信号的幅度。当收到“真实”信号时，电流基准波形发生器15转成由加法器17产生的相位误差信号控制，对基准的相位进行调整，使得变换器产生的定子电流相对转子位置锁定到一个按照在整个速度范围内均能得到最佳转矩所选定的角度上。
马达速度由速度所馈回路71控制，其中，幅度/直流变换器73根据PMG41的三相输出产生一个速度反馈信号。速度反馈信号由低通滤波器75滤波后加到加法器77，与一个速度基准信号比较，从而产生一个速度误差信号，加到电流基准波形发生器15去控制电流基准信号的幅度（用作变换器51的一个设定点）。当达到所需转速时，通过减小该电流的幅度，使转矩降低为满足总机械负载所需的大小。
按照本发明构成的另一种同步马达驱动装置示于图4。同样，对于与图3所示同步驱动装置和图1所示传感器中的器件相同的那些器件仍标以同样的标号。在这种驱动器中，在构成锁相环11′的基准波形发生器15′的ROM中所产生的基准波形并不用作受控电流变换器47的电流基准。而是有一个独立的ROM电流基准波形发生器15′根据控制变换器47的二进制基准角度信号来产生三相电流基准。有多组三相正弦查找表存储在锁相环11′的ROM15′中，每组查找表产生一组相对二进制基准角度信号具有一个不同的相位关系的基准信号。这样就能选出合适的一组查找表，按马达转子的位置来校正二进制基准角度信号的相位。选择合适的一组正弦查找表还能调整转矩角。
在图4的同步驱动装置中由电流基准幅度控制器79提供开环速度控制。然而，图4的驱动装置也能采用结合图3所说明的闭环反馈系统。
虽然已经对本发明的一些具体实例作了详细说明，但对于熟悉该技术的人都很清楚，在所揭示的全部技术的基础上可以对那些部件进行修改和变型。因此，所揭示的这些具体结构只是示例性的，并不对由所附权利要求的整个外延和内涵给定的本发明的范围有所限制。
附图标号表示的部件
图例 标号 图号
3相正弦查找表 15 1
3相电流基准发生器 15 3
3相电流基准发生器 15″ 4
3相正弦查找表 15′ 4
绝对值电路 21 1
绝对值电路 21 3
绝对值电路 21 4
压控振荡器 23 1
压控振荡器 23 3
压控振荡器 23 4
极性检测器 27 1
极性检测器 27 3
极性检测器 27 4
幅度/直流变换器 29 1
幅度/直流变换器 29 3
幅度/直流变换器 29 4
低通滤波器 31 1
低通滤波器 31 3
低通滤波器 31 4
3相永磁电机 41 3
3相永磁电机 41 4
3相电动机定子 45 3
3相电动机定子 45 4
模拟3相电压基准发生器 49 3
模拟3相电压基准发生器 49 4
3相脉宽调制变换器
启动/停止 51 3
3相脉宽调制变换器
启动/停止 51 4
幅度/直流变换器 73 3
低通滤波器 75 3
电流基准幅度控制器 79 4