基于旋轉(zhuǎn)變壓器的多極電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)設(shè)計

夏加寬　姜昊馳　于　爽（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽　110870）

?

基于旋轉(zhuǎn)變壓器的多極電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)設(shè)計

夏加寬姜昊馳于爽
（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽110870）

摘要針對現(xiàn)代低速多極電動機(jī)直驅(qū)控制，轉(zhuǎn)子磁極位置檢測為電動機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。而傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器受到磁極數(shù)量較小的影響，無法滿足對多極電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測的要求。因此本文旨在設(shè)計一款通用的旋變解調(diào)系統(tǒng)，可滿足不同極數(shù)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測要求。同時將通過專用芯片解調(diào)出來的轉(zhuǎn)子位置信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路得到電動機(jī)驅(qū)動電路所需要的驅(qū)動信號。實驗證明，該電路簡單可靠，精度高，符合多極電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測要求。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)變壓器；電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；AD2S1210；驅(qū)動信號

The Multipolar Motor Rotor Position Detection System based on Rotating Transformer

Xia JiakuanJang HaochiYu Shuang
（School of Electrical Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang110870）

Abstract Low-speed multipolar motor direct driving control， rotor magnetic pole position detection is an important link in motor control.While traditional rotating transformer is affected by the magnetic pole number smaller， unable to meet the requirement of rotor magnetic pole position detection of multipolar motor.So the purpose of this paper is to design a general rotary variable demodulation system system， can satisfy different pole motor rotor position detection requirements.Special chip at the same time will pass through the demodulation of the rotor position signal， the conversion circuit is needed to drive motor drive circuit signal.Experiments show that the circuit is simple， reliable， high precision and can meet the demands of multipolar motor rotor position detection.

Keywords：magslip; electric power steering system; AD2S1210; driving signal

對于現(xiàn)代電動機(jī)控制，多極電動機(jī)的磁極位置檢測系統(tǒng)一般為編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾元件[1]。這類的電動機(jī)磁極位置檢測系統(tǒng)中，電動機(jī)本體與傳感器之間有著固定的匹配關(guān)系，即單位長度的控制精度都是與一個電動機(jī)相對應(yīng)而不能應(yīng)用于一類電動機(jī)。在現(xiàn)代工業(yè)方面，尤其是在汽車航空軍事等領(lǐng)域?qū)τ诙鄻O電動機(jī)可靠性的要求非常高[2]，而傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器受到極數(shù)限制，因此無法滿足對多極電動機(jī)控制要求[3]。如果未進(jìn)行匹配則將會降低檢測精度甚至檢測失效，若系統(tǒng)直接使用高輸出精度的絕對式編碼器則成本較高。同時現(xiàn)代電動機(jī)控制中位置閉環(huán)是控制的重要環(huán)節(jié)，而電動機(jī)的多種多樣決定了需要一種適應(yīng)能力強(qiáng)且更改方便的電動機(jī)磁極位置檢測系統(tǒng)[4]。在現(xiàn)在的市場中還沒有一款可用于多級如50極、60極電動機(jī)的磁極位置傳感器，本系統(tǒng)可用于多極電動機(jī)控制。對于一種控制策略又可以應(yīng)用于多種電動機(jī)，只要滿足極對數(shù)成倍數(shù)關(guān)系則控制策略就可以應(yīng)用于該類電動機(jī)進(jìn)行磁極位置檢測。

目前針對無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測提出了一些方法。無位置傳感器檢測反電動勢過零點的方式確定轉(zhuǎn)子磁極位置[5-6]，但無位置傳感器的方式在電動機(jī)啟動和升速過程中會產(chǎn)生波動，不能保證電動機(jī)的控制精度。光電編碼器控制[7]，但受到光電編碼器自身精度的限制，普通光電編碼器無法應(yīng)用于高精度電動機(jī)控制，而高精度光電編碼器又價格昂貴。通過霍爾器件進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁極位置檢測，開關(guān)霍爾精度較低而線性霍爾又受到磁場線性程度不高的限制[8]。而對于選編的研究大部分文章還只針對同極數(shù)的電動機(jī)和旋變進(jìn)行研究[9]。

針對上述存在的問題，結(jié)合現(xiàn)代傳感器特點，本設(shè)計提供一種基于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子磁極位置檢測系統(tǒng)。主要針對一種旋轉(zhuǎn)變壓器來控制多極數(shù)電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測?，F(xiàn)在常見的轉(zhuǎn)子磁極位置檢測有三種方式即，開關(guān)型霍爾/線性霍爾傳感器檢測，絕對式/增量式光電編碼器檢測，旋轉(zhuǎn)變壓器檢測。旋轉(zhuǎn)變壓器檢測法相對于其他兩種具有產(chǎn)品控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)和不受環(huán)境溫度影響等特點[10]。

