CN104167962B - 无位置传感器的开关磁阻电机启动装置和启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及开关磁阻电机的技术领域，公开了一种开关磁阻电机启动装置及启动方法，包括用于向定子线圈发送启动脉冲的启动脉冲发生单元；用于检测定子线圈中续流时间的检测单元；用于在各定子线圈中切换发送启动脉冲的切换单元；控制启动脉冲发生单元并对检测单元检测到的定子线圈中的续流时间进行比较处理、根据比较结果控制切换单元的控制单元；控制单元与启动脉冲发生单元电连接；控制单元与检测单元电连接；控制单元与切换单元电连接；本发明提供的启动装置不用设定阈值，适应性好，控制方便，不会造成反转，能迅速找到启动相，能迅速获得大转矩启动。

Description

无位置传感器的开关磁阻电机启动装置和启动方法

技术领域

本发明属于磁阻电机控制技术领域，尤其涉及一种无位置传感器的开关磁阻电机启动装置及启动方法。

背景技术

开关磁阻电机是一种新型的机电一体化调速电机系统，其结构坚固耐用，制作成本低，维护方便，系统控制性能好，运行效率高。转子位置闭环控制是开关磁阻电机控制系统的基本特征。通常的做法是由转子位置传感器得到转子的位置信号，控制器根据接收到转子位置信号决定激励哪相绕组。转子位置传感器通常安放在非轴伸出端，向控制器提供转子位置信号。传统的开关磁阻电机的位置传感器主要有光电式，磁敏式，电磁式等。位置传感器的存在降低了开关磁阻电机的可靠性，在粉尘，高温，潮湿，振动和冲击的环境中尤显脆弱，尤其是多相开关磁阻电机，位置传感器连线比较多，进一步降低了成本和可靠性。如果用常规的状态观测器来间接估计转子位置，需要建立精确的开关磁阻电机数学模型，而且计算量太大，不利于实时控制。

发明专利《一种无轴承开关磁阻电机无位置传感器控制方法》，专利号为200910185030.3，公开了一种利用查表法估算开关磁阻电机转子位置的无位置传感器的启动控制方法。这种方法的优点在于将转子位置信息与电感值的关系固化在控制器中，电机运行中不需实时计算转子位置，只要查表就可以获知转子位置。用这种方法可以满足实时性的要求，缺点在于需要建立精确的开关磁阻电机数学模型，而且随着电机不同，表格也不同，适应性差。

发明专利《开关磁阻电动机无转子位置传感器启动控制方法》，专利号为200510041040.1，公开了一种开关磁阻电机的无位置传感器的启动方法，具体是首先设定一个电流阈值，然后在电机启动时对各相通以相同时间、相同电压的脉冲电流，然后测量各相脉冲电流的大小，一旦哪一相脉冲电流达到所设定的电流阈值，就确定了启动时的导通相，接着就确定了其他两相，从而实现了无需传感器的开关磁阻电机的启动。这种方法的优点在于不需要建立精确的开关磁阻电机数学模型，不需查表，启动性能较好。但是缺点在于，对于不同的电机，由于相电感不同，导致需要设定不同的阈值电流，所以采用这种方法，控制器对电机的适应性很差。

发明专利《开关磁阻电机分布续流无位置传感器控制方法》，申请号为201210403886.5，公开了设定阈值与检测续流对比控制运行开关磁阻电机的控制方法，其用于启动开关磁阻电机容易造成反转，不能迅速找到启动相，不能迅速获得大转矩启动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无位置传感器的开关磁阻电机启动装置，旨在解决现有技术中的适应性差，控制不方便、容易造成反转，不能迅速找到启动相，不能迅速获得大转矩启动的问题。

