CN107547030A - 一种脉冲注入的高速三相开关磁阻电机起动/换相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲注入的高速三相开关磁阻电机起动/换相方法，用于实现高速开关磁阻电机的平稳起动和换相。方法步骤为：在起动前向三相同时注入微小脉冲，观察三相响应电流的大小来确定初始导通相。当某一相导通时，向非导通相注入微小脉冲，通过比较非导通相的电流大小关系，确定电机的换相时刻。从而解决高速开关磁阻电机起动/换相时转动脉矩大的问题。与其它脉冲注入法相比，该方法规定了非导通相电流响应进行比较的次数，避免了因为电流比较过早，而产生制动转矩，转速产生较大波动的现象，也避免了采用设定阀值法因开关磁阻电机参数的不同而有所差异，通用性低的缺点。

Description

一种脉冲注入的高速三相开关磁阻电机起动/换相方法

技术领域

本发明涉及于开关磁阻电机控制技术领域，尤其涉及一种脉冲注入的高速三相开关磁阻电机起动/换相方法。

背景技术

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)作为一种新型的调速系统，不但兼具交、直流调速的基本优点，而且具备独特的高速性能以及容错能力。这使得它在航空航天以及各种民用制造业的交、直流传动领域得到了广泛的关注，无疑具有很好的应用前景和市场价值。对于开关磁阻电机系统，实时而准确的转子位置信息是其可靠运行和高性能控制的前提。在目前实际应用中，一般采用位置检测器来获取位置信息，这样做不仅增加了系统成本和复杂度，同时降低了整个系统运行的可靠性，尤其在一些高温高速等苛刻运行条件下，传统位置传感器的工作受到限制，从而限制了该型电机应用的范围。因此，如何取代位置传感器，克服采用位置传感器带来的不足，探索实用的无位置传感器技术具有十分重要的研究价值。

就开关磁阻电机静止起动和低速运行而言，为获取转子位置信息，目前主要的无位置传感器方法有相电流波形法、调制解调法和高频脉冲注入法等。高频脉冲注入方法无需外加激励源，直接利用功率变换器给非导通相注入高频检测脉冲。因此，基于高频注入脉冲的系列算法在开关磁阻电机的初始位置估计和低速运行中的应用具有一定优势。一些传统方法通过向各相绕组注入诊断信号，根据响应电流计算各相绕组磁链，然后查询磁链特性数据表格进行静止时的转子位置估计。并且利用响应电流峰值与转子位置角之间的解析关系求出转子的初始角位置，并对方法的鲁棒性进行分析。以上方法虽然可以实现电机的初始定位，但都要依赖电机的电磁关系，算法复杂，通用性差。一些算法同时在电机两相以上的绕组注入一定幅值的测试脉冲，利用测试电流与转子位置的关系来检测转子初始位置和判断起动导通相，从而可实现任何位置时的无反转起动。还有一些算法在非导通相注入高频脉冲，然后通过比较响应电流来得到转子位置。

对于开关磁阻电机起动系统，正确的换相策略是其可靠起动和高性能控制的前提。在目前实际应用中，一般采用阈值法来确定脉冲输入的时间，通过比较非导通相脉冲电流来实现换相控制。这种传统的换相控制策略不仅会因为电流比较过早而产生制动转矩，使转速产生较大反复波动的现象，而且由于开关磁阻电机参数的不同，阈值的设定变得不准确，从而限制了这种方法通用性。因此，取代传统的换相策略，克服传统换相带来的一系列的不足，探索一种算法简单、容易实现、又高可靠性的起动/换相策略具有十分重要的实际意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服传统起动/换相策略的不足，提供一种脉冲注入的高速三相开关磁阻电机起动/换相策略，解决起动时产生制动转矩和通用性较差的问题，以提高无位置传感器开关磁组电机系统起动时的换相稳定性。

本发明提供的具体技术方案是：脉冲注入法的三相开关磁阻电机起动/换相策略，包括如下步骤：

步骤1：由电源(10)供电，微处理器(16)向功率变换器(11)的开关管同时施加脉冲宽度一定的高频脉冲信号，控制开关管的开通与否，从而控制三相开关磁阻电机(13)的三相绕组通电与断电，在脉冲信号下降沿时刻，三相绕组中分别产生相电流脉冲电流峰值；

