关键词：开关磁阻电机；旋转变压器；位置检测；AU6803

1  引言

开关磁阻电机调速系统，是一种最新的无极调速系统，它兼备的直流与交流两类调速系统的优点，大体包括以下几种，调速大小的选择范围比较广，结构也非常的简易。各方面的性能指标也比较好，重要的一点，它的效率比较高，不是在恒定速度时，而是针对于整个调速范围内。系统的稳定性以及可靠性也非常的高。在开关磁阻电机（SRM）控制系统中，如果想要让各相开关器件进行正确的逻辑切换，就必须要实时的检测SRM转子的位置，同时还需要检测出SRM转子的速度，从而才能实现SRM的转矩、速度及驱动机构的高精度控制。本文结合实际实验，详细介绍了旋转变压器在SRM系统中的应用，并解决了一些电机在低速启动时出现的问题。

2  旋转变压器

2.1  旋转变压器的原理

简称旋变，旋变的内部结构很简单，它的转子转角发生变化时，其输出电压也会随着变化。励磁的绕组在某一固定频率的交流电压励磁的时候，此时转子的转角就与输出端绕组存在着一种关系，即正、余弦函数关系，或者某种特定的比例关系。又或者是某种线性关系，这种线性关系存在于转角范围与转角之间。本系统设计使用的是日本多摩川旋转变压器，图1为旋转变压器外形图，图2为旋转变压器工作原理图。

图1  旋转变压器外形图

图2  旋转变压器工作原理图

下面来描述一下旋转变压器中输入和输出电压之间存在的一种数学关系：设旋转变压器转子的转动角度为0，励磁电压为：

R₁ -R₂=Esin2π ft                （1）

式（1）中：f为励磁频率；E为信号幅度。

输出电压为：

E_{S1 S3}=KEsin2π ftcosθ        (2)

         E_{S2 S4}= KEsin2π ftsinθ        (3)

式中：K为传输比；θ为转子偏离原点的角度。

2.2  旋转变压器解码电路设计

旋转变压器需要特定的高频正弦励磁信号，为了满足这个要求,需要设计与AU6803芯片对应的外围接口电路，此电路设计还有其它两个作用，一是可以使接收的旋转变压器正余弦信号满足RDC对输入信号的要求,第二是可以使AU6803解码芯片输出的+5V电平转换成+3.3V的电平，因为单片机需要+3.3V的电平。图3为原理框图。
                                                                         

                                                                                  图3  原理框图

3  AU6803解码芯片

3.1  AU6803的工作原理

AU6803内部系统是闭环的，旋变的四条线端输送出来的信号要传送到芯片的S1、S2、S3和S4端，调理电路作为传送的桥梁，首先在电路中进行集成运放处理，然后输出到正弦和余弦乘法器上。进行完上述步骤之后，观察当前同步相位检测器的当前状态，根据这一状态，从某一起始角开始着手，转换器连续调节数字角的值直至与待测模拟角相同，同时跟踪转换器输出一组二进制数字。这组数值就是旋转变压器输出的轴角。单片机接收此二进制数值并显示及控制处理。

3.2  励磁驱动电路的设计

AU6803解码芯片内部设置激励放大器，放大器类型属电流控制型。放大器提供正弦励磁信号，信号的负载能力为10kHz/10mA，输出中心电压为2.25V，峰峰值为2Vp-p。针对纺织机驱动系统中SR安装的旋转变压器，变压比一般为0.286，励磁电路中运算放大电路的选择也很重要，如果选择单位增益运算放大电路，在变压比为0.286的情况下，如果励磁电路中使用的是单位增益运算放大电路，经过计算，次级绕组输出信号的电压峰峰值就为0.572Vp-p，这个电压与2Vp-p相差太多，不足以满足解码芯片中激励放大器的要求，因此，要设计将解码芯片输出正弦信号放大的励磁驱动电路，如图4所示。
                                                    

                                                                          图4  励磁驱动电路

3.3  信号调理电路：

最后还可以抑制共模干扰信号。把输入口设计为共模电感模式，同时S1、S3要增加接地电容，电容的参数必须相同。这样做是为了放置输入信号产生共模干扰的现象。S1与S3之间需要添加一个低通滤波器，滤波器需要由一个电容以及两个电阻组成,低通滤波器的作用就是降低因为外界的噪声而产生的干扰信号。当输入信号线发生故障时，S1上的上拉电阻与S3上的下拉电阻可以用来检测是不是信号线出现了断路的故障。图5是本设计所采用的信号调理电路原理图。

