CN110429877B - 一种开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，通过在开关磁阻电机相关断续流结束后的非导通区域注入高频电压脉冲，利用电流斜率差值方法实时计算不饱和电感值，并与预先设定的电感阀值进行比较，当计算电感值低于预设电感阀值时，采用提高脉冲注入频率和降低注入脉冲占空比的方法，均可以达到减小绕组脉冲响应电流幅值的效果，从而可以避免在脉冲注入区域的相电感饱和，并有效降低负转矩影响和降低功率开关管的开通损耗。本发明方法有利于优化开关磁阻电机相关断续流结束后非导通相电感的计算、开关磁阻电机的无位置传感器起动运行控制和低速转子位置估计。

Description

一种开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，属于开关磁阻电机控制技术领域。
背景技术
开关磁阻电机(SRM)是一种新型调速电机，它具有结构简单坚固，制造工艺简单，成本低，容错能力强，调速范围宽，调速性能好等优点，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。自80年代问世以来，受到了各国学者和企业界的广泛关注。近20年来，随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，开关磁阻电机的发展取得明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织等各个领域。准确的转子位置检测是保证其可靠运行的重要的一环。
早期的位置检测方案有光敏式、磁敏式及接近开关等含机械的检测方案，但位置传感器的引入使电机结构复杂，安装调试困难，且受到了传感器分辨率的限制，这不仅增加了其调速系统结构的复杂性，也增加了系统成本和潜在的不稳定性。为此，无位置传感器的研究成为了提高开关磁阻电机调速系统性能的一个重要途径。
电磁特性是开关磁阻电机无位置传感器技术研究的基础，目前针对低速运行阶段，主要通过在非导通区注入高频脉冲的方式产生响应电流，并利用该响应电流来获取不饱和电感信息实现转子位置的估计。但由于在电感下降区随着转子从对齐位置到不对齐位置变化时，脉冲注入产生的响应电流幅值将不断增大，尤其在接近定转子不对齐位置电流幅值达到最大。过大的响应电流将导致脉冲注入区的电感发生饱和，并产生较大的负转矩影响和开关管导通损耗。
发明内容
本发明提出一种开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，通过变注入频率和变注入信号占空比的方法减小脉冲注入后段的响应电流峰值，达到抑制注入区电感饱和，减小负转矩影响的目的。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，其特征在于，实现开关磁阻电机相关断续流结束后非导通相电感的计算，包括如下步骤：
步骤A.设置脉冲注入时刻的电流阀值以及电感阀值，并采样三相电流大小。
步骤B.判断当前时刻导通相是否关断，若当前相为开通相则运行相应的电机控制方式，否则进入步骤C。
步骤C.采样并读取当前的相电流值，并与所设置的电流阀值比较，直至关断续流电流降到电流阀值以下，则进入步骤D。
步骤D.输出频率为f1，占空比D1的高频脉冲信号，计算此时电感值，同时将计算的电感值与设定的电感阀值比较，若大于电感阀值则重复步骤D，否则进入步骤E。
步骤E.改变脉冲注入方式，改变输出频率为f2，或改变占空比为D2的高频脉冲信号，并判断相导通信号，当相关断时重复步骤E，否则停止脉冲注入并重复步骤A～E。
优选地，针对步骤A中脉冲注入时刻电感阀值的选取，包含如下步骤：
步骤A1：拨动电机，三相同时注入高频脉冲信号，利用电流传感器和位置传感器分别检测一个周期内的电流信号和转子位置信号，并输入到控制器中。
步骤A2：利用采集到的电流信号和位置信号分别计算出一个周期内的电感信息和转子位置角信息。
步骤A3：将计算出的全周期电感和转子位置角利用控制器的DA(数字模拟转换)功能输出到示波器中进行数据存储，建立角度-电感相对应得数据表格。
