CN107681946A - 一种基于母线电流传感器的开关磁阻电机相电流重构方法 - Google Patents

一种基于母线电流传感器的开关磁阻电机相电流重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于母线电流传感器的开关磁阻电机相电流重构方法。开关磁阻电机驱动系统中模块化功率变换器由一个三相全桥开关模块和一个半桥开关模块组成,电机绕组呈星形连接且中线引出。该方法仅需要一个母线电流传感器,通过给开关管注入一个PWM信号,将母线电流解耦,实现相电流重构。本发明所述相电流重构方法可得到完整的相电流波形,减少了电流传感器和模数转换器通道个数,所采用的模块化功率传感器有利于降低驱动系统的成本、提高系统的集成度和可靠性。

Description

一种基于母线电流传感器的开关磁阻电机相电流重构方法
技术领域
本发明涉及一种基于母线电流传感器的开关磁阻电机相电流重构方法,属于电机控制领域。
背景技术
开关磁阻电机功率变换器的主要功能是为开关磁阻电机供电、为绕组储能提供回馈路径。开关磁阻电机驱动系统的性能和成本除电机本体之外很大程度上取决于功率变换器和传感器件。使用产量高、技术成熟的功率开关模块能够有效提高驱动系统的集成度,降低系统成本、体积和重量。然而,为达到良好的控制效果,传感器件必不可少。对于n相开关磁阻电机,一般需要n个电流传感器;开关磁阻电机相数越多,所需电流传感器个数也越多,驱动系统的成本、体积及复杂度都会提高,可靠性大大降低。基于母线电流传感器的电机相电流重构是减少电流传感器个数的方法之一,常见于交流电机控制领域。例如电压源逆变器驱动的交流电机,通过调节脉冲宽度调制信号,确保母线电流传感器可以检测到整个控制周期内的所有相电流。文献“Single-sensor current regulation in switchedreluctance motor drives”首先提出基于开关磁阻电机的相电流重构方法,采用的功率变换器能够将各相退磁电流从母线中分离出来,但该方法控制十分复杂。文献“Phasecurrent reconstruction of switched reluctance motors from dc-link currentunder double high-frequency pulses injection”在文献“Single-sensor currentregulation in switched reluctance motor drives”的基础上,提出了一种高频脉冲注入法来重构各相电流,将两个高频脉冲分别注入到功率变换器下桥臂的两个不同开关管,从而进行相电流重构。由于功率变换器拓扑结构特殊,退磁电流无法重构,导致重构出的相电流不完整,无法应用于先进的控制方法,如直接瞬时转矩控制。此外,该功率变换器没有采用标准的功率开关模块,系统集成度不高。
发明内容
本发明提供了一种基于开关磁阻电机模块化功率变换器的相电流重构方法,仅需要一个母线电流传感器,在不改变模块化功率变换器结构的基础上,通过给开关管注入PWM信号,将母线电流解耦,实现相电流重构。该方法能够得到完整的相电流波形,减少电流传感器个数,提高电机可靠性和系统集成度,降低驱动系统的成本、重量、体积及复杂度。
本发明所述的模块化功率变换器由一个三相全桥开关模块和一个半桥开关模块组成;三相全桥开关模块包括一到六号开关管T1~T6,一到六号二极管D1~D6;六个开关管T1~T6和六个二极管D1~D6组成上下三个桥臂,三个上桥臂分别由开关管T1,T3,T5和二极管D1,D3,D5组成,三个下桥臂分别由开关管T2,T4,T6和二极管D2,D4,D6组成;所述的半桥开关模块包括七号开关管T7,八号开关管T8,七号二极管D7和八号二极管D8,开关管T7和二极管D7组成一个上桥臂,开关管T8和二极管D8组成一个下桥臂;三相全桥开关模块和半桥开关模块的每个上桥臂接直流电源正端,下桥臂接直流电源负端;三相全桥开关模块的三个上下桥臂连接处引出线分别与开关磁阻电机三相绕组相连,半桥开关模块的上下桥臂连接处引出线与开关磁阻电机三相绕组连接点N相连。
