CN107276463A - 一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，只有一个与电子转子联动的码盘和一个用于检测码盘的检测传感器。在码盘的外周具有6组循环的检测组。每个检测组包括由第一机械角或第二机械角构成的凸起检测部、以及由第一机械角或第二机械角构成的凹入检测部排列构成。检测传感器对检测组中的凸起检测部或凹入检测部分别输出对应的高电平或低电平的检测信号，检测信号经传感器信号编码模块、编码信号处理模块和相输出逻辑模块，输出四相开关磁阻电机的换相逻辑信号。本发明只需要一个码盘便可以实现电机转子位置的检测，并能降低硬件成本，提高检测可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及四相开关磁阻电机，具体地说是用于开关磁阻电机的转子位置检测装置。
背景技术
开关磁阻电机属于同步电机，在控制开关磁阻电机旋转过程中需要检测转子相对于定子的位置，以获得对应的导通相逻辑，正确的控制换相的逻辑，以使开关磁阻电机能够正常运行。在低成本应用中，对于四相开关磁阻电机采用两个位置传感器的方式进行检测，以获得转子相对于定子的角度位置。如图1所示，对于四相，8/6结构的开关磁阻电机(8个定子极，6个转子极)常采用两个位置传感器进行检测，其中S1，S2为位置检测装置，其间隔为15°机械角度。如果当码盘凸起检测部经过传感器部分时输出高电平信号，当码盘凹入检测部经过传感器部分时输出低电平信号，且定义码盘逆时针旋转为电机正转，码盘瞬时针旋转时为电机反转，那么当电机正转时，传感器输出波形如图2所示，其中S1为传感器S1输出波形，S2为传感器S2输出波形。从输出波形中可以看出，每60°机械角度为一个循环周期，且两个传感器波形将一个周期分成了4个等分的区间，分别为：1、2、3、4，每个区间的间隔为15°机械角度。当高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”，那么四个区间分别可用：10,11,01,00表示，分别代表了电机的四个位置区间，通过读取传感器输出的高低电平状态，可以获得转子相对于定子的位置信息，并根据这个信息进行换相操作。但是这种方式需要采用两个传感器装置，硬件增加了成本，且采用两个传感器装置也增加额传感器故障的概率，另外当有干扰信号进入时，增加了故障判断的难度。在一些有低成本要求，且要保证高可靠性的场合，很难满足需求。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术现状，而提供一种适用于四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，只需要一个码盘便可以实现电机位置的检测，降低硬件成本，并且提高检测可靠性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其只有一个与电子转子联动的码盘和一个用于检测码盘的检测传感器。在码盘的外周具有6组循环的检测组。每个检测组包括由第一机械角或第二机械角构成的凸起检测部、以及由第一机械角或第二机械角构成的凹入检测部排列构成。检测传感器对检测组中的凸起检测部或凹入检测部分别输出对应的高电平或低电平的检测信号，检测信号经传感器信号编码模块、编码信号处理模块和相输出逻辑模块，输出四相开关磁阻电机的换相逻辑信号。
作为优选，上述的检测传感器是光耦传感器、霍尔传感器或接近开关。码盘外周的凸起检测部和凹入检测部分别通过检测传感器时，检测传感器的输出电平状态不同。
作为优选，上述的传感器信号编码模块接收检测传感器的输出信号，并且对输出信号的上升沿和下降沿进行捕获，并判断连续两次上升沿或下降沿之间凸起检测部和凹入检测部所占机械角的大小，以此进行编码并输出编码信号。
作为优选，上述四相开关磁阻电机正转时，传感器信号编码模块对输出信号的上升沿进行捕获，并判断连续两次上升沿之间凸起检测部和凹入检测部所占机械角的大小，以此进行编码并输出编码信号。四相开关磁阻电机反转时，传感器信号编码模块对输出信号的下降沿进行捕获，并判断连续两次下降沿之间凸起检测部和凹入检测部所占机械角的大小，以此进行编码并输出编码信号。
