CN106707167B - 一种低成本开关磁阻电机绕组电流检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本开关磁阻电机绕组电流检测系统及其方法，包括开关磁阻电机、改进型不对称半桥变换器、转子位置检测装置、电流传感器以及控制器；本发明对相邻两相定子绕组电流由于导通范围设定不同而引起的不同工作模式进行分析，讨论了两相定子绕组电流存在重叠区间以及不存在重叠区间的情况，并提出一种改进型不对称半桥变换器拓扑，在减少电子器件的同时，只通过一个电流传感器就可以重构出各相定子绕组电流而没有任何电压损失。该发明不仅减少了电机系统的体积和成本，使得系统更加紧凑，而且对于电机性能的可靠性也有了极大的提高。

Description

一种低成本开关磁阻电机绕组电流检测系统及其方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种低成本开关磁阻电机绕组电流检测系统及其方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日益加重，电动汽车的研究获得生机，成为世界范围内汽车行业发展的热点之一。电动汽车不以汽油为直接燃料，能源利用效率高、环境污染度低，具有效率高、排放量低的优点。同时，电动汽车转矩响应迅速，加速快，容易实现四轮独立驱动和四轮转向，还可以实现再生制动和能量回收，电动汽车制动的安全性和可靠性高，受到国内外广大学者的关注。

开关磁阻电机作为一种结构简单、鲁棒性好、价格便宜的先进一体化机电装置，兼有异步电动机变频调速和直流电动机调速宽的优点，其运行性能和经济指标比普通的交流调速系统好，被认为是在电动汽车中一种极具潜力的驱动系统。

准确的电机定子绕组电流信息获取对于开关磁阻电机高性能控制以及故障诊断具有十分重要的意义，通常，各相定子绕组电流是通过在各相定子绕组中放置一个电流传感器来检测，控制器进而根据各相电流实现对电机的控制。在多相开关磁阻电机中，多个电流传感器的安装会引起开关磁阻电机系统体积和成本的增加，也会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，进而导致电机各相电流和转矩的差异，影响电机性能。

发明内容

针对多相开关磁阻电机系统中由于多个电流传感器所带来的系统体积增大、成本增加以及系统可靠性降低等问题，本发明提供了一种低成本开关磁阻电机绕组电流检测系统及其方法，在传统不对称半桥的基础上进行适当改进，减少了电子器件数量的同时，只需一个电流传感器对母线电流进行采样，然后结合各相定子绕组导通区间的判断，运用本发明提出的新型电流重构方案，实现对母线电流的分解，达到重构出各相电流的目的。

一种低成本开关磁阻电机绕组电流检测系统，包括一台开关磁阻电机、一个改进型不对称半桥变换器、一个位置检测器、一个电流传感器和一个控制器；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；所述的改进型不对称半桥变换器用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；所述的位置检测器用于检测开关磁阻电机的转子位置信号；所述的电流传感器用于检测变换器上的母线电流；所述的控制器根据转子位置信号计算电机转速，根据母线电流重构出开关磁阻电机各相定子绕组的绕组电流，然后基于电机转子位置、绕组电流和转速，为功率变换器中的功率开关器件提供导通信号。

所述的改进型不对称功率变换器包括六个二极管D₁～D₆、八个开关管S₁～S₈、一个直流母线电容和一个电流传感器；其中，直流母线电容的一端与电流传感器的一端、开关管S₁的一端、开关管S₅的一端、二极管D₁的阴极、二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极和二极管D₆的阴极共连并接外部直流电压源的正极，电流传感器的另一端与开关管S₃的一端、开关管S₇的一端相连，开关管S₁的另一端与开关管S₃的另一端、定子绕组L_a的一端、定子绕组L_c的一端、二极管D₂的阴极相连，定子绕组L_a的另一端与二极管D₁的阳极、开关管S₂的一端相连,定子绕组L_c的另一端与二极管D₃的阳极和开关管S₄的一端相连,开关管S₅的另一端与开关管S₇的另一端、定子绕组L_b的一端、定子绕组L_d的一端、二极管D₅的阴极相连，定子绕组L_b的另一端与二极管D₄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D₆的阳极和开关管S₈的一端相连,直流母线电容的另一端与开关管S₂的另一端、开关管S₄的另一端、开关管S₆的另一端、开关管S₈的另一端、二极管D₂的阳极和二极管D₅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导通信号。

