一种基于耦合电压的分块式直线开关磁阻电机控制方法与流程

本发明涉及一种电机结构及电机位置间接检测方法，特别涉及一种应用于轨道交通的双边型直线开关磁阻电机结构及位置间接检测方法，属于电力传动领域。

背景技术：

目前双边型开关磁阻直线电机（dlsrm）的无位置传感器控制方法的研究主要借鉴旋转式开关磁阻电机（srm）已有的无位置传感器控制方法。在srm起动和中低速运行情况下，高频脉冲注入法是最常用的无位置传感器控制方法。在高频脉冲注入法中，一般向空闲相注入高频脉冲，根据脉冲响应电流的幅值、上升下降时间以及斜率等参数可以获得电机的不饱和电感值，srm不饱和电感和电机的相对位置具有一一对应的关系，因此即可获得电机的位置信息。

现有脉冲注入方法的主要不足有：电机的反电动势被忽略，当电机转速提高后电机位置估测精度大大降低，限制了方法适用的速度范围；电机的电流传感器需要同时检测电机正常运行时的相电流以及该相作为空闲相时的脉冲响应电流，从检测精度考虑脉冲响应电流的幅值不可以过小。空闲相都处于电感下降区，一定幅值的脉冲响应电流将会造成电机负转矩/电磁推力的产生，进而降低电机的平均出力；在电机铁芯体积较大形状狭长的情况下，注入高频脉冲电压时检测到的脉冲响应电流的波形会受到涡流的影响而出现波形畸变，其峰值和斜率等信息都发生变化，将直接影响位置间接检测的精度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于耦合电压的分块式直线开关磁阻电机控制方法，实现应用于轨道交通的直线开关磁阻电机的无位置传感器运行。

本发明的目的是这样实现的：一种基于耦合电压的分块式直线开关磁阻电机控制方法，包括以下步骤：

步骤1）选取位置特征量；

步骤2）基于所述位置检测特征量，设计无位置传感器控制系统主电路拓扑；

步骤3）选择lsrm起动和注入脉冲相；

步骤4）起动后，控制直线开关磁阻电机无位置传感器系统。

作为本发明的进一步限定，步骤1）选取位置特征量的具体方法为：首先在电机空闲相中给其中一个线圈注入脉冲电压，该线圈称为注入线圈，位置特征量即为另一线圈两端的耦合感应电压，该线圈称为检测线圈。

作为本发明的进一步限定，步骤2）中的控制系统拓扑结构为：包括三相电路，每相包含三个开关管s0、s1、s2，三个续流二极管d0、d1、d2和两个线圈ai、ad，其中线圈ai为注入线圈，线圈ad为检测线圈；线圈ai、线圈ad分别与开关管s1、开关管s2串联后再并联在一起，两者之间的电极点一路经开关管s0接三相电路负极、另一路经续流二极管d0接三相电路正极，线圈ai与开关管s1之间的电极点经续流二极管d1接三相电路负极，线圈ad与开关管s2之间的电极点经续流二极管d2接三相电路负极。

作为本发明的进一步限定，步骤2）的控制方法为：开关管s0的开关信号根据估测位置和设定的开通关断位置决定，所述估测位置根据位置特征量估测，开关管s1和s2的控制信号根据电机的速度和电流给定，脉冲注入过程中，开关管s0和s1的控制信号为一定开关频率和占空比的pwm信号，检测线圈ad两端的感应耦合电压通过采样和调理电路转换成0~3v的电压信号输入到控制器的ad采样端口。

