CN103684137B - 一种基于串联电感斜率阈值的电励磁双凸极电机低速运行无位置法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于串联电感斜率阈值的电励磁双凸极电机低速运行无位置传感器技术，电励磁双凸极电机两相电枢绕组同时导通，低速运行时开关管高频斩波，通过分别检测开关管开通和关断时母线电流值，进入数字控制器中分别计算开关管开通和关断时母线斩波电流斜率值，然后计算当前导通相串联自感斜率值，与预先设定的电机换相点串联自感斜率阈值比较来判断换相点。当串联自感斜率值小于或等于设定阈值时开始换相。该方法克服了低速运行时无法直接检测反电势，需要外接电路，串联自感在换相点位置变化不易检测等弊端，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稳定运行奠定了基础。

Description

一种基于串联电感斜率阈值的电励磁双凸极电机低速运行无 位置法

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

电励磁双凸极电机与开关磁阻电机类似，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永磁体建立主磁场，励磁电流调节电压容易，在军事，新能源等场合具有良好的应用前景。

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。电机低速运行情况下，反电势不容易采集，因此低速下无位置传感器技术的研究需要利用电机的其它特征准确得到换相点，低速无位置方法的研究能够有效扩展电励磁双凸极电机的应用范围，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，仅有文献针对永磁双凸极电机提出了低速时分别给不同种定子绕组两两串联施加一个相同时间，相等幅值的脉冲电压，通过电流响应计算出等效电感判断出转子位置。而永磁双凸极电机与电励磁双凸极电机的磁链和电感特性并不相同，脉冲注入的时间也不相同，尤其是低速运行时对非导通相电感的检测非常复杂，不利于电机出力，故文献中所述的方法不适用于电励磁双凸极电机中。与电励磁双凸极电机结构和数学模型类似的开关磁阻电机低速无位置检测技术的研究具有借鉴价值。

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特性参数，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。归纳来说注入脉冲法主要包括以下四类：

1)相电流大小比较法，2)相电流峰值检测法，3)电感矢量法，4)电流阈值检测法。

这四种方法都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自感，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自感必然会使电机产生负转矩，造成电机无法平稳起动，且在换相位置的串联自感之和变化较小，不易通过检测串联自感变化来判断换相点。因此本专利提出一种利用串联自感之和的斜率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

本发明在传统的电流响应无位置法基础上，结合电励磁双凸极电机的驱动电路和电磁特性，提出了一种新颖的基于串联自感斜率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：克服了电励磁双凸极电机低速运行时反电势无法检测的弱点，避免了换相点处自感变化较小的问题，充分考虑电机本身的电感斜率变化规律，得到一种简便容易实现的无位置传感器控制策略，该方法无需知道电机转速，为电励磁双凸极电机在低速条件下的平稳运行奠定了基础。

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一个电周期内电机两两串联自感的变化规律，并计算出斜率，将导通两相的自感之和的斜率在换相点位置的值作为换相阈值；

2)电机低速运行时，开关管进行高频斩波，此时分别不停的检测开关管开通时和二极管续流时母线电流值，并采样进控制器中，计算电流斜率，通过开关管开通时和二极管续流时母线电流斜率之差计算得到当前导通两相自感之和，并计算得到导通两相自感之和的斜率；

3)步骤2)得到的导通两相自感之和的斜率与步骤1)中预先设定的换相点自感之和的斜率阈值进行比较，当导通两相自感之和的斜率大于步骤1)中换相阈值时，继续回到步骤2)，检测开关管开通时和二极管续流时的母线电流值，并采样进控制器中计算导通两相自感之和的斜率；

4)当步骤2)所得到的导通两相自感之和的斜率等于或小于步骤1)中的换相阈值时，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和二极管续流时的母线电流值，计算导通两相自感之和的斜率，与阈值进行比较，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换相点的判断，实现电机低速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是基于串联自感斜率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；

图4是三相电枢绕组两两串联自感之和仿真波形；

图5是两两串联相电感之和的斜率随转子位置变化图；

图6是开关管S₃和S₄开通时三相电励磁双凸极电机驱动电路图；

图7是开关管S₃关断，二极管D₆和开关管S₄开通时三相电励磁双凸极电机驱动电路图。

图1、图2、图4、图5、图6、图7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)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；(7)L_b+L_a——12/8结构电励磁双凸极电机B相和A相电枢绕组自感之和；(8)L_c+L_b——12/8结构电励磁双凸极电机C相和B相电枢绕组自感之和；(9)L_a+L_c——12/8结构电励磁双凸极电机A相和C相电枢绕组自感之和；结构电励磁双凸极电机B相和A相电枢绕组自感之和的斜率；结构电励磁双凸极电机C相和B相电枢绕组自感之和的斜率；结构电励磁双凸极电机A相和C相电枢绕组自感之和的斜率；(13)K——12/8结构电励磁双凸极电机电枢绕组自感之和的斜率换相阈值。

