電動汽車雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)的設計*

羅玉濤, 許曉通,梁偉強

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院, 廣州 510640; 2.廣汽集團汽車工程研究院，廣州 510640)

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2015243

電動汽車雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)的設計*

羅玉濤1, 許曉通1,梁偉強2

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院, 廣州 510640; 2.廣汽集團汽車工程研究院，廣州 510640)

對轉雙轉子電機有兩個轉子，其內外轉子各安裝有一個旋轉變壓器；而普通電機控制器只能接收一路位置傳感器信號來實現(xiàn)閉環(huán)控制。為此，本文中提出了一種針對雙旋轉變壓器信號的雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將兩個旋轉變壓器輸出的信號分別進行解碼，再通過合成得到一個內、外轉子的相對位置(或轉速)，最后將其模擬成后端設備所需的信號輸出給電機控制器。本設計采用兩個AD2S1200作為前端旋變解碼芯片，后端使用STM32F103RBT6作為整個系統(tǒng)的主控單片機，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輸出。該系統(tǒng)已成功應用于某款電動汽車的對轉雙轉子電機控制系統(tǒng)中。試驗結果表明，該系統(tǒng)完全滿足使用要求，為雙/多轉子位置檢測提供了解決方案。

電動汽車；電機控制；雙旋變壓器；信號解碼；信號合成

前言

自20世紀中期開始, 雙轉子電機在電動汽車上的應用受到國內外學者的廣泛關注[1-8]。目前，雙轉子電機主要有4種：雙轉子同-異步電機、鼠籠式雙轉子電機、對轉雙轉子永磁電機和永磁無刷雙轉子電機[9]。本文中所涉及的雙轉子電機為對轉雙轉子永磁同步電機。該電機為將傳統(tǒng)永磁同步電機的定子約束解除，形成定、轉子均可轉動的雙轉子電機。工作時，內、外轉子反向旋轉。電機兩側均設計有行星減速機構，具有減速增矩的作用，同時將兩端輸出軸改變?yōu)橥蛐D。由力的相對作用可知，當左右的阻力矩不相等時，雙轉子電機能夠自動實現(xiàn)差速功能。雙轉子電機可直接安裝在驅動橋上,代替常規(guī)機械驅動橋的傳動軸、主減速器和差速器等構件,將動力經萬向節(jié)傳至車輪[8]。

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

在單轉子電機中，只安裝有一個旋轉變壓器來檢測轉子的位置信息。雙轉子電機的內、外轉子上分別安裝有旋轉變壓器，兩個旋變的轉子分別安裝在電機內、外轉子上，定子都安裝在機殼上，如圖1所示。每個旋轉變壓器所采集的都是對應轉子與定子之間的轉角或轉速，故雙旋變將產生兩路信號。然而，普通變頻器只能根據一路信號來對雙轉子電機進行閉環(huán)控制[11]。而現(xiàn)有的基于旋轉變壓器的位置檢測方案幾乎都是針對單個旋轉變壓器的場合[12-16]。因此，須要設計一個雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)(以下簡稱為“轉子位置檢測系統(tǒng)”)，將兩個旋變信號進行解碼，并合成為一個內、外轉子的相對角度，最后按照目標格式將其輸出給電機控制設備。

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

1 轉子位置檢測系統(tǒng)理論建模

1.1 雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)功能構成及實現(xiàn)思路

根據輸入與輸出的要求，雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)需要采集兩個旋變的信號并將其變換為一個表示雙轉子電機內、外轉子相對位置的脈沖信號并輸出給變頻器的PG卡，以實現(xiàn)閉環(huán)控制，如圖2所示。因此，雙旋變解碼系統(tǒng)主要功能構成有旋變信號解算、相對角度合成和脈沖信號模擬3部分。

對旋變信號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雜，且解算時間較長[15,17]，不適于需要同時解算兩個旋轉變壓器的場合。硬件解算的方法既能提高雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)的工作頻率，又能提高兩路數(shù)據的同步性。本文中采用專用芯片硬件解算的方法來解算旋變的信號。

