CN103595313B - 一种基于端电压的电励磁双凸极电机低速运行无位置传感器法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于端电压阈值的电励磁双凸极电机低速运行无位置传感器技术，本发明根据三相电励磁双凸极电机两相电枢绕组同时导通，低速时开关管高频斩波的特点，通过分别检测在当前导通的两个开关管开通时和关断时任意非导通相端电压的值，进入数字控制器中用开关管开通时任意非导通相的端电压减去二极管续流时任意非导通相的端电压，并与换相端电压阈值比较来判断换相点。该方法克服了低速运行时无法检测反电势，需要外接电路等弊端，克服了需要不停计算电感的复杂算法，克服了波形非正弦性的缺点，得到一种简便容易实现的无位置传感器控制策略，为电励磁双凸极电机低速平稳运行奠定了基础。

Description

一种基于端电压的电励磁双凸极电机低速运行无位置传感器法

技术领域

本发明涉及一种电励磁双凸极电机无位置传感器控制方法，属于电励磁双凸极电机控制技术领域。

背景技术

电励磁双凸极电机结合了永磁电机和开关磁阻电机的优点，其转子上没有绕组和永磁体，结构简单，同时定子上用励磁绕组代替永磁体建立主磁场，励磁电流调节电压容易而广泛应用于军事，新能源等场合。无位置传感器技术作为一种新颖的电机控制技术而被广泛应用于航空航天，工业信息等各个领域的研究中。对低速无位置传感器技术的研究，主要是在反电势不容易采集的条件下，利用电机的其它特征准确得到换相点，低速无位置方法的应用扩展了电励磁双凸极电机的应用范围，提高了电机系统的集成度，确保电机在高温、强磁场等位置传感器容易受到干扰的场合的应用奠定了基础。

目前还没有针对电励磁双凸极电机的低速无位置运行的研究，电励磁双凸极电机与开关磁阻电机的结构和数学模型类似，国内外学者对开关磁阻电机低速位置检测展开了大量的研究，研究方法大多是利用电机的相电流变化来估计磁链、自感、增量电感以及反电势等电磁信息，并利用这些电磁特性参数与位置角、相电流之间的非线性关系来间接获取转子位置信息，从而实现转子位置估计。利用高频脉冲注入检测响应电流的方法最为常用，该方法直接利用直流母线电压，无需外加激励源，低速运行时根据斩波电流以及向非导通相注入高频检测脉冲来实时检测转子电感变化趋势，进而判断转子位置。

这些方法可以实现开关磁阻电机低速运行的转子位置检测，然而这些方法都需要实时检测电机各相绕组的电流响应或者通过电流响应计算电机的电感，电励磁双凸极电机与开关磁阻电机的主驱动电路拓扑不同，电励磁双凸极电机同一时刻有两相绕组串联导通，相与相之间存在耦合，在低速运行时若通过给不导通相注入脉冲来检测响应电流或者实时计算电感必然会使电机产生负转矩，容易受到干扰，造成电机无法平稳起动，低速运行时反电势无法直接检测，而无位置检测技术就是对电机换相点的精确检测，时刻计算电机各相的电感值会增加系统的运算时间，同时波形的非正弦化会给检测带来困难，本专利提出一种利用端电压阈值来检测电励磁双凸极电机低速运行时换相位置的方法，确保电机平稳运行。

发明内容

本发明在传统的电阻采样端电压法基础上，结合电励磁双凸极电机的电磁特性，提出了一种新颖的基于端电压阈值的电励磁双凸极电机低速运行无位置传感器估计法，该方法需要解决的问题是：克服传统的各种无位置法需要电流传感器采样响应电流实现位置判断，干扰性强的弱点，克服了低速运行时无法检测反电势，需要外接电路等弊端，得到一种简便容易实现的无位置传感器控制策略，为电励磁双凸极电机低速平稳运行奠定了基础。本发明适用于任何相数大于三相的电励磁双凸极电机。

本发明为实现上述解决方案，采用如下技术策略：

1)通过仿真或者实验测得同时导通的两相在电机换相位置的电枢绕组自感值，通过计算得到换相点的端电压系数K，直流母线电压与端电压系数K的乘积即为换相端电压阈值，计算得到的换相端电压阈值为0；

2)电机低速运行时，导通相的两个开关管同时进行高频斩波，此时分别不停的检测开关管开通时和二极管续流时任意非导通相的端电压，并采样进控制器中；

3)在控制器中用开关管开通时任意非导通相的端电压减去二极管续流时任意非导通相的端电压，得到的差值与步骤1)中预先设定的换相端电压阈值进行比较，当端电压差值大于换相端电压阈值时，继续回到步骤2)，检测开关管开通时和二极管续流时另一个非导通相的端电压，并采样进控制器中做差；

