CN106887988A - 三相电励磁双凸极电机中高速位置检测误差的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三相电励磁双凸极电机中高速位置检测误差的补偿方法，检测电机任意两相的磁链之差，然后减去这些磁链之差中由电枢绕组产生的磁链成分，以消除电枢反应对磁链之差由正变负的过零点位置的影响。本发明与现有技术相比，减小了由电枢反应产生的位置观测误差，实现了电励磁双凸极电机无位置传感器状况下能够准确换相、稳定运行。

Description

三相电励磁双凸极电机中高速位置检测误差的补偿方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，涉及了一种电励磁双凸极电机的无位置传感器的控制方法。

背景技术

电励磁双凸极电机凭借其结构简单，可靠性高，且气隙磁通调节灵活的特点，在航空、新能源等领域有着广阔的应用前景。同无刷直流电机一样，该电机用于驱动系统时需检测转子位置以实现准确换相，额外增加的传感器降低了系统可靠性，增加了成本，限制了电机的应用范围，因此研究电励磁双凸极电机无位置传感器运行技术具有重要意义。

目前，基于磁链的位置检测方法在其它电机中都得到了广泛研究与应用，然而在电励磁双凸极电机中却鲜有研究。南京航空航天大学申请了一件专利：《基于线磁链的三相电励磁双凸极电机无位置传感器控制方法》(申请号：201610543168.6)。该专利申请利用了三相电励磁双凸极电机的线磁链的由正变负的过零点位置与换相位置重合的特性，但该方法所检测的线磁链中还包含了电枢绕组产生的磁链成分，在电机加载运行时，其由正变负的过零点位置受电枢反应的影响仍会超前，如若不加以补偿则易导致换相失败。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供三相电励磁双凸极电机中高速位置检测误差的补偿方法，减小由电枢反应产生的位置观测误差，实现电励磁双凸极电机无位置传感器状况下能够准确换相、稳定运行。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

三相电励磁双凸极电机中高速位置检测误差的补偿方法，包括以下步骤：

(1)检测电励磁双凸极电机BA两相、CB两相、AC两相的磁链之差Ψ_BA、Ψ_CB、Ψ_AC；

(2)消除Ψ_BA、Ψ_CB、Ψ_AC中由电枢绕组产生的磁链成分，得到补偿后的磁链之差Ψ`<sub>BA</sub>、Ψ`_CB、Ψ`_AC；

(3)利用Ψ`<sub>BA</sub>、Ψ`_CB、Ψ`_AC由正变负的过零点得到三个互差120°的转子位置信号。

进一步地，在步骤(1)中，采用下式计算磁链之差：

ψ_ij＝(L_i·I_i-L_j·I_j)+(L_if-L_jf)·I_f

上式中，i＝A,B,C，j＝A,B,C，且i≠j，L_i、L_j表示i相、j相绕组的自感，I_i、I_j表示i相、j相的相电流，L_if、L_jf表示i相、j相绕组与励磁绕组的互感，I_f为励磁电流。

进一步地，在步骤(2)中，用Ψ_BA、Ψ_CB、Ψ_AC减去对应两相电流与电感系数的乘积，得到补偿后的的磁链之差Ψ`<sub>BA</sub>、Ψ`_CB、Ψ`_AC：

ψ`_ij＝ψ_ij-(k_i·I_i-k_j·I_j)

上式中，k_i、k_j表示i相、j相的电感系数，通过有限元仿真得到。

进一步地，所述电感系数的获取方法：

1)离线仿真得到转子位置为0°时A、B两相的自感值，作为补偿Ψ_BA时分别与A、B两相电流相乘的电感系数的基值，然后在基值附近改变电感系数使Ψ`_BA由正变负的过零点位置与转子0°的误差在θ以内；

2)离线仿真得到转子位置为120°时B、C两相的自感值，作为补偿Ψ_CB时分别与B、C两相电流相乘的电感系数的基值，然后在基值附近改变电感系数使Ψ`_CB由正变负的过零点位置与转子120°的误差在θ以内；

