CN109474209A - 一种具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路 - Google Patents

Abstract

一种具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，可应用于开关磁阻电机无位置传感器控制领域。采用八只运算放大器、一只乘法器、十三只电阻、三只电容和两只可控开关构成具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路。该电路可实现开关磁阻电机运行时绕组内阻的精确估计和实时调节，通过可控开关消除磁链积分误差，计算快，精度高，不占用存储空间，在开关磁阻电机无位置传感器控制领域具有广阔的应用前景。

Description

一种具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机的磁链测量电路，特别涉及一种具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，适用于开关磁阻电机无位置传感器控制。

背景技术

目前开关磁阻电机无位置传感器控制方法包括磁链法、脉冲注入法、电流梯度法和状态观测器法等。磁链法作为一种常用的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，对控制方式无限制，适用转速范围宽。基于预存的磁链特性，根据实时测量的磁链和电流数据，获取转子位置信息。在多数磁链测量方法中，绕组内阻被视为固定值，但电机在持续运行状态下，电流会引起绕组温度改变，进而绕组内阻发生变化。通过测量电机内部温度可以计算内阻值，但该方法需要提前将温度传感器装入电机，成本较高且不易实现。采用数字处理芯片，根据采样电压和电流可实现绕组内阻估算，但该方法对处理芯片速度、模/数转换精度要求较高。现有的磁链测量模拟电路中，内阻值均是预先设定的，不能随着开关磁阻电机运行状态的改变而改变，无法与实际内阻值实时匹配，因此设计一种具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，采用有源器件和基本电路元件，构建一种具有内阻自适应调节功能的开关磁阻电机磁链测量电路。

为实现上述目的，本发明的磁链测量电路包括八只运算放大器U1、U2、U3、 U4、U5、U6、U7和U8、一只乘法器U9、十三只电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、 R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂和R₁₃、三只电容C₁、C₂和C₃和两只可控开关 S₁和S₂。

本发明的磁链测量电路，采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别获取绕组的端电压和流过的电流，将电压传感器和电流传感器获取的信号输入到跟随单元，可实现信号的跟随隔离作用。采集的电流信号经跟随单元后输入由乘法器和加法电路组成的内阻校正单元，将内阻校正量与初始预设值叠加实现内阻校正。内阻校正单元的输出信号与采集的绕组端电压信号输入至由减法电路和反向积分电路组成的计算单元，输出与实际磁链值成正比的电压信号，反向积分电路的电容两端并联有可控开关S₁，保证每个工作周期内磁链初始值为零，消除累计积分误差。采样保持单元由电压跟随器、可控开关S₂和电容C₂组成，采样保持单元的输出信号经PI调节单元输入至内阻校正单元，快速跟踪实际内阻值。

有益效果：本发明采用运算放大器、乘法器、电容、电阻和可控开关构成的具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，可实现开关磁阻电机运行时绕组内阻精确估计和实时调节，并可通过可控开关消除磁链积分误差，提高磁链测量精度，可应用于开关磁阻电机无位置传感器控制研究，提高无位置传感器的控制精度。

附图说明

附图1为具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

本发明由运算放大器、乘法器、电阻、电容和可控开关组成，运算放大器型号为TL084，乘法器型号为AD633，开关磁阻电机绕组端电压和流过的电流分别用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器采集，霍尔电压传感器的传输比例为 k_u，霍尔电流传感器的传输比例为k_i，霍尔电流传感器的输出电阻为R_s，则电压传感器和电流传感器输出电压值分别为

v_u＝k_u·u (1)

v_i＝k_i·R_si (2)

若使得R_s与内阻初始预设值R₀匹配，则必须满足以下等式：

运算放大器U1和运算放大器U2构成具有隔离作用的电压跟随器，运算放大器U3和四只电阻R₁、R₂、R₃、R₄构成减法电路，其中R₁＝R₃，R₂＝R₄，减法电路的输出信号为：

其中，v₈是内阻校正电路输出的电压值，其与i·(R₀+R_e)成正比，i为流过电机绕组的电流，R_e为内阻校正量。减法电路的输出信号v₃输入至反向积分电路。反向积分电路由运算放大器U4、电阻R₅、电容C₁和可控开关S₁组成，它的输出电压为：

可控开关S₁可保证每个工作周期内磁链初始值为零，消除累计积分误差。运算放大器U5、U6、可控开关S₂和电容C₂构成采样保持电路。运算放大器U5 构成的电压跟随器具有较小的输出阻抗和较大的输入阻抗，可以加快电容充电时间和减小电容放电时间，提高采样保持电路性能。当开关磁阻电机主开关管全部关断后，实时检测相电流值，经过零比较器后输出控制信号Ctrl2使开关S₂闭合，给电容快速充电，电容两端电压为此时的v_ψ。S₂断开后，电容端电压将保持不变直至S₂再次闭合。开关S₁的复位信号Ctrl1必须在S₂闭合后输出，这样才能保证磁链值不被清零。

采样保持电路的输出电压信号v_err代表了绕组电流下降为零时的估算磁链值误差，将其输入至PI调节电路。PI调节电路由运算放大器U7、电阻R₆、R₇和电容C₃组成，其输出电压可以表示为：