4)当步骤3)所得到的端电压差值等于或小于换相端电压阈值时，电机开始换相，导通另外一组开关管，完成换相，此时根据电流大小进行高频斩波，继续分别检测当前导通的开关管开通时和二极管续流时任意非导通相的端电压，做差后与换相端电压阈值进行比较，依次循环；

根据以上步骤可以完成电励磁双凸极电机的低速运行时电机换相点的判断，实现电机换相点的精确检测，满足电机无反转带载稳定运行，算法简单，无需任何额外硬件，实现方便，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是三相12/8结构电励磁双凸极电机二维结构图；

图2是三相电励磁双凸极电机驱动电路图；

图3是基于端电压阈值的电励磁双凸极电机低速运行无位置方法的流程图；

图4是三相电枢绕组两两串联自感仿真波形；

图5是开关管S1和S6开通时三相电励磁双凸极电机驱动电路图；

图6是开关管S1和S6关断，二极管D3和D4续流时三相电励磁双凸极电机驱动电路图；

图7是开关管S1和S6开通时，C相端电压检测示意图；

图8是开关管S1和S6关断，二极管D3和D4续流时C相端电压检测示意图；

图9是电机三个端电压系数随转子位置变化的曲线及换相点端电压系数K。

图1、图2、图4、图5、图6、图7、图8和图9中的主要符号名称：(1)A、B、C——12/8电励磁双凸极电机的三相电枢绕组；(2)S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆——三相12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路的开关管；(3)D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆——与三相12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路开关管并联的二极管；(4)U_dc——三相12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路的直流端电压源；(5)C₁——三相12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路的直流端电容；(6)L_a、L_b、L_c——12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路三相电枢绕组；(7)N——12/8结构电励磁双凸极电机驱动电路三相电枢绕组的中性点；(8)K——换相点端电压系数；(9)——分别是电机三个换相点端电压系数。

具体实施方式

本发明通过分别检测开关管开通时和二极管续流时非导通相端电压值，做差后与预先设定的换相端电压阈值进行比较，来实时判断电励磁双凸极电机的低速运行时的换相点，确保电机低速稳定运行的无位置控制策略。

下面结合附图对发明技术方案进行详细说明：

本方法适用于各种相数的电励磁双凸极电机，本文以三相12/8结构的电励磁双凸极电机为例来说明，电机的平面结构如图1所示，驱动控制电路如图2所示。图3是基于换相端电压阈值的电励磁双凸极电机低速运行无位置传感器法的流程图，主要分为五个步骤：

1、通过仿真或实验测得电机电枢绕组自感值，电励磁双凸极电机是两相同时导通的，其两两串联自感之和波形随着转子位置变化如图4所示，在0°～120°电角度区间，A相上桥臂S₁和B相下桥臂S₆同时开关，换相点是120°电角度位置，在120°～240°电角度区间，B相上桥臂S₃和C相下桥臂S₂同时开关，换相点是240°电角度位置，在240°～360°电角度区间，C相上桥臂S₅和A相下桥臂S₄同时开关，换相点是360°电角度位置；

2、低速运行时，导通的两个开关管在电机运行的时候处于不断斩波的状态，导通的两相存在开通和续流两个阶段，以转子位于0°～120°电角度区间时，A相上桥臂S₁和B相下桥臂S₆同时开关为例说明，其他两个转子区域与0°～120°电角度区间一样分析。S₁和S₆开通时电路如图5所示，状态方程是

$U_{dc}=2R\·i_{ab\left(on\right)}+(L_a-M_{ab})\frac{{\mathrm{di}}_{ab\left(on\right)}}{dt}+(L_b-M_{ba})\frac{{\mathrm{di}}_{ab\left(on\right)}}{dt}---\left(1\right)$

其中U_dc是直流端电压，R是电枢绕组内阻，i_ab(on)是开关管开通时通过绕组的电流，L_a是A相绕组自感，L_b是B相绕组自感，M_ab和M_ba是A相与B相绕组互感。

由于绕组内阻很小，A相与B相互感值也很小，可以忽略，式(1)简化为

$U_{dc}=L_a\frac{{\mathrm{di}}_{ab\left(on\right)}}{dt}+L_b\frac{{\mathrm{di}}_{ab\left(on\right)}}{dt}---\left(2\right)$