作为优选，上述的编码信号处理模块接收传感器信号编码模块输出的编码信号，并与内部生成的一个编码信息进行比较，如果相等，则输出对应的编码信息，如果不相等，则输出故障信息，并用接收到的编码信号去更新内部生成的编码信息。
作为优选，上述的编码信号处理模块设有启动处理模块，启动处理模块在电机启动时，通过对对应相的操作，以获得转子初始编码信息。
作为优选，上述的编码信号处理模块设有计算处理模块、第一存储器和第二存储器。接收的编码信号依次存入第一存储器内，第二存储器生成有内部编码信息，计算处理模块将第一存储器和第二存储器的信号进行比较，如果相等，则输出对应的编码信息，如果不相等，则输出故障信息，并用接收到的编码信号去更新第二存储器内的编码信息。
作为优选，在电机启动时，第一存储器接收有启动处理模块输出的信息，并根据此信息判断电机启动过程中是否获得正确的传感器信息。
作为优选，上述的相输出逻辑模块接收编码信号处理模块输出的编码信号和故障信号，通过对编码信号的判断以获得相应的相输出逻辑信息，并输出相逻辑信号。
作为优选，上述的四相开关磁阻电机的定子极数和转子极数的最小公约数为4:3，第一机械角和第二机械角的比值为2:1。
与现有技术相比，本发明只需采用一个码盘，在电机转子旋转时，获取检测传感器的输出信号，并对这些输出信号进行编码处理，以获得所需要的转子位置信息。采用本发明的转子位置检测装置，不仅可以降低硬件成本，而且通过对检测传感器的输出信息进行编码处理，可以提高位置信息检测的可靠性，并且采用一个检测传感器，降低了传感器故障的概率，同时降低了传感器故障的判断难度。
附图说明
图1为现有技术中两个传感器用码盘装置图。
图2为现有技术中两个传感器输出波形图。
图3为本发明单个传感器用码盘的结构示意图。
图4为本发明中传感器信号编码模块的模块示意图。
图5为本发明中编码信号处理模块的模块示意图。
图6为本发明中第一存储器的工作原理示意图。
图7为本发明中第二存储器的工作原理示意图。
图8为检测传感器的输出波形图。
图9为传感器信号编码模块的信号编码示意图。
图10为正转相输出与传感器信号区间的对应图。
图11为反转相输出与传感器信号区间的对应图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图3至图11所示为本发明的结构示意图。
其中的附图标记为：码盘1、凸起检测部11、凹入检测部12、检测传感器2、传感器信号编码模块3、编码信号处理模块4、启动处理模块41、计算处理模块42、第一存储器43、第二存储器44、相输出逻辑模块5。
本发明的一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其采用一个检测传感器2来检测码盘1的位置信号，并对输出的信号进行编码处理，可以实现获得电机转子的位置信息，并且能够提高检测传感器2容错能力以及对提高对检测传感器2故障的判断能力。
本发明的转子位置检测装置主要由两部分组成，一为图3所示的码盘1及检测传感器2，二为图4所示的传感器信号处理部分。
图3所示为8/6结构的四相开关磁阻电机的码盘1。码盘1外周的凸起检测部11用“H”表示，码盘1外周的凹入检测部12用“L”表示。由于此码盘1用于8/6结构的四相开关磁阻电机，那么由两个位置传感器的形成的最小区域角度为15°机械角，将15°区域再进行分割，其分割原则为2:1的方式，分成10°区域和5°区域。用数字10表示10°，数字5表示5°，H10表示凸起检测部11占的角度为10°，L5表示凹入检测部12占的角度为5°的方式，以此方式表示码盘1的分割。码盘1的分割是以H10，L5，H5，L10，H5，L10，H10，L5为一个周期，以此循环，总共可以分成6组。
此分割方式适用于所有以4相为倍数的多相电机，且定、转子极数的最小公约数为4:3的开关磁阻电机。可有下式进行计算：最小角度区域为：Z＝360°/P/N；其中Z为最小区域的角度值；360°为机械角度；P为转子极数，其为3的倍数；N为电机相数，其为4的倍数；且定、转子极数的最小公约数满足4:3的关系。
