CN103630152B - 用于多极数开关磁阻电机驱动系统遮光码盘的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于多极数开关磁阻电机驱动系统遮光码盘的设计方法，先计算出齿与齿槽等宽的遮光码盘的齿槽实际通过光轴所转过的弧长和齿实际通过光轴所转过的弧长，得出两者差；再给齿的宽度两侧各加宽，齿槽相应地变窄，得到齿与齿槽不等宽的遮光码盘，间接地增加齿通过光轴所经过的弧长，减少齿槽通过光轴所经过的弧长，从而使光电传感器输出高低电平宽度相等的位置信号，有效地改善了位置信号输出波形的精确度，提高了控制精度和电机效率。

Description

用于多极数开关磁阻电机驱动系统遮光码盘的设计方法

技术领域

本发明属于机电类的开关磁阻电机领域，涉及开关磁阻电机驱动系统中使光电传感器产生更精确位置信号输出的遮光码盘。

背景技术

开关磁阻电机因其成本低、结构简单、调速范围宽、起动性能好和运行效率高等优点被应用于广泛的工业领域。开关磁组电机驱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转子和定子的相对位置，作为控制功率变换器主开关器件通断的依据。目前，开关磁阻电机驱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遮光码盘组成的。光电传感器通常是U型结构，其发射器是发光二极管，接收器是光敏三极管，并被相对安放在U型槽的两侧，形成一个光轴；当物体经过U型槽遮住光轴时，接收器接收不到光束，输出与不遮住时相反的信号。遮光码盘有齿和齿槽，其齿、齿槽数等于转子极数。转子旋转时，遮光码盘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。

现有光敏式位置检测器均采用齿与齿槽宽度相等的转盘，使每个光电传感器产生的脉冲信号的高低电平宽度相等。但是，由于传感器U型槽内形成的是一个光轴，切面并非是一个点,而是一个小圆面，所以在遮光盘的齿通过光电传感器U型槽时就会存在齿面完全遮住圆面、不完全（部分）遮住圆面和完全脱离圆面三个过程，当遮光盘的齿面完全遮住圆面，传感器接收端（光敏三极管）完全接收不到发光二极管发出的光束，此时可视作遮光盘的齿开始通过光轴；而当齿面转过传感器还未完全脱离圆面（部分遮住圆面）时，光敏三极管就已经能接收到光束了，此时则可视作遮光盘的齿槽已经开始通过光轴了。因此当电机稳速运行时，遮光盘转过光电传感器，光敏三极管完全接收不到光束的时间要比它能接收到光束的时间短，即齿通过光轴所转过的弧长实际上要比齿槽通过光轴所转过的弧长短（很小）如图5所示，对于极数较少的如6/4结构的电机，因为光电感应盘一个圆上只需均分四个齿，每个齿的弧长较长，可以忽略。可是，对于极数较多如12/8结构的电机，感应盘上需均分八个齿，每个齿的弧长较短，若忽略，则会出现以下问题：

1、在低速方式下，由于测速困难，转子位置角难以估计，常采用1/2周期导通方式。若忽略电感L曲线的平台区，则1/2周期绕组通电，产生正转矩；另1/2周期绕组不通电，否则将产生负转矩。由于弧长差的存在，使得转子正转和反转时产生正（负）转矩的1/2周期发生错位（超出平台区），导致在正转或反转某种状态下正转矩减小，甚至产生部分负转矩，如图6所示。

2、在高速时，由于弧长差的存在，转子正转和反转时基准转子位置角不同，转子位置角的计算方法也不同。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有光敏式位置检测器在位置检测时存在的问题，减少由光电传感器输出的位置信号的误差，对遮光码盘的结构进行重新设计，为开关磁阻电机提供更精确的位置检测。

本发明采用的技术方案是：开关磁阻电机驱动系统由固定在电机定子上的光电传感器和与电机转子同轴旋转的遮光码盘组成，遮光码盘采用齿与齿槽等宽的转盘，电机以稳速n带动遮光码盘上的一个齿刚好完全遮住光电传感器的光轴，此刻位置信号产生高电平，当该齿继续转过一个角度，未完全通过光轴就产生一片入光区，此刻位置信号变成低电平，产生高电平的时间短于产生低电平的时间；先计算出齿槽实际通过光轴所转过的弧长和齿实际通过光轴所转过的弧长，得出两者差=-；再给齿的宽度两侧各加宽，齿槽相应地变窄，得到齿与齿槽不等宽的的遮光码盘以及高低电平等宽的位置信号。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明将普遍使用的齿与齿槽宽度相等的感应盘在每个齿与一个相邻齿槽宽度总和不变的情况下给齿加宽，间接地增加齿通过光轴所经过的弧长，减少齿槽通过光轴所经过的弧长，从而使光电传感器输出高低电平宽度相等的位置信号，有效地改善了位置信号输出波形的精确度，提高了控制精度和电机效率。

2、本发明提供了一个结构简单，设计方便，坚固可靠的遮光码盘，可以更精确地输出等宽的高低脉冲信号，而且方法简单易于操作，是从位置信号形成最初端进行设计，效果较好。

附图说明

图1为12/8极开关磁阻电机遮光码盘示意图。其中，1为光电传感器，2为感应盘的齿槽，3为感应盘的齿。

图2为遮光码盘经过一个光电传感器的位置放大示意图。其中，n为遮光码盘顺时针转动的转速，为遮光码盘转过的机械角度，A为第一个齿，B为第二个齿，虚线C为第一个齿A转动后的位置，虚线D为第二个齿B转动后的位置，a为第一个齿A转动后的前侧面，b为第一个齿A的前侧面，c为第一个齿A转动后的后侧面，d为第一个齿A的后侧面，e为第二个齿B转动后的前侧面，为b侧面到a侧面的弧长，为e侧面到b侧面的弧长，R为遮光码盘圆心到光电传感器U型槽内光轴切面圆圆心的距离。