1　旋變原理及主要參數(shù)指標(biāo)

本設(shè)計采用一款自行設(shè)計的三相永磁無刷直流電動機(jī)作為實驗對象，該電動機(jī)自帶旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在機(jī)殼中。該旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊勵磁繞組（R1-R2）和副邊正弦繞組（S2-S4）、余弦繞組（S3-S1）均位于定子上，轉(zhuǎn)子為永磁體結(jié)構(gòu)。原理圖如圖1所示。

圖1　旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理圖

初級繞組和次級繞組均位于定子上，但轉(zhuǎn)子的特殊設(shè)計使得次級耦合隨著角位置變化而發(fā)生正弦變化。兩個定子繞組機(jī)械錯位90°（見圖1）。初級繞組采用交流基準(zhǔn)源激勵。隨后在定子次級繞組上的耦合的幅度是轉(zhuǎn)子（軸）相對于定子的位置的函數(shù)。因此，旋變產(chǎn)生由軸角的正弦和余弦調(diào)制的兩個輸出電壓（S3-S1，S2-S4）。旋變格式信號是指從旋變輸出獲得的信號，其基本式為[11]

式中，E0為勵磁側(cè)激勵信號幅值；sinω為激勵信號頻率；θ 為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。本設(shè)計中所研究的電動機(jī)，為八極電動機(jī)配備八極旋變。

圖2　旋變輸入輸出信號示意圖

2　總系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計是基于AD2S1210的助力電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)，其中主要涉及的器件和芯片有：旋轉(zhuǎn)變壓器、AD2S1210旋變解調(diào)專用芯片、PIC18F25K22單片機(jī)、EEPROM存儲器芯片。其工作原理為，AD2S1210芯片為旋變提供正弦勵磁電流，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時帶動旋變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，此時旋變副邊得到感應(yīng)電勢，將感應(yīng)電勢送給AD2S1210進(jìn)行解調(diào)。此過程中AD2S1210將模擬信號轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制電信號并送給數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)存器將二進(jìn)制位置信號轉(zhuǎn)化為電動機(jī)驅(qū)動信號，傳送給驅(qū)動電路。為了保證系統(tǒng)的運算速度并保證電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時的正常運行，本設(shè)計采用的并行輸出。在這個工程中單片機(jī)主要控制AD2S1210芯片的工作狀態(tài)。

2.1解調(diào)電路

旋轉(zhuǎn)變壓器跟蹤轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角θ 的原理為，轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出角Φ，然后反饋Φ 并與θ 相比較，當(dāng)轉(zhuǎn)換器正確跟蹤輸入角時，二者的誤差將被驅(qū)動至0[12]。為了檢測誤差將S2-S4乘以cosΦ，將S3-S1乘以sinΦ從而得到

然后將兩式做差

通過公式可知，原邊與副邊幅值由選擇的旋轉(zhuǎn)變壓器決定，本實驗中旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊勵磁繞組的幅值與副邊幅值不相同。如圖3為試驗中示波器波形，E0/E1為5倍關(guān)系。

當(dāng)方程中差值很小sin近似等于1。力求使誤差信號歸零。圖4為AD2S1210的外圍電路。

圖3　示波器信號

圖4　AD2S1210外圍電路

2.2控制電路

在本設(shè)計中通過單片機(jī)PIC18F25K22實現(xiàn)對AD2S1210芯片的控制，使其正常運行。

單片機(jī)控制RES0、RES1（1、48引腳）引腳，選擇解調(diào)芯片的工作精度，本設(shè)計使用14為并行輸出所以將RES0、RES1引腳至1、0狀態(tài)?？刂茖OE （9引腳）引腳置為高電平選擇并行14位輸出。

通過單片機(jī)控制A0、A1（36、37）引腳，選擇解調(diào)芯片的工作狀態(tài)。解調(diào)芯片四種工作狀態(tài)：位置輸出、速度輸出、保留和配置模式。當(dāng)系統(tǒng)上電是使芯片處于配置模式，選擇輸出為數(shù)和輸出方式等。當(dāng)系統(tǒng)運行時可選擇為位置輸出和速度輸出，本設(shè)計因為是位置解調(diào)所以選擇位置輸出。