根据上述原理可将Z进行2:1的方式分割，也可用n：m的方式分割，其中n≠m。如图3所示，本发明的检测传感器2可以是光耦传感器、霍尔传感器或者是接近开关等器件，其输出特性为只有两种状态，分别为高电平或是低电平。这里假定当凸起检测部11经过检测传感器2时，检测传感器2输出高电平信号，当凹入检测部12经过检测传感器2时，检测传感器2输出为低电平信号；反之也可以是当凸起检测部11经过触感器时，检测传感器2输出低电平信号，当凹入检测部12经过检测传感器2时，检测传感器2输出为高电平信号。
图4所示的传感器信号处理部分主要包括传感器信号编码模块3、编码信号处理模块4和相输出逻辑模块5这三个模块，用以接收检测传感器2的输出信号，并对输出信号进行处理、编码，最后获得正确的相输出逻辑。
传感器信号编码模块3主要对检测传感器2的输出信号进行编码。当图3所示的码盘1逆时针旋转时，认为是电机正转方向。当电机正转时，两个连续上升沿之间的区域认为是最小角度区域，其角度值对应15°机械角度。反之当电机反转时，两个连续下降沿之间的区域认为是最小角度区域。
如图8所示，当电机正转时，S1，S2为现有技术中两个传感器和采用图1所示码盘时输出的传感器输出波形图，其对应的电机的每相电感区间的关系如图8所示，两个传感器波形的将一个60°的机械周期分成了4个等分的区间，对每个区间进行编号，分别记为1、2、3、4，且每个区间为15°机械角度，这个15°的机械角度区间称作最小角度区域。图8中的LA，LB，LC，LD分别为A、B、C、D相的相电感理想变化示意图，其与S1，S2波形对应的区间关系如图所示。
图8中的S为单个传感器采用图3所示码盘1时输出的传感器输出波形图，其与每相电感变化曲线和S1、S2波形的关系如图8所示。当电机反转时，波形观察方向为从右向左反向查看。当电机正转时，在一个最小的角度区域内，如果H对应的角度大于L对应的角度，则认为是逻辑“0”状态，如果H对应的角度小于L对应的角度，则认为是逻辑“1”状态。当电机反转时，两个连续下降沿之间的区域认为是最小角度区域，其角度值对应15°机械角度。在一个最小的角度区域内，如果H对应的角度大于L对应的角度，则认为是逻辑“1”状态，如果H对应的角度小于L对应的角度，则认为是逻辑“0”状态。
以电机正转为例，对应区间的状态如图9所示，在一个周期内的4个区间分别为：0110。传感器信号编码模块3具有沿捕获和时间记录功能，其时间记录功能采用一个计数器进行计数。其在每次上升沿或是下降沿到来时记录之间的计数值，然后对计数器进行复位，并重新计数。当码盘1上的凸起检测部11和凹入检测部12经过检测传感器2时，传感器信号编码模块3会捕获信号的上升沿和下降沿，并同时记录所经过区间的计数值。当电机正转时，传感器信号编码模块3在每次上升沿时，对之前码盘1经过H和L的计数值进行比较。当经过H的计数值大于经过L的计数值时，输出状态“0”，当经过H的计数值小于经过L的计数值时，输出状态“1”。当电机正转时，传感器信号输出电平信号如图9所示，在以1-2-3-4-1-2-3-4……顺序经过区间时,传感器信号编码模块3输出的对应状态分别为：0-1-1-0-0-1-1-0……。当电机反转时，所述传感器信号编码模块3对传感器的输出信号处理方式与上述电机正转时处理方式相同。
编码信号处理模块4接收传感器信号编码模块3输出的编码信号，将这些编码信号进行处理，并判断获得的编码是否正确，并将处理后的编码进行输出。编码信号处理模块4主要包括启动处理模块41、计算处理模块42、第一存储器43和第二存储器44。
编码信号处理模块4接收感器信号编码模块3输出的编码信号后，将这些编码信号放入到如图6所示的第一存储器43中进行存储，其每次将从传感器信号编码模块3接收到的一个编码向右端移入到第一存储器43中，并将第一存储器43中的数据进行右移，第一存储器43中右侧最后一位的数据将会移出存储器。如当前第一存储器43中的数据是0110，从传感器信号编码模块3输出的编码为0，那么编码向右端移入到第一存储器43中，而第一存储器43中的数据进行右移，最后在第一存储器43中的数据为0011。
