CN110176880A - 一种电励磁双凸极电机转子位置自检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电励磁双凸极电机转子位置自检测装置及检测方法，位置自检测装置包含信号发生器和若干条检测电路；检测电路包含检测绕组、采样电阻、幅值调制器、低通滤波器和输出端。检测线圈绕制在每个定子齿上，并按“NNSS”或“NNNN”或“SSSS”的绕制方式每隔2个定子齿串联成一相检测绕组，其相序与电枢主绕组相序相同。检测时，首先同时向三个检测绕组中施加高频低幅值方波信号；然后获得各条检测电路的包络线信号；最后根据反向导通相绕组增量电感单调下降的规律，采样对应的包络线信号并与预设阈值比较以判断是否换相。本发明在低速范围有较高的位置检测精度，适用于电机带载起动。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种电励磁双凸极电机转子位置自检测装置及检测方法。
背景技术
电励磁双凸极电机凭借其结构简单，可靠性高，且控制灵活方便的特点，在航空起动/发电领域有着广阔的应用前景。该电机用于驱动系统时需检测转子位置以实现准确换相，传统机械式位置传感器降低了系统可靠性，增加了成本，限制了电机的应用范围，为提高系统可靠性，常采用无位置传感器技术。
电励磁双凸极电机无位置传感器带载起动技术一直是无位置传感器技术领域的难点。脉冲注入法是目前针对该电机低速运行的位置检测的主要方法。然而该方法存在位置检测精度低、电机出力小和转矩脉动大的技术缺陷，因而无法可靠地实现电励磁双凸极电机无位置传感器带载可靠起动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有无位置传感器技术的缺陷，提供一种电励磁双凸极电机转子位置自检测装置及检测方法，实现电励磁双凸极电机无位置传感器带载可靠起动。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种电励磁双凸极电机转子位置自检测装置，所述电励磁双凸极电机电枢的每相主绕组线圈绕制方式为“NSNS”，所述自检测装置包含信号发生器和若干条检测电路；
所述检测电路包含检测绕组、采样电阻、幅值调制器、低通滤波器和输出端，其中，所述幅值调制器包含二极管、第一电容和第一电阻；所述低通滤波器包含第二电容和第二电阻；所述检测绕组一端分别和采样电阻的一端、二极管的正极相连；所述二极管的负极分别和第一电容的一端、第一电阻的一端、第二电阻的一端相连；所述采样电阻的另一端分别和第一电容的另一端、第一电阻的另一端、第二电容的一端相连后接地；所述第二电阻的另一端分别和第二电容的另一端、输出端相连；
所述若干条检测电路和电励磁双凸极电机电枢主绕组一一对应，且检测电路中检测绕组的相数及相序均与其对应的电机电枢主绕组相同，检测绕组由绕制在定子齿上的检测线圈按“NNSS”或“NNNN”或“SSSS”的绕制方式每隔2个定子齿串联而成；
所述信号发生器的一端接地，另一端分别和各条检测电路中检测绕组的另一端相连。
本发明还公开了一种该电励磁双凸极电机转子位置自检测装置的检测方法，包含以下步骤：
步骤1)，采用信号发生器同时向各条检测电路的检测绕组施加高频低幅值方波信号；
步骤2)，对于每条检测电路，通过采样电阻两端电压获取响应电流信号，通过幅值解调器对响应电流信号进行解调后使其经过低通滤波器滤波、获得响应电流幅值的包络线，该包络线反映检测电路中检测绕组的电感值，且包络线的变化趋势与检测电路中检测绕组电感值的变化趋势相反；
步骤3)，对于每个导通区间，若其内的反向导通相绕组的电感单调下降，反向导通相绕组对应的包络线信号单调上升，则当包络线信号大于等于预设的阈值时进行换相。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、通过检测线圈获得转子位置；
