CN104320024A - 一种开关磁阻电机位置检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻电机位置检测系统及检测方法，属于开关磁阻电机位置检测技术领域。其特征在于：在所述的传感器罩（3）内安装有磁阻式旋转变压器，磁阻式旋转变压器的转子固定在电机内部的轴上，旋转变压器定子（6）固定在所述传感器罩（3）的中心处，旋转变压器定子（6）与传感器罩（3）之间固定有位置信号转接板（11），第一信号线（8）自旋转变压器定子（6）的绕组上引出并与设置在位置信号转接板（11）上的控制电路相连，控制电路上同时引出有引向传感器罩（3）外部的第二信号线（9）。本发明的开关磁阻电机位置检测系统在对传感器罩进行拆装时无需对传感器罩进行旋转调整，同时可输出多种位置信号，具有很强的适应性和通用性。

Description

一种开关磁阻电机位置检测系统及检测方法

技术领域

一种开关磁阻电机位置检测系统及检测方法，属于开关磁阻电机位置检测技术领域。

背景技术

开关磁阻电机是定子、转子双凸极磁阻性转矩电机，这种电机具有结构简单、性能可靠、起动电流小，起动转矩大、调速范围宽及效率高等优点。为了控制开关磁阻电机的运行，控制器需要获取转子的位置信息，位置信息可通过位置传感器进行采集，并转变为可用的数字信号送给控制器。开关磁阻电机的位置检测一直是研究的热点，传统的位置检测采用光电或霍尔开关输出位置信号，也有采用旋转变压器、光电编码器检测转子旋转位置。

传统旋转变压器体积较小，一般同轴安装于电机尾部，在较为恶劣的场合其可靠性和精度会受到很大影响。磁阻式旋转变压器是近些年兴起的新型位置检测器件，是一种基于磁阻变化原理的高精度角位传感电机，它结构简单，没有电刷滑环的接触，具有无刷化、高可靠性、高精度、成本低廉、小型化和易于安装等优点，可以提高系统的可靠性和抗冲击能力，适应条件恶劣的工作环境。

通常磁阻式旋转变压器也是同轴安装在电机尾部，这种安装方式与传统电旋转变压器同样具有不可靠性。磁阻式旋转变压器需要高频驱动信号，并输出两路相位相差90°的正余弦模拟信号。这两路正余弦位置信号开关磁阻电机控制器不能直接使用，必须经过位置信号转接板，转换成控制器可以识别的位置信号种类，通常位置信号转接板安装于电机外部，正余弦模拟位置信号的引出线较长，极易受到干扰。目前市场上各种开关磁阻电机控制器需求的位置信号不尽相同，传统的旋变数字转换器（RDC）输出位置信号方式单一，不具有通用性。

同时，在现有技术中，传感器罩固定孔为腰型孔，在每次拆装后进行传感器罩的固定时，首先需要将传感器罩进行预固定，然后通过检测位置信号，在一定旋转调节范围内旋转传感器罩，确定定子的起始位置后，最后将传感器罩紧固，安装调试过程较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种在对传感器罩进行拆装时无需对传感器罩进行旋转调整，同时可输出多种位置信号，具有很强的适应性和通用性的开关磁阻电机位置检测系统及检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该开关磁阻电机位置检测系统，包括开关磁阻电机、与开关磁阻电机配合的磁阻式旋转变压器以及开关磁阻电机控制器，在开关磁阻电机的电机定子机座的尾部固定有传感器罩，其特征在于：所述的磁阻式旋转变压器固定在开关磁阻电机内，在传感器罩内同时固定有位置信号转接板，磁阻式旋转变压器的输出端与位置信号转接板上的控制电路相连，位置信号转接板的信号输出端与所述的开关磁阻电机控制器相连。

优选的，所述的磁阻式旋转变压器的转子固定在所述开关磁阻电机的轴上，旋转变压器定子固定在所述传感器罩的中心处，在传感器罩内，旋转变压器定子的外侧设置有一环形凹槽，所述的位置信号转接板固定在该环形凹槽内，第一信号线自旋转变压器定子的绕组上引出并与设置在位置信号转接板上的控制电路相连，控制电路上同时引出有引向传感器罩外部的第二信号线。

