CN102291070A - 双凸极电机无位置传感器控制的起动方法 - Google Patents

双凸极电机无位置传感器控制的起动方法 Download PDF

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杜军
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Abstract

本发明提供一种双凸极电机无位置传感器控制的起动方法,其特征在于，该方法包括如下步骤：通过逆变器分别给每种定子绕组组合方式施加一个相同时间、相等幅值的脉冲电压，在每个电压结束时检测对应的电流值，相应产生的电流值是每种组合方式等效电感的函数，电感与转子位置之间存在对应关系，比较电流值可以间接得到转子初始位置；根据转向导通逆变器相应开关，使对应的定子绕组电流产生的定子磁势超前初始位置一个确定的角度范围，保证定子绕组电流产生的合成磁势与永磁磁场相互作用得到最大平均电磁转矩，使电机朝给定转向旋转。本发明不需要位置传感器，也无需提前获得电机参数，且电机参数变化并不影响该方法实现。

Description

双凸极电机无位置传感器控制的起动方法
技术领域
本发明是一种不使用位置传感器实现双凸极永磁电机从静止状态自起动的控制技术，属于电机驱动与控制技术领域。
背景技术
双凸极永磁（doubly-salient permanent magnet，以下简称DSPM）电机是20世纪90年代出现的一种新型交流调速电机，是交流电机调速与传动领域近年来继开关磁阻电机之后又一新的研究方向，其独特的结构和优良的电气性能已得到越来越多的关注和研究。DSPM电机在常规运行时需要采用位置传感器来检测转子位置，以控制逆变器中功率管的换流，从而实现电机的换相。这样，不仅硬件电路十分复杂，而且由于霍尔传感器的安装比较困难，随之增加了许多问题，甚至损坏器件。所以，无位置技术用于DSPM电机，可以实现可靠、低成本控制。
电机如何起动是无位置控制技术领域的一个普遍性难题。无位置传感器控制方法，大都基于反电势过零检测法或磁链估计法。但在电机静止和转速很低时，反电势或磁链太小，无法准确检测到转子位置。所以在电机静止或低速时需要有一段特殊的无位置控制起动过程。
传统的无位置起动方法如三段式起动等，转子定位时电机转子在起动时容易振荡，加速时控制复杂。
发明内容
技术问题：本发明针对双凸极永磁电机无位置传感器起动问题，提出了一种双凸极永磁电机无位置传感器控制的起动方法实现无位置传感器转子初始位置检测，并使电机起动，转速逐渐上升，当转速升高到可以检测到电机反电势时，再转换到反电势过零检测法进行无位置控制运行。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种双凸极电机无位置传感器控制的起动方法，该方法包括如下步骤：
通过逆变器分别给每种定子绕组组合方式施加一个相同时间、相等幅值的脉冲电压，在每个电压结束时检测对应的电流值，相应产生的电流值是每种组合方式等效电感的函数，电感与转子位置之间存在对应关系，比较电流值可以间接得到转子初始位置；
根据转向导通逆变器相应开关，使对应的定子绕组电流产生的定子磁势矢量方向超前初始位置一个确定的角度范围，保证定子绕组电流产生的合成磁势与永磁磁场相互作用得到最大平均电磁转矩，使电机朝给定转向旋转；
该定子磁势矢量通电一段预定时间后，再用转子初始位置检测的方法检测转子位置，判断转子所在的新的位置，之后，再施加相应的定子磁势矢量，再检测，再驱动，循环进行，电机处于转子位置闭环运行状态，电机平稳起动。
优选的，依据定子绕组自感随转子位置变化的规律，分别给定子绕组上外加时间宽度相同、幅值相同的脉冲电压，测量脉冲结束时的电流，依据电感越小，时间常数越小，电流上升越快，脉冲结速时的电流值就越大的规律，通过比较电流的相对大小来判断转子位置。
优选的，定子绕组电流是从逆变器直流侧检测，只需一个电流传感器。
优选的，给每种定子绕组组合方式施加脉冲电压，使对应的定子绕组电流产生的定子磁势超前初始位置一个确定的角度范围，保证定子绕组电流产生的合成磁势与永磁磁场相互作用得到最大平均电磁转矩，使电机朝给定转向旋转。
优选的，所述对应的定子绕组电流产生的定子磁势超前初始位置一个确定的角度范围，其中角度范围根据不同的逆变器开关器件的导通规律，具有不同的角度范围。
有益效果：
