一種基于串聯(lián)電感坐標(biāo)變換的三相電勵磁雙凸極電機(jī)初始位置估計法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種基于串聯(lián)電感坐標(biāo)變換的三相電勵磁雙凸極電機(jī)初始位置估計無位置傳感器技術(shù)，本發(fā)明根據(jù)三相電勵磁雙凸極電機(jī)兩相電樞繞組同時導(dǎo)通的特點(diǎn)，通過仿真或者實(shí)驗(yàn)測得電機(jī)兩兩串聯(lián)電樞繞組自感的波形，利用波形的對稱性在三相X-Y-Z坐標(biāo)系中進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)α電角度的坐標(biāo)變換以及矢量運(yùn)算，得到近似于正弦的兩兩串聯(lián)電感波形并獲取轉(zhuǎn)子位置信息。該方法克服傳統(tǒng)的各種初始位置判斷無位置法無法精確獲取轉(zhuǎn)子具體角度，算法復(fù)雜等弊端，得到一種簡便容易實(shí)現(xiàn)的無位置傳感器控制策略，為電勵磁雙凸極電機(jī)靈活變換提前角度的可靠起動奠定了基礎(chǔ)。
【專利說明】—種基于串聯(lián)電感坐標(biāo)變換的三相電勵磁雙凸極電機(jī)初始位置估計法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電勵磁雙凸極電機(jī)無位置傳感器控制方法，屬于電勵磁雙凸極電機(jī)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]無位置傳感器技術(shù)作為一種新穎的電機(jī)控制技術(shù)而被廣泛應(yīng)用于航空航天，工業(yè)信息等各個領(lǐng)域的研究中。它能夠提高電機(jī)系統(tǒng)的集成度，增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性、抗干擾性、可靠性，為電機(jī)在高溫、強(qiáng)磁場等位置傳感器容易受到干擾的場合的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在起動階段，對電機(jī)進(jìn)行無位置控制時，轉(zhuǎn)子初始位置的檢測精度直接決定電機(jī)能否正常起動以及平穩(wěn)運(yùn)行。
[0003]電勵磁雙凸極電機(jī)結(jié)合了永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)子上沒有繞組和永磁體，結(jié)構(gòu)簡單，同時定子上用勵磁繞組代替永磁體建立主磁場，勵磁調(diào)節(jié)電壓容易。
[0004]然而，目前還很少有文獻(xiàn)對電勵磁雙凸極電機(jī)的初始位置檢測技術(shù)進(jìn)行研究。僅有文獻(xiàn)針對永磁雙凸極電機(jī)提出了靜止時分別給不同串聯(lián)定子繞組兩兩組合施加一個相同時間，相等幅值的脈沖電壓，通過電流響應(yīng)計算出等效電感判斷出轉(zhuǎn)子初始位置。而永磁雙凸極電機(jī)與電勵磁雙凸極電機(jī)的磁鏈和電感特性并不相同，脈沖注入的時間也不相同，故文獻(xiàn)中所述的方法不適用于電勵磁雙凸極電機(jī)中。考慮到電勵磁雙凸極電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似，兩者的數(shù)學(xué)模型也較為接近，因而對開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置檢測技術(shù)的研究具有借鑒價值。
[0005]國內(nèi)外學(xué)者對開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置檢測展開了大量的研究，有文獻(xiàn)對于開關(guān)磁阻電機(jī)提出了對任意一相通一段時間電流，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到一個特定的位置的方法。這種方法定位準(zhǔn)確，但是某些特定的場合不希望轉(zhuǎn)子初始定位時發(fā)生旋轉(zhuǎn)，適用性不強(qiáng)。也有文獻(xiàn)提出利用復(fù)雜磁鏈數(shù)據(jù)表格查表來判斷開關(guān)磁阻電機(jī)靜止時的轉(zhuǎn)子初始位置，該方法準(zhǔn)確性低，針對每個電機(jī)都必須先獲取磁鏈數(shù)據(jù)。除了以上兩種方法外，注入脈沖法的研究最為廣泛。高頻脈沖注入法無需外加激勵源，而直接利用功率變換器給非導(dǎo)通相注入高頻檢測脈沖。注入脈沖法主要包括以下五類:
[0006]I)相電流大小比較法，該方法同時給各相注入短時脈沖，根據(jù)繞組自感與響應(yīng)電流的反比關(guān)系，比較電流大小判斷轉(zhuǎn)子所處位置區(qū)域。
[0007]2)相電流峰值檢測法，這種方法需要建立轉(zhuǎn)子位置與電流峰值的三次樣條數(shù)學(xué)模型，通過檢測不同位置的電流峰值來判斷轉(zhuǎn)子位置，處理過程較為復(fù)雜，可移植性差。
[0008]3)電感矢量法，該方法通過計算相電流的上升和下降斜率差值來估計相電感，間接消除了運(yùn)動反電勢的影響，但是需要判斷對電流斜率做出精確計算。
[0009]4)電流閾值檢測法，該方法可以通過設(shè)置不同的電流閾值來實(shí)現(xiàn)開通關(guān)斷角的可調(diào)，從而滿足負(fù)載起動要求，但不適用于初始位置的判斷，也有文獻(xiàn)在此基礎(chǔ)上提出了非導(dǎo)通相電感雙閾值法。該方法無需復(fù)雜的計算和存儲，通用性強(qiáng)，但是電感閾值的選取需要事先設(shè)置，且要考慮誤差影響。
