CN109039208A - 一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，用于获得电机导通区中不同转子位置角度下的增量电感，在电机运行状态下，将采集到的母线端直流电压信号和三相绕组的电流信号经调理变换后，再通过AD采样到控制器进行计算处理得到增量电感。实际计算时将母线端直流电压固定，通过增加负载和提高导通区电流斩波限的方式增大导通区电流，使计算电感从不饱和状态变为饱和状态。根据不同的电流斩波限，可以得到一组随转子位置角度变化的增量电感曲线波形。本发明的增量电感在线检测方法，硬件要求低，实现简单，不受反电动势影响，可在电机运行状态下实时测量，原理上可应用于各极数的开关磁阻电机。

Description

一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，属于开关磁阻电机控制技术领域。

背景技术

开关磁阻电机调速系统是20世纪80年代中期发展起来的新型调速系统，作为此系统的核心部分，开关磁阻电机具有结构简单、成本低、可靠性高、调速性好等一系列优点，广泛应用于电动汽车、家用家电、航天航空等领域。

电感特性是开关磁阻电机的重要特性，是连接其他物理变量的重要纽带。但是开关磁阻电机的双凸极结构和励磁所产生的电流、磁链波形都不是正弦波形，而且，电机通常运行于磁路饱和状态，磁链呈非线性特点，获得精确的电感特性对于优化电机设计、改善运行性能、实现无位置传感器控制等具有重要意义。

目前的测量方法主要有两种，分别是有限元分析法和实验测量法。有限元分析法通过有限元分析计算电机的磁化曲线，但计算复杂，且电机生产的不规则，使此方法建模困难。

实验测量法按测量方法可分为直接检测法和间接检测法。直接检测法通过在电机中安装磁链传感器直接测量，但此方法增加了电机成本，结构复杂，且磁链传感器测量范围有限，不适合在实际中应用。

间接检测法通过检测电机绕组或附加绕组的端电压和电流来计算磁链。目前采用较多的方法是将转子固定在特定角度，然后在绕组两端加一特定电压，通过采集电压电流值做数值积分计算磁链。该方法需要角度标识器将转子精确固定在要测量数据的位置，采样完成后需要调整转子位置于下一测量角度，步骤复杂，且得到的计算电感为固定角度的电感值，还需转换成连续角度下的电感波形。

以上在获取静态电感的基础上，目前有通过B样条神经网络方法推导开关磁阻电机的转矩特性，获得增量电感和反电动势数据，但此方法估计区间小，且只适用于特定工况。

开关磁阻电机的增量电感能真正反映其动态特性，以上方法都比较繁琐不能直接得到所需的电感值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，实现方便，计算简单，可实现电机在导通区间内连续的电感计算，并通过数据处理直接得出增量电感波形。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，获得电机导通区中不同转子位置角度下的增量电感，包括如下步骤：

步骤A.实时采集电机的三相绕组电流，并对电机进行斩波控制，同时，根据预设小于整个周期内电流上升时长段和电流下降时长段的采样时长，针对电流上升时长段和电流下降时长段进行多次采样，然后进入步骤B；

步骤B.分别针对各相绕组，计算获得相绕组中电流上升时长段内的斜率以及该相绕组中电流下降时长段内的斜率然后进入步骤C；其中，i表示其中一相绕组的电流，t表示时间；

步骤C.分别针对各相绕组，基于相绕组电流斜率正负变化时刻，获取该相绕组中、电流上升时长段内的斜率与电流下降时长段内的斜率的差值A，然后进入步骤D；步骤D.根据测得的母线端直流电压U,分别针对各相绕组，按如下公式：

l＝2U/A

获得各相绕组的增量电感l，进而获得电机导通区中不同转子位置角度下的增量电感。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括步骤E如下，执行完所示步骤D之后，进入步骤E；

步骤E.根据电机导通区中不同转子位置角度下的增量电感，获得增量电感对应不同电流和不同位置角的增量电感特性曲线数据。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤A中采用如下操作，针对电机进行斩波控制；

基于电机的导通状态，分别针对各相绕组，在导通区设置电流的上限阀值，当电流上升到上限阀值时，关闭该相绕组的开关管，使电流下降；同时在导通区设置电流的下限阀值，当电流下降到下限阀值时，开通该相绕组的开关管，使电流上升；