优选的，在所述的传感器罩的外周圈开设有多个传感器罩固定孔，在传感器罩的侧面开有一个引线孔，第二信号线经由引线孔和外部延伸线连接至开关磁阻电机控制器；

所述的旋转变压器定子与所述的开关磁阻电机的定子对应安装；所述的引线孔与所述的旋转变压器定子对应安装；所述的传感器罩固定孔与所述的旋转变压器定子对应安装。

优选的，所述的旋转变压器定子的内周圈均匀开设有多个用于与传感器罩固定的定子固定孔，旋转变压器定子的绕组上引出第一信号线的位置与所述引线孔对应安装。

优选的，所述的设置在位置信号转接板上的控制电路包括旋变驱动电路、RDC解码器以及CPLD可编程逻辑器件，旋变驱动电路与磁阻式旋转变压器连接并为其供电，磁阻式旋转变压器的信号输出端与RDC解码器的信号输入端相连，RDC解码器的信号输出端与CPLD可编程逻辑器件的信号输入端相连，CPLD可编程逻辑器件的输出端连接开关磁阻电机控制器。

优选的，所述的旋变驱动电路包括集成运算放大器U1以及推挽放大电路，驱动信号自端子A引入，端子A串联电阻R1之后同时并联电容C3和电阻R2的一端以及集成运算放大器U2的反相输入端，电容C3和电阻R2的另一端同时并联至端子A’处，集成运算放大器U1的同相输入端连接接入参考电压V_ref，集成运算放大器U1的输出端连接由电阻R3~R8、二极管D1~D2以及三极管Q1~Q2组成的推挽式放大电路的输入端，推挽式放大电路的输出端同时并联到端子A’处；端子A处接入励磁信号，端子A’与所述的磁阻式旋转变压器相连。

优选的，在所述的磁阻式旋转变压器的信号输出端与RDC解码器的信号输入端相连设置有RC滤波电路。

优选的，所述的RC滤波电路包括电容C4~C5，电阻R9~R11，端子B串联电阻R10之后分别并联电容C4、电阻R9的一端以及端子B’； 端子C串联电阻R11之后分别并联电容C5的一端、电阻R9的另一端以及端子C’，电容C4和电容C5的另一端接地；

端子B、C连接所述的磁阻式旋转变压器的输出端，端子B’、C’连接所述的RDC解码器的信号输入端相连。

一种开关磁阻电机位置检测系统的检测方法，其特征在于：同时设置有可输出绝对位置的同步串行信号、模拟传统光电开关形式的数字开关位置信号以及高分辨率的增量式编码器位置信号的信号输出模块，分别按照同步串行信号传输协议、光电开关信号传输协议以及增量式编码器位置信号传输协议向开关磁阻电机控制器输出相应位置信号。

优选的，所述的光电开关信号传输协议，包括如下步骤：

步骤1001，RDC解码器输出并行信号；

由RDC解码器接收到磁阻式旋转变压器输入的转子位置信号，形成最高12位并行绝对位置信号，并由RDC解码器的输出端口进行输出；

步骤1002，CPLD可编程逻辑器件寄存器接收并行信号；

RDC解码器输出的最高12位并行绝对位置信号送入CPLD可编程逻辑器件的12位寄存器；

步骤1003，CPLD可编程逻辑器件寄存器进行分区；

CPLD可编程逻辑器件寄存器将磁阻式旋转变压器转子旋转一圈输出的最多4096个脉冲通过CPLD可编程逻辑器件内置计数器划分为n个区间，每个区间对应着一组模拟光电开关输出；

步骤1004，确定当前分区并进行信号输出；

CPLD可编程逻辑器件根据当前分区，确定磁阻式旋转变压器转子当前位置，然后按照光电开关的导通规律，输出对应的三路模拟的光电开关的数字信号。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本发明的开关磁阻电机位置检测系统中传感器罩固定孔与旋转变压器定子对应安装，旋转变压器定子与所述的开关磁阻电机的定子对应安装，以定位位置信号的起始位置。从而实现了开关磁阻电机定子-传感器罩固定孔-旋转变压器定子之间相对位置或者相对角度之间的固定，从而在安装完传感器罩之后，位置信号的起始位置正好对应开关磁阻电机某相齿的中心线，即传感器罩安装固定之后，不必给开关磁阻电机和控制器上电并进行繁琐的定位工作，本开关磁阻电机位置检测系统可以直接输出正确的位置信号。传感器罩固定孔与传感器罩引线孔之间位置固定，从而由电机引出的位置线的出线方向固定，便于电机在应用场合安装，且更加美观。

