一种基于脉冲响应的混合励磁双凸极电机无位置控制方法

1.本发明涉及变磁阻类电机无位置传感器控制技术领域，尤其涉及一种基于脉冲响应的混合励磁双凸极电机无位置控制方法。


背景技术：

2.混合励磁双凸极电机转子上不存在绕组和磁钢，因此其结构简单牢固、易于维护、可靠性高；混合励磁形式使其具有气隙磁场调节方便、功率密度高等优点。在飞机起动/发电系统、风力发电系统、新能源汽车等领域有很好的应用前景。该电机作为电动机运行时需要准确的转子位置信息以实现电流换相。
3.无位置传感器技术通过检测电机运行时的电压、电流、磁链等物理量进行电机转子位置估计，该技术能够摒弃系统的机械位置传感器，有利于电机系统体积减小、可靠性提升。目前对混合励磁双凸极电机无位置传感器技术的研究大多参考开关磁阻电机、无刷直流电机的无位置传感器技术，且大多依靠反电势来进行无位置传感器控制，但由于混合励磁双凸极电机的反电势组成复杂，其过零点与换相位置无明确对应关系，因此通过电压、磁链物理量来获取换相点位置信息都需要设置中间步骤处理。
4.周兴伟等公开的“一种基于线电压检测额电励磁双凸极电机无位置控制方法”(中国，公开号：104393802a)专利通过检测线电压并利用线电压差在换相时刻突变增加的原理，设定阈值判断换相点。
5.刘伟峰等公开的“基于线磁链的三相电励磁双凸极电机无位置传感器方法”(中国，公开号：106100499a)专利通过反向导通相与非导通相之间的线电压计算得到磁链特征量，并依据该磁链特征量的过零点确定换相点信息。
6.上述这些方法在获取特征量过程中都需要同时用到电压传感器、电流传感器，增大了电机控制器的体积。本发明通过提取电流量的特征信息，从脉冲注入、非导通相检测角度提出了一种不需要电压传感器的混合励磁双凸极电机无位置控制方法。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提出一种基于脉冲响应的混合励磁双凸极电机无位置控制方法，本发明的目的是不依赖机械位置传感器获得换相位置信息，有效减小电机驱动系统的体积，增大转矩密度，提高系统可靠性。
8.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
9.被控对象混合励磁双凸极电机的三相电枢绕组采用星形联接方式，功率变换器采用三相全桥逆变器。标准角控制下采用两相导通模式的基本原理具体指：混合励磁双凸极电机基本电感模型存在上升区、下降区、不变区三个阶段，任意转子位置总有两相电枢绕组电感处于变化区，且变化方向相反，另一相电枢绕组电感不变。其转矩公式为:
10.11.其中t
p
为单相的总转矩输出，i
p
为相电枢电流，l
p
为相绕组自感，i
f
为励磁电流，l
pf
为励磁绕组与相绕组互感，ψ
pm
为相永磁磁链，θ为转子位置角，p为a、b、c中的任一相。式中第二项为励磁转矩，由励磁电流、电枢电流及互感变化率相互作用产生，因此在任意转子位置给电感变化的两相电枢绕组通入相应电流就可以产生连续的转矩输出，即在正励磁情况下给处于电感上升区的绕组通以正电流，给处于电感下降区的绕组通以负电流。
12.以附图2所示标准角控制下的两相导通模式为例，换相发生在转子位置角为0
°
、120
°
、240
°
，即定转子极对齐的时刻。通过控制三相全桥逆变器的对应开关管来实现电枢电流、检测脉冲注入，相应的三种导通模态分别为：0
°
＜θ≤120
°
，a相通正电流，c相通负电流，b相为非导通相，相对应地q1、q2为电枢电流注入开关管，q3为检测脉冲注入开关管；120
°
＜θ≤240
°
，b相通正电流，a相通负电流，c相为非导通相，相对应地q3、q4为电枢电流注入开关管，q5为检测脉冲注入开关管；240
°
＜θ≤360
°
，c相通正电流，b相通负电流，a相为非导通相，相对应地q5、q6为电枢电流注入开关管，q1为检测脉冲注入开关管。为了减少开关管的开关损耗，通常对上管进行pwm斩波控制，下管处于常通状态。
13.本发明包括如下主要步骤：
14.步骤1)，仿真得到具体工况下各非导通相在换相位置附近的脉冲电流响应，并预先设置包含换相位置处电流响应值的阈值范围为[i
a1
,i
a2
]、[i
b1
，i
b2
]、[i
c1
，i
c2
]。
[0015]
步骤2)，在电机运行时实时检测三相电流以判断绕组导通模态；
[0016]
步骤3)，对非导通相注入占空比不变的检测脉冲并实时采样非导通相的电流响应。所述检测脉冲的占空比、注入时间均不随电流闭环控制变化，并且由于逆变器硬件限制，其最大占空比为0.94，可以实现检测脉冲与开关管pwm波交错注入；
[0017]
步骤4)，采样值与预先设定的换相阈值比较，如果非导通相电流响应在阈值范围内，则换相；否则继续保持当前导通相，对该非导通相注入检测脉冲并实时采样其电流响应。所述换相阈值是一个区间，且受励磁电流、电机转速的影响。
[0018]
