CN111510046A - 一种无轴承开关磁阻电机相电流重构系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无轴承开关磁阻电机相电流重构系统及方法,在原有不对称半桥功率变换器上,通过复用电流传感器的方式,实现对励磁绕组相电流的检测。针对两个三相无轴承开关磁阻电机,将每相励磁绕组测量的电流区间根据定转子相对位置角度进行划分,利用3个电流传感器,根据电流传感器与各相电流之间的关系,来实现检测第一电机的A11、B11、C11相绕组和第二号电机的A21、B21、C21相绕组共6套绕组各个区间内的电流值。相较传统每相绕组对应1个电流传感器的检测方式,本发明可节约成本,同时,不需要改变现有功率变换器的结构,可完整的检测每套组的相电流,操作方便,检测算法简单,该技术的适用性较广。
Description
技术领域
本发明涉及一种无轴承开关磁阻电机相电流重构系统及方法,属于电机控制技术领域。
背景技术
随着稀土材料的价格逐年攀升,永磁机的生产成本也大大提高,与此同时,透平机械、新能源等工业领域对电机高速性的需求也愈加关注。而无轴承开关磁阻电机作为一类无稀土高速电机,因其结构简单,成本低廉,高速适应性好等特点,引起了广泛的关注与研究。
对于传统的无轴承开关磁阻电机驱动系统中,为了实现对电机的精确控制,电流传感器必不可少,每相绕组上均配备一套电流传感器来进行实时电流采样,从系统体积与成本角度考虑,若电机的相数增加或者每相独立控制,势必造成电流检测单元的体积过于庞大,复杂度高,成本过于昂贵,同时,随着传感器数量的增加也增加系统出错的概率,降低了系统运行的可靠性。传统相电流重构技术采用母线电流检测法,虽然极大的减小了传感器以及采集电路的体积和复杂度,但高频脉冲注入的方式增加了控制的难度,影响电机运行时的容错性。如何实现无轴承开关磁阻电机电流检测单元的简单化和实用化,是目前研究的热点与难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种无轴承开关磁阻电机相电流重构系统及方法,在保证电流检测的准确性与实用性的同时,减少了电流传感器以及检测电路的体积,降低了系统成本,提高了系统可靠性,并且不用改动现有的功率电路,操作方便等特点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种无轴承开关磁阻电机相电流重构系统,所述无轴承开关磁阻电机包括第一和第二电机,第一和第二电机均为无轴承开关磁阻电机,第一和第二电机的定子极数均为12,转子极数均为4,且第一电机和第二电机的转子齿极存在15°机械角度差;该系统还包括第一电容,第一~第十二开关管,第一~第十二二极管,第一~第三电流传感器;第一电流传感器配置于第一电机A相第一个绕组、B相第一个绕组,以及第二电机A相第一个绕组、B相第一个绕组上;第二电流传感器配置于第一电机B相第一个绕组、C相第一个绕组,以及第二电机B相第一个绕组、C相第一个绕组上;第三电流传感器配置于第一电机A相第一个绕组、B相第一个绕组、C相第一个绕组上,或者配置于第二电机A相第一个绕组、B相第一个绕组、C相第一个绕组上;
第一电机A相第一个绕组的一端连接第一开关管源极、第一二极管阴极,另一端连接第二开关管漏极、第二二极管阳极;第二电机A相第一个绕组的一端连接第三开关管源极、第三二极管阴极,另一端连接第四开关管漏极、第四二极管阳极;第一电机B相第一个绕组的一端连接第五开关管源极、第五二极管阴极,另一端连接第六开关管漏极、第六二极管阳极;第二电机B相第一个绕组的一端连接第七开关管源极、第七二极管阴极,另一端连接第八开关管漏极、第八二极管阳极;第一电机C相第一个绕组的一端连接第九开关管源极、第九二极管阴极,另一端连接第十开关管漏极、第十二极管阳极;第二电机C相第一个绕组的一端连接第十一开关管源极、第十一二极管阴极,另一端连接第十二开关管漏极、第十二二极管阳极;
第一开关管漏极、第三开关管漏极、第五开关管漏极、第七开关管漏极、第九开关管漏极、第十一开关管漏极、第二二极管阴极、第四二极管阴极、第六二极管阴极、第八二极管阴极、第十二极管阴极、第十二二极管阴极均连接第一电容的一端;
第一二极管阳极、第三二极管阳极、第五二极管阳极、第七二极管阳极、第九二极管阳极、第十一二极管阳极、第二开关管源极、第四开关管源极、第六开关管源极、第八开关管源极、第十开关管源极、第十二开关管源极均连接第一电容的另一端;第一电容与系统母线驱动电压并联。
