專利名稱：開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種檢測開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速(包含大 小和方向)裝置，具體涉及一種基于絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器和串行總線通訊的 開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置。
背景技術(shù)：
開關(guān)磁阻調(diào)速電機一般由控制器和電機兩部分組成，前者裝有功率電 路、控制電路等部件，后者包含定子、轉(zhuǎn)子、角位置傳感器等。開關(guān)磁阻電機為定子、轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)，其定子和轉(zhuǎn)子都是由硅鋼片 疊壓而成，定子極上裝有集中繞組，轉(zhuǎn)子上沒有繞組。開關(guān)磁阻電機可以設(shè)計成不同的繞組相數(shù)和不同的定轉(zhuǎn)子極數(shù)，如三相6/4極、三相12/8極、 四相8/6極。圖l是三相12/8極開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)圖，每四個定子極的 繞組相連接，構(gòu)成A、 B、 C三相繞組。開關(guān)磁阻電機的各相磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子的角位置而變，為使其正常工 作，必須在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置時開通或者關(guān)斷相應(yīng)的相繞組的電流，保證 各相的電流與相應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置同步，并且在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中始終正確切換 各相繞組。因此轉(zhuǎn)子的角位置檢測是一個非常重要的環(huán)節(jié)。檢測裝置還應(yīng) 提供轉(zhuǎn)速信息，使控制器能根據(jù)測到的轉(zhuǎn)速采用合適的控制方式進行轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制?，F(xiàn)有的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置主要由若干個傳感器元件和一個隨電
機主軸一起旋轉(zhuǎn)的盤組成，傳感器元件可以采用光電式、電磁式、霍爾式、 電容式等元件，盤的材質(zhì)、形狀、透光性根據(jù)傳感器元件特性不同而有所 不同。圖2是采用釆用光電開關(guān)傳感器元件1和不透光齒盤2進行角位置和 轉(zhuǎn)速檢測的開關(guān)磁阻調(diào)速電機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3則是用于三相12/8極開 關(guān)磁阻電機的角位置和轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，由三個光電開關(guān)元件和一 個齒盤組成，光電開關(guān)A與B的間距和B與C的間距均為7.5。，齒盤有 沿圓周方向均勻分布的8個齒，齒距為45° ，每個齒和槽均為22.5。。光 電開關(guān)產(chǎn)生如圖4所示的三路高低電平信號，將轉(zhuǎn)子的位置在每個1/8圓 周上劃分6個區(qū)間，每個區(qū)間對應(yīng)的機械角度為7.5° 。如果以A相傳感 器信號的下降沿作為角位置參考零點，并將該參考零點同定轉(zhuǎn)子的相對位 置相對應(yīng)，則控制器4可根據(jù)三路傳感器信號判斷轉(zhuǎn)子所處角位置區(qū)間。 控制器還可利用信號的周期或者頻率計算轉(zhuǎn)速的大小，根據(jù)信號的相位關(guān) 系判斷轉(zhuǎn)速的方向。這種檢測方法角位置分辨率低、轉(zhuǎn)速響應(yīng)慢，雖然通過轉(zhuǎn)速推算或者 硬件倍頻能夠得到更高的角位置分辨率，但是在轉(zhuǎn)速變化時誤差變大，精 度難以保證。在低速時，由于信號跳變周期長，導(dǎo)致響應(yīng)慢，影響低速性 能。由于角位置傳感器需要操作人員進行零點設(shè)定，此項要求操作人員有 一定的經(jīng)驗，誤差較大，操作麻煩。傳感器防護等級比較低，易受塵土、 雨水的影響，傳感器易老化、損壞，傳感器信號不適合長距離傳輸距。實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種分辨率髙，無需人工零點 設(shè)定，操作簡單、誤差小的基于絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器和串行總線通訊的開關(guān) 磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置。 本實用新型的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置包括旋轉(zhuǎn) 編碼器和信號處理電路，置于電機內(nèi)部，固定在支撐盤上。旋轉(zhuǎn)編碼器與電機主軸相連，旋轉(zhuǎn)編碼器連接信號處理電路，信號處理電路連接外部元件。本實用新型所述的旋轉(zhuǎn)編碼器和信號處理電路，置于電機的密封罩內(nèi)。本實用新型所述旋轉(zhuǎn)編碼器為絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器，可以選擇通用的絕 對型旋轉(zhuǎn)編碼器。絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器與電機的連接方式取決于旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)，軸型 旋轉(zhuǎn)編碼器采用彈性連接器和電機主軸連接，通孔型或者盲孔型旋轉(zhuǎn)編碼 器直接套在電機主軸上。旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出形式可以是格雷碼、自然二進制碼等，輸出邏輯可 以是正邏輯、也可以是負邏輯。本實用新型所述信號處理電路包括旋轉(zhuǎn)編碼器信號預(yù)處理單元、微處 理器單元、通訊單元。