表1　配置模式設(shè)置

在系統(tǒng)運行過程中單片機(jī)需要控制SAMPLE引腳（10引腳），單片機(jī)要給出高頻的脈沖信號，當(dāng)該引腳信號從高電平之低電平時，解調(diào)芯片將位置和速度積分器傳輸?shù)轿恢盟俣燃拇嫫?，之后將信號通過串行或并行輸出。

2.3模擬端口設(shè)計

解調(diào)芯片通過38、39引腳為旋變初級繞組提供正弦信號，加入緩沖電路用來保證芯片的正常工作和電流增益驅(qū)動。如圖5所示。

圖5　緩沖電路

AD2S1210引腳勵磁信號輸出典型值為差分7.2Vpp，輸入信號范圍為差分3.15Vpp，所以要結(jié)合旋變的參數(shù)調(diào)整驅(qū)動器的增益。本設(shè)計中旋變的變比為0.2841，為實現(xiàn)3.15Vpp的正余弦輸入信號幅度則需要通過緩沖電路進(jìn)行升壓和提高增益：

所以增益設(shè)置為

因此本設(shè)計中將R46＝15.4kΩ，R54＝10kΩ，所以可以得到本設(shè)計中的增益為15.4。

該電路由雙通道運算放大器 AD648JR。放大器的共模電壓為＋3.75V，由電阻R60和R61設(shè)置。激勵輸出的共模電壓為＋2.5V，緩沖器輸出共模電壓大約為6V。通過R45、R48、R62、R62電阻為二極管提供偏置電流，并確立該側(cè)的靜態(tài)電流。

2.4EEPROM與數(shù)字端口設(shè)計

通過改變存儲器中的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對各種極對數(shù)電動機(jī)的控制，這是本設(shè)計的最大特點。由于本設(shè)計使用14位并行輸出，將解調(diào)芯片的低14為數(shù)據(jù)線連接到EEPROM的輸入口，存儲器將14位二進(jìn)制信號作為存儲器地址信號進(jìn)行尋址，并將地址中所對應(yīng)的數(shù)據(jù)由輸出口輸入給驅(qū)動電路。

如表2中為第一對極下的真值表，之后各對極真值表與之相同。

表2　存儲器存儲數(shù)據(jù)

3　實驗驗證及結(jié)果分析

3.1同極數(shù)電動機(jī)實驗

為了驗證本設(shè)計的可靠性，對系統(tǒng)進(jìn)行了試驗驗證。選用帶有旋變的12槽8極三相永磁無刷直流電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速1800r/min作為實驗對象進(jìn)行測試，本實驗中電動機(jī)安裝同為8極旋變，旋變安裝在機(jī)殼內(nèi)部。如圖6所示為實驗平臺，整個實驗平臺由12V直流電源、12V驅(qū)動電路、旋變解調(diào)電路和一臺三相永磁無刷直流電動機(jī)組成。

圖6　實驗平臺

圖7為在統(tǒng)正常工作情況下，通過邏輯分析儀得到的，AD2S1210的DB0-DB13引腳與所對應(yīng)的存儲器輸出的換相信號之間的關(guān)系。其中上三組為UVW信號，下14組為AD2S1210輸出的旋變位置信號。

圖7　邏輯分析圖

如圖8所示，在實驗一中采用8極電動機(jī)匹配8極旋變情況下的示意圖。在這種情況下每對極下對應(yīng)一組UVW信號，同過EEPROM數(shù)據(jù)表實現(xiàn)。

圖8　同極數(shù)磁極與旋變對應(yīng)關(guān)系

如圖表2、圖8所示，為寄存器中的真值表根據(jù)解調(diào)芯片解調(diào)出來的數(shù)據(jù)對應(yīng)在地址中尋址，寄存器輸出地址中相應(yīng)的數(shù)據(jù)送給驅(qū)動單元。

由于本設(shè)計采用8極旋變控制8極電動機(jī)，及電動機(jī)每對極下對應(yīng)214（16384）個數(shù)據(jù)，并且每對極下對應(yīng)數(shù)據(jù)相同。

圖9為供電電壓為12V直流電壓時，用FLUKE表測量旋變解調(diào)板的U信號，測得一個電周期T＝8ms。

由實驗可知，本實驗選用在12V電壓供電下額定轉(zhuǎn)速1800r/min電機(jī)進(jìn)行實驗。在正常12V供電下，本系統(tǒng)可以使其工作在額定轉(zhuǎn)速下。因此可以證明電機(jī)換相精度高，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測。

