专利名称：电动汽车用开关磁阻电机绝对位置传感器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及电动车辆驱动用开关磁阻电机的转子位置检测器和其配套使用的控 制方法，适用于电动车辆用各种相数、结构的开关磁阻电机。
背景技术：
开关磁阻调速电机(简称SRD)是一种新型的机电一体化无级调速系统，一般由电 机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。它兼有交流调速系统电机简单坚固和直 流系统调速性能好的优点。启动力矩大、启动电流小、功率器件不会出现直通故障、调速范 围宽，调速性能优异，整个调速范围内都具有较高效率，可以方便地实现电机四象限运行控 制和制动再生能量回收，特别适用于电动车驱动领域。因为SRD复杂的非线性电磁特性，运行控制的关键就是要实时检测转子磁极位置 以确定不同转速下的定子各相开关角，开关角的调整是SRD的主要控制参数和手段，甚至 可以独立控制SRD的运行。目前一般工业用SRD的控制方法是用各种位置检测器采集信息后通过控制器的 微处理器实时解算转子磁极位置查表给出事先经实验优化确定的各相开关角参数，然后以 相电流CCC和电压PWM斩波方式实现转速闭环控制。过程环节多、软件复杂，对微处理器解 算速度和可靠性要求高，成本高，在电动车辆驱动领域很难直接运用。电动车辆的SRD驱动 系统，对调速精度要求低但对可靠性和效率要求高；各相开关角的控制参数的解算还直接 关乎电动车辆的安全性，应十分警惕过于依赖微处理器控制汽车核心驱动系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车用开关磁阻电机绝对位置传感器及其控制方 法。可直接给出SRD运行中转子磁极的绝对位置和开关角范围，按电动车SRD的四象限运 行各工况的要求匹配转速直接生成各相开关角参数驱动各相功率器件，控制器不需要用微 处理器以软件方式解算各相开关角参数，只需要使用传统、简单可靠的PID器件和逻辑器 件对相电流、电压进行调节即可满足电动车SRD运行控制要求。具有高可靠性和容错能力， 动态响应快，技术要求低，实用性强，成本低，可大大推动SRD在电动车驱动领域的运用。本发明的技术解决方案是绝对位置传感器传感部分采用一个与电机同步旋转集 成了开关角参数(正转、制动发电和反转)和转子磁极位置的转子盘和二组槽型高精度光电 头(正转和发电制动一组、反转一组)，二组光电头在电路上互锁，保证只有其中一组工作， 换相顺序无差错隐患；每组光电头对应定子相数一相一个，按正转、发电和反转要求设置在 定子磁极的前沿与后沿位置，一对一独立控制各相的开、关，容错能力高；正转和发电制动 一组光电头中选择一个输出的信号作为转速信号。转子盘外缘为转子磁极和开关角指示槽，槽代表转子磁极，与转子磁极数目和角 度对应；正转时，槽的前沿转到某个定子磁极正转和发电制动光电头位置，光通过，代表转子磁极到达该相工作范围的最早开通角，光电头接通，通过适当的一组固定延时和保持电 路，在0延时或规定延时后开通该相并保持规定的时间后关断；相应设有多组固定延时和 保持电路来对应多组开关角参数；槽的后沿代表转子磁极到达该相工作范围的最迟关断 角，光被阻断，光电头关断信号可强制关断该相，避免关断错误时负转矩增加。转子盘和转子相连同步旋转，转子盘上有对应转子磁极数目与角度位置设的转子 磁极和开关角指示槽，可指示出转子各磁极的绝对角度位置和开关角参数；正转和发电用 光电头按定子的相数一相一个，对应安装在定子磁极后沿相应角度位置；反转用光电头按 定子的相数一相一个，对应安装在定子磁极前沿相应角度位置。发电(制动)工况时，同样转到槽的位置时光电头接通，通过相应的固定延时和保 持电路后，在规定延时后开通该相励磁并保持规定的时间后关断；不用光电头关断信号强 制关断该相，因即使关断错误，一相长通也不影响制动功能。