本發(fā)明涉及開關(guān)磁阻電機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及四相32/24結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)及其轉(zhuǎn)子位置檢測方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)正逐漸趨向于無級(jí)變速、高可靠性、數(shù)字化的方向發(fā)展。研究并開發(fā)可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速運(yùn)行、高可靠性、數(shù)字化調(diào)速來直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的新型電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，已成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域前沿性創(chuàng)新研究工作的新發(fā)展趨勢和重要方向。開關(guān)磁阻電機(jī)，其電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適用于在高溫、高速的環(huán)境下工作；電機(jī)各繞組相互獨(dú)立，容錯(cuò)性能好，功率變換器的結(jié)構(gòu)簡單；電機(jī)可控參數(shù)較多，調(diào)速性能很好，調(diào)速范圍寬，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，傳動(dòng)效率高，功耗小。目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，不能無級(jí)變速。若由直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速傳動(dòng)，其直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)偏高、維護(hù)困難且壽命較短。若由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速傳動(dòng)，其系統(tǒng)控制方案采用矢量變換控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，但實(shí)現(xiàn)矢量變換或直接轉(zhuǎn)矩控制計(jì)算復(fù)雜，且其低速力矩小、低速性能不佳。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固耐用，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組，而定子上只有簡單的集中繞組，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，制造簡便，成本低，且發(fā)熱大部分在定子，易于冷卻，惡劣條件下具有調(diào)速性能良好、控制靈活、工作可靠性高、容錯(cuò)性好、使用壽命長的特點(diǎn)，具有很好的市場應(yīng)用前景。

開關(guān)磁阻必須工作于自同步狀態(tài)。位置閉環(huán)是開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)正常工作的基本條件，也是開關(guān)磁阻電機(jī)區(qū)別于步進(jìn)電機(jī)重要標(biāo)志之一。通過位置傳感器的反饋信號(hào)，開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)才能保證電機(jī)相繞組按照預(yù)定目標(biāo)順序?qū)ǎ⒃谡_位置換相，同時(shí)位置信息還被作為開關(guān)磁阻電機(jī)速度反饋信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的速度閉環(huán)控制。因此開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中位置反饋信號(hào)作用相當(dāng)重要。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是一種新型機(jī)電一體化交流調(diào)速系統(tǒng)，主要由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器、控制器和位置檢測器四部分組成。其中，位置檢測的目的是確定電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，作為控制功率變換器主開關(guān)器件通斷的依據(jù)。目前，開關(guān)磁阻電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)普遍采用光敏式位置檢測器，它是由固定在定子上的光電傳感器和與轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)器(俗稱遮光盤)組成的。光電傳感器通常是u型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器即發(fā)光二極管，接收器即光敏三極管，它們分別位于u型槽的兩側(cè)，并形成一個(gè)光軸，當(dāng)物體經(jīng)過u型槽且阻斷光軸時(shí)，光電傳感器就產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。感應(yīng)器有齒和齒槽，其齒、齒槽數(shù)等于轉(zhuǎn)子極數(shù)。感應(yīng)器的齒或齒槽通過光電傳感器的u型槽，就使光敏元件導(dǎo)通或關(guān)斷，產(chǎn)生包含轉(zhuǎn)子位置信息的周期性脈沖信號(hào)。由于現(xiàn)有檢測器均采用齒和齒槽寬度相等的感應(yīng)盤，每個(gè)光電傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的高低電平寬度相等。相隔一定角度的n路位置脈沖組合，如四相電機(jī)n＝2，三相電機(jī)n＝3，在一個(gè)通電周期內(nèi)產(chǎn)生2n種寬度均勻的位置信號(hào)狀態(tài)。這種位置檢測器能夠確定各相繞組的通斷時(shí)刻，但不能用于常用的開關(guān)磁阻電機(jī)如四相8/6級(jí)、三相6/4極開關(guān)磁阻電機(jī)的角度控制。同時(shí)，這種檢測器檢測到的繞組換相時(shí)刻也不是最佳的開斷時(shí)刻。為此，中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)朿n201010622914.3公開了開關(guān)磁阻電機(jī)的角度位置檢測器與檢測方法，角度位置檢測器具有n個(gè)靜止的傳感器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)器；傳感器采用光電傳感器或磁敏傳感器；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制策略繁瑣，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大；又如中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)朿n201510123495.1公開了開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測裝置及轉(zhuǎn)子的定位控制方法，包括固定在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的編碼盤、設(shè)置在電機(jī)殼體上的位置傳感器及配套的控制器，所述編碼盤上均布有m個(gè)齒，齒的寬度小于相鄰齒間槽的寬度，所述位置傳感器與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的軸心等距設(shè)有個(gè)且相間隔，k=0、1、2、3、4、5…m-1，其中n為開關(guān)磁阻電機(jī)的定子極數(shù)，m為開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)，其制造工藝要求高，成本高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝成本高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，為此提供一種四相32/24結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)及其轉(zhuǎn)子位置檢測方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：四相32/24結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)，它包括轉(zhuǎn)子、光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器和定子，所述定子包括a、b、c、d四相，a相包含a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8，b相包含b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8，c相包含c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8，d相包含d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8，每相八個(gè)凸極上的集中繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，所述光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器包括安裝在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤和分別安裝在定子中心線兩側(cè)7.5°、（11.25+15×(n-1)）°處的光電脈沖發(fā)生器，n為正整數(shù)，所述轉(zhuǎn)盤包括均勻交錯(cuò)分布并與轉(zhuǎn)子的凸極和凹槽一一對(duì)應(yīng)的齒和槽。

