1  氣旋篩引言
     開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(srd)是較為復(fù)雜的機(jī)電一體化裝置，srd的運(yùn)行需要在線實(shí)時(shí)檢測的反饋量一般有轉(zhuǎn)子位置、速度及電流等，然后根據(jù)控制目標(biāo)綜合這些信息給出控制指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制及保護(hù)等功能。轉(zhuǎn)子位置檢測環(huán)節(jié)是srd的重要組成部分，檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號是各相主開關(guān)器件正確進(jìn)行邏輯切換的根據(jù)，也有軸螺旋輸送機(jī)為速度控制環(huán)節(jié)提供了速度反饋信號。

     從前面介紹的srd工作原理中可看到，該系統(tǒng)的工作必須得到一個(gè)定轉(zhuǎn)子相對位置的信息，即轉(zhuǎn)子當(dāng)時(shí)所處的位置以確定相應(yīng)相繞組的通斷，這個(gè)任務(wù)將由位置檢測器來完成。srd對位置檢測器的一般要求是應(yīng)具有精度高、電路簡單、工作可*、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)位置檢測的方法有很多種，從大的方面分，可分為直接位置檢測技術(shù)和間接檢測技術(shù)兩大類，下文將粉碎機(jī)械分別加以介紹。

2&nb分離機(jī)sp; 直接位置檢測技術(shù)
     直接位置檢測方案是在srd中專門增設(shè)位置傳感器的方法來實(shí)現(xiàn)位置檢測功能。常見的直接位置檢測器類型有:光電式、電磁式、磁敏式、接近開關(guān)式等。下面介紹srd中用的最多的光電式反擊破碎機(jī)位置傳感器的工作原理。

     光電式位置傳感器一般由裝在轉(zhuǎn)子上的碼盤與裝在定子或機(jī)殼上的光電檢測元件構(gòu)成。碼盤有與開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子凸極、凹槽數(shù)相等的齒、槽，且均勻分布。按照所用光電元件個(gè)數(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)相數(shù)的關(guān)系，光電位置檢測方案可以分為全數(shù)檢測方案和半數(shù)檢測方案兩種。全數(shù)檢測所用光電元件個(gè)數(shù)為電動(dòng)機(jī)相數(shù)m;而半數(shù)檢測方案所用的光電器的個(gè)數(shù)為相數(shù)的一半。兩種檢測方案相鄰光電元件之間落砂機(jī)的夾角  θg與電機(jī)轉(zhuǎn)子極距τr的關(guān)系均可由下式?jīng)Q定:
   皮帶給煤機(jī)(1)
     以8/6極四相開關(guān)磁阻電機(jī)的位置檢測為例，如圖1所示，碼盤安裝在轉(zhuǎn)子軸上與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，其齒槽數(shù)與轉(zhuǎn)子的凸極、凹槽數(shù)一樣為6，而且均勻分布，所占角度均為30°，如果按照式(1)分布光電元件，則相鄰?qiáng)A角為75°的四個(gè)光電脈沖發(fā)生器p1、p2、p3微型電磁振動(dòng)喂料機(jī)、p4固定在定子上。

