CN105262383B - 航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法 - Google Patents

航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,通过在航空开关磁阻起动/发电机同轴安装一个与其定子、转子齿极数相同的开关磁阻电机作为位置检测器,即同轴安装开关磁阻式位置检测器,该位置检测器通过高频低压脉冲注入并对相电流进行数字低通滤波处理,实现各相电感标幺值的估计,从而利用相电感与转子位置角之间的对应关系来获取其转子位置信号,为航空开关磁阻起动/发电机提供精确可靠的位置和转速信息。能适应高温、高速及油污等恶劣运行环境,具有极高的检测精度和可靠性,检测系统结构简单、坚固安全、成本较低,检测输出响应灵敏、高效,特别适用于航空开关磁阻起动/发电机高温高速时的位置检测。

Description

航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测方法,特别是涉及一种航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,属于电机信号检测技术领域。
背景技术
转速检测是旋转电机实现转速闭环控制的必要环节。对于开关磁阻电机、无刷直流电机等现代调速电机的控制而言,不但需要检测实时的转速信息,而且需要检测实时的转子位置信息。
而对于航空开关磁阻起动/发电机系统而言,实时而准确的获得转子的转速或位置信息是保证电机可靠运行和高性能控制的必要前提。电机的位置检测一般通过在电机内安装位置传感器来检测转子位置信号,现在普通采用的传感器类型有光电码盘、磁敏传感器,以及电涡流传感器和旋转变压器等。一般的光电码盘和磁敏传感器适应温度均低于150度,电涡流传感器和旋转变压器的耐受温度最高一般不会超过200度。因此,在更高温度的运行环境下,上述传感器均无法适应。此时,只有采用更为特殊制作的耐高温电涡流传感器才能适应高温环境,而这种传感器通常用于核设施中,其造价极其昂贵,不可能被广泛应用于普通的电机驱动系统中。
高速运行的航空开关磁阻起动/发电机的工作环境极其恶劣,工作温度将在200度至400度之间,转子通常采用油冷却、转速高于30000转/分甚至50000转/分,其在电动和发电运行时均需要检测转子位置信息和转速信息,因此在这种高温高速运行环境下,转速/位置传感器是首要解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于,克服现有技术中的不足,提供一种航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,特别适用于大型电机或其他大型旋转设备的转速和位置检测。
本发明所要解决的技术问题是提供能适应高温、高速及油污等恶劣运行环境,具有极高的检测精度和可靠性,检测系统结构简单、坚固安全、成本较低, 检测输出响应灵敏、高效的航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,可用于航空开关磁阻起动/发电机高温高速时的正常位置检测,解决现有传感器无法适应超高温等恶劣工况的问题,还可应用于其它旋转电机如无刷直流电机等的转子位置和转速检测,极具有产业上的利用价值。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
本发明提供一种航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,包括以下步骤:
1)在航空开关磁阻起动/发电机的一侧同轴安装一个开关磁阻式位置检测器;
所述航空开关磁阻起动/发电机通过功率变换器与DSP数字控制器相连,由DSP数字控制器控制航空开关磁阻起动/发电机运行;
所述开关磁阻式位置检测器为开关磁阻电机结构,包括定子、转子和各相绕组;所述开关磁阻式位置检测器的定子和转子的齿极数与航空开关磁阻起动/发电机的定子和转子的齿极数均相同;