1．该方法仅采用一个电流传感器接入逆变器直流侧输入端，不需要位置传感器，也无需提前获得电机参数，且电机参数变化并不影响该方法实现。与有位置传感器控制相比较，节约了控制系统硬件成本。
2．判断转子位置的精确度高，所提出的方法检测转子位置可以精确到30度。
3．转子定位时能保证电机转子在起动时不产生振荡，加速时控制简单，易于实现。
4. 解决了电机静止和低速时，无位置控制方法实现的难题。
附图说明
图1是三相DSPM电机定子绕组每相自感值随转子位置变化图。
图2是三相DSPM电机定子绕组分别AB、BC、AC两相串联时的等效自感随转子位置变化图。
图3是电机与逆变器联接示意图。
其中iin-输入电流，iin（t）－逆变器直流侧输入电流，R－每相定子绕组电阻，T1－第一逆变器开关，T2－第二逆变器开关，T3－第三逆变器开关，T4－第四逆变器开关，T5－第五逆变器开关，T6－第六逆变器开关，Laa- A相定子绕组自感 ，Lbb-B相定子绕组自感，LCC-C相定子绕组自感，A-A相定子绕组与逆变器相联结的节点,B-B相定子绕组与逆变器相联结的节点,C-C相定子绕组与逆变器相联结的节点,VDC-逆变器直流输入电源。
图4是AB两相定子绕组串联时等效电路。
图5是定子绕组各组合方式产生的磁势图。
其中F1－对应第二逆变器开关T2,第三逆变器开关T3导通的定子绕组电流产生的合成磁势矢量, 
F2－对应第三逆变器开关T3,第六逆变器开关T6导通的定子绕组电流产生的合成磁势矢量,
F3－对应第一逆变器开关T1,第六逆变器开关T6导通的定子绕组电流产生的合成磁势矢量，
F4－对应第一逆变器开关T1,第四逆变器开关T4导通的定子绕组电流产生的合成磁势矢量,
F5－第四对应逆变器开关T4,第五逆变器开关T5导通的定子绕组电流产生的合成磁势矢量,
F6－对应第二逆变器开关T2,第五逆变器开关T5导通的定子绕组电流产生的合成磁势矢量。
图6是本发明所提出的双凸极电机无位置传感器控制起动方法控制框图。
具体实施方式   
本发明提供的双凸极电机无位置传感器控制的起动方法，该方法包括如下步骤：
通过逆变器分别给每种定子绕组组合方式施加一个相同时间、相等幅值的脉冲电压，在每个电压结束时检测对应的电流值，相应产生的电流值是每种组合方式等效电感的函数，电感与转子位置之间存在对应关系，比较电流值可以间接得到转子初始位置；
根据转向导通逆变器相应开关，使对应的定子绕组电流产生的定子磁势矢量方向超前初始位置一个确定的角度范围，保证定子绕组电流产生的合成磁势与永磁磁场相互作用得到最大平均电磁转矩，使电机朝给定转向旋转；
该定子磁势矢量通电一段预定时间后，再用转子初始位置检测的方法检测转子位置，判断转子所在的新的位置，之后，再施加相应的定子磁势矢量，再检测，再驱动，循环进行，电机处于转子位置闭环运行状态，电机平稳起动。
依据定子绕组自感随转子位置变化的规律，分别给定子绕组上外加时间宽度相同、幅值相同的脉冲电压，测量脉冲结束时的电流，依据电感越小，时间常数越小，电流上升越快，脉冲结速时的电流值就越大的规律，通过比较电流的相对大小来判断转子位置。
定子绕组电流是从逆变器直流侧检测，只需一个电流传感器。
根据所检测到的转子位置以及转向要求，确定逆变器开关器件的导通规律，给双凸极电机施加驱动电压，使对应的定子绕组电流产生的定子磁势超前初始位置一个确定的角度范围，保证定子绕组电流产生的合成磁势与永磁磁场相互作用得到最大平均电磁转矩，使电机朝给定转向旋转。
所述对应的定子绕组电流产生的定子磁势超前初始位置一个确定的角度范围，其中角度范围根据不同的逆变器开关器件的导通规律，具有不同的角度范围。
通地对双凸极电机检测、驱动、再检测、再驱动，步骤循环进行，使电机平稳起动，直到电机转速升高到可以根据反电动势准确估计转子位置时，再切换到反电势过零法无位置传感器控制运行。
参见图1－6，本发明所提出的双凸极永磁电机无位置传感器自起动方法，主要技术方案是利用电机定子绕组自感随转子位置变化而变化的特性，施加高频脉冲电压给电机定子绕组，再检测相应的电流值，由于电流是电感的函数，从而判断转子位置，对三相双凸极电机其判断精度达到30度。之后，导通相应的逆变器开关，使对应的定子绕组电流产生的定子磁势超前初始位置                                                
Figure 102141DEST_PATH_IMAGE001
