驅動電機旋轉變壓器的工作詳解

◆文/廣東 汪貴行 汪學慧

汪貴行 (本刊編委會委員)

長期在汽車運用與檢測的第一線工作，1984年起被交通部門指派長期在伊拉克、也門等多個阿拉伯國家工作，負責機務技術并兼高級電氣工程師。1995年起在深圳市特發華日豐田汽車公司從事技術工作，2009年退休后到深圳市通達汽車培訓學校工作。2014年3月，在“香港之聲”宣傳電動汽車的應用。2013年，由深圳市科技部門推薦，主要工作業績被選編在“特區人物志”中。

電動車上的驅動電機現多為永磁同步電動機，這其中“位置傳感器”的作用重大，它通常被用于檢測電機轉子旋轉的瞬間準確位置，涉及到驅動電機的供電系統。電動車上只有直流電源，驅動電機使用的卻是三相交流電，中間需要用一個“變頻器”將動力電池的高壓直流電轉變成三相交流電向同步電機供電，以適應車輛驅動的不同需要。

其中變頻器是由車輛驅動系統的ECU控制的，通過對6個IGBT場效應管的門控驅動電路、控制三相交流電的頻率及次序來改變驅動電機的轉速和轉向，所以變頻器的門控電路是變頻器的核心。其中輸入ECU的多種信號中，負責精準檢測驅動電機轉子的旋轉位置的信號十分重要，而在當前的驅動電機中，常采用“磁阻式旋轉變壓器”作為位置傳感器。電動車上的驅動控制電路如圖1所示。

圖1 電動車上的驅動控制電路

一、磁阻式旋轉變壓器的結構與原理

電機轉子位置傳感器常被稱作旋轉變壓器或同步分解器，它是一種電磁式傳感器，汽修行業里的人常常稱它為“旋變”。旋轉變壓器實際上是一種特殊的小型交流電機，可用來精確檢測電機轉子的角位移和角速度。它由定子和轉子組成，其定子由高性能硅鋼片疊成，其上有繞組作為變壓器的原邊接受勵磁電壓，轉子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合在副邊線圈上產生感應電壓。

1.普通變壓器與旋轉變壓器的區別

普通變壓器的原邊和副邊的線圈是相對固定的，中間有鐵芯進行電磁交變，所以輸出與輸入的電壓比是不變值。旋轉變壓器的原邊繞組不動，副邊繞組隨轉子旋轉，當轉子的轉角位置改變時，其副邊繞組輸出電壓的大小會隨轉子角位移而發生變化，若輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦或余弦的函數關系、保持某比例關系或與轉角成線性關系就構成三種不同類型的旋轉變壓器。

2.磁阻式旋轉變壓器的特點

電動車的驅動電機上多使用磁阻式旋轉變壓器，它是旋轉變壓器的一種特殊形式，利用磁阻原理來實現電信號間的轉換。它的特點是原邊與副邊的繞組都放在電機定子的不同槽內，且均固定不旋轉。原邊繞組屬勵磁繞組通入正弦形的激磁電流，而副邊是由兩相線圈產生輸出信號，磁阻式旋轉變壓器示意圖如圖2所示。

圖2 磁阻式旋轉變壓器示意圖

旋變定子和轉子的鐵芯由鐵鎳軟磁合金或沖有槽孔的硅鋼片疊成。轉子不用永磁材料制成，它是由驅動同步電機的永磁轉子同軸帶動旋轉的。轉子在旋轉時通過磁阻原理在副邊的兩相繞組上分別感應出正弦及余弦電壓信號，故稱為正弦繞組和余弦繞組，產生彼此相差90°的電角度信號。

磁阻式旋轉變壓器的轉子采取多極形狀，磁極的外形應符合能感應正弦信號的特殊要求，因此磁場氣隙應近似于正弦波的形狀，如圖3所示。利用氣隙和磁阻的變化使輸出繞組的感應電壓會隨機械轉角作相應正弦或余弦的變化，同時轉子必須滿足多磁極的要求，旋轉變壓器的定子與轉子的磁極數是不相同的，定子磁極數比轉子的多。