此时检测非导通相C相的端电压U_C1，其检测电路如图7所示，C相端电压即为B相电枢绕组的电压

$U_{C1}=\frac{L_b}{L_a+L_b}{U}_{dc}---\left(3\right)$

S₁和S₆关断时电流通过S₃和S₄的并联二极管D₃和D₄续流，如图6所示，续流阶段的电压方程是

$-U_{dc}=L_a\frac{{\mathrm{di}}_{ab\left(off\right)}}{dt}+L_b\frac{{\mathrm{di}}_{ab\left(off\right)}}{dt}---\left(4\right)$

其中，i_ab(off)是开关管关断时通过绕组的电流。

此时检测非导通相C相的端电压U_C2，其检测电路如图8所示，C相端电压即为A相电枢绕组的电压

$U_{C2}=\frac{L_a}{L_a+L_b}{U}_{dc}---\left(5\right)$

3、将步骤2中的(3)式和(5)式相减得

$U_{C1}-U_{C2}=\frac{L_b}{L_a+L_b}{U}_{dc}-\frac{L_a}{L_a+L_b}{U}_{dc}=\frac{L_b-L_a}{L_a+L_b}{U}_{dc}---\left(6\right)$

(6)式中的是电机端电压系数，在电机换相点处的值设为K，即为电机换相点的端电压系数，转子位于120°～240°电角度区间时，B相上桥臂S₃和C相下桥臂S₂同时开关，以及转子位于240°～360°电角度区间时，C相上桥臂S₅和A相下桥臂S₄同时开关的情况与A相上桥臂S₁和B相下桥臂S₆同时开关的情况一样分析，三个电机端电压系数随电机位置变化的曲线如图9所示，换相点的端电压系数K也在图9中显示，在此忽略电机三相电感不对称的情况，令三个换相点的K值是相同的，电机换相点的端电压系数与直流母线电压的乘积KU_dc即为电机换相端电压阈值，经过理论推导和仿真可知换相端电压阈值即为0；

4、电机低速运行时导通的两个开关管不断进行高频斩波，此时不断检测开关管开通时和二极管续流时另一个非导通相的端电压，并实时采样进控制器中，如步骤2和3，在控制器中用开关管开通时另一非导通相的端电压减去二极管续流时另一非导通相的端电压，得到的差值与步骤3中预先设定的换相端电压阈值进行比较，当端电压差值大于换相端电压阈值时，继续回到步骤2和3，检测开关管开通时和二极管续流时另一个非导通相的端电压，并采样进控制器中做差；

5、当步骤4所得到的端电压差值等于或小于换相端电压阈值时，电机开始换相，导通另外一组开关管，完成换相，此时根据电流大小进行高频斩波，继续分别检测当前导通的开关管开通时和二极管续流时另一非导通相的端电压，做差后与换相端电压阈值进行比较，依次循环。

根据以上步骤可以完成三相电励磁双凸极电机低速运行时的换相位置判断，可以实现转子换相点的精确定位，满足电机平稳起动，算法简单，无需任何额外硬件，实现方便，具有良好的应用前景。

Claims (1)

1.一种基于端电压的电励磁双凸极电机低速无位置传感器技术，其特征包括以下步骤：

1)通过仿真或者实验测得同时导通的两相在电机换相位置的电枢绕组自感值，通过计算得到换相点的端电压系数K，直流母线电压与端电压系数K的乘积即为换相端电压阈值，计算得到的换相端电压阈值为0；

2)电机低速运行时，导通相的两个开关管同时进行高频斩波，此时分别不停的检测开关管开通时和二极管续流时任意非导通相的端电压，并采样进控制器中；

3)在控制器中用开关管开通时任意非导通相的端电压减去二极管续流时任意非导通相的端电压，得到的差值与步骤1)中预先设定的换相端电压阈值进行比较，当端电压差值大于换相端电压阈值时，继续回到步骤2)，检测开关管开通时和二极管续流时另一个非导通相的端电压，并采样进控制器中做差；

4)当步骤3)所得到的端电压差值等于或小于换相端电压阈值时，电机开始换相，导通另外一组开关管，完成换相，此时根据电流大小进行高频斩波，继续分别检测当前导通的开关管开通时和二极管续流时任意非导通相的端电压，做差后与换相端电压阈值进行比较，依次循环；

根据以上步骤可以完成电励磁双凸极电机的低速运行时电机换相点的判断，实现电机换相点的精确检测，满足电机无反转带载稳定运行，算法简单，无需任何额外硬件，实现方便，具有良好的应用前景。