趙乾麟，柳 文

(浙江乾麟縫制設(shè)備有限公司，麗水323000)

0 引 言

嚙合式電動機是一種新型直驅(qū)電動機，其運行原理在文獻［1 -4］中都有論述。跟無刷電動機一樣，嚙合式電動機需要控制裝置才能運轉(zhuǎn)，近年來許多研究人員設(shè)計了不同的控制系統(tǒng)。文獻［5 -8］設(shè)計了基于DSP 芯片的控制器，文獻［9］設(shè)計了基于32 位ARM 芯片的控制系統(tǒng)，它們的共同特點是采用了32 位主控芯片和增量式光電編碼器，32 位主控芯片成本昂貴，不利于推廣應(yīng)用;增量式光電編碼器作為轉(zhuǎn)子位置反饋，分辨率高，但成本高且難以判斷轉(zhuǎn)子的絕對位置。文獻［5 -9］也都沒給出具體的角度位置控制方法，文獻［10］設(shè)計了測量轉(zhuǎn)子絕對位置的傳感器，省去了光電編碼器，不足之處是光耦數(shù)多，4 相電機用了4 個光耦;文獻沒給出光耦信號之間的角度測量細(xì)分方法，因而不能實現(xiàn)變開關(guān)角控制，所用的FPGA 主控芯片價格也不低。文獻［11］設(shè)計了成本低廉的控制器，但它采用開環(huán)位置控制，沒有轉(zhuǎn)子位置反饋，效率低、速度低、噪聲大，因此，這類電機的控制系統(tǒng)值得進一步研究。

針對上述研究現(xiàn)狀，本文重新設(shè)計了6 相嚙合式電動機控制系統(tǒng)，并從以下幾點作了改進:設(shè)計了少光耦的位置傳感器，用3 個光耦實現(xiàn)了6 相電機的位置檢測;用軟件法實現(xiàn)了觸發(fā)信號之間的角度細(xì)分，省去了增量式光電編碼器;用8 位單片機代替了32 位芯片實現(xiàn)了固定開關(guān)角和變開關(guān)角的控制。總之，用低成本器件實現(xiàn)了良好的控制效果。

1 嚙合式電動機的基本特點

6 相嚙合式電動機的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。定子與轉(zhuǎn)子同時是一對相嚙合的齒輪減速器，定子為太陽輪，轉(zhuǎn)子為行星輪，轉(zhuǎn)子繞定子中心作公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的復(fù)合運動。定子齒輪在適當(dāng)位置斷開，形成磁極，繞上線圈，在控制器作用下各相依次通電吸引轉(zhuǎn)子邊嚙合邊旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)可以由機構(gòu)分離輸出［2］，其公轉(zhuǎn)為減速前的高速運動，自轉(zhuǎn)為減速后的低速大力矩運動，因此這類電機可有兩種輸出動力，圖1 中的輸出軸為低速輸出端。與4 相電機相比，本文的6 相電機更平穩(wěn)，負(fù)載能力更強。嚙合式電動機的控制跟無刷電動機類似，也需根據(jù)轉(zhuǎn)子位置投勵，這就需要解決轉(zhuǎn)子位置檢測問題。

圖1 6 相嚙合式電動機的基本結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)子位置檢測方法

2.1 轉(zhuǎn)子位置傳感器的設(shè)計

轉(zhuǎn)子位置檢測可采用磁敏元件或光敏元件，本文采用開式光耦配合遮光板來實現(xiàn)。由于6 相電機的相數(shù)偏多，若每相用一個光耦，則成本高且接線復(fù)雜，這里用3 個光耦來檢測轉(zhuǎn)子相對于6 相繞組的位置，原理如圖2 所示。其中3 個光耦位置分別對準(zhǔn)A、C、E 三相繞組中心線;遮光板開一個60°缺口，并以如圖2 所示的位置為零位。

圖2 光耦與遮光板的安裝位置關(guān)系

將圖中的光耦和遮光板集成在一起，做成一個位置傳感器，通過適當(dāng)?shù)姆绞脚c電機本體連接。

2.2 光耦信號處理

光耦信號需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚聿拍苁褂?，處理電路如圖3 所示。

圖3 光耦信號處理電路

圖3 中，當(dāng)光線被遮住時，3 腳輸出高電平;當(dāng)光線通過時，3 腳輸出低電平。3 腳的信號經(jīng)施密特觸發(fā)整形電路整理為邊沿很陡的方波，然后經(jīng)過取反運算，改變?yōu)楣饩€被遮住時輸出低電平、開口經(jīng)過光耦時輸出高電平，由此可得三個光耦的輸出信號與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系，如圖4 所示。

由圖4，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°，會觸發(fā)一個信號跳變沿，一周內(nèi)共產(chǎn)生6 個跳變沿，這就可用3 個光耦信號驅(qū)動6 相繞組，完成位置檢測功能。同時把三路信號經(jīng)“或”運算，合成連續(xù)的方波，如圖4 中的“合成信號”，該信號可用于電機轉(zhuǎn)速測量和角度細(xì)分。

