CN104767430B - 一种基于母线电流采样的开关磁阻电机系统及其绕组电流获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于母线电流采样的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、功率变换器、转速检测装置、电流传感器以及控制器；本发明通过对SRM系统的相电流进行分析，讨论了不同开通区间对相电流波形的影响，分析了电流斩波区间内相电流重叠和不重叠两种情况。针对相电流重叠的情况，采用双高频脉冲注入重叠区间内的各相下管，并在脉冲低电平触发A/D采样，对直流母线电流进行分解，实现了注入高频脉冲频率与A/D采样频率的高度同步，结合各相开通区间信息，可以有效地重构各相导通区间内的相电流，减少传感器的使用数量，大大减少系统成本与体积，使得产品更加紧凑，消除了由于各相单独电流传感器增益不相等造成的压降不均衡问题。

Description

一种基于母线电流采样的开关磁阻电机系统及其绕组电流获 取方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于母线电流采样的开关磁阻电机系统及其绕组电流获取方法。

背景技术

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)是20世纪80年代发展起来的一种微型电机，作为一种结构简单、鲁棒性好、价格便宜的新型调速系统，问世不久便引起了各国电气传动界的广泛重视，成为80年代最热门的调速电动机之一，90年代以后，逐渐形成了理论研究与实际应用并重的发展态势。近几十年来，伴随着电子学和微电子学迅速发展，开关磁阻电机成为一种新型可控交流调速系统。如图1所示，该系统由双凸极式磁阻电机、功率变换器、位置传感器、电流传感器和控制器组成，是机电一体化的调速驱动装置。它具有结构简单、造价低廉、机体坚固、可靠性高、调速范围广等优点，在工业应用中受到青睐。

开关磁阻电机系统(Switched Reluctance Motor Drive，SRD)中，开关磁阻电机是该系统中实现机电能量装换的部件，也是SRD有别于其他电机系统的主要标志。功率变换器向SRM提供运转所需要的能量，由蓄电池或者交流电整流后得到的直流电供电。如图2所示，功率变换器采用的是不对称半桥型结构，由于其各相绕组之间相互独立、容错性能好、稳定性强的特点而广泛应用。位置检测模块是用来检测SRM转子的位置；电流检测模块则是用于检测SRM绕组中的各相电流；控制器模块是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号、位置传感器和电流传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SRM运行状态的控制。

开关磁阻电机的可控量包括加在绕组两端的电压U_s、相电流i_k、开通角θ_on和关断角θ_off。针对以上可控变量的控制方式一般可以分为三种，即角度位置控制方式(APC)、电流斩波控制方式(CCC)和电压斩波控制方式(CVC)。电机在中高度运行时，一般采用角度位置控制方式，即APC方式。而在电机低速(一般是指在额定转速的40％以下)、制动运行或者是启动时，一般是采用电流斩波控制方式，即CCC方式。

图4和图5分别显示了SRM电流斩波控制示意图和该过程中一相绕组电流的变化情况。CCC控制是对各相开通区间内的相电流进行斩波控制，由于开通区间大小不同，各相电流会在其开通区间内出现两相电流重叠和不重叠的情况，如图6和图7所示；即使在整个电感上升区间导通，最多也只会出现两相电流重叠的情况，其中S1和S2是A相上管和下管的驱动信号，S7和S8是D相上管和下管的驱动信号，S3和S4是B相上管和下管的驱动信号，i_a，i_b和i_d分别对应A相，B相和D相的相电流。CCC方式是针对开通区间内的电流进行斩波控制，因此需要开通区间内(即图3(a)-(b)阶段)的电流信息，而不需要续流区间内(即图3(c)阶段)的电流信息。

为了获得所需要的电流信息，必须要对绕组中的电流进行检测，一般是采用霍尔电流传感器来检测各相绕组电流，将其送至控制器进而实现对电机的控制。而常用的方法便是在每相绕组上分别放置一个电流传感器来进行电流采样，以获得比较准确的采样电流(如图8所示)，在多相开关磁阻电机中，这必然引起电流传感器数量、系统体积以及系统成本的增加，也会导致由于各相单独电流传感器增益不相等造成的压降不平衡等问题。

