CN108964565A - 一种基于电感区间分类的开关磁阻电机转速反馈方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于开关磁阻电机转速检测的技术领域，涉及一种基于电感区间分类的开关磁阻电机转速反馈方法。该方法首先在数字信号处理器DSP中装载转速反馈计算程序，通过位置检测单元实时反馈转子所处的电感区间作为开关磁阻电机的通电逻辑，然后数字信号处理器DSP根据电感区间的类型计算转速并反馈给开关磁阻电机调速系统。本发明的方法较以往转速反馈计算的方法相比，通过对电感区间分类计算转速的方法替代了以往对整个电感周期求取转速平均值的方法，提高了转速反馈的精度。由于开关磁阻电机换相时的转矩下降情况发生在低电感区，使得这种方法得出的转速反馈可以反应在转矩下降区的转速情况，通过适当的控制方法可以在一定程度上降低转矩脉动。

Description

一种基于电感区间分类的开关磁阻电机转速反馈方法
技术领域
本发明属于开关磁阻电机转速检测的技术领域，涉及一种基于电感区间分类的开关磁阻电机转速反馈方法。
背景技术
开关磁阻电机调速系统一般是通过电流检测器和位置检测器来获取相绕组电流和转子位置信号，而转速信号是通过微控制器根据位置信号计算而来，称作数字式测速方法。现在应用较多的是光电式位置检测器，如三相开关磁阻电机只需三路位置检测器就可以通过微控制器数字处理得到转子的实时位置。转速信号就是通过位置检测器检测遮光盘的跳变沿触发微控制器的捕获模块，然后根据数字式测速算法得到的。为了降低转速信号的误差和稳定性，一般都需要对其进行滤波处理，即转子转过一定角度内的平均转速。以三相开关磁阻电机为例，通过三路位置信号检测的跳变沿可以将一个电感周期分成六个区间，而转速反馈信号则是一个电感周期内的平均转速。
开关磁阻电机调速系统因其起动转矩大，效率高，制作成本低等优点，有着很大的竞争力。但是由于其自身固有的双凸极结构和磁路易饱和的特点使得它的转矩脉动比传统点机大得多。尤其是在换相点处有明显的转矩下降区。从开关磁阻电机的控制系统来说，当转速环的输出作为电流给定时，如果转速测量的不够准确，将会对电流的控制产生影响，进而产生转矩脉动。测量转速要根据转子位置的检测方法，光电式传感器是通过检测遮光盘的跳变沿触发捕获模块计算转速，以往的处理方式是通过在一个电感周期内求平均转速作为速度反馈，这种处理方法得出的转速信号精度低，并且不能反映在转矩下降区时的转速情况，如果将其作为电流的给定信号，会产生较大的转矩脉动。除了利用光电式传感器检测位置的方法外，还有光电解码器和无位置传感器检测等。其中光电解码器可以在一个电感周期内形成多条脉冲，位置检测精确，计算出的转速更加贴近实时转速，但是成本高昂，并且需要额外的安装空间。无位置传感器不需要添加位置检测装置，但是实施算法复杂，适用于高速运行的开关磁阻电机。本发明提出一种基于简单的光电式传感器检测位置的装置，对电感区间分类计算转速，提高了转速反馈的精确度，可以在一定程度上降低转矩脉动。
发明内容
本发明为克服现有技术的缺陷，针对现有的基于位置传感器的转速计算方法不能准确提供转速反馈的问题，提供一种通过划分电感区间分区计算反馈转速的方法，能够将低电感区和电感上升区的转速情况分别反馈给开关磁阻电机调速系统，提高转速反馈精度，可以一定程度上降低转矩脉动。该方法基于传统的光电式位置传感器实现，适用于不同结构、不同相数的开关磁阻电机。
本发明的技术方案：
一种基于电感区间分类的开关磁阻电机转速反馈方法，首先在数字信号处理器DSP中装载转速反馈计算程序，通过位置检测单元实时反馈转子所处的电感区间作为开关磁阻电机的通电逻辑，然后数字信号处理器DSP根据电感区间的类型计算转速并反馈给开关磁阻电机调速系统，具体步骤如下：
第一步、位置检测器的安装及电感区间的划分
