CN104348385A

CN104348385A - 一种双凸极电机无位置起动方法

Info

Publication number: CN104348385A
Application number: CN201410559568.7A
Authority: CN
Inventors: 周兴伟; 周波; 郭鸿浩
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2034-10-20
Also published as: CN104348385B

Abstract

本发明公开了一种双凸极电机无位置起动方法，首先，在双凸极电机静止时，依次对电机的A、B、C三相中的任意两相输入幅值、时间均相等的检测脉冲，并且在脉冲结束时刻采集相应两相的响应电流，获取对应的三个响应电流，其次，划分扇区，比较三个响应电流，判断三个响应电流的大小，根据三个响应电流之间的差值与预先设定的阀值进行比较，根据比较结果定义电机转子所在扇区的类型及排序，其中扇区的类型分为普通扇区和边界扇区，最后，根据电机转子所在的扇区类型及三相响应电流的关系，确定电机的起动方式。无需增加额外电路，通过检测响应电流及设定阀值将转子位置分为3个普通扇区和3个边界扇区，方法简单可靠。

Description

一种双凸极电机无位置起动方法

技术领域

本发明属于双凸极电机控制技术领域，具体涉及一种双凸极电机无位置起动方法。

背景技术

双凸极电机作为一种新型特种电机，具有结构简单，控制灵活，可实现启动/发电一体化等优点，因此受到广泛关注。准确的位置信息是双凸极电机可靠运行的前提，一般系统中采用霍尔传感器获得准确的转子位置信息，霍尔传感器的安装一方面增加了系统体积，提高系统的成本及复杂程度，另一方面也限制了双凸极电机的应用场合。因此双凸极电机的无位置传感器控制具有较大的研究意义。

在电机转速较高时可以通过反电势或磁链观测判断转子所在位置，而在启动阶段转速低，反电势较小，难以检测，因此双凸极电机的无位置启动是其无位置运行的关键。

程明等公开的“双凸极电机无位置传感器控制的启动方法”(中国，公开日：2011年12月21日，公开号：102291070A)专利中研究了一种双凸极电机无位置控制方法，该方法在低速阶段通过给每种定子绕组组合方式注入幅值、时间相同的脉冲，通过比较响应电流确定转子的初始位置，根据位置确定逆变器的导通使得电机按照给定方向旋转。该方法没有考虑当转子处于扇区边界时，电流响应相差很小，难以通过电流响应关系准确判断转子所在扇区的情况，当转子位于扇区边界时易启动失败或反转。

赵耀等公开的“一种基于电感法的三相电励磁双凸极电机启动升速无位置技术”(中国，公开日：2013年5月1日，公开号：103078586A)专利中提出了一种双凸极电机低速无位置控制方法，该方法在静止时不加励磁电流，给电枢绕组注入固定周期的电压脉冲信号判断转子所在扇区，升速时采集斩波时电枢电流上升的斜率计算两相串联绕组与励磁绕组互感之和进行双凸极电机无位置升速。该方法在静止时检测转子位置没有考虑转子位于扇区边界的情况，容易导致电机启动时的振荡，加速过程需要实时精确检测电枢电流，换向时刻的确定依赖延迟角度的选取，受参数影响较大，实施过程较为复杂。

张海波等公开的“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”(中国，公开日：2013年8月7日，公开号：103236807A)专利提出了一种电励磁双凸极电机转子位置辨识方法，通过多次注入脉冲来检测非注入相端电压判断转子所在位置。该方法在起动时将转子位置按平均每60°划分为一个扇区，这样的划分方法不符合双凸极电机反电势规律，依据这种划分方法采取的三相六状态的起动策略并不能实现双凸极电机的最大出力，且该专利提出的转子位置判断方法需要多次注入脉冲进行判断，对电压检测精度要求较高，实施过程较为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种双凸极电机无位置起动方法,解决了现有技术中该类电机在扇区边界易启动失败、需要较高的电压电流检测精度的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种双凸极电机无位置起动方法，包括如下步骤：

步骤1、在双凸极电机停止时，依次对电机的A、B、C三相中的任意两相输入幅值、时间均相等的检测脉冲，并且在脉冲结束时刻采集相应两相的响应电流，获取对应的三个响应电流，分别为AB相绕组串联时的响应电流、BC相绕组串联时的响应电流、CA相绕组串联时的响应电流；

步骤2、划分扇区，比较三个响应电流，判断三个响应电流的大小，根据三个响应电流之间的差值与预先设定的阀值进行比较，根据比较结果定义电机转子所在扇区的类型及排序，其中扇区的类型分为普通扇区和边界扇区；