圖1&n懸掛輸送鏈bsp;     光電式位置傳感器位置檢測原理圖


圖2      光電開倉壁振打器關(guān)電路原理圖

     光電開關(guān)由發(fā)光二極管與光敏三極管組成，電路原理如圖2所示。當(dāng)碼盤上的齒部擋住光電開關(guān)時(shí)，光電開關(guān)輸出為高電平，在碼盤的槽部位置，光敏三極管接收到發(fā)光二極管的信號而導(dǎo)通，輸出為低。在轉(zhuǎn)子勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過1轉(zhuǎn)每個(gè)光電開關(guān)的輸出信號都是占空比為50%的方波，p1、p2、p3、p4的信號的相位依次相差90°，但是這樣p1和p3相位就相差180°，其中一個(gè)信號的上升沿和另外一個(gè)的下降沿重合，p2和p4之間也存在同樣的問題。對這種布置方式，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)過某個(gè)位置跳變沿時(shí)，會(huì)有2個(gè)開關(guān)同時(shí)動(dòng)作，如果碼盤制造有誤差或光電開關(guān)安放有誤差將使應(yīng)該同時(shí)動(dòng)作的光電開關(guān)的動(dòng)作產(chǎn)生先后，這將引起錯(cuò)碼及亂碼。所以實(shí)際中使用全數(shù)檢測方法時(shí)往往采用改進(jìn)的方法將p3、p4調(diào)整移到7.5°到p3′、p4′，如圖1所示。p1、p2、p3′、p4′的高低電平組成的碼值也示意于圖3中?？梢?，當(dāng)采用改進(jìn)的全數(shù)檢測方法，按照圖示的轉(zhuǎn)向編碼器可依次得到8個(gè)不同的碼值1110→1100→1000→1001→0001→0011→0111→0110，這8個(gè)碼值周期性的重復(fù)，將一個(gè)60°轉(zhuǎn)子周期τr分成8個(gè)區(qū)域。這樣不但避免了應(yīng)該同時(shí)動(dòng)作的光電開關(guān)的動(dòng)作產(chǎn)生先后引起的錯(cuò)碼及亂碼，而且將原來是將τr分成4個(gè)區(qū)域，現(xiàn)錘破機(jī)在細(xì)分為8個(gè)區(qū)域，提高了位置檢測的精度。對于電機(jī)轉(zhuǎn)向的判斷，可根據(jù)位置變化的規(guī)律來判別，若1110→1100→1000→1001→0001→0011→0111→0110為正轉(zhuǎn)，若反序變化則為反轉(zhuǎn)。也可根據(jù)p1、p2、p3′、p4′四個(gè)電平上跳沿的次序來判別轉(zhuǎn)向。

     如果是采用半數(shù)檢測方法時(shí)，即采用p1、p2兩個(gè)光電脈沖發(fā)生器檢測轉(zhuǎn)子位置，這時(shí)得到的碼值為11→10→00→01，這4個(gè)碼值周期性的重復(fù)，將一個(gè)60°轉(zhuǎn)子周期τr分成四個(gè)區(qū)域。所以從理論上來看，采用半數(shù)檢測方法完全可以實(shí)現(xiàn)位置檢測的功能，p3、p4兩個(gè)光電脈沖發(fā)生器并不是必需的，只用p1、p2兩個(gè)光電脈沖發(fā)生器就可以簡化硬件，降低成本。但是在實(shí)際情況中由于震動(dòng)、安裝等問題，光電脈沖發(fā)生器可能會(huì)受到干擾輸出不正確的電平，就會(huì)發(fā)生錯(cuò)碼的情況，這時(shí)就需要采用軟件抗干擾技術(shù)，采用全數(shù)檢測方法對抗干擾更加有利。一般的軟件抗干擾技術(shù)是檢測到跳變沿讀取新的碼值時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)向和前幾個(gè)碼值一起進(jìn)行判斷新的碼值是否有誤碼。還是以圖2中轉(zhuǎn)向?yàn)槔?，?dāng)采用全數(shù)檢測時(shí)1110、1100、1000、1001、0001、0011、0111、0110八個(gè)碼是基本的有效碼，而其他的0000、1111等八種編碼為無效碼，可視為干擾信號，增強(qiáng)了抗干擾能力。然后根據(jù)轉(zhuǎn)向，得出碼值循環(huán)的順序，在轉(zhuǎn)向一定的條件下，如果碼出現(xiàn)的順序不對，如碼值從1110直接跳變到1000，也可做干擾碼處理。轉(zhuǎn)向可能突變的情況抗干擾技術(shù)比較復(fù)雜，就不在這里討論了。而在半數(shù)檢測方案有效碼為11、10、00和01，沒有無效碼，只要有1個(gè)光電脈沖發(fā)生器受干擾輸出電平有誤，就有可能使干擾碼值認(rèn)做有效碼，只能根據(jù)碼值循環(huán)順序進(jìn)給料機(jī)行誤碼判斷，抗干擾有一定的難度。所以在一些運(yùn)行條件比較惡劣、可*性要求很高、電機(jī)轉(zhuǎn)向經(jīng)常變化或者光電脈沖發(fā)生器成本與整個(gè)系統(tǒng)成本相比可以忽略不計(jì)(如電機(jī)汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))的應(yīng)用情況下，可以采用全數(shù)檢測方法，提高位置檢測精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的可*性。