并且根据负载大小，设定不同的电流斩波限，使得导通区相电流在斩波限滞环范围内进行电流斩波控制，从而将电机各相的导通区电流控制在斩波限值。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B包括如下步骤：

步骤B1.分别针对各相绕组，基于小于电流上升区间、电流下降区间的采样时长，按固定频率采样电流上升区间内的电流值，以及电流下降区间内的电流值，然后进入步骤B2；

步骤B2.分别针对各相绕组，根据相绕组中电流上升区间内所采集各电流值中相邻值的差值，以及该相绕组中电流下降区间内所采集各电流值中相邻值的差值，按采样时长，分别获得该相绕组中电流上升时长段内的斜率以及该相绕组中电流下降时长段内的斜率

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B2中，分别针对各相绕组，执行如下操作：

针对相绕组中电流上升区间内所采集各电流值，获得多个相邻值的差值，并进行中值滤波操作，然后结合采样时长，获得该相绕组中电流上升时长段内的斜率

同时，针对相绕组中电流下降区间内所采集各电流值，获得多个相邻值的差值，并进行中值滤波操作，然后结合采样时长，获得该相绕组中电流下降时长段内的斜率

本发明所述一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所述一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，实现方便，计算简单，硬件要求低，可直接实时计算导通区的增量电感，实现电机动态运行时的增量电感实时检测，能够反映电机动态运行时电磁特性特征，并且计算精度高，消除了反电动势的影响。

附图说明

图1是三种不同电流斩波限下的电流波形示意图；

图2是对应于图1三种不同电流斩波限下的增量电感波形示意图；

图3是同一周期内增量电感波形和转子位置角度波形示意图；

图4是增量电感计算流程图；

图5是增量电感测试系统框图；

图6是电流斩波限从小到大对应的电感变化曲线示意图。

其中，1.开关管从开通到关断变换的时刻，2.开关管从关断到开通变换的时刻，3、4、5分别是不同电流上下限阀值所对应的电流斩波区间，6.是A相的导通区间，7.电流上升区域，8.电流下降区域，9、10、11是分别对应电流斩波限5，4，3的增量电感波形，12.A相的饱和状态的电感，13.以A相为零度位置、一个周期的转子位置角度，14.A相一个周期的电流，15.电流斩波限从低到高的变化趋势。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

假设忽略电机磁路饱和的影响，当开关管开通时电压方程表示为：

其中U为绕组两端电压，R为该相绕组电阻，ψ为该相磁链。

磁链ψ与电流和转子位置角度有关，可表示为：

ψ＝L(i,θ)i

其中，i为该相电流，θ为转子位置角度，L为相电感。因此电压方程可表示为：

其中ω为电机角速度。

其中增量电感可表示为:

根据电压和电流斜率的不同，当开关管开通时，该相电压方程可表示为:

其中di/dt|_on为电流的上升斜率。

当开关管关断时，该相电压方程为：

其中di/dt_off为电流的下降斜率。

在开关管状态变化的时刻认为电流、转速、磁链和角度不变，因此将两式相减可得到增量电感的表达式为:

基于上述分析，如图1所示，是三种不同电流斩波限下的电流波形示意图，其中I_High1、I_High2、I_High3为电流斩波上限，I_Low1、I_Low2、I_Low3为电流斩波下限，1，2是开关管状态变化的时刻，1是开关管从开通到关断变换的时刻，2开关管从关断到开通变换的时刻。3、4、5分别是不同电流上下限阀值下对应的电流斩波区间，此区间较小，可认为是一固定值即电流斩波限。斩波限3、4、5依次减小。6是该相的导通区间，也为增量电感的计算区间，这里表示为0-22.5°。7是电流上升区域，8是电流下降区域。

电机开通区间为0-22.5°，如图1所示，在此区间内进行斩波控制。

在当电流大于斩波上限即I_High1、I_High2、I_High3时关断开关管，电流小于斩波下限即I_Low1、I_Low2、I_Low3时开通开关管。将电流斩波上下限阀值之间的区域设置较小，从而认定导通区电流处于一恒定值即3、4、5为电流斩波限。