作为本发明的进一步限定，步骤3）lsrm起动和注入脉冲相的选择方法为：

3-1）同时向三相注入线圈注入高频脉冲，利用电压采样和信号调理电路得到检测线圈的耦合电压随不同相对位置变化的曲线；

3-2）根据耦合电压ua，ub和uc的大小关系，将次级周期等分为6个区域，区域i~区域vi，每个区域对于的脉冲注入相和导通相如表1中所述；

3-3）在区域i中，为了避免b相起动时开通位置过大，设置开通位置阈值u1，当ub小于阈值u1，即在区域p中，导通相选择电感上升区的a相和b相同时励磁导通；当ub大于阈值u1，即在区域q中，则选择a相单独导通励磁；同理区域iii和区域v中的起动逻辑和区域i相同，阈值u1和三相耦合电压曲线的交点a，b，c为三个区域内b相，a相和c相的关断位置点，通过调节阈值u1的幅值则可以调节lsrm起动时的各相的关断位置。

作为本发明的进一步限定，步骤4）无位置传感器的控制方法为：

4-1）在电机起动时，依据表1给出的导通相实现电机无反转起动，依据表1给出的注入相，实时采集注入相的耦合电压值ua/ub/uc；

4-2）以注入相为a相为例，当a相的耦合电压ua低于阈值u2时，此时对应电机b相的最小电感位置，导通b相；

4-3）当a相的耦合电压ua低于阈值u3时，此时对应电机c相的最大电感附近位置，关闭导通相c相；

4-4）当a相的耦合电压ua低于阈值u4时，此时对应电机c相的最小电感位置；为了防止关断相剩余电流对脉冲注入信号的影响，判断c相剩余电流有无低于阈值i0，当剩余电流小于阈值i0时，注入相改为c相，向c相注入高频脉冲；

4-5）基于注入相c相的耦合电压重复步骤4-2）~4-4），具体判断逻辑如流程图5所述。

4-6）通过改变阈值u2，可以改变各相的开通位置；改变阈值u3，可以改变各相的关断位置；u2和u3所处耦合电压曲线下降斜率较高的位置，位置辨识度高。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：针对分块式dlsrm的无位置传感器起动和中低速运行，提出了新的控制方法；该方法优势在于利用双边电机对称线圈之间的耦合，通过向一个线圈内注入脉冲，检测其相对线圈产生的耦合电压即可获得电机的位置信息；由于电机同一相的两个线圈处于同一个主磁路，其相互耦合系数较高，脉冲响应电压幅值较大，注入脉冲的频率可进一步提高，脉冲响应电流的幅值可以限制到很低，解决了传统脉冲注入法中电流传感器检测精度和负转矩之间的矛盾；同时，该方法抵消了电机运行过程中反电动势的影响，方法的速度适用范围得以改善。本发明可用于轨道交通中。

附图说明

图1为本发明所用dlsrm。

图2为本发明所用dlsrm磁通分布和等效磁路。

图3为本发明所用dlsrm无位置传感器控制系统功率变换器拓扑。

图4为本发明所用dlsrm三相耦合电压电压曲线。

图5为本发明所用dlsrm无位置传感器控制方法流程图。

图6为本发明所用dlsrm三相耦合电压波形。

图7为本发明所用dlsrm无位置传感器运行电压电流波形。

图8为本发明所用dlsrm无位置传感器曲线和相开通关断信号（a）关断位置17mm，（b）关断位置19mm，（c）关断位置21mm。

图9为本发明所用dlsrm无位置传感器运行开关位置偏差（a）关断位置17mm，（b）关断位置19mm，（c）关断位置21mm。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明所研究dlsrm为双边结构，如图1所示。电机每相绕组包含两套串联或者并联连接的对称线圈。为了减小电机的不平衡力和振动，每相绕组中的线圈多以并联结构组成。

本发明所提位置特征量的选取方法如下：首先在电机空闲相中给其中一个线圈注入脉冲电压（该线圈称为注入线圈），位置特征量即为另一线圈（该线圈称为检测线圈）两端的耦合感应电压。下文利用磁路分析该特征量的有效性。

图2给出了dlsrm在注入线圈励磁时的磁通分布以及对应的等效磁路图。其中f为初级极上线圈的磁动势f=ni，n为每极线圈匝数，i为注入线圈励磁电流。r1和r2为对应磁路的磁阻，rg为气隙磁阻；φ1和φ2为对应磁路中的磁通量。当在注入线圈注入高频脉冲电压时，其电压平衡方程为