2、在本开关磁阻电机位置检测系统中，由于将位置信号板密封安装在开关磁阻电机的传感器罩的内部，因此可以使磁阻式旋转变压器与位置信号转接板之间的引线最短，可以有效减小模拟信号在长距离传输时受到的干扰。

3、磁阻式旋转变压器安装在电机内部，在振动、灰尘等恶劣环境中使用时可靠性更高，可以使电机整体更加美观。

4、位置信号转接板的信号输出端可输出三种信号：绝对位置同步串行信号、模拟传统光电开关形式的数字开关位置信号以及高分辨率的增量式编码器位置信号，输出信号形式多样。这种可编程的位置信号输出方式，可以根据不同开关磁阻电机控制器的位置检测需求输出不同的信号，实现了开关磁阻电机位置检测系统与任意开关磁阻电机控制器的匹配，而并非是现有技术中开关磁阻电机位置检测系统与单一开关磁阻电机控制器的匹配，因此具有很强的适应性和通用型。

附图说明

图1为一种开关磁阻电机位置检测系统安装示意图。

图2为一种开关磁阻电机位置检测系统传感器罩内部结构示意图。

图3为一种开关磁阻电机位置检测系统原理方框图。

图4为一种开关磁阻电机位置检测系统旋变驱动电路原理图。

图5为一种开关磁阻电机位置检测系统RC滤波电路原理图。

图6为一种开关磁阻电机位置检测方法光电开关信号通讯协议的输出流程图。

其中：1、电机定子机座  2、延伸线  3、传感器罩  4、风扇  5、定子固定孔  6、旋转变压器定子  7、传感器罩固定孔  8、第一信号线  9、第二信号线  10、引线孔  11、位置信号转接板。

具体实施方式

图1~6是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~6对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种开关磁阻电机位置检测系统，包括电机定子机座1，在电机定子机座1的尾部安装有传感器罩3，延伸线2自传感器罩3的侧面引出，磁阻式旋转变压器位于传感器罩3内，磁阻式旋转变压器的转子固定在电机内部的轴上。磁阻式旋转变压器的转子安装在电机内部，在振动、灰尘等恶劣环境中使用时可靠性更高，同时可以使电机整体更加美观。风扇4固定在传感器罩3的外部。

在现有的采用磁阻式旋转变压器与开关磁阻电机配合的位置检测系统中，磁阻式旋转变压器均安装在开关磁阻电机的外部，同时位置信号转接板11也安装在传感器罩3的外部，当磁阻式旋转变压器安装在开关磁阻电机外部时，开关磁阻电机容易受到现场各种信号的干扰。而在本开关磁阻电机位置检测系统中，由于将位置信号转接板11密封安装在传感器罩3的内部，因此可以使磁阻式旋转变压器与位置信号转接板11之间的引线最短，可以有效减小模拟信号在长距离传输时受到的干扰。

如图2所示，在传感器罩3的外周圈设置有多个圆形的传感器罩固定孔7，在实际应用中，传感器罩固定孔7的数量为3~4个，通过相对应数量的穿过传感器罩固定孔7的螺栓，将传感器罩3固定在电机定子机座1的尾部。在传感器罩3的侧面开有一个引线孔10，上述的延伸线2安装在引线孔10的外部。

旋转变压器定子6固定在传感器罩3的内部中心位置，在旋转变压器定子6的外圈与传感器罩3的内圈之间固定有扇形的位置信号转接板11，在位置信号转接板11上设置有控制电路。在旋转变压器定子6的内周圈对称设置有六个定子固定孔5，通过将相应数量的螺栓将旋转变压器定子6固定在传感器罩3的内侧。第一信号线8自旋转变压器定子6的绕组上引出，并连接至位置信号转接板11的控制电路中，自位置信号转接板11上引出的第二信号线9经由引线孔10以及安装在引线孔10处的延伸线2引向传感器罩3的外部，与开关磁阻电机控制器相连。