定义三相开关磁阻电机A、B和C相绕组的开通、关断角分别为θonA、θoffA、θonB、θoffB、θonC、θoffC,A、B和C相相电流负压续流到零时对应的角度分别为θzeroA、θzeroB、θzeroC,θ1表示在该位置时A、B两相电流幅值相等,θ2表示在该位置时A、C两相电流幅值相等,转子位置角为θ,脉冲周期为n,励磁电源电压为Vd,母线电流为idc,A、B和C三相绕组电流分别为ia、ib、ic。以A相为例,转子位置角θ可分成7个区域,具体分析各区域相电流和母线电流之间的关系:
区域Ⅰ:当θonA≤θ<θ1时,A、B两相同时导通,B相绕组所连接的开关管T6和二极管D8导通,并与电源正、负端组成完整回路;A相绕组所连接的开关管T1与B相绕组所连接的开关管T6同时导通,并与电源正、负端组成完整回路,此时A相励磁、B相零压续流,A相电流ia=idc
区域Ⅱ:当θ1≤θ<θoffB时,A、B两相同时导通,A相绕组所连接的开关管T1与B相绕组所连接的开关管T6同时导通,并与电源正、负端组成完整回路,此时A、B两相串联励磁,A相电流ia=idc
区域Ⅲ:当θoffB≤θ<θzeroB时,A相导通、B相关断,A相绕组所连接的开关管T1和开关管T8导通;A相和B相绕组所连接的二极管D5导通,并与电源正、负端组成完整回路,此时A相单独励磁、B相退磁直至关断,母线电流idc=ia+ib;此时给T1、T8注入PWM信号,当T1、T8关断时,A相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D2→A相绕组→D7→+Vd,另一条为-Vd→D2→A相绕组→B相绕组→D5→+Vd,A相电流ia=-idc
区域Ⅳ:当θzeroB≤θ<θonC时,A相导通,A相绕组所连接的开关管T1与绕组另一端所连接的开关管T8同时导通,并与电源正、负端组成完整回路,此时A相单独励磁,A相电流ia=idc
区域Ⅴ:当θonC≤θ<θ2时,A、C相导通,A相绕组所连接的开关管T1和二极管D7导通,并与电源正、负端组成完整回路;C相绕组所连接的开关管T4与A相绕组所连接的开关管T1同时导通,并与电源正、负端组成完整回路;此时A相零压续流、C相励磁,C相电流ic=-idc;此时给开关管T8注入PWM信号,当T8开通时,A相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T1→A相绕组→T8→-Vd,另一条为+Vd→T1→A相绕组→C相绕组→T4→-Vd,此时A相电流ia=idc
区域Ⅵ:θ2≤θ<θoffA时,A、C相导通,A相绕组所连接的开关管T1与C相绕组所连接的开关管T4同时导通,并与电源正、负端组成完整回路,此时A、C两相串联励磁,A相电流ia=idc
区域Ⅶ:θoffA≤θ<θzeroA时,A相关断,C相绕组所连接的开关管T4与绕组另一端所连接的开关管T7同时导通,与电源正、负端组成完整回路,此时C相绕组单独励磁,A相退磁直至关断,母线电流idc=-ia-ic;此时给T7、T4注入PWM信号,当T7、T4关断时,C相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D8→C相绕组→D3→+Vd,另一条为-Vd→D2→A相绕组→C相绕组→D3→+Vd;第n个脉冲周期低电平时,T7、T4关断,C相电流ic(n)=idc(n),下一个脉冲周期PWM低电平到来之前,T4、T7开通,母线电流仍为A、C两相电流和即idc(n+1)=-ia(n+1)-ic(n+1),此时A相电流可以通过ia(n)≈-idc(n)-idc(n+1)近似得到。
基于上述分析,可通过母线电流重构出A相半周期的电流波形。