发明内容

针对多相电流传感器所带来的系统体积以及成本的增加等问题，本发明提供了一种基于母线电流采样的开关磁阻电机系统及其绕组电流获取方法，无需额外硬件电路，只需一个电流传感器对母线电流进行采样，结合对各相位置区间的判断，在两相重叠开通区间内分别向各下管注入两种具有一定相位差的高频脉冲，从而对母线电流进行分解，达到重构各相电流的目的。

一种基于母线电流采样的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、功率变换器、转速检测装置、电流传感器以及控制器；其中：所述的开关磁阻电机具有四相定子绕组L_a～L_d；所述的功率变换器用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；所述的转速检测装置用于检测开关磁阻电机的转子位置角进而计算出开关磁阻电机的转速；所述的电流传感器用于检测功率变换器的母线电流；所述的控制器根据母线电流以确定开关磁阻电机各相定子绕组的绕组电流，进而基于绕组电流、转子位置角和转速，通过相应控制算法为功率变换器中的功率开关器件提供PWM信号。

所述的功率变换器包括八个二极管D1～D8、八个开关管S1～S8和一直流母线电容；其中，直流母线电容的一端与开关管S1的一端、开关管S3的一端、开关管S5的一端、开关管S7的一端、二极管D1的阴极、二极管D3的阴极、二极管D5的阴极和二极管D7的阴极共连并接外部直流电压源的正极，开关管S1的另一端与定子绕组L_a的一端和二极管D2的阴极相连，开关管S3的另一端与定子绕组L_b的一端和二极管D4的阴极相连，开关管S5的另一端与定子绕组L_c的一端和二极管D6的阴极相连，开关管S7的另一端与定子绕组L_d的一端和二极管D8的阴极相连，定子绕组L_a的另一端与二极管D1的阳极和开关管S2的一端相连，定子绕组L_b的另一端与二极管D3的阳极和开关管S4的一端相连，定子绕组L_c的另一端与二极管D5的阳极和开关管S6的一端相连，定子绕组L_d的另一端与二极管D7的阳极和开关管S8的一端相连，开关管S2的另一端、开关管S4的另一端、开关管S6的另一端和开关管S8的另一端共连并接电流传感器的一端，直流母线电容的另一端与电流传感器的另一端、二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、二极管D6的阳极和二极管D8的阳极共连并接外部直流电压源的负极，八个开关管S1～S8的控制极接收控制器提供的PWM信号。

所述的八个开关管S1～S8均采用CoolMOS管。

所述的八个二极管D1～D8均采用快恢复二极管。

上述开关磁阻电机系统的绕组电流获取方法，如下：

当各相绕组电流在各自开通区间内没有出现两相电流重叠的情况时，电流传感器检测到的母线电流即为当前唯一导通相的绕组电流；

当各相绕组电流在各自开通区间内出现两相电流重叠的情况时，电流传感器检测到的母线电流为当前两导通相的绕组电流之和，在两相电流重叠区间内分别向当前两导通相定子绕组另一端所连的开关管注入两种具有一定相位差且占空比超过95％的高频脉冲，进而在高频脉冲低电平时触发A/D采样以对母线电流进行分解，即能得到当前两导通相各自的绕组电流。

本发明通过对SRM系统的相电流进行分析，讨论了不同开通区间对相电流波形的影响，分析了电流斩波区间内相电流重叠和不重叠两种情况。针对相电流重叠的情况，采用双高频脉冲注入重叠区间内的各相下管，并在脉冲低电平触发A/D采样，对直流母线电流进行分解，实现了注入高频脉冲频率与A/D采样频率的高度同步，结合各相开通区间信息，可以有效地重构各相导通区间内的相电流。相比于传统的绕组电流采样方法，本发明利用一个电流传感器检测变换器的母线电流，可以减少传感器的使用数量，大大减少系统成本与体积，使得产品更加紧凑，消除了由于各相单独电流传感器增益不相等造成的压降不均衡问题。