反转工况，使用反转组光电头和同一条转子磁极和开关角指示槽；反转只工作在 启动和恒转矩低速区，固定的一组开关角配合电流斩波就可满足控制要求，因此只设置一 组延时和保持电路；指示槽的后沿(即按正转计的关断角)对应开通角，用反转组光电头安 装角度位置配合，保证反转开通角的正确；同样通过固定延时和保持电路后，在0延时或规 定延时后开通该相并保持规定的时间后关断，槽转过时，光电头关断信号可强制关断该相， 避免关断错误时负转矩增加。本发明的技术解决方案中采用的绝对位置传感器的控制方法如下正、反转 由绝对位置传感控制器不同组光电头控制，各工况下采用按转速分段固定的多组开关角参 数，用对应的多组延时和保持电路固化下来，相电压斩波PWM转速闭环PID控制，用相电压 斩波PWM开通比参数控制选择合适段固定开关角(即选择某一延时和保持电路)。相电流斩 波保护。延时和保持电路同时也能用来调整光电头和转子盘机械安装的精度误差。正转(前进)，按转速范围将其分为5 7段(相当于汽车档位)，第一段转速一般为 SRD从启动到第一临界转速(恒转矩区间)，最高转速一般低于SRD第二临界转速，第二段到 最后一段之间为恒功率区间；每段经过实验优化确定开关角参数，然后用多组硬件延时和 保持电路固化下来；起动时，输入正转(前进)信号，控制器选择正转组光电头与第一组延 时和保持电路工作，检测到转子磁极和开关角指示槽的光电头接通，通过第一组延时和保 持电路后，在0延时或规定延时后开通该相并保持规定的时间后关断，驱动该相通电工作， SRD启动；每一组延时和保持电路在转速接近该分段上限时，相电流因旋转电动势增大而 减小，转速闭环控制下相电压PWM开通比加大，开通比增加到设定值时，启动下一组延时和 保持电路工作(升档)，直至最后一组(车辆达到最高时速)；每一组转速接近下限时，相电压 PWM开通比减小，开通比减小到设定值时，启动上一组工作(降档)，直至第一组(车辆减速停 车)。反转(倒车)只设一组延时和保持电路，一组固定开关角配合电流斩波就可满足控 制要求。电动汽车用开关磁阻电机绝对位置传感器的控制方法，转子磁极和开关角指示槽 指示了正转工作的最早开通角和最大关断角，按转速分成多段的开关角参数用对应多组正 转用延时和保持电路(9)和发电用延时和保持电路以及反转用延时和保持电路固化下来， 正转和发电用光电头接入和这二个延时和保持电路，用速度闭环控制下的相电压PWM占空比参数决定这二个延时和保持电路组内部之间的切换，实现匹配转速直接生成各相开关角 参数的控制要求。所述反转用光电头和转子磁极和开关角指示槽配合，只设一组反转用延时和保持 电路控制各相关断。所述正转和发电用光电头中的一个同时输出转速信号用于速度闭环控制。发电(制动能量回收)，一般工作在较高转速，同样设置2 3组固化了开关角参数的 延时和保持电路，相电压PWM控制励磁电流，调节制动能量；转速下降慢，转速闭环控制下 相电压PWM开通比增加到设定值时，启动下一组延时和保持电路工作；转速下降快，相电压 PWM开通比减小，启动上一组工作；低于设定转速即退出工作；制动和转速快慢由煞车踏板 信号控制，煞车踏板达到设定深度即退出工作(转由机械制动，保证安全)。
图1是本发明实施例开关磁阻电机截面示意图； 图2是本发明实施例绝对位置传感器结构剖面图； 图3是本发明实施例绝对位置传感器转子盘示意图； 图4是本发明实施例绝对位置传感器控制原理示意图；图5是本发明实施例各工况开关角的范围示意图；图中1.定子，2.转子，3.前端板，4.转子盘，5.后端板，6.正转和发电用光电头， 7.反转用光电头，8.转子磁极和开关角指示槽，9.正转用延时和保持电路，10.发电用 延时和保持电路，11.反转用延时和保持电路。