其中，ψ1为注入脉冲绕组的磁链，r为注入线圈的内阻；

检测线圈两端感应的耦合电压为

根据磁路分析，磁通φ1和φ2满足如下关系

由于注入线圈注入脉冲频率较高，脉冲响应电流幅值较小，且绕组内阻较小，因此，式1中注入线圈内阻压降ir可忽略不计。结合式1~3，检测线圈的感应电压可以表示为

脉冲注入电压幅值u1一定，漏磁磁阻r1和r2由电机尺寸结构决定，和电机相对位置无关，气隙磁阻rg则和电机相对位置具有单调映射关系；由式4可以看出，检测线圈两端的感应电压u2和气隙磁阻呈单调映射关系，因此，u2和电机的相对位置也将呈现单调映射关系。本发明选用u2为lsrm位置检测特征量，选用u2作为位置特征量具有如下优点：

（1）电机两侧线圈共用同一个串联主磁路，耦合系数较高，注入电压u1为电机电源电压，u2的幅值也较高，检测难度低，因此，注入脉冲的频率可以设置的很高，不需要考虑脉冲响应电流幅值过低传感器难以检测的问题；

（2）检测信号为电压信号，无需考虑涡流所导致的脉冲响应电流波形畸变的问题；

（3）所检测电压u2的幅值和电机速度无关，可大大提高脉冲注入法的有效应用速度范围。

由于注入电压脉冲频率增加，脉冲响应电流幅值较小，其所导致的负转矩的影响在可忽略。

基于所提位置检测特征量，本发明给出了lsrm无位置传感器控制系统的控制方法；图3为该系统所用功率变换器拓扑结构；每相包含3个mosfet和3个续流二极管；以a相为例，ai为a相注入线圈，ad为检测线圈；开关管sa0为a相位置开关管，其开关信号根据估测位置和设定的开通关断位置决定；开关管sa1和sa2的控制信号根据电机的速度和电流给定；脉冲注入过程中，开关管sa0和sa1的控制信号为一定开关频率和占空比的pwm信号；检测线圈ad两端的感应耦合电压通过采样和调理电路转换成0~3v的电压信号输入到控制器的ad采样端口。

图4为lsrm样机三相同时注入脉冲时的耦合电压随不同相对位置变化的曲线；0mm位置为a相最小电感位置；由于耦合电压和各相磁路的气隙磁阻呈反比关系，因此，耦合电压随相对位置变化的曲线和电机的电感曲线具有相同的趋势；最小电感位置即耦合电压最小位置，最大电感或者完全对齐位置也是耦合电压最大值位置；根据一个周期内（次级周期50mm）的三相耦合电压关系，作为本发明的进一步限定，表1给出了lsrm起动和注入脉冲相的选择方法；

具体如下：

（1）同时向三相注入线圈注入高频脉冲，利用电压采样和信号调理电路得到检测线圈的耦合电压ua，ub和uc；

（2）根据耦合电压ua，ub和uc的大小关系，将次级周期等分为6个区域，区域i~区域vi，每个区域对于的脉冲注入相和导通相如列表1中所述；

（3）在区域i中，为了避免b相起动时开通位置过大，设置开通位置阈值u1，如图4中所示，当ub小于阈值u1，即在区域p中，导通相选择电感上升区的a相和b相同时励磁导通；当ub大于阈值u1，即在区域q中，则选择a相单独导通励磁；同理区域iii和区域v中的起动逻辑和区域i相同，阈值u1和三相耦合电压曲线的交点a，b，c为三个区域内b相，a相和c相的关断位置点，通过调节阈值u1的幅值则可以调节lsrm起动时的各相的关断位置。