（对三相电机），驱动电机朝给定转向旋转。驱动一段预定时间后，再检测转子位置，再驱动，再检测……，电机起动，转速逐渐上升。当转速升高到可以检测到电机反电势时，再转换到反电势过零检测法进行无位置控制运行。
本发明是不使用位置传感器实现双凸极电机从静止状态自起动的控制技术，利用电机每相绕组电感随转子位置变化的特性，实现无位置传感器转子初始位置检测，并使电机起动，转速逐渐上升，当转速升高到可以检测到电机反电势时，再转换到反电势过零法无位置控制运行。转子初始位置检测的基本原理是：逆变器控制星形联接的电机定子三相绕组分别两两串联，得到AB、BC、AC三种组合方式，在逆变器直流侧分别给每种组合方式施加一个相同时间、相等幅值的脉冲电压，在每个电压结束时检测对应的电流值（从逆变器直流输入侧检测），相应产生的电流是每种组合方式等效电感的函数，而电感与转子位置之间存在对应关系，比较三个电流值可以间接得到转子初始位置，位置可以精确到30°范围。随后，根据转向，导通逆变器相应开关，使对应的定子绕组电流产生的定子磁势超前初始位置
Figure 530717DEST_PATH_IMAGE001
，使电机朝给定转向旋转。该矢量通电一段时间后，再用转子初始位置检测的方法检测转子位置，判断转子所在的新的位置，之后，再施加相应的定子磁势，再检测，再驱动……步骤循环进行，电机处于转子位置闭环运行状态，电机平稳起动。直到电机转速升高到可以根据反电势准确估计转子位置时，再切换到反电势过零法无位置传感器控制运行。
该方法仅采用一个电流传感器接入逆变器直流输入端，不需要位置传感器，也不用知道电机参数。与有位置传感器控制相比较，节约了成本。所提出的方法检测转子位子可以精确到30度。
以一台三相双凸极永磁电机为例说明实施方式。双凸极永磁电机具有电机定子绕组自感随转子位置变化而变化的特性，图1为三相DSPM电机定子绕组每相自感值随转子位置变化图，图2为该DSPM电机定子绕组分别AB、BC、AC两相串联时的等效自感随转子位置变化图。
首先检测处于静止状态电机的转子初始位置，检测的基本原理是：如图3所示，静止时电机可等效为三相R-L电路，控制逆变器开关使星形联接的电机定子三相绕组分别两两串联，得到AB、BC、AC三种组合方式，在逆变器直流侧分别给每种组合方式施加一个相同时间、相等幅值的脉冲电压，例如AB串联等效电路如图4所示，此时相当于R-L一阶电路直流电压响应，产生的电流为指数函数上升曲线。电流上升速度反应R-L电路时间常数，电感越小，时间常数越小，电流上升越快，。如在每个脉冲电压结束时检测对应的电流值（从逆变器直流输入侧检测），相应产生的电流是每种组合方式等效电感的函数。
电感与转子位置之间存在对应关系，表1为转子位置在360°电角度电周期，按30°范围划分，定子绕组分别AB、BC、AC两相串联时的等效自感特性的相对关系。所以比较三个电流值可以间接得到转子初始位置，位置可以精确到30°范围。
表1
三相双凸极永磁电机定子绕组分别AB、BC、AC两相串联时的等效自感特
性的相对关系
转子区间 转子区间对应角度 最大/最小电感值 其它
Ⅳ
Figure 805840DEST_PATH_IMAGE002
 （Lbb+LCC）最大 （Lbb+LCC）>>(Laa+Lbb)>（Laa+LCC）
Ⅲ （Laa+LCC）最小 （Lbb+LCC）>(Laa+Lbb)>（Laa+LCC）
Ⅲ
Figure 722161DEST_PATH_IMAGE004
 （Laa+LCC）最小 (Laa+Lbb)>（Lbb+LCC）>（Laa+LCC）
Ⅱ
Figure 451083DEST_PATH_IMAGE005
 （Laa+Lbb）最大 (Laa+Lbb)>>（Lbb+LCC）>（Laa+LCC）
Ⅱ
Figure 218313DEST_PATH_IMAGE006
 （Laa+Lbb）最大 (Laa+Lbb)>>（Laa+LCC）>（Lbb+LCC）
Ⅰ
Figure 716290DEST_PATH_IMAGE007
 （Lbb+LCC）最小 (Laa+Lbb)>（Laa+LCC）>（Lbb+LCC）
Ⅰ
Figure 425620DEST_PATH_IMAGE008
 （Lbb+LCC）最小 （Laa+LCC）>(Laa+Lbb)>（Lbb+LCC）
Ⅵ
Figure 376258DEST_PATH_IMAGE009