四相32/24結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測方法，當(dāng)轉(zhuǎn)盤的齒轉(zhuǎn)到光電脈沖發(fā)生器位置時(shí)，光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出狀態(tài)為0，當(dāng)轉(zhuǎn)盤的槽轉(zhuǎn)到光電脈沖發(fā)生器位置時(shí)，其輸出狀態(tài)為1，在一個(gè)轉(zhuǎn)子角周期15°內(nèi)，光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)方波信號(hào)，其相位差為3.75°，占空比為50%，并組合成四種不同的狀態(tài)，分別代表電機(jī)四相繞組不同的參考位置，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)，光電脈沖發(fā)生器的上升沿翻轉(zhuǎn)或者下降沿翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于電機(jī)電感的最小電感位置，用于數(shù)字控制器中，在數(shù)字控制器中計(jì)算電機(jī)的相對(duì)角度，進(jìn)行邏輯延時(shí)用于開關(guān)磁阻電機(jī)的角度位置控制。

本發(fā)明的有益效果是采用光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器，通過半數(shù)檢測方案，對(duì)四相32/24極結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測，可使得電機(jī)相繞組按照預(yù)定目標(biāo)順序?qū)ǎ⒃谡_位置換相，保證電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，具有較高的運(yùn)行可靠性和容錯(cuò)能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明四相32/24結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明兩個(gè)光電脈沖發(fā)生器的安裝位置示意圖；

圖3是本發(fā)明電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)光電脈沖發(fā)生器信號(hào)與電感變化位置關(guān)系示意圖；

圖4是本發(fā)明電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)光電脈沖發(fā)生器信號(hào)與電感變化位置關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1、2所示，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的偏見，即認(rèn)為光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器不能用于開關(guān)磁阻電機(jī)的角度控制，采用四相32/24結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)作為光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器的載體，根據(jù)電機(jī)的上升沿和下降沿翻轉(zhuǎn)判斷電機(jī)電感的相對(duì)位置，用于數(shù)字控制器中，在數(shù)字控制器中計(jì)算電機(jī)的相對(duì)角度，進(jìn)行邏輯延時(shí)用于開關(guān)磁阻電機(jī)的角度位置控制。

四相32/24結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)，它包括轉(zhuǎn)子、光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器和定子，所述定子包括a、b、c、d四相，a相包含a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8，b相包含b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8，c相包含c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8，d相包含d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8，每相八個(gè)凸極上的集中繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，所述光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器包括安裝在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤和分別安裝在定子中心線兩側(cè)7.5°、（11.25+15×(n-1)）°處的光電脈沖發(fā)生器，n為正整數(shù)，所述轉(zhuǎn)盤包括均勻交錯(cuò)分布并與轉(zhuǎn)子的凸極和凹槽一一對(duì)應(yīng)的齒和槽。

