三状态标准角度控制的电励磁双凸极电机带载起动方法与流程

本发明涉及电机控制领域，涉及一种电励磁双凸极电机低速无位置传感器控制技术，尤其涉及一种三状态标准角度控制的电励磁双凸极电机带载起动方法。

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，因此研究电励磁双凸极电机无位置传感器运行技术具有重要意义。

电励磁双凸极电机带载的低速无位置传感器控制一直是无位置传感器技术领域的难点。检测脉冲与加速脉冲交替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。该方法存在以下技术缺陷：

1)检测脉冲只能在加速脉冲产生的电流续流结束后才能注入，这使得电机相电流不连续，降低电机出力，同时还增大了转矩脉动；

2)在加速脉冲注入期间无法检测转子位置，因此该方法存在固有的位置误差，误差大小与加速脉冲时长有关；为了提高输出转矩，通常会设计较长的加速脉冲，而误差也将随之增加。

由此可见，该方法无法可靠地实现电励磁双凸极电机低速带载运行的无位置传感器控制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种三状态标准角度控制的电励磁双凸极电机带载起动方法，实现电励磁双凸极电机无位置传感器低速带载可靠稳定运行。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

三状态标准角度控制的电励磁双凸极电机带载起动方法，电励磁双凸极电机低速运行时采用电流斩波控制方法控制导通两相的电流，每斩波一次时：

步骤1)，在电流斩波期间利用电流上升斜率与下降斜率之差计算对应的导通两相的串联增量电感；

步骤2)，将导通两相的串联增量电感与预设的电感阈值相比较，当串联增量电感小于等于预设的电感阈值时进行换相。

作为本发明三状态标准角度控制的电励磁双凸极电机带载起动方法进一步的优化方案，步骤1)中根据以下公式计算导通两相(x,y)的串联增量电感：

其中，lx(θ,ix)为正向导通相的增量电感，lx(θ,ix)为正向导通相的视在电感，ly(θ,iy)为反向导通相的增量电感，ly(θ,iy)为反向导通相的视在电感，lxf(θ,ix)为正向导通相绕组与励磁绕组间的视在互感，lyf(θ,iy)为反向导通相与励磁绕组间的视在互感，分别为导通两相瞬时电流i的上升斜率和下降斜率，θ为电机转子位置，ix为正向导通相电流，iy为负向导通相电流，vd、vt分别为功率二极管与开关管的等效压降。

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、本发明针对电励磁双凸极电机带重载起动的应用场合，利用固定电流斩波限下每个导通区间内的两个导通相的串联增量电感值单调下降的特点，通过实时检测对应的串联增量电感并与阈值电感比较来实现换相位置估计与无位置传感器控制。

2、本发明避免了传统的检测脉冲与加速脉冲交替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为本发明实施例12/8极结构的三相电励磁双凸极电机二维结构图。

图2为本发明实施例电机控制系统的硬件框图。

图3为三状态标准角度换相的示意图。

图4为本发明电励磁双凸极电机在励磁电流为20a且空载时的相绕组视在电感图。

图5为本发明电励磁双凸极电机在励磁电流为20a且空载时的相绕组增量电感图。

图6为本发明电励磁双凸极电机在励磁电流为20a、不同电枢电流下运行时导通两相的串联增量电感曲线图。

图7为本发明电励磁双凸极电机低速无位置传感器技术的控制流程图。

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。

本发明公开了一种三状态标准角度控制的电励磁双凸极电机带载起动方法：

电励磁双凸极电机低速运行时采用电流斩波控制方法控制导通两相的电流，每斩波一次时：

步骤1)，在电流斩波期间利用电流上升斜率与下降斜率之差计算对应的导通两相的串联增量电感；

步骤2)，将导通两相的串联增量电感与预设的电感阈值相比较，当串联增量电感小于等于预设的电感阈值时进行换相。

任意导通两相(x,y)的串联增量电感计算公式为：

其中，lx(θ,ix)为正向导通相的增量电感，lx(θ,ix)为正向导通相的视在电感，ly(θ,iy)为反向导通相的增量电感，ly(θ,iy)为反向导通相的增量电感，lxf(θ,ix)为正向导通相绕组与励磁绕组间的视在互感，lyf(θ,iy)为反向导通相绕组与励磁绕组间的视在互感，分别为导通两相瞬时电流i的上升斜率和下降斜率，θ为电机转子位置，ix为正向导通相电流，iy为反向导通相电流，vd、vt分别为功率二极管与开关管的等效压降。

根据以上步骤可实现电励磁双凸极电机无位置传感器低速带载稳定运行，算法简便易于实现，具有良好的应用前景。

下面以图1所示的12/8极结构的三相电励磁双凸极电机为例进行说明，其控制系统的硬件框图如图2所示，主要包括：三相全桥逆变器，控制器以及三相电励磁双凸极电机，其中udc为直流母线电压，s1～s6为功率mosfet，d1～d6为反并联二极管，ra、rb、rc分别为电机三相绕组电阻，la、lb、lc分别为电机a、b、c三相绕组自感，ia、ib、ic分别为电机三相相电流。

如图3所示，电励磁双凸极电机常采用“三状态标准角度控制”，即每个周期内换相三次，换相位置分别为120°，240°和360°。每个导通状态下两相同时导通，其三个导通状态分别为“a+c-”、“b+a-”和“c+b-”，“+”表示正向导通，“-”表示反向导通。电机起动时常采用斩波控制对电枢电流进行控制。

根据增量电感的定义，电励磁双凸极电机每相绕组的增量电感可表示为：

同样，每个导通状态下的两个导通相的串联增量电感可表示为：

可见，每相绕组的增量电感不仅与该相电流有关，还与励磁绕组电流有关，而电励磁双凸极电机需要较大的励磁电流才能输出较大转矩，此时电机磁路饱和程度高，增量自感与视在电感相差较大，如图4所示。

采用相绕组电压方程，在一个电流斩波周期内根据电流上升斜率与下降斜率可计算出两个导通相的串联增量电感，可表示为：

当电机起动后，每个导通状态中一相绕组通正电流，另一相绕组通负电流。正向电流产生增磁电枢反应，负向电流产生去磁电枢反应。去磁电枢反应对串联增量电感变化趋势影响较大。在每个导通区间内，串联增量电感随转子位置增加呈单调下降趋势，如图5所示。励磁电流不变时，串联增量电感下降斜率与电枢电流大小相关，电枢电流越大，其下降斜率越大。

如图6所示，为本发明的无位置传感器控制流程图。本发明根据每个导通区间内对应的两个导通相的串联增量电感单调下降的特性提出一种换相位置检测方法。通过在每个换相位置处预设一个电感阈值lth。由于电励磁双凸极电机三相绕组电感特性不对称，因而需针对每个换相位置单独设定一个电感阈值，分别为lth_120°，lth_240°，lth_360°。电枢电流每斩波一次，计算一次串联增量电感，并与对应的电感阈值进行比较可判断出转子是否到达换相位置。本发明的无位置传感器位置估计算法全部采用软件实现，没有占有额外的硬件资源，利用三相电枢电流信号即可高可靠的实现电励磁双凸极电机无位置传感器带载可靠起动。

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。