一种基于中性点电压采样的电励磁双凸极电机无位置传感器换相控制方法与流程

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种基于中性点电压采样的电励磁双凸极电机无位置传感器换相控制方法。

背景技术：

作为一种新型无刷磁阻型电机，电励磁双凸极电机具有结构可靠、控制方便、容错性能高的优势，其在航空起动发电、新能源发电等领域受到广泛关注。电励磁双凸极电机电动运行阶段需要根据转子位置进行换相，传统系统中机械位置传感器的安装带来系统体积增大、可靠性降低的问题，因此，电励磁双凸极电机无位置传感器换相控制方法研究具有重要研究意义。

目前，现有研究根据电机运行转速域采取不同的无位置传感器控制策略，在中高速阶段，常采用基于电机反电势的无位置传感器控制策略，在低转速域，通常采用注入脉冲的方法进行电机转子位置估计。

针对低转速无位置传感器起动：

中国专利公布号：cn11019073a，公布日：2019年8月30日，公开了一种利用电流斩波期间电流上升斜率与下降斜率之差的换相位置估计策略，从而实现电励磁双凸极电机的无位置传感器带载起动。该方法考虑了电机饱和效应，避免了传统低速起动脉冲注入方法存在的相电流断续问题。但其需要额外注入脉冲进行转子位置估计，且仅适用于低速起动阶段。

中国专利公布号：cn104617832a，公布日：2015年05月13日，公开了一种电励磁双凸极电机无反转启动方法，在电机静止时给励磁绕组通电，通过比较励磁电流上升过程中三相感应电压ua、ub、uc的大小判断转子所在扇区，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，再由得到的转子位置注入加速脉冲，确保电机无反转起动。与传统初始位置判断方法相比，该方法无需向电枢绕组中注入检测脉冲，避免了初始位置检测过程电机出现抖动和反转，同时减少了位置判断所需时间，无需增加额外硬件电路，不受电机参数影响，易于实现。但是该转子初始位置估计算法较为繁琐，且该方法仅适用于初始静止阶段的转子位置估计。

针对中高速无位置传感器运行：

中国专利公布号：cn104393802b，公布日：2015年3月4日，公开了一种基于线电压检测电励磁双凸极电机无位置传感器控制方法，其通过线电压差与设定换相阀值大小比较进行换相位置估计。该方法有效消除了电机中性点电压波动对无位置传感器控制算法的影响，且线电压差对电机反电势进行了幅值放大，一定程度上拓宽了适用转速域。

中国专利公布号：cn106100499b，公布日：2016年11月9日，公开了一种基于线磁链的电励磁双凸极电机无位置传感器控制方法，通过实时检测三相端电压与相电流，利用反向导通相的端电压减去非导通相端电压得到线电压，再减去电阻压降后经过一节高通滤波器并积分获得两相磁链之差，进而利用其过零点估计获得换相位置信息。该方法克服了反电势受电枢反应影响较大的弊端，适用于中高速重载运行场合。

目前诸多的电励磁双凸极电机低速阶段的转子位置估计方法仅适用于特定转速域，难以适用于电机运行的低速至中高速的全转速范围。在不同转速域间需要进行无位置传感器控制算法的切换，增加了系统控制策略的复杂性。

技术实现要素：

发明目的：针对现有电励磁双凸极电机无位置传感器控制方法难以适用于低速至中高速全转速运行区域的问题，本发明提出一种基于中性点电压采样的电励磁双凸极电机无位置传感器换相控制方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于中性点电压采样的电励磁双凸极电机无位置传感器换相控制方法，该方法具体包括如下步骤：