2)采用不对称半桥功率变换器对开关磁阻式位置检测器的各相绕组注入高频低电压信号,并采用电流互感器或电阻采样直接检测开关磁阻式位置检测器的绕组高频电流脉冲信号;
3)利用航空开关磁阻起动/发电机的DSP数字控制器对获取的绕组高频电流脉冲信号计算脉冲电流的平均值、并进行数字低通滤波处理,从而获取相电流包络线信号;
再通过DSP数字控制器对相电流包络线信号求倒数并归一化处理,利用相电流包络信号与相电感一一对应的反比关系实现开关磁阻式位置检测器各相电感的标幺值的获取;
4)采用相电感底部电感区域检测和顶部电感区域检测相混合的方法来估计开关磁阻式位置检测器转子的位置检索脉冲;
5)对所得的位置检索脉冲通过逻辑配置,由DSP数字控制器直接估计航空开关磁阻起动/发电机转子的初始导通相和自启动阶段导通相选择信号,实现可靠无反转无迟滞起动;
当航空开关磁阻起动/发电机起动后,由DSP数字控制器根据位置检索脉 冲直接估计出航空开关磁阻起动/发电机转子的实时转速/位置信息,实现可靠运转。
本发明进一步设置为:所述航空开关磁阻起动/发电机和开关磁阻式位置检测器之间设置有防电磁干扰用的隔磁片。
本发明进一步设置为:所述不对称半桥功率变换器采用小功率变换器。
本发明进一步设置为:所述航空开关磁阻起动/发电机和开关磁阻式位置检测器均采用3相12/8结构。
本发明进一步设置为:当航空开关磁阻起动/发电机起动后,根据各位置检索脉冲的相邻下降沿之间相差45度机械角度,由DSP数字控制器直接估计出航空开关磁阻起动/发电机转子的实时转速/位置信息。
本发明进一步设置为:当估计出初始导通相和自启动阶段导通相选择信号后,进行导通相选择,使得航空开关磁阻起动/发电机在0度至22.5度的全部电感上升区导通,实现大扭矩快速自启动。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果是:
1、本发明采用开关磁阻电机结构的开关磁阻式位置检测器,具有结构简单坚固,以及开关磁阻电机固有的高温、高速适应性和容错能力强等特性,解决现有转速或位置检测器不能适应高温高速及油污等恶劣运行环境的问题,为航空开关磁阻起动/发电机提供精确可靠的位置和转速信息。
2、本发明充分利用开关磁阻式位置检测器的不饱和相电感随转子位置周期性变化的固有特点,通过监测电感特性来简单实现全速度范围的转子位置估计,具有极高的检测精度和可靠性。
3、本发明得到的位置信号同光电传感器信号一致,同时位置解码和转速计算非常灵活;虽然系统增加了一套开关磁阻电机结构的开关磁阻式位置检测器、及其相关控制和功率系统,但是由于开关磁阻式位置检测器的功率没有要求,且其各相绕组工作于高频低压脉冲模式,使得工作电流幅值很小,能耗很低的同时,整套控制和功率系统结构简单、成本低廉。
4、本发明提供的检测方法不仅可用于航空开关磁阻起动/发电机高温高速时的正常位置检测、适应超高温等恶劣工况,还可应用于其它旋转电机如无刷直流电机等的转子位置和转速检测。
上述内容仅是本发明技术方案的概述,为了更清楚的了解本发明的技术手段,下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明实施例的安装结构示意图;
图2为本发明实施例的检测方法示意图;
图3为本发明实施例中不对称半桥功率变换器的拓扑结构图;
图4为本发明实施例中开关磁阻式位置检测器的相电感与转子位置的关系曲线图;
图5为本发明实施例的电流脉冲包络线获取方法以及与相电感的关系曲线图;
图6为本发明实施例的位置检索脉冲和连续位置角估计方法原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图,对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,首先需要在航空开关磁阻起动/发电机的一侧同轴安装一个开关磁阻式位置检测器;所述航空开关磁阻起动/发电机通过功率变换器与DSP数字控制器相连,由DSP数字控制器控制航空开关磁阻起动/发电机运行;如图1和图2所示。
