基于光柵編碼器的開關磁阻電動機轉子位置校正方法

劉 帥，王 艷

(北京交通大學，北京100044)

0 引 言

近年來，開關磁阻電動機以其優越的起動特性和超高速的運行能力被廣泛應用，但是和傳統電機不同的是其正常運行需要依賴電機對轉子所處位置的實時和精確的測量，轉子位置是開關磁阻電動機閉環控制中的一個重要的反饋信號，它不僅決定邏輯相通斷，同時是抑制轉矩脈動、提高電機本體出力的重要依據［1］。目前開關磁阻電動機位置檢測主要有兩種方式，一是直接位置檢測，其基本原理是在電機的軸承上附加一個同步旋轉的傳感器來實時反映當前電機轉子的位置和速度，這種傳感器又分為光電編碼器和霍爾傳感器兩種類型，它們的區別也僅僅是原理上的差異，其功能上是完全等效的;另一種是無傳感器檢測，這種方式主要是利用開關磁阻電動機的參數特性來確定轉子的位置，比如較為常用的磁鏈－電流法、電流波形檢測法和現在較為熱門的信號調制法和附加電元件法［2］。雖然近些年來無傳感器檢測越來越受人推崇，但它也具有一些難以克服的缺點，檢測精度低、對控制芯片要求苛刻、檢測方案普適性差等多方面原因都是限制此種方法大規模應用的瓶頸。所以，直接位置檢測是一種不能夠摒棄的檢測方案。但是，傳感器位置檢測目前也存在一些問題，以光柵編碼器為例，由于安裝過程中對其位置調節的偏差，經常會引發控制器對電機的控制不夠精確，造成轉矩脈動或者是出力達不到預期值。本文旨在解決光柵編碼器的機械安裝偏差所造成的系列問題，以12/8 極開關磁阻電動機為例，提出應用速度脈沖倍頻對轉子位置進行校正的方法。

1 12/8 極開關磁阻電動機用光柵編碼器基本原理

12/8 極開關磁阻電動機用光柵編碼器(以下簡稱編碼器)是一種集光、機、電于一體化的數字化檢測裝置，主要用于電機位置和速度的檢測。編碼器主要由電路發光器件、固定于定子上的相位盤、與轉子同軸旋轉的光柵碼盤、電路接收器件、固定環等組成，其基本機構如圖1 所示。

圖1 光柵編碼器的基本組成

光柵碼盤最外側的光柵線是等角度分布的，有1 024 個明光柵線和暗光柵線，角度分辨率為360°/1 024(即0.351 562 5°)，光柵碼盤的內側設計為等間隔的8 個透光部分和8 個不透光部分，即每部分為22.5°，與12/8 極開關磁阻電動機對應。其結構如圖2 所示。

圖2 光柵碼盤

相位盤外環的明暗光柵線和光柵碼盤外環的明暗光柵線相同，存在細微的角度差，通過相位盤與光柵碼盤之間相對運動所形成的莫爾條紋來檢測電機的轉速。相位盤的內環為三個相差15°的投射光柵塊，它能夠在電機轉子的一個周期即45°內產生6種不同的狀態，為控制器開通相的控制邏輯提供依據，相位盤的結構如圖3 所示。

圖3 相位盤

在光柵編碼器的電路中，1 個發光二極管和1個光電接收管組成一個光電管組，編碼器共包含4個光電管組，他們分別位于圖3 相位盤的中間三個柵縫的兩側和外圈光柵的兩側，那么發光二極管的光在被柵片的不透光部分遮擋和透射過碼盤柵縫這兩種情況下，光電電路對外部所呈現的高低電平是不同的，基于此，編碼器才能夠以電信號的形式反映出轉子的位置和速度。

假設1 代表二極管光被柵片遮擋，0 代表二極管光透射過柵縫，規定從左到右三個位置分別代表A，B，C 三相位置信號，那么電機所能夠呈現6 種狀態如圖4 所示。

圖4 電機6 種狀態

2 位置校正設計

雖然編碼器能夠以一個簡單的方式實時地反映出電機轉子的位置，但是在初次安裝時由于電機轉子和定子相對位置不確定，編碼器的光柵碼盤和相位盤關系不確定，導致安裝后的編碼器不能夠準確地反映轉子的位置，此時需要對轉子位置進行校正。過去使用的校正方法是人工調節轉子和光柵盤的相對位置，經過大量的嘗試找到一個最佳的位置后固定編碼器，這種方式不僅調節不夠準確，而且費時費力。現在提出一種通過修改控制程序的辦法達到電機轉子自動校正的目的。

轉子位置校正問題中存在四個未知關系，即轉子和定子的位置關系、光柵碼盤和相位盤的位置關系、轉子和光柵碼盤的位置關系以及定子和相位盤的位置關系。若想解決他們之間的位置關系問題，首先我們要假設定子和相位盤之間的位置關系不改變，也就是說在電機出廠時，光柵編碼器的安裝孔的位置是固定的。假設我們要求機加工所產生的電機端蓋的銷釘孔使得相位盤固定到端蓋上以后，相位盤的三個柵縫從左向右分別位于定子A 相凸極的前沿、定子A 相凸極的后沿、定子B 相凸極的前沿，依次以U，V，W 表示，如圖5 所示。

