一种电励磁双凸极电机转子精确位置估计方法与流程

本发明涉及一种电励磁双凸极电机转子精确位置估计方法，属于电机控制技术领域。

背景技术：

电励磁双凸极电机作为一种新型特种电机，具有结构简单可靠、控制灵活、容错性能好的优点，在航空、新能源发电等领域受到广泛关注。传统电励磁双凸极电机系统中机械位置传感器的安装不仅增大了系统的体积成本，还降低了可靠性，因此，其无位置传感器控制策略具有重要研究价值，目前国内外有关电励磁双凸极电机的无位置传感器控制策略研究尚处于起步阶段。反电势法是目前最为常用的无位置传感器控制方法，但在低速起动阶段反电势幅值较小难以准确提取，该方法并不适用。实际上，低速阶段的无位置传感器控制一直是各类电机无位置传感器控制的难点。

赵耀等公开的“一种基于串联电感斜率阀值的电励磁双凸极电机低速运行无位置法”(中国，公开日：2014年3月26号，公开号：103684137A)专利中公开了一种基于串联自感斜率阀值的电励磁双凸极电机低速运行无位置传感器技术，其通过检测开关管开通和关断时母线斩波电流斜率值计算得到串联自感斜率值，与预先设定的阀值进行大小比较判断转子是否到达换相点。该方法对电流采样时刻要求较高，换相阀值需要根据电机参数选取，增加了实际实施难度。

周兴伟等公开的“一种电励磁双凸极电机无反转启动方法”(中国，公开日：2015年5月13日，公开号：104617832A)专利中公开了一种在初始励磁建压过程中根据三相感应电压估计转子所在扇区的方法，并根据双凸极电机“电感矩形”中的几何相似关系精确计算得到转子初始位置。该方法无需向电枢绕组内注入检测脉冲即能实现转子位置估计，但在励磁建压过程中的转子位置估计方法仅适用于电机静止时的初始位置估计，不适用于起动过程。

程明等公开的“双凸极电机无位置传感器控制的起动方法”(中国，公开日2011年12月21日，公开号：102291070A)专利中公开了一种双凸极电机无位置传感器控制的起动方法，其通过逆变器分别给每种定子绕组组合方式施加一个相同时间、相等幅值的脉冲电压，根据电流响应进行转子所在位置估计。但永磁双凸极电机与电励磁双凸极电机电感特性存在较大差别，且该方法仅能估计到转子所在扇区，不能实现准确位置的估计。

目前诸多的电励磁双凸极电机低速阶段的转子位置估计大多是通过注入检测电压脉冲实现的，但是该方法仅能估计得到转子所在扇区，不能实现转子精确位置估计，且该方法存在不可避免的换相延迟，影响电机起动性能。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种电励磁双凸极电机转子精确位置估计方法。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种电励磁双凸极电机转子精确位置估计方法，包括如下步骤：

步骤1，通过三相全桥变换器在电枢绕组上依次注入相同时长的检测脉冲A+C-、B+A-及C+B-，并在检测脉冲结束时采样检测响应电流i_ac、i_ba及i_cb，其中检测脉冲A+C-表示A相上管、C相下管开通，B+A-表示B相上管、A相下管开通，C+B-表示C相上管、B相下管开通；

步骤2，根据响应电流计算两相串联自感值L_ac、L_ba及L_cb；

步骤3，根据两相串联自感L_ac、L_ba与L_cb的大小关系判断转子所在扇区；

步骤4，根据电励磁双凸极电机的两相串联自感L_ac、L_ba与L_cb的几何关系及转子所在扇区进行准确转子位置估计；

步骤5，在下一脉冲注入周期，重复上述步骤1——4进行转子精确位置估计；步骤6，根据当前两次的估计精确转子位置之差及检测脉冲注入间隔时间估计电机当前角速度；

步骤7，通过最近一次精确转子估计位置与估计角速度进行实时转子位置估计。

步骤2中所述计算两相串联自感L_ac、L_ba及L_cb的表达式分别是

及

其中R为电励磁双凸极电机单相绕组内阻，T为检测脉冲时长，U_dc为直流母线电压。

步骤3中所述根据两相串联自感大小关系判断转子所在扇区，若L_ac≥L_ba≥L_cb或L_ac≥L_cb≥L_ba，则转子位于扇区1；若L_ba≥L_ac≥L_cb或L_ba≥L_cb≥L_ac，则转子位于扇区2；若L_cb≥L_ba≥L_ac或L_cb≥L_ac≥L_ba，则转子位于扇区3。

步骤4中所述根据电励磁双凸极电机的两相串联自感L_ac、L_ba与L_cb的几何关系及转子所在扇区进行准确转子位置估计方法如下，若转子位于扇区1，则转子位置角表达式为若转子位于扇区2，则转子位置角表达式为若转子位于扇区3，则转子位置角表达式为