如图1所示,在航空开关磁阻起动/发电机1的一侧同轴安装一个与其定子11、转子12齿极数均相同的开关磁阻电机作为位置检测器,称之为开关磁阻式位置检测器2;所述开关磁阻式位置检测器2为开关磁阻电机结构,包括定子21、转子22和各相绕组23;开关磁阻式位置检测器2的各相绕组23和航空开关磁阻起动/发电机1的各相绕组13安装方式相同。该开关磁阻式位置检测器2独立作为航空开关磁阻起动/发电机1的位置传感器装置,其尺寸可以根据安装空间灵活设计,且对功率没有要求。为消除航空开关磁阻起动/发电机1对开关磁阻式位置检测器2的电磁干扰,在两者之间安装隔磁片3,这种方式尤其适合大型电机或其他大型旋转设备的转速和位置估计应用场合。
图2为本发明的开关磁阻电机无位置传感器转子位置检测系统框图。如图2所示,对于右侧的位置检测器而言,采用一套传统的开关磁阻电机不对称半桥功率变换器来实现位置检测器各相绕组的高频低压信号注入,该功率变换器 的拓扑结构如图3所示。通过采用电流互感器或电阻采样直接获取绕组电流信息,利用开关磁阻起动发电机的DSP数字控制器采样位置检测器中各相绕组电流脉冲信号,并对其进行数字低通滤波处理获取电流脉冲平均值的包络信号,然后通过求倒数并进行归一化处理,获得各相绕组不饱和电感标幺值信息。在数字控制器中,对各相不饱和电感进行比较获取位置检索脉冲和实时转子位置信息,从而为开关磁阻起动发电机提供可靠的转子位置信号,满足高性能电动和发电控制要求。
图3为传统的开关磁阻电机不对称半桥功率变换器拓扑结构。该变换器的目的是实现位置检测器各相绕组的高频低压信号注入,因此对功率大小没有要求,可以设计微小功率的变换器即可满足检测要求,设计方便灵活。
图4为传统的三相开关磁阻电机的各相绕组不饱和电感与转子位置的关系曲线图,可以看出,开关磁阻式位置检测器的各相不饱和电感均随转子位置呈现周期性变化趋势,从而可以利用相电感来表征转子位置信息。
图5为位置检测器各相绕组脉冲电流的处理方法示意。在不增加系统控制器资源的条件下,利用开关磁阻起动发电机的DSP数字控制器,采样位置检测器的各相脉冲电流信息,在数字控制器中计算脉冲电流的平均值,并进行低通滤波处理,从而获得电流脉冲的包络线信号。通过对包络信号求倒数并归一化处理,可以获得位置检测器各相电感的标幺值信号,从而可以利用其表征转子位置信息。
以航空开关磁阻起动/发电机采用3相12/8结构为例,通过采用表1所示的开关磁阻式位置检测器的转子位置检索脉冲电平估计逻辑表,对脉冲电流均值包络信号两两比较或者对相电感标幺值信号进行两两比较,可以获得转子位置检索脉冲逻辑信号。
表1中采用了相电感底部电感区域法和顶部电感区域法相混合的检索脉冲估计策略,通过脉冲电流均值包络信号两两比较或者相电感标幺值信号两两比较,可以辨识出任意相电感处于最小的区域和处于最大的区域,当它们分别处于上述区域时,控制器估计出高电平信号,即为转子位置信号检索脉冲。以A相为例,当估计出A相电感处于最小或最大的区域时,A相估计出的位置检索脉冲逻辑电平为高,分别表示为A1=1和A2=1,其它相与此完全类似。
采用该方法分别可以得到如图6所示的A1/B1/C1和A2/B2/C2两组位置检索脉冲信号。由于各位置检索脉冲的相邻下降沿之间相差45度机械角度,因此可以通过数字控制器估计经过该周期的时间来计算实时的转子位置信号。本发明采用了两组位置检索脉冲信号,即各相分别采用两组位置检索脉冲,从而不仅可以提高位置估计的精度,而且可以提高位置估计的可靠性,更好的适应航空高可靠性开关磁阻起动/发电机的控制要求。
表1
考虑到航空开关磁阻起动/发电机的自启动能力,表2给出了采用开关磁阻式位置检测器估计出的位置检索脉冲电平逻辑与开通相的关系表,用于直接估计航空开关磁阻起动/发电机的初始导通相和自启动阶段的导通相选择信号,从而实现可靠无反转无迟滞起动。
表2
如表2所示,当开关磁阻式位置检测器估计出的位置检索脉冲A1或B2为高电平时,即表2中的A1=1或B2=1,可以选择开通C相;当开关磁阻式位置检测器估计出的位置检索脉冲B1或C2为高电平时,即表2中的B1=1或C2=1,可以选择A相开通;当开关磁阻式位置检测器估计出的位置检索脉冲C1或A2为高电平时,即表2中的C1=1或A2=1,可以选择开通B相。结合图6可以看出,利用上述开通相选择逻辑,可以使得航空开关磁阻起动/发电机在起动阶段,各相均能实现0度至22.5度的全部电感上升区导通,从而实现最大扭矩自启动,满足航空开关磁阻起动/发电机大扭矩快速起动的要求。