步骤2：电流传感器(14)采集三相开关磁阻电机绕组中的实时响应电流峰值，即iA_peak、iB_peak和iC_peak，并反馈给微处理器(16)；

步骤3：微处理器(16)比较各相的脉冲电流响应的大小确定初始导通相；

步骤4：若初始导通相为A相，则完成由A相到B相的一次换相；

步骤5：完成由B相到C相的一次换相；

步骤6：完成由C相到A相的一次换相；

步骤7：重复步骤四到步骤六，完成电机开关磁阻电机单相三拍控制的平稳换相。

优选地，所述步骤2具体包括以下内容：开关磁阻电机的电路特性的数学公式为：由于绕组电阻很小可以忽略，且在电机静止时，又有ω＝0，该数学公式可以简化为相电感和响应电流的关系可以表示为离散化后可以表示为且由于6/4极开关磁阻电机三相电感相位上相差30°，所以其对应的响应电流峰值iA_peak、iB_peak和iC_peak包络线是与LA、LB、LC成反比的相差30°相位波形。微处理器(16)检测到iC_peak最小时，确定初始导通相为A相；微处理器(16)检测到iA_peak最小时，确定初始导通相为B相；微处理器检测(16)到iB_peak最小时，确定初始导通相为C相。

优选地，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤31：向B相持续注入脉冲信号，微处理器(16)实时检测C相中的续流电流iC_续流；

步骤32：微处理器(16)比较iC_续流与iB_peak大小，并将控制信号传输给功率变换器(11)，具体包括：

步骤321：iC_续流＞iB_peak时，继续保持A相导通，B相施加脉冲，C相不施加；iB_peak＞iC_续流时，开始给C相施加脉冲，检测其响应电流iC_peak；

步骤322：微处理器(16)比较iC_peak与iB_peak大小；

步骤33：微处理器(16)检测到iC_peak＞iB_peak时，关断A相，导通B相，并给C相注入脉冲。

优选地，所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤41：步骤41：向C相持续注入脉冲信号，微处理器(16)实时检测A相中的续流电流iA_续流；

步骤42：微处理器(16)比较iA_续流与iC_peak大小，并将控制信号传输给功率变换器(11)，具体包括：

步骤421：iA_续流＞iC_peak时，继续保持B相导通，C相施加脉冲，A相不施加；iC_peak＞iA_续流时，开始给A相施加脉冲，检测其响应电流iA_peak；

步骤422：微处理器(16)比较iA_peak与iC_peak大小；

步骤43：微处理器(16)检测到iA_peak＞iC_peak时，关断B相，导通C相，并给A相注入脉冲。

优选地，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤51：向A相持续注入脉冲信号，微处理器(16)实时检测B相中的续流电流iB_续流；

步骤52：微处理器(16)比较iB_续流与iA_peak大小，并将控制信号传输给功率变换器(11)，具体包括：

步骤521：iB_续流＞iA_peak时，继续保持C相导通，A相施加脉冲，B相不施加；iA_peak＞iB_续流时，开始给B相施加脉冲，检测其响应电流iB_peak；

步骤522：微处理器(16)比较iB_peak与iA_peak大小；

步骤53：微处理器(16)检测到iB_peak＞iA_peak时，关断C相，导通A相，并给B相注入脉冲。

本发明申请与现有起动/换相策略相比，主要具备以下技术优点：

1.在实现正确换相的前提下，本方法通过比较续流值来决定施加脉冲的时间，而不用设定传统的阈值，使开关磁阻电机获得了更好的通用性。

2.在某相导通时，导通相电流远大于非导通相脉冲电流响应，本方法通过比较非导通相的脉冲电流大小，来决定开关管的开通和关断。这样做规定了比较次数，从而可以避免产生制动转矩，改进电机的性能。

3.本方法与传统开关磁阻电机的起动/换相策略相比，没有增加硬件设施。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2开关磁阻电机调速系统框图

图3为相电感与转子位置关系图。

图4为相电流脉冲电流峰值包络线图。

图5为脉冲电流峰值比较与转子初始位置、初始导通相的关系表。

图6为本发明的脉冲注入换相(由A相换到B相)算法流程图。

图7为本发明的换相策略表。

图中：1为开始，2为三相同时注入高频脉冲，3为比较三相电流，4为确定初始导通相(以A相为例)，5为A相到B相换相，6为B相到C相换相，7为C相到A相换相，8为是否停止，9为结束，10为电源，11为功率变换器，12为开关磁阻电机，13为电压检测模块，14为电流检测模块，15为位置速度检测模块，16为微处理器。