在现有技术中，传感器罩固定孔7为腰型孔，在每次拆装后进行传感器罩3的固定时，首先需要将传感器罩3进行预固定，然后对开关磁阻电机和控制器上电，通过检测位置信号，在一定旋转调节范围内旋转传感器罩3，确定旋转变压器定子6的起始位置后，最后将传感器罩3紧固。因此在现有技术中，在每次拆装传感器罩3之后都需要重新定位，以确定位置信号的起始位置，操作过程较为复杂。

而在本开关磁阻电机位置检测系统安装时，通过将旋转变压器定子6的位置固定在传感器罩3内，与传感器罩固定孔7对应安装，实现了旋转变压器定子6与传感器罩3之间相对位置的固定。然后在固定传感器罩3时，将传感器罩3上的传感器罩固定孔7与开关磁阻电机的定子相对应安装，从而实现了开关磁阻电机定子 — 传感器罩固定孔7 — 旋转变压器定子6之间相对位置或者相对角度之间的固定，从而在安装完传感器罩3之后，可以令位置信号的起始位置正好对应开关磁阻电机某相齿的中心线，即传感器罩3安装完成之后，本开关磁阻电机位置检测系统可以直接输出正确的位置信号。因此在每次拆装后，可将传感器罩3直接进行紧固，无需旋转调节传感器罩3，大大简化了传感器罩3的安装过程，并提高了可靠性。

旋转变压器定子6的绕组上第一信号线8引出的位置与上述的引线孔10的位置对应安装，及第一信号线8的位置与引线孔10的位置是相对固定的。因此将传感器罩3的出线位置同时确定，便于在现场安装时进行接线。

如图3所示，位置信号转接板11上的控制电路包括：旋变驱动电路、RDC解码器、故障指示电路以及CPLD可编程逻辑器件。旋变驱动电路与磁阻式旋转变压器连接并为其供电。磁阻式旋转变压器的信号输出端与RDC解码器的信号输入端相连，将转子位置信息送至RDC解码器，RDC解码器的信号输出端与CPLD可编程逻辑器件的信号输入端相连。CPLD可编程逻辑器件的输出端与开关磁阻电机控制器的输入端相连。

在本开关磁阻电机位置检测系统中，位置信号转接板可输出三种信号：绝对位置的同步串行信号、模拟传统光电开关形式的数字开关位置信号以及高分辨率的增量式编码器位置信号。在实际使用时，可以根据不同开关磁阻电机控制器的位置检测需求输出不同的信号，实现了开关磁阻电机位置检测系统与任意开关磁阻电机控制器的匹配，而并非是现有技术中开关磁阻电机位置检测系统与单一开关磁阻电机控制器的匹配，因此具有很强的适应性和通用型。

RDC解码器，CPLD可编程逻辑器件在实际实施时，设置有其各自的常规的外围电路，同时RDC解码器与CPLD可编程逻辑器件之间管脚的连接均属于本领域的公知技术。在本开关磁阻电机位置检测系统中，RDC解码器可采用多种型号进行实现，如AD2S12XX系列解码芯片。

在本开关磁阻电机位置检测系统中，位置信号转接板输出串行信号的端口与开关磁阻电机控制器之间设置有常规的光电隔离电路以及穿行信号远距离通讯驱动电路，由开关磁阻电机控制器向位置信号转接板输入同步时钟信号和片选信号，可满足SPI通讯协议，三路信号在转接板上通过高速光耦进行隔离，并通过三态输出总线收发器增加驱动能力。串行信号的编程由CPLD可编程逻辑器件实现，过程为12位绝对位置通过RDC解码器的并行输出口输出到CPLD可编程逻辑器件，按照需要的时序要求，输出同步串行位置信号。

