CN103236807A - 基于三相六状态起动的电励磁双凸极电机转子位置辨识法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种新颖的用于三相电励磁双凸极电机在六状态起动时的转子初始位置检测技术。由于电励磁双凸极电机的无位置传感器技术在国内外研究甚少，因此本发明针对三相电励磁双凸极电机独有的电枢电感值是转子位置函数的特性，提出了一种基于两两相导通注入低压脉冲矢量进行转子位置预估的方法。该法仅需检测非导通相的端电压，通过比较非导通相端电压在导通阶段和续流阶段响应幅值的大小就能够精确预估转子初始位置。这种方法无需任何外加附加元器件，省去了电枢电流采样互感器，经济实用同时定位精度能达到60°，保证三相电励磁双凸极电机能够六状态起动，以增大其起动力矩。

Description

基于三相六状态起动的电励磁双凸极电机转子位置辨识法

技术领域

本发明公布了一种新颖的用于三相电励磁双凸极电动机在六状态起动时的转子初始位置检测技术，属于电力传动系统控制技术。

背景技术

随着电力电子技术与数字控制技术的发展，以及三相电励磁双凸极电机具有的转子上无绕组，结构简单，控制灵活，功率密度大，可故障灭磁，可实现起动/发电一体化和电枢电感感值是转子位置函数等的特点，使得三相电励磁双凸极电机成为研究的热点。对于一种使用价值很高的电机，实时准确的获取转子位置保证其可靠起动，稳定运行成为其广泛应用的前提。而对于双凸极电机，为保证其准确换相，使用传统的霍尔位置传感器一方面增加了电机的安装难度，另一方面也大大限制了电机的应用场合。目前较常用的转子位置检测技术如直接位置检测法、导通相绕组检测法、非导通相绕组检测、附加电元件检测法、基于智能技术检测法等方法逐渐应用于同步电机、开关磁阻电机等电机以解决位置传感器的弊端。而双凸极电机的无位置检测技术研究处于初始研究阶段，之前学者提出的转子初始位置预定位的方法是将转子初始位置定位到预设的位置扇区，起动时采用升频升压的“三段式”起动技术，这种方法一方面容易导致电机初始位置定位时转子反转，同时也容易导致电机起动失步。

准确预估转子初始位置，是三相电励磁双凸极电机无位置起动运行的前提，因此转子初始位置检测技术的方法研究是必要的。电励磁双凸极电机(Doubly Salient Electro-MagneticMachine，DSEM)由于其相绕组自感随转子位置变化而周期性的有规律变化，因此根据电机的自感特性，采用一定的控制方法，可以精确预估转子初始位置，同时由于本专利提出的方法不采用任何附加元器件，使得检测技术变得更加简单实用。

发明内容

本发明旨在传统无位置传感器控制技术的基础上，结合三相电励磁双凸极电机的特点，提出一种新颖的两两相注入低压脉冲矢量的方法，该法通过检测不导通相端电压在注入脉冲阶段和续流阶段响应电压的幅值，进行转子位置预估以实现三相电励磁双凸极电机的六状态无位置起动技术，提高起动转矩，保证可靠运行。

本发明一种用于三相电励磁双凸极电机的转子初始位置预估的主要特征包括以下步骤：

1、DSEM电感扇区辨识：为预估电机静止时，转子位置所在扇区，可以通过注入低压脉冲矢量产生的不导通相端电压响应幅值进行转子初始位置预估。此DSEM的主功率电路采用三相三桥臂拓扑，为保证电机电动过程产生最大出力，采用两相电枢绕组同时导通六状态的控制方法。即在0°～60°电角度内AC相导通，60°～120°电角度内BC相导通，120°～180°电角度内BA相导通，180°～240°电角度内CA相导通，240°～300°电角度内CB相导通，300°～360°电角度内AB相导通。电机三相六状态起动时，为保证其可靠起动，需要预估转子位置精度为60°电角度。