具体实施例方式实施例如图1所示，以三相6/4结构开关磁阻电机为例；电机由定子1(包括 线圈)、转子2组成，定子1相对的二个磁极为一相共有A、B、C三相。如图2所示，转子位置 传感控制器由前端板3、转子盘4、后端板5、安装在前端板3上的正转和发电用光电头6和 反转用光电头7组成，光电头采用高精度槽型光电头；转子盘4和转子2相连同步旋转，前 端板3固定在定子1或电机本体上，后端板5固定在前端板3上。如图3、图4、图5所示， 转子盘4上对应转子2磁极角度位置设有四个转子磁极和开关角指示槽8，可指示出转子 2各磁极在正反转工况下的绝对角度位置和开关角参数；正转和发电用光电头6有三个，对 应转子磁极和开关角指示槽8安装在定子1左边三个磁极A、B、C后沿相应角度位置，分别 控制定子1三相工作，选择其中一个同时输出转速信号；反转用光电头7也有三个，对应安 装在定子1右边三个磁极A’、B’、C’前沿相应角度位置，分别控制电机三相工作；正转和发 电用光电头6每相都接入七组正转用延时和保持电路9和三组发电用延时和保持电路10， 反转用光电头7每相都接入一组反转用延时和保持电路11，三个延时和保持电路分别固化 了经实验优化的正转七段转速和发电三段转速以及反转对应的开关角参数，工作时正、反 转切换由手动控制，其余二个延时和保持电路之间由油门和刹车信号切换，由速度闭环控 制下的PWM占空比参数决定二个延时和保持电路组内部之间的切换，即可实现匹配转速直 接生成各相开关角参数控制SRD的四象限运行各工况要求。
权利要求
1.一种电动汽车用开关磁阻电机绝对位置传感器，其特征在于转子盘(4)和转子(2) 相连同步旋转，转子盘(4)上有对应转子(2)磁极数目与角度位置设的转子磁极和开关角 指示槽(8)，可指示出转子(2)各磁极的绝对角度位置和开关角参数；正转和发电用光电头 (6)按定子(1)的相数一相一个，对应安装在定子(1)磁极后沿相应角度位置；反转用光电 头(7 )按定子(1)的相数一相一个，对应安装在定子(1)磁极前沿相应角度位置。
2.电动汽车用开关磁阻电机绝对位置传感器的控制方法，其特征在于转子磁极和开 关角指示槽(8)指示了正转工作的最早开通角和最大关断角，按转速分成多段的开关角参 数用对应多组正转用延时和保持电路(9)和发电用延时和保持电路(10)以及反转用延时 和保持电路(11)固化下来，正转和发电用光电头(6)接入(9)和(10)这二个延时和保持电 路，用速度闭环控制下的相电压PWM占空比参数决定这二个延时和保持电路组内部之间的 切换，实现匹配转速直接生成各相开关角参数的控制要求。
3.根据权利要求2所述电动汽车用开关磁阻电机绝对位置传感器的控制方法，其特征 在于所述反转用光电头(7)和转子磁极和开关角指示槽(8)配合，只设一组反转用延时和 保持电路(11)控制各相关断。
4.根据权利要求2所述电动汽车用开关磁阻电机绝对位置传感器的控制方法，其特征 在于所述正转和发电用光电头(6)中的一个同时输出转速信号用于速度闭环控制。
全文摘要
电动汽车用开关磁阻电机绝对位置传感器及其控制方法，涉及电动车辆驱动用开关磁阻电机的转子位置检测器和其配套使用的控制方法，适用于电动车辆用各种相数、结构的开关磁阻电机。绝对位置传感器传感部分采用一个与电机同步旋转集成了开关角参数和转子磁极位置的转子盘和二组槽型高精度光电头，二组光电头在电路上互锁，保证只有其中一组工作，换相顺序无差错隐患；每组光电头对应定子相数一相一个，按正转、发电和反转要求设置在定子磁极的前沿与后沿位置，一对一独立控制各相的开、关，容错能力高；正转和发电制动一组光电头中选择一个输出的信号作为转速信号。
文档编号H02P6/16GK102055391SQ201110009319
公开日2011年5月11日 申请日期2011年1月17日 优先权日2011年1月17日
发明者杨衍圣 申请人:杨衍圣