CN100449931C - 开关磁阻电机电子齿轮功能实现装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于开关磁阻电机电子齿轮功能装置及实现方法。它主要包括：开关磁阻电机电子齿轮控制器、功率电路、键盘及显示电路、电流检测电路和位置检测电路和开关磁阻电机。开关磁阻电机分别与开关磁阻电机伺服控制器及电子齿轮电路和功率电路相连，开关磁阻电机电子齿轮控制器与功率电路、键盘及显示电路相连。利用位置检测电路检测到的开关磁阻电机转子位置及用户事先给定的电子齿轮齿数比，对电机转矩进行矢量相加，从而实现电子齿轮功能。结构简单，操作方便，成本低。可用于机器人、数控机床、雷达跟踪、火炮随动等系统，包括矿山、冶金、电力、化工、石油等行业，可以有效提高其动静态性能，可以降低机械结构复杂，提高控制精度。

Description

开关磁阻电机电子齿轮功能实现装置及方法

技术领域

本发明属于一种以电气传动控制系统替代机械传动链的电子齿轮实现方法及装置，特别涉及开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，简称SRM)电子齿轮功能实现装置及方法。

背景技术

齿轮以其传动比准确、传递功率大、传动平稳等特点在机械、冶金、造纸、等各个工业部门中得到了广泛的应用。但在某些应用领域，齿轮传动存在传动误差大、难以实现分布传动等缺陷(“电子齿轮箱系统的研究与应用”，2001.3《机械设计与制造工程》)，如在印刷领域，由于传动轴的扭曲以及齿轮间隙对印刷机张力及套印造成影响，将直接影响产品的合格率，造成不必要的浪费和经济损失。而且在实际应用中，电机与其机械位置采用齿轮的连接方式，一旦固定连接后，电机每转一圈产生的机械轴位移量一定。若要改变电机每转一圈与产生的机械轴位移量之间的关系，则需更换相应齿数的齿轮，更换不方便。因此，人们一直在研究以电气传动控制系统取代机械齿轮传动链(“位置控制系统中电子齿轮实现的简易方法”，2001.4，《机械与电子》)。当前对电子齿轮的研究大多集中在具有较高控制精度的数字伺服系统中，其伺服电机多为具有高分辨率光电脉冲编码器或旋转编码器的伺服电机，控制器结构复杂，造价高。目前对电机自身特性充分研究较少，特别是对结构坚固、可靠性高、控制简单可靠，但自身位置反馈精度低的开关磁阻电机在这方面还未见有深入研究。开关磁阻电机以类似于无刷直流电动机的工作方法进行控制。因绕组为单方向通电，其电子电路简单可靠。由于电机转子上无绕组，是用硅钢片成型叠成，定子上为集中绕组，很容易做到散热，易于密封，电机坚固耐用，可靠性高，其具有较高的效率、小的启动电流和大的启动转矩，非常适合应用于各种传动场合。但是开关磁阻电机是从大角度步进电机演化而来的，步进角大，每圈的位置脉冲数很少，传统的通过脉冲计算来实现的电子齿轮方法是不能适用的。而且，开关磁阻电机的非线性特性和转矩脉动难以抑制的特点，使其在伺服系统中的应用存在相当大的困难，更加增加了其实现电子齿轮功能的难度。(“SRM控制技术的研究现状及发展趋势”，2000.2，《信息与开发》)

发明内容

本发明的目的是提供一种开关磁阻电机电子齿轮功能实现装置及方法，针对上述情况，解决了开关磁阻电机的非线性特性和转矩脉动难以抑制以及每圈的位置脉冲数少的问题，进而找出每圈位置脉冲数少的开关磁阻电机电子齿轮功能实现方法，并研制出开关磁阻电机电子齿轮功能实现系统。

电子齿轮通过电子方式模拟机械传动的一种方法，以变量比方式″强制″一个闭环回路轴从动于另一个轴。

本发明的开关磁阻电机电子齿轮功能装置主要包括：开关磁阻电机电子齿轮控制器、功率电路、键盘及显示电路、电流检测电路和位置检测电路和开关磁阻电机(SRM)；其连接方式是：开关磁阻电机和开关磁阻电机电子齿轮控制器均与功率电路相连，开关磁阻电机通过与开关磁阻电机电子齿轮控制器相连，键盘及显示电路与开关磁阻电机电子齿轮控制器相连。电流检测电路分别与电子齿轮控制器、位置检测电路和开关磁阻电机相连，位置检测电路分别与电子齿轮控制器和开关磁阻电机相连。