附图说明

图1为四相8/6极开关磁阻电机驱动系统结构示意图。

图2为四相SRM不对称半桥型功率变换器结构示意图。

图3(a)～(c)分别为SRM功率转换器某一相运行时三个阶段的原理示意图。

图4为SRM电流斩波控制结构示意图。

图5为SRM电流斩波电流波形示意图。

图6为SRM开通区间内两相不重叠时波形示意图。

图7为SRM开通区间内两相有重叠时波形示意图。

图8为传统的相电流采样结构示意图。

图9为本发明单母线电流采样的传感器放置位置示意图。

图10(a)为A相和D相在重叠区高频信号注入和A/D采样示意图。

图10(b)为A相和B相在重叠区高频信号注入和A/D采样示意图。

图11为四相电流重构逻辑示意图。

图12为本发明四相8/6极开关磁阻电机系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。

如图12所示，本发明基于母线电流采样的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、功率变换器、速度检测装置、电流检测装置以及控制器；开关磁阻电机具有四相定子绕组，变换器为各定子绕组励磁；

如图9所示，本实施方式变换器包括电源E、直流电容C、八个开关管S1～S8以及八个二极管D1～D8；其中，电源U_dc的正极与直流电容C的一端、开关管S1的一端、二极管D1的阴极、开关管S3的一端、二极管D3的阴极、开关管S5的一端、二极管D5的阴极、开关管S7的一端以及二极管D7的阴极相连，电源U_dc的负极与直流电容C的另一端、电流传感器的一端、二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、二极管D6的阳极以及二极管D8的阳极相连，开关管S1的另一端与定子绕组A的一端和二极管D2的阴极相连，二极管D1的阳极与定子绕组A的另一端和开关管S2的另一端相连，开关管S3的另一端与定子绕组B的一端和二极管D4的阴极相连，二极管D3的阳极与定子绕组B的另一端和开关管S4的另一端相连，开关管S5的另一端与定子绕组C的一端和二极管D6的阴极相连，二极管D5的阳极与定子绕组C的另一端和开关管S6的另一端相连，开关管S7的另一端与定子绕组D的一端和二极管D8的阴极相连，二极管D7的阳极与定子绕组D的另一端和开关管S8的另一端相连，电流传感器的另一端与开关管S2的另一端、开关管S4的另一端、开关管S6的另一端以及开关管S8的另一端相连，八个开关管S1～S8的控制极均接收控制器提供的驱动信号。

本实施方式采用的四相SRM的不对称半桥型功率变换器结构如图2所示，各相桥臂共使用两个功率开关管，各相之间相互独立，容错性能好，稳定性强。考虑到减小转矩脉动，降低开关损耗，提高系统效率，实际应用中常采用单管斩波的方式，A相导通阶段，下管S2保持开通，上管S1实行斩波控制，电源向绕组供电，当上管开通时，绕组两端承受正电压U_dc，如图3(a)，当上管关断时，绕组两端电压为零，如图3(b)；续流阶段S1、S2均关断，电流通过续流二极管D1和D2进行续流，绕组两端承受负电压-U_dc，如图3(c)。

SRM的母线电流由各相电流叠加而成，由于开通区间大小不同，各相电流会在其开通区间内出现两相电流重叠和不重叠的情况。但是，如图6和图7所示，即使在整个电感上升区间导通，最多也只会出现两相电流重叠的情况。图中S1和S2是A相上管和下管的驱动信号，S7和S8是D相上管和下管的驱动信号，S3和S4是B相上管和下管的驱动信号，i_a，i_b和i_d分别对应A相，B相和D相的相电流。

以A相的相电流为例进行分析。图6为开通区间内两相不重叠的情况，开通角为θ₁，关断角为θ₄'，满足：

θ₄'≤θ₁+15° (1)

图6中①为A相导通区间，②为A相续流区间。A相下管信号S2与D相下管信号S8和B相下管信号S4均不存在重叠区域，在转子位置θ₁～θ₄'区间内仅存在A相的开通电流和D相的续流电流，其中开通电流为可控电流，续流电流为不可控电流。CCC方式是针对开通区间内的电流进行斩波控制，需要开通区间内的电流信息，即图3(a)-(b)阶段，而不需要续流区间内的电流信息，即3(c)阶段。若采样母线电流不包含续流区间的电流，θ₁～θ₄'区间内的母线电流即为A相的相电流，根据各相转子位置信息，就可以重构出各相开通区间内的相电流。对于导通区间内相电流不重叠情况，CCC可以直接对采样母线电流进行斩波控制。