1.2 旋變信號解算方法

當外界給予旋轉變壓器如圖3中R2-R4所示的勵磁信號時，轉動的旋轉變壓器將輸出如S2-S4和S3-S1所示的正余弦調幅波。

設旋轉變壓器轉子 R2-R4勵磁繞組兩端施加的勵磁電壓為

UR2-R4=EPsin(wt)

(1)

則旋轉變壓器定子上的 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為定子上兩個繞組感應電動勢的幅值，E0=kb·Ep，kb為旋變變比；θ為余弦繞組S2-S4 與轉子繞組R2-R4所成的夾角。

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

(4)

(5)

再通過一個減法器，可得到

ΔU=E0sin(wt)sin(θ-ψ)

(6)

對式6所示信號進行檢波，得到

ΔU′=Ksin(θ-ψ)

(7)

式(7)所示差值信號經過積分器后移送至壓控振蕩器。壓控振蕩器內部會產生數(shù)量上與差值信號幅值成一定關系的脈沖序列,可逆計數(shù)器對該脈沖序列進行識別并增減計數(shù)[19]。由乘法器、檢波器、積分器、壓控振蕩器和可逆計數(shù)器組成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)[20]，使ΔU′逐漸趨于0。當差值ΔU′為0時，θ≈ψ ，此時計數(shù)器中的計數(shù)值ψ就是旋轉變壓器轉子所對應的電氣角度θ。

1.3 相對角度合成方法

為實現(xiàn)對雙轉子電機進行轉矩控制，電機控制器需要內、外轉子相對位置的信息。而本文所設計的電機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。因此從光電編碼器的角度來分析內、外轉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換將輸出軸上的機械位移量轉換成脈沖的傳感器[21]。其輸出信號中，A和B為相位上相差90°的脈沖，電機每轉一圈輸出P個脈沖，其中P為光電編碼器的線數(shù)。Z相為零位脈沖，每一圈只輸出一個脈沖，如圖4所示。

電機控制器使用增量式光電編碼器實現(xiàn)電機轉子位置檢測的方法如下[22]:假設電機在靜止時轉子的初始位置角(電角度)為θ0, 電機的極對數(shù)為N, 則從靜止開始經過時間t后的電機轉子位置φr(機械角)與采集到的脈沖個數(shù)m之間的關系為

(8)

在電機控制中，為進行d-q軸坐標變換，常用電角度θr表示電機轉子位置，則式(8)可寫為

(9)

(10)

在單轉子電機中，可以把轉子位置的零點和Z相的零點理解為在定子上的同一點。由于光電編碼器安裝時碼盤Z點不一定能對準轉子位置計算點，即會產生一個角度差Δφr。在實際使用時，會用補償角φb對這個角度差進行補償，φb=Δφr。目前，市面上很多電機控制器都能夠對電機進行Z相補償角的自整定。電機轉子的初始位置θ0包含有初始位置距Z相零點的角度φZ0和補償角φb。從而，φr也可以表示為

(11)

在電機控制器上電后、電機運行前，電機控制器會采用某些方法來檢測轉子的初始位置，例如在電機上電時, 給電機一個初始狀態(tài), 也就是強制給電機三相繞組輸入電流, 使電機在這個定子磁場作用之下將轉子移到指定位置[22]。電機轉子的初始定位在本文中非關鍵點，限于篇幅不作介紹。

φr=φZ+φb=φZ+Δφr

(12)

θr=θz+NΔφr

(13)

轉子的位置角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對極旋轉變壓器的旋轉軸而言，其旋轉軸每轉過一周，經歷N次0～2π電角度變化，其機械轉角變化量Δφ與電氣轉角變化量Δθ有如式(14)的關系：

(14)

將解碼所得的電角度轉換為機械轉角，須先定義機械轉角的零點。對于N對極旋轉變壓器而言，每轉過一圈，輸出N次“0”。這里可以將“0”理解為對應圖5中有N個“Z相零點”，也可以理解為圖5的轉子上有N個“Z相當前點”。本文中更傾向于后者，因為對于轉子為永磁體的N對極同步電機，其轉子各極從控制的角度上來說完全相同。也就是說，對于N對極轉子，其“轉子當前位置”也可以有N個。