本发明的突出优点:①仅需要一个母线电流传感器,可以减少相电流传感器个数,降低开关磁阻电机驱动系统的成本、重量和体积,提高了系统的集成度和可靠性;②仅需一路模数转换器(A/D converter)通道,将采样得到的母线电路转换为数字信号进行处理,减少了控制电路中模数转换器通道个数,降低系统成本;③该方法重构出的相电流是完整的,有利于开关磁阻电机先进控制方法的实现;④该重构方法是基于模块化功率变换器实现的,有利于提高系统集成度。
附图说明
图1为A、B两相绕组串联励磁工作模式图。
图2为A相绕组单独励磁工作模式图。
图3为A、C两相绕组串联励磁工作模式图。
图4为C相绕组单独励磁工作模式图。
图5为C、B两相绕组串联励磁工作模式图。
图6为B相绕组单独励磁工作模式图。
图7为注入PWM信号后B相绕组励磁工作模式图。
图8为注入PWM信号后A相绕组退磁工作模式图。
图9为注入PWM信号后A相绕组励磁工作模式图。
图10为注入PWM信号后C相绕组退磁工作模式图。
图11为注入PWM信号后C相绕组励磁工作模式图。
图12为注入PWM信号后B相绕组退磁工作模式图。
图中T1、T2、T3、T4、T5、T6--三相全桥开关模块中的开关管,D1、D2、D3、D4、D5、D6--三相全桥开关模块中的二极管,T7、T8—半桥开关模块中的开关管,D7、D8—半桥开关模块中的二极管,N为三相绕组连接点。
具体实施方式
本发明所述的模块化功率变换器如图1所示,模块化功率变换器由一个三相全桥开关模块和一个半桥开关模块组成;三相全桥开关模块包括一到六号开关管T1~T6,一到六号二极管D1~D6;开关管T1,T3,T5和二极管D1,D3,D5分别组成三个上桥臂,开关管T2,T4,T6和二极管D2,D4,D6分别组成三个下桥臂;半桥开关模块包括七号开关管T7,八号开关管T8,七号二极管D7和八号二极管D8,开关管T7和二极管D7组成一个上桥臂,开关管T8和二极管D8组成一个下桥臂;三相全桥开关模块和半桥开关模块每个上桥臂接直流电源正端,下桥臂接直流电源负端;三相全桥开关模块的三个上下桥臂连接处引出线分别与开关磁阻电机三相绕组相连,半桥开关模块的上下桥臂连接处引出线与开关磁阻电机三相绕组连接点N相连。
实例所用电机为一个1kW三相12/8极开关磁阻电机,对该电机进行相电流重构。开通角θon=0°,关断角θoff=18°。以90°为一个电周期,定义A相的导通位置为0°。各相励磁顺序为BA→A→AC→C→CB→B→BA→A→AC→C→CB→B→BA。定义各相电流流入N点为正方向,转子位置角为θ,励磁电源电压为Vd,脉冲周期为n,母线电流为idc,A、B和C三相绕组电流分别为ia、ib、ic
当0°≤θ<3°时,A相导通,B相未关断,T1、T6同时导通,此时A、B两相绕组串联励磁,A相电流ia=idc,如图1实线所示;此时给开关管T7注入PWM信号,当T7开通时,B相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T7→B相绕组→T6→-Vd,另一条为+Vd→T1→A相绕组→B相绕组→T6→-Vd,此时B相电流ib=-idc,如图7实线所示;
当3°≤θ<15°时,B相关断,T1、T8同时导通,此时A相绕组单独励磁,B相绕组退磁,母线电流idc=ia+ib,如图2实线所示;此时给T1、T8注入PWM信号,当T1、T8关断时,A相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D2→A相绕组→D7→+Vd,另一条为-Vd→D2→A相绕组→B相绕组→D5→+Vd;第n个脉冲周期低电平时,T1、T8关断,A相电流ia(n)=-idc(n),在下一个脉冲周期PWM低电平到来之前,T1、T8开通,母线电流仍为A、B两相电流和即idc(n+1)=ia(n+1)+ib(n+1),此时B相电流可以通过ib(n)≈idc(n)+idc(n+1)近似得到,如图8实线所示;
当15°≤θ<18°时,C相导通,A相未关断,T1、T4同时导通,此时A、C两相绕组串联励磁,C相电流ic=-idc,如图3实线所示;此时给开关管T8注入PWM信号,当T8开通时,A相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T1→A相绕组→T8→-Vd,另一条为+Vd→T1→A相绕组→C相绕组→T4→-Vd,此时A相电流ia=idc,如图9实线所示;