2、本发明考虑了电机饱和影响，适用于电机带载起动；
3、检测绕组中无反电势，使得该方法转速应用范围较宽；
4、本发明避免了传统的脉冲注入法带来的相电流不连续的问题，提高了电机出力，有效降低电机转矩脉动。
附图说明
图1为电励磁双凸极电机转子位置自检测方法的系统框图。
图2为本发明的带检测线圈的12/8极结构的三相电励磁双凸极电机二维结构图，每相检测绕组按“NNSS”方式绕制。
图3为本发明的带检测线圈的12/8极结构的三相电励磁双凸极电机二维结构图，每相检测绕组按“NNNN”方式绕制。
图4为本发明的带检测线圈的12/8极结构的三相电励磁双凸极电机二维结构图，每相检测绕组按“SSSS”方式绕制。
图5为本发明的位置自检测装置中的电路原理图；
图6为“A+C-”导通状态下C相检测绕组增量电感、采样电阻电压以及采样电阻电压包络线的仿真波形图。
图7为“A+C-”导通状态下不同相电流时的C相检测绕组增量电感仿真波形图。
图8为本发明电励磁双凸极电机转子位置自检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种电励磁双凸极电机转子位置自检测装置，所述电励磁双凸极电机电枢的每相主绕组线圈绕制方式为“NSNS”，所述自检测装置包含信号发生器和若干条检测电路；
所述检测电路包含检测绕组、采样电阻、幅值调制器、低通滤波器和输出端，其中，所述幅值调制器包含二极管、第一电容和第一电阻；所述低通滤波器包含第二电容和第二电阻；所述检测绕组一端分别和采样电阻的一端、二极管的正极相连；所述二极管的负极分别和第一电容的一端、第一电阻的一端、第二电阻的一端相连；所述采样电阻的另一端分别和第一电容的另一端、第一电阻的另一端、第二电容的一端相连后接地；所述第二电阻的另一端分别和第二电容的另一端、输出端相连；
所述若干条检测电路和电励磁双凸极电机电枢主绕组一一对应，且检测电路中检测绕组的相数及相序均与其对应的电机电枢主绕组相同，检测绕组由绕制在定子齿上的检测线圈按“NNSS”或“NNNN”或“SSSS”的绕制方式每隔2个定子齿串联而成；
所述信号发生器的一端接地，另一端分别和各条检测电路中检测绕组的另一端相连。
如图2、图3以及图4所示，本发明的带检测线圈的电励磁双凸极电机的定转子结构与传统结构相同。每相设有两套绕组，一套为连接到功率变换器的用于产生转矩的电枢主绕组，另一套为检测绕组。每相主绕组和检测绕组由4个相对定子齿上的线圈串联而成。每相主绕组线圈绕制方式为“NSNS”。每相检测绕组的线圈绕制方式为“NNSS”或“NNNN”或“SSSS”，这样绕制的目的是使检测绕组与励磁绕组以及电枢主绕组解耦，励磁绕组与主绕组产生的磁通不会在检测绕组中感应出反电势。每相检测绕组的电感与同相的主绕组的电感形状相同，在幅值上有所差异。
本发明还公开了一种该电励磁双凸极电机转子位置自检测装置的检测方法，包含以下步骤：
步骤1)，采用信号发生器同时向各条检测电路的检测绕组施加高频低幅值方波信号；
步骤2)，对于每条检测电路，通过采样电阻两端电压获取响应电流信号，通过幅值解调器对响应电流信号进行解调后使其经过低通滤波器滤波、获得响应电流幅值的包络线，该包络线反映检测电路中检测绕组的电感值，且包络线的变化趋势与检测电路中检测绕组电感值的变化趋势相反；
步骤3)，对于每个导通区间，若其内的反向导通相绕组的电感单调下降，反向导通相绕组对应的包络线信号单调上升，则当包络线信号大于等于预设的阈值时进行换相。
所述预设的阈值与电机饱和程度相关。
每相检测绕组接在如图5所示的检测电路中。信号发生器向检测绕组施加高频低幅方波信号，接在检测绕组后面的采样电阻Rs用于采样检测绕组中的电流信号。每个方波信号周期内检测绕组的电流峰值Ip可用下式表示：
其中U为方波信号电压幅值，L(θ,i)是检测绕组的电感，θ为转子位置，i为同相的主绕组电流，Δt为方波信号高电平时间。