步骤3、根据电机转子所在的扇区类型及三相响应电流的关系，确定电机的起动方式。

所述步骤2中定义电机转子所在扇区的类型及排序的具体方法如下：

首先，比较三个响应电流，若三个响应电流中两两响应电流之差均大于或等于设定阀值，则定义此时转子所在的扇区为普通扇区；若存在任意两响应电流的差值小于设定阀值，且第三个响应电流大于该任意两响应电流，则定义此时转子位于边界扇区；否则，视为检测错误，重新执行步骤1。

所述步骤3中，如电机转子位于普通扇区内，电机的起动方式为：

如果最小响应电流为CA相绕组串联时的响应电流，则A相通正向电压C相通负向电压，如果最小响应电流为AB相绕组串联时的响应电流，则B相通正向电压A相通负向电压，如果最小响应电流为BC相绕组串联时的响应电流，则C相通正向电压B相通负向电压。

所述步骤3中，如电机转子位于边界扇区内，电机的起动方式为：

如果AB绕组串联的响应电流与BC绕组串联的响应电流差值小于设定阀值，则C相通正电压A相通负电压，如果BC绕组串联的响应电流与CA绕组串联的响应电流差值小于设定阀值，则A相通正电压B相通负电压，如果CA绕组串联的响应电流与AB绕组串联的响应电流差值小于设定阀值，则B相通正电压C相通负电压。

所述扇区分为3个普通扇区及3个边界扇区，所述普通扇区与边界扇区依次间隔设置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、无需增加额外电路，通过检测响应电流及设定阀值将转子位置分为3个普通扇区和3个边界扇区，方法简单可靠。

2、通过普通扇区边界扇区的导通策略能够使得电机在任意位置能够无反转启动。

3、该方法可移植性较好，同时适用于电励磁双凸极电机及永磁双凸极电机。

附图说明

图1为双凸极电机及其控制拓扑结构图。

图2为双凸极电机三相自感随位置变化曲线。

图3为本发明实施流程图。

图4为AB相串联注入检测脉冲等效电路图。

图5为不同电感下注入检测脉冲的响应电流变化曲线。

图6为双凸极电机两相绕组串联自感随位置变化曲线。

图7为转子位于普通扇区内的流程图。

图8为转子位于边界扇区时的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

本发明的系统结构框图如图1所示，主要包括：双凸极电机、三相全桥逆变器、控制电路、采样调理电路；双凸极电机的运行遵循“电感上升区通正电、下降区通负电”的原则，其相电感曲线与基本导通方法如图2所示；本专利的实施流程图如图3所示。

通过三相逆变器给AB、BC、CA绕组组合方式注入低压检测脉冲，通过比较响应电流的大小关系判断转子位于普通扇区或扇区边界，根据相应的导通策略相启动电机。

具体实施步骤如下：

具体控制过程如下：通过三相逆变器对AB、BC、CA绕组组合方式注入幅值为Udc、时间为t₀的低压检测脉冲，通过电流传感器检测脉冲结束时的响应电流。

(1)如图1所示，控制器开通Q₁、Q₄，对AB绕组组合注入检测脉冲，在检测脉冲结束时刻检测电流响应I_AB；

(2)控制器开通Q₃、Q₆，对BC绕组组合注入检测脉冲，在检测脉冲结束时刻检测电流响应I_BC；

(3)控制器开通Q₅、Q₂，对CA绕组组合注入检测脉冲，在检测脉冲结束时刻检测电流响应I_CA。

AB相注入检测脉冲等效电路如图4所示，其电流响应为同理可得BC相、CA相电流响应分别为其中R为相绕组内阻，τ₁、τ₂、τ₃为时间常数，

τ_{1} = \frac{L_{A} + L_{B}}{2 R}, τ_{2} = \frac{L_{B} + L_{C}}{2 R}, τ_{3} = \frac{L_{C} + L_{A}}{2 R} .

步骤2、划分扇区，比较三个响应电流，判断三个响应电流的大小，根据三个响应电流之间的差值与预先设定的阀值进行比较，根据比较结果定义电机转子所在扇区的类型及排序，其中扇区的类型分为普通扇区和边界扇区；所述扇区分为3个普通扇区及3个边界扇区，所述普通扇区与边界扇区依次间隔设置。

考虑电流检测精度，设定阀值ε，如果响应电流大小的差值小于此阀值，则认为此时不能判断响应电流的大小关系。如图5所示，根据电感越大、时间常数越大、电流上升越慢、脉冲结束时响应电流越小的原理，通过比较脉冲结束时响应电流的大小关系确定转子所在位置。如果能比较出最小响应电流，即最小响应电流与其他响应电流差值大于ε，则此时转子位于普通扇区内，以转子位于普通扇区的启动方法启动电机。