当18°≤θ<30°时,A相关断,T7、T4同时导通,此时C相绕组单独励磁,A相绕组退磁,母线电流idc=-ia-ic,如图4实线所示;此时给T7、T4注入PWM信号,当T7、T4关断时,C相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D8→C相绕组→D3→+Vd,另一条为-Vd→D2→A相绕组→C相绕组→D3→+Vd;第n个脉冲周期低电平时,T4、T7关断,C相电流ic(n)=idc(n),在下一个脉冲周期PWM低电平到来之前,T4、T7开通,母线电流仍为A、C两相电流和即idc(n+1)=-ia(n+1)-ic(n+1),此时A相电流可以通过ia(n)≈-idc(n)-idc(n+1)近似得到,如图10实线所示;
当30°≤θ<33°时,B相导通,C相未关断,T5、T4同时导通,此时C、B两相绕组串联励磁,B相电流ib=idc,如图5实线所示;此时给开关管T7注入PWM信号,当T7开通时,C相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T7→C相绕组→T4→-Vd,另一条为+Vd→T5→B相绕组→C相绕组→T4→-Vd,此时C相电流ic=-idc,如图11实线所示;
当33°≤θ<45°时,C相关断,T5、T8同时导通,此时B相绕组单独励磁,C相绕组退磁,母线电流idc=ib+ic,如图6实线所示;此时给T5、T8注入PWM信号,当T5、T8关断时,B相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D6→B相绕组→D7→+Vd,另一条为-Vd→D6→B相绕组→C相绕组→D3→+Vd;第n个脉冲周期低电平时,T5、T8关断,B相电流ib(n)=-idc(n),在下一个脉冲周期PWM低电平到来之前,T5、T8开通,母线电流仍为B、C两相电流和即idc(n+1)=ib(n+1)+ic(n+1),此时C相电流可以通过ic(n)≈idc(n)+idc(n+1)近似得到,如图12实线所示;
当45°≤θ<48°时,A相导通,B相未关断,T5、T2同时导通,此时A、B两相绕组串联励磁,A相电流ia=-idc,如图1虚线所示;此时给开关管T8注入PWM信号,当T8开通时,B相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T5→B相绕组→T8→-Vd,另一条为+Vd→T5→B相绕组→A相绕组→T2→-Vd,此时B相电流ib=idc,如图7虚线所示;
当48°≤θ<60°时,B相关断,T7、T2同时导通,此时A相绕组单独励磁,B相绕组退磁,母线电流idc=-ia-ib,如图2虚线所示;此时给T7、T2注入PWM信号,当T7、T2关断时,A相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D8→A相绕组→D1→+Vd,另一条为-Vd→D6→B相绕组→A相绕组→D1→+Vd;第n个脉冲周期低电平时,T7、T2关断,A相电流ia(n)=idc(n),在下一个脉冲周期PWM低电平到来之前,T7、T2开通,母线电流仍为A、B两相电流和即idc(n+1)=-ib(n+1)-ia(n+1),此时B相电流可以通过ib(n)≈-idc(n)-idc(n+1)近似得到,如图8虚线所示;
当60°≤θ<63°时,C相导通,A相未关断,T3、T2同时导通,此时A、C两相绕组串联励磁,C相电流ic=idc,如图3虚线所示;此时给开关管T7注入PWM信号,当T7开通时,A相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T7→A相绕组→T2→-Vd,另一条为+Vd→T3→C相绕组→A相绕组→T2→-Vd,此时A相电流ia=-idc,如图9虚线所示;