2、辨识好六状态起动转子位置对应的相导通逻辑后，进行转子120°精度定位：

①导通AC两相，即在AC两相注入低压脉冲矢量阶段有电压方程：

$U_{\mathrm{dc}}=2R\·i_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{on}\right)}+(L_a-M_{\mathrm{ac}})\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}+(L_c-M_{\mathrm{ca}})\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}---\left(2.1\right)$

②当AC两相注入低压脉冲矢量结束，由于电机是感性负载，电枢电流通过AC两相的体二极管续流，则在续流阶段有电压方程：

$-U_{\mathrm{dc}}=2R\·i_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{off}\right)}+(L_a-M_{\mathrm{ac}})\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}}+(L_c-M_{\mathrm{ca}})\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}}---(2.2)$

由于电枢绕组电阻R很小可以忽略不计，且电枢绕组之间的互感远远小于自感，因此方程(2.1)(2.2)可变为：

$U_{\mathrm{dc}}=L_a\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}+L_c\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}---\left(2.3\right)$

${-U}_{\mathrm{dc}}=L_a\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}}+L_c\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}}---(2.4)$

则根据上述推导，可以得出在AC两相注入低压脉冲矢量阶段，非导通B相的端电压为C相电感两端的分压，即C相电感两端的电压为：

$U_{c1}=\frac{\mathrm{Lc}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lc}}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(2.5\right)$

同时在AC两相注入低压脉冲矢量续流阶段，非导通B相的端电压为A相电感两端的分压，即A相电感两端的电压为：

$U_{a1}=\frac{\mathrm{La}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lc}}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(2.6\right)$

将公式(2.5)(2.6)作差，即将导通期间非导通相B相的端电压减去续流阶段非导通相B相的端电压：

$\mathrm{\ΔU}=U_{a}1-U_{c}1=(\frac{\mathrm{La}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lc}}-\frac{\mathrm{Lc}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lc}})\·U_{\mathrm{dc}}---\left(2.7\right)$

可得当ΔU＞0时，La＞Lc，转子位于60°～240°扇区；反之，转子位于0°～60°或240°～360°扇区。

同样的方法导通AB相，判断导通阶段和续流阶段非导通相C相的端电压差：

$\mathrm{\ΔU}=U_{b}1-U_{a}2=(\frac{\mathrm{Lb}}{\mathrm{Lb}+\mathrm{La}}-\frac{\mathrm{La}}{\mathrm{Lb}+\mathrm{La}})\·U_{\mathrm{dc}}---\left(2.8\right)$

可得当ΔU＞0时，Lb＞La，转子位于180°～360°扇区；反之，转子位于0°～180°扇区。

其中Udc是直流母线电压，La、Lb、Lc分别是A、B、C相的自感，Uc1、Ub1分别为AC、AB相注入低压脉冲矢量时C、B相电感两端的电压，Ua1、Ua2分别是AC、AB相注入低压脉冲矢量续流阶段A相电感两端的电压，Mac，Mca分别为AC和CA相的互感，R为电枢绕组电阻，iac(on)、iac(off)分别为AC相在导通和续流阶段的电流，ΔU为电压差值。

因此，结合AC以及AB相两次注入脉冲可以得出：

表1

电枢感值比较	非导通相端电压比较	转子扇区
			Lc＞La且La＞Lb	Uc1＞Ua1且Ua2＞Ub1	0°～60°
La＞Lc且La＞Lb	Ua1＞Uc1且Ua2＞Ub1	60°～180°
			La＞Lc且Lb＞La	Ua1＞Uc1且Ub1＞Ua2	180°～240°
Lc＞La且Lb＞La	Uc1＞Ua1且Ub1＞Ua2	240°～360°

3、辨识好转子120°精度扇区后，为保证三相电励磁双凸极电机六状态起动，需要定位转子所在的60°的扇区范围：

①若根据前面步骤辨识出转子在0°～60°扇区或者180°～240°扇区内，则无需第三次判断。

②若辨识出转子在60°～180°扇区内，则需要根据2中AC、AB两次注入低压脉冲矢量导通阶段非导通相B相、C相端电压Uc1、Ub1来判断Lc、Lb电感的大小则有：

