羅玉濤, 許曉通,梁偉強(qiáng)

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510640; 2.廣汽集團(tuán)汽車工程研究院，廣州 510640)

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2015243

電動(dòng)汽車雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

羅玉濤1, 許曉通1,梁偉強(qiáng)2

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510640; 2.廣汽集團(tuán)汽車工程研究院，廣州 510640)

對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，其內(nèi)外轉(zhuǎn)子各安裝有一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器；而普通電機(jī)控制器只能接收一路位置傳感器信號(hào)來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。為此，本文中提出了一種針對雙旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號(hào)分別進(jìn)行解碼，再通過合成得到一個(gè)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的相對位置(或轉(zhuǎn)速)，最后將其模擬成后端設(shè)備所需的信號(hào)輸出給電機(jī)控制器。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)AD2S1200作為前端旋變解碼芯片，后端使用STM32F103RBT6作為整個(gè)系統(tǒng)的主控單片機(jī)，以完成相對角度位置的求解，并將其模擬成類似于增量式光電編碼器的脈沖信號(hào)輸出。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某款電動(dòng)汽車的對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制系統(tǒng)中。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全滿足使用要求，為雙/多轉(zhuǎn)子位置檢測提供了解決方案。

電動(dòng)汽車；電機(jī)控制；雙旋變壓器；信號(hào)解碼；信號(hào)合成

前言

自20世紀(jì)中期開始, 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-8]。目前，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)主要有4種：雙轉(zhuǎn)子同-異步電機(jī)、鼠籠式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)和永磁無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)[9]。本文中所涉及的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)為對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)。該電機(jī)為將傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的定子約束解除，形成定、轉(zhuǎn)子均可轉(zhuǎn)動(dòng)的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)。工作時(shí)，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)。電機(jī)兩側(cè)均設(shè)計(jì)有行星減速機(jī)構(gòu)，具有減速增矩的作用，同時(shí)將兩端輸出軸改變?yōu)橥蛐D(zhuǎn)。由力的相對作用可知，當(dāng)左右的阻力矩不相等時(shí)，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速功能。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)可直接安裝在驅(qū)動(dòng)橋上,代替常規(guī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)軸、主減速器和差速器等構(gòu)件,將動(dòng)力經(jīng)萬向節(jié)傳至車輪[8]。

在電機(jī)中，常用旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器來檢測轉(zhuǎn)子的位置。旋轉(zhuǎn)變壓器(簡稱“旋變”)是一種由定子和轉(zhuǎn)子組成的電磁式傳感器。相比于光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器具有高速、高精度、抗干擾性強(qiáng)和能夠工作于條件惡劣的場合等優(yōu)點(diǎn)[10]。

在單轉(zhuǎn)子電機(jī)中，只安裝有一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器來檢測轉(zhuǎn)子的位置信息。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子上分別安裝有旋轉(zhuǎn)變壓器，兩個(gè)旋變的轉(zhuǎn)子分別安裝在電機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子上，定子都安裝在機(jī)殼上，如圖1所示。每個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器所采集的都是對應(yīng)轉(zhuǎn)子與定子之間的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，故雙旋變將產(chǎn)生兩路信號(hào)。然而，普通變頻器只能根據(jù)一路信號(hào)來對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制[11]。而現(xiàn)有的基于旋轉(zhuǎn)變壓器的位置檢測方案幾乎都是針對單個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器的場合[12-16]。因此，須要設(shè)計(jì)一個(gè)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)(以下簡稱為“轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)”)，將兩個(gè)旋變信號(hào)進(jìn)行解碼，并合成為一個(gè)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的相對角度，最后按照目標(biāo)格式將其輸出給電機(jī)控制設(shè)備。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何盡可能同步地采集到兩個(gè)旋變的位置信息并進(jìn)行快速合成，如何在最短時(shí)間內(nèi)輸出電機(jī)控制器所需的信號(hào)，以及如何將車載電機(jī)常裝有的比較薄的多對極旋變的電角度轉(zhuǎn)變?yōu)椤皺C(jī)械角度”。本文中，電機(jī)控制器要求輸入光電編碼器格式的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，因此轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)須要將解算所得的轉(zhuǎn)子位置信息模擬成光電編碼器格式的信號(hào)傳輸給電機(jī)控制器。