一种无轴承开关磁阻电机相电流重构方法,基于上述无轴承开关磁阻电机相电流重构系统实现,根据无轴承开关磁阻电机在一个相周期内的电感曲线与运动特性,将每个电流传感器的电流检测划分为6个区间段,分别为:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ,具体如下:
1)当电机定转子相对位置在-45°~-30°时为I区间段,此刻第九、十、三、四、十一、十二开关管和第九、十、三、四、十一、十二二极管导通,第一电流传感器所测量到的电流值为IA11,第二电流传感器所测量到的电流值为IC11+IC21,第三电流传感器所测量到的电流值为IC11;
2)当电机定转子相对位置在-30°~-15°时为II区间段,此刻第九、十、一、二、三、四开关管和第九、十、一、二、三、四二极管导通,第一电流传感器所测量到的电流值为IA11+IA21,第二电流传感器所测量到的电流值为IC11,第三电流传感器所测量到的电流值为IA11+IC11;
3)当电机定转子相对位置在-15°~0°时为III区间段,此刻第一、二、三、四、七、八开关管和第一、二、三、四、七、八二极管导通,第一电流传感器所测量到的电流值为IA11+IA21,第二电流传感器所测量到的电流值为IB21,第三电流传感器所测量到的电流值为IA11;
4)当电机定转子相对位置在0°~15°时为IV区间段,此刻第一、二、五、六、七、八开关管和第一、二、五、六、七、八二极管导通,第一电流传感器所测量到的电流值为IA11,第二电流传感器所测量到的电流值为IB11+IB21,第三电流传感器所测量到的电流值为IA11+IB11;
5)当电机定转子相对位置在15°~30°时为V区间段,此刻第五、六、七、八、十一、十二开关管和第五、六、七、八、十一、十二二极管导通,第一电流传感器所测量到的电流值为IB11+IB21,第二电流传感器所测量到的电流值为IB11+IB21+IC21,第三电流传感器所测量到的电流值为IB11;
6)当电机定转子相对位置在30°~45°时VI区间段,此刻第五、六、九、十、十一、十二开关管和第五、六、九、十、十一、十二二极管导通,第一电流传感器所测量到的电流值为IB11,第二电流传感器所测量到的电流值为IB11+IC11+IC21,第三电流传感器所测量到的电流值为IB11+IC11。
作为本发明方法的一种优选方案,所述6个区间段内的电流值写成矩阵表达式,如下:
通过解算每相绕组的电流与电流传感器检测电流之间的关系矩阵并求逆矩阵,得到两个电机6相绕组6个区间段内的电流值如下:
作为本发明方法的一种优选方案,所述6个区间段内,第一和第二电机的通电方式均为三相六拍式,单双相轮流导通,第一电机的励磁相序为C11-A11A21-A11-A11B11-B11-B11C11-C11,第二电机的励磁相序为A21C21-A21-B21A21-B21-B21C21-C21-A21C21,其中,A11、B11、C11分别为第一电机A相第一个绕组、B相第一个绕组、C相第一个绕组,A21、B21、C21分别为第二电机A相第一个绕组、B相第一个绕组、C相第一个绕组。
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、本发明在对原有功率变换器不进行大规模改动的前提下,设计相电流重构技术,操作简单,实施方便。
2、本发明利用三个电流传感器测得两个无轴承开关磁阻电机共六相绕组的电流,提高了对电流传感器的利用率,节约了检测单元的体积与成本。
3、本发明的相电流重构方法从检测电流到每套绕组的实际电流之间的运算量小,不影响电机驱动系统中DSP控制器的运算性能。
4、本发明的相电流重构方法避免了传统重构技术中的电磁干扰问题,具有更加广阔的适用性。
附图说明
图1是本发明无轴承开关磁阻电机相电流重构系统的检测拓扑结构示意图。
图2是本发明无轴承开关磁阻电机相电流重构系统的两个电机三维结构示意图。
图3是本发明无轴承开关磁阻电机相电流重构方法的电感曲线与导通逻辑示意图。
图4是本发明无轴承开关磁阻电机相电流重构方法的第一电机在电流斩波模式下相电流驱动信号示意图。
图5是本发明无轴承开关磁阻电机相电流重构方法的第二电机在电流斩波模式下相电流驱动信号示意图。