所述的开关磁阻电机系统的绕组电流获取方法，如下：

通过采用所述的改进型不对称半桥变换器拓扑，各相定子绕组电流在励磁模式和零电压续流模式工作状态下可以流经电流传感器，在退磁模式工作状态下不经过电流传感器。因此，通过该电流传感器重构出来的各相定子绕组电流包含励磁和零电压续流部分而不包含退磁部分，根据各相定子绕组导通范围的不同，相邻两相定子绕组电流之间存在两种情况：

当各相定子绕组导通范围不大于15°时，相邻两相绕组电流之间不存在重叠区间，此时电流传感器中的电流不存在两相定子绕组电流相加的情况，分别在各相定子绕组的各自导通区间内采样电流传感器中的电流既可以获得各相的定子绕组电流；

当各相定子绕组导通范围大于15°时，相邻两相定子绕组电流之间存在重叠区间，在重叠区间电流传感器中的电流为相邻两相定子绕组电流之和，通过将开关管S₁、S₃、S₅和S₇交替导通关断，使得只有一相定子绕组电流流经电流传感器，同时另一相定子绕组电流流经其他电路完成回路而不存在任何电压损失问题，此时流经电流传感器的定子相绕组电流可以被采样从而获得该相绕组电流，获取另一相绕组电流的方法相同。因此，在重叠区间的相邻两相定子绕组电流可以从一个电流传感器中获取。在非重叠区间电流传感器中的电流为单独地各相定子绕组电流，通过在各相定子绕组的各自导通区间内采样电流传感器中的电流既可以获得各相的定子绕组电流。

本发明对相邻两相定子绕组电流由于导通范围设定不同而引起的不同工作状况进行分析，讨论了两相定子绕组电流重叠以及不重叠的情况，并提出一种改进型不对称半桥变换器拓扑，在减少电子器件的同时，只通过一个电流传感器就可以重构出各相定子绕组电流而没有任何绕组电压损失。该发明不仅减少了电机系统的体积和成本，使得系统更加紧凑，而且对于电机性能的可靠性也有了极大的提高。