1 轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)理論建模

1.1 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)功能構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)思路

根據(jù)輸入與輸出的要求，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)需要采集兩個(gè)旋變的信號(hào)并將其變換為一個(gè)表示雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相對位置的脈沖信號(hào)并輸出給變頻器的PG卡，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，如圖2所示。因此，雙旋變解碼系統(tǒng)主要功能構(gòu)成有旋變信號(hào)解算、相對角度合成和脈沖信號(hào)模擬3部分。

對旋變信號(hào)的解算有專用芯片硬件解算和主控芯片軟件解算兩種方法。軟件解算方法比較復(fù)雜，且解算時(shí)間較長[15,17]，不適于需要同時(shí)解算兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器的場合。硬件解算的方法既能提高雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)的工作頻率，又能提高兩路數(shù)據(jù)的同步性。本文中采用專用芯片硬件解算的方法來解算旋變的信號(hào)。

1.2 旋變信號(hào)解算方法

當(dāng)外界給予旋轉(zhuǎn)變壓器如圖3中R2-R4所示的勵(lì)磁信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)變壓器將輸出如S2-S4和S3-S1所示的正余弦調(diào)幅波。

設(shè)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子 R2-R4勵(lì)磁繞組兩端施加的勵(lì)磁電壓為

UR2-R4=EPsin(wt)

(1)

則旋轉(zhuǎn)變壓器定子上的 S3-S1和S2-S4繞組輸出電壓分別為

US3-S1=E0sin(wt)sinθ

(2)

US2-S4=E0sin(wt)cosθ

(3)

式中：E0為定子上兩個(gè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值，E0=kb·Ep，kb為旋變變比；θ為余弦繞組S2-S4 與轉(zhuǎn)子繞組R2-R4所成的夾角。

旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片(簡稱RDC)，可將旋變輸出的正、余弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。AnalogDevices公司生產(chǎn)的RDC芯片AD2S1200具有12位的分辨率，內(nèi)置有可編程正弦波振蕩器，其R/D轉(zhuǎn)換過程是基于Ⅱ型閉環(huán)跟蹤原理[18]。RDC芯片將接收到的正、余弦電壓信號(hào)送入乘法器中，從而得到

(4)

(5)

再通過一個(gè)減法器，可得到

ΔU=E0sin(wt)sin(θ-ψ)

(6)

對式6所示信號(hào)進(jìn)行檢波，得到

ΔU′=Ksin(θ-ψ)

(7)

式(7)所示差值信號(hào)經(jīng)過積分器后移送至壓控振蕩器。壓控振蕩器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生數(shù)量上與差值信號(hào)幅值成一定關(guān)系的脈沖序列,可逆計(jì)數(shù)器對該脈沖序列進(jìn)行識(shí)別并增減計(jì)數(shù)[19]。由乘法器、檢波器、積分器、壓控振蕩器和可逆計(jì)數(shù)器組成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)[20]，使ΔU′逐漸趨于0。當(dāng)差值ΔU′為0時(shí)，θ≈ψ ，此時(shí)計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值ψ就是旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子所對應(yīng)的電氣角度θ。

1.3 相對角度合成方法

為實(shí)現(xiàn)對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，電機(jī)控制器需要內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相對位置的信息。而本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器對輸入的要求為具有A，B和Z三相的增量式光電編碼器信號(hào)。因此從光電編碼器的角度來分析內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相對角度的合成過程。

增量式光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成脈沖的傳感器[21]。其輸出信號(hào)中，A和B為相位上相差90°的脈沖，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈輸出P個(gè)脈沖，其中P為光電編碼器的線數(shù)。Z相為零位脈沖，每一圈只輸出一個(gè)脈沖，如圖4所示。

電機(jī)控制器使用增量式光電編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測的方法如下[22]:假設(shè)電機(jī)在靜止時(shí)轉(zhuǎn)子的初始位置角(電角度)為θ0, 電機(jī)的極對數(shù)為N, 則從靜止開始經(jīng)過時(shí)間t后的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置φr(機(jī)械角)與采集到的脈沖個(gè)數(shù)m之間的關(guān)系為