本发明是这样实现的，一种无位置传感器的开关磁阻电机启动装置，包括：

用于向定子线圈发送启动脉冲的启动脉冲发生单元；

用于检测定子线圈中续流时间的检测单元；

用于在各定子线圈中切换发送所述启动脉冲的切换单元；

控制所述启动脉冲发生单元并对所述检测单元检测到的所述定子线圈中的续流时间进行比较处理后再根据比较结果控制所述切换单元的控制单元；

所述控制单元与所述启动脉冲发生单元电连接；所述控制单元与检测单元电连接；所述控制单元与所述切换单元电连接。

进一步地，所述启动脉冲是占空比小于50%的周期脉冲。

进一步地，所述检测单元是在所述启动脉冲关断时进行定子线圈续流检测的检测单元。

进一步地，所述控制单元是在所述定子线圈中的续流时间由减小变为增大的瞬间输出信号以控制所述切换单元进行定子通电切换的控制单元。

具体地，所述控制单元是单片机。

具体地，所述控制单元是CPLD。

具体地，所述控制单元是FPGA。

本发明还提供了应用上述开关磁阻电机启动装置的无位置传感器的启动方法，包括以下步骤：

S101、向开关磁阻电机任一相发送启动脉冲；

S102、检测并存储该相在所述启动脉冲的一个周期内的续流时间；

S103、检测并存储该相在所述启动脉冲的下一周期内的续流时间；

S104、将S102、S103所检测到的续流时间进行比较；

S105、当S103检测到的续流时间小于S102检测到的续流时间时，返回S102；

S106、当S103检测到的续流时间大于S102检测到的续流时间时，将所述启动脉冲切换到S101步骤中所述相的相邻相。

S107、重复S102至S106，直至电机完成启动。

具体地，所述启动脉冲是占空比小于50%的周期脉冲。

进一步地，在所述启动脉冲关断时进行定子线圈续流时间检测。

与现有技术对比，本发明提供的开关磁阻电机启动装置中，由于对定子线圈在启动脉冲的不同周期的续流时间进行检测对比，不用设定阈值，所以达到了适应性好，控制方便，不会造成反转，能迅速找到启动相，能迅速获得大转矩启动的技术效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的开关磁阻电机启动装置示意图；

图2是本发明实施例提供的开关磁阻电机启动装置启动磁阻电机时转子的初始位置示意图；

图3是本发明实施例提供的开关磁阻电机启动装置启动磁阻电机时转子的运动示意图；

图4是本发明实施例提供的定子绕组续流示意图；

图5是本发明实施例提供的定子绕组相电感示意图；

图6是本发明的开关磁阻电机启动装置的启动方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种无位置传感器的开关磁阻电机启动装置，包括：用于向定子线圈发送启动脉冲的启动脉冲发生单元；用于检测定子线圈中续流时间的检测单元；用于在各定子线圈中切换发送所述启动脉冲的切换单元；控制所述启动脉冲发生单元并对所述检测单元检测到的所述定子线圈中的续流时间进行比较处理后再根据比较结果控制所述切换单元的控制单元；所述控制单元与所述启动脉冲发生单元电连接；所述控制单元与检测单元电连接；所述控制单元与所述切换单元电连接。

由于对定子线圈在启动脉冲的不同周期的续流时间检测对比，不用设定阈值，所以达到了适应性好，控制方便，不会造成反转，能迅速找到启动相，能迅速获得大转矩启动的技术效果。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

如图1所示，为本发明提供的一较佳实施例。

本实施例提供的一种无位置传感器的开关磁阻电机启动装置，包括：启动脉冲发生单元，用于向定子线圈发送启动脉冲；检测单元，用于检测定子线圈中续流时间的检测单元；切换单元，用于在各定子线圈中切换发送启动脉冲；控制单元，控制启动脉冲发生单元并对检测单元检测到的定子线圈中的续流时间进行比较处理后再根据比较结果控制切换单元；控制单元与启动脉冲发生单元电连接；控制单元与检测单元电连接；控制单元与切换单元电连接；由于对定子线圈在启动脉冲的不同周期的续流时间检测对比，不用设定阈值，所以达到了适应性好，控制方便，不会造成反转，能迅速找到启动相，能迅速获得大转矩启动的技术效果。

如图2～3所示，进一步地，启动脉冲是占空比小于50%的周期脉冲，这样使得启动脉冲在一个周期中的关断时间长于开启时间。

进一步地，检测单元是在启动脉冲关断时进行定子线圈续流时间检测的检测单元，这样检测避免了启动脉冲开启时对续流检测的干扰，实践中启动脉冲的占空比越小，对续流的检测时间就越精确；但启动脉冲的占空比太小，也容易造成驱动力矩不够的问题；所以要根据实际情况灵活调试最佳的占空比，以同时满足上述要求。

进一步地，控制单元是在定子线圈中的续流时间由减小变为增大的瞬间输出信号控制切换单元进行定子通电切换的控制单元，续流时间和相电感的变化如图4～5所示。

具体地，控制单元是单片机，这样编程灵活、调试方便。

具体地，控制单元是CPLD，这样执行速度快，控制响应灵敏。

具体地，控制单元是FPGA，这样系统功耗小，控制速度快。

如图6所示，本发明还提供了应用上述开关磁阻电机启动装置的无位置传感器的启动方法，包括以下步骤：

S101、向开关磁阻电机任一相发送启动脉冲；

S102、检测并存储该相在启动脉冲的一个周期内的续流时间；

S103、检测并存储该相在启动脉冲的下一周期内的续流时间；

S104、将S102、S103所检测到的续流时间进行比较；

S105、当S103检测到的续流时间小于S102检测到的续流时间时，返回S102；

S106、当S103检测到的续流时间大于S102检测到的续流时间时，将启动脉冲切换到S101步骤中所述相的相邻相。

S107、重复S102至S106，直至电机完成启动。

具体地，启动脉冲是占空比小于50%的周期脉冲，这样使得启动脉冲在一个周期中的关断时间长于开启时间。

进一步地，在启动脉冲关断时进行定子线圈续流时间检测，这样检测避免了启动脉冲开启时对续流检测的干扰，实践中启动脉冲的占空比越小，对续流的检测时间就越精确；但启动脉冲的占空比太小，也容易造成驱动力矩不够的问题；所以要根据实际情况灵活调试最佳的占空比，以同时满足上述要求。。