32/24極結(jié)構(gòu)四相開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測裝置為光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器，遵循“最小磁阻原理”運(yùn)行：通過轉(zhuǎn)子位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子位置，由dsp或單片機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測器的輸出信號(hào)，判斷定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置；接著由dsp或單片機(jī)輸出控制信號(hào)，用來控制四相不對(duì)稱半橋式功率變換器的上管和下管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使電源對(duì)四相32/24極結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)的相繞組通電和斷電，吸引轉(zhuǎn)子向定、轉(zhuǎn)子間最小磁阻位置方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子位置檢測方案采用半數(shù)檢測方案，通過位置傳感器的反饋信號(hào)，保證電機(jī)相繞組按照預(yù)定目標(biāo)順序?qū)?，并在正確位置換相，使得電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，所述光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器由光電脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)盤組成，轉(zhuǎn)盤的齒和槽分別于電機(jī)轉(zhuǎn)子凸極數(shù)、轉(zhuǎn)子凹糟數(shù)相等，均為24，且轉(zhuǎn)盤的齒和槽均勻分布，所占角度均為7.5°，轉(zhuǎn)盤固定在轉(zhuǎn)子軸上，與電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子位置檢測方案采用半數(shù)檢測方案采用兩個(gè)光電脈沖發(fā)生器p、q，光電脈沖發(fā)生器p、q的夾角為(15×n+3.75)°，且分別固定于定子極的中心線左右兩側(cè)7.5°、（11.25+15×(n-1)）°處，n為正整數(shù)，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)，光電脈沖發(fā)生器的上升沿翻轉(zhuǎn)或者下降沿翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于電機(jī)電感的最小電感位置，當(dāng)n=1時(shí)光電脈沖發(fā)生器p、q的夾角為18.75°，分別位于定子極的中心線左右兩側(cè)7.5°和11.25°處；當(dāng)n=2時(shí)光電脈沖發(fā)生器p、q的夾角為33.75°，分別位于定子極的中心線左右兩側(cè)7.5°和26.25°處；依次類推，電機(jī)的最小電感位置與最大電感位置的夾角為7.5°，此時(shí)可調(diào)轉(zhuǎn)盤使得電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)位置信號(hào)與電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3或者4所示，其中圖3為電機(jī)正轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)與電感對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，圖4為電機(jī)反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)與電感對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，光電脈沖發(fā)生器的上升沿翻轉(zhuǎn)或者下降沿翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于電機(jī)電感的最小電感位置，用于數(shù)字控制器中，在數(shù)字控制器中計(jì)算電機(jī)的相對(duì)角度，進(jìn)行邏輯延時(shí)用于開關(guān)磁阻電機(jī)的角度位置控制。。

當(dāng)轉(zhuǎn)盤凸起的齒轉(zhuǎn)到開槽光電脈沖發(fā)生器p、q位置時(shí)，位置傳感器發(fā)光管的光被遮住時(shí)，傳感器輸出狀態(tài)為0，而沒有被遮住時(shí)，其輸出狀態(tài)為1，在一個(gè)轉(zhuǎn)子角周期15°內(nèi)，p、q產(chǎn)生兩個(gè)方波信號(hào)，其相位差為3.75°、占空比為50%，并組合成四種不同的狀態(tài)，分別代表電機(jī)四相繞組不同的參考位置。

如圖2所示，將如圖所示的相對(duì)位置設(shè)為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，則有位置傳感器輸出狀態(tài)p=1，q=1；轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過3.75°，位置傳感器輸出狀態(tài)變?yōu)閜=1，q=0；再轉(zhuǎn)過3.75°，位置傳感器輸出狀態(tài)變?yōu)閜=0，q=0；再轉(zhuǎn)過3.75°，位置傳感器輸出狀態(tài)變?yōu)閜=0，q=1；再轉(zhuǎn)過3.75°，轉(zhuǎn)子已轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)子角周期15°，位置傳感器輸出狀態(tài)恢復(fù)為起始狀態(tài)p=1，q=1，如此往復(fù)循環(huán)，可以得到開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)信息，使得電機(jī)相繞組按照預(yù)定目標(biāo)順序?qū)ǎ⒃谡_位置換相，保證電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于額定功率為30kw、額定轉(zhuǎn)速為5600r/min、額定電壓為336v的開關(guān)磁阻電機(jī)，采用32/24結(jié)構(gòu)的電機(jī)并采用上述位置檢測方法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為1.96，采用16/12結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為3.07,采用12/8結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為5.13?？梢姴捎蒙鲜鏊南?2/24結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)及其轉(zhuǎn)子位置檢測方法，可以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置檢測方案采用半數(shù)檢測方案，通過位置傳感器的反饋信號(hào)，保證電機(jī)相繞組按照預(yù)定目標(biāo)順序?qū)ǎ⒏鶕?jù)準(zhǔn)確的相對(duì)位置信息用于角度位置控制，使得電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。