CN103684143A - 一种基于换相点电流响应的电励磁双凸极电机起动加速无位置传感器方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于电流响应的电励磁双凸极电机静止与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串联导通的特点，通过高频注入脉冲法确定电机静止时转子位置区域，根据区域确定初始导通相以及初始导通时间，确保电机平稳起动运行，初始固定脉宽信号结束后，经过死区时间，分别给刚才关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，分别检测母线电流值是i₁₁和i₂₂，若i₁₁＜i₂₂，则继续给刚才关闭的两个开关管固定脉宽，若i₁₁＞i₂₂则开始换相。该方法克服传统的各种无位置法无法确保电机无迟滞起动，算法复杂等弊端，得到一种简便可靠且容易实现的无位置传感器控制策略。

Description

一种基于换相点电流响应的电励磁双凸极电机起动加速无位置传感器方法

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

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。对无位置传感器技术的研究，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，为电机在位置传感器容易受到干扰的场合的应用奠定了基础。 

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。 

目前还没有文献涉及电励磁双凸极电机的低速运行以及无迟滞起动的研究，电励磁双凸极电机与开关磁阻电机的结构类似，两者的数学模型也较为接近，因而对开关磁阻电机初始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的转子静止和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。高频脉冲注入法直接利用直流母线电压，无需外加激励源，静止时利用功率变换器给各相注入高频检测脉冲，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。 

传统的注入脉冲法都可以实现开关磁阻电机静止和低速运行的转子位置检测，都需要实时检测各相的电流响应或者通过各相的电流响应计算电机的电感，然而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，造成电机无法平稳起动，同时，实时检测电流响应增加了运算量，降低了系统的效率。因此本专利提出一种利用换相点电流响应的方法来检测电励磁双凸极电机的换相位置，确保电机快速平稳无迟滞起动。 

发明内容

本发明在传统脉冲注入法基础上，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脉冲电流响应法的电励磁双凸极电机初始位置与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无法实现电机静止时准确位置检测以及低速运行时的无迟滞连接，可移植性差等弊端，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可靠起动和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)高频开关三种开关组合，即分别高频开关A相桥臂上管S₁和B相桥臂下管S₆、B相桥臂上管S₃和C相桥臂下管S₂、C相桥臂上管S₅和A相桥臂下管S₄，在高频开关时采样直流母线上的电流，分别得到S₁和S₆开关时的响应电流i₁，S₃和S₂开关时的响应电流i₂，S₅和S₄开关时的响应电流i₃，比较三个电流响应的幅值，确定初始位置转子所在的60°电角度范围区间，确定初始导通开关管组合，根据转子所在的区间距离换相点的电角度确定初始时固定脉宽信号作用在开关管上的时间； 

2)将步骤1)中确定的初始时固定脉宽信号时间作用到步骤1)中通过电流响应幅值判断的导通开关管组合上，电机开始旋转，固定脉宽信号结束后，经过死区时间，分别给刚才关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，检测母线电流的大小，得到检测值i₁₁和i₂₂； 

3)将步骤2)中检测到的母线电流进行比较，若i₁₁小于i₂₂，即高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值小于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值，则继续给当前相固定脉宽信号，固定脉宽信号结束后，经过死区时间，再分别给刚才关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，检测母线电流的大小，直到高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值大于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值； 

4)若i₁₁大于i₂₂，即步骤3)判断时高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值大于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值，则开始换相，给下一组开关管固定脉宽信号，导通下一组开关管，完成换相； 

根据以上步骤可以完成三相电励磁双凸极电机的初始转子位置判断，实现转子位置的精确定位，满足电机无反转带载起动，算法简单，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是基于电流响应的电励磁双凸极电机起动加速无位置方法的流程图； 

图4是三相电枢绕组两两串联自感随转子位置变化的仿真波形； 

图5是在一个电周期不同转子位置时高频开关开关管S₁和S₆时采样到的直流母线电流波 形； 

图6是在一个电周期不同转子位置时高频开关开关管S₃和S₂时采样到的直流母线电流波形； 

图7是在一个电周期不同转子位置时高频开关开关管S₅和S₄时采样到的直流母线电流波形； 

图8是电机低速运行时六个开关管驱动信号波形； 

图9是硬件实验开关管驱动和直流母线电流波形。 

图1、图2、图4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)Sc——当前导通的两个开关管驱动波形；(9)Sn——下一组导通的两个开关管驱动波形；(10)i₁₁——当前导通的两个开关管高频开关时的母线电流；(11)i₂₂——下一组两个开关管高频开关时的母线电流；(12)e——换相点。 

具体实施方式

本发明通过检测电流响应来精确检测电励磁双凸极电机的初始转子位置，确保初始位置检测与电机低速运行无迟滞连接，实现电机平稳起动运行的静止起动控制策略。 

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是基于脉冲电流响应的电励磁双凸极电机起动加速无位置传感器方法的流程图，主要分为五个步骤： 

1、分别高频开关A相桥臂上管S₁和B相桥臂下管S₆、B相桥臂上管S₃和C相桥臂下管S₂、C相桥臂上管S₅和A相桥臂下管S₄，在高频开关时采样直流母线上的电流，S₁和S₆开关时得到的响应电流是 

$i_1\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2R}(1-e^{-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}t})---\left(1\right)$

时间常数是 

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{L_a+L_b}{2R}---\left(2\right)$