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母线电流值，计算电流斜率，开关管开通时和二极管续流时的电流斜率做差后计算导通两相自感之和，然后计算导通两相自感之和的斜率，斜率与预先设定的换相点自感之和斜率阈值进行比较，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，本发明以三相12/8结构的电励磁双凸极电机为例来进行详细说明，三相12/8结构的电励磁双凸极电机的平面结构如图1所示，驱动电路采用三相桥式结构，如图2所示。两相同时导通时有两个开关管开关，其中包括三种斩波方式：单独上管斩波，单独下管斩波，上下管同时斩波，本专利所述方法在这三种斩波方式下均适用，本专利以单独上管斩波为例进行说明。图3是基于串联自感斜率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一个电周期内电机电枢绕组自感两两之和变化规律，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在一个电周期内随着转子位置变化如图4所示，在0°～120°电角度区间，B相上桥臂S₃和A相下桥臂S₄导通，换相点是120°电角度位置，在120°～240°电角度区间，C相上桥臂S₅和B相下桥臂S₆导通，换相点是240°电角度位置，在240°～360°电角度区间，A相上桥臂S₁和C相下桥臂S₂导通，换相点是360°电角度位置；

2、通过步骤1所述的一个电周期内电机电枢绕组两两串联自感之和的变化计算得到一个电周期内电机电枢绕组自感两两之和的斜率变化规律，并将导通两相在换相点处的两个自感之和的斜率值设为换相阈值，两两串联相电感之和的斜率随转子位置变化的规律如图5所示；

3、电机低速运行时，上管进行高频斩波，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，B相上桥臂S₃高频开关，A相下桥臂S₄一直开通为例说明，当S₃和S₄开通时，电路如图6所示，状态方程是

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

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

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

此时检测母线电流，按照固定的采样频率计算电流斜率。

当S₃关断，S₄开通时，电路如图7所示，状态方程是

$0=L_a\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ab}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}}+L_b\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ab}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

此时检测母线电流，按照固定的采样频率计算电流斜率。

将开关管S₃和S₄同时开通时计算的电流斜率与S₃关断，S₄开通时计算的电流斜率相减，即式(2)减去式(3)得

$\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}}=L_b(\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ba}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ba}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}})+L_a(\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ba}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ba}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}})\\ =(L_b+L_a)(\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ba}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ba}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}})\end{array}---\left(4\right)$

导通相的自感之和是

$L_b+L_a=U_{\mathrm{dc}}/(\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ba}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ba}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}})---\left(5\right)$

导通相自感之和的斜率是

$\frac{d(L_b+L_a)}{\mathrm{dt}}=\frac{d[U_{\mathrm{dc}}/(\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ba}\left(\mathrm{on}\right)}}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ba}\left(\mathrm{off}\right)}}{\mathrm{dt}})]}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

4、将步骤3计算的导通相自感之和的斜率与步骤2预先设定的自感之和斜率换相阈值进行比较，当导通两相自感之和的斜率大于步骤2中自感之和斜率换相阈值时，继续回到步骤3，检测开关管S₃开通时和S₃关断时的母线电流值，并采样进控制器中，根据公式(1)～(6)计算导通两相自感之和的斜率，并与步骤2中的自感之和斜率换相阈值进行比较；

5、当步骤3所得到的导通两相自感之和的斜率等于或小于步骤2中的换相阈值时，电机开始换相，导通另外一组开关管S₅和S₆，完成换相，此时根据电流大小对S₅进行高频斩波，继续分别检测开关管S₅开通和关断时的母线电流值，计算导通两相自感之和的斜率，与换相阈值进行比较，开关管S₁和S₂导通的情况与其他两组一样，依次循环，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。

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，可以实现电磁特性的精确检测，满足电机平稳运行，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。

Claims (1)

1.一种基于串联自感斜率阈值的电励磁双凸极电机低速运行无位置传感器控制方法，其特征包括以下步骤：

1)通过仿真或者实验测得一个电周期内电机两两串联自感的变化规律，并计算出斜率，将导通两相的自感之和的斜率在换相点位置的值作为换相阈值；

2)电机低速运行时，开关管进行高频斩波，此时分别不停的检测开关管开通时和二极管续流时母线电流值，并采样进控制器中，计算电流斜率，通过开关管开通时和二极管续流时母线电流斜率之差计算得到当前导通两相自感之和，并计算得到导通两相自感之和的斜率；

3)步骤2)得到的导通两相自感之和的斜率与步骤1)中预先设定的换相点自感之和的斜率阈值进行比较，当导通两相自感之和的斜率大于步骤1)中换相阈值时，继续回到步骤2)，检测开关管开通时和二极管续流时的母线电流值，并采样进控制器中计算导通两相自感之和的斜率；

4)当步骤2)所得到的导通两相自感之和的斜率等于或小于步骤1)中的换相阈值时，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和二极管续流时的母线电流值，计算导通两相自感之和的斜率，与阈值进行比较，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换相点的判断，实现电机低速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。