CN109586644B - 一种电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机无位置传感器控制方法，所述方法包括以下步骤：在定子绕组中注入高频信号，利用磁耦合谐振原理，在转子上安装调制后的线圈；线圈在定子绕组产生反映阻抗，使得定子绕组中关于高频信号的反映阻抗增大，通过检测高频信号的变化，可得到转子的位置信号；调制后的线圈的谐振频率与高频信号的频率相匹配，使得定子绕组与调制后的线圈的互感磁通增加。

Description

一种电机无位置传感器控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电机无位置传感器控制方法。
背景技术
传统电机控制依赖于位置传感器检测电机转子位置以获得电机的控制信息。但是位置传感器也带来了电机体积成本增加，传感器在恶劣工作环境效果差等问题。因此，电机的无位置传感器控制受到国内外学者的重视，并提出了各种新颖的解决方法。
反电动势过零点检测法是目前最成熟和应用最广泛的一种无位置传感器控制方法，但因为电机反电动势正比于电机转速，在电机低转速或者停转的情况下这种方法难以获得精确的位置信息。而其他诸如续流二极管法以及反电动势三次谐波法则有较多限制，应用范围小。有文献[1]提出在电机控制驱动间隙通过功率驱动电路施加高频检测信号，根据绕组反馈比较各项绕组电感差异，进而估计转子位置。这种高频信号注入法要求电机内部具有凸极效应，但由于永磁电机的交直轴电感差异小，尤其对于表贴式永磁电机，这种方法控制困难。
发明内容
基于高频信号注入法的永磁电机无位置传感器控制中，因为永磁电机的凸极效应不明显，电感差异检测困难，针对该问题，本发明提出基于磁耦合谐振原理的一种新型转子位置检测方法，在转子上安装与高频注入信号频率对应的调制线圈，通过检测定子绕组中三相高频电流的变化，可确定转子的位置，详见下文描述：
一种电机无位置传感器控制方法，所述方法包括以下步骤：
在定子绕组中注入高频信号，利用磁耦合谐振原理，在转子上安装调制后的线圈；
线圈在定子绕组产生反映阻抗，使得定子绕组中关于高频信号的反映阻抗增大，通过检测高频信号的变化，可得到转子的位置信号；
调制后的线圈的谐振频率与高频信号的频率相匹配，使得定子绕组与调制后的线圈的互感磁通增加。
进一步地，所述线圈的电路为谐振电路。
优选地，调制后的线圈的谐振频率、与定子绕组注入的高频信号频率耦合。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、针对静止和低速、大转矩运行状态下永磁电机转子位置难检测问题，采用高频检测信号分时和分频复用可实现转子位置的估算，但频率较高时受集肤效应等影响绕组电感的差异反而会减小，因此本发明通过在转子上增设调制后的线圈，使线圈与高频注入信号的频率一致，产生谐振；
2、调制后的线圈对定子绕组的高频信号的影响可用反映阻抗表示，反映阻抗随电机旋转变化，使得高频电流也随着电机旋转变化，避免了直接检测永磁电机三相电感差异困难的问题。
附图说明
图1为现有技术的永磁电机的驱动电路图；
图2为本发明的定子绕组与调制线圈构成的磁耦合谐振系统电路图；
图3为本发明的转子增设调制线圈的永磁电机基本结构(一对极)示意图；
图4为本发明的永磁电机转子初始位置及磁势图；
图5为本发明的永磁电机理想三相反映阻抗、开关信号与功率器件导通关系图；
图6为本发明的转子增设调制线圈的永磁电机基本结构(两对极)示意图。
表1为电机转子旋转位置与三相高频电流差异、导通的功率器件对应关系表。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
磁耦合谐振是一种无线传能技术，利用电磁谐振原理，使得能量在两个具有共同频率的线圈中传输。当磁耦合谐振系统的两个线圈耦合时，副边绕组通过反映阻抗对原边绕组电流产生影响。通过在永磁电机转子上安装调制后的线圈使得其与定子绕组中的高频注入信号频率耦合，转子在不同位置，调制线圈对定子绕组的反映阻抗随之变化。通过检测定子绕组的高频电流变化，可获得转子的位置信息。
实施例1
一种永磁电机的无位置传感器控制方法，该方法在定子绕组中注入高频信号，在转子上安装线圈，线圈在定子绕组产生反映阻抗，此反映阻抗随转子转动变化，因此在定子绕组的高频信号也随之变化，通过检测高频信号的变化，可得到转子的位置信号。
进一步地，优选该线圈为调制后的线圈，线圈电路为谐振电路。
具体实现时，调制线圈的谐振频率根据磁耦合谐振原理，与定子绕组注入的高频信号频率耦合。
综上所述，本发明实施例提出基于磁耦合谐振原理的一种新型转子位置检测方法，在转子上安装与高频注入信号频率对应的调制线圈，通过检测定子绕组中三相高频电流的变化，可确定转子的位置。
实施例2
下面结合图1-图6，以及表1对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
永磁电机的驱动电路如图1所示，其中电机采用三相星接，无中性线引出。Udc为直流母线电压，C为直流母线上的电解电容，VT1-VT6为六个功率开关器件(IGBT)，VD1-VD6为六个反并联续流二极管。