在编码信号处理模块4中还有一个第二存储器44，存储有内部逻辑预估码，用于判断第一存储器43中的数据是否正确。如图7所示，第二存储器44中的数据会一直进行循环右移，每次最后一位数据右移出后，会又从最右端移入到第二存储器44中。当电机正转时，第一存储器43中的数据在每次信号的上升沿时移入，第二存储器44中的数据每次在信号的上升沿时进行右移循环。当编码信号移入第一存储器43，并且第二存储器44的数据右移后，编码信号处理模块4的计算处理模块42会对两个存储器中的数据进行比较，如果两个数据相等，则认为当前获得的编码信号正确，并将该编码信号输出。如果不相等，则认为当前的检测传感器2信号错误，有可能受到干扰或其它因素的影响。此时编码信号处理模块4会输出一个错误信号，以告知当前接收到的编码信号有异常。并且编码信号处理模块4会用第一存储器43中的数据去更新第二存储器44。如图9所示，编码信号可以分为4个区间，在每个区间对应的编码如下表1的区间编码表所示。
表1：区间编码表
启动处理模块41是在电机启动时，用于初始编码信息的获得。以电机正向旋转方向启动为例，首先给电机的A、B两相进行通电，转子会停留在如图9所示的第2区间，然后关闭A两相，切换到B、C两相通电，此时转子会经过2区进入3区，当获得第一次上升沿信号后，关闭B相，切换到C、D两相通电，此时转子会经过3区进入4区。在这个过程中，当转子进入3区时，强制给第一存储器43进行赋值为1001，并强制给第二存储器44进行强制赋值为1001。当转子进入4区时，所述传感器信号编码模块3会根据之前3区H和L所占的计数大小的比较结果给出相应的编码值0或1，正常情况下，传感器信号编码模块3会输出编码1，此时第一存储器43的值变化1100，于此同时，第二存储器44进行右移循环操作后，其值为1100，比较第一存储器43与第二存储器44是否相等，如果相等则启动正常，后续进入正常编码处理及逻辑控制部分。如果第一存储器43与第二存储器44不相等，则认为启动失败，则需要重新进入启动过程，并重复上述启动步骤。
相输出逻辑模块5是根据编码信号处理模块4输出的编码信号以及故障信号，通过对信号的判断以获得相应的相输出逻辑信息，并输出换相逻辑信号。编码信号处理模块4在不同区间的输出信号如上表1所示。当相输出逻辑模块5接收到由编码信号处理模块4输出的故障信号时，相输出逻辑输出相关闭信号。假定逻辑“0”表示相关闭信号用于关闭对应功率器件，逻辑“1”表示相输出信号用于开启对应功率器件。那么当接收到故障信号时，相输出逻辑模块5输出逻辑信号0000，分别对应D、C、B、A相的输出状态。此时相输出逻辑模块5对编码信号不作任何响应。当没有接收到故障信号时，相输出逻辑模块5处理编码信号处理模块4输出的编码信号。
图10所示是电机正转时，在电动状态下，不同区间对应的各相输出的状态，高电平代表该相导通，低电平代表该相关闭。根据开关磁阻电机的电动和发电的通电区间要求，其在旋转方向上，对应的电感上升沿为电动通电区域，对应的电感下降沿为发电通电区域。那么在电机正转时，在电动和发电两个状态下，各相绕组通电的逻辑如下表2正向通电区域表所示。其中“1”表示在该区域对应相的通电，“0”表示在该区域对应相关闭。
反之当电机反转时，如图11所示，其电动状态下对应到各相导通区间如图所示，其电动和发电的逻辑关系如下表3的反向通电区域表所示。转子在一个旋转方向上对应的每个区间的编码是唯一的，如上表1所示，那么根据表1的每个区间的编码信息，结合表2、表3各相在每个区域的相输出逻辑关系，可以建立如下表4：区域编码对应相输出关系表A，用于在当前区域通过该区域的编码获得对应的相输出逻辑。当编码不存在表1所示中时，其对应的相输出逻辑为0000。
当电机旋转时，根据传感器信号编码处理部分输出的编码信号，通过查表4可以获得对应的相输出逻辑，对于电机存在正转电动、正转发电、反转电动、反转发电四个状态，那么根据表4需要建立四组一维表格，分别用于电机的四个运行状态。但是这样会比较浪费存储空间，由于正转电动和反转发电对应的相输出逻辑相同，它们的转矩方向相同，且正转发电和反转电动对应的相输出逻辑也相同，它们的转矩方向也相同。那么根据转矩方向可以建立如表5所示的区域编码对应相输出关系表B。本发明简化了表格的组数，只需要建立两个一维表即可，节省了存储空间。
表2：正向通电区域表
表3：反向通电区域表
表4：区域编码对应相输出关系表A
表5：区域编码对应相输出关系表B
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。
Claims (10)