(8)

在電機(jī)控制中，為進(jìn)行d-q軸坐標(biāo)變換，常用電角度θr表示電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，則式(8)可寫為

(9)

(10)

在單轉(zhuǎn)子電機(jī)中，可以把轉(zhuǎn)子位置的零點(diǎn)和Z相的零點(diǎn)理解為在定子上的同一點(diǎn)。由于光電編碼器安裝時(shí)碼盤Z點(diǎn)不一定能對準(zhǔn)轉(zhuǎn)子位置計(jì)算點(diǎn)，即會(huì)產(chǎn)生一個(gè)角度差Δφr。在實(shí)際使用時(shí)，會(huì)用補(bǔ)償角φb對這個(gè)角度差進(jìn)行補(bǔ)償，φb=Δφr。目前，市面上很多電機(jī)控制器都能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行Z相補(bǔ)償角的自整定。電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置θ0包含有初始位置距Z相零點(diǎn)的角度φZ0和補(bǔ)償角φb。從而，φr也可以表示為

(11)

在電機(jī)控制器上電后、電機(jī)運(yùn)行前，電機(jī)控制器會(huì)采用某些方法來檢測轉(zhuǎn)子的初始位置，例如在電機(jī)上電時(shí), 給電機(jī)一個(gè)初始狀態(tài), 也就是強(qiáng)制給電機(jī)三相繞組輸入電流, 使電機(jī)在這個(gè)定子磁場作用之下將轉(zhuǎn)子移到指定位置[22]。電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始定位在本文中非關(guān)鍵點(diǎn)，限于篇幅不作介紹。

φr=φZ+φb=φZ+Δφr

(12)

θr=θz+NΔφr

(13)

轉(zhuǎn)子的位置角φr與采集到的Z相角φZ、安裝偏差角Δφr的示意圖見圖5。

對于安裝了N對極旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)軸而言，其旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)過一周，經(jīng)歷N次0～2π電角度變化，其機(jī)械轉(zhuǎn)角變化量Δφ與電氣轉(zhuǎn)角變化量Δθ有如式(14)的關(guān)系：

(14)

將解碼所得的電角度轉(zhuǎn)換為機(jī)械轉(zhuǎn)角，須先定義機(jī)械轉(zhuǎn)角的零點(diǎn)。對于N對極旋轉(zhuǎn)變壓器而言，每轉(zhuǎn)過一圈，輸出N次“0”。這里可以將“0”理解為對應(yīng)圖5中有N個(gè)“Z相零點(diǎn)”，也可以理解為圖5的轉(zhuǎn)子上有N個(gè)“Z相當(dāng)前點(diǎn)”。本文中更傾向于后者，因?yàn)閷τ谵D(zhuǎn)子為永磁體的N對極同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子各極從控制的角度上來說完全相同。也就是說，對于N對極轉(zhuǎn)子，其“轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置”也可以有N個(gè)。

因此，可將加電后轉(zhuǎn)子上經(jīng)過“定子Z相零點(diǎn)”的第一個(gè)“Z相當(dāng)前點(diǎn)”作為機(jī)械角度的起算點(diǎn)，即以第一次輸出的“0”作為機(jī)械角度的零點(diǎn)。于是，機(jī)械轉(zhuǎn)角φz與電氣轉(zhuǎn)角θz的關(guān)系為

(15)

式中：k0為從機(jī)械角度零點(diǎn)開始，電角度經(jīng)過“0”處的次數(shù)累加或累減值，k0=0～N-1。

即

(16)

式中i的取值只與機(jī)械零位有關(guān)，與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間無關(guān)。

將式(15)和式(16)代入式(12)，得

(17)

此時(shí)，轉(zhuǎn)子位置角θr為

θr=θz+N·Δφr+(k0+i)·2π

(18)