步骤A4：通过查找数据表格，得到特定转子位置角度下的电感值，即所述电感阀值。
优选地，针对步骤B中导通区电机控制方式，可使用角度控制、斩波控制和PWM控制三种基本控制方式之一进行控制。
优选地，步骤D中电感计算公式为：
Figure GDA0002717380740000021
其中L(θ)为相电感，U为母线电压，di/dt|on为开关管导通时的电流斜率，di/dt|off为开关管关断时的电流斜率。
优选地，针对步骤D输出频率为f1的脉冲信号，设置频率为f1、占空比D1的PWM信号，在非导通区注入脉冲时直接输出此PWM信号。
优选地，针对步骤E采用改变脉冲注入频率的方法达到减小脉冲注入的响应电流峰值的目的，即将步骤D注入脉冲信号的PWM控制信号频率f1调高到f2，其中，f2>f1；脉冲占空比不变仍为D1；
优选地，针对步骤E采用改变脉冲注入的占空比而达到减小脉冲注入的响应电流峰值的目的，即将步骤D注入脉冲信号的PWM控制信号的占空比D1降低到D2，其中，D1>D2；脉冲频率不变仍为f1。
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、本发明只需检测电压和电流信号，实现方法，计算简单，硬件要求低。
2、本发明可以达到减小绕组脉冲响应电流幅值的效果，从而可以避免在脉冲注入区域的相电感饱和，并有效降低负转矩影响和降低功率开关管的开通损耗。
3、本发明方法有利于优化开关磁阻电机相关断续流结束后非导通相电感的计算、开关磁阻电机的无位置传感器起动运行控制和低速转子位置估计。
附图说明
图1是电感阀值选取示意图；
图2是变脉冲注入频率的软件流程图；
图3是变频脉冲注入示意图；
图4是变脉冲占空比注入的软件流程图；
图5是变脉冲占空比注入示意图；
图6是非导通区注入固定频率脉冲的电流仿真波形；
图7是非导通区变化脉冲注入频率的电流仿真波形；
图8是非导通区变脉冲占空比注入的电流仿真波形；
其中，1.导通区PWM控制下电流波形，2.导通区APC控制下电流波形，3.导通区斩波控制下电流波形，4.非导通区注入频率为f1时的绕组响应电流，5.非导通区注入频率为f2时的绕组响应电流，6.脉冲注入频率变化时刻，7.脉冲注入频率为f1时的脉冲信号，占空比为D1，8.脉冲注入频率为f1时的脉冲信号，9.脉冲注入频率为f，占空比为D2时的脉冲信号，10.非导通区响应电流最大峰值2A，11.非导通区响应电流最大峰值1.25A，12.变频注入区，13.电感阀值，14.非导通区响应电流最大峰值0.85A。
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。
实施例一：
本发明的开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，通过在开关磁阻电机相关断续流结束后的非导通区域注入高频电压脉冲，利用电流斜率差值方法实时计算不饱和电感值，并与预先设定的电感阀值进行比较，当计算电感值低于预设电感阀值时，采用提高脉冲注入频率和降低注入脉冲占空比的方法，均可以达到减小绕组脉冲响应电流幅值的效果，从而避免在脉冲注入区域的相电感饱和，并有效降低负转矩影响和降低功率开关管的开通损耗。
如图2所示，本发明开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，实现开关磁阻电机相关断续流结束后非导通相电感的计算，包括如下步骤：
步骤A.设置脉冲注入时刻的电流阀值以及电感阀值，并采样三相电流大小。
步骤B.判断当前时刻导通相是否关断，若当前相为开通相则运行相应的电机控制方式，否则进入步骤C。
步骤C.采样并读取当前的相电流值，并与所设置的电流阀值比较，直至关断续流电流降到电流阀值以下，则进入步骤D。
步骤D.输出频率为f1，占空比D1的高频脉冲信号，计算此时电感值，同时将计算的电感值与设定的电感阀值比较，若大于电感阀值则重复步骤D，否则进入步骤E。
步骤E.改变脉冲注入方式，当相关断时重复步骤E，否则停止脉冲注入并重复步骤A～E。