旋轉(zhuǎn)編碼器連接編碼器信號預(yù)處理單元，編碼器信 號預(yù)處理單元連接微處理器單元，微處理器單元連接通訊單元，通訊單元 通過串行通訊總線連接外部元件，以串行通訊的方式輸出角位置和轉(zhuǎn)速信號。所述微處理器可以選用單片機或者數(shù)字信號處理器(DSP)。信號處理電路的編碼器信號預(yù)處理單元將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號采用電平轉(zhuǎn)換等方法變成微處理器能夠接收的絕對角位置信號。微處理器單元對旋轉(zhuǎn)編碼器的角位置信號進行處理，計算電機的轉(zhuǎn)速，通訊單元通過串行通訊總線發(fā)送角位置和轉(zhuǎn)速等信號，并能根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的信號變化判斷旋轉(zhuǎn)編碼器是否有故障。所述角位置信號的處理包含零點校準和位數(shù)擴展，零點校準處理是將
絕對角位置信號變成相對于零點的相對角位置，零點的絕對角位置保存在 非易失型存儲器里。也可直接發(fā)送絕對角位置信號，在電機控制器端進行 需要的處理。位數(shù)擴展是把單圈通過軟件擴展為多圈，進行高位擴展，便于位置閉環(huán)控制。如采用10位的絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器，可將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出擴展 為16位的，高6位為整數(shù)部分，低10位為小數(shù)部分。轉(zhuǎn)速大小的計算方法是記錄N個數(shù)的旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖和測量產(chǎn)生這些 脈沖的時間，得到旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號的周期和頻率，得以計算轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn) 速越高N越大，轉(zhuǎn)速越低N越小直至l,這樣改善低速響應(yīng)和高速精度， 從而使得在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有較好的響應(yīng)和精度。根據(jù)角位置信號變化 的方向判斷轉(zhuǎn)速的方向。所述信號處理電路的微處理器單元可根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的信號連續(xù)跳變 的特征，判斷旋轉(zhuǎn)編碼器故障。檢測當(dāng)前角位置信號和上一次的角位置信 號的差是否為l，兩次的值相差不為l時，則旋轉(zhuǎn)編碼器出現(xiàn)故障。信號處理電路采用串行通訊方式將角位置、轉(zhuǎn)速、檢測裝置的狀態(tài)發(fā) 送出去?？梢圆捎?85、 CAN總線等串行通訊方式。發(fā)送方式可以是應(yīng)答 式、或者主動發(fā)送。應(yīng)答式的意義是控制器發(fā)送讀轉(zhuǎn)速等指令到檢測裝置， 檢測裝置進行應(yīng)答。主動發(fā)送的意義是檢測裝置采用固定或者非固定周期 主動發(fā)送角位置、轉(zhuǎn)速等信號，主動發(fā)送能夠有效地利用總線，向控制器 提供角位置和轉(zhuǎn)速信息，進而能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。旋轉(zhuǎn)編碼器、信號處理電路可以是兩個部件，也可以對二者進行一體 化設(shè)計，把信號處理電路集成到旋轉(zhuǎn)編碼器內(nèi)，制作成一個部件。與現(xiàn)有的檢測方法相比，本實用新型的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和 轉(zhuǎn)速檢測裝置測量的角位置和轉(zhuǎn)速信號更加準確，系統(tǒng)控制響應(yīng)更快。
本實用新型的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置與外界的 連線簡單，抗干擾能力強，適合遠距離傳輸，分辨率高，無需人工零點設(shè) 定，操作簡單、誤差小。絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的位數(shù)、輸出邏輯、輸出編碼形式可以選擇，可以 根據(jù)不同的應(yīng)用場合進行相應(yīng)的開發(fā)，靈活性好。由于旋轉(zhuǎn)編碼器的防護等級可達到IP66，整個檢測裝置防護等級高。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中三相12/8極開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)圖。 圖2是現(xiàn)有技術(shù)中一種開關(guān)磁阻調(diào)速電機的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是現(xiàn)有技術(shù)中一種用于三相12/8極開關(guān)磁阻電機角位置傳感器結(jié) 構(gòu)示意圖。圖4示出了圖3的傳感器信號。圖5是本實用新型的開關(guān)磁阻調(diào)速電機的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是本實用新型裝置的功能結(jié)構(gòu)圖。 圖7是本實用新型的一個實施例結(jié)構(gòu)圖。 附圖標記1傳感器元件，2齒盤，3傳感信號線，4控制器，5功率線，6電機 接線盒，7電機，8支撐盤，9角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置，IO串行通訊總線， ll旋轉(zhuǎn)編碼器，12信號處理電路，13電機主軸，14彈性連接器，15密封罩。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