分別將式(13)和式(18)代入式(10)坐標(biāo)變換方程，通過比較可以發(fā)現(xiàn)：對于安裝有N對極旋轉(zhuǎn)變壓器的N對極電機(jī)，Δφr唯一時(shí)，采用式(15)將多極電角度轉(zhuǎn)換為機(jī)械角度，其坐標(biāo)變換方程不受影響，也就是說變換后的d-q軸唯一。

因永磁體轉(zhuǎn)子各極相同，所以電機(jī)控制器對電機(jī)的Z相補(bǔ)償角進(jìn)行自整定時(shí)，總能優(yōu)先找到式(16)中N個(gè)偏差角中最小的Δφr作為Z相補(bǔ)償角φb。因此，測得Z相補(bǔ)償角后，機(jī)械零點(diǎn)的選取不影響d-q坐標(biāo)變換，也就不影響電機(jī)的矢量控制。

對于本文中所針對的對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，實(shí)質(zhì)是將圖5中定子的約束解除，即圖5中的轉(zhuǎn)子成為對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子，而圖5中的定子成為外轉(zhuǎn)子。因此，對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)各轉(zhuǎn)子位置關(guān)系圖見圖7。

內(nèi)轉(zhuǎn)子的Z相零點(diǎn)與轉(zhuǎn)子相對位置零點(diǎn)(圖5中的“轉(zhuǎn)子位置零點(diǎn)”)之間的角度不再是0，而是φs，則轉(zhuǎn)子相對位置φ為

φ=φZ內(nèi)+Δφr內(nèi)+φs

(19)

由圖7可見：在機(jī)殼上，內(nèi)外轉(zhuǎn)子的Z相零點(diǎn)之間的夾角φ1為固定值；在外轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子相對位置零點(diǎn)和外轉(zhuǎn)子Z相當(dāng)前位置之間的夾角φ2也是固定值。它們之間的關(guān)系為

φs+φ1=φZ外+φ2

(20)

即φs=φZ外+φ2-φ1=φZ外+Δφ12

(21)

其中：Δφ12=φ2-φ1

將式(21)代入式(19)，得

φ=φZ內(nèi)+φZ外+Δφr內(nèi)+Δφ12

(22)

對于安裝N對極旋轉(zhuǎn)變壓器的外轉(zhuǎn)子，同樣面臨著“零點(diǎn)”的問題。采用式(15)所示的方法，得

(23)

(24)

相應(yīng)地，有

(25)

(26)

將式(23)～式(26)代入式(22)，得

(27)

式中i+j的取值只與機(jī)械零位有關(guān)，與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間無關(guān)。

θ= θz內(nèi)+θz外+N·(Δφr+Δφ12)+

(k內(nèi)+k外+i+j)·2π

(28)

電機(jī)控制器對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行Z相補(bǔ)償角自整定時(shí)，也能優(yōu)先找到最小的補(bǔ)償角φb，并且φb為一定值：

φb=Δφr+Δφ12

(29)

對于補(bǔ)償角φb為定值，不管k內(nèi)和k外的機(jī)械零點(diǎn)各取自何點(diǎn)，將式(28)代入式(10)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果都不變。

若令θ內(nèi)外=θ內(nèi)+θ外，k內(nèi)外=k內(nèi)+k外，q=i+j，則式(27)可寫為

(30)

對比式(17)和式(30)，可以得出：

(31)

式中φ內(nèi)外即為轉(zhuǎn)動(dòng)過程中需要不斷合成的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相對角度(機(jī)械角)。

若進(jìn)一步令θ內(nèi)外=(θ內(nèi)+θ外)%360，其中%表示取余運(yùn)算，則各安裝有N對極旋轉(zhuǎn)變壓器的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)過一周，θ內(nèi)外也會(huì)經(jīng)過N次“0”，即k內(nèi)外=0～N-1。因此，可以以某一個(gè)θ內(nèi)+θ外=0值作為相對機(jī)械角度的零點(diǎn)，則有

(32)

式中：k內(nèi)外表示從相對角度φ內(nèi)外的零點(diǎn)之后，θ內(nèi)外=0的次數(shù)累加或累減值。

1.4 脈沖信號(hào)模擬方法

本文研究涉及的電機(jī)變頻器的位置信號(hào)采集須要接入的是增量式光電編碼器脈沖信號(hào)，為此，須要將上述解碼的相對角度進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