所述非导通相脉冲注入后的电流响应在换相位置附近单调减小的原理具体指：以a相和c相导通时，对b相注入检测脉冲为例，通过采用固定占空比的pwm波驱动b相所连桥臂的上管实现脉冲注入，当开关管导通时，相当于a相电枢绕组与b相电枢绕组并联，a相电枢绕组的反电势加在b相电枢绕组两端，有
[0019][0020]
其中e
a
为a相绕组反电势，l
b
为b相绕组自感，i
b
为b相电流响应。在换相位置附近a相反电势由正到负，b相电感由不变区到上升区，则b相电流响应值应不断减小。因此如果检测到的非导通相电流响应落入预先设置的阈值范围内，则换相。
[0021]
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：
[0022]
实现简单，不依靠提取电压量来进行无位置传感器控制，无需增加电压传感器，降低硬件成本并进一步减小控制器体积；利用非导通相获取换相信号，不会产生负转矩，对电机转矩输出无不利影响。
附图说明
[0023]
图1为本发明提供的系统结构框图。
[0024]
图2为本发明提供的电感模型及非导通相脉冲注入示意图。
[0025]
图3为本发明提供的控制流程图。
[0026]
图4为本发明提供的反电势及非导通相电流响应的仿真波形。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0028]
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。本发明公开了一种基于脉冲响应的混合励磁双凸极电机无位置控制方法，所述方案的实现步骤如下：
[0029]
步骤1)，仿真得到具体工况下各非导通相在换相位置附近的脉冲电流响应，并预先设置包含换相位置处电流响应值的阈值范围为[i
a1
,i
a2
]、[i
b1
,i
b2
]、[i
c1
，i
c2
]。
[0030]
步骤2)，在电机运行时实时检测三相电流以判断绕组导通模态；
[0031]
步骤3)，对非导通相注入占空比不变的检测脉冲并实时采样非导通相的电流响应。所述检测脉冲的占空比、注入时间均不随电流闭环控制变化，并且由于逆变器硬件限制，其最大占空比为0.94，可以实现检测脉冲与开关管pwm波交错注入；
[0032]
步骤4)，采样值与预先设定的换相阈值比较，如果非导通相电流响应在阈值范围内，则换相；否则继续保持当前导通相，对该非导通相注入检测脉冲并实时采样其电流响应。所述换相阈值是一个区间，且受励磁电流、电机转速的影响。
[0033]
如图1所示为本发明提供的系统结构框图，被控对象为混合励磁双凸极电机，其三相电枢绕组采用星形联接方式，其他硬件结构包括三相全桥逆变器、相电流采样调理电路、控制电路。三相全桥逆变器中，q1～q
12
为功mosfet，d1～d
12
分别为其寄生的反并二极管。根据图2所示开关管导通规律并结合给出的pwm占空比信号给导通相电枢绕组通电，从而实现电流的闭环控制。
[0034]
如图2所示本发明提供的电感模型及非导通相脉冲注入示意图，遵循“电感上升区通正电，下降区通负电”，按照ac
‑
ba
‑
cb的导通顺序给电机通电。以标准角控制下的两相导通模式为例，换相发生在转子位置角为0
°
、120
°
、240
°
，即定转子极对齐的时刻。通过控制三相全桥逆变器的对应开关管来实现电枢电流、检测脉冲注入，相应的三种导通模态分别为：0
°
＜θ≤120
°
，a相通正电流，c相通负电流，b相为非导通相，相对应地q1、q2为电枢电流注入开关管，q3为检测脉冲注入开关管；120
°
＜θ≤240
°
，b相通正电流，a相通负电流，c相为非导通相，相对应地q3、q4为电枢电流注入开关管，q5为检测脉冲注入开关管；240
°
＜θ≤360
°
，c相通正电流，b相通负电流，a相为非导通相，相对应地q5、q6为电枢电流注入开关管，q1为检测脉冲注入开关管。为了减少开关管的开关损耗，通常对上管进行pwm斩波控制，下管处于常通状态。
[0035]
如图3所示为本发明提供的控制流程图。以当前导通相为a相和c相为例，即a相通正电流，c相通负电流，b相为非导通相，q1采用pwm斩波控制，q2常通，q3采用固定占空比pwm控制为b相注入检测脉冲。电机运行时实时检测三相电流，a相、c相构成电流闭环控制，b相电流响应用于获取换相信号；将b相电流采样值与预先设定的换相阈值比较，判断b相电流响应是否在阈值范围内，如果是则换相为b相、a相导通；否则继续保持当前导通相。
[0036]
如图4所示为本发明提供的反电势及非导通相电流响应的仿真波形。由仿真结果可知非导通相脉冲注入后的电流响应在换相位置附近单调减小，分析其原因在于：以a相和c相导通时，对b相注入检测脉冲为例，当脉冲注入开关管导通时，相当于a相电枢绕组与b相电枢绕组并联，a相电枢绕组的反电势加在b相电枢绕组两端，有
[0037][0038]
其中e
a
为a相绕组反电势，l
b
为b相绕组自感，i
b
为b相电流响应。在换相位置附近a相反电势由正到负，b相电感由不变区到上升区，则b相电流响应值应不断减小。
[0039]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。