传统意义上，基于高频信号注入法的永磁电机无位置传感器控制方法的主要原理是：在高频交变旋转磁场下，因电机凸极效应所产生的相电感存在差异。在定子绕组中通过滤波获得电压高频分量，电压高频分量随相电感变化而变化，通过三相电压高频分量的差异可获得电机转子位置。此方法优点在于可以在低速以及停转下获得转子位置信息。但由于永磁电机凸极效应不明显，尤其对于表贴式永磁电机，这种方法检测效果并不理想。
为了克服高频信号注入法的这种缺陷，本发明实施例利用磁耦合谐振的原理，通过在转子上增加调制线圈，使调制线圈的谐振频率与高频注入信号的频率匹配，使得定子绕组与调制线圈的互感磁通大大增加，其中图2为本发明的定子绕组与调制线圈构成的磁耦合谐振系统电路图。
调制线圈对定子绕组高频电压分量的影响用反映阻抗表示，表达式为Xr＝2πfM，根据反映阻抗公式，通过在转子上加设调制线圈，定子绕组中关于高频信号的反映阻抗大大增大，有利于提高高频检测信号下转子位置的特异性。
如图3所示，图中为一对极转子加设调制线圈的永磁电机基本结构，电机采用集中式绕组布局，主要由包含电枢绕组的定子和带有永磁体的转子组成。图中两个永磁体分别放置于转子两侧，通过在转子几何中性线一侧安放调制线圈，显著增加高频信号下，定子绕组中的反映阻抗，从而增大高频检测信号的特异性。根据所测定子绕组三相高频电流的波形差异，确定永磁电机的换相时间以及换相顺序。
下面以一对极永磁电机为例分析。当电机旋转到图4中所示位置定义为起始位置旋转角θ＝0°。此时调制线圈位于A相绕组中间，转子永磁体产生的磁势Fr指向定子左侧，且按逆时针方向旋转。根据永磁电机三相六状态120°工作原理，在一个电周期内，电机共有六个工作区间，每60°电角度换相一次。
为了使转子逆时针旋转，定子电流产生的总磁势Fs应滞后转子磁势Fr 120°电角度，初始位置时Fs可由a、b相定子电流产生的磁势Fa和Fb合成，即定子电流的流向从a相流入b相流出，对应的开关管VT1、VT6导通。当电机从初始位置开始逆时针旋转60°电角度，即θ＝0°～60°时，由于调制线圈的作用，使得调制线圈对于各相的反映阻抗关系有Xra>Xrc>Xrb。此时Fs与Fr的夹角变为60°，为了保证转子继续逆时针旋转，Fs的方向需要改变即需要换相，即VT1关断、VT5导通。转子继续逆时针旋转60°电角度，即θ＝60°～120°时，三相电感差异变为Xrc>Xra>Xrb，此时Fs与Fr的夹角又变为60°，需要进行下一次换相即VT6关断、VT4导通。
以此类推，可得到六个工作区间内，电机转子旋转位置与三相反映阻抗差异、导通的功率器件一一对应，如表1所示。
表1
Figure BDA0001867240200000041
进一步，给出如图5所示三相反映阻抗与开关信号以及功率器件导通关系。从图5中可以看出，理想情况的三相反映阻抗随着转子变化而变化，其波形为正弦波，且三相反映阻抗依次滞后120°电角度。在任意时刻，令反映阻抗最大的相正向导通，反映阻抗最小的相负向导通，剩下一相不导通，由此可获得各相的开关信号图。
由此可以看出，在高频注入信号法的基础上，转子增设调制线圈，通过检测各相反映阻抗的变化可以唯一确定转子的位置信息，进而获得功率器件的导通顺序。
上述设计的一对极永磁电机结构中，转子对于电角度非对称，但当极对数为偶数时，上述方案可以在增加转子特异性和位置检测区分度的同时保证电机转子机械结构对称，不影响转子动平衡。图6所示为两对极增设调制线圈的永磁电机基本结构图。三相反映阻抗差异与转子位置对应关系的原理分析与1对极的类似。
综上所述，在静止和低速状态下永磁电机转子的位置很难检测。高频信号注入法通过在电机中持续的注入高频电压信号，根据高频电压分量得到三相绕组电感差异，进而估计转子位置。但由于永磁电机的凸极效应并不明显，高频信号注入法的信号差异检测困难，通过在转子上增设调制线圈，增大高频检测信号下的电感差异，根据对应的反映阻抗差异，可得到转子的位置信息，进而控制电机换相。在偶数对极的情况下，此方法既可增加检测信号的差异，又可保持转子结构的对称。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
参考文献
[1]贾洪平,贺益康.基于高频注入法的永磁同步电动机转子初始位置检测研究[J].中国电机工程学报,2007,27(15):15-20.
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在定子绕组中注入高频信号，利用磁耦合谐振原理，永磁体位于几何中性线
两侧，在转子几何中性线上的一侧安放调制线圈；
线圈在定子绕组产生反映阻抗，使得定子绕组中关于高频信号的反映阻抗增大，通过检测高频信号的变化，可得到转子的位置信号；
调制后的线圈的谐振频率与高频信号的频率相匹配，使得定子绕组与调制后的线圈的互感磁通增加。
2.根据权利要求1所述的一种电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述线圈的电路为谐振电路。
3.根据权利要求1所述的一种电机无位置传感器控制方法，其特征在于，调制后的线圈的谐振频率、与定子绕组注入的高频信号频率耦合。
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