图6是本发明无轴承开关磁阻电机相电流重构方法区间段I内的工作模式示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示,为本发明提出的无轴承开关磁阻电机相电流重构系统的检测拓扑结构示意图,包括母线驱动电压Vdc,第一至第十二开关管T1~T12,第一至第十二二极管D1~D12,第一电机上的绕组A11、B11、C11,第二电机上的绕组A21、B21、C21,电容C,第一至第三电流传感器LEM1、LEM2、LEM3,第一电流传感器LEM1配置于绕组A11、B11、A21、B21上,用于测量其电流值;第二电流传感器LEM2配置于绕组B11、C11、B21、C21上,用于测量其电流值;第三电流传感器LEM3配置于绕组A11、B11、C11上,或者配置于绕组A21、B21、C21上,用于测量其电流值。
如图2所示,为本发明提出的无轴承开关磁阻电机相电流重构方法的两个电机三维结构示意图,包括第一电机与第二电机,第一电机与第二电机均为无轴承开关磁阻电机,第一电机的各相绕组分别为A11、B11、C11,第二电机的各相绕组分别为A21、B21、C21。第一电机与第二电机的定子极数均为12,两个电机定子齿极一一相对,转子极数均为4,转子存在15°机械角度差。
为了论述方便,这里选择的是第一电机A、B、C三相各自对应的第一个绕组和第二电机A、B、C三相各自对应的第一个绕组为例进行说明。也可以选择第一电机A相四个绕组中的任意一个绕组、第一电机B相四个绕组中的任意一个绕组、第一电机C相四个绕组中的任意一个绕组、第二电机A相四个绕组中的任意一个绕组、第二电机B相四个绕组中的任意一个绕组、第二电机C相四个绕组中的任意一个绕组。
如图3所示,为本发明提出的无轴承开关磁阻电机相电流重构方法的电感曲线与导通逻辑示意图,第一无轴承开关磁阻电机与第二无轴承开关磁阻电机的转子存在15°机械角度差,以此来增加双台12/4极无轴承开关磁阻电机的转矩输出,弥补单台12/4极无轴承开关磁阻电机结构带来的转矩死区问题,因此两台电机的电感曲线错开相应的角度用三个电流传感器来获得双台三相无轴承开关磁阻电机中每相绕组的电流采样;根据无轴承开关磁阻电机在一个相周期内的电感曲线与运动特性,将每个电流传感器的电流检测划分为6个工作区间段,分别为:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。电流闭环可采用电流斩波控制,角度位置控制,以及PWM控制。
如图4和图5所示,为本发明提出的无轴承开关磁阻电机相电流重构方法的第一电机和第二电机在电流斩波模式下相电流驱动信号示意图。在划分的六个区间段内,两台电机的通电方式均为三相六拍式,单双相轮流导通,第一电机的励磁相序为C11-A11A21-A11-A11B11-B11-B11C11-C11,第二电机的励磁相序为A21C21-A21-B21A21-B21-B21C21-C21-A21C21。以电流斩波控制为例,当实际电流大于参考给定电流上限Imax,开关管T关断,当实际电流小于参考给定电流下限Imin,开关管T导通。
如图6所示,本发明提出的无轴承开关磁阻电机相电流重构技术区间Ⅰ内的工作模式示意图,其他各项工作模式以此类推,所述相电流重构技术的实施步骤如下所示:
步骤(1):当电机定转子相对位置在-45°~-30°时为I区间段,此刻T9、T10、T3、T4、T11、T12开关管和D9、D10、D3、D4、D11、D12二极管导通,LEM1电流传感器所测量到的电流值为IA11,LEM2电流传感器所测量到的电流值为IC11+IC21,LEM3电流传感器所测量到的电流值为IC11;
步骤(2):当电机定转子相对位置在-30°~-15°时为II区间段,此刻T9、T10、T1、T2、T3、T4开关管和D9、D10、D1、D2、D3、D4二极管导通,LEM1电流传感器所测量到的电流值为IA11+IA21,LEM2电流传感器所测量到的电流值为IC11,LEM3电流传感器所测量到的电流值为IA11+IC11;
步骤(3):当电机定转子相对位置在-15°~0°时为III区间段,此刻T1、T2、T3、T4、T7、T8开关管和D1、D2、D3、D4、D7、D8二极管导通,LEM1电流传感器所测量到的电流值为IA11+IA21,LEM2电流传感器所测量到的电流值为IB21,LEM3电流传感器所测量到的电流值为IA11;