因此，可將加電后轉子上經過“定子Z相零點”的第一個“Z相當前點”作為機械角度的起算點，即以第一次輸出的“0”作為機械角度的零點。于是，機械轉角φz與電氣轉角θz的關系為

(15)

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

即

(16)

式中i的取值只與機械零位有關，與轉動時間無關。

將式(15)和式(16)代入式(12)，得

(17)

此時，轉子位置角θr為

θr=θz+N·Δφr+(k0+i)·2π

(18)

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

因永磁體轉子各極相同，所以電機控制器對電機的Z相補償角進行自整定時，總能優(yōu)先找到式(16)中N個偏差角中最小的Δφr作為Z相補償角φb。因此，測得Z相補償角后，機械零點的選取不影響d-q坐標變換，也就不影響電機的矢量控制。

對于本文中所針對的對轉雙轉子電機，實質是將圖5中定子的約束解除，即圖5中的轉子成為對轉雙轉子電機的內轉子，而圖5中的定子成為外轉子。因此，對轉雙轉子電機各轉子位置關系圖見圖7。

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

φ=φZ內+Δφr內+φs

(19)

由圖7可見：在機殼上，內外轉子的Z相零點之間的夾角φ1為固定值；在外轉子上，轉子相對位置零點和外轉子Z相當前位置之間的夾角φ2也是固定值。它們之間的關系為

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+φZ外+Δφr內+Δφ12

(22)

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

(23)

(24)

相應地，有

(25)

(26)

將式(23)～式(26)代入式(22)，得

(27)

式中i+j的取值只與機械零位有關，與轉動時間無關。

θ= θz內+θz外+N·(Δφr+Δφ12)+

(k內+k外+i+j)·2π

(28)

電機控制器對雙轉子電機進行Z相補償角自整定時，也能優(yōu)先找到最小的補償角φb，并且φb為一定值：

φb=Δφr+Δφ12

(29)

對于補償角φb為定值，不管k內和k外的機械零點各取自何點，將式(28)代入式(10)，坐標轉換結果都不變。

若令θ內外=θ內+θ外，k內外=k內+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內外即為轉動過程中需要不斷合成的內、外轉子相對角度(機械角)。

若進一步令θ內外=(θ內+θ外)%360，其中%表示取余運算，則各安裝有N對極旋轉變壓器的內、外轉子相對轉過一周，θ內外也會經過N次“0”，即k內外=0～N-1。因此，可以以某一個θ內+θ外=0值作為相對機械角度的零點，則有

(32)

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

1.4 脈沖信號模擬方法

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

單片機從旋變解碼模塊采集到的旋變電角度為12位的二進制自然碼格式，也就是說111111111111(即十進制數(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，則輸出一個完整脈沖。由于A相與B相存在90°相位差，因此，將一個完整的脈沖周期如圖8所示分成4個階段來輸出(“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的組合值及其對應的A和B相的輸出組合。從而，可以實現(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軸的轉向，因它能根據角度變化的趨勢自動輸出A相在前還是B相在前。

表1 最低位及J對應的AB相組合

2 雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)的設計

2.1 硬件設計

硬件部分前端采用兩個AD2S1200作為RDC解碼芯片，后端采用STM32F103RBT6作為主控芯片。硬件總體結構如圖9所示。

考慮到后端設備不同的需求，STM32模塊可通過不同的輸出接口輸出相對角度。圖10為單端轉差分電路及其接口的示意圖，它能將單片機輸出信號轉換為RS422電平的差分脈沖信號，可以滿足要求輸入線驅動型脈沖信號的設備。

2.2 程序設計

程序開始時對單片機各個外設進行相關配置。配置完成之后，MCU不斷地從兩個RDC芯片中獲取解碼所得的數(shù)據，然后進行相對角度的合成。圖11為后端設備要求輸入增量式光電編碼器脈沖信號時的程序流程圖。