如图2所示，对应于图1的三种不同电流斩波限下的增量电感波形示意图，图1中3、4、5所标记的电流斩波限下的电流波形分别对应于图2中11，10，9所标记的增量电感波形。标记5所指的电流斩波限较小，对应的标记9所指的增量电感处于不饱和状态。标记4所指的电流斩波限增大，对应的标记10所指的增量电感进入饱和状态。标记3所指的电流斩波限达到饱和电流，对应的标记11所指的增量电感饱和状态更加明显。

如图3所示，是同一周期内增量电感波形和转子位置角度波形示意图。12是A相饱和状态下的增量电感，13是以A相为零度位置的转子位置角度示意图，14是A相一个周期的电流。通过位置传感器计算出转子位置角度，与A相的增量电感相对应，经stm32f407的DA输出得到两组增量电感对应角度的数据，通过此方法可得到计算的增量电感数据所对应的角度位置。

图4是增量电感计算流程图，图5是增量电感测试系统框图，以下按图4和图5介绍增量电感计算的详细步骤，具体如下：

本发明设计了一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，获得电机导通区中不同转子位置角度下的增量电感，实际应用当中，具体包括如下步骤：

步骤A.首先设置一固定的电流斩波限和机械负载，然后启动电机，采样母线端直流电压，计算转子位置角度，并通过控制器DA输出角度波形，同时实时采集电机的三相绕组电流，经调理变换后输入到stm32f407控制器AD口，采集三相电流值，对电机进行斩波控制，电流采集时，根据预设小于整个周期内电流上升时长段7和电流下降时长段的采样时长8，针对电流上升时长段和电流下降时长段进行多次采样，然后进入步骤B。

上述步骤A在实际应用中基于电机在0-22.5°导通，并采用如下操作，针对电机进行斩波控制；

基于电机的导通状态，分别针对各相绕组，在导通区设置电流的上限阀值，当电流上升到上限阀值时，关闭该相绕组的开关管，使电流下降；同时在导通区设置电流的下限阀值，当电流下降到下限阀值时，开通该相绕组的开关管，使电流上升。

上述步骤A采样母线端直流电压，在实际计算时采取的电压值为固定值，因此在计算中，令电压直接为一常数，无需检测电压实时的大小。在实际中，也可以通过电压传感器实时测量母线端直流电压，调理变换后经AD采样到控制器，其中AD采样频率应大于等于增量电感计算频率。

步骤B.分别针对各相绕组，计算获得相绕组中电流上升时长段内的斜率以及该相绕组中电流下降时长段内的斜率然后进入步骤C；其中，i表示其中一相绕组的电流，t表示时间。

上述步骤B包括如下步骤：

步骤B1.分别针对各相绕组，基于小于电流上升区间、电流下降区间的采样时长，按固定频率采样电流上升区间内的电流值，以及电流下降区间内的电流值，然后进入步骤B2。

步骤B2.分别针对各相绕组，根据相绕组中电流上升区间内所采集各电流值中相邻值的差值，以及该相绕组中电流下降区间内所采集各电流值中相邻值的差值，按采样时长，分别获得该相绕组中电流上升时长段内的斜率以及该相绕组中电流下降时长段内的斜率

上述步骤B2中，分别针对各相绕组，具体执行如下操作：

针对相绕组中电流上升区间内所采集各电流值，获得多个相邻值的差值，并进行中值滤波操作，然后结合采样时长，获得该相绕组中电流上升时长段内的斜率

同时，针对相绕组中电流下降区间内所采集各电流值，获得多个相邻值的差值，并进行中值滤波操作，然后结合采样时长，获得该相绕组中电流下降时长段内的斜率

在实际计算时，通过一个时间段内的多个差值进行中值滤波来减小误差，提高和的获取精度。

判断开关管状态变化的时刻1、2，因为开关管状态变化时电流斜率发生改变，可根据电流斜率正负的变化判断。

步骤C.分别针对各相绕组，基于相绕组电流斜率正负变化时刻，获取该相绕组中、电流上升时长段内的斜率与电流下降时长段内的斜率的差值A，然后进入步骤D。

步骤D.根据测得的母线端直流电压U,分别针对各相绕组，按如下公式：

l＝2U/A

获得各相绕组的增量电感l，进而获得电机导通区中不同转子位置角度下的增量电感，并通过控制器DA输出增量电感波形，然后进入步骤E；在计算中，增量电感计算频率固定，且小于采样频率。