m相开关磁阻电机需要m个位置检测器，一个电感周期对应一个转子极距，即Nr为转子齿数；跳变沿包括上升沿和下降沿，通过m相位置检测器检测的跳变沿，将一个电感周期分为2m个电感区间，每个电感区间的角度见公式(1)；
式中：θ0为电感区间的角度，m为电机相数；
位置检测器的安装方法如下：首先确定开关磁阻电机的相序A、B、C…，然后对A相通电使A相吸合，面对与转子轴同轴的遮光盘选择一个齿边沿位置：左边齿边沿或右边齿边沿，将位置检测器的槽中线对准齿边沿并固定位置检测器；再对B相通电使B相吸合，遮光盘将转过一个步距角，在同一遮光盘齿边沿安装第二个位置检测器；以此类推，直到m个位置检测器都安装完成，安装过程中每个位置检测器对准的都是同一个遮光盘齿边沿；根据位置检测器的安装方法，将电感周期划分为2m个区间，每个分区按照每相位置检测器检测的高低电平进行二进制编码，以便数字信号处理器DSP识别；开关磁阻电机在同一转向的情况下，在不对齐位置时数字信号处理器DSP检测到的边沿极性是相同的；
第二步、电感区间的分类及转速计算和反馈
m相开关磁阻电机单相导通时每个电感周期的步数为m，按照第一步中电感分区的方法，每步为两个电感区间，即单相导通时定子绕组的导通角为两个电感区间2θ0；在不对齐位置处进行电机换相操作，将每相导通角的两个电感区间分为低电感区间θ1＝θ0和电感上升区间θ2＝θ0；由于在一个电感周期开关磁阻电机的m相需要轮流导通一次，所以在电机转向一定的前提下，存在m个低电感区间和m个电感上升区间，分别对应m相定子绕组；2m个电感区间被分为两类，即低电感区间和电感上升区间，二者对应的转子角度分别为mθ1、mθ1；电机在一定的转向前提下，两类区间二进制编码在时序上轮流出现；数字信号处理器DSP通过检测遮光盘边沿极性和电机转子转向标志位分别记录下每个电感周期，即每个转子极距的低电感区间经历的时间t1和电感上升区经历的时间t2，单位为s；两类区间的转速可分别由下式求出：
其中，n1，n2分别为电机在低电感区间和电感上升区间的转速，单位为rpm；数字信号处理器DSP通过电感区间的编码和电机转向标志位判定电感区间类型，按照电感区间类型将对应的转速反馈给开关磁阻电机调速系统。
本发明的有益效果：本发明的方法较以往转速反馈计算的方法相比，通过对电感区间分类计算转速的方法替代了以往对整个电感周期求取转速平均值的方法，提高了转速反馈的精度。由于开关磁阻电机换相时的转矩下降情况发生在低电感区，使得这种方法得出的转速反馈可以反应在转矩下降区的转速情况，通过适当的控制方法可以在一定程度上降低转矩脉动。
附图说明
图1是三相开关磁阻电机调速系统框图。
图2是电机三相绕组电感曲线和位置信号波形对应关系。
图3是数字信号处理器DSP的捕获模块中断程序流程图。
图4是开关磁阻电机转速计算与反馈子程序流程图。
其中：1-1数字信号处理器DSP；1-2三相开关磁阻电机；1-3功率变换器；
1-4PWM驱动单元；1-5电流检测单元；1-6位置检测单元。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
图1是三相开关磁阻电机调速系统框图。以三相开关磁阻电机调速系统为例，该开关磁阻电机调速系统由数字信号处理器DSP1-1、开关磁阻电机1-2、功率变换器1-3、1-4PWM驱动单元、电流检测单元1-5和位置检测单元1-6六个部分组成。
Us是主电路直流供电电源；A、B、C分别为开关磁阻电机1-2的三相定子绕组；VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6是二极管，V1、V2、V3、V4、V5、V6是开关元件，A绕组串联在V1和V6之间，B绕组串联在V3和V4之间，C绕组串联在V5和V2之间；Ca、Cb、Cc是电流传感器。