3 試驗測試

3.1 系統(tǒng)調試

轉子位置檢測系統(tǒng)調試時，在測試臺架上拖動雙轉子電機或者由變頻器在速度模式下控制雙轉子電機轉動，使兩個旋轉變壓器產生正余弦信號。測量轉子位置檢測系統(tǒng)的輸出信號，計算對應速度和位置，與電機輸入的理論值相比較，由此來對轉子位置檢測系統(tǒng)進行調試，測試臺架如圖12所示。

在此雙旋變解碼與合成板的激勵信號的激磁下，旋轉變壓器輸出了較為理想的正余弦波形,如圖13所示。兩個解碼芯片根據采集到的兩個旋變的正余弦信號進行轉子位置解算，主控單片機實時地采集兩個解碼芯片解碼所得的數(shù)據進行合成，并模擬光電編碼器的脈沖輸出，其輸出的A，B和Z三相脈沖信號如圖14所示。

利用示波器的觸發(fā)功能，能夠檢測脈沖信號的頻率，進而可以換算得到轉子的轉速。與電機運行轉速相對比，可初步判斷解碼系統(tǒng)的準確性。

通過多組數(shù)據采集和換算可做如表2所示的對比。測試所設定的模擬光電編碼器線數(shù)為384(每極128線)。由表2可見，模擬轉換的脈沖信號換算轉速與電機給定轉速仍有一定誤差，其中由Z相觸發(fā)頻率換算的轉速與電機給定轉速相差較小。電機每相對轉過一周才輸出一個Z相脈沖，因此，Z相脈沖換算的轉速更接近與電機實際運行轉速。在位置檢測應用中，Z相通常被用作角度計數(shù)清零。因此實際應用轉子位置檢測系統(tǒng)時，轉換誤差不會持續(xù)積累。

表2 運行轉速與換算轉速對照表

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

3.2 整車應用

目前，雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)已安裝在帶對轉雙轉子電機的混合動力汽車上，其驅動系統(tǒng)的構型圖如圖15所示，圖中的雙轉子電機中的兩個虛框為旋轉變壓器，實物安裝圖如圖16所示。

所使用的電機變頻器的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)設置為384線，即電機轉速為6 000r/min時，轉子位置檢測系統(tǒng)輸出A(B)相脈沖頻率達38.4kHz。裝車時，各信號線采用雙絞屏蔽線，走線盡量不靠近高壓線，并將屏蔽層連接至車身進行搭鐵，以減小干擾。

在裝車試驗過程中，PC端通過安川變頻器監(jiān)控軟件DriveWizard Plus實時監(jiān)控變頻器采集的電機運行狀態(tài)數(shù)據，如圖17所示。通過試驗測試，雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)已成功地使對轉雙轉子混合動力汽車在路面上平穩(wěn)行駛。

4 結論

針對安裝有兩個旋轉變壓器的對轉雙轉子電機具有兩路轉角、轉速數(shù)據，而控制雙轉子電機的變頻器只能接收一路轉角或轉速信號的狀況，開發(fā)了雙轉子電機轉子位置檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以獲取兩個旋轉變壓器的角度位置數(shù)據，并將其合成為相對角度和相對轉速，輸出給電機控制器，其輸出接口能兼容多種設備。

本文中首次提出了將兩個多對極旋轉變壓器的信號進行解碼并合成為相對機械角度，為多對極旋變信號的解碼、多極電角度轉換為機械角度以及角度數(shù)據合成為光電編碼器脈沖信號提供了理論和實際應用基礎。通過試驗測試，本系統(tǒng)能夠以較高精度為電機控制器提供多軸系統(tǒng)的相對角度數(shù)據。

本設計已成功用于安裝有雙轉子電機的混合動力汽車，還可應用于機床、航空航天和機器人等領域。

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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計劃項目(2012AA110702)、華南理工大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費(2015ZP012)和廣東省科技攻關項目(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。