步骤E.电机转速稳定后，通过示波器将控制器DA输出的增量电感及其对应的角度波形存储为数据。

步骤F.处理数据，如图5所示，将存储的数据进行处理，按角度为横坐标，增量电感为纵坐标，将数据导入到Matlab得到0-22.5°的增量电感曲线，再根据电感的对称性，可得到全周期的增量电感波形。

步骤G.如图5增加机械负载，并通过上位机提高电流斩波限使导通区电流上升，重复步骤A～F，计算不同电流斩波限下的增量电感波形。

如图6所示，是电流斩波限从小到大对应的电感变化曲线示意图，15表示电流斩波限从小到大的变化趋势方向，增量电感也从不饱和状态变为饱和状态。

上述所设计开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，可在运行状态下，在导通区实时计算增量电感，可以实现电机动态运行时的增量电感实时检测，能够反映电机动态运行时电磁特性特征。其中，将母线端直流电压固定后，只需要电流传感器检测三相绕组电流，就可计算出增量电感，硬件要求低，实现简单。不仅如此，在计算中考虑并消除了反电动势的影响，即通过开关管开通和关断时的电压方程相减消除了反电动势，使计算得到的增量电感精确度更高。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，其特征在于，获得电机导通区中不同转子位置角度下的增量电感，包括如下步骤：

步骤A.实时采集电机的三相绕组电流，并对电机进行斩波控制，同时，根据预设小于整个周期内电流上升时长段和电流下降时长段的采样时长，针对电流上升时长段和电流下降时长段进行多次采样，然后进入步骤B；

步骤B.分别针对各相绕组，计算获得相绕组中电流上升时长段内的斜率以及该相绕组中电流下降时长段内的斜率然后进入步骤C；其中，i表示其中一相绕组的电流，t表示时间；

步骤C.分别针对各相绕组，基于相绕组电流斜率正负变化时刻，获取该相绕组中、电流上升时长段内的斜率与电流下降时长段内的斜率的差值A，然后进入步骤D；

步骤D.根据测得的母线端直流电压U,分别针对各相绕组，按如下公式：

l＝2U/A

获得各相绕组的增量电感l，进而获得电机导通区中不同转子位置角度下的增量电感。

2.根据权利要求1所述一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，其特征在于，还包括步骤E如下，执行完所示步骤D之后，进入步骤E；

步骤E.根据电机导通区中不同转子位置角度下的增量电感，获得增量电感对应不同电流和不同位置角的增量电感特性曲线数据。

3.根据权利要求1所述一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，其特征在于，所述步骤A中采用如下操作，针对电机进行斩波控制；

基于电机的导通状态，分别针对各相绕组，在导通区设置电流的上限阀值，当电流上升到上限阀值时，关闭该相绕组的开关管，使电流下降；同时在导通区设置电流的下限阀值，当电流下降到下限阀值时，开通该相绕组的开关管，使电流上升；

并且根据负载大小，设定不同的电流斩波限，使得导通区相电流在斩波限滞环范围内进行电流斩波控制，从而将电机各相的导通区电流控制在斩波限值。

4.根据权利要求1所述一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，其特征在于，所述步骤B包括如下步骤：

步骤B1.分别针对各相绕组，基于小于电流上升区间、电流下降区间的采样时长，按固定频率采样电流上升区间内的电流值，以及电流下降区间内的电流值，然后进入步骤B2；

步骤B2.分别针对各相绕组，根据相绕组中电流上升区间内所采集各电流值中相邻值的差值，以及该相绕组中电流下降区间内所采集各电流值中相邻值的差值，按采样时长，分别获得该相绕组中电流上升时长段内的斜率以及该相绕组中电流下降时长段内的斜率

5.根据权利要求4所述一种开关磁阻电机增量电感特性在线检测方法，其特征在于，所述步骤B2中，分别针对各相绕组，执行如下操作：

针对相绕组中电流上升区间内所采集各电流值，获得多个相邻值的差值，并进行中值滤波操作，然后结合采样时长，获得该相绕组中电流上升时长段内的斜率

同时，针对相绕组中电流下降区间内所采集各电流值，获得多个相邻值的差值，并进行中值滤波操作，然后结合采样时长，获得该相绕组中电流下降时长段内的斜率