步骤(4):当电机定转子相对位置在0°~15°时为IV区间段,此刻T1、T2、T5、T6、T7、T8开关管和D1、D2、D5、D6、D7、D8二极管导通,LEM1电流传感器所测量到的电流值为IA11,LEM2电流传感器所测量到的电流值为IB11+IB21,LEM3电流传感器所测量到的电流值为IA11+IB11;
步骤(5):当电机定转子相对位置在15°~30°时为V区间段,此刻T5、T6、T7、T8、T11、T12开关管和D5、D6、D7、D8、D11、D12二极管导通,LEM1电流传感器所测量到的电流值为IB11+IB21,LEM2电流传感器所测量到的电流值为IB11+IB21+IC21,LEM3电流传感器所测量到的电流值为IB11;
步骤(6):当电机定转子相对位置在30°~45°时VI区间段,此刻T5、T6、T9、T10、T11、T12开关管和D5、D6、D9、D10、D11、D12二极管导通,LEM1电流传感器所测量到的电流值为IB11,LEM2电流传感器所测量到的电流值为IB11+IC11+IC21,LEM3电流传感器所测量到的电流值为IB11+IC11。
将得到的6个区间段内的电流值写成矩阵表达式,如式(1)所示:
通过解算每相绕组的电流与传感器检测电流之间的关系矩阵并求逆矩阵,可以求得双台电机6相绕组6个区间段内的电流值,如式(2)所示:
本发明提供了一种无轴承开关磁阻电机相电流重构系统及方法,利用三个电流传感器获得双台无轴承开关磁阻电机六相励磁绕组的电流采样值,实现对电机的检测,为后续控制回路提供准确的实时电流值。本发明的无轴承开关磁阻电机相电流重构系统及方法,结构简单,操作方便,减小检测单元的体积,降低系统成本,可靠性高,适用范围广。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种无轴承开关磁阻电机相电流重构系统,所述无轴承开关磁阻电机包括第一和第二电机,第一和第二电机均为无轴承开关磁阻电机,第一和第二电机的定子极数均为12,转子极数均为4,且第一电机和第二电机的转子齿极存在15°机械角度差;其特征在于,该系统还包括第一电容(C),第一~第十二开关管(T1~T12),第一~第十二二极管(D1~D12),第一~第三电流传感器(LEM1~LEM3);第一电流传感器(LEM1)配置于第一电机A相第一个绕组(A11)、B相第一个绕组(B11),以及第二电机A相第一个绕组(A21)、B相第一个绕组(B21)上;第二电流传感器(LEM2)配置于第一电机B相第一个绕组(B11)、C相第一个绕组(C11),以及第二电机B相第一个绕组(B21)、C相第一个绕组(C21)上;第三电流传感器(LEM3)配置于第一电机A相第一个绕组(A11)、B相第一个绕组(B11)、C相第一个绕组(C11)上,或者配置于第二电机A相第一个绕组(A21)、B相第一个绕组(B21)、C相第一个绕组(C21)上;
第一电机A相第一个绕组(A11)的一端连接第一开关管(T1)源极、第一二极管(D1)阴极,另一端连接第二开关管(T2)漏极、第二二极管(D2)阳极;第二电机A相第一个绕组(A21)的一端连接第三开关管(T3)源极、第三二极管(D3)阴极,另一端连接第四开关管(T4)漏极、第四二极管(D4)阳极;第一电机B相第一个绕组(B11)的一端连接第五开关管(T5)源极、第五二极管(D5)阴极,另一端连接第六开关管(T6)漏极、第六二极管(D6)阳极;第二电机B相第一个绕组(B21)的一端连接第七开关管(T7)源极、第七二极管(D7)阴极,另一端连接第八开关管(T8)漏极、第八二极管(D8)阳极;第一电机C相第一个绕组(C11)的一端连接第九开关管(T9)源极、第九二极管(D9)阴极,另一端连接第十开关管(T10)漏极、第十二极管(D10)阳极;第二电机C相第一个绕组(C21)的一端连接第十一开关管(T11)源极、第十一二极管(D11)阴极,另一端连接第十二开关管(T12)漏极、第十二二极管(D12)阳极;
第一开关管(T1)漏极、第三开关管(T3)漏极、第五开关管(T5)漏极、第七开关管(T7)漏极、第九开关管(T9)漏极、第十一开关管(T11)漏极、第二二极管(D2)阴极、第四二极管(D4)阴极、第六二极管(D6)阴极、第八二极管(D8)阴极、第十二极管(D10)阴极、第十二二极管(D12)阴极均连接第一电容(C)的一端;