当63°≤θ<75°时,A相关断,T3、T8同时导通,此时C相绕组单独励磁,A相绕组退磁,母线电流idc=ia+ic,如图4虚线所示;此时给T3、T8注入PWM信号,当T3、T8关断时,C相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D4→C相绕组→D7→+Vd,另一条为-Vd→D4→C相绕组→A相绕组→D1→+Vd;第n个脉冲周期低电平时,T3、T8关断,C相电流ic(n)=-idc(n),在下一个脉冲周期PWM低电平到来之前,T3、T8开通,母线电流仍为A、C两相电流和即idc(n+1)=ia(n+1)+ic(n+1),此时A相电流可以通过ia(n)≈idc(n+1)+idc(n)近似得到,如图10虚线所示;
当75°≤θ<78°时,B相导通,C相未关断,T3、T6同时导通,此时C、B两相绕组串联励磁,B相电流ib=-idc,如图5虚线所示;此时给开关管T8注入PWM信号当T8开通时,C相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T3→C相绕组→T8→-Vd,另一条为+Vd→T3→C相绕组→B相绕组→T6→-Vd,此时C相电流ic=idc,如图11虚线所示;
当78°≤θ<90°时,C相关断,T7、T6同时导通,此时B相绕组单独励磁,C相绕组退磁,母线电流idc=-ib-ic,如图6虚线所示;此时给T7、T6注入PWM信号,当T7、T6关断时,B相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D8→B相绕组→D5→+Vd,另一条为-Vd→D4→C相绕组→B相绕组→D5→+Vd;第n个脉冲周期低电平时,T7、T6关断,B相电流ib(n)=idc(n),在下一个脉冲周期PWM低电平到来之前,T7、T6开通,母线电流仍为B、C两相电流和即idc(n+1)=-ib(n+1)-ic(n+1),此时C相电流可以通过ic(n)≈-idc(n)-idc(n+1)近似得到,如图12虚线所示;
本发明所述相电流重构方法全周期导通逻辑如表1所示。
表1全周期导通逻辑及PWM注入前后的母线电流

Claims (1)

1.一种基于母线电流传感器的开关磁阻电机相电流重构方法,其特征在于:所述的模块化功率变换器由一个三相全桥开关模块和一个半桥开关模块组成;三相全桥开关模块包括一到六号开关管T1~T6,一到六号二极管D1~D6;开关管T1,T3,T5和二极管D1,D3,D5分别组成三个上桥臂,开关管T2,T4,T6和二极管D2,D4,D6分别组成三个下桥臂;半桥开关模块包括七号开关管T7,八号开关管T8,七号二极管D7和八号二极管D8,开关管T7和二极管D7组成一个上桥臂,开关管T8和二极管D8组成一个下桥臂;三相全桥开关模块和半桥开关模块每个上桥臂接直流电源正端,下桥臂接直流电源负端;三相全桥开关模块的三个上下桥臂连接处引出线分别与开关磁阻电机三相绕组相连,半桥开关模块的上下桥臂连接处引出线与开关磁阻电机三相绕组连接点N相连;所述的开关磁阻电机驱动系统仅需要一个母线电流传感器,通过给开关管注入一个PWM信号,将母线电流解耦,实现相电流重构;单相励磁时,通过向三相全桥开关模块中的两个开关管注入PWM信号,得到励磁相的电流,再通过计算便可得到另一相的电流;两相重叠导通时,可通过母线电流传感器直接得到其中一相的电流,而另一相的电流可以通过向半桥开关模块中的一个开关管注入PWM信号得到;
定义开关磁阻电机A、B、C三相绕组的开通角为θonA、θonB、θonC,关断角为θoffA、θoffB、θoffC,转子位置角为θ,脉冲数为n,励磁电源电压为Vd,母线电流为idc,A、B和C三相绕组电流分别为ia、ib、ic,各相导通角存在重叠,且励磁顺序为BA→A→AC→C→CB→B→BA;所述重构方法的实现过程如下:
