驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)變壓器的工作詳解

◆文/廣東 汪貴行 汪學(xué)慧

汪貴行 (本刊編委會委員)

長期在汽車運用與檢測的第一線工作，1984年起被交通部門指派長期在伊拉克、也門等多個阿拉伯國家工作，負責(zé)機務(wù)技術(shù)并兼高級電氣工程師。1995年起在深圳市特發(fā)華日豐田汽車公司從事技術(shù)工作，2009年退休后到深圳市通達汽車培訓(xùn)學(xué)校工作。2014年3月，在“香港之聲”宣傳電動汽車的應(yīng)用。2013年，由深圳市科技部門推薦，主要工作業(yè)績被選編在“特區(qū)人物志”中。

電動車上的驅(qū)動電機現(xiàn)多為永磁同步電動機，這其中“位置傳感器”的作用重大，它通常被用于檢測電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的瞬間準確位置，涉及到驅(qū)動電機的供電系統(tǒng)。電動車上只有直流電源，驅(qū)動電機使用的卻是三相交流電，中間需要用一個“變頻器”將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)變成三相交流電向同步電機供電，以適應(yīng)車輛驅(qū)動的不同需要。

其中變頻器是由車輛驅(qū)動系統(tǒng)的ECU控制的，通過對6個IGBT場效應(yīng)管的門控驅(qū)動電路、控制三相交流電的頻率及次序來改變驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，所以變頻器的門控電路是變頻器的核心。其中輸入ECU的多種信號中，負責(zé)精準檢測驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置的信號十分重要，而在當(dāng)前的驅(qū)動電機中，常采用“磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器”作為位置傳感器。電動車上的驅(qū)動控制電路如圖1所示。

圖1 電動車上的驅(qū)動控制電路

一、磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)與原理

電機轉(zhuǎn)子位置傳感器常被稱作旋轉(zhuǎn)變壓器或同步分解器，它是一種電磁式傳感器，汽修行業(yè)里的人常常稱它為“旋變”。旋轉(zhuǎn)變壓器實際上是一種特殊的小型交流電機，可用來精確檢測電機轉(zhuǎn)子的角位移和角速度。它由定子和轉(zhuǎn)子組成，其定子由高性能硅鋼片疊成，其上有繞組作為變壓器的原邊接受勵磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合在副邊線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

1.普通變壓器與旋轉(zhuǎn)變壓器的區(qū)別

普通變壓器的原邊和副邊的線圈是相對固定的，中間有鐵芯進行電磁交變，所以輸出與輸入的電壓比是不變值。旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊繞組不動，副邊繞組隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角位置改變時，其副邊繞組輸出電壓的大小會隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化，若輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦或余弦的函數(shù)關(guān)系、保持某比例關(guān)系或與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系就構(gòu)成三種不同類型的旋轉(zhuǎn)變壓器。

2.磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的特點

電動車的驅(qū)動電機上多使用磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，它是旋轉(zhuǎn)變壓器的一種特殊形式，利用磁阻原理來實現(xiàn)電信號間的轉(zhuǎn)換。它的特點是原邊與副邊的繞組都放在電機定子的不同槽內(nèi)，且均固定不旋轉(zhuǎn)。原邊繞組屬勵磁繞組通入正弦形的激磁電流，而副邊是由兩相線圈產(chǎn)生輸出信號，磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器示意圖如圖2所示。

圖2 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器示意圖

旋變定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯由鐵鎳軟磁合金或沖有槽孔的硅鋼片疊成。轉(zhuǎn)子不用永磁材料制成，它是由驅(qū)動同步電機的永磁轉(zhuǎn)子同軸帶動旋轉(zhuǎn)的。轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時通過磁阻原理在副邊的兩相繞組上分別感應(yīng)出正弦及余弦電壓信號，故稱為正弦繞組和余弦繞組，產(chǎn)生彼此相差90°的電角度信號。

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子采取多極形狀，磁極的外形應(yīng)符合能感應(yīng)正弦信號的特殊要求，因此磁場氣隙應(yīng)近似于正弦波的形狀，如圖3所示。利用氣隙和磁阻的變化使輸出繞組的感應(yīng)電壓會隨機械轉(zhuǎn)角作相應(yīng)正弦或余弦的變化，同時轉(zhuǎn)子必須滿足多磁極的要求，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子與轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)是不相同的，定子磁極數(shù)比轉(zhuǎn)子的多。