詳細說明本實用新型。 本實用新型的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置，包括旋轉(zhuǎn) 編碼器11和信號處理電路12,置于電機7的密封罩15內(nèi)，固定在支撐盤 8上。旋轉(zhuǎn)編碼器11采用的是IO位絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器，軸型連接方式通 過彈性連接器14和電機主軸13連接，集電極開路輸出，格雷碼、負邏輯 輸出，采用15V電源給旋轉(zhuǎn)編碼器11供電。所述的絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器11連接信號處理電路12，信號處理電路12 連接外部元件，如控制器4等。所述信號處理電路12包括編碼器信號預(yù) 處理單元、微處理器單元、通訊單元。微處理器選用的是單片機。編碼器 信號預(yù)處理單元連接單片機單元，單片機單元通過通訊單元采用串行通訊 總線連接外部元件，如控制器4等。編碼器信號預(yù)處理單元首先將上述10位絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號 進行電平轉(zhuǎn)換，將10位絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出邏輯轉(zhuǎn)換成正邏輯，然 后進行格雷碼與自然二進制碼之間的轉(zhuǎn)換。信號處理電路的單片機單元以AVR系列芯片中的Atmaga8515為核 心，該芯片是基于增強的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。角位置信號的處理包含零點校準和位數(shù)擴展。零點為基準繞組相的電 感最大位置，零點校準是將絕對角位置變?yōu)橄鄬υ摿泓c的相對角位置信 號，零點的絕對角位置保存在Atmaga8515的EEPROM中，掉電不消失。 位數(shù)擴展是將角位置信號進行位數(shù)擴展為16位數(shù)。高6位反映圈數(shù)的整 數(shù)部分，低10位反映圈數(shù)的小數(shù)部分，上電后的狀態(tài)初始化為第O圈。利用單片機的捕獲單元捕獲旋轉(zhuǎn)編碼器的信號跳變，捕獲中斷發(fā)生 時，讀取旋轉(zhuǎn)編碼器的信號。轉(zhuǎn)速的計算通過測量在一段時間段內(nèi)脈沖的 N個脈沖的時間T (單位為秒)，轉(zhuǎn)速(用"表示，單位轉(zhuǎn)/分鐘)的計算 公式《 = 60*7V/771024，計算結(jié)果為24位數(shù)，高16位為整數(shù)部分，第8 位為小數(shù)部分。
根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的信號是連續(xù)的跳變的特點，信號處理電路12可以檢 測旋轉(zhuǎn)編碼器11故障，檢測當(dāng)前角位置信號和上一次的角位置信號的差是 否為1，兩次的值相差不為1時則為旋轉(zhuǎn)編碼器11故障。所述串行通訊總線采用CAN總線，通過CAN總線連接控制器。CAN 控制器SJA1000和CAN總線驅(qū)動器82C250組成CAN總線接口，基于 CAN2.0B規(guī)范，采用標準格式數(shù)據(jù)幀。為了保證角位置和轉(zhuǎn)速信號反饋的響應(yīng)速度，CAN總線波特率選擇為 1Mbps，在該波特率下總線長度可達30m。CAN總線一幀數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤后，會自動重新發(fā)送，但出現(xiàn)故障次數(shù)超 過一定數(shù)后會關(guān)閉總線，監(jiān)測裝置實時檢測CAN總線狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)總線 關(guān)閉后，會重新啟動CAN總線。
權(quán)利要求1、開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置，其特征是包括旋轉(zhuǎn)編碼器(11)和信號處理電路(12)，置于電機(7)內(nèi)部，固定在支撐盤(8)上，旋轉(zhuǎn)編碼器(11)與電機主軸(13)相連，旋轉(zhuǎn)編碼器(11)連接信號處理電路(12)，信號處理電路(12)連接外部元件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝 置，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)編碼器(11)和信號處理電路(12)，置于電機(7)的密封罩(15)內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝 置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)編碼器(11)為絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝 置，其特征在于所述信號處理電路(12)包括編碼器信號預(yù)處理單元、微 處理器單元、通訊單元，旋轉(zhuǎn)編碼器(11)連接編碼器信號預(yù)處理單元， 編碼器信號預(yù)處理單元連接微處理器單元，微處理器單元連接通訊單元， 通訊單元通過串行通訊總線連接外部元件。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝 置，其特征在于所述微處理器選用單片機或數(shù)字信號處理器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝 置，其特征在于所述信號處理電路(12)和旋轉(zhuǎn)編碼器(11)為兩個部件， 或信號處理電路(12)集成到旋轉(zhuǎn)編碼器(11)內(nèi)制成一個部件。
專利摘要本實用新型涉及一種開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子的角位置和轉(zhuǎn)速檢測裝置，包括旋轉(zhuǎn)編碼器和信號處理電路，置于電機內(nèi)部，固定在支撐盤上，旋轉(zhuǎn)編碼器與電機主軸相連，旋轉(zhuǎn)編碼器連接信號處理電路，信號處理電路連接外部元件，信號處理電路通過串行通訊總線輸出角位置和轉(zhuǎn)速信號。本實用新型的裝置與外界的連線簡單，抗干擾能力強，適合遠距離傳輸，分辨率高，無需人工零點設(shè)定，操作簡單、誤差小。
文檔編號H02P6/14GK201018440SQ20072014054
公開日2008年2月6日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者李憲平, 偉 畢, 蘇建中 申請人:北京中紡銳力機電有限公司