当θonA≤θ<θoffB时,A相导通,B相未关断,T1、T6同时导通,此时A、B两相绕组串联励磁,A相电流ia=idc;此时给开关管T7注入PWM信号,当T7开通时,B相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T7→B相绕组→T6→-Vd,另一条为+Vd→T1→A相绕组→B相绕组→T6→-Vd,此时B相电流ib=-idc
当θoffB≤θ<θonC时,B相关断,T1、T8同时导通,此时A相绕组单独励磁,B相绕组退磁,母线电流idc=ia+ib;此时给T1、T8注入PWM信号,当T1、T8关断时,A相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D2→A相绕组→D7→+Vd,另一条为-Vd→D2→A相绕组→B相绕组→D5→+Vd;第n个脉冲周期低电平时,T1、T8关断,A相电流ia(n)=-idc(n),在下一个脉冲周期PWM低电平到来之前,T1、T8开通,母线电流仍为A、B两相电流和即idc(n+1)=ia(n+1)+ib(n+1),此时B相电流可以通过ib(n)≈idc(n)+idc(n+1)近似得到;
当θonC≤θ<θoffA时,C相导通,A相未关断,T1、T4同时导通,此时A、C两相绕组串联励磁,C相电流ic=-idc;此时给开关管T8注入PWM信号,当T8开通时,A相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T1→A相绕组→T8→-Vd,另一条为+Vd→T1→A相绕组→C相绕组→T4→-Vd,此时A相电流ia=idc
当θoffA≤θ<θonB时,A相关断,T7、T4同时导通,此时C相绕组单独励磁,A相绕组退磁,母线电流idc=-ia-ic;此时给T7、T4注入PWM信号,当T7、T4关断时,C相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D8→C相绕组→D3→+Vd,另一条为-Vd→D2→A相绕组→C相绕组→D3→+Vd;第n个脉冲周期低电平时,T4、T7关断,C相电流ic(n)=idc(n),下一个脉冲周期PWM低电平到来之前,T4、T7开通,母线电流仍为A、C两相电流和即idc(n+1)=-ia(n+1)-ic(n+1),此时A相电流可以通过ia(n)≈-idc(n)-idc(n+1)近似得到;
当θonB≤θ<θoffC时,B相导通,C相未关断,T5、T4同时导通,此时C、B两相绕组串联励磁,B相电流ib=idc;此时给开关管T7注入PWM信号,当T7开通时,C相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T7→C相绕组→T4→-Vd,另一条为+Vd→T5→B相绕组→C相绕组→T4→-Vd,此时C相电流ic=-idc
当θoffC≤θ<θonA时,C相关断,T5、T8同时导通,此时B相绕组单独励磁,C相绕组退磁,母线电流idc=ib+ic;此时给T5、T8注入PWM信号,当T5、T8关断时,B相绕组通过两条路径退磁:一条为-Vd→D6→B相绕组→D7→+Vd,另一条为-Vd→D6→B相绕组→C相绕组→D3→+Vd;第n个脉冲周期低电平时,T5、T8关断,B相电流ib(n)=-idc(n),在下一个脉冲周期PWM低电平到来之前,T5、T8开通,母线电流仍为B、C两相电流和即idc(n+1)=ib(n+1)+ic(n+1),此时C相电流可以通过ic(n)≈idc(n)+idc(n+1)近似得到;
当θonA≤θ<θoffB时,A相导通,B相未关断,T5、T2同时导通,此时A、B两相绕组串联励磁,A相电流ia=-idc;此时给开关管T8注入PWM信号,当T8开通时,B相绕组通过两条路径励磁:一条为+Vd→T5→B相绕组→T8→-Vd,另一条为+Vd→T5→B相绕组→A相绕组→T2→-Vd,此时B相电流ib=idc
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