数字信号处理器DSP1-1中安装开关磁阻电机调速控制程序，其中包括本发明的一种基于电感区间分类的开关磁阻电机转速反馈方法。PWM驱动单元1-4从数字信号处理器DSP接收到PWM信号，再生成驱动信号驱动功率变换器1-3。它连接在数字信号处理器DSP1-1与功率变换器1-3之间。电流检测单元1-5用于检测电流。三相开关磁阻电机1-2为数字信号处理器DSP1-1提供速度信号和位置信号。功率变换器1-3的拓扑结构采用三相不对称半桥电路，开关元件V1～V6选用IGBT模块，二极管VD1～VD6封装于IGBT模块内部。开关元件V1、V3和V5作为上桥臂接在直流母线正极US+，开关元件V2、V4和V6作为下桥臂接在直流母线负极US-。开关磁阻电机2的定子绕组A串接于V1和V6之间，定子绕组B串接于V3和V4之间，定子绕组C串接于V2和V5之间，每相定子绕组单独控制，构成开关磁阻电机调速系统主回路。6个二极管分别两两组成各相电流的续流回路。电流检测单元1-5和位置检测单元1-6共同构成检测器，Ca、Cb、Cc选用型号相同的霍尔电流传感器，按电流正方向分别套装在A、B、C三相绕组的接线上；位置检测单元1-6采用三路光电式位置检测器；该系统采用电流转速双闭环控制系统，以位置信号作为通电逻辑，控制各相绕组通断。
根据技术方案中第一步的方法安装位置检测器后，相电感曲线和位置信号对应关系如图2所示。LA、LB、LC对应三相电感曲线，U1、U2、U3分别是三路位置检测器检测波形。图中底部的变量hall是对位置信号二进制编码的结果，hall的值分别对应各个电感区间的编码。ta表示对应电机转向标志位direction＝1时图中各个信号的时序方向；tb表示对应电机转向标志位direction＝-1时图中各个信号的时序方向。
图1中的开关磁阻电机1-2为18/12极开关磁阻电机。按照技术方案中第二步的方法，再结合图2，以图中ta方向为信号时序方向为例，A相绕组导通时低电感区对应编码为1-3，B相和C相绕组导通时低电感区对应编码分别为6和5，所以ta方向时，一个电感周期内导通时的低电感区间为3，5，6；按照技术方案中第二步的说明同样可以得出ta方向时，一个电感周期内导通时的电感上升区间为1，2，4，分别对应A，B，C相绕组导通时的电感上升区。这样就把ta方向时的电感区间分为了两类。tb方向的电感区间分类方法ta方向相同，可以看出二者分类的结果正好互补，即tb方向的电感上升区间是ta方向的低电感区间，tb方向的低电感区间是ta方向的电感上升区间。
图3是数字信号处理器DSP的捕获模块中断程序流程图。其功能是对电感区间分类计算经过的时间。捕获模块根据捕获到的边沿极性和电机转向标志位direction执行转子位置hall值的更新和记录相邻捕获模块计数器的差值的操作，执行完上述两个操作后，将转速更新标志位Updata_Velocity置1。以DSP捕获到上升沿为例，在捕获到上升沿之后，程序首先判断电机转向标志位direction，当direction＝1时，执行记录低电感区间时间操作，当direction＝-1时，记录电感上升区间时间操作；之后程序执行将记录的时间依次存入数组的操所，然后依次执行转速更新标志位置1，清空中断标志位，等待中断响应的操作。
下面结合图2和图3详细叙述两类电感区间的计时方法。从图2中可以看出，在ta方向时，每个低电感区间的起止位置都分别对应位置信号的一个上升沿和一个下降沿；每个电感上升区间的起止位置都分别对应位置信号的一个下降沿和一个上升沿；tb方向的情况ta方向互补。数字信号处理器DSP中的捕获模块可以记录不同边沿极性触发中断时的计数器的值，将两次相邻计数器的值相减就可以得出每个电感区间的时间。