步骤6中所述估计电机当前角速度估计表达式为k为大于等于1的整数，其中θ(k)、θ(k-1)分别为第k、k-1次注入检测脉冲的转子位置估计角，且定义θ(0)为初始转子位置精确估计结果，Δt为相邻两次检测脉冲注入间隔时间。

所述步骤7中所述电机实时转子估计位置表达式为θ_e＝θ(k)+ω_e·(t-k·Δt)，θ_e为转子精确位置估计角；t为时间，θ(k)为第k次注入检测脉冲的转子位置估计角，k为大于等于1的整数。

本发明的有益效果如下：

(1)无需增加额外硬件电路，便能够实现电励磁双凸极电机转子精确位置估计。

(2)提高了低速起动阶段的换相准确性，提高了电励磁双凸极电机无位置传感器起动性能。

(3)检测脉冲的响应电流幅值较小，转子位置估计不受磁路饱和的影响。

附图说明

图1是本发明提供的双凸极电机及其控制拓扑结构图。

图2是12/8极电励磁双凸极电机截面图。

图3是电励磁双凸极电机三相自感曲线及通电规则图。

图4是注入检测脉冲A+C-时的等效电路图。

图5是电励磁双凸极电机两相串联自感曲线图。

图6是转子位于扇区1时的电励磁双凸极电机两相串联自感构成的“电感矩形”图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

本发明的系统结构框图如图1所示，主要包括：电励磁双凸极电机、三相全桥变换器、励磁控制电路等，其中电励磁双凸极电机截面如图2所示，三相自感曲线如图3所示。具体实施步骤如下：

1、分别依次开通图1中的开关管Q₁和Q₂、Q₃和Q₄、Q₅和Q₆一段相等时间，通过三相全桥变换器在电枢绕组上依次注入相同时长的检测脉冲A+C-、B+A-及C+B-，其中检测脉冲A+C-表示A相上管、C相下管开通，B+A-表示B相上管、A相下管开通，C+B-表示C相上管、B相下管开通，并在检测脉冲结束时分别采样检测响应电流i_ac、i_ba及i_cb。

2、根据响应电流计算得到两相串联自感值L_ac、L_ba及L_cb，两相串联自感表达式分别为及其中R为电励磁双凸极电机单相绕组内阻，T为注入检测脉冲时长，U_dc为直流母线电压。

所述两相串联自感计算原理如下，以检测脉冲A+C-为例说明，在低速阶段电机反电势幅值较小可以忽略，检测脉冲A+C-注入时的等效电路如图4所示，此时，响应电流可表示为

其中τ为时间常数，表达式为

因此，根据检测脉冲结束时的响应，便可解算得到A、C两相串联自感表达式

其他两相串联自感可以由类似方法计算得到。

3、根据两相串联自感L_ac、L_ba及L_cb的大小关系判断转子所在扇区。根据图5所示的两相串联自感随转子位置变化的曲线，可以看出根据两相串联自感L_ac、L_ba及L_cb的大小关系便可判断转子所在扇区，具体对应关系如下表所示。

表1两相串联自感与转子扇区关系表

4、根据电励磁双凸极电机的两相串联自感L_ac、L_ba与L_cb的几何关系及转子所在扇区进行准确转子位置估计。若转子位于扇区1，则转子位置角表达式为若转子位于扇区2，则转子位置角表达式为若转子位于扇区3，则转子位置角表达式为

转子精确位置角估计原理如下，以转子位于扇区1为例说明，此时两相串联自感L_ac、L_ba与L_cb的几何关系如图6所示，在构成的“电感矩形”ABCD中，△AEH与△ACD几何相似，因此存在以下对应比例关系

其中：AH、AD、EH、CD、EG及HF表示图6中“电感矩形”ABCD中对应两点的长度。此外，如图6中“电感矩形”所示，转子位置θ、两相串联自感分别满足式(5)及式(6)。

根据式(4)、(5)及(6)，可以得到

因此，转子位于扇区1时的精确位置表达式为

转子位于其它扇区时有完全类似的计算方法。

5、在下一脉冲注入周期，重复上述步骤1-4进行转子精确位置角估计。

6、根据当前两次的估计精确转子位置之差及检测脉冲注入间隔时间估计电机当前角速度。

记转子初始位置角估计结果为θ(0)，第k(k为大于等于1的整数)、k-1次转子精确位置估计结果分别为θ(k)、θ(k-1)，相邻两次检测脉冲注入间隔时间为Δt，则电机估计角速度为

7、通过最近一次精确转子估计位置与估计角速度进行实时转子位置估计，其表达式为

θ_e＝θ(k)+ω_e·(t-k·Δt) (10)

通过上述步骤即可实现电励磁双凸极电机的无位置传感器起动，且能够进行转子精确位置估计，减小了换相误差，保证系统的无位置传感器起动性能。

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。