$\mathrm{\ΔU}=U_{c}1-U_{b}1=(\frac{\mathrm{Lc}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lc}}-\frac{\mathrm{Lb}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lb}})\·U_{\mathrm{dc}}=\frac{\mathrm{La}\·(\mathrm{Lc}-\mathrm{Lb})\·U_{\mathrm{dc}}}{(\mathrm{La}+\mathrm{Lc})\·(\mathrm{La}+\mathrm{Lb})}---\left(2.9\right)$

若ΔU＞0，则Lc＞Lb，转子位于60°～120°扇区；反之，转子位于120°～180°扇区。

③若辨识出转子在240°～360°扇区内，同样根据式(2.9)来判断Lc、Lb电感的大小。若ΔU＞0，则Lc＞Lb，转子位于300°～360°扇区；反之，转子位于240°～300°扇区。

这样可以实现三相DSEM的六状态无位置安全升速，提高起动转矩。

本专利利用的三相电励磁双凸极电机特殊的自感特性实现转子位置预估，转子初始位置扇区辨识无需任何外加元器件，经济实用，检测过程只需注入两次低压脉冲矢量，对非导通相端电压进行比较即可辨识转子所在的扇区，方法简单可靠，本方法采用DSP全数字控制，适用于三相电励磁双凸极电机的三相六状态无位置技术。其优点是：

(1)三相DSEM是典型的凸极式电机且是两两相导通，每60°换相一次，一个周期内换相六次，根据其自感特性只需两次注入低压脉冲电压矢量，即可表示转子所在的60°位置扇区；

(2)无需任何外加元器件，通过判断导通和续流阶段的非导通相端电压幅值响应的大小，即可实现转子初始位置检测，方法简单可靠；

(3)能精确辨识转子所在60°扇区，保证三相电励磁双凸极电机能六状态起动，起动转矩大。

附图说明

图1是三相电励磁双凸极电机初始位置检测系统结构框图。

图2是三相电励磁双凸极电机理想电枢组自感模型。

图3是三相电励磁双凸极电机AC相注入脉冲阶段和续流阶段的电路简化图。

图4是三相电励磁双凸极电机AB相注入脉冲阶段和续流阶段的电路简化图。

图5是三相电励磁双凸极电机转子在60°～120°扇区时非导通相端电压响应示意图。

图6是三相电励磁双凸极电机转子位置预估的控制算法流程图。

图1，图2，图3，图4，图5，图6的主要符号名称：(1)Udc——三相全桥功率电路的输入电压；(2)La、Lb、Lc——分别指A、B、C相电枢绕组自感；(3)T1～T6——三相全桥功率电路的开关管；(4)D1～D6——三相全桥功率电路中开关管的反并联二极管；(5)U_N——DSEM三相星形连接中性点电压；(6)Ra、Rb、Rc——电枢绕组A相、B相、C相的电阻；(7)Ub1、Uc1分别为AC、AB相注入低压脉冲矢量时C、B相电感两端的电压；(8)Ua1、Ua2——分别为AC、AB相注入低压脉冲矢量续流阶段A相电感两端的电压；(9)U1、U2——非导通相B、C相的端电压。

具体实施方式

本专利的系统结构框图如图1所示，主要由四个部分组成：(1)三相全桥功率电路模块；(2)三相电励磁双凸极电机；(3)DSP控制和驱动模块；(4)调理电路。

三相电励磁双凸极电机无位置转子初始位置预估系统主要包括以上四个部分，通过两次注入低压脉冲矢量，检测和比较(最多)三次不导通相端电压响应幅值的大小，就可以辨识转子所在的60°扇区，该法简单实用，经济方便，控制系统采用DSP全数字控制系统。

具体实施步骤如下：

1、首先进行转子120°精度定位：

①开通开关管T1、T2，控制开关管占空比小于0.5，导通AC两相注入低压脉冲矢量，

则有电压方程：

$U_{\mathrm{dc}}=2R\·i_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{on}\right)}+(L_a-M_{\mathrm{ac}})\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}+(L_c-M_{\mathrm{ca}})\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}---\left(3.1\right)$