 （Laa+LCC）最大 （Laa+LCC）>>(Laa+Lbb)>（Lbb+LCC）
Ⅵ
Figure 258764DEST_PATH_IMAGE010
 （Laa+LCC）最大 (Laa+Lcc)>>（Lbb+LCC）>（Laa+Lbb）
Ⅴ
Figure 798198DEST_PATH_IMAGE011
 （Laa+Lbb）最小 (Laa+Lcc)>（Lbb+LCC）>（Laa+Lbb）
Ⅴ
Figure 740747DEST_PATH_IMAGE012
 （Laa+Lbb）最小 （Lbb+LCC）>(Laa+Lcc)>（Laa+Lbb）
Ⅳ
Figure 178681DEST_PATH_IMAGE013
 （Lbb+LCC）最大 （Lbb+LCC）>>(Laa+Lcc)>（Laa+Lbb）
Figure 536981DEST_PATH_IMAGE014
代表转子位置对应的电角度,  Laa代表A相定子绕组自感 Lbb代表 B相定子绕组自感，LCC代表 C相定子绕组自感，(Laa+Lbb)代表A,B两相定子绕组串联时自感，（Laa+LCC）代表A,C两相定子绕组串联时自感，（Lbb+LCC）代表B,C两相定子绕组串联时自感。
随后，根据转向，导通逆变器相应开关，使对应的定子绕组电流产生的定子磁势超前转子初始位置
Figure 9551DEST_PATH_IMAGE001
，使电机朝给定转向旋转。如图5所示，如检测到转子初始位置在区间Ⅳ，希望电机逆时针旋转，则应导通开关T3T6,此时定子磁势超前转子位置
Figure 808486DEST_PATH_IMAGE001
，同理，如检测到转子初始位置在区间Ⅰ，则应导通开关T4T5。该矢量通电一段时间后，再用转子初始位置检测的方法检测转子位置，判断转子所在的新的位置，之后，再施加相应的定子磁势，再检测，再驱动……步骤循环进行，电机处于转子位置闭环运行状态，电机平稳起动。直到电机转速升高到可以根据反电势准确估计转子位置时，再切换到反电势过零法无位置传感器控制运行。
该方法不仅适用于三相双凸极永磁电机，依据绕组电感随转子位置的变化规律及上述原理，同样适用于4相及多相双凸极永磁电机的无位置传感器控制；既适用于双凸极永磁电机，也适用于双凸极电励磁或双凸极混合励磁电机的控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种双凸极电机无位置传感器控制的起动方法,其特征在于，该方法包括如下步骤：
通过逆变器分别给每种定子绕组组合方式施加一个相同时间、相等幅值的脉冲电压，在每个电压结束时检测对应的电流值，相应产生的电流值是每种组合方式等效电感的函数，电感与转子位置之间存在对应关系，比较电流值可以间接得到转子初始位置；
根据转向导通逆变器相应开关，使对应的定子绕组电流产生的定子磁势矢量方向超前初始位置一个确定的角度范围，保证定子绕组电流产生的合成磁势与永磁磁场相互作用得到最大平均电磁转矩，使电机朝给定转向旋转；
该定子磁势矢量通电一段预定时间后，再用转子初始位置检测的方法检测转子位置，判断转子所在的新的位置，之后，再施加相应的定子磁势矢量，再检测，再驱动，循环进行，电机处于转子位置闭环运行状态，电机平稳起动。
2.根据权利要求1所述的双凸极电机无位置传感器控制的起动方法,其特征在于，所述通过逆变器分别给每种定子绕组组合方式施加一个相同时间、相等幅值的脉冲电压，在每个电压结束时检测对应的电流值，依据电感越小，时间常数越小，电流上升越快，脉冲结速时的电流值就越大的规律，通过比较电流的相对大小来判断转子位置。
3.根据权利要求1所述的双凸极电机无位置传感器控制的起动方法,其特征在于所述的定子绕组电流是从逆变器直流侧检测，只需一个电流传感器。
4.根据权利要求1所述的双凸极电机无位置传感器控制的起动方法,其特征在于，给每种定子绕组组合方式施加脉冲电压，使对应的定子绕组电流产生的定子磁势超前初始位置一个确定的角度范围，保证定子绕组电流产生的合成磁势与永磁磁场相互作用得到最大平均电磁转矩，使电机朝给定转向旋转。
5. 根据权利要求1所述的双凸极电机无位置传感器控制的起动方法,其特征在于，所述对应的定子绕组电流产生的定子磁势超前初始位置一个确定的角度范围，其中角度范围根据不同的逆变器开关器件的导通规律，具有对应的角度范围。
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