圖3      轉(zhuǎn)子洗砂機(jī)位置信號與繞組電感

     上述的編碼器用于開關(guān)磁阻電機(jī)的控制時(shí)，還有一個(gè)編碼器的初始定位問題。若在電機(jī)a相通以適當(dāng)?shù)闹绷麟娏鳎赼相轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子凸極將被吸合在磁極軸線對準(zhǔn)a相軸線的位置上，對應(yīng)la最大電感位置，即圖3中的編碼從1001跳到0001的臨界位置，這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝有光電開關(guān)的電路板，XZS系列旋振篩使光電檢測信號從1001跳到0001的跳變沿恰好出現(xiàn)在該位置上。固定好裝有光電開關(guān)的電路板，即定位完成。如圖3所示，每一個(gè)碼值則對應(yīng)于圖中①～⑧的某一個(gè)位置區(qū)域。
位置檢測器與芯片(單片機(jī)或伸縮式皮帶輸送機(jī)dsp)的軟件相配合，可同時(shí)檢測到電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。每個(gè)位置碼占有的時(shí)間若為t1秒, 對上述的8個(gè)位置碼為一個(gè)電周期的檢測方式, 則電周期t＝8t1, 很容易得知, 對2p極電機(jī)，其轉(zhuǎn)速n為:
      

3  間接位置檢測技術(shù)
     開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展到今天，不含軸位置傳感器的間接位置檢測技術(shù)已成為當(dāng)前的一個(gè)重要課題。這是由于傳統(tǒng)的軸位置傳感器或者其他類型的探測式位置檢測器不但會(huì)提高系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，更重要的是會(huì)降低srd系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，影響到整個(gè)系統(tǒng)的可*運(yùn)行，尤其是在某些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的場合。因此如何讓它扔掉笨重而瑣碎的位置檢測器，直接利用電機(jī)的電壓和電流信息間接確定轉(zhuǎn)子位置從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，運(yùn)行更加可*、高效, 成本更加低廉，無疑是一個(gè)很具潛力的研究方向。本課題組在srd的間接位置檢測上也做了一些研究工作，提出了一種簡化的電流磁鏈法和極板電容檢測法。

     間接位置檢測技術(shù)利用了srd的某些電氣參數(shù)關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)關(guān)系，并通過解算這種函數(shù)關(guān)系來獲取轉(zhuǎn)子位置信息。間接位置檢測器的精度要比直接位置檢測器低些，這是由于:

(1) 電氣參數(shù)關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)關(guān)系往往很復(fù)雜,由電氣參數(shù)精確解算轉(zhuǎn)子位置信息是很難做到的。

(2) 存在一定解算延時(shí)誤差等。但實(shí)際上對于位置檢測并不要求絕對的精度很高，而是要求重復(fù)性好，對于檢測精度略低所導(dǎo)致的影響可以通過控制策略或使用閉環(huán)控制來調(diào)整。

     在srd間接位置檢測方法中，所選擇的隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化的被測物理量的種類很多，例如，電流磁鏈法、非導(dǎo)通相自感、導(dǎo)通相自感、相間互感、附件繞組自感、附加板級電容等。對眾多的srd間接位置檢測方法，按照不同的原則可以有很多種分類方法。本文按照測量物理量的硬件對象將間接位置檢測方法大致分為非導(dǎo)通相繞組檢測法，導(dǎo)通相繞組檢測法和附件硬件檢測法。