附图说明

图1为四相开关磁阻电机改进型不对称半桥功率变换器示意图。

图2(a)为改进型功率转换器工作模式一：励磁模式。

图2(b)为改进型功率转换器工作模式二：零电压续流模式。

图2(c)为改进型功率转换器工作模式三：退磁模式。

图3为改进型功率转换器简化分析。

图4为四相开关磁阻电机相邻两相定子绕组电流无重叠区间时电流状态示意图。

图5为四相开关磁阻电机相邻两相定子绕组电流有重叠区间时电流状态示意图。

图6(a)为A相和B相均处于励磁模式时的正常工作状态。

图6(b)为A相和B相均处于励磁模式时检测A相电流的工作状态。

图6(c)为A相和B相均处于励磁模式时检测B相电流的工作状态。

图7为A相和B相均处于励磁模式时的检测两相电流的开关管状态和采样时刻。

图8(a)为A相处于零电压续流模式和B相处于励磁模式时的正常工作状态。

图8(b)为A相处于零电压续流模式和B相处于励磁模式时检测A相电流的工作状态。

图8(c)为A相处于零电压续流模式和B相处于励磁模式时检测B相电流的工作状态。

图9为A相处于零电压续流模式和B相处于励磁模式时的检测两相电流的开关管状态和采样时刻。

图10(a)为A相和B相均处于零电压续流模式时的正常工作状态。

图10(b)为A相和B相均处于零电压续流模式时检测A相电流的工作状态。

图10(c)为A相和B相均处于零电压续流模式时检测B相电流的工作状态。

图11为A相和B相均处于零电压续流模式时的检测两相电流的开关管状态和采样时刻。

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。

一个完整的开关磁阻电机系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器、位置检测器和电流检测器五个部分组成。通常来说，开关磁阻电机系统的功率变换器主要采用不对称半桥拓扑，该结构可以实现对定子绕组各相的完全独立控制，并在电机运行过程中为其提供斩波期间的续流回路和换相时的快速退磁回路，控制过程简单易于实现。但是，该拓扑的缺点是电机定子绕组的每一相都要用两个主开关管和两个续流二极管，而且，每相都需要各自安装一个电流传感器用于检测电流，随着电机绕组相数的增加，电机系统的体积和成本将会明显增加，而且也会降低系统的可靠性。

为了尽可能的减少功率变换器使用的电子器件数量，并用最少数量的电流传感器来是想电机绕组各相绕组电流的检测，本发明设计了一种低成本开关磁阻电机绕组电流检测系统，包括一台开关磁阻电机、一个改进型不对称半桥变换器、一个位置检测器、一个电流传感器和一个控制器

如图1所示，本实施方式改进型不对称功率变换器包括六个二极管D₁～D₆、八个开关管S₁～S₈、一直流母线电容和一个电流传感器；其中，直流母线电容的一端与电流传感器的一端、开关管S₁的一端、开关管S₅的一端、二极管D₁的阴极、二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极和二极管D₆的阴极共连并接外部直流电压源的正极，电流传感器的另一端与开关管S₃的一端、开关管S₇的一端相连，开关管S₁的另一端与开关管S₃的另一端、定子绕组L_a的一端、定子绕组L_c的一端、二极管D₂的阴极相连，定子绕组L_a的另一端与二极管D₁的阳极、开关管S₂的一端相连,定子绕组L_c的另一端与二极管D₃的阳极和开关管S₄的一端相连,开关管S₅的另一端与开关管S₇的另一端、定子绕组L_b的一端、定子绕组L_d的一端、二极管D₅的阴极相连，定子绕组L_b的另一端与二极管D₄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D₆的阳极和开关管S₈的一端相连,直流母线电容的另一端与开关管S₂的另一端、开关管S₄的另一端、开关管S₆的另一端、开关管S₈的另一端、二极管D₂的阳极和二极管D₅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导通信号。

改进型不对称功率变换器在工作时有三个工作状态，以A相定子绕组为例，如图2所示，当开关管S₂和S₃同时导通时，A相绕组处于励磁模式，如图2(a)所示；当开关管S₂关断而S₃导通时，A相绕组通过开关管S₃和二极管D₁进入零电压续流模式，如图2(b)所示；当开关管S₂和S3同时关断时，A相绕组通过二极管D₁和二极管D₂进入退磁模式，如图2(c)所示。

为了说明该改进型不对称功率变换器用于重构出各相定子绕组电流的工作原理，现将该拓扑进行简化，便于分析母线电流与各相绕组电流的关系，图3为该拓扑在不进行电流重构时的简化模型。母线上的电流由各相绕组电流组成，根据各相绕组导通范围的不同，相邻两相绕组电流之间存在两种情况，当每相绕组的导通范围设定为不大于15°时，母线电流与各相绕组电流的关系示意图如图4所示，各相绕组电流之间不存在重叠，母线电流包括各相绕组电流的励磁电流部分和零电压续流部分，每相绕组电流的退磁部分经过其他电路完成回路，这种情况下，要想获取各相绕组电流是比较容易的，在各相绕组的导通区间内分别进采样母线电流，就可以获得各自的电流。当每相绕组的导通范围设定为大于15°时，母线电流与各相绕组电流的关系示意图如图5所示，各相绕组电流之间存在重叠区间，每相绕组电流的开始部分与前一相绕组电流的结尾部分存在重叠，重叠区间内的母线电流是重叠相电流之和，要想得到各相绕组的完整电流，不重叠部分可以在相对应的区间内直接对母线电流进行采样，而在重叠区间则必须要采用电流重构方案将母线电流进行分解，进而获取重叠的两相电流。