图3为图2中的局部K区域的放大图。其中，O为光电传感器U型槽内光轴被遮光码盘上的齿所切的一个切面小圆，S为遮光码盘的齿面转过光轴未被齿面所遮住的切面圆的部分（即入光区）。

图4为一路位置信号高低电平图。其中，P为理想状态高低电平宽度相等的位置信号，Q为实际情况高低电平宽度不等的位置信号，为实际高电平比理想高电平少产生的时间，为实际情况产生高电平的时间，为实际情况产生低电平的时间。

图5为设计的遮光码盘示意图。其中，4为齿加宽的部分，5为以遮光码盘圆心为圆心经过光轴切面圆的一段虚线弧，为转盘实际转动时齿槽通过光轴所转过弧长与齿通过光轴所转过弧长的差。

图6为绕组通电示意图。其中，L为电感变化图，I为电流变化图，Ⅰ为正常1/2周期绕组通电图，Ⅱ为1/2周期绕组通电错位图（通电不足），Ⅲ为1/2周期绕组通电错位图（通电延续到电感下降区），X为错位量（正转矩减小），Y为错位量（产生负转矩）。

具体实施方式

下面结合附图和具体技术方案详细说明本发明所要解决的误差问题以及具体解决措施。

通过图1，图2，图3可以看出误差所在，由于光电传感器U型槽内光轴投射到齿面上不可能是一个点而是一个小圆面，故如图2，电机以速度n沿箭头方向顺时针转动，带动遮光码盘上的第一个齿A刚好完全遮住光电传感器U型槽内光轴即第一个齿A的前侧面b与光轴切面圆相切，此刻位置信号开始产生高电平，可视作遮光码盘的齿开始通过光轴，当齿转过角，第一个齿A转到虚线C位置,此时，如图3，第一个齿A的后侧面c还未完全通过切面圆就产生了一片入光区S，此刻光敏三极管已经能接收到发光二极管发出的光束，位置信号变成低电平，可视作遮光盘的齿槽开始通过光轴。接着再如图2，为使位置信号再变为高电平，那么齿面必须再次完全遮住光轴即虚线D第二个齿B的前侧面e必须转到原来第一个齿A的前侧面b的位置，毫无疑问，图2上b侧面转到a侧面的弧长肯定要小于e侧面转到b侧面的弧长，而遮光码盘是以稳速n转动的，所以齿通过光轴的时间实际上比齿槽通过光轴的时间要短，也就是如图4中Q信号图，产生高电平的时间要短于产生低电平的时间，这样位置信号产生的高低电平的宽度就不相等了。

解决方案是先计算出齿槽实际通过光轴所转过的弧长和齿实际通过光轴所转过的弧长，然后得出两者的差，因为一个齿和它相邻的齿槽宽度总和是不变的，所以再将等分即齿宽度方向的两侧各加宽，齿槽相应窄了，这样就能得到高低电平等宽的位置信号，如图4的P信号图，最后加工出齿与齿槽不等宽的的遮光码盘。

具体措施是先使用齿与齿槽等宽的遮光码盘使电机以稳速n(r/min)转动，通过示波器采集N个周期的位置信号波形图，其中一个周期的波形图大致与图4里Q信号图相一致，然后利用示波器上的时间光标可以量得N个周期的N个高电平时间(ms)和N个低电平时间(ms),为使数据更精确，算出N个周期高低电平的平均时间和：

再量得图2中的R(mm)。这样就得到(mm)和(mm)：

然后求得：

，

最后，如图5，沿着虚线弧5给齿加宽。

采用本发明可以降低光电传感器自带的一定误差，使位置信号输出更加精确，从而使开关磁阻电机控制更准确更方便，运行更有效。

Claims (2)

1.一种用于多极数开关磁阻电机驱动系统遮光码盘的设计方法，所述开关磁阻电机驱动系统由固定在电机定子上的光电传感器和与电机转子同轴旋转的遮光码盘组成，遮光码盘采用齿与齿槽等宽的转盘，电机以稳速n带动遮光码盘上的一个齿刚好完全遮住光电传感器的光轴，此刻位置信号产生高电平，当该齿继续转过一个角度，未完全通过光轴就产生一片入光区，此刻位置信号变成低电平，产生高电平的时间短于产生低电平的时间，

其特征是采用如下步骤：

（1）计算出齿槽实际通过光轴所转过的弧长和齿实际通过光轴所转过的弧长，得出两者差；

（2）给齿的宽度两侧各加宽，齿槽相应地变窄，得到齿与齿槽不等宽的的遮光码盘以及高低电平等宽的位置信号。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征是：步骤（1）中，先在电机以稳速n转动时，通过示波器采集N个周期的位置信号波形图，利用示波器上的时间光标量得N个周期的N个高电平时间和N个低电平时间计算出N个周期高低电平的平均时间和：

再测量出遮光码盘圆心到光轴圆心的距离R，通过下式计算出齿槽实际通过光轴所转过的弧长和齿实际通过光轴所转过的弧长：

。