如图7所示，为开通区间内两相重叠的情况，开通角为θ₁，关断角为θ₄，满足：

θ₄＞θ₁+15° (2)

由于各相电流的开通角和关断角相同，所以重叠区域①③的位置区间均为△θ，①②③对应A相开通区间。同样，若采样母线电流不包含续流区间内的电流，其中θ₁-θ₂区间内为A相和D相电流重叠区域，母线电流为A、D两相电流之和，θ₂-θ₃区间内的母线电流只包含A相电流，θ₃-θ₄区间内为A相和B相电流重叠区域，母线电流为A、B两相电流之和，θ₄-θ₅区间内的A相电流为续流电流，母线电流仅包含B相电流。所以θ₁-θ₅区间内的母线电流可以表示为：

如图8所示，传统的相电流采样是在每相绕组上放置分别放置一个电流传感器，利用A/D采样通道对每相电流同时进行采样。但是，这种方法所需的传感器数量较多，占用的空间较大。

本实施方式采用的是直流母线电流采样方法，通过对各相开通区间的母线电流进行分解，重构各相电流信号。如图9所示，将所有下续流二极管的正极接在一起，接入母线侧，然后将下管的末端接在一起，经电流传感器接入母线侧，这样下母线电流就不包含各相续流电流，仅为各相导通区间内的电流之和。

各相下管的开关函数定义为：

由相电流和下管开关函数，直流母线电流为：

i_dc＝i_aS₂+i_bS₄+i_cS₆+i_dS₈ (5)

不同开通状态下，各相顺序导通时的母线电流如表1所示，其中包含A相电流的母线电流最多有3种开关状态。

表1

若开通区间内两相电流不重叠，各相开通区间内的母线电流即为相电流，无注入高频脉冲，可在各相开通区间直接提取相电流信息。若开通区间内两相电流重叠，以A相电流重构为例，如公式(3)，θ₁-θ₂区间内母线电流为A、D两相电流之和，如果在A和D相重叠区间θ₁-θ₂内将D相下管关断，此时的母线电流即为A相电流，如果将A相下管关断，此时的母线电流即为D相电流；非重叠区间θ₂-θ₃内母线电流就是A相电流；θ₃-θ₄区间内母线电流为A、B两相电流之和，如果在A和B相重叠区间θ₃-θ₄内将B相下管关断，此时的母线电流即为A相电流，如果将A相下管关断，此时的母线电流即为B相电流。

所以重叠区间θ₁-θ₂内的母线电流可以表示为：

重叠区间θ3-θ4内的母线电流可以表示为：

基于以上分析，为重构A相电流信号，分别向重叠区域①③内的D相下管和B相下管注入占空比很大的高频脉冲信号PWM_1，并在PWM_1脉冲低电平中间进行采样，这样就可以重构①③区间内的A相电流，由于②区间内的母线电流就是A相电流，所以将①②③区间内的电流在时域上进行合并，就是A相开通区间内的相电流；为了重构①区间内的D相电流和③区间内的B相电流，同时需要向①和③区间内的A相下管注入和PWM_1占空比相同，并存在一定相位差的高频脉冲信号PWM_2，并在PWM_2脉冲低电平中间进行采样。

在整个A相开通区间内，双高频脉冲注入和A/D采样方式如图10，其中，△t为PWM_1和PWM_2的时间偏移。取△t为PWM_1周期的一半，△t可以表示为：

PWM的占空比D表示为：

其中，ton和toff分别为一个高频脉冲周期的开通和关断时间。

为了可以获得更加准确的各相采样电流，注入的PWM频率和占空比应该足够大。但是由于电流传感器的检测能力有限制，最大的占空比应当被限制在一定的范围之内。

图11为四相电流重构逻辑图，分别向B相和D相下管注入高频脉冲PWM_1，同时向A相和C相下管注入高频脉冲PWM_2，就可实现ABCD各相开通区间内的相电流重构。图中，代表在AB两相重叠开通区间内，向B相下管注入高频脉冲PWM_1，同时在其低电平触发A/D1通道采样，进行A相电流的重构；代表在AB两相重叠开通区间内，向A相下管注入和PWM_1偏移△t时间的高频脉冲PWM_2，同时在其低电平触发A/D2通道采样，进行B相电流的重构。

