用光敏式传感器检测转子位置

光敏式转子位置传感器一般由透射式光电传感器（光电开关）和遮光盘组成。其中，遮光盘有与转子凸极、凹槽数相等的齿、槽，且齿、槽的弧度相等，在圆周均匀分布。遮光盘固定在转子轴上，光电传感器则固定在定子机壳上。

位置检测方案分为全数检测方案和半数检测方案两种。全数检测所用光电传感器的个数为SR电动机的相数m；半数检测方案所用光电传感器的个数为相数的一半，其对奇数相SR电动机不适用。无论采用哪一种检测方案，相邻光电传感器之间的夹角θ_g皆由下式决定：

式中，m为SR电动机的相数；τ_r为转子角周期；θ_step为步距角。

以四相（8/6）SR电动机（m=4，θ_step=15°，τ_r=60°）半数检测方案为例，如图4-1b所示，遮光盘的齿、槽数与转子的凸极、凹槽数一样，均为6，且均布，所占角度均为30°，遮光盘安装在转子轴上并同步旋转，夹角为75°的两只光电传感器S、P固定在定子上。当遮光盘的凸齿转到开槽的S、P位置时，其红外发射管的光被遮住而使其光敏晶体管截止，输出状态为0；而当遮光盘的槽转至S、P位置时，其红外发射管的光没有被遮住，光敏晶体管导通，输出状态为1，则在一个转子角周期（60°）内，S、P产生两个相位差为15°、占空比为50%的方波信号，其组合成四种不同的状态，分别对应四相绕组不同的参考位置。

图4-1 四相（8/6）SR电动机用光敏式转子位置传感器检测转子位置

a）t=0，定转子相对位置 b）t=0，遮光盘与光电传感器S、P相对位置

设转子逆时针方向转动，以图4-1a所示的定、转子相对位置为计时零点，有S=0、P=1；逆时针转过15°，状态变为S=1、P=1；再转过15°，则S=1、P=0；再转过一个步距角，则S=0、P=0；再转过15°，转子已转过一个转子角周期（τ_r=60°），状态复原为起始的S=0、P=1，如此往复循环，如图4-2a所示。可类似分析转子顺时针方向转动的情况，如图4-2b所示。

图4-2 与图4-1对应的四相（8/6）SR电动机转子位置信号及相电感变化（基于线性模型）

a）逆时针转动 b）顺时针转动

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图4-3 三相（6/4）SR电动机用光敏式转子位置传感器检测转子位置

a）t=0，定转子相对位置 b）t=0，遮光盘与光电传感器O、P、Q相对位置

图4-3给出了三相（6/4）SR电动机（m=3，θ_step=30°，τ_r=90°）全数检测方案。设转子逆时针转动，以图4-3a所示的定、转子相对位置为计时零点，可画出随着转子转动，各相电感及光电传感器O、P、Q的输出信号变化波形如图4-4所示。由图4-4可见，在一个转子角周期（90°）内，O、P、Q产生三个相位差为30°、占空比为50%的方波信号，其组合成六种不同的状态（每转过一半步距角，光电传感器O、P、Q的输出组合信号变化一次），分别对应三相绕组六种不同的参考位置。

图4-4 与图4-3对应的三相（6/4）SR电动机转子位置信号及相电感变化（基于线性模型）

一路光敏式位置检测电路如图4-5所示。图中，SL为光电开关（其中，光敏晶体管为NPN型），R₁为光电开关红外发射管的限流电阻，R₂为光敏晶体管的负载电阻，C为高频滤波电容。对得到广泛应用的GK102、GK112、GK122等透射式光电开关而言，其响应时间约为5μs，发射管最大允许正向电流约为50mA，正向压降随正向电流增加有所增加，正向电流10mA对应的正向压降约为1.4V，因此图4-5中的R₁可取值470Ω，以使正向电流接近10mA；R₂亦应合理选择，以保证光电开关输出信号与后级电路能够达到电压、电流适配，一般可在（5.1～15）kΩ范围内选取。电容C的作用是滤除高频干扰信号，取值不宜大，否则将影响检测电路的快速性，一般可在（0.001～0.01）μF范围内选取。

图4-5 光敏式位置检测电路

图4-5所示的检测电路输出的位置信号有一定的上升沿和下降沿，实际应用中，光敏晶体管输出信号可通过门电路整形后输出（见图4-6a）或通过一个迟滞比较器整形后输出（见图4-6b）以消除位置信号的“毛刺”和上升、下降沿。

图4-6 带整形电路的光敏式位置检测电路

a）门电路整形 b）比较器整形