如图3所示的中断程序流程图，当中断捕获到位置信号下降沿时，在direction＝1(ta方向)的情况下，可以用此次计数器的值减去上一次上升沿触发中断时记录的计数器的值，再将这个数字量转换成真实的时间，就可以得到ta方向的一个低电感区间经过的时间t11，对应的电感区间编号为6，等到计算出接下来的两个低电感区时间t12、t13，对应的电感区间编号为3和5，再通过求和得出一个电感周期内低电感区间经过的时间t1＝t11+t12+t13；而在direction＝-1(tb方向)的情况下，可以从图2看出一个电感周期内相绕组导通时的电感上升区间经过的时间t2＝t21+t22+t23，t21，t22，t23分别对应电感区间编号2，1，4的时间中断捕获到位置信号上升沿的情况与上述情况相反，并与之互补。这样，就可以把在不同转向情况下的两类电感区间经过的时间计算出来，再根据公式(2)和(3)计算对应的电感区间的转速n1、n2。
图4是开关磁阻电机转速计算与反馈子程序流程图，根据当前电感区间编码即变量hall的值和电机转向标志位direction的值，将对应的转速反馈给系统。在反馈转速时如图4所示程序流程图，首先判断电机转向，direction＝1时，根据图2可以看出当检测到电感区间编码hall的值为3，5，6时，将低电感区间转速n1反馈给系统，电感区间编码hall的值为1，2，4时，将电感上升区间转速n2反馈给系统；direction＝-1时的情况与上述情况相反，并与之互补。

Claims (1)

1.一种基于电感区间分类的开关磁阻电机转速反馈方法，其特征在于，首先在数字信号处理器DSP中装载转速反馈计算程序，通过位置检测单元实时反馈转子所处的电感区间作为开关磁阻电机的通电逻辑，然后数字信号处理器DSP根据电感区间的类型计算转速并反馈给开关磁阻电机调速系统，具体步骤如下：
第一步、位置检测器的安装及电感区间的划分
m相开关磁阻电机需要m个位置检测器，一个电感周期对应一个转子极距，即Nr为转子齿数；跳变沿包括上升沿和下降沿，通过m相位置检测器检测的跳变沿，将一个电感周期分为2m个电感区间，每个电感区间的角度见公式(1)；
式中：θ0为电感区间的角度，m为电机相数；
位置检测器的安装方法如下：首先确定开关磁阻电机的相序A、B、C…，然后对A相通电使A相吸合，面对与转子轴同轴的遮光盘选择一个齿边沿位置：左边齿边沿或右边齿边沿，将位置检测器的槽中线对准齿边沿并固定位置检测器；再对B相通电使B相吸合，遮光盘将转过一个步距角，在同一遮光盘齿边沿安装第二个位置检测器；以此类推，直到m个位置检测器都安装完成，安装过程中每个位置检测器对准的都是同一个遮光盘齿边沿；根据位置检测器的安装方法，将电感周期划分为2m个区间，每个分区按照每相位置检测器检测的高低电平进行二进制编码，以便数字信号处理器DSP识别；开关磁阻电机在同一转向的情况下，在不对齐位置时数字信号处理器DSP检测到的边沿极性是相同的；
第二步、电感区间的分类及转速计算和反馈
m相开关磁阻电机单相导通时每个电感周期的步数为m，按照第一步中电感分区的方法，每步为两个电感区间，即单相导通时定子绕组的导通角为两个电感区间2θ0；在不对齐位置处进行电机换相操作，将每相导通角的两个电感区间分为低电感区间θ1＝θ0和电感上升区间θ2＝θ0；由于在一个电感周期开关磁阻电机的m相需要轮流导通一次，所以在电机转向一定的前提下，存在m个低电感区间和m个电感上升区间，分别对应m相定子绕组；2m个电感区间被分为两类，即低电感区间和电感上升区间，二者对应的转子角度分别为mθ1、mθ1；电机在一定的转向前提下，两类区间二进制编码在时序上轮流出现；数字信号处理器DSP通过检测遮光盘边沿极性和电机转子转向标志位分别记录下每个电感周期，即每个转子极距的低电感区间经历的时间t1和电感上升区经历的时间t2，单位为s；两类区间的转速可分别由下式求出：
其中，n1，n2分别为电机在低电感区间和电感上升区间的转速，单位为rpm；数字信号处理器DSP通过电感区间的编码和电机转向标志位判定电感区间类型，按照电感区间类型将对应的转速反馈给开关磁阻电机调速系统。
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