1.一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其特征是：只有一个与电子转子联动的码盘(1)和一个用于检测所述码盘(1)的检测传感器(2)；所述码盘(1)的外周具有6组循环的检测组；每个检测组包括由第一机械角或第二机械角构成的凸起检测部(11)、以及由第一机械角或第二机械角构成的凹入检测部(12)排列构成；所述检测传感器(2)对检测组中的凸起检测部(11)或凹入检测部(12)分别输出对应的高电平或低电平的检测信号，所述的检测信号经传感器信号编码模块(3)、编码信号处理模块(4)和相输出逻辑模块(5)，输出四相开关磁阻电机的换相逻辑信号。
2.根据权利要求1所述的一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其特征是：所述的检测传感器(2)是光耦传感器、霍尔传感器或接近开关；所述码盘(1)外周的凸起检测部(11)和凹入检测部(12)分别通过检测传感器(2)时，所述检测传感器(2)的输出电平状态不同。
3.根据权利要求2所述的一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其特征是：所述的传感器信号编码模块(3)接收检测传感器(2)的输出信号，并且对输出信号的上升沿和下降沿进行捕获，并判断连续两次上升沿或下降沿之间凸起检测部(11)和凹入检测部(12)所占机械角的大小，以此进行编码并输出编码信号。
4.根据权利要求3所述的一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其特征是：所述四相开关磁阻电机正转时，传感器信号编码模块(3)对所述输出信号的上升沿进行捕获，并判断连续两次上升沿之间凸起检测部(11)和凹入检测部(12)所占机械角的大小，以此进行编码并输出编码信号；所述四相开关磁阻电机反转时，传感器信号编码模块(3)对所述输出信号的下降沿进行捕获，并判断连续两次下降沿之间凸起检测部(11)和凹入检测部(12)所占机械角的大小，以此进行编码并输出编码信号。
5.根据权利要求3所述的一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其特征是：所述的编码信号处理模块(4)接收传感器信号编码模块(3)输出的编码信号，并与内部生成的一个编码信息进行比较，如果相等，则输出对应的编码信息，如果不相等，则输出故障信息，并用接收到的编码信号去更新内部生成的编码信息。
6.根据权利要求5所述的一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其特征是：所述的编码信号处理模块(4)设有启动处理模块(41)，所述的启动处理模块(41)在电机启动时，通过对对应相的操作，以获得转子初始编码信息。
7.根据权利要求6所述的一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其特征是：所述的编码信号处理模块(4)设有计算处理模块(42)、第一存储器(43)和第二存储器(44)；接收的编码信号依次存入第一存储器(43)内，所述的第二存储器(44)生成有内部编码信息，所述的计算处理模块(42)将第一存储器(43)和第二存储器(44)的信号进行比较，如果相等，则输出对应的编码信息，如果不相等，则输出故障信息，并用接收到的编码信号去更新第二存储器(44)内的编码信息。
8.根据权利要求7所述的一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其特征是：在电机启动时，所述的第一存储器(43)接收有启动处理模块(41)输出的信息，并根据此信息判断电机启动过程中是否获得正确的传感器信息。
9.根据权利要求5所述的一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其特征是：所述的相输出逻辑模块(5)接收编码信号处理模块(4)输出的编码信号和故障信号，通过对编码信号的判断以获得相应的相输出逻辑信息，并输出相逻辑信号。
10.根据权利要求9所述的一种四相开关磁阻电机的转子位置检测装置，其特征是：所述的四相开关磁阻电机的定子极数和转子极数的最小公约数为4:3，所述第一机械角和第二机械角的比值为2:1。
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