圖5 檢測點與定子位置關系

另外，本文的校正方法是基于開關磁阻電動機的線性模型基礎的，即忽略掉磁路飽和以及各相間互感的影響，假設電感的大小和電流無關，同時忽略電感值不隨角度變化的區域。以電機逆時針旋轉為例，當轉子凸極的前沿與定子凸極的前沿重合時(如圖6 所示)，即認為電感達到了最大，隨后進入電感下降區(實際情況為電感在某一區間內保持不變)。

圖6 電感最大位置

在開關磁阻電動機的電動控制中，低速時常采用的是觸發導通邏輯［3］，即對處在電感上升區的相通電，對處在電感下降區的相斷電，按照圖6 所示，A相即將步入電感下降區，所以此時應該對A 斷電。如果光柵碼盤的位置和轉子的位置恰好對應，即光柵碼盤的不透光部分和轉子的凸極重合，透光部分和轉子的凹槽重合，此時放置在檢測點U 處的光電管組中的接收電路對外即將呈現為高電平，此時編碼器能夠正確反映出轉子的位置，即此位置為正確位置，本文所做的校正全部參考此位置進行，也就是說如果編碼器在安裝時恰好處于此位置，那么控制邏輯上不需要進行改變，如果安裝位置超前此位置，以逆時針旋轉為例，那么其控制邏輯需要超前一定角度;反之亦然。

下面以轉子逆時針旋轉為例具體介紹校正方法。當系統上電自檢無誤后，先對A 相導通，電機的定轉子凸極會對齊，可得圖6 中的位置邏輯，此時碼盤所處的位置共有8 種情況，其中碼盤超前和碼盤滯后的情況各有4 種情況，其分析計算如下:

圖7 碼盤與轉子關系圖

(1)碼盤滯后

若對A 相通電后，獲得此時位置信號為101 或100，之后對B 相通電，此時轉子逆時針旋轉，記錄此過程中U 檢測點電平由高電平變低電平時的速度脈沖個數M1，則有碼盤與轉子相差角度:

本文所述校正方法依托于角度分辨率為360°/6 144(6 144 為外圈1 024 個脈沖的6 倍頻)的控制器，則開通時間與關斷時間均需滯后脈沖個數N1:

若對A 相通電后，獲得的位置信號為001，同樣對B 相通電，此時轉子逆時針旋轉，記錄此過程中U檢測點電平由低電平變高電平時的速度脈沖個數M2。則有碼盤與轉子相差角度:

若Δ2＜22.5°，對應碼盤滯后，則Δ2＞22.5°，對應碼盤超前，此時與碼盤滯后等效，故作統一處理，開通時間與關斷時間均需超前脈沖個數N2:

(2)碼盤超前

若對A 相通電，獲得此時位置信號為010 或011，之后對C 相通電，此時轉子順時針(校正方向非運行方向)旋轉，記錄此過程中V 檢測點電平由高電平變低電平時的速度脈沖個數M3。則有碼盤與轉子相差角度:

則開通時間與關斷時間均需超前脈沖個數N3:

若對A 相通電后，獲得此時位置信號為110，同樣對C 相通電，此時轉子順時針(校正方向非運行方向)旋轉，記錄此過程中V 檢測點電平由高電平變低電平時的速度脈沖個數M4。則有碼盤與轉子相差角度:

若Δ4＞0，則此時碼盤滯后，開通時間與關斷時間均需滯后脈沖個數N4:

若Δ4＜0，則此時碼盤超前，開通時間與關斷時間均需超前脈沖個數仍為N4。

(3)轉子位置校正流程圖

轉子位置校正流程圖如圖8 所示。

需要特別注意的是，以上的分析過程全部是在轉子逆時針旋轉的情況下進行的，如果實際運行時轉子順時針旋轉，那么開通角和關斷角所要做的糾正同逆時針旋轉情況恰好相反。

圖8 轉子位置校正流程圖

3 結 語

對本文所述校正方法進行編程并上機實驗，對一個編碼器安裝位置未經人工調節的開關磁阻電動機實施上電校正，校正后進行空載檢驗實驗。空載檢驗實驗步驟如下，在電機空載條件下，設定電機恒轉矩運行，稍加給定值，電機旋轉，待電機轉速穩定后記錄下此時的電機轉速，不改變給定轉矩，改變電機轉向，待電機穩定后記錄電機轉速，對比正反轉兩個轉速值，兩個轉速值的差值越小說明校正效果越好。由于在此種實驗方式下，電機在高轉速區域實現轉速穩定較為困難，所以本實驗中選取0 ～500 r/min 為實驗區域，并對該區域細分為5 個轉速段，在每個轉速段內選取一個轉速值進行上述驗證，獲得實驗結果如表1 所示。

表1 校正后不同轉向下轉速對比

由上述實驗結果可知，正反轉轉速差值被控制在20 r/min 以內，校正效果明顯，能夠推廣應用。

［1］ 鄧智泉，蔡駿.開關磁阻電機無位置傳感器技術的研究現狀和發展趨勢［J］. 南京航空航天大學學報，2012，44(5):611－620.

［2］ 范少雄，蔡燕. 開關磁阻電機位置檢測方法的研究和實現［D］.天津:天津工業大學，2014.

［3］ 陳新紅，張奕黃. 開關磁阻電機調速算法仿真與研究［D］. 北京:北京交通大學，2009.