具体实施方式

本发明先根据脉冲电流和转子位置的关系，得出电机静止时的初始开通相以及转子初始位置，然后根据非导通相峰值电流的比较，得出向非导通相施加脉冲和换相的时间，实现电机的平稳起动。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图2为开关磁阻电机调速系统框图。开关磁阻电机调速系统主要由电源1、功率变换器2、开关磁阻电机3、电压检测模块4、电流检测模块5和、位置速度检测模块6和微处理器7组成。其中微处理器7是系统的核心，对检测信号进行采集、计算和处理，完成相关的控制算法，从而输出相应的控制信号给功率变换器2。本发明中的电感计算和无位置传感器技术的算法均由微处理器7来完成，无需添加额外硬件。相绕组电压和相电流由电压传感器4、电流传感器5来检测。

由开关磁阻电机的电路特性可知：

第k相磁链：

ψ_k＝L_k(i_k，θ)i_k (2)

代入后可得：

假设绕组电阻很小可以忽略，在电机静止时，又有w＝0，可得

所以，一相的电感可以表示为

离散化后可以表示为

式中的t₀是施加脉冲的最大时间，在实际中，可以对脉冲的峰值做出限制，使其不会引起电机转子的转动，起到同限制脉冲时间同样的效果。电机绕组具有电感和电阻的特性，只有当通电时间比绕组的时间常数小很多的时候，响应电流才近似线性变化。若不忽略电阻压降，响应电流的表达式为：

因此由理论可知6/4极开关磁阻电机在给定等幅电压脉冲的情况下，得出如图3所示的相电感与转子位置关系图和图4所示的相电流脉冲电流峰值包络线图，可见响应电流和各相电感成反比。

图5为本发明的脉冲电流峰值比较与转子初始位置、初始导通相的关系表。选择开关磁阻电机的一个电感周期以划分转子位置区域，该电感周期始点对应A相绕组的最小电感值，此时开关磁阻电机转子凸极与邻近A相绕组的一个定子凹槽对齐，即为转子0度位置；该电感周期终点对应A相绕组的最小电感值，此时开关磁阻电机转子凸极旋转了90角度，与邻近A相绕组的另一个定子凹槽对齐，即为转子90度位置；将该电感周期平均分为六个电感分区，在每一个电感分区中，三相绕组电感值之间存在着唯一的固定的大小关系(从图3可以看出)，根据三相绕组电感值大小关系推断出电感分区编号、转子初始位置角度θest所在的转子位置区域以及初始起动相，因此得到关系表如图5所示，其中，LA、LB、LC分别为ABC三相绕组电感；

图6为本发明的初始相判断算法流程。在电机起动时，首先需要确定的转子初始位置。初始位置的确定依据以下过程：

(1)开关磁阻电机个相绕组同时施加短时脉冲；

(2)比较各相的脉冲电流响应的大小；

(3)已经响应电流的大小，查表得到初始导通相。

对于初始导通相的判断，要注意使导通相处于该相电感的上升区，这样可以得到正向的转矩，同时，向其余两相注入微小脉冲，依据各相电感曲线作为换相判断，从而得到如图6的具体过程的程序流程图。

图6为本发明的脉冲注入法算法流程。以A相为例，由图5分析可得，在60°处，B相脉冲响应电流大于A相脉冲响应电流时，A相开通。此时，A相电流迅速增大，在A相开通的同时，关断的是C相，B相和C相作为非导通相，A相电流不能作为比较信号，而需要通过比较B相和C相的脉冲响应电流决定A相的关断。开通A，关断C，C相进入续流，其电流远大于非导通相脉冲响应电流，这时候进行换相控制逻辑判断，会导致换相错误。在A相导通，C相关断，开始续流的同时，向B相施加微小脉冲，而不向C相施加。当C相的续流电流小于B相脉冲电流幅值时，再向C相施加相同脉冲，对B、C两相的脉冲电流响应进行比较。此时，若C相脉冲响应电流大于B相脉冲响应电流，则开通B相，关断A相，同时保持对C相施加脉冲。

