CN102148599B - 开关磁阻电机的角度位置检测器与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明开关磁阻电机的角度位置检测器与检测方法属于机电类的开关磁阻电机领域，特别涉及一种开关磁阻电机角度控制的位置检测器及检测方法。角度位置检测器具有N个静止的传感器和一个旋转的感应器；传感器采用光电传感器或磁敏传感器。当采用光电传感器时，感应器的结构为爪形结构，即感应器是齿和齿槽宽度不相等的爪形遮光盘，其齿的极弧角β根据控制策略所要求的最佳开通角来确定。当采用磁敏传感器时，感应器的结构为盘形结构；检测方法是通过改变感应器的极弧角来获得控制策略所需的开通角来进行位置检测。本发明提供了一种结构简单、实现方便、坚固可靠的角度位置检测器，可显著改善开关磁阻电机的电流波形，提高电机的效率，减小振动和噪声。

Description

开关磁阻电机的角度位置检测器与检测方法

技术领域

本发明属于机电类的开关磁阻电机领域，特别涉及一种开关磁阻电机角度控制的位置检测器及检测方法。

背景技术

开关磁阻电动机传动系统是一种新型机电一体化交流调速系统，主要由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器和位置检测器四部分组成。其中，位置检测的目的是确定电机定子与转子的相对位置，作为控制功率变换器主开关器件通断的依据。目前，开关磁阻电机传动系统普遍采用光敏式位置检测器，它是由固定在定子上的光电传感器和与转子同轴旋转的感应器(俗称遮光盘)组成的。光电传感器通常是U型结构，其发射器即发光二极管，接收器即光敏三极管，它们分别位于U型槽的两侧，并形成一个光轴，当物体经过U型槽且阻断光轴时，光电传感器就产生开关信号。感应器有齿和齿槽，其齿、齿槽数等于转子极数。感应器的齿或齿槽通过光电传感器的U型槽，就使光敏元件导通或关断，产生包含转子位置信息的周期性脉冲信号。由于现有检测器均采用齿和齿槽宽度相等的感应盘，每个光电传感器产生的脉冲信号的高低电平宽度相等。相隔一定角度的N路位置脉冲组合，如四相电机N＝2，三相电机N＝3，在一个通电周期内产生2N种宽度均匀的位置信号状态。这种位置检测器能够确定各相绕组的通断时刻，但不能用于开关磁阻电机的角度控制。同时，这种检测器检测到的绕组换相时刻也不是最佳的开断时刻。

对于三相12/8极开关磁阻电动机，安放在定子上的三个光电传感器在空间依次相差15°+k×45°机械角度(k＝0，1，2，…)，其中第一个光电传感器的光轴与某相的一个磁极中心重合。感应器为8齿8齿槽结构，齿和齿槽各占22.5°。为了方便定位，感应器的齿中心与转子极中心对齐。其位置信号每隔7.5°机械角度即60°电角度，发生一次跳变。在一个通电周期内，位置信号有6种状态。由此位置信号控制的各相绕组的开通角为3.75°机械角度即30°电角度，关断角为18.75°机械角度即150°电角度。由于开通角较大，绕组电流的上升时间不足，致使电机产生有效转矩的时间短，产生一定转矩所需的电流峰值大，并在续流期间产生较大的反向转矩，造成电机运行效率不高，且会产生很大的振动。为解决上述位置检测器确定的开通角较大的问题，有人将光电传感器整体旋转一个机械角度，但这又使位置信号逻辑在正、反方向不对称，影响电机的正、反转性能。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有检测方法的不足，对现有位置检测器难以检测到绕组的最佳换相时刻、且位置信号不能用于开关磁阻电机的角度控制等技术难题，采用通过改变感应器极宽获得控制策略所需的开通角的方法，为开关磁阻电机提供一种结构简单、实现方便、坚固可靠的角度位置检测器。

本发明采用的技术方案是一种开关磁阻电机的角度位置检测器，其特征是，角度位置检测器具有N个静止的传感器和一个旋转的感应器；传感器采用光电传感器或磁敏传感器；

(1)当采用光电传感器时，感应器5的结构为爪形结构，即感应器5是齿和齿槽宽度不相等的爪形遮光盘，其齿的极弧角β根据控制策略所要求的开通角来确定；PCB板6和绝缘支撑7依次通过定位螺钉4安装在电机的端盖3上，PCB板6上等距顺序间隔依次安装有第一、第二、…、第N传感器S1、S2、…、SN，第一传感器S1的轴线与电机某相的一个磁极中心对齐；第一、第二、…、第N传感器S1、S2、…、SN中，相邻两个传感器轴线间的夹角α相等；感应器5的齿数等于转子极数，感应器5通过平键2安装在电机轴1上，保证感应器5的齿中心与转子极中心对齐；