3.1 非導(dǎo)通相檢測法
     非導(dǎo)通相檢測法一般的方法是從外部向被非導(dǎo)通相注入激勵(lì)信號，通過測量相應(yīng)信號的幅值或者相位來解算轉(zhuǎn)子位置信號，已發(fā)表文獻(xiàn)中方波脈沖激勵(lì)法，正弦電壓激勵(lì)法，應(yīng)用頻率調(diào)整法等都屬于此類。限于篇幅，下面僅對正弦電壓激勵(lì)法作簡要的介紹:

     對某一非工作相施加頻率為ω的正弦激勵(lì)電壓，如圖4所示，得到的電流響應(yīng)為:

圖4     srd某相簡化電流模型

     由上式可知, 響應(yīng)電流幅值im和φ都是繞組電感l(wèi)(θ)的函數(shù), 所以通過測量就可以解算出轉(zhuǎn)子位置θ的信息。

     為了避免影響srd的正常運(yùn)行，非導(dǎo)通相檢測法從外部注入的檢測脈沖信號一般很小，而且要求有相應(yīng)的切換電路完成導(dǎo)通狀態(tài)和檢測(非導(dǎo)通)狀態(tài)之間的切換，以避免srd功率電路和檢測電路之間的沖突。

3.2 導(dǎo)通相檢測法
     導(dǎo)通相檢測法利用導(dǎo)通相導(dǎo)通時(shí)所表現(xiàn)出來的相繞組特性來檢測轉(zhuǎn)子位置，所以不需要象非導(dǎo)通相檢測法那樣切換電路和注入激勵(lì)脈沖，簡化了檢測電路。但是由于電機(jī)繞組所體現(xiàn)出來非線性，必須采用非線性檢測法，模型比較復(fù)雜，對芯片運(yùn)輸速度要求比較高。常見的導(dǎo)通相檢測法有電流磁鏈法、導(dǎo)通相自感、相電流梯度法、狀態(tài)觀測器法等。下面簡要介紹一下課題組的簡化電流磁鏈法間接位置檢測方案。

      開關(guān)磁阻電機(jī)的一相繞組磁鏈表達(dá)式為

     如果已知從時(shí)刻0到時(shí)刻t間每一時(shí)刻的電壓u和電流值i以及時(shí)刻0的初始磁鏈值ψ0，就可以積分算出繞組當(dāng)前時(shí)刻的估算磁鏈ψ。如果忽略繞組互感的影響, 則轉(zhuǎn)子位置與繞組磁鏈和電流的關(guān)系可表示為:θ=θ(ψ,i)

圖5     開關(guān)磁阻電機(jī)磁化曲線簇

     上式表明轉(zhuǎn)子位置θ為繞組磁鏈ψ和繞組電流i的函數(shù)，并且可以證明其為單值函數(shù)。如果已知當(dāng)前時(shí)刻t的繞組磁鏈ψ和繞組電流i，則可以知道轉(zhuǎn)子位置θ。由此可以得到磁鏈法的基本思想，即由于開關(guān)磁阻電機(jī)的凸極效應(yīng)，不同的轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)著不同的磁鏈-電流曲線，如果能夠測得如圖5所示對應(yīng)不同轉(zhuǎn)子位置的磁鏈-電流曲線簇，就能建立1個(gè)電流、磁鏈、位置的三維表并存儲在內(nèi)存中，那么計(jì)算每一時(shí)刻的繞組磁鏈，將計(jì)算得到的磁鏈值與當(dāng)前的繞組采樣電流一起查表可即得到當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置。

     磁鏈法于1991年由j.lyons 等人首次提出,其最初的算法思想如上節(jié)中所述，但有不少不足之處:由于要建立并查找一個(gè)電流、磁鏈、位置的三維表，因此算法復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間長，存儲將占用大量內(nèi)存，工作量很大而且無法靈活地隨實(shí)際運(yùn)行工況的不同而進(jìn)行修正。