②当AC两相注入低压脉冲矢量结束，通过AC两相的体二极管续流，通过体二极管D4、D5续流，则电压方程：

$U_{\mathrm{dc}}=2R\·i_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{off}\right)}+(L_a-M_{\mathrm{ac}})\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}}+(L_c-M_{\mathrm{ca}})\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}}---\left(3.2\right)$

由于电枢绕组电阻R很小可以忽略不计，且电枢绕组之间的互感远远小于自感，因此方程(3.1)(3.2)可变为：

$U_{\mathrm{dc}}=L_a\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}+L_c\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}---\left(3.3\right)$

$-U_{\mathrm{dc}}=L_a\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}}+L_c\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}}---\left(3.4\right)$

则根据上述推导，可以得出在AC两相注入低压脉冲矢量阶段，非导通B相的端电压即为C相电感两端的电压，即C相电感两端电压为：

$U_{c1}=\frac{\mathrm{Lc}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lc}}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(3.5\right)$

通过DSP2812ADC采样端口将Uc1采样至DSP数据存储空间。再在AC两相注入低压脉冲矢量续流阶段，采样非导通B相的端电压，即为A相电感两端电压：

$U_{a1}=\frac{\mathrm{La}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lc}}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(3.6\right)$

通过DSP2812ADC采样端口分别将Uc1、Ua1调理采样至DSP数据存储空间，为保证采样值的准确性，分别将多次采样到的Uc1、Ua1值求平均值。再将平均值Ua1、Uc1作差，即将导通期间非导通相B相的端电压减去续流阶段非导通相B相的端电压，得：

$\mathrm{\ΔU}=U_{a}1-U_{c}1=\frac{\mathrm{La}-\mathrm{Lc}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lc}}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(3.7\right)$

可得当ΔU＞0时，La＞Lc，转子位于60°～240°扇区；反之，转子位于0°～60°或240°～360°扇区。

同理开通开关管T1、T6，对A、B相电枢电感进行比较，检测导通阶段和续流阶段非导通相C相的端电压，并将经调理电路采集到DSP2812数据存储区域内的电压Ub1、Ua2进行作差计算，得：

$\mathrm{\ΔU}=U_{b}1-U_{a}2=\frac{\mathrm{Lb}-\mathrm{La}}{\mathrm{Lb}+\mathrm{La}}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(3.8\right)$

可得当ΔU＞0时，Lb＞La，转子位于180°～360°扇区；反之，转子位于0°～180°扇区。

其中Udc是直流母线电压，La、Lb、Lc分别是A、B、C相的自感，Uc1、Ub1分别为AC、AB相注入低压脉冲矢量时C、B相电感两端的电压，Ua1、Ua2分别是AC、AB相注入低压脉冲矢量续流阶段A相电感两端的电压，Mac，Mca分别为AC和CA相的互感，R为电枢绕组电阻，iac(on)、iac(off)分别为AC相在导通和续流阶段的电流，ΔU为电压差值。因此，结合AC和AB相两次注入低压脉冲矢量可以得出：

表2

电枢感值比较	非导通相端电压比较	转子扇区
			Lc＞La且La＞Lb	Uc1＞Ua1且Ua2＞Ub1	0°～60°
La＞Lc且La＞Lb	Ua1＞Uc1且Ua2＞Ub1	60°～180°
			La＞Lc且Lb＞La	Ua1＞Uc1且Ub1＞Ua2	180°～240°
Lc＞La且Lb＞La	Uc1＞Ua1且Ub1＞Ua2	240°～360°

2、辨识好转子120°精度扇区后，为保证三相电励磁电机六状态起动，需要定位转子所在的60°的扇区范围：

①若根据前面步骤辨识出转子在0°～60°扇区或者180°～240°扇区内，则无需第三次判断。

②若辨识出转子在60°～180°扇区内，则需要根据前两次AC、AB注入低压脉冲矢量导通阶段非导通相B相、C相端电压Uc1、Ub1来判断Lc、Lb电感的大小则有：

$\mathrm{\ΔU}=U_{c}1-U_{b}1=(\frac{\mathrm{Lc}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lc}}-\frac{\mathrm{Lb}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lb}})\·U_{\mathrm{dc}}=\frac{\mathrm{La}\·(\mathrm{Lc}-\mathrm{Lb})\·U_{\mathrm{dc}}}{(\mathrm{La}+\mathrm{Lc})\·(\mathrm{La}+\mathrm{Lb})}---\left(3.9\right)$