                                                                        图5  信号调理电路

4  解码算法的设计

解码算法的设计是本设计中最重要的一部分，我们用流程图对步骤来进行简单陈述，并对流程图进行具体的说明。整个解码流程的设计基于查表法，最主要的又四个模块，即数字滤波、电机转子位置解算，旋转方向判断及转速计算四大模块。图6为总体流程图。

                                                                图6  总体流程图                                                    

                                                                         图7  三大模块整体运作的程序流程图       

数字滤波器在整个流程中主要起到了滤波的作用，滤波功能可以让程序的可移植性变得更好。整个流程中的关键环节还是电机转子位置解算模块、电机旋转方向判断模块以及计算电机转速模块。图7为这三大模块整体运作的程序流程图。

    下面对图7的流程图进行具体说明：

(1)首先，A/D端口对信号进行采样，采样得来的信号里含有高次谐波，这会影响到转子位置解算的精度。有了数字滤波器，其滤波功能可以将高次谐波给滤除掉，从而使产生的sin以及cos信号变为含有转子位置的低频信号。这样一来，转子位置的解算变得更加的精确。

(2)正弦表可以建立在［0°～360°］内，但是这样做大量的单片机存储资源就会被占用，所以只要能实现正常的功能，单片机的存储资源被占用的越少越好。可以建立第一象限的正弦表，不会占用太多单片机存储资源，也可以保证功能正常实现。设Ua为采样信号波峰值与正弦表中的最大值对应，Ub为采样信号波峰及波谷的平均值与正弦表中的最小值对应。第一步，采样得到低频sin与cos信号并判断出转子所在位置属于哪一象限。第二步，利用查表法，结合建立的正弦表，即可以得到转子所在的位置。

为了能清楚的表示，现将sin和cos的值、转子位置角以及转子所在象限的关系整理如表1所示。

表1 转子位置所在象限判断

(3)依据表1给出的判断规则可以判断出转子所在的象限，然后查表，得到正弦值之后，可找出他在表1正弦表中所对应的角度，进而转子的位置就会被解算出来。正弦表的范围仅限于第一象限内，所以在表示方法上不同象限中查表变量还有转子角度会有明显不同。经过分析之后，将不同象限中的查表变量及转子角度表示方法整理如表2所示。

表2  不同象限中查表变量及转子角度

(4)流程图7中表示，转子位置确定了之后，接着需要确定转子的旋转方向。本文采用的判断方法是根据当前正弦及余弦采样值与上一次备份的采样值之间的差值来判断旋转方向。令当前采样值分别为sin、cos，上一次备份的正余弦采样值分别为sin*、cos*，则两次采样的差值分别为：Δsin = sin－sin*，Δcos = cos－cos*。不同的象限中电机旋转方向判断规则如表3所示。

表3  电机旋转方向判断规则

(5)转速的计算方法是：当程序判断电机的旋转方向为正向或反向时，由于转速不能突变，同时为了减小计算误差，取N个相邻采样点的转子位置角，求出角度增量Δφ，则电机的实际电角速度ω为：
                  （4）

式中，T为采样周期。

5  实验设计及实验结果分析

实验设计包括硬件和软件两部分，控制系统硬件主要包括控制电路和驱动电路两部分，控制电路以STM32F103为控制核心。控制策略为双闭环控制方法控制电机。实验电机采用开关磁阻电机，电机的额定功率为5.5kW，额定电压为380V，转速设定为在1000r～1600r范围内可调。软件部分用Keil5进行程序设计。

                                                               图8  系统实物连接图

实验过程：按图8所示的连接方法连接好各个设备，通过仿真器将编写好的程序下载至STM32单片机中，通过开关控制按钮，反复启动开关磁阻电机，通过连接测功机的上位机来观察开关磁阻电机的启动情况。在观察的过程中截图并与先前利用霍尔元件来检测位置时的启动过程做出对比。图9与图10分别为使用旋转变压器检测位置和使用霍尔元件检测位置时的启动效果。

                                                                     图9  旋转变压器检测位置时的启动波形图

                                     
                                                                  图10  霍尔元件检测位置时的启动波形图

分析上述两幅图，可以明显看出利用旋转变压器来检测位置时启动过程更加稳定，并且超调量明显低于利用霍尔元件来检测位置。