圖4 光耦輸出信號

2.3 位置傳感器與電機本體的連接

嚙合式電動機的轉(zhuǎn)子做公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)兩種運動，由電機的左右兩個半軸分離輸出。位置傳感器必須連接到公轉(zhuǎn)輸出端，并保證遮光板與轉(zhuǎn)子的位置關(guān)系。具體方法是:先把傳感器支架與電機本體連接，然后給F 相通電，把轉(zhuǎn)子吸到F 相中心線位置;順時針轉(zhuǎn)動傳感器軸，使得光耦1 的輸出信號剛好為上升沿觸發(fā)態(tài)，此時遮光板正位于零位，用聯(lián)軸器把傳感器與電機的公轉(zhuǎn)軸緊固在一起即可。安裝方式如圖5 所示。

圖5 位置傳感器與電機本體的連接

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。主控芯片采用ATMEGA64，它是一種8 位單片機，成本遠(yuǎn)低于32位高端芯片。三路光耦信號連接到外部中斷引腳INT0 ～INT2，通過外部中斷實現(xiàn)快速換相。三路光耦經(jīng)“或”運算的合成信號連接到定時器T1 的捕捉引腳IC1，用于轉(zhuǎn)速測量。電位器給出的電壓信號經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換用于轉(zhuǎn)速設(shè)定，電機的電流和電壓檢測信號經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換，用于過流和過壓保護。6 相繞組的開關(guān)信號由IO 端口PA1 ～PA6 輸出，PWM調(diào)速信號由定時器T3 的比較輸出引腳OC3A 輸出，它們經(jīng)過合成用來驅(qū)動功率器件，控制電機運轉(zhuǎn)。

圖6 電機主控制器硬件結(jié)構(gòu)

3.2 功率驅(qū)動電路

6 相功率驅(qū)動電路相互獨立，結(jié)構(gòu)基本一致，以A 相為例，其驅(qū)動原理如圖7 所示。

圖7 功率驅(qū)動電路

A 相開關(guān)信號PA1 與PWM 信號經(jīng)與門合成后接到上橋驅(qū)動端，實現(xiàn)上橋開關(guān)和斬波;A 相開關(guān)信號直接接到下橋驅(qū)動端，控制下橋通斷。經(jīng)過IR2106 完成電平轉(zhuǎn)換后，分別接到上下橋功率器件的柵極，最終控制繞組電流。

繞組驅(qū)動采用不對稱半橋電路。當(dāng)上下橋同時導(dǎo)通，A 相勵磁;當(dāng)PWM 斬波信號到來，上橋關(guān)斷下橋?qū)〞r，A 相處于非能量回饋續(xù)流狀態(tài)，把儲存的磁場能轉(zhuǎn)化為機械能，這可以提高功率因數(shù);當(dāng)上下橋同時關(guān)斷，A 相處于能量回饋續(xù)流狀態(tài)，通過二極管D5、D6 向電源回饋能量，使續(xù)流電流迅速衰減為零，以盡量減小負(fù)扭矩。改變PWM 波占空比，可實現(xiàn)電機調(diào)速。這種方式比上下橋同時進行PWM 斬波有更高的效率。

3.3 固定開關(guān)角換相邏輯的實現(xiàn)

圖8 順時針公轉(zhuǎn)時固定開關(guān)角換相法則

電機6 相繞組的電感隨轉(zhuǎn)子位置變化而改變，各相電感與轉(zhuǎn)子位置角的變化關(guān)系如圖8 所示。在每相繞組的電感上升區(qū)通電會獲得正扭矩，在電感下降區(qū)則產(chǎn)生負(fù)扭矩，因此要在電感上升區(qū)通電，電感下降區(qū)斷電。照此原理，圖8 給出了轉(zhuǎn)子順時針公轉(zhuǎn)時的換相時刻及開關(guān)順序。圖中換相時刻正好對應(yīng)著一個光耦信號的升降沿，此時單片機會觸發(fā)一次外部中斷，當(dāng)中斷到來時判斷當(dāng)前引腳的電平就可獲知轉(zhuǎn)子具體位置，決定換相邏輯。例如，若INT0 中斷觸發(fā)，則在子程序中判斷INT0 引腳電平，若為高電平，說明此時轉(zhuǎn)子位于0°位置，需開通A相關(guān)閉F 相;若為低電平，說明轉(zhuǎn)子位于60°位置，則開通B 相關(guān)閉A 相;以此類推。

以上是順時針公轉(zhuǎn)的方法，逆時針公轉(zhuǎn)時按相反順序換相即可。這就是固定開關(guān)角的換相邏輯。

3.4 轉(zhuǎn)速的測量與角度細(xì)分

三路光耦相“與”合成信號如圖4 所示。其中每個升降沿對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°機械角，利用定時器T1 的捕捉功能，可測出相鄰兩升降沿的時間差ΔT1。將ΔT1的時間單位轉(zhuǎn)化為秒，注意到轉(zhuǎn)子公轉(zhuǎn)一周會觸發(fā)6 個升降沿，可得出電機轉(zhuǎn)速n:

這樣測出的轉(zhuǎn)速為公轉(zhuǎn)速度，除以減速比可以得到電機自轉(zhuǎn)輸出端的轉(zhuǎn)速。既然已測得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°機械角的時間ΔT1，若再用定時器測出任意時間間隔Δt，就可得Δt 內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機械角:

這樣就能用定時器測出任意時刻轉(zhuǎn)子的位置角，實現(xiàn)了相鄰兩升降沿之間的角度細(xì)分。

3.5 變開關(guān)角的換相方法

固定開關(guān)角換相方法用于電機起動階段是可以的，但在電機正常運轉(zhuǎn)之后對扭矩輸出有所不利。這是因為:1)該方法在電感上升階段才開通，此時電感逐漸增大，相電流增長會越來越困難，特別在高速運轉(zhuǎn)時電流嚴(yán)重受限，輸出扭矩會減小很多;2)在電感最高位置處才關(guān)斷，繞組續(xù)流時轉(zhuǎn)子已進入電感下降區(qū)，會產(chǎn)生阻力扭矩，降低電機效率。所以應(yīng)把繞組開關(guān)角適當(dāng)提前，并合理調(diào)節(jié)，可顯著高電機的轉(zhuǎn)速和效率。這就是變開關(guān)角控制。

上節(jié)已解決了角度細(xì)分測量問題，這使變開關(guān)角控制成為可能。具體方法是在外部中斷到來時啟動兩個定時器，分別測量開通角和關(guān)斷角，當(dāng)所測角度達(dá)到預(yù)期位置時就對某相開通或關(guān)斷。圖9 舉例說明了具體的變開關(guān)角控制方法。

如圖9 所示，當(dāng)在0°角外部中斷觸發(fā)時，立即啟動T0 和T2 進行角度測量。合理設(shè)置定時器的初值和預(yù)分頻，可使得當(dāng)測量角到達(dá)換相位置時，T0和T2 正好觸發(fā)溢出中斷，此時可在T0 中斷子程序中開通B 相，在T2 中斷子程序中關(guān)斷A 相。若在60°角觸發(fā)外部中斷，則在T0 和T2 溢出中斷時開通C 相和關(guān)斷B 相，以此類推。所有相的開通都在T0中斷時完成，所有相的關(guān)斷都在T2 中斷中完成，這樣就用2 個定時器實現(xiàn)了變開關(guān)角控制。

圖9 變開關(guān)角換相方法

4 試驗測試

本文自行搭建了嚙合式電動機測試裝置。它主要由嚙合式電動機、扭矩傳感器、磁粉制動器等部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理如圖10 所示。磁粉制動器可調(diào)節(jié)輸出扭矩，扭矩傳感器的測量值經(jīng)過采集卡上傳到PC 機;電機的轉(zhuǎn)速、電流、電壓信號由本文設(shè)計的電機控制器測量，通過串口上傳PC 機，經(jīng)過數(shù)據(jù)匯總畫出曲線。

圖10 電機測試裝置結(jié)構(gòu)

電源電壓采用直流36 V，保持自轉(zhuǎn)輸出端的輸出扭矩4 N·m 不變，通過增加占空比和改變開關(guān)角，不斷提高電機轉(zhuǎn)速，測得電機公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速可達(dá)8 000 r/min 以上，此時開關(guān)角:比固定開關(guān)角提前8.5°開通，提前5°關(guān)斷。通過數(shù)據(jù)匯總，畫出恒扭矩條件下公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與電機效率曲線如圖11 所示?？梢?，變開關(guān)角控制方法使電機效率明顯提高，恒扭矩運行最高效率達(dá)82%以上，平均效率也在70%左右。而普通控制器在相同條件下公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速還不到4 000 r/min，最高效率也小于60%，本文控制系統(tǒng)顯著提高了控制品質(zhì)。

圖11 恒扭矩條件下所測系統(tǒng)效率曲線

圖11 中的轉(zhuǎn)速為公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，該嚙合式電動機的減速比為1∶ 28，除以減速比可得到自轉(zhuǎn)輸出端的轉(zhuǎn)速。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了6 相嚙合式電動機經(jīng)濟型位置反饋控制系統(tǒng)，用8 位單片機取代了昂貴的32 位主控芯片;用3 個光耦實現(xiàn)了6 相電機的位置檢測;用軟件方法實現(xiàn)了角度細(xì)分測量，省去了增量式光電編碼器。該系統(tǒng)最終實現(xiàn)了6 相電機的固定開關(guān)角和變開關(guān)角控制。試驗表明該系統(tǒng)顯著提高了嚙合式電動機的運行品質(zhì)，恒扭矩條件下電機的最大公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提高到8 000 r/min 以上，平均效率提高到70%以上。

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