如图2～6所示，以6/4结构的开关磁阻电机为例，该电机由定子，转子和A,B,C三相绕组组成。绕组电感与转子位置的关系如图4所示，转子凸极中心与定子凸极中心对齐时，相电感为最大值Lmax，转子凸极中心与定子槽中心对齐时，相电感为最小值Lmin，转子凸极中心接近定子凸极中心时，相电感上升，转子凸极中心远离定子凸极中心时，相电感下降。

当电机启动时，电机转子处于的任意非对齐位置，如图3所示。由于转子凸极所处的位置不同，导致绕组的相电感不同，所以随着转子位置的不同，绕组的驱动电流有不同的上升特性，进而有不同的续流时间，如图4所示。由于马达使用电压类型且使用较低的占空比的周期脉冲来进行启动，所以可以利用脉冲OFF（脉冲关断）时刻来检查马达线圈续流情况；因为马达续流时间长短与马达线圈电感有关，而马达的线圈电感又与马达转子和定子的相对位置相关，所以可以通过检测马达线圈的续流情况来检测马达转子和定子的相对位置。实际中当电机还未启动之前，电机处于任意位置；通过给任意相（比如A相）施加固定占空比的电压启动脉冲激励，马达转子将会趋向于与A相定子对齐，在此对齐过程中，不断检测A相启动脉冲OFF时刻的线圈续流时间，期间马达电感将逐渐变大，同时线圈续流时间也将会单调变化，直至马达转子与A相定子对齐，如图2所示。由于马达转子所具有的质量惯性，马达转子将会越过对齐位置继续转动，但此时A相马达线圈的电感将会由对齐位置的最大值变为逐渐减小，对应电感的变化，马达的线圈续流时间也将出现与对齐之前相反的变化，在检测程序中一旦检测到这个相反的变化，即可判定马达转子与A相定子对齐；到此为止，已经准确地确定了马达转子的位置，随后即可给对应的B相线圈施加同样的电压启动脉冲激励，按照同样的检测过程，待B相转子与定子对齐之后，即可给C相线圈施加同样的检测过程，如此，在通过连续的几次换向之后，开关磁阻马达即可转入正常的运行状态，自此，马达完成启动过程。

上述基于转子相对定子位置的变化会引起绕组电感的变化，进而表现在绕组续流时间的变化上。通过给任意相施加具有高频成分的电压启动脉冲激励，且同时检测绕组续流时间的变化，可以确定转子与定子的相对对齐位置，随后以同样方式激励下一相，如此循环，待达到预定转速阈值后即完成启动过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无位置传感器的开关磁阻电机启动装置，其特征在于：包括：

用于向定子线圈发送启动脉冲的启动脉冲发生单元；

用于检测定子线圈中续流时间的检测单元；

用于在各定子线圈中切换发送所述启动脉冲的切换单元；

控制所述启动脉冲发生单元并对所述检测单元检测到的所述定子线圈中的续流时间进行比较处理后再根据比较结果控制所述切换单元的控制单元，所述检测单元是在所述启动脉冲关断时进行定子线圈续流检测的检测单元；

所述控制单元与所述启动脉冲发生单元电连接；所述控制单元与检测单元电连接；所述控制单元与所述切换单元电连接。

2.如权利要求1所述的开关磁阻电机启动装置，其特征在于：所述启动脉冲是占空比小于50％的周期脉冲。

3.如权利要求1所述的开关磁阻电机启动装置，其特征在于：所述控制单元是在所述定子线圈中的续流时间由减小变为增大的瞬间输出信号以控制所述切换单元进行定子通电切换的控制单元。

4.如权利要求1至3任一项所述的开关磁阻电机启动装置，其特征在于：所述控制单元是单片机。

5.如权利要求1至3任一项所述的开关磁阻电机启动装置，其特征在于：所述控制单元是CPLD。

6.如权利要求1至3任一项所述的开关磁阻电机启动装置，其特征在于：所述控制单元是FPGA。

7.一种应用权利要求1所述的无位置传感器的开关磁阻电机启动装置的启动方法，其特征在于：包括以下步骤：

S101、向开关磁阻电机任一相发送启动脉冲；

S102、检测并存储该相在所述启动脉冲的一个周期内的续流时间；

S103、检测并存储该相在所述启动脉冲的下一周期内的续流时间；

S104、将S102、S103所检测到的续流时间进行比较；

S105、当S103检测到的续流时间小于S102检测到的续流时间时，返回S102；

S106、当S103检测到的续流时间大于S102检测到的续流时间时，将所述启动脉冲切换到S101步骤中所述相的相邻相；

S107、重复S102至S106，直至电机完成启动。

8.如权利要求7所述的无位置传感器的开关磁阻电机启动装置的启动方法，其特征在于：所述启动脉冲是占空比小于50％的周期脉冲。

9.如权利要求8所述的无位置传感器的开关磁阻电机启动装置的启动方法，其特征在于：在所述启动脉冲关断时进行定子线圈续流时间检测。