所述的开关磁阻电机电子齿轮控制器包括：DSP(数字信号处理)处理器电路、电流信号处理电路、电机保护电路，依次连接。电流信号处理电路将检测到的电机绕组电流信号转化成DSP可接受的电压信号，并将此信号连接至电机保护电路，电机保护电路依据检测的电机的电压电流状态判断是否对电机提供保护，并将电机的异常状态信息提供给电机保护电路。

电流检测电路选用霍尔电流传感器，将电机导线穿过霍尔电流传感器，霍尔电流传感器便可感应到电机导线流过的电流值，并连接至电流信号处理电路。

位置检测电路包括：光电位置传感器、反相器CD4049和无位置传感器转子位置估算环节。光电位置传感器与反相器CD4049(六反相缓冲/变换器)相连，无位置传感器转子位置估算环节是由DSP来实现的。

开关磁阻电机电子齿轮控制器的工作原理是：开关磁阻电机位置信号送入DSP处理器，电流信号经电流信号处理电路隔离、限幅送入DSP处理器，功率电路检测到的电机保护信号分别送入DSP处理器和电机保护电路进行软、硬件双重保护，确保系统的安全、可靠性，DSP处理器将负责接收键盘给入的电子齿轮齿数比值，并根据位置检测电路检测到的转子位置、电流信号处理电路得出的当前定子电流，对开关磁阻电机定子绕组导通相进行控制，对电流进行PWM(脉宽调制)控制，从而实现电子齿轮的功能。

开关磁阻电机位置检测电路是：原有光电位置传感器与无位置传感器转子位置估算技术相结合；其中，无位置传感器转子位置估算技术利用电流检测电路检测到的电流值及用公式ψ＝∫(U_s-Ri)dt(Us指绕组相电压)求得的磁链值，通过开关磁阻电机转子、电流及磁链三者之间的模糊模型得到转子位置，并利用原有光电位置传感器的位置信号进行在线校正。

功率电路包括整流电路、裂相电容分压电路、半桥式逆变电路、开关电源。其连接方式是：将交流电源接至整流电路，整流电路分别与裂相电容分压电路、开关电源相连接，裂相电容分压电路连接半桥式逆变电路。

键盘及显示电路包括按键、数码管及其驱动芯片，用以实现电子齿轮齿数比、稳定转速和行程的给定，并实现对转速、行程等电机运行参数的实时显示。

开关磁阻电机电子齿轮功能实现方法是：利用位置检测电路将开关磁阻电机转子位置信号传给开关磁阻电机电子齿轮控制器，由控制器决定此时电机定子绕组的导通相，通过读取用户事先由键盘给定的电子齿轮齿数比，确定要通电相的电流大小，定子绕组通电会产生一定大小和方向的转矩，通过对通电相给定相应的电流，通电相产生的转矩进行矢量相加，于是在空间上就形成了满足电子齿轮齿数比的定位矢量，实现给定脉冲与实际要求的机械轴位移相一致，从而实现电子齿轮功能。

本发明提供了一套开关磁阻电机电子齿轮系统，克服了开关磁阻电机的非线性特性和转矩脉动难以抑制以及每圈的位置脉冲数少的问题，进而找出每圈位置脉冲数少的开关磁阻电机电子齿轮功能实现方法，使得开关磁阻电机步进角可以根据给定的齿数比得以细分，代替机械齿轮的连接方式，从而简化传动系统，避免了由机械齿轮的连接方式带来的传动轴的扭曲、齿轮间隙、传动误差大、难以实现分布传动等缺陷造成的影响，使开关磁阻电机得以在高性能驱动领域应用。与其他电子齿轮相比，该系统电子齿轮实现方法不需要输入脉冲处理电路数字控制频率发生电路，而且该系统电子齿轮与开关磁阻电机控制器共用一个DSP处理器，因此结构简单，操作方便，成本低。