第一二极管(D1)阳极、第三二极管(D3)阳极、第五二极管(D5)阳极、第七二极管(D7)阳极、第九二极管(D9)阳极、第十一二极管(D11)阳极、第二开关管(T2)源极、第四开关管(T4)源极、第六开关管(T6)源极、第八开关管(T8)源极、第十开关管(T10)源极、第十二开关管(T12)源极均连接第一电容(C)的另一端;第一电容(C)与系统母线驱动电压并联。
2.一种无轴承开关磁阻电机相电流重构方法,基于权利要求1所述无轴承开关磁阻电机相电流重构系统实现,其特征在于,根据无轴承开关磁阻电机在一个相周期内的电感曲线与运动特性,将每个电流传感器的电流检测划分为6个区间段,分别为:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ,具体如下:
1)当电机定转子相对位置在-45°~-30°时为I区间段,此刻第九、十、三、四、十一、十二开关管(T9、T10、T3、T4、T11、T12)和第九、十、三、四、十一、十二二极管(D9、D10、D3、D4、D11、D12)导通,第一电流传感器(LEM1)所测量到的电流值为IA11,第二电流传感器(LEM2)所测量到的电流值为IC11+IC21,第三电流传感器(LEM3)所测量到的电流值为IC11;
2)当电机定转子相对位置在-30°~-15°时为II区间段,此刻第九、十、一、二、三、四开关管(T9、T10、T1、T2、T3、T4)和第九、十、一、二、三、四二极管(D9、D10、D1、D2、D3、D4)导通,第一电流传感器(LEM1)所测量到的电流值为IA11+IA21,第二电流传感器(LEM2)所测量到的电流值为IC11,第三电流传感器(LEM3)所测量到的电流值为IA11+IC11;
3)当电机定转子相对位置在-15°~0°时为III区间段,此刻第一、二、三、四、七、八开关管(T1、T2、T3、T4、T7、T8)和第一、二、三、四、七、八二极管(D1、D2、D3、D4、D7、D8)导通,第一电流传感器(LEM1)所测量到的电流值为IA11+IA21,第二电流传感器(LEM2)所测量到的电流值为IB21,第三电流传感器(LEM3)所测量到的电流值为IA11;
4)当电机定转子相对位置在0°~15°时为IV区间段,此刻第一、二、五、六、七、八开关管(T1、T2、T5、T6、T7、T8)和第一、二、五、六、七、八二极管(D1、D2、D5、D6、D7、D8)导通,第一电流传感器(LEM1)所测量到的电流值为IA11,第二电流传感器(LEM2)所测量到的电流值为IB11+IB21,第三电流传感器(LEM3)所测量到的电流值为IA11+IB11;
5)当电机定转子相对位置在15°~30°时为V区间段,此刻第五、六、七、八、十一、十二开关管(T5、T6、T7、T8、T11、T12)和第五、六、七、八、十一、十二二极管(D5、D6、D7、D8、D11、D12)导通,第一电流传感器(LEM1)所测量到的电流值为IB11+IB21,第二电流传感器(LEM2)所测量到的电流值为IB11+IB21+IC21,第三电流传感器(LEM3)所测量到的电流值为IB11;
6)当电机定转子相对位置在30°~45°时VI区间段,此刻第五、六、九、十、十一、十二开关管(T5、T6、T9、T10、T11、T12)和第五、六、九、十、十一、十二二极管(D5、D6、D9、D10、D11、D12)导通,第一电流传感器(LEM1)所测量到的电流值为IB11,第二电流传感器(LEM2)所测量到的电流值为IB11+IC11+IC21,第三电流传感器(LEM3)所测量到的电流值为IB11+IC11。
4.根据权利要求2所述无轴承开关磁阻电机相电流重构方法,其特征在于,所述6个区间段内,第一和第二电机的通电方式均为三相六拍式,单双相轮流导通,第一电机的励磁相序为C11-A11A21-A11-A11B11-B11-B11C11-C11,第二电机的励磁相序为A21C21-A21-B21A21-B21-B21C21-C21-A21C21,其中,A11、B11、C11分别为第一电机A相第一个绕组、B相第一个绕组、C相第一个绕组,A21、B21、C21分别为第二电机A相第一个绕组、B相第一个绕组、C相第一个绕组。
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