若ΔU＞0，则Lc＞Lb，转子位于60°～120°扇区；反之，转子位于120°～180°扇区。

③若辨识出转子在240°～360°扇区内，同样根据式(3.9)来判断Lc、Lb电感的大小。若ΔU＞0，则Lc＞Lb，转子位于300°～360°扇区；反之，转子位于240°～300°扇区。

因此通过上述步骤1和步骤2可以辨识出三相电励磁双凸极电机所在的60°扇区如下表3所示，方法简单实用。

表3

Claims (3)

1. 用于三相电励磁双凸极电机六状态起动的转子初始位置辨识技术，其特征包括以下步骤：

   1.DSEM电感扇区辨识：为预估电机静止时，转子位置所在扇区，可以通过注入低压脉冲矢量产生的不导通相端电压响应幅值进行转子初始位置预估。此DSEM的主功率电路采用三相三桥臂拓扑，为保证电机电动过程产生最大出力，采用两相电枢绕组同时导通六状态的控制方法。即在0°～60°电角度内AC相导通，60°～120°电角度内BC相导通，120°～180°电角度内BA相导通，180°～240°电角度内CA相导通，240°～300°电角度内CB相导通，300°～360°电角度内AB相导通。电机三相六状态起动时，为保证其可靠起动，需要预估转子位置精度为60°电角度。
2. 2.根据权利要求1，辨识好六状态起动转子位置对应的相导通逻辑后，进行转子120°精度定位：首先导通AC两相，分别在AC相注入低压脉冲矢量阶段和相应的续流阶段检测非导通相B相的端电压响应，通过比较这两次响应幅值的大小来辨识转子在60°～240°扇区还是0°～60°或240°～360°扇区；接着导通AB两相，分别在AB相注入低压脉冲矢量阶段和相应的续流阶段检测非导通相C相的端电压响应幅值，通过比较这两次响应幅值辨识转子在0°～180°扇区还是180°～360°扇区。结合上面两次转子扇区辨识，就可以预估转子所在的120°(或60°)的扇区范围。同时为保证电感不饱和，需要注入低压脉冲矢量阶段占空比小于0.5。
3. 3.根据权利要求2，辨识好转子120°精度扇区后，为保证三相电励磁双凸极电机六状态起动，需要定位转子所在的60°的扇区范围：

   ①若根据权利要求2辨识出转子在0°～60°扇区或者180°～240°扇区内，则无需第三次判断。

   ②若根据权利要求2辨识出转子在60°～180°扇区内，则需要根据前面AC、AB两次注入低压脉冲矢量导通阶段非导通相B相、C相端电压Uc1、Ub1来判断Lc、Lb电感的大小，则有：

   $\mathrm{\ΔU}=U_{c}1-U_{b}1=\frac{\mathrm{Lc}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lc}}{U}_{\mathrm{dc}}-\frac{\mathrm{Lb}}{\mathrm{La}+\mathrm{Lb}}{U}_{\mathrm{dc}}=\frac{\mathrm{La}\·(\mathrm{Lc}-\mathrm{Lb})}{(\mathrm{La}+\mathrm{Lc})\·(\mathrm{La}+\mathrm{Lb})}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(1.1\right)$

   Udc为注入低压脉冲矢量时直流母线电压，若ΔU＞0，则Lc＞Lb，转子位于60°～120°扇区；反之，转子位于120°～180°扇区。

   ③若根据权利要求2辨识出转子在240°～360°扇区内，同样根据式(1.1)来判断Lc、Lb电感的大小。若ΔU＞0，则Lc＞Lb，转子位于300°～360°扇区；反之，转子位于240°～300°扇区。

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