以相邻的A相和B相为例，重叠区间内的两相绕组电流工作模式存在以下四种情况：A相和B相均处于励磁模式、A相处于零电压续流模式和B相处于励磁模式、A相处于励磁模式和B相处于零电压续流模式以及A相和B相均处于零电压续流模式。下面将分别针对这四种情况进行分析，讨论电流重构方案的实现。

图6为A相和B相均处于励磁模式时的工作模式分析，未进行电流重构时的相邻两相电流电路流向如图6(a)所示，其中，A相电流经过开关管S₃和S₂进入励磁状态，B相电流经过开关管S₇和S₆进入励磁状态；当进行A相电流检测时，如图6(b)所示，将开关管S₇切换到开关管S₅，A相电流仍然经过开关管S₃和S₂进入励磁状态，而B相电流则经过开关管S₅和S₆进入励磁状态，此时母线电流传感器中的电流中只有A相电流，此时对电流传感器进行采样，即可获取A相电流；当进行B相电流检测时，如图6(c)所示，将开关管S₃切换到开关管S₁，将开关管S₅切换回开关管S₇，A相电流经过开关管S₁和S₂进入励磁状态，而B相电流则经过开关管S₇和S₆进入励磁状态，此时母线电流传感器中的电流中只有B相电流，此时对电流传感器进行采样，即可获取B相电流。图7所示为A相和B相均处于励磁模式时的检测重叠区间内两相电流的开关管状态和采样时刻，开关管S₁的开关信号占空比小于50％，开关信号S₃由开关信号S₁取反获得，开关信号S₅由开关信号S₁延迟180°得到，开关信号S₇由开关信号S₅取反获得。图中t_{a_sam}是对A相电流检测时的采样时刻，与开关管S₅信号的高电平同步，t_{b_sam}是对B相电流检测时的采样时刻，与开关管S₁信号的高电平同步。

图8为A相处于零电压续流模式和B相处于励磁模式时的工作状态分析，未进行电流重构时的相邻两相电流电路流向如图8(a)所示，其中，A相电流经过开关管S₃和二极管D₁进入零电压续流状态，B相电流经过开关管S₇和S₆进入励磁状态；当进行A相电流检测时，如图8(b)所示，将开关管S₇切换到开关管S₅，A相电流仍然经过开关管S₃和二极管D₁进入零电压续流状态，而B相电流则经过开关管S₅和S₆进入励磁状态，此时母线电流传感器中的电流中只有A相电流，此时对电流传感器进行采样，即可获取A相电流；当进行B相电流检测时，如图8(c)所示，将开关管S₃切换到开关管S₁，将开关管S₅切换回开关管S₇，A相电流经过开关管S₁和二极管D₁进入零电压续流状态，而B相电流则经过开关管S₇和S₆进入励磁状态，此时母线电流传感器中的电流中只有B相电流，此时对电流传感器进行采样，即可获取B相电流。图9所示为A相处于零电压续流模式和B相处于励磁模式时检测两相电流的开关管状态和采样时刻。

A相处于励磁模式和B相处于零电压续流模式时的工作状态与A相处于零电压续流模式和B相处于励磁模式时的工作状态类似，此处不再重复叙述。

图10为A相和B相均处于零电压续流模式时的工作状态分析，未进行电流重构时的相邻两相电流电路流向如图10(a)所示，其中，A相电流经过开关管S₃和二极管D₁进入零电压续流状态，B相电流经过开关管S₇和二极管D₄进入零电压续流状态；当进行A相电流检测时，如图10(b)所示，将开关管S₇切换到开关管S₅，A相电流仍然经过开关管S₃和二极管D₁进入零电压续流状态，而B相电流则经过开关管S₅和二极管D₄进入零电压续流状态，此时母线电流传感器中的电流中只有A相电流，此时对电流传感器进行采样，即可获取A相电流；当进行B相电流检测时，如图10(c)所示，将开关管S₃切换到开关管S₁，将开关管S₅切换回开关S₇，A相电流经过开关管S₁和二极管D₁进入零电压续流状态，而B相电流则经过开关管S₇和二极管D₄进入零电压续流状态，此时母线电流传感器中的电流中只有B相电流，此时对电流传感器进行采样，即可获取B相电流。图11所示为A相和B相均处于零电压续流模式时的检测两相电流的开关管状态和采样时刻。