图7为本发明的换相策略表，B、C两相导通时的控制流程与A相时类似。

Claims (5)

1.一种脉冲注入的高速三相开关磁阻电机起动/换相策略，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：由电源(10)供电，微处理器(16)向功率变换器(11)的开关管同时施加脉冲宽度一定的高频脉冲信号，控制开关管的开通与否，从而控制三相开关磁阻电机(13)的三相绕组通电与断电，三相绕组中分别产生相电流脉冲电流峰值；

步骤2：电流传感器(14)采集三相开关磁阻电机绕组中的实时响应电流峰值，即iA_peak、iB_peak和iC_peak，并反馈给微处理器(16)；

步骤3：微处理器(16)比较各相的脉冲电流响应的大小确定初始导通相；

步骤4：若初始导通相为A相，则完成由A相到B相的一次换相；

步骤5：完成由B相到C相的一次换相；

步骤6：完成由C相到A相的一次换相；

步骤7：重复步骤4到步骤6，完成电机开关磁阻电机单相三拍控制的平稳换相。

2.如权利要求1所述的高速三相开关磁阻电机(13)起动/换相时确定初始导通相的方法，其特征在于：

开关磁阻电机的电路特性的数学公式为：由于绕组电阻很小可以忽略，且在电机静止时，又有ω＝0，该数学公式可以简化为相电感和响应电流的关系可以表示为离散化后可以表示为Δt∈[0，t₀]；且由于6/4极开关磁阻电机三相电感相位上相差30°，所以其对应的响应电流峰值iA_peak、iB_peak和iC_peak包络线是与LA、LB、LC成反比的相差30°相位波形。微处理器(16)检测到iC_peak最小时，确定初始导通相为A相；微处理器(16)检测到iA_peak最小时，确定初始导通相为B相；微处理器检测(16)到iB_peak最小时，确定初始导通相为C相。

3.如权利要求1所述的高速三相开关磁阻电机(13)由A相换到B相的方法，其特征在于：所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤31：向B相持续注入脉冲信号，微处理器(16)实时检测C相中的续流电流iC_续流；

步骤32：微处理器(16)比较iC_续流与iB_peak大小，并将控制信号传输给功率

步骤32：微处理器(16)比较iC_续流与iB_peak大小，并将控制信号传输给功率变换器(11)，具体包括：

步骤321：iC_续流＞iB_peak时，继续保持A相导通，B相施加脉冲，C相不施加；iB_peak＞iC_续流时，开始给C相施加脉冲，检测其响应电流iC_peak；

步骤322：微处理器(16)比较iC_peak与iB_peak大小；

步骤33：微处理器(16)检测到iC_peak＞iB_peak时，关断A相，导通B相，并给C相注入脉冲。

4.如权利要求1所述的高速三相开关磁阻电机(13)由B相换到C相的方法，其特征在于：所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤41：向C相持续注入脉冲信号，微处理器(16)实时检测A相中的续流电流iA_续流；

步骤42：微处理器(16)比较iA_续流与iC_peak大小，并将控制信号传输给功率变换器(11)，具体包括：

步骤421：iA_续流＞iC_peak时，继续保持B相导通，C相施加脉冲，A相不施加；iC_peak＞iA_续流时，开始给A相施加脉冲，检测其响应电流iA_peak；

步骤422：微处理器(16)比较iA_peak与iC_peak大小；

步骤43：微处理器(16)检测到iA_peak＞iC_peak时，关断B相，导通C相，并给A相注入脉冲。

5.如权利要求1所述的高速三相开关磁阻电机(13)由C相换到A相的方法，其特征在于：所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤51：向A相持续注入脉冲信号，微处理器(16)实时检测B相中的续流电流iB_续流；

步骤52：微处理器(16)比较iB_续流与iA_peak大小，并将控制信号传输给功率变换器(11)，具体包括：

步骤521：iB_续流＞iA_peak时，继续保持C相导通，A相施加脉冲，B相不施加；iA_peak＞iB_续流时，开始给B相施加脉冲，检测其响应电流iB_peak；

步骤522：微处理器(16)比较iB_peak与iA_peak大小；

步骤53：微处理器(16)检测到iB_peak＞iA_peak时，关断C相，导通A相，并给B相注入脉冲。