若电机处于普通扇区内，按流程图7起动电机，如果最小响应电流为CA相绕组串联时的响应电流，则A相通正向电压C相通负向电压，如果最小响应电流为AB相绕组串联时的响应电流，则B相通正向电压A相通负向电压，如果最小响应电流为BC相绕组串联时的响应电流，则C相通正向电压B相通负向电压。

所述步骤3中，如电机转子位于边界扇区内，按流程图8起动电机，起动方式为：

具体实施例如下：

以I_AB最小为例，当响应电流满足条件：I_BC-I_AB>ε、I_CA-I_AB>ε，根据图6可以判断出转子处于扇区2中，根据双凸极电机“电感上升区通正电，下降区通负电”的原则，如图1所示，此时开通开关管Q₃和Q₂，B相通入正电压，A相通入负电压，能够顺利启动电机。当I_BC、I_CA最小时有类似的启动方法，具体响应电流与导通方法关系如表1所示。

表1转子位于普通扇区时的启动策略

响应电流最小相	响应电流关系	转子所在位置	导通策略	导通开关管
					I_CA	I_AB-I_CA>ε、I_BC-I_CA>ε	普通扇区1	A+C-	Q₁、Q₆
I_AB	I_BC-I_AB>ε、I_CA-I_AB>ε	普通扇区2	B+A-	Q₃、Q₂
					I_BC	I_AB-I_BC>ε、I_CA-I_BC>ε	普通扇区3	C+B-	Q₅、Q₄

如果不能比较出最小响应电流，即较小响应电流的差值小于ε，此时转子处于扇区边界处，如果按照步骤4的导通策略，可能导致电机反转或启动失败。例如：当转子实际位于扇区1内但很接近扇区2时，如果判断出转子位于扇区2，导通B+A-，根据双凸极电机相转矩计算公式：

T_{p} = \frac{1}{2} i_{p}^{2} \cdot \frac{d L_{p}}{d_{θ}} + i_{p} \cdot i_{f} \cdot \frac{d L_{pf}}{d_{θ}} - - - (4)

式(4)中i_P(P＝A、B、C)为电枢电流、L_P和L_Pf分别为相绕组自感、相绕组与励磁绕组之间的互感。若此时导通B+A-，根据式(4)，则相转矩T_B＝0、T_A<0，合成转矩T_A+T_B<0，电机反转或启动失败。考虑到转子可能位于扇区边界处，本发明专利提供了一种考虑转子位于扇区边界处时的导通策略。当转子位于图5所示的边界扇区时，以转子位于边界扇区2为例，则此时响应电流I_BC最大，I_AB与I_CA差值小于设定阀值ε，即响应电流满足关系I_BC-I_AB>ε、I_BC-I_CA>ε、|I_CA-I_AB|<ε。此时不能准确判断出转子所在的准确扇区，但可判断出转子位于边界扇区2处，如图1所示，此时开通Q₃、Q₆，给B相通入正电，C相通入负电，根据转矩计算公式(4)，若转子实际处于扇区1，则T_B＝0、T_C>0，合成转矩T_B+T_C>0；若处于扇区2，则T_B>0、T_C＝0，合成转矩T_B+T_C>0。可以看出在边界扇区2时，导通B+C-能产生正的转矩，使得电机顺利启动。位于其他边界扇区时有类似的导通策略，其具体响应电流与导通策略如表2所示。

表2转子位于边界扇区时启动策略

响应电流关系	转子所在位置	导通相	导通开关管
				I_BC-I_AB>ε、I_BC-I_CA>ε、\|I_CA-I_AB\|<ε	边界扇区2	B+C-	Q₃、Q₆
I_CA-I_AB>ε、I_CA-I_BC>ε、\|I_AB-I_BC\|<ε	边界扇区3	C+A-	Q₅、Q₂
				I_AB-I_BC>ε、I_AB-I_CA>ε、\|I_BC-I_CA\|<ε	边界扇区1	A+B-	Q₁、Q₄

Claims

1.一种双凸极电机无位置起动方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的双凸极电机无位置起动方法，其特征在于：所述步骤2中定义电机转子所在扇区的类型及排序的具体方法如下：

3.根据权利要求1所述的双凸极电机无位置起动方法，其特征在于：所述步骤3中，如电机转子位于普通扇区内，电机的起动方式为：

4.根据权利要求1所述的双凸极电机无位置起动方法，其特征在于：所述步骤3中，如电机转子位于边界扇区内，电机的起动方式为：

5.根据权利要求1所述的双凸极电机无位置起动方法，其特征在于：所述扇区分为3个普通扇区及3个边界扇区，所述普通扇区与边界扇区依次间隔设置。