本发明可组成高性能的开关磁阻电动机伺服系统，应用于机器人、数控机床、雷达跟踪、火炮随动等系统，广泛应用于矿山、冶金、电力、化工、石油等行业，可以有效提高其动静态性能，可以降低机械结构复杂，提高控制精度。

附图说明

图1：本发明的系统结构示意图。

图2：本发明的电子齿轮实现方法原理图。

图3：本发明的转矩合成原理图。

具体实施方式

图1所示，本发明的开关磁阻电机电子齿轮功能实现方法及装置，主要包括：开关磁阻电机电子齿轮控制器、功率电路、键盘及显示电路、电流检测电路和位置检测电路和开关磁阻电机。其连接方式是：开关磁阻电机和开关磁阻电机电子齿轮控制器均与功率电路相连，开关磁阻电机通过与开关磁阻电机电子齿轮控制器相连，键盘及显示电路与开关磁阻电机电子齿轮控制器相连。电流检测电路分别与电子齿轮控制器、位置检测电路和开关磁阻电机相连，位置检测电路分别与电子齿轮控制器和开关磁阻电机相连。

所述的开关磁阻电机电子齿轮控制器包括：DSP处理器电路、电流信号处理电路、电机保护电路，其连接方式是：电流信号处理电路将检测到的电机绕组电流信号转化成DSP可接受的电压信号，并将此信号连接至电机保护电路，电机保护电路依据检测的电机的电压电流状态判断是否对电机提供保护，并将电机的异常状态信息提供给电机保护电路。

电流检测电路选用霍尔电流传感器，将电机导线穿过霍尔电流传感器，霍尔电流传感器便可感应到电机导线流过的电流值，并连接至电流信号处理电路

位置检测电路包括：光电位置传感器、反相器CD4049和无位置传感器转子位置估算环节。光电位置传感器与反相器CD4049相连，无位置传感器转子位置估算环节是由DSP来实现的。开关磁阻电机位置检测电路工作原理是：原有光电位置传感器与无位置传感器转子位置估算技术相结合；其中，无位置传感器转子位置估算技术利用电流检测电路检测到的电流值及用公式ψ＝∫(U_s-Ri)dt(Us指绕组相电压)求得的磁链值，通过开关磁阻电机转子、电流及磁链三者之间的模糊模型得到转子位置，并利用原有光电位置传感器的位置信号进行在线校正。

开关磁阻电机电子齿轮控制器的工作原理是：开关磁阻电机位置信号送入DSP处理器，电流信号经电流信号处理电路隔离、限幅送入DSP处理器，功率电路检测到的电机保护信号分别送入DSP处理器和电机保护电路进行软、硬件双重保护，确保系统的安全、可靠性，DSP处理器将负责接收键盘给入的电子齿轮齿数比值，并根据位置检测电路检测到的转子位置、电流信号处理电路得出的当前定子电流，对开关磁阻电机定子绕组导通相进行控制，对电流进行PWM控制，从而实现电子齿轮的功能。

功率电路包括整流电路、裂相电容分压电路、半桥式逆变电路、开关电源。其连接方式是：将交流电源接至整流电路，整流电路分别与裂相电容分压电路、开关电源相连接，裂相电容分压电路连接半桥式逆变电路。

键盘及显示电路包括按键、数码管及其驱动芯片，用以实现电子齿轮齿数比、稳定转速和行程的给定，并实现对转速、行程等电机运行参数的实时显示。

结合图1所示，交流电电源经过功率电路受控制器控制提供给开关磁阻电机。开关磁阻电机电子齿轮控制器接收开关磁阻电机的位置检测电路的位置信号来决定此时电机的导通相，通过读取用户由键盘给定的电子齿轮齿数比来确定要通电相绕组的电流大小，并通过电流传感器传来的电流信号对电流进行闭环调节，以获得期望的绕组电流，得到空间定位转矩矢量，实现给定脉冲与实际要求的机械轴位移相一致，从而实现电子齿轮功能。其中电流检测电路还为位置检测电路提供所需的电流值。