     為了提高算法實(shí)時(shí)性和適用的速度范圍，并減少所需內(nèi)存，文獻(xiàn)[5]提出一種簡化的磁鏈法。在電機(jī)單相輪流導(dǎo)通時(shí)，并不需要轉(zhuǎn)子每一位置的信息，只要能夠判斷是否已達(dá)到換相位置，因此轉(zhuǎn)子位置檢測就可以簡化為換相位置檢測。換言之，只需將對應(yīng)當(dāng)前電流的換相位置磁鏈(下文稱為參考磁鏈)與積分計(jì)算得到的估算磁鏈相比較，如果前者大于后者，則認(rèn)為換相位置還未到，繼續(xù)導(dǎo)通當(dāng)前相，反之則認(rèn)為換相位置已到，關(guān)斷當(dāng)前相，導(dǎo)通下一相。這就是簡化后的磁鏈法思想。至于參考磁鏈的獲得，由于換相位置一般都*近電感最大位置，而且磁鏈-電流曲線形狀類似，因此算法中只測試存儲最大電感位置的磁鏈-電流曲線，首先從當(dāng)前電流查到對應(yīng)最大電感位置的參考磁鏈，然后再乘以一個(gè)小于1的系數(shù)k來得到對應(yīng)換相位置的參考磁鏈值。因此該算法只需測試學(xué)習(xí)并存儲最大電感位置的磁鏈-電流曲線，然后查尋二維表，所需內(nèi)存小，算法簡單快速，測試結(jié)果較為準(zhǔn)確可*。

3.3 附件硬件檢測法
     附件硬件檢測法在開關(guān)磁阻電機(jī)的內(nèi)部的適當(dāng)位置附加了某些元件，利用這些元件的輸出的信息來檢測轉(zhuǎn)子的位置，附加的硬件可以是電感線圈、電容極板等，這種方法因需要附加的硬件使得開關(guān)磁阻電機(jī)的制作工藝變得復(fù)雜，并對安裝的精度要求很高。

圖6      檢測電容安裝示意圖

     文獻(xiàn)[6]提出了一種開關(guān)磁阻電機(jī)極板電容檢測法。圖6表示一臺8/6極sr電機(jī)的鐵心沖片圖，若在sr電機(jī)定子槽中插入一金屬平板s，使平板s的中心線與定子槽中心線重合，則平板s構(gòu)成電容器的定極板，轉(zhuǎn)子作為動(dòng)極板。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，電容器的極板間距和面積隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，其電容大小是轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子槽中心線與定子極板中心線重合時(shí)，電容器的電容值c為最小，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒中心線與極板s中心線重合時(shí)，電容值為最大。這種通過電容與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系確定實(shí)際運(yùn)行時(shí)定、轉(zhuǎn)子相對位置的轉(zhuǎn)子位置檢測方法不需考慮相繞組中電流及運(yùn)動(dòng)電勢的影響，與電機(jī)負(fù)載無關(guān)，而且它對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也沒有影響。這種電容式檢測器靈敏度高，可獲得較大的相對變化量，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)。

4  結(jié)束語
     srd已成功應(yīng)用于在電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動(dòng)、航空航天等眾多領(lǐng)域中,是一種很有前途的電機(jī)。位置檢測技術(shù)是srd的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文將其分成直接位置檢測和間接位置檢測兩大類進(jìn)行了介紹。目前由于間接位置檢測在精度和可*性等方面的不足，應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的還不多。近年來功率電子技術(shù),數(shù)字信號處理技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展將使得間接位置檢測的srd的商業(yè)化成為可能。隨著智能技術(shù)的不斷成熟及高速高效低價(jià)格的數(shù)字信號處理芯片(dsp)的出現(xiàn)，利用高性能dsp開發(fā)各種復(fù)雜算法的間接位置檢測技術(shù),無需附加外部硬件電路，大大提高了檢測的可*性和適用性,必將更大限度地顯示srd的優(yōu)越性。