s1：在全桥变换器功率管开通时刻采样电机中性点电压un；

s2：将电机中性点电压un与母线中点电压作差计算得到无位置传感器换相控制用的特征量us；

s3：将无位置传感器换相控制特征量us与无位置传感器换相阀值ucom进行大小比较估计转子所在扇区，并确定当前导通相实现无位置传感器运行。

进一步地讲，所述方法步骤s1中中性点电压采样方法，具体如下：

在三相全桥变换器功率管开通时间段的中点时刻进行电机中性点电压采样，若功率管的开关周期为t，占空比为d，则在每个开关周期的时刻进行电机中性点电压采样。

进一步地讲，所述方法步骤s2无位置传感器换相控制的特征量us计算方法为：

其中，udc为直流母线电压。

进一步地讲，所述方法步骤s3根据特征量us与无位置传感器换相阀值ucom进行大小比较估计转子所在扇区，并确定导通相，具体如下：

s3.1：转子扇区估计方法为：若us<ucom，则转子到达下一个扇区；若us≥ucom，则转子仍处于当前扇区；具体对应关系是：

当前一次转子位置估计结果为转子位于扇区1，若us<ucom，则转子当前位于扇区2，若us≥ucom，转子当前位于扇区1；

当前一次转子位置估计结果为转子位于扇区2，若us<ucom，则转子当前位于扇区3，若us≥ucom，转子当前位于扇区2；

当前一次转子位置估计结果为转子位于扇区3，若us<ucom，则转子当前位于扇区1，若us≥ucom，转子当前位于扇区3；

s3.2：无位置传感器控制的换相阀值ucom的选取方法为：

其中，lpmax为电机相绕组自感最大值，lpmin为电机相绕组自感最小值，ke为电机反电势系数，n为电机当前转速；

s3.3：转子所在扇区与选取导通相的关系是：

若转子位于扇区1，则a相绕组通正电，c相绕组通负电；

若转子位于扇区2，则b相绕组通正电，a相绕组通负电；

若转子位于扇区3，则c相绕组通正电，b相绕组通负电。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

该方法对转速不敏感，适用于低速至中高速的全转速域，应用转速范围宽；该方法无需额外注入脉冲进行转子位置估计，直接通过电压大小比较的方式进行转子位置估计，易于实施。

附图说明

图1是本发明的电励磁双凸极电机驱动系统结构图；

图2是本发明的中性点电压采样时刻示意图；

图3是本发明的电励磁双凸极电机三相自感曲线及通电规则图；

图4是本发明的无位置传感器换相控制的特征量及换相阀值的示意图；

图5是本发明方法的实施流程图。

具体实施方式

实施例1

参考图4和图5，本实施例提供了一种基于中性点电压采样的电励磁双凸极电机无位置传感器换相控制方法具体包括如下步骤：

步骤s1：参考图1和图2，在全桥变换器功率管开通时刻采样电机中性点电压un。

具体如下：

在三相全桥变换器功率管开通时间段的中点时刻进行电机中性点电压采样，若功率管的开关周期为t，占空比为d，则在每个开关周期的时刻进行电机中性点电压采样，如图2所示。

步骤s2：将电机中性点电压un与母线中点电压作差计算得到无位置传感器换相控制用的特征量us。具体如下：

无位置传感器换相控制的特征量us计算方法为：

其中，udc为直流母线电压。

步骤s3：参考图3，将无位置传感器换相控制特征量us与无位置传感器换相阀值ucom进行大小比较估计转子所在扇区，并确定当前导通相实现无位置传感器运行。具体如下：

步骤s3.1：转子扇区估计方法为：若us<ucom，则转子到达下一个扇区；若us≥ucom，则转子仍处于当前扇区；具体对应关系是：

当前一次转子位置估计结果为转子位于扇区1，若us<ucom，则转子当前位于扇区2，若us≥ucom，转子当前位于扇区1；

当前一次转子位置估计结果为转子位于扇区2，若us<ucom，则转子当前位于扇区3，若us≥ucom，转子当前位于扇区2；

当前一次转子位置估计结果为转子位于扇区3，若us<ucom，则转子当前位于扇区1，若us≥ucom，转子当前位于扇区3；

步骤s3.2：无位置传感器控制的换相阀值ucom的选取方法为：

其中，lpmax为电励磁双凸极电机相绕组自感最大值，lpmin为电机相绕组自感最小值，ke为电机反电势系数，n为电机当前转速；

步骤s3.3：根据图3所示的电励磁双凸极电机基本通电规则，转子所在扇区与选取导通相的关系是：

若转子位于扇区1，则a相绕组通正电，c相绕组通负电；

若转子位于扇区2，则b相绕组通正电，a相绕组通负电；

若转子位于扇区3，则c相绕组通正电，b相绕组通负电。

通过上述步骤s1-步骤s3即可实现电励磁双凸极电机无位置传感器换相，电机中性点电压对转速不敏感，该方法能够适用于低速起动至中高速运行的全转速域。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。