[0010]5)自舉電路法，該方法通過給自舉電路的電容充電，通過測量自舉電路中電容充電到達(dá)最大電流的時間來計算相電感，進(jìn)而判斷轉(zhuǎn)子位置。
[0011]以上的方法都可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置的檢測，但是都只能檢測到轉(zhuǎn)子的區(qū)域，不能精確到某一個具體位置的機(jī)械角度，在需要變提前角度起動場合的應(yīng)用就受到了限制。且電勵磁雙凸極電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)的主驅(qū)動電路拓?fù)洳煌?，電勵磁雙凸極電機(jī)同一時刻有兩相繞組串聯(lián)導(dǎo)通，相與相之間存在耦合，因此本專利提出一種利用串聯(lián)相電感坐標(biāo)變換的方法來精確檢測電勵磁雙凸極電機(jī)的初始位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明在傳統(tǒng)脈沖注入法基礎(chǔ)上，結(jié)合電勵磁雙凸極電機(jī)的電感特性，提出了一種新穎的基于串聯(lián)電感坐標(biāo)變換法的三相電勵磁雙凸極電機(jī)初始位置估計法，該方法需要解決的問題是:克服傳統(tǒng)的各種初始位置判斷無位置法無法精確獲取轉(zhuǎn)子具體角度，可移植性差等弊端，得到一種簡便容易實(shí)現(xiàn)的無位置傳感器控制策略，為電勵磁雙凸極電機(jī)各種提前角度的可靠起動奠定了基礎(chǔ)。
[0013]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述解決方案，采用如下技術(shù)策略:
[0014]I)利用有限元軟件建立精確的三相電勵磁雙凸極電機(jī)的模型或通過實(shí)際電機(jī)實(shí)驗(yàn)，在不加勵磁電流情況下，仿真或?qū)崪y得到三相電樞繞組兩兩串聯(lián)自感之和:(La+Lb)，(Lb+Lc), (Lc+La)；
[0015]2)將步驟I)中得到的二個組合電感(La+Lb), (L+L。)，(Lc+La)看做互差120°電角度的矢量，矢量的模為它們在不同轉(zhuǎn)子位置的幅值，各組合電感矢量分布在X-Y-Z坐標(biāo)系中;
[0016]3)將步驟2)中的X-Y-Z坐標(biāo)系逆時針旋轉(zhuǎn)a電角度得到新的坐標(biāo)系x-y_z，對新的坐標(biāo)系中三個組合電感矢量分析可知直流分量和3的倍數(shù)諧波分量都被濾除了 ；
[0017]4)對步驟3)中x-y-z坐標(biāo)系中的三個組合電感矢量的平方求和，并對x-y-z坐標(biāo)系中的三個組合電感矢量的平方之和開2次根號，然后對開2次根號的值乘以一個系數(shù)得到一個常數(shù)值K，再用x-y-z坐標(biāo)系中的三個組合電感矢量分別除以K即可得到新的組合電感矢量波形；
[0018]5)步驟4)中新的組合電感矢量幅值大于0部分的諧波含量很少，更加接近于正弦波，三個新的組合電感矢量可以表示為正弦函數(shù)的形式；
[0019]6)對4)中新的組合電感矢量進(jìn)行matlab仿真可得5)中正弦函數(shù)的幅值和相位；
[0020]7)通過步驟1)、2)、3)、4)中組合電感值的變化關(guān)系，以及步驟6)中正弦函數(shù)的幅值和相位，還有機(jī)械角度和弧度之間的關(guān)系，可以確定轉(zhuǎn)子具體的機(jī)械角度信息；
[0021]8)分別對三相電勵磁雙凸極電機(jī)的A相上橋臂S1和B相下橋臂S6，B相上橋臂S3和C相下橋臂S2，C相上橋臂S5和A相下橋臂S4進(jìn)行高頻開關(guān)，通過計算得到靜止時電機(jī)三個組合電感值(La+Lb)，(Lb+L。)，(LJLa),并代入步驟7)中計算出此時電機(jī)轉(zhuǎn)子具體機(jī)械角度值；
[0022]根據(jù)以上步驟可以完成三相電勵磁雙凸極電機(jī)的初始轉(zhuǎn)子位置判斷，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的精確定位，滿足電機(jī)起動時優(yōu)化開通提前角控制，算法簡單，實(shí)現(xiàn)方便，具有良好的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是基于串聯(lián)電感坐標(biāo)變換的三相電勵磁雙凸極電機(jī)初始位置估計法的流程圖；
[0024]圖2是三相電樞繞組兩兩串聯(lián)自感之和仿真數(shù)據(jù)波形；
[0025]圖3是三相電樞繞組兩兩串聯(lián)自感組合矢量及旋轉(zhuǎn)變換原理圖；
[0026]圖4是經(jīng)過/3電角度旋轉(zhuǎn)后的三相電樞繞組兩兩串聯(lián)自感之和仿真數(shù)據(jù)波形；
[0027]圖5是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的三相電樞繞組兩兩串聯(lián)自感之和矢量運(yùn)算后的仿真波形；
[0028]圖6是三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)二維結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖7是三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路圖。