其中，V_dc是直流母线电压，R是绕组电阻，L_a和L_b分别是A相和B相的电枢绕组自感。 

S₃和S₂开关时的响应电流是 

$i_2\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2R}(1-e^{-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2}t})---\left(3\right)$

时间常数是 

${\mathrm{\τ}}_2=\frac{L_b+L_c}{2R}---\left(4\right)$

其中L_c是C相绕组自感。 

S₅和S₄开关时的响应电流是 

$i_3\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2R}(1-e^{-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_3}t})---\left(5\right)$

时间常数是 

${\mathrm{\τ}}_3=\frac{L_c+L_a}{2R}---\left(6\right)$

从公式(1)～(6)可知，电流响应的幅值与两个导通相电枢绕组自感之和成相反的变换趋势，三相绕组两两串联自感之和随转子位置变化的波形如图4所示，三组开关管分别两两组合导通时，响应电流的幅值随转子位置变化的波形分别如图5、图6和图7所示。从图5～图7可见，比较三个电流响应的幅值可以确定初始位置转子所在的60°电角度范围区间，确定初始导通开关管组合； 

2、根据转子所在区间距离换相点的电角度确定初始时固定脉宽信号作用在开关管上的时间，理论上任一组开关管导通时间是 

$t=\frac{1}{3}T=\frac{20}{p_{r}n}---\left(7\right)$

其中T是电周期，p_r是转子极数，本发明中取8，n是电机转速。 

若转子位于0°～60°电角度区间时，初始给开关管S₁和S₆固定开通信号，导通时间t₁是 

$\frac{1}{6}T<t_1<\frac{1}{3}T$

若转子位于120°～180°电角度区间时，初始给开关管S₃和S₂固定开通信号，导通时间是t₁，若转子位于240°～300°电角度区间时，初始给开关管S₅和S₄固定开通信号，导通时间也是t₁。 

若转子位于60°～120°电角度区间时，初始给开关管S₁和S₆固定开通信号，导通时间 t₂是 

$\frac{1}{12}T<t_2<\frac{1}{6}T$

若转子位于180°～240°电角度区间时，初始给开关管S₃和S₂固定开通信号，导通时间是t₂，若转子位于300°～360°电角度区间时，初始给开关管S₅和S₄固定开通信号，导通时间也是t₂。 

3、根据步骤2所得的导通开关管和开关管的导通时间，电机稳定起动，电机起动运行时六个开关管的开关信号如图8所示， 

电机开始旋转，固定脉宽信号结束后，经过死区时间，分别给刚才关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，在电机旋转过程中检测母线电流的大小，得到检测值i₁₁和i₂₂； 

4、如图9所示，将步骤3中检测到的母线电流进行比较，若i₁₁小于i₂₂，即高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值小于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值，则继续给当前相固定脉宽信号，开关管的开通时间与初始时两个开关管开通时间相同，固定脉宽信号结束后，经过死区时间，再分别给刚才关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，检测母线电流的大小，直到高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值大于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值，则开始换相，给下一组开关管固定脉宽信号，开关管的开通时间是t₁，导通下一组开关管，完成换相； 

5、以后的每一组开关管导通t₁时间后都需要向当前需要导通的开关管和换相后需要导通的开关管进行高频注入脉冲，检测母线电流值判断是否进行换相，依次循环进行。 

根据以上步骤可以完成三相电励磁双凸极电机的初始转子位置判断，可以实现转子位置的精确定位，满足电机平稳起动运行，算法实现方便，具有良好的应用前景。 

Claims (1)

1.一种基于电流响应的电励磁双凸极电机起动加速无位置传感器技术，其特征包括以下步骤：

1)高频开关三种开关组合，即分别高频开关A相桥臂上管S₁和B相桥臂下管S₆、B相桥臂上管S₃和C相桥臂下管S₂、C相桥臂上管S₅和A相桥臂下管S₄，在高频开关时采样直流母线上的电流，分别得到S₁和S₆开关时的响应电流i₁，S₃和S₂开关时的响应电流i₂，S₅和S₄开关时的响应电流i₃，比较三个电流响应的幅值，确定初始位置转子所在的60°电角度范围区间，确定初始导通开关管组合，根据转子所在的区间距离换相点的电角度确定初始时固定脉宽信号作用在开关管上的时间；

2)将步骤1)中确定的初始时固定脉宽信号时间作用到步骤1)中通过电流响应幅值判断的导通开关管组合上，电机开始旋转，固定脉宽信号结束后，经过死区时间，分别给刚才关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，检测母线电流的大小，得到检测值i₁₁和i₂₂；

3)将步骤2)中检测到的母线电流进行比较，若i₁₁小于i₂₂，即高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值小于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值，则继续给当前相固定脉宽信号，固定脉宽信号结束后，经过死区时间，再分别给刚才关闭的两个开关管和换相后需要开通的两个开关管高频脉冲信号，检测母线电流的大小，直到高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值大于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值；

4)若i₁₁大于i₂₂，即步骤3)判断时高频开关当前的两个开关管组合所得到的电流响应值大于换相后需要开通的两个开关管组合所得到的电流响应值，则开始换相，给下一组开关管固定脉宽信号，导通下一组开关管，完成换相；

根据以上步骤可以完成三相电励磁双凸极电机的初始转子位置判断，实现转子位置的精确定位，满足电机无反转带载起动，算法简单，实现方便，具有良好的应用前景。

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