單片機(jī)從旋變解碼模塊采集到的旋變電角度為12位的二進(jìn)制自然碼格式，也就是說111111111111(即十進(jìn)制數(shù)4095)表示360°。

令線數(shù)P=2m，P值越大，控制器所獲得角度值越精確，但也意味著模擬脈沖信號(hào)的周期越短。下面以P=28=256為例，來說明模擬增量式光電編碼器的工作過程。

由于4095+1÷256=16=24，也就是角度值每變化16，則輸出一個(gè)完整脈沖。由于A相與B相存在90°相位差，因此，將一個(gè)完整的脈沖周期如圖8所示分成4個(gè)階段來輸出(“0”表示輸出低電平，“1”表示輸出高電平)。

由于16÷4=4=22，因此可以只取角度值的倒數(shù)第3和第4位組成新的數(shù)J(判斷數(shù))。表1為J的組合值及其對應(yīng)的A和B相的輸出組合。從而，可以實(shí)現(xiàn)A與B兩相的90°相位差。

采用此方法輸出A和B相脈沖無須再用其他方式來判斷旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向，因它能根據(jù)角度變化的趨勢自動(dòng)輸出A相在前還是B相在前。

表1 最低位及J對應(yīng)的AB相組合

2 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分前端采用兩個(gè)AD2S1200作為RDC解碼芯片，后端采用STM32F103RBT6作為主控芯片。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

考慮到后端設(shè)備不同的需求，STM32模塊可通過不同的輸出接口輸出相對角度。圖10為單端轉(zhuǎn)差分電路及其接口的示意圖，它能將單片機(jī)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS422電平的差分脈沖信號(hào)，可以滿足要求輸入線驅(qū)動(dòng)型脈沖信號(hào)的設(shè)備。

2.2 程序設(shè)計(jì)

程序開始時(shí)對單片機(jī)各個(gè)外設(shè)進(jìn)行相關(guān)配置。配置完成之后，MCU不斷地從兩個(gè)RDC芯片中獲取解碼所得的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行相對角度的合成。圖11為后端設(shè)備要求輸入增量式光電編碼器脈沖信號(hào)時(shí)的程序流程圖。

3 試驗(yàn)測試

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，在測試臺(tái)架上拖動(dòng)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)或者由變頻器在速度模式下控制雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生正余弦信號(hào)。測量轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)的輸出信號(hào)，計(jì)算對應(yīng)速度和位置，與電機(jī)輸入的理論值相比較，由此來對轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，測試臺(tái)架如圖12所示。

在此雙旋變解碼與合成板的激勵(lì)信號(hào)的激磁下，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出了較為理想的正余弦波形,如圖13所示。兩個(gè)解碼芯片根據(jù)采集到的兩個(gè)旋變的正余弦信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置解算，主控單片機(jī)實(shí)時(shí)地采集兩個(gè)解碼芯片解碼所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，并模擬光電編碼器的脈沖輸出，其輸出的A，B和Z三相脈沖信號(hào)如圖14所示。

利用示波器的觸發(fā)功能，能夠檢測脈沖信號(hào)的頻率，進(jìn)而可以換算得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。與電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速相對比，可初步判斷解碼系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

通過多組數(shù)據(jù)采集和換算可做如表2所示的對比。測試所設(shè)定的模擬光電編碼器線數(shù)為384(每極128線)。由表2可見，模擬轉(zhuǎn)換的脈沖信號(hào)換算轉(zhuǎn)速與電機(jī)給定轉(zhuǎn)速仍有一定誤差，其中由Z相觸發(fā)頻率換算的轉(zhuǎn)速與電機(jī)給定轉(zhuǎn)速相差較小。電機(jī)每相對轉(zhuǎn)過一周才輸出一個(gè)Z相脈沖，因此，Z相脈沖換算的轉(zhuǎn)速更接近與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速。在位置檢測應(yīng)用中，Z相通常被用作角度計(jì)數(shù)清零。因此實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)時(shí)，轉(zhuǎn)換誤差不會(huì)持續(xù)積累。