3)离线仿真得到转子位置为240°时C、A两相的自感值，作为补偿Ψ_AC时分别与C、A两相电流相乘的电感系数的基值，然后在基值附近改变电感系数使Ψ`_AC由正变负的过零点位置与转子240°的误差在θ以内；θ为设定的误差角度。

进一步地，所述误差角度θ的取值为±1°。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明解决了基于线磁链的三相电励磁双凸极电机中高速无位置传感器控制技术对转子位置进行检测时存在磁链之差由正变负的过零点位置易受电枢反应的影响而产生误差的问题，提高三相电励磁双凸极电机中高速位置检测精度，从而保证电机准确换相和稳定运行，适用于中高速重载运行场合，且实现方式简便。

附图说明

图1为本发明实施例12/8极结构的电励磁双凸极电机二维结构图；

图2为本发明实施例电机控制系统的硬件结构图；

图3为本发明的方法流程图；

图4为补偿前后电机加载时线磁链随位置变化的对比图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

三相电励磁双凸极电机的三相分别为A相、B相和C相。下面以图1所示的12/8极结构的三相电励磁双凸极电机为例进行说明，其控制系统的硬件结构如图2所示，主要包括：三相全桥逆变器，端电压采样调理电路，相电流采样调理电路，控制电路以及三相电励磁双凸极电机，其中U_dc为直流母线电压，U_n为电机三相绕组中性点电压，S₁～S₆为功率MOSFET，D₁～D₆为反并联二极管，R_a、R_b、R_c分别为电机三相绕组电阻，L_a、L_b、L_c分别为电机A、B、C三相绕组自感，U_A、U_B、U_C分别为电机三相端电压，I_a、I_b、I_c分别为电机三相相电流。

本发明的流程图如图3所示，其中“-”表示减法运算，“+”表示加法运算，“→”表示符号改变，“Ψ_BA”为BA两相磁链之差，“Ψ_CB”为CB两相磁链之差，“Ψ_AC”为为AC两相磁链之差，“Ψ`<sub>BA</sub>”为补偿后BA两相磁链之差，“Ψ`_CB”为补偿后CB两相磁链之差，“Ψ`_AC”为补偿后AC两相磁链之差，“k_1a”、“k_1b”为补偿“Ψ_BA”所需的电感系数，“k_2b”、“k_2c”为补偿“Ψ_CB”所需的电感系数，“k_3a”、“k_3c”为补偿“Ψ_AC”所需的电感系数，P_a、P_b、P_c为检测得到的位置信号，其上升沿分别对应0°、120°、240°的转子位置。

以补偿CB两相磁链之差为例，原理如下：

检测CB两相的磁链之差Ψ_CB，忽略相间互感，Ψ_CB可用式(1)表示，其中包含励磁绕组产生的磁链分量与电枢绕组产生的磁链分量。

ψ_CB＝(L_c·I_c-L_b·I_b)+(L_cf-L_bf)·I_f (1)

式(1)中，L_cf、L_bf分别为C相、B相绕组与励磁绕组的互感，I_f为励磁电流，当电枢绕组通入电流时，电枢反应会使得Ψ_CB的波形发生畸变，在0°～120°区间内，C相流入负电流，而B相流入正电流，这会引起由励磁绕组产生的磁链分量发生负偏，进而使得Ψ_CB由正变负的过零点位置产生超前误差。如若减去电枢绕组产生的磁链分量就能对超前误差进行补偿，如式(2)所示。

ψ`_CB＝ψ_CB-(L_c·I_c-L_b·I_b) (2)

由于电励磁双凸极电机是一种磁阻电机，每相绕组的自感值是转子位置和相电流的函数，无法得到其实时值，因此也无法实时地精确检测出Ψ_CB中的励磁绕组产生的磁链分量。但是，本专利所涉及的位置检测方法只对Ψ_CB由正变负的过零点位置敏感，对其波形质量并不敏感，因此引入可变电感系数k_2c、k_2b来替代L_c、L_b，其基值为电机空载情况下转子位置为120°时C、B两相的自感值，可通过有限元仿真得到。当转子位置位于120°时，C、B两相的定子齿与转子槽相对，两相磁阻均较大，不易饱和，其自感值受电枢反应影响很小，基本保持不变。这样补偿后的Ψ`_CB可用式(3)表示。