(2)当采用磁敏传感器时，感应器的结构为盘形结构，此时，感应器由圆形转盘8和粘贴在圆心转盘8上的永磁磁极9组成，永磁磁极9的极数等于电机的转子极数，永磁磁极9的极弧角β根据控制策略所要求的开通角来确定；圆形转盘8通过平键2安装在电机轴1上，永磁磁极9的中心与电机的极中心对齐；采用N个磁敏传感器作为第一、第二、….第N传感器S1、S2、…SN，第一、第二、…第N传感器S1、S2、…SN被直接安装在电机的端盖3上，第一传感器S1的中心对齐某相的一个磁极中心；第一、第二、…、第N传感器S1、S2、…、SN中，相邻两个传感器轴线间的夹角α相等。

所述的一种开关磁阻电机的角度位置检测器，其采用的检测方法特征是，通过改变感应器的极弧角来获得控制策略所要求的开通角的方法进行位置检测；当电机的相数m为偶数时，采用的传感器个数当电机的相数m为奇数时，采用的传感器个数N＝m；在角度位置检测器中将端盖3作为定子，第一、第二、…、第N传感器S 1、S2、…SN中，在空间相邻器轴线间的夹角α相等，

其中，k＝0，1，2，…；N_r为电机转子极数；

感应器的极距角τ为

当采用光电传感器时，设θ_F为感应器齿槽与齿所对圆心角之差的1/2；当采用磁敏传感器时，设θ_F为感应器极间与磁极所对圆心角之差的1/2；定义感应器的齿或磁极所对的圆心角为感应器的极弧角β，感应器的极弧角β为：

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\τ}}{2}-2{\mathrm{\θ}}_F---\left(2\right)$

角度位置检测器获得的开关磁阻电机的自然开通角θ_on1为：

其中：N_S——为电机的定子极数；

当感应器的极弧角β小于τ/2时，一个通电周期内的位置信号出现2N种宽窄交替的状态，其宽状态角度θ_H和窄状态角度θ_L分别为：

开关磁阻电机采用如下控制策略：

1)在额定转速以下，每相绕组导通两个状态，每相绕组的导通区间是一个宽状态区间加相邻的后一个窄状态区间，开关磁阻电机的自然开通角为θ_on1；

2)在额定转速以下、且接近额定转速时，开关磁阻电机只导通一个状态，此时，使每相绕组的导通区间仅一个宽状态区间，相当于保持电机自然开通角不变，关断时刻提前了θ_L；

3)在额定转速以上，将每相绕组的自然开通角提前一个θ_L，此时，将每相绕组的导通区间变为一个宽状态区间加相邻的前一个窄状态区间，开关磁阻电机的开通角为θ_on2＝θ_on1-θ_L。

本发明具有以下明显效果：1)位置检测器不仅能确定绕组的换相时刻，还可以用于开关磁阻电机的角度控制，进一步增加了开关磁阻电机控制策略的灵活性。2)角度位置检测器可以确定换相策略所需要的绕组开通角，且正、反向完全对称。3)显著改善开关磁阻电机的电流波形，提高电机的效率，减小振动和噪声。

附图说明

图1为开关磁阻电机的光敏式角度位置检测器结构图，图2为图1的K向视图。其中，1为电机轴，2为平键，3为端盖，4为定位螺钉，5为感应器，6为PCB板，7为绝缘支撑，S1、S2、…SN为第一，第二，…第N传感器，α为相邻两传感器轴线间的夹角，β为感应器的极弧角，τ为感应器的极距角。

图3为开关磁阻电机的磁敏式角度位置检测器结构图，图4为图3的A-A向视图，图5为图3的B-B向视图。其中，1为电机轴，2为平键，3为端盖，8为圆形转盘，9为永磁磁极，S1、S2、…SN为第一、第二、…第N传感器，α为相邻两传感器轴线间的夹角，β为感应器磁极的极弧角，τ为感应器的极距角。

图6为在额定运行状态下相电流的波形对比图。其中：X坐标为位置角，单位为电角度，Y坐标为电流，单位为A，曲线1为采用传统检测器的绕组额定电流；曲线2为采用本发明检测器的绕组额定电流。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。

实施例1：图1、图2所示为三相12/8极开关磁阻电机的一种光电式角度位置检测器，其感应器5为8齿8齿槽结构的爪形遮光盘，感应器5的极距角τ为

保持感应器的齿中心与转子极中心对齐。本实施例采用三个光电传感器作为第一、第二、第三传感器S1、S2、S3；第一、第二、第三传感器S1、S2、S3安装在PCB板6上，而PCB板6与绝缘支撑7依次通过定位螺钉4固定到电机的端盖3上。第一、第二、第三传感器S1、S2、S3在空间依次相隔的机械角度α为：

第一、第二、第三传感器S1、S2、S3的中心依次对齐电机三相中的一个极中心。本实施例中：θ_F＝2.75°，感应

器的极弧角β为：

自然开通角为：

位置信号的宽状态宽度θ_H和窄状态宽度θ_L分别为：

在采用提前导通策略时，其开通角为：θ_on2＝θ_on1-θ_L＝1°-2°＝-1°

实施例2、图3、图4和图5所示为三相12/8极开关磁阻电机的一种磁敏式角度位置检测器，其感应器由圆形转盘8和永磁磁极9组成，感应器的极距角τ为：

保持感应器的磁极中心与转子极中心对齐。本实施例采用三个磁敏传感器作为第一、第二、第三传感器S1、S2、S3；第一、第二、第三传感器S1、S2、S3直接安装在电机的端盖3上。第一、第二、第三传感器S1、S2、S3在空间依次相隔的机械角度α为：