为了实现电机的连续运行，电机起动后则依据注入相的耦合电压值来判断各相的开通和关断，流程图如图5所示。

作为本发明的进一步限定，起动后的无位置传感器控制方法如下：

（1）在电机起动时，依据表1给出的导通相实现电机无反转起动，依据表1给出的注入相，实时采集注入相的耦合电压值ua/ub/uc；

（2）以注入相为a相为例，当a相的耦合电压ua低于阈值u2时，如图4中的点d位置，此时对应电机b相的最小电感位置，导通b相；

（3）当a相的耦合电压ua低于阈值u3时，如图4中的点e位置，此时对应电机c相的最大电感附近位置，关闭导通相c相；

（4）当a相的耦合电压ua低于阈值u4时，如图4中的点f位置，此时对应电机c相的最小电感位置；为了防止关断相剩余电流对脉冲注入信号的影响，在点f之后再判断c相剩余电流有无低于阈值i0，当剩余电流小于阈值i0时，注入相改为c相，向c相注入高频脉冲；

（5）基于注入相c相的耦合电压重复步骤(2)~(4)，具体判断逻辑如流程图5所述。

（6）通过改变阈值u2，可以改变各相的开通位置；改变阈值u3，可以改变各相的关断位置；u2和u3所处耦合电压曲线下降斜率较高的位置，位置辨识度高。

为了验证本说明所提控制方法的有效性，搭建了样机试验平台，如图6所示。样机轨道长度1.5m，初级铁心由硅钢片叠压而成，双边铁心绕有集中绕组；次级铁心由硅钢片叠压而成，无绕组；为了验证无位置传感器控制的精度，样机一侧装有直线编码器；控制器选用dsptms320f28335，驱动电路以驱动光耦hcpl-3120为驱动芯片，信号处理电路以线性光耦hcnr201为核心实现采样电压信号的隔离和比例运放。

利用采样电路检测lsrm样机在带初始速度情况下的三相注入线圈同时注入高频脉冲时检测线圈耦合电压波形，如图6所示。其中负压部分已经被采样电路中的二极管截止，起动时只需要比较三相耦合电压的正幅值即可获得任意时刻的导通相和注入相。图7给出了无位置传感器运行过程中的电压电流波形，其中波形1为a相主开关管sa1的控制信号，波形2为a相注入线圈ai的端电压波形，波形3位a相检测线圈端电压经采样电路检测到的电压波形，波形4为a相注入线圈电流波形。从图中可以看出，检测相的耦合电压幅值较大，易于检测，同时注入相在注入高频脉冲电压时，线圈内的脉冲响应电流幅值较小，几乎为零，因此该方法不需要考虑电流传感器同时检测相电流和脉冲电流的精度匹配问题，且也无需考虑脉冲响应电流导致的负转矩和涡流影响的问题。

设置阈值u2，对应开通位置0mm，即最小电感位置；分别设置三组不同的阈值u3，对应关断位置分别约为17mm、19mm和21mm；图8给出了电机运行过程中的三相开通关断信号以及a相实时相对位置信号；图中曲线1是由控制器根据编码器信号计算出的a相相对位置再经dac模块输出的对应电压信号；曲线2~4为三相开关信号；图中横坐标为时间，标度60ms/div；图9则给出了三种情况下的位置偏差结果，从图中可以看出，每个周期开关位置测试点的偏差都在2mm以内，且不随速度的增加而明显变化；每个测试点估测位置的误差主要是dac模块输出信号的误差以及信号调理电路带来的耦合电压信号值的采样误差。

本发明选用的分块式dlsrm相间完全独立，无互感影响，将有利于无位置传感器控制的实现；针对分块式dlsrm，提出了基于耦合电压的间接位置检测方法，该方法利用dlsrm两侧线圈的强耦合特性，可忽略电机反电动势的影响，且无需考虑脉冲响应电流的检测和负转矩问题；基于该位置检测方法，提出了dlsrm起动和无位置传感器运行的具体控制策略和程序流程图；样机实验结果表明了方法的有效性。

由于该方法原理是基于dlsrm两侧线圈的强耦合特性，因此该方法仅适用于初级为分块式结构的dlsrm，即初级为无轭结构的dlsrm。另外，该方法亦可适用于双边对称结构的旋转式srm。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。