[0030]圖6和圖7中的主要符號名稱:(l)A、B、C—12/8電勵磁雙凸極電機(jī)的三相電樞繞組；(2) S:、S2, S3、S4、S5、S6-三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路的開關(guān)管；(3) DpD2、D3、D4、D5、D6-與三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路開關(guān)管并聯(lián)的二極管；(4)Udc-三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路的直流端電壓源；(5) C1-三相12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路的直流端電容；(6)La, Lb、Lc-12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路三相電樞繞組；(7)N—12/8結(jié)構(gòu)電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動電路三相電樞繞組的中性點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
``[0031]本發(fā)明通過相電感組合矢量變換后的近似正弦波形來精確檢測電勵磁雙凸極電機(jī)的初始轉(zhuǎn)子位置機(jī)械角度，確保實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)化角度的起動控制策略。
[0032]下面結(jié)合附圖對發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0033]圖1是基于電感組合坐標(biāo)變換的三相電勵磁雙凸極電機(jī)初始位置估計法的流程圖。主要分為七個步驟:
[0034]1、利用有限元軟件建立精確的三相電勵磁雙凸極電機(jī)的模型進(jìn)行仿真或通過實(shí)際電機(jī)實(shí)驗(yàn)測量，在不加勵磁電流情況下，得到三相電樞繞組兩兩串聯(lián)之和的數(shù)據(jù)波形:(La+Lb), (Lb+Lc), (Lc+La),如圖 2 所不。
[0035]2、從圖2可知,得到的二個組合電感值(La+Lb), (Lb+Lc), (Lc+La)是互差120°電角度的矢量，矢量的模為它們在不同轉(zhuǎn)子位置的幅值，各組合電感矢量分布在X-Y-Z坐標(biāo)系中，如圖3所示。三個組合電感都是偶對稱，因此可以擬合成余弦級數(shù)為
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種基于電感組合坐標(biāo)變換的三相電勵磁雙凸極電機(jī)初始位置估計無位置傳感器技術(shù)，其特征包括以下步驟: 1)利用有限元軟件建立精確的三相電勵磁雙凸極電機(jī)的模型或通過實(shí)際電機(jī)實(shí)驗(yàn)，在不加勵磁電流情況下，仿真或?qū)崪y得到三相電樞繞組兩兩串聯(lián)自感之和:(La+Lb)，(Lb+Lc),(Lc+La)； 2)將步驟I)中得到的三個組合電感(La+Lb)，(Lb+L。)，(Lc+La)看做互差120°電角度的矢量，矢量的模為它們在不同轉(zhuǎn)子位置的幅值，各組合電感矢量分布在X-Y-Z坐標(biāo)系中； 3)將步驟2)中的X-Y-Z坐標(biāo)系逆時針旋轉(zhuǎn)a電角度得到新的坐標(biāo)系x-y-z，對新的坐標(biāo)系中三個組合電感矢量分析可知直流分量和3的倍數(shù)諧波分量都被濾除了 ； 4)對步驟3)中x-y-z坐標(biāo)系中的三個組合電感矢量的平方求和，并對x-y-z坐標(biāo)系中的三個組合電感矢量的平方之和開2次根號，然后對開2次根號的值乘以一個系數(shù)得到一個常數(shù)值K，再用x-y-z坐標(biāo)系中的三個組合電感矢量分別除以K即可得到新的組合電感矢量波形； 5)步驟4)中新的組合電感矢量諧波含量很少，更加接近于正弦波，三個新的組合電感矢量可以表示為正弦函數(shù)的形式； 6)對4)中新的組合電感矢量進(jìn)行matlab仿真可得5)中正弦函數(shù)的幅值和相位； 7)通過步驟1)、2)、3)、4)中組合電感值的變化關(guān)系，以及步驟6)中正弦函數(shù)的幅值和相位，還有機(jī)械角度和弧度之間的關(guān)系，可以確定轉(zhuǎn)子具體的機(jī)械角度信息； 8)分別對三相電勵磁雙凸極電機(jī)的A相上橋臂S1和B相下橋臂S6，B相上橋臂S3和C相下橋臂S2，C相上橋臂S5和A相下橋臂S4進(jìn)行高頻開關(guān)，通過計算得到靜止時電機(jī)三個組合電感值(La+Lb)，(Lb+L。)，(LJLa),并代入步驟7)中計算出此時電機(jī)轉(zhuǎn)子具體機(jī)械角度值； 根據(jù)以上步驟可以完成三相電勵磁雙凸極電機(jī)的初始轉(zhuǎn)子位置判斷，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的精確定位，滿足電機(jī)起動時優(yōu)化開通提前角度控制。
【文檔編號】H02P21/14GK103595329SQ201310606446
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】趙耀, 王慧貞, 劉偉峰, 王永杰, 鄒云飛 申請人:南京航空航天大學(xué)