Claims (2)

1.一种低成本开关磁阻电机绕组电流检测系统，包括一台开关磁阻电机、一个改进型不对称半桥变换器、一个位置检测器、一个电流传感器和一个控制器；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；所述的改进型不对称半桥变换器用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；所述的位置检测器用于检测开关磁阻电机的转子位置信号；所述的电流传感器用于检测变换器上的母线电流；所述的控制器根据转子位置信号计算电机转速，根据母线电流重构出开关磁阻电机各相定子绕组的绕组电流，然后基于电机转子位置、绕组电流和转速，为改进型不对称半桥变换器中的功率开关器件提供导通信号；

所述的改进型不对称半桥变换器包括六个二极管D₁~D₆、八个开关管S₁~S₈和一个直流母线电容；其中，直流母线电容的一端与电流传感器的一端、开关管S₁的一端、开关管S₅的一端、二极管D₁的阴极、二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极和二极管D₆的阴极共连并接外部直流电压源的正极，电流传感器的另一端与开关管S₃的一端、开关管S₇的一端相连，开关管S₁的另一端与开关管S₃的另一端、定子绕组L_a的一端、定子绕组L_c的一端、二极管D₂的阴极相连，定子绕组L_a的另一端与二极管D₁的阳极、开关管S₂的一端相连, 定子绕组L_c的另一端与二极管D₃的阳极和开关管S₄的一端相连,开关管S₅的另一端与开关管S₇的另一端、定子绕组L_b的一端、定子绕组L_d的一端、二极管D₅的阴极相连，定子绕组L_b的另一端与二极管D₄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D₆的阳极和开关管S₈的一端相连,直流母线电容的另一端与开关管S₂的另一端、开关管S₄的另一端、开关管S₆的另一端、开关管S₈的另一端、二极管D₂的阳极和二极管D₅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导通信号。

2.一种如权利要求1所述低成本开关磁阻电机绕组电流检测系统的绕组电流获取方法，其特征在于如下：

通过采用所述的改进型不对称半桥变换器拓扑，各相定子绕组电流在励磁模式和零电压续流模式工作状态下流经电流传感器，在退磁模式工作状态下不经过电流传感器，因此，通过该电流传感器重构出来的各相定子绕组电流包含励磁和零电压续流部分而不包含退磁部分，根据各相定子绕组导通范围的不同，相邻两相定子绕组电流之间存在两种情况：

当各相定子绕组导通范围不大于15°时，相邻两相绕组电流之间不存在重叠区间，此时电流传感器中的电流不存在两相定子绕组电流相加的情况，分别在各相定子绕组的各自导通区间内采样电流传感器中的电流既可以获得各相的定子绕组电流；

当各相定子绕组导通范围大于15°时，相邻两相定子绕组电流之间存在重叠区间，在重叠区间电流传感器中的电流为相邻两相定子绕组电流之和，通过将开关管S₁、S₃、S₅和S₇交替导通关断，使得只有一相定子绕组电流流经电流传感器，同时另一相定子绕组电流流经其他电路完成回路而不存在任何电压损失问题，此时流经电流传感器的定子相绕组电流被采样从而获得该相绕组电流，获取另一相绕组电流的方法相同；因此，在重叠区间的相邻两相定子绕组电流可以从一个电流传感器中获取，在非重叠区间电流传感器中的电流为单独地各相定子绕组电流，通过在各相定子绕组的各自导通区间内采样电流传感器中的电流即可获得各相的定子绕组电流。