当航空开关磁阻起动/发电机起动后,由DSP数字控制器根据位置检索脉冲直接估计出航空开关磁阻起动/发电机转子的实时转速/位置信息,实现可靠运转。
本发明的创新点在于,通过在航空开关磁阻起动/发电机同轴安装一个与其定子、转子齿极数相同的开关磁阻电机作为位置检测器,即同轴安装开关磁阻式位置检测器,该位置检测器通过高频低压脉冲注入并对相电流进行数字低通滤波处理,实现各相电感标幺值的估计,从而利用相电感与转子位置角之间的对应关系来获取其转子位置信号,为航空开关磁阻起动/发电机提供精确可靠的位置和转速信息。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求 保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)在航空开关磁阻起动/发电机的一侧同轴安装一个开关磁阻式位置检测器;
所述航空开关磁阻起动/发电机通过功率变换器与DSP数字控制器相连,由DSP数字控制器控制航空开关磁阻起动/发电机运行;
所述开关磁阻式位置检测器为开关磁阻电机结构,包括定子、转子和各相绕组;所述开关磁阻式位置检测器的定子的齿极数与航空开关磁阻起动/发电机的定子的齿极数相同,所述开关磁阻式位置检测器的转子的齿极数与航空开关磁阻起动/发电机的转子的齿极数相同;
2)采用不对称半桥功率变换器对开关磁阻式位置检测器的各相绕组注入高频低电压信号,并采用电流互感器或电阻采样直接检测开关磁阻式位置检测器的绕组高频电流脉冲信号;
3)利用航空开关磁阻起动/发电机的DSP数字控制器对获取的绕组高频电流脉冲信号计算脉冲电流的平均值、并进行数字低通滤波处理,从而获取相电流包络线信号;
再通过DSP数字控制器对相电流包络线信号求倒数并归一化处理,利用相电流包络信号与相电感一一对应的反比关系实现开关磁阻式位置检测器各相电感的标幺值的获取;
4)采用相电感底部电感区域检测和顶部电感区域检测相混合的方法来估计开关磁阻式位置检测器转子的位置检索脉冲;
5)对所得的位置检索脉冲通过逻辑配置,由DSP数字控制器直接估计航空开关磁阻起动/发电机转子的初始导通相和自启动阶段导通相选择信号,实现可靠无反转无迟滞起动;
当航空开关磁阻起动/发电机起动后,由DSP数字控制器根据位置检索脉冲直接估计出航空开关磁阻起动/发电机转子的实时转速/位置信息,实现可靠运转。
2.根据权利要求1所述的航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,其特征在于:所述航空开关磁阻起动/发电机和开关磁阻式位置检测器之间设置有防电磁干扰用的隔磁片。
3.根据权利要求1所述的航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,其特征在于:所述不对称半桥功率变换器采用小功率变换器。
4.根据权利要求1所述的航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,其特征在于:所述航空开关磁阻起动/发电机和开关磁阻式位置检测器均采用3相12/8结构。
5.根据权利要求4所述的航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,其特征在于:当航空开关磁阻起动/发电机起动后,根据各位置检索脉冲的相邻下降沿之间相差45度机械角度,由DSP数字控制器直接估计出航空开关磁阻起动/发电机转子的实时转速/位置信息。
6.根据权利要求4所述的航空开关磁阻起动/发电机的转子转速/位置检测方法,其特征在于:当估计出初始导通相和自启动阶段导通相选择信号后,进行导通相选择,使得航空开关磁阻起动/发电机在0度至22.5度的全部电感上升区导通,实现大扭矩快速自启动。
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