圖9　高速運行示意圖

3.2少極數(shù)旋變對應(yīng)多極電動機(jī)實驗

將進(jìn)行兩組實驗分別為選用5對極旋變控制10對極電動機(jī)和5對極旋變控制控制50對極電動機(jī)。如圖10所示為5對極旋變控制10對極電動機(jī)實驗。

圖10　20極電動機(jī)實驗圖

如圖11所示電動機(jī)反電動勢，每兩對極電動機(jī)磁極下對應(yīng)一組UVW信號，及電動機(jī)每兩對極下對應(yīng)214（16384）個數(shù)據(jù)，并且每對極下對應(yīng)數(shù)據(jù)相同。分辨率為之前的1/2。

試驗中采用20極電動機(jī)，對應(yīng)5對極旋變，即電動機(jī)中每兩對極對應(yīng)一對極旋變，如圖10所示。在這種情況下只需要改變EEPROM數(shù)據(jù)表實現(xiàn)。實驗證明本設(shè)計可以應(yīng)用于旋變磁極數(shù)與電動機(jī)磁極不相同的情況下進(jìn)行磁極位置檢測。

圖11　反電勢與驅(qū)動信號的對應(yīng)圖

3.3五十極電動機(jī)實驗

如圖12所示，為5對極旋變控制25對極電動機(jī)的實驗。旋轉(zhuǎn)變壓器檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，將檢測到的正余弦信號，傳送給本論文設(shè)計的旋變解調(diào)電路，旋變解調(diào)電路通過處理得到三相互差120°的電信號，傳送給變頻器，通過變頻器控制電動機(jī)。

圖12　50極電動機(jī)實驗

4　結(jié)論

本文旨在設(shè)計一款應(yīng)用范圍較廣的多極電動機(jī)磁極位置檢測電路，并進(jìn)行試驗驗證設(shè)計的可行性。通過以上三組實驗證明，通過改變存儲器內(nèi)部的數(shù)據(jù)可以使本方案設(shè)計的電路在不改變旋變磁極對數(shù)的情況下應(yīng)用于多極電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測控制中。

方案是基于AD2S1210專用芯片設(shè)計的旋變解調(diào)系統(tǒng)。通過搭建外圍電路實現(xiàn)了通過AD2S1210將旋變的位置信號解調(diào)為二進(jìn)制數(shù)字信號輸出，并添加存儲器電路將二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的驅(qū)動信號。在設(shè)計的基礎(chǔ)上添加了實驗環(huán)節(jié)，證明了系統(tǒng)的可靠性和高精度性。

參考文獻(xiàn)

[1]王騁， 鄧智泉， 蔡駿， 等. 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的評述與發(fā)展趨勢[J]. 微特電機(jī)， 2014， 42（3）: 64-71.

[2]劉紅偉. 永磁同步電機(jī)控制策略及算法融合研究[D].成都: 中國科學(xué)院研究生院:光電技術(shù)研究所， 2014.

[3]陳亞愛， 陳成， 周京華. 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用， 2013， 40（7）: 47-52.

[4]滕福林， 胡育文， 劉洋， 等. 位置/電流兩環(huán)結(jié)構(gòu)位置伺服系統(tǒng)的跟隨性能[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2009，24（10）: 40-46.

[5]鄒繼斌， 江善林， 張洪亮. 一種新型的無位置傳感器無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2009， 24（4）: 48-53.

[6]劉玉明， 吳愛國， 王碩. 基于反電勢法BLDCM轉(zhuǎn)子位置檢測方法的改進(jìn)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2013（6）: 115-117， 120.

[7]于海. 小型絕對式光電編碼器動態(tài)誤差檢測系統(tǒng)及方法研究[D]. 北京: 中國科學(xué)院研究生院:長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 2014.

[8]陳永華. 霍爾效應(yīng)在無刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)， 2011， 9（2）: 34-36.

[9]梁家威， 鐘漢如. 基于AD2S1210的轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)速檢測方法研究[J]. 微電機(jī)， 2013， 46（5）: 48-50， 69.

[10]張春虎. 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究及設(shè)計[D]. 西安: 長安大學(xué)， 2011.

[11]曲家騏， 王季秩. 伺服控制系統(tǒng)中的傳感器[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 1998.

[12]劉榮先， 崔守鷙， 李凡， 等. 基于霍爾元件的EPS位置傳感器[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014， 15（2）: 109-112.

夏加寬（1962-），男，沈陽工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為數(shù)控機(jī)床交流伺服電機(jī)及其控制技術(shù)的研究。

作者簡介