图2所示是本发明的电子齿轮实现方法原理图，开关磁阻电机电子齿轮控制器的实现方法原理是：开关磁阻电机位置信号送入DSP处理器，电流信号经电流信号处理电路隔离、限幅送入DSP处理器，功率电路检测到的电机保护信号分别送入DSP处理器和电机保护电路进行软、硬件双重保护，确保系统的安全、可靠性，DSP处理器将负责接收键盘给入的电子齿轮齿数比值，并根据位置检测电路检测到的转子位置、电流信号处理电路得出的当前定子电流，对开关磁阻电机定子绕组导通相进行控制，对电流进行PWM控制，从而实现电子齿轮的功能。总体上通过对位置反馈量进行计算，来判断电机是否走完给定行程，未完成指定行程，则允许进行电流分配，反之，则停止对任何绕组供电。另一方面，位置的反馈信号来决定此时该给电机的哪相或哪两相绕组通电。电流分配环节由电子齿轮齿数比来确定要通电相绕组的电流大小。定子绕组通电会产生一定大小和方向的转矩，通过对通电相给定相应的电流，通电相产生的转矩进行矢量相加，于是在空间上就形成了满足电子齿轮齿数比的定位矢量。

如图3所示，以8/6结构开关磁阻电机为例，A、B、C、D相单一通电，相应的产生转矩T_A、T_B、T_C、T_D，按顺序依次导通，则电机每次步进15°，若齿数比给定为1∶3，电流分配环节相应依次给A、B相同各自对应的电流，产生转矩T_A、T_AB、T_AB’、T_B；且使其合成的转矩大小相等，如T_AB，是由T_A’、T_B’合成而来的。这样电机将以每步5°步进，实现电子齿轮的功能，并且由于合成转矩的大小是一样的，很好的克服了开关磁阻电机的转矩脉动。

Claims (3)

1、一种开关磁阻电机电子齿轮功能实现装置，它主要包括：开关磁阻电机电子齿轮控制器、功率电路、键盘及显示电路、电流检测电路和位置检测电路和开关磁阻电机；开关磁阻电机和开关磁阻电机电子齿轮控制器均与功率电路相连，开关磁阻电机与开关磁阻电机电子齿轮控制器相连，键盘及显示电路与开关磁阻电机电子齿轮控制器相连；电流检测电路分别与电子齿轮控制器、位置检测电路和开关磁阻电机相连，位置检测电路分别与电子齿轮控制器和开关磁阻电机相连；其特征在于：

所述的位置检测电路包括：光电位置传感器、反相器CD4049和无位置传感器转子位置估算环节；光电位置传感器与反相器CD4049相连，无位置传感器转子位置估算环节是由DSP来实现的；

所述的开关磁阻电机位置检测电路是：原有光电位置传感器与无位置传感器转子位置估算技术相结合；其中，无位置传感器转子位置估算技术利用电流检测电路检测到的电流值及用公式ψ＝∫(U_s-Ri)dt，Us指绕组相电压，求得的磁链值，通过开关磁阻电机转子、电流及磁链三者之间的模糊模型得到转子位置，并利用原有光电位置传感器的位置信号进行在线校正。

2、按照权利要求1所述的开关磁阻电机电子齿轮功能实现装置，其特征在于所述的功率电路包括整流电路、裂相电容分压电路、半桥式逆变电路、开关电源，其连接方式是：将交流电源接至整流电路，整流电路分别与裂相电容分压电路、开关电源相连接，裂相电容分压电路连接半桥式逆变电路。

3、一种权利要求1所述的开关磁阻电机电子齿轮功能实现装置的实现方法，其特征在于它是利用位置检测电路将开关磁阻电机转子位置信号传给开关磁阻电机电子齿轮控制器，由控制器决定此时电机定子绕组的导通相，通过读取用户事先由键盘给定的电子齿轮齿数比，确定要通电相的电流大小，定子绕组通电会产生一定大小和方向的转矩，通过对通电相给定相应的电流，通电相产生的转矩进行矢量相加，于是在空间上就形成了满足电子齿轮齿数比的定位矢量，实现给定脉冲与实际要求的机械轴位移相一致，从而实现电子齿轮功能。

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