在CPLD可编程逻辑器件输出模拟传统光电开关的端口设置有滤波电路，使用推挽式信号输出，可以与采用传统光电开关位置信号的开关磁阻电机控制器兼容。

在位置信号转接板11上同时设置有故障指示电路，故障指示线路与RDC解码器相连，当磁阻式旋转变压器的输出信号电压超过最大值、低于最小值或相位失配时，故障指示电路进行故障指示。

如图4所示的旋变驱动电路中，驱动信号自端子A引入，端子A串联电阻R1之后同时并联电容C3和电阻R2的一端以及集成运算放大器U2的反相输入端，电容C3和电阻R2的另一端同时并联至端子A’处。集成运算放大器U1的同相输入端连接接入参考电压V_ref，集成运算放大器U1的输出端连接由电阻R3~R8、二极管D1~D2以及三极管Q1~Q2组成的推挽式放大电路的输入端，挽式放大电路的输出端同时并联到端子A’处。端子A处接入励磁信号，励磁信号通过集成运算放大器U1放大幅值，然后经过推挽式放大电路增加驱动电流，实现对磁阻式旋转变压器的供电。

如图5所示的RC滤波电路中，端子B串联电阻R10之后分别并联电容C4、电阻R9的一端以及端子B’； 端子C串联电阻R11之后分别并联电容C5的一端、电阻R9的另一端以及端子C’，电容C4和电容C5的另一端接地。RC滤波电路连接在磁阻式旋转变压器的输出端与RDC解码器之间，其中端子B、C连接磁阻式旋转变压器的输出端，端子B’、C’与RDC解码器的信号输入端相连。RC滤波电路设置有两组，分别将磁阻式旋转变压器输出地正弦、余弦信号进行滤波后送入RDC解码器不同的信号输入端。

如图6所示，本开关磁阻电机位置检测方法的光电开关信号通讯协议的输出流程，包括如下步骤：

步骤1001，RDC解码器输出并行信号；

由RDC解码器接收到磁阻式旋转变压器输入的转子位置信号，形成最高12位并行绝对位置信号，并由RDC解码器的输出端口进行输出；

步骤1002，CPLD可编程逻辑器件寄存器接收并行信号；

RDC解码器输出的最高12位并行绝对位置信号送入CPLD可编程逻辑器件的12位寄存器；

步骤1003，CPLD可编程逻辑器件寄存器进行分区；

CPLD可编程逻辑器件寄存器将磁阻式旋转变压器转子旋转一圈输出的最多4096个脉冲通过CPLD可编程逻辑器件内置计数器划分为n个区间，每个区间对应着一组模拟光电开关输出；

步骤1004，确定当前分区并进行信号输出；

CPLD可编程逻辑器件根据当前分区，确定磁阻式旋转变压器转子当前位置，然后按照光电开关的导通规律，输出对应的三路模拟的光电开关的数字信号。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。 

Claims (10)

1.一种开关磁阻电机位置检测系统，包括开关磁阻电机、与开关磁阻电机配合的磁阻式旋转变压器以及开关磁阻电机控制器，在开关磁阻电机的电机定子机座（1）的尾部固定有传感器罩（3），其特征在于：所述的磁阻式旋转变压器固定在开关磁阻电机内，在传感器罩（3）内同时固定有位置信号转接板（11），磁阻式旋转变压器的输出端与位置信号转接板（11）上的控制电路相连，位置信号转接板（11）的信号输出端与所述的开关磁阻电机控制器相连。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机位置检测系统，其特征在于：所述的磁阻式旋转变压器的转子固定在所述开关磁阻电机的轴上，旋转变压器定子（6）固定在所述传感器罩（3）的中心处，在传感器罩（3）内，旋转变压器定子（6）的外侧设置有一环形凹槽，所述的位置信号转接板（11）固定在该环形凹槽内，第一信号线（8）自旋转变压器定子（6）的绕组上引出并与设置在位置信号转接板（11）上的控制电路相连，控制电路上同时引出有引向传感器罩（3）外部的第二信号线（9）。

3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机位置检测系统，其特征在于：在所述的传感器罩（3）的外周圈开设有多个传感器罩固定孔（7），在传感器罩（3）的侧面开有一个引线孔（10），所述的第二信号线（9）经由引线孔（10）和外部延伸线（2）连接至开关磁阻电机控制器；