第一、第二、第三传感器S1、S2、S3的中心依次分别对齐三相中的一个极中心。

本实施例中：θ_F＝2.75°，感应器磁极的极弧角β为：

自然开通角为：

位置信号的宽状态宽度θ_H和窄状态宽度θ_L分别为：

在采用提前导通策略时，其开通角为：θ_on2＝θ_on1-θ_L＝1°-2°＝-1°

如图6所示，一台7.5kW的三相12/8极开关磁阻电机，在位置检测器的自然开通角下换相，采用现有的位置检测器时，额定运行状态下电流峰值达到46A；而采用本发明实例的角度位置检测器时，在额定运行状态下相电流峰值只有33A。

采用本发明的角度位置传感器使开关磁阻电机的控制更加灵活，并可极大地改善电机的性能。本发明的角度位置检测方法适用于两相、三相、四相或五相等结构的内、外转子开关磁阻电机。

Claims (2)

1.一种开关磁阻电机的角度位置检测方法，其特征是，通过改变感应器的极弧角来获得开通角的方法进行位置检测；当电机的相数m为偶数时，采用的传感器个数当电机的相数m为奇数时，采用的传感器个数N＝m；在角度位置检测器中将端盖(3)作为定子，第一、第二、...、第N传感器S1、S2、...SN中，在空间相邻的两个传感器轴线间的夹角α相等，其中，k＝0，1，2，...；Nr为电机转子极数；

感应器的极距角τ为：

当采用光电传感器时，设θ_F为感应器齿槽与齿所对圆心角之差的1/2；

当采用磁敏传感器时，设θ_F为感应器极间与磁极所对圆心角之差的1/2；

定义感应器的齿或磁极所对的圆心角为感应器的极弧角β，感应器的极弧角β为： $\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\τ}}{2}-2{\mathrm{\θ}}_F---\left(2\right)$

角度位置检测器获得的开关磁阻电机的自然开通角θ_on1为：

其中：N_S——为电机的定子极数；

当感应器的极弧角β小于τ/2时，一个通电周期内的位置信号出现2N种宽窄交替的状态，其宽状态角度θ_H和窄状态角度θ_L分别为：

开关磁阻电机采用如下控制策略：

1)在额定转速以下，每相绕组导通两个状态，每相绕组的导通区间是一个宽状态区间加相邻的后一个窄状态区间，开关磁阻电机的自然开通角为θ_on1；

2)在额定转速以下、且接近额定转速时，开关磁阻电机只导通一个状态，此时，使每相绕组的导通区间仅一个宽状态区间，相当于保持电机自然开通角不变，关断时刻提前了θ_L；

3)在额定转速以上，将每相绕组的自然开通角提前一个θ_L，此时，将每相绕组的导通区间变为一个宽状态区间加相邻的前一个窄状态区间，开关磁阻电机的开通角为θ_on2，θ_on2＝θ_on1-θ_L。

2.如权利要求1所述的一种开关磁阻电机的角度位置检测方法，其特征是，它采用的角度位置检测器具有N个静止的传感器和一个旋转的感应器，传感器采用光电传感器或磁敏传感器；

(1)当采用光电传感器时，感应器(5)的结构为爪形结构，即感应器(5)是齿和齿槽宽度不相等的爪形遮光盘，其齿的极弧角β根据控制策略所要求的开通角来确定；PCB板(6)和绝缘支撑(7)依次通过定位螺钉(4)安装在电机的端盖(3)上，PCB板(6)上等距顺序间隔依次安装有第一、第二、...、第N传感器S1、S2、...、SN，第一传感器(S1)的轴线与电机某相的一个磁极中心对齐；第一、第二、...、第N传感器S1、S2、...、SN中，相邻两个传感器轴线间的夹角α相等；感应器(5)的齿数等于转子极数，感应器(5)通过平键(2)安装在电机轴(1)上，保证感应器(5)的齿中心与转子极中心对齐；

(2)当采用磁敏传感器时，感应器的结构为盘形结构，此时，感应器由圆形转盘(8)和粘贴在圆心转盘(8)上的永磁磁极(9)组成，永磁磁极(9)的极数等于电机的转子极数，永磁磁极(9)的极弧角β根据控制策略所要求的开通角来确定；圆形转盘(8)通过平键(2)安装在电机轴(1)上，永磁磁极(9)的中心与电机的极中心对齐；采用N个磁敏传感器作为第一、第二、….第N传感器S1、S2、…SN，第一、第二、…第N传感器S1、S2、…SN被直接安装在电机的端盖(3)上，第一传感器(S1)的中心对齐某相的一个磁极中心；第一、第二、...、第N传感器S1、S2、...、SN中，相邻两个传感器轴线间的夹角α相等。

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