PI调节电路的输出信号用来修正预设内阻估算值，使其快速跟踪实际内阻值。内阻校正电路主要由乘法器U9和加法电路组成。其中乘法器用来输出一个与i·R_e成正比的电压信号。根据AD633芯片数据手册，可以得到它的输出信号 v_w为：

加法电路可将内阻偏差值与初始预设值叠加进而实现内阻校正。加法电路由运算放大器U8和电阻R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃组成。假设R₁₀＝R₁₁＝R₁₂＝R₁₃，U8的输出电压是：

可以看出内阻校正量与电压信号v_d的比例关系如下：

R_e＝k_rv_d (9)

其中，

基于以上电路分析，可以得出实际磁链值与运算放大器U4的输出电压的比例关系如下：

ψ＝k_ψv_ψ (10)

式中，可以看出本发明磁链测量电路可实现开关磁阻电机运行时磁链的精确测量。

Claims (8)

1.一种具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，其特征在于，包括：

跟随单元，所述跟随单元的第一输入端与电机绕组电压检测单元的输出端相连，所述跟随单元的第二输入端与电机绕组电流检测单元的输出端相连，所述跟随单元用于隔离跟随电机绕组电压检测信号和电机绕组电流检测信号；

计算单元，所述计算单元的第一输入端与所述跟随单元的绕组电压输出端相连，所述计算单元的第二输入端与所述内阻校正单元的输出端相连，用于根据绕组电压检测信号和内阻校正信号计算获得所述电机的磁链值；

采样保持单元，所述采样保持单元的输入端与所述计算单元的输出端相连，用于根据绕组磁链信号采样输出磁链误差信号；

PI调节单元，所述PI调节单元的输入端与所述采样保持单元的输出端相连，用于对磁链误差信号进行PI调节校正预设内阻估算值，快速跟踪实际内阻值；

内阻校正单元，所述内阻校正单元的第一输入端与所述跟随单元的绕组电流输出端相连，所述内阻校正单元的第二输入端与所述PI调节单元的输出端相连，所述内阻校正单元用于根据电流检测信号和内阻校正量与初始预设值叠加实现内阻校正。

2.如权利要求1所述的具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，其特征在于，所述跟随单元包括：

第一放大器，所述第一放大器的反相输入端与所述第一放大器的输出端相连，所述第一放大器的正相输入端与所述电机绕组电压检测单元输出端相连；

第二放大器，所述第二放大器的反相输入端与所述第二放大器的输出端相连，所述第二放大器的正相输入端与所述电机绕组电流检测单元输出端相连。

3.如权利要求1所述的具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，其特征在于，所述计算单元包括：

第三放大器，所述第三放大器的反相输入端通过第一电阻与所述跟随单元的第一放大器输出端相连，所述第三放大器的反相输入端通过第二电阻与所述第三放大器的输出端相连，所述第三放大器的正相输入端通过第三电阻与所述内阻校正单元的输出端相连，所述第三放大器的正相输入端与第四电阻的一端相连，第四电阻的另一端接地；

第四放大器，所述第四放大器的反相输入端通过第五电阻与第三放大器的输出端相连，所述第四放大器的反相输入端与第四放大器的输出端之间连接有并联连接的第一电容和第一可控开关，所述第四放大器的正相输入端接地。

4.如权利要求1所述的具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，其特征在于，所述采样保持单元包括：

第五放大器，所述第五放大器的正相输入端与所述计算单元的输出端相连，所述第五放大器的反相输入端与第五放大器的输出端相连；

第六放大器，所述第六放大器的正相输入端通过第二可控开关与所述第五放大器的输出端相连，所述第六放大器的正相输入端与第二电容的一端相连，第二电容的另一端接地，所述第六放大器的反相输入端与所述第六放大器的输出端相连。

5.如权利要求1所述的具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，其特征在于，所述PI调节单元包括：

第七放大器，所述第七放大器的反相输入端通过第六电阻与所述采样保持单元的输出端相连，所述第七放大器的反相输入端与所述第七放大器的输出端之间连接有串联连接的第七电阻和第三电容，所述第七放大器的正相输入端接地。

6.如权利要求1所述的具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，其特征在于，所述内阻校正单元包括：

乘法器，所述乘法器的x₁端与所述跟随单元的第二放大器输出端相连，所述乘法器的x₂端和y₁端相连后接地，所述乘法器的y₂端与所述PI调节单元的输出端相连，所述乘法器的w端与z端之间连接有第八电阻，所述乘法器的z端与所述地之间连接有第九电阻；

第八放大器，所述第八放大器的反相输入端和第八放大器的输出端之间连接有第十三电阻，所述第八放大器的反相输入端通过第十二电阻与地连接，所述第八放大器的正相输入端通过第十电阻与所述乘法器x₁端连接，所述第八放大器的正相输入端通过第十一电阻与所述乘法器的w端连接。

7.如权利要求6所述的具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，其特征在于，所述乘法器为AD633芯片，所述放大器为TL084芯片。

8.一种具有内阻自适应调节功能的磁链测量电路，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的磁链测量电路。