采样电阻Rs两端的峰值电压Up为：
该峰值电压反映了检测绕组电感的大小，且其变化趋势与检测绕组电感变化趋势相反。
二极管D、电容C1和电阻R1构成了一个幅值解调器，用于检测采样电阻两端的峰值电压。电阻R2与电容C2构成了一个一阶低通滤波器，用于平滑幅值解调器的输出信号，从而得到采样电阻两端电压的包络线信号，记为Usx(x＝A或B或C)。
电励磁双凸极电机常采用三状态标准角度控制策略，一个电周期内换相三次，换相位置分别为120o，240o与360o，因而存在三个导通区间。当转子位于0～120o区间内时，A相主绕组正向导通，C相主绕组反向导通，记为“A+C-”；当转子位于120o～240o区间内时，B相主绕组正向导通，A相主绕组反向导通，记为“B+A-”；当转子位于240o～360o区间内时，C相主绕组正向导通，B相主绕组反向导通，记为“C+B-”。
下面以0～120o导通区间为例说明位置自检测方法。
该导通区间内，C相主绕组反向导通，C相主绕组产生的磁通方向与励磁磁通方向相反，其电枢反应呈现去磁效应，C相磁路饱和程度较低，因此选择C相作为检测相。如图6所示，C相检测绕组增量电感随转子位置单调递减，经过检测电路得到的包络线信号随转子位置单调递增。预设一个阈值电压，然后实时采样检测电路的输出电压并与该阈值进行比较，当检测电路输出电压超过该阈值时即进行换相。该阈值电压与120o换相位置处的C相检测绕组增量电感相关，而检测绕组增量电感又与C相主绕组电流相关，如图7所示，需离线建立一个阈值电压与主绕组电流的一维表格。
另外两个导通区间内的位置自检测方法与此类似，不再赘述。图8为位置自检测方法的流程图。
综上所述，本发明通过检测线圈获取转子位置，检测绕组与励磁绕组以及电枢主绕组解耦，检测绕组中无反电势，适应转速范围较宽；另外本发明考虑了电机饱和影响，适用于重载运行场合。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种电励磁双凸极电机转子位置自检测装置，所述电励磁双凸极电机电枢的每相主绕组线圈绕制方式为“NSNS”，其特征在于，包含信号发生器和若干条检测电路；
所述检测电路包含检测绕组、采样电阻、幅值调制器、低通滤波器和输出端，其中，所述幅值调制器包含二极管、第一电容和第一电阻；所述低通滤波器包含第二电容和第二电阻；所述检测绕组一端分别和采样电阻的一端、二极管的正极相连；所述二极管的负极分别和第一电容的一端、第一电阻的一端、第二电阻的一端相连；所述采样电阻的另一端分别和第一电容的另一端、第一电阻的另一端、第二电容的一端相连后接地；所述第二电阻的另一端分别和第二电容的另一端、输出端相连；
所述若干条检测电路和电励磁双凸极电机电枢主绕组一一对应，且检测电路中检测绕组的相数及相序均与其对应的电机电枢主绕组相同，检测绕组由绕制在定子齿上的检测线圈按“NNSS”或“NNNN”或“SSSS”的绕制方式每隔2个定子齿串联而成；
所述信号发生器的一端接地，另一端分别和各条检测电路中检测绕组的另一端相连。
2.基于权利要求1所述的电励磁双凸极电机转子位置自检测装置的检测方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1），采用信号发生器同时向各条检测电路的检测绕组施加高频低幅值方波信号；
步骤2），对于每条检测电路，通过采样电阻两端电压获取响应电流信号，通过幅值解调器对响应电流信号进行解调后使其经过低通滤波器滤波、获得响应电流幅值的包络线，该包络线反映检测电路中检测绕组的电感值，且包络线的变化趋势与检测电路中检测绕组电感值的变化趋势相反；
步骤3），对于每个导通区间，若其内的反向导通相绕组的电感单调下降，反向导通相绕组对应的包络线信号单调上升，则当包络线信号大于等于预设的阈值时进行换相。
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