图1是本发明步骤A中电感阀值选取示意图。
先同时计算出一个周期内的电感和转子位置角，建立角度-电感两组数据，通过查询角度可得到对应位置下的电感数据，具体步骤如下：
步骤1：拨动电机，三相同时注入高频脉冲信号，利用电流传感器和位置传感器分别检测一个周期内的电流信号和转子位置信号，并输入到控制器中。
步骤2：利用采集到的电流信号和位置信号分别计算出一个周期内的电感信息和转子位置角信息。
步骤3：将计算出的全周期电感和转子位置角利用控制器的DA(数字模拟转换)功能输出到示波器中进行数据存储，建立角度-电感相对应得数据表格。
步骤4：通过查找数据表格，得到特定转子位置角度下的电感值，以该电感值作为电感阀值。
图2是本发明步骤E中改变脉冲注入方式，采用变频脉冲注入软件流程图，脉冲占空比不变；图3是变频脉冲注入示意图，为准确判断脉冲注入时刻，将注入程序放在50us定时器中断中，下面结合图2、图3具体说明脉冲注入流程，具体如下：
步骤1：判断当前时刻导通相是否关断，若当前仍开通则退出中断，等待下次中断来临，否则进入步骤2。
步骤2：读取当前采样得到的相电流值，并与所设置的电流阀值比较，判断电流是否续流到较小值，若电流大于所设阀值则退出注入程序，等待下次中断来临，否则进入步骤3。
步骤3：输出频率为f1、占空比为D1的高频脉冲信号，同时开始计算电感值。本例中，f1＝6KHZ，D1＝0.3。
步骤4：判断计算的电感值与预先设定的电感阀值LTH大小，若计算的电感小于电感阀值则提高脉冲注入频率至f2(f2>f1)，否则维持之前的注入脉冲。
步骤5：退出中断，等待下次脉冲注入程序的执行。本例中，f2＝10KHZ。
图3中在非导通区间内脉冲注入占空比不变，脉冲注入频率提高到f2，开关管在相同时间内开通关断次数明显增加，响应电流上升时间减小，从而达到了响应电流幅值抑制的效果。
图4是本发明步骤E中改变脉冲注入方式，采用变脉冲占空比注入软件流程图，脉冲注入频率不变；图5是变脉冲占空比注入示意图，与变脉冲频率注入方式相同，结合图4和图5具体说明脉冲注入流程，具体如下：
步骤1：判断当前时刻导通相是否关断，若当前仍开通则退出中断，等待下次中断来临，否则进入步骤2。
步骤2：读取当前采样得到的相电流值，并与所设置的电流阀值比较，判断电流是否续流到较小值，若电流大于所设阀值则退出注入程序，等待下次中断来临，否则进入步骤3。
步骤3：输出频率为f1、占空比为D1的高频脉冲信号，同时开始计算电感值。本例中，f1＝6KHZ，D1＝0.3。
步骤4：判断上步计算的电感值与预先设定的电感阀值LTH大小，若计算的电感值小于电感阀值则固定注入频率不变，减小注入脉冲的占空比至D2，否则维持之前的注入脉冲。本例中，D2＝0.15。
步骤5：退出中断，等待下次脉冲注入程序的执行。
图5中在非导通区间内脉冲注入频率不变，将脉冲注入占空比减小为D2(D1>D2)，开关管在一个注入周期内开通时间减小，响应电流上升时间减小，从而达到了响应电流幅值抑制的效果。
图6是采用非导通区注入固定频率脉冲的电流仿真波形。
从图中可以看出非导通区采用高频脉冲注入的方式产生响应电流，利用公式：
Figure GDA0002717380740000061
计算出了非导通区电感，其中L(θ)为相电感，U为母线电压(可以是固定的母线电压，也可以用电压传感器直接测量)，di/dt|on为开关管导通时的电流斜率，di/dt|off为开关管关断时的电流斜率。两个电流斜料为计算值，通过检测绕组电流，在软件中计算得到电流斜率。根据响应电流与相电感关系式：
Figure GDA0002717380740000062
其中U为母线电压，L(θ)为相电感，Δt脉冲注入开通时间。当脉冲注入开通时间和电压固定时，响应电流和相电感成反比关系，因此图6中随着相电感值减小，响应电流幅值逐渐增大，当到达不对齐位置附近，电流峰值达到最大值2A，无疑会对电机运行性能产生影响。
图7为非导通区变化脉冲注入频率的电流仿真波形。