圖3 旋變轉(zhuǎn)子磁極

3.磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的三個繞組

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器有三個繞組，包括有一個激勵線圈、兩個正交的感應(yīng)線圈等三組線圈，對外共有6條引線。激勵線圈接受輸入的正弦型激勵電流，激磁頻率通常有400Hz、3 000Hz及5 000Hz等多種。正交的兩個感應(yīng)線圈，依據(jù)旋變的轉(zhuǎn)子、定子的相互位置關(guān)系，調(diào)制出具有sin正弦和cos余弦包絡(luò)的檢測信號。如果激勵信號是sinωt，轉(zhuǎn)子與定子間的角度為θ，則正弦信號為sinωt×sinθ，而余弦信號則為sinωt×cosθ。根據(jù)sin、cos信號和原始的激勵信號，通過必要的檢測和比較電路即可高分辨率地檢測出轉(zhuǎn)子位置。

4.磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)原理

磁阻式旋變的三個線圈如圖4所示，其中轉(zhuǎn)子齒為4個，定子齒畫出5個。激磁線圈、正弦線圈和余弦線圈均安置在定子槽內(nèi)，輸入的激磁繞組1-1是逐個磁極反向串接，而正弦線圈2-2及余弦3-3，則是以兩個磁極為間隔，反向串接的輸出繞組。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對定子旋轉(zhuǎn)時，定子、轉(zhuǎn)子間氣隙的磁導(dǎo)發(fā)生變化，每轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距，氣隙的磁導(dǎo)變化一個周期。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈時，則變化出與轉(zhuǎn)子齒相同的數(shù)個周期。氣隙磁導(dǎo)的變化導(dǎo)致輸入和輸出繞組之間互感的變化，輸出繞組感應(yīng)的電勢也隨之發(fā)生變化。輸出繞組按正弦及余弦規(guī)律變化來判斷轉(zhuǎn)子的瞬間位置以及旋轉(zhuǎn)的方向。

圖4 磁阻式旋變的三個線圈

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單、占用空間尺寸極小，且勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組均固裝在定子上，圖5所示為正弦繞組與余弦繞組的接線示意圖。它還采取無刷式結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，其檢測角位移精度極高，甚至可精確到“秒”，此外磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的抗干擾能力較好，更適合車輛對電機驅(qū)動的多種要求。

圖5 正弦繞組和余弦繞組的接線

二、旋轉(zhuǎn)變壓器精細檢測電機轉(zhuǎn)子位置詳解

1.轉(zhuǎn)子正上方位置時的感應(yīng)電壓

當(dāng)勵磁繞組輸入有正弦激磁電流，若轉(zhuǎn)子位于正上位，轉(zhuǎn)子還處于相對靜止時，正弦線圈有感應(yīng)電壓但余弦線圈無感應(yīng)電壓輸出。圖6所示為三個線圈上的電壓信號波形。

圖6 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子正上位時的感應(yīng)電壓及電壓信號波形

這時由于轉(zhuǎn)子正對上方位置，與之最近的是定子上的正弦線圈，于是正弦線圈上感應(yīng)有相位相反的正弦波電壓，而余弦線圈位置與轉(zhuǎn)子相差最遠，故此時不產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

2.旋變轉(zhuǎn)子順轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓

由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)離開正上方位置后與正弦繞組的位置逐漸離開，其正弦感應(yīng)電壓下降，而余弦繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓則逐步變大，但相位與正弦繞組的電壓相反，與勵磁繞組的相位相同。轉(zhuǎn)子順轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓如圖7所示，若旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到正對余弦繞組的磁極時，即圖7中旋變轉(zhuǎn)子順轉(zhuǎn)45°，此時正弦繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號，但余弦繞組將產(chǎn)生最大的電壓信號。

圖7 旋變轉(zhuǎn)子順轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓

3.旋變轉(zhuǎn)子逆轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓

由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子逆轉(zhuǎn)離開正上方的正弦繞組磁極，反方向會逐步接近余弦繞組的磁極。此時正弦電壓下降，而余弦電壓逐漸增大，相位與勵磁繞組的相反，也與順轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子的余弦電壓相反，故可以借此來檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向。圖8所示為旋變轉(zhuǎn)子逆轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓。

4.總結(jié)

通過比較旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的順轉(zhuǎn)與逆轉(zhuǎn)、輸出的電壓信號波形的幅值大小及相位即可檢測出轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置和旋轉(zhuǎn)方向。同時通過計算信號波形的變化周期，即可準確判斷出旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。由此經(jīng)變頻器的門控驅(qū)動電路可控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的高低，也就可調(diào)節(jié)車速的快慢。這種用電機調(diào)速的方式十分快捷，比傳統(tǒng)汽車變速器改變轉(zhuǎn)速的方式要簡單方便得多。

由上述分析可見，利用旋轉(zhuǎn)變壓器能精細檢測出驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的瞬間位置、即時轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，而且使驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)更緊湊、制作費用成本更低，所以磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器在電動車的驅(qū)動電機中廣泛使用。