根据以上分析,各相电流斩波区间内的重构相电流可以表示为：

其中，i_{a_re}、i_{b_re}、i_{c_re}、i_{d_re}分别为各相重构相电流，i_{dc_a}、i_{dc_b}、i_{dc_c}、i_{dc_d}分别为双高频脉冲注入后的各相母线采样电流，i_{dc_a}＝i_{dc_c}，i_{dc_b}＝i_{dc_d}。

由于PWM_1和PWM_2为高频脉冲，且占空比很大，其低电平时间t_off非常小，所以，采用高频脉冲注入的方式进行各相电流重构，只要占空比选的足够大，对相电流的波形影响很小。重构的相电流可以直接用来进行电流控制。

Claims (1)

1.一种基于母线电流采样的开关磁阻电机系统的绕组电流获取方法，所述开关磁阻电机系统包括开关磁阻电机、功率变换器、转速检测装置、电流传感器以及控制器；其特征在于：所述的开关磁阻电机具有四相定子绕组L_a～L_d；所述的功率变换器用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；所述的转速检测装置用于检测开关磁阻电机的转子位置角进而计算出开关磁阻电机的转速；所述的电流传感器用于检测功率变换器的母线电流；所述的控制器根据母线电流以确定开关磁阻电机各相定子绕组的绕组电流，进而基于绕组电流、转子位置角和转速，通过相应控制算法为功率变换器中的功率开关器件提供PWM信号；

所述的功率变换器包括八个二极管D1～D8、八个开关管S1～S8和一直流母线电容；其中，直流母线电容的一端与开关管S1的一端、开关管S3的一端、开关管S5的一端、开关管S7的一端、二极管D1的阴极、二极管D3的阴极、二极管D5的阴极和二极管D7的阴极共连并接外部直流电压源的正极，开关管S1的另一端与定子绕组L_a的一端和二极管D2的阴极相连，开关管S3的另一端与定子绕组L_b的一端和二极管D4的阴极相连，开关管S5的另一端与定子绕组L_c的一端和二极管D6的阴极相连，开关管S7的另一端与定子绕组L_d的一端和二极管D8的阴极相连，定子绕组L_a的另一端与二极管D1的阳极和开关管S2的一端相连，定子绕组L_b的另一端与二极管D3的阳极和开关管S4的一端相连，定子绕组L_c的另一端与二极管D5的阳极和开关管S6的一端相连，定子绕组L_d的另一端与二极管D7的阳极和开关管S8的一端相连，开关管S2的另一端、开关管S4的另一端、开关管S6的另一端和开关管S8的另一端共连并接电流传感器的一端，直流母线电容的另一端与电流传感器的另一端、二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、二极管D6的阳极和二极管D8的阳极共连并接外部直流电压源的负极，八个开关管S1～S8的控制极接收控制器提供的PWM信号；

所述的八个开关管S1～S8均采用CoolMOS管，所述的八个二极管D1～D8均采用快恢复二极管；

所述绕组电流获取方法如下：

当各相绕组电流在各自开通区间内没有出现两相电流重叠的情况时，电流传感器检测到的母线电流即为当前唯一导通相的绕组电流；

当各相绕组电流在各自开通区间内出现两相电流重叠的情况时，电流传感器检测到的母线电流为当前两导通相的绕组电流之和，在两相电流重叠区间内分别向当前两导通相定子绕组另一端所连的开关管注入两种具有一定相位差且占空比超过95％的高频脉冲，进而在高频脉冲低电平时触发A/D采样以对母线电流进行分解，即能得到当前两导通相各自的绕组电流。