表2 運(yùn)行轉(zhuǎn)速與換算轉(zhuǎn)速對照表

在程序中，使其在每一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束時(shí)都輸出一次脈沖，測此脈沖的頻率即可得到轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)的工作頻率。實(shí)驗(yàn)測得，解碼系統(tǒng)完成“采集-合成-模擬A，B和Z”這一過程時(shí)，其工作周期可降至6 μs，即解碼與合成的頻率約為166kHz。

3.2 整車應(yīng)用

目前，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)已安裝在帶對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的混合動(dòng)力汽車上，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)型圖如圖15所示，圖中的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中的兩個(gè)虛框?yàn)樾D(zhuǎn)變壓器，實(shí)物安裝圖如圖16所示。

所使用的電機(jī)變頻器的PG卡允許輸入最高為300kHz的脈沖頻率。但受限于解碼系統(tǒng)的工作頻率，將模擬的光電編碼器線數(shù)設(shè)置為384線，即電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)輸出A(B)相脈沖頻率達(dá)38.4kHz。裝車時(shí)，各信號(hào)線采用雙絞屏蔽線，走線盡量不靠近高壓線，并將屏蔽層連接至車身進(jìn)行搭鐵，以減小干擾。

在裝車試驗(yàn)過程中，PC端通過安川變頻器監(jiān)控軟件DriveWizard Plus實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器采集的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如圖17所示。通過試驗(yàn)測試，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)已成功地使對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子混合動(dòng)力汽車在路面上平穩(wěn)行駛。

4 結(jié)論

針對安裝有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器的對轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)具有兩路轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，而控制雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的變頻器只能接收一路轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速信號(hào)的狀況，開發(fā)了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以獲取兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器的角度位置數(shù)據(jù)，并將其合成為相對角度和相對轉(zhuǎn)速，輸出給電機(jī)控制器，其輸出接口能兼容多種設(shè)備。

本文中首次提出了將兩個(gè)多對極旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)進(jìn)行解碼并合成為相對機(jī)械角度，為多對極旋變信號(hào)的解碼、多極電角度轉(zhuǎn)換為機(jī)械角度以及角度數(shù)據(jù)合成為光電編碼器脈沖信號(hào)提供了理論和實(shí)際應(yīng)用基礎(chǔ)。通過試驗(yàn)測試，本系統(tǒng)能夠以較高精度為電機(jī)控制器提供多軸系統(tǒng)的相對角度數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)已成功用于安裝有雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的混合動(dòng)力汽車，還可應(yīng)用于機(jī)床、航空航天和機(jī)器人等領(lǐng)域。

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Design of Rotor Position Detection System for Dual Rotor Motor in EVs

Luo Yutao1， Xu Xiaotong1& Liang Weiqiang2

1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640；2.GACAutomotiveEngineeringInstitute,Guangzhou510640

The oppositely rotating dual-rotor motor has two rotors, with a resolver/transformer for each of the inner and outer rotors, and conventional motor controller can only accept one position sensor signal to achieve closed-loop control. In view of this, a rotor position detection system for dual-rotor motor is proposed in this paper. With the system, the signals output from two resolver/transformers are decoded respectively and synthesized to obtain a relative angle (or rotating speed), which is then simulated into a signal the rear-end device needs and sent to motor controller. Two pieces of AD2S1200 are used as the front-end decoding chip and there is a STM32F103RBT6 in rear-end used as the master microcontroller of the system to fulfill the solution of the relative angle, which is again simulated into a pulse signal output similar to that of an incremental photoelectric encoder. The system has been successfully applied to the control system of dual-rotor motor in an electric vehicle. Experimental results show that the system fully meet the operating requirements and provides a solution scheme for dual / multi-rotor position detection.

EV; motor control; dual-resolver/transformer; signal decoding; signal synthesis

*國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA110702)、華南理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(2015ZP012)和廣東省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2014B010127001和2015B010119002)資助。

原稿收到日期為2015年5月15日，修改稿收到日期為2015年7月31日。