圖3 旋變轉子磁極

3.磁阻式旋轉變壓器的三個繞組

磁阻式旋轉變壓器有三個繞組，包括有一個激勵線圈、兩個正交的感應線圈等三組線圈，對外共有6條引線。激勵線圈接受輸入的正弦型激勵電流，激磁頻率通常有400Hz、3 000Hz及5 000Hz等多種。正交的兩個感應線圈，依據旋變的轉子、定子的相互位置關系，調制出具有sin正弦和cos余弦包絡的檢測信號。如果激勵信號是sinωt，轉子與定子間的角度為θ，則正弦信號為sinωt×sinθ，而余弦信號則為sinωt×cosθ。根據sin、cos信號和原始的激勵信號，通過必要的檢測和比較電路即可高分辨率地檢測出轉子位置。

4.磁阻式旋轉變壓器的結構原理

磁阻式旋變的三個線圈如圖4所示，其中轉子齒為4個，定子齒畫出5個。激磁線圈、正弦線圈和余弦線圈均安置在定子槽內，輸入的激磁繞組1-1是逐個磁極反向串接，而正弦線圈2-2及余弦3-3，則是以兩個磁極為間隔，反向串接的輸出繞組。當轉子相對定子旋轉時，定子、轉子間氣隙的磁導發生變化，每轉過一個轉子齒距，氣隙的磁導變化一個周期。當轉子轉過一圈時，則變化出與轉子齒相同的數個周期。氣隙磁導的變化導致輸入和輸出繞組之間互感的變化，輸出繞組感應的電勢也隨之發生變化。輸出繞組按正弦及余弦規律變化來判斷轉子的瞬間位置以及旋轉的方向。

圖4 磁阻式旋變的三個線圈

磁阻式旋轉變壓器結構簡單、占用空間尺寸極小，且勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組均固裝在定子上，圖5所示為正弦繞組與余弦繞組的接線示意圖。它還采取無刷式結構，大大提高了系統的可靠性，其檢測角位移精度極高，甚至可精確到“秒”，此外磁阻式旋轉變壓器的抗干擾能力較好，更適合車輛對電機驅動的多種要求。

圖5 正弦繞組和余弦繞組的接線

二、旋轉變壓器精細檢測電機轉子位置詳解

1.轉子正上方位置時的感應電壓

當勵磁繞組輸入有正弦激磁電流，若轉子位于正上位，轉子還處于相對靜止時，正弦線圈有感應電壓但余弦線圈無感應電壓輸出。圖6所示為三個線圈上的電壓信號波形。

圖6 旋轉轉子正上位時的感應電壓及電壓信號波形

這時由于轉子正對上方位置，與之最近的是定子上的正弦線圈，于是正弦線圈上感應有相位相反的正弦波電壓，而余弦線圈位置與轉子相差最遠，故此時不產生感應電壓。

2.旋變轉子順轉時的感應電壓

由于轉子旋轉離開正上方位置后與正弦繞組的位置逐漸離開，其正弦感應電壓下降，而余弦繞組中產生感應電壓則逐步變大，但相位與正弦繞組的電壓相反，與勵磁繞組的相位相同。轉子順轉時的感應電壓如圖7所示，若旋轉變壓器的轉子繼續旋轉到正對余弦繞組的磁極時，即圖7中旋變轉子順轉45°，此時正弦繞組不產生感應電壓信號，但余弦繞組將產生最大的電壓信號。

圖7 旋變轉子順轉時的感應電壓

3.旋變轉子逆轉時的感應電壓

由于旋轉變壓器的轉子逆轉離開正上方的正弦繞組磁極，反方向會逐步接近余弦繞組的磁極。此時正弦電壓下降，而余弦電壓逐漸增大，相位與勵磁繞組的相反，也與順轉時轉子的余弦電壓相反，故可以借此來檢測轉子旋轉的方向。圖8所示為旋變轉子逆轉時的感應電壓。

4.總結

通過比較旋轉變壓器轉子的順轉與逆轉、輸出的電壓信號波形的幅值大小及相位即可檢測出轉子當前的位置和旋轉方向。同時通過計算信號波形的變化周期，即可準確判斷出旋轉變壓器轉子的轉速。由此經變頻器的門控驅動電路可控制驅動電機轉速的高低，也就可調節車速的快慢。這種用電機調速的方式十分快捷，比傳統汽車變速器改變轉速的方式要簡單方便得多。

由上述分析可見，利用旋轉變壓器能精細檢測出驅動電機轉子的瞬間位置、即時轉速及旋轉方向，而且使驅動電機的結構更緊湊、制作費用成本更低，所以磁阻式旋轉變壓器在電動車的驅動電機中廣泛使用。