所述的旋转变压器定子（6）与所述的开关磁阻电机的定子对应安装；所述的引线孔（10）与所述的旋转变压器定子（6）对应安装；所述的传感器罩固定孔（7）与所述的旋转变压器定子（6）对应安装。

4. 根据权利要求2或3所述的开关磁阻电机位置检测系统，其特征在于：所述的旋转变压器定子（6）的内周圈均匀开设有多个用于与传感器罩（3）固定的定子固定孔（5），旋转变压器定子（6）的绕组上引出第一信号线（8）的位置与所述引线孔（10）对应安装。

5. 根据权利要求1所述的开关磁阻电机位置检测系统，其特征在于：所述的设置在位置信号转接板（11）上的控制电路包括旋变驱动电路、RDC解码器以及CPLD可编程逻辑器件，旋变驱动电路与磁阻式旋转变压器连接并为其供电，磁阻式旋转变压器的信号输出端与RDC解码器的信号输入端相连，RDC解码器的信号输出端与CPLD可编程逻辑器件的信号输入端相连，CPLD可编程逻辑器件的输出端连接开关磁阻电机控制器。

6. 根据权利要求5所述的开关磁阻电机位置检测系统，其特征在于：所述的旋变驱动电路包括集成运算放大器U1以及推挽放大电路，驱动信号自端子A引入，端子A串联电阻R1之后同时并联电容C3和电阻R2的一端以及集成运算放大器U2的反相输入端，电容C3和电阻R2的另一端同时并联至端子A’处，集成运算放大器U1的同相输入端连接接入参考电压V_ref，集成运算放大器U1的输出端连接由电阻R3~R8、二极管D1~D2以及三极管Q1~Q2组成的推挽式放大电路的输入端，推挽式放大电路的输出端同时并联到端子A’处；端子A处接入励磁信号，端子A’与所述的磁阻式旋转变压器相连。

7. 根据权利要求1所述的开关磁阻电机位置检测系统，其特征在于：在所述的磁阻式旋转变压器的信号输出端与RDC解码器的信号输入端相连设置有RC滤波电路。

8. 根据权利要求7所述的开关磁阻电机位置检测系统，其特征在于：所述的RC滤波电路包括电容C4~C5，电阻R9~R11，端子B串联电阻R10之后分别并联电容C4、电阻R9的一端以及端子B’； 端子C串联电阻R11之后分别并联电容C5的一端、电阻R9的另一端以及端子C’，电容C4和电容C5的另一端接地；

端子B、C连接所述的磁阻式旋转变压器的输出端，端子B’、C’连接所述的RDC解码器的信号输入端相连。

9. 一种利用权利要求1~8所述的开关磁阻电机位置检测系统的检测方法，其特征在于：同时设置有可输出绝对位置的同步串行信号、模拟传统光电开关形式的数字开关位置信号以及高分辨率的增量式编码器位置信号的信号输出模块，分别按照同步串行信号传输协议、光电开关信号传输协议以及增量式编码器位置信号传输协议向开关磁阻电机控制器输出相应位置信号。

10. 根据权利要求9所述的开关磁阻电机位置检测方法，其特征在于：所述的光电开关信号传输协议，包括如下步骤：

步骤1001，RDC解码器输出并行信号；

由RDC解码器接收到磁阻式旋转变压器输入的转子位置信号，形成最高12位并行绝对位置信号，并由RDC解码器的输出端口进行输出；

步骤1002，CPLD可编程逻辑器件寄存器接收并行信号；

RDC解码器输出的最高12位并行绝对位置信号送入CPLD可编程逻辑器件的12位寄存器；

步骤1003，CPLD可编程逻辑器件寄存器进行分区；

CPLD可编程逻辑器件寄存器将磁阻式旋转变压器转子旋转一圈输出的最多4096个脉冲通过CPLD可编程逻辑器件内置计数器划分为n个区间，每个区间对应着一组模拟光电开关输出；

步骤1004，确定当前分区并进行信号输出；

CPLD可编程逻辑器件根据当前分区，确定磁阻式旋转变压器转子当前位置，然后按照光电开关的导通规律，输出对应的三路模拟的光电开关的数字信号。