ψ`_CB＝ψ_CB-(k_2c·I_c-k_2b·I_b) (3)

考虑到忽略了相间互感的影响，可对电感系数进行微调以使Ψ`_CB由正变负的过零点位置与120°的误差减小到±1°以内。

当检测到Ψ`_CB由正变负的过零点时产生B相位置信号P_b的上升沿。

AC两相、BA两相磁链之差Ψ_AC、Ψ_BA的补偿算法类似，由于图1所示电机三相磁路不对称，因此三个磁链之差所对应的电感系数会有所差别。

图4为电机相电流为400A时补偿前后磁链之差Ψ_CB与Ψ`_CB随位置变化的仿真对比图。从图中可见，未经补偿时Ψ_CB由正变负的过零点与120°位置处的B相位置信号上升沿相差将近17°，而经过补偿后位置检测误差大大减小，验证了本方法的正确性。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.三相电励磁双凸极电机中高速位置检测误差的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测电励磁双凸极电机BA两相、CB两相、AC两相的磁链之差Ψ_BA、Ψ_CB、Ψ_AC；

(2)消除Ψ_BA、Ψ_CB、Ψ_AC中由电枢绕组产生的磁链成分，得到补偿后的磁链之差Ψ`<sub>BA</sub>、Ψ`_CB、Ψ`_AC；

(3)利用Ψ`<sub>BA</sub>、Ψ`_CB、Ψ`_AC由正变负的过零点得到三个互差120°的转子位置信号。

2.根据权利要求1所述三相电励磁双凸极电机中高速位置检测误差的补偿方法，其特征在于：在步骤(1)中，采用下式计算磁链之差：

ψ_ij＝(L_i·I_i-L_j·I_j)+(L_if-L_jf)·I_f

上式中，i＝A,B,C，j＝A,B,C，且i≠j，L_i、L_j表示i相、j相绕组的自感，I_i、I_j表示i相、j相的相电流，L_if、L_jf表示i相、j相绕组与励磁绕组的互感，I_f为励磁电流。

3.根据权利要求2所述三相电励磁双凸极电机中高速位置检测误差的补偿方法，其特征在于：在步骤(2)中，用Ψ_BA、Ψ_CB、Ψ_AC减去对应两相电流与电感系数的乘积，得到补偿后的的磁链之差Ψ`<sub>BA</sub>、Ψ`_CB、Ψ`_AC：

ψ`_ij＝ψ_ij-(k_i·I_i-k_j·I_j)

上式中，k_i、k_j表示i相、j相的电感系数，通过有限元仿真得到。

4.根据权利要求3所述三相电励磁双凸极电机中高速位置检测误差的补偿方法，其特征在于，所述电感系数的获取方法：

1)离线仿真得到转子位置为0°时A、B两相的自感值，作为补偿Ψ_BA时分别与A、B两相电流相乘的电感系数的基值，然后在基值附近改变电感系数使Ψ`_BA由正变负的过零点位置与转子0°的误差在θ以内；

2)离线仿真得到转子位置为120°时B、C两相的自感值，作为补偿Ψ_CB时分别与B、C两相电流相乘的电感系数的基值，然后在基值附近改变电感系数使Ψ`_CB由正变负的过零点位置与转子120°的误差在θ以内；

3)离线仿真得到转子位置为240°时C、A两相的自感值，作为补偿Ψ_AC时分别与C、A两相电流相乘的电感系数的基值，然后在基值附近改变电感系数使Ψ`_AC由正变负的过零点位置与转子240°的误差在θ以内；θ为设定的误差角度。

5.根据权利要求4所述三相电励磁双凸极电机中高速位置检测误差的补偿方法，其特征在于：所述误差角度θ的取值为±1°。