从图中可以看出，当导通相关断且电流小于阀值后开始注入了高频脉冲信号，其频率为f1，由于在定转子对齐位置附近，响应电流幅值较小。随转子位置变化，相电感值减小，响应电流幅值增大，当电感下降到电感阀值LTH后开始改变脉冲注入频率，将频率提高到了f2，其响应电流峰值在频率变化时刻附近明显减小，之后随转子位置变化而逐渐增大，由于脉冲注入频率提高其电流峰值在整个非导通区间内最大为1.25A，电流幅值得到显著抑制。
图8为非导通区变脉冲占空比的电流仿真波形。
从图中可以看出维持脉冲注入频率保持不变，当到达电感阀值时将注入脉冲的占空比从D1变为D2，从而使得响应电流幅值明显减小。由于一个注入周期内开关管开通时间减小，响应电流峰值也随之减小，在整个周期内最大为0.85A。
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下，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，其特征在于，实现开关磁阻电机相关断续流结束后非导通相电感的计算，包括如下步骤：
步骤A.设置脉冲注入时刻的电流阀值以及电感阀值，并采样三相电流大小；
步骤B.判断当前时刻导通相是否关断，若当前相为开通相则运行相应的电机控制方式，否则进入步骤C；
步骤C.采样并读取当前的相电流值，并与所设置的电流阀值比较，直至关断续流电流降到电流阀值以下，则进入步骤D；
步骤D.输出频率为f1，占空比D1的高频脉冲信号，计算此时电感值，同时将计算的电感值与设定的电感阀值比较，若大于电感阀值则重复步骤D，否则进入步骤E；
步骤E.改变脉冲注入方式，并判断相导通信号，当相关断时重复步骤E，否则停止脉冲注入并重复步骤A～E；所述改变脉冲注入方式为提高脉冲注入频率或降低注入脉冲占空比。
2.根据权利要求1所述开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，其特征在于，步骤A中电感阀值的选取包括如下步骤：
步骤A1：拨动电机，三相同时注入高频脉冲信号，利用电流传感器和位置传感器分别检测一个周期内的电流信号和转子位置信号，并输入到控制器中；
步骤A2：利用采集到的电流信号和位置信号分别计算出一个周期内的电感信息和转子位置角信息；
步骤A3：将计算出的全周期电感和转子位置角利用控制器的DA功能输出到示波器中进行数据存储，建立角度-电感相对应的数据表格；
步骤A4：通过查找数据表格，得到特定转子位置角度下的电感值。
3.根据权利要求2所述开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，其特征在于，步骤B中导通区电机控制方式采用：角度位置控制、斩波控制和PWM控制三种基本控制方式之一。
4.根据权利要求3所述开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，其特征在于，步骤D中电感计算公式为：
Figure FDA0002717380730000011
其中L(θ)为相电感，U为母线电压，di/dt|on为开关管导通时的电流斜率，di/dt|off为开关管关断时的电流斜率。
5.根据权利要求4所述开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，其特征在于，步骤D中，输出频率为f1的脉冲信号，设置频率为f1、占空比D1的PWM信号，在非导通区注入脉冲时直接输出此PWM信号。
6.根据权利要求1-5任一所述开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，其特征在于，步骤E中，采用改变脉冲注入方式为提高注入脉冲频率时，将步骤D注入脉冲信号的PWM控制信号频率f1调高到f2，其中，f2>f1。
7.根据权利要求1-5任一所述开关磁阻电机非导通相高频脉冲注入方法，其特征在于，针对步骤E中，采用改变脉冲注入方式为降低注入脉冲占空比时，将步骤D注入脉冲信号的PWM控制信号的占空比D1降低到D2，其中，D1>D2。
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