基于励磁绕组高频注入的电励磁双凸极电机位置检测方法

1.本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种基于励磁绕组高频注入的电励磁双凸极电机位置检测方法。


背景技术：

2.电励磁双凸极电机的转子由硅钢片堆叠而成，转子上无绕组和永磁体等附加元件，结构坚固可靠，适合高转速运行。此外，电机结构中无永磁体，没有永磁体退磁的风险，相比于永磁式电机能够耐受更高的温升。电励磁双凸极电机的结构特性使得其适合高速、高温升等极端工况运行。但电动运行时需要精确的换相信号，通常需要安装位置传感器，在面临强磁干扰、高温升和强振动的工作环境时，位置传感器成为了整个电机系统中最脆弱的部分；位置传感器的安装也使得电机的整体尺寸和制造成本均有所增加。因此，研究电励磁双凸极电机的无位置传感器控制策略对于进一步提高运行可靠性，发挥其固有的优势，向更多的应用领域推广具有重要意义。
3.目前电励磁双凸极电机无位置传感器控制基本处于换相点检测阶段，连续的转子位置估计还难以实现，且换相点检测阶段的检测结果存在较大误差；另外，现有研究大多集中在中高转速段，全速域运行区间可用方法较少。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明旨在提供基于励磁绕组高频注入的电励磁双凸极电机位置检测方法，能够对转子的初始位置和电动运行时换相点进行精确检测。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种基于励磁绕组高频注入的电励磁双凸极电机位置检测方法，所述检测方法用于对电机转子的初始位置进行检测，具体包括以下步骤：
7.在电机静止且无电枢电流时，仅向电机的励磁绕组高频注入电流或电压信号，并检测三相相电压ua、ub、uc；
8.根据所述三相相电压ua、ub、uc的大小关系，确定相绕组-励磁绕组互感l
af
、l
bf
、l
cf
的大小关系；
9.根据所述相绕组-励磁绕组互感l
af
、l
bf
、l
cf
的大小关系，确定电机转子初始位置区间。
10.作为优选，向电机的励磁绕组高频注入电流或电压信号时，注入的高频信号采用正弦电流或方波电压。
11.作为优选，所述三相相电压、相绕组-励磁绕组互感、以及转子电机转子初始位置区间的具体关系为：
12.若ua＞ub≥uc，则l
af
＞l
bf
≥l
cf
，此时电角度区间为[0,60
°
)，转子位于第一扇区；
[0013]
若ub≥ua＞uc，则l
bf
≥l
af
＞l
cf
，此时电角度区间为[60
°
,120
°
)，转子位于第一扇区；
[0014]
若ub＞uc≥ua，则l
bf
＞l
cf
≥l
af
，此时电角度区间为[120
°
,180
°
)，转子位于第二扇区；
[0015]
若uc≥ub＞ua，则l
cf
≥l
bf
＞l
af
，此时电角度区间为[180
°
,240
°
)，转子位于第二扇区；
[0016]
若uc＞ua≥ub，则l
cf
＞l
af
≥l
bf
，此时电角度区间为[240
°
,300
°
)，转子位于第三扇区；
[0017]
若ua≥uc＞ub，则l
af
≥l
cf
＞l
bf
，此时电角度区间为[300
°
,360
°
)，转子位于第三扇区。
[0018]
作为优选，所述检测方法还用于对电机电动运行时的换相点进行检测，具体包括以下步骤：
[0019]
当电机在电动运行时，在直流励磁电流上叠加定频定幅的电流或电压信号；
[0020]
对非导通相相电压进行带通滤波，滤出与叠加信号同频的响应电压；
[0021]
根据非导通相的响应电压与换相点处阈值电压的大小关系，判断是否达到换相点。
[0022]
作为优选，在直流励磁电流上叠加定频定幅的电流或电压信号时，叠加的信号采用正弦电流或方波电压。
[0023]
作为优选，当在直流励磁绕组中叠加高频信号时，所述励磁绕组由两组并列的线圈组成，其中一组线圈作为励磁线圈，通过所述励磁线圈注入直流励磁电流，另一组线圈作为位置检测辅助线圈，通过所述位置辅助线圈注入高频信号。
[0024]
作为优选，所述阈值电压为一个可根据所注入高频信号的频率和对换相点检测精度要求进行调整的阈值范围，当非导通相的响应电压位于所述阈值范围内时，达到换相点。
[0025]
本发明的有益效果是：
[0026]
本发明能够对电励磁双凸极电机转子的初始位置和电动运行时的换相点进行准确检测；当电机静止且无电枢电流时，通过向励磁绕组注入高频信号，由各相绕组响应电压的大小关系确定电机转子初始位置区间，进而得到正确的初始加速脉冲，实现无反转启动；当电机电动运行时，通过向励磁绕组注入定频定幅的信号，对非导通相相电压进行带通滤波，将与注入的信号同频的响应电压滤出，利用响应电压幅值仅随转子位置变化而变化的特性，通过比较响应电压与换相点处阈值的大小，确定是否到达换相点。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1为本发明基于励磁绕组高频注入的电励磁双凸极电机位置检测方法的原理示意图；
[0029]
图2为本发明一个具体实施例电励磁双凸极电机的平面结构示意图；
[0030]
图3为本发明一个具体实施例励磁绕组注入正弦电流转子位于电角度0
°
位置时相电压波形示意图；
[0031]
图4为本发明一个具体实施例励磁绕组注入正弦电流转子位于电角度50
°
位置时相电压波形示意图；
[0032]
图5为本发明一个具体实施例相绕组-励磁绕组互感曲线示意图；
[0033]
图6为本发明一个具体实施例电动运行时直流励磁电流叠加定频、定幅正弦电流非导通相电压示意图；
[0034]
图7为本发明一个具体实施例空载反电势谐波分析结果示意图；
[0035]
图8为本发明一个具体实施例非导通相正弦响应电压与相绕组-励磁绕组互感对应关系示意图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
[0037]
如图1所示，本发明提供一种基于励磁绕组高频注入的电励磁双凸极电机位置检测方法，所述检测方法用于对电机转子的初始位置进行检测，具体包括以下步骤：
[0038]
s1：在电机静止且无电枢电流时，仅向电机的励磁绕组高频注入电流或电压信号，并检测三相相电压ua、ub、uc；
[0039]
在一个具体的实施例中，向电机的励磁绕组高频注入电流或电压信号时，注入的高频信号采用正弦电流或方波电压。需要说明的是，上述两种高频信号仅为本发明优选的两种信号，只要注入的信号在电枢绕组侧感应出的三相电压ua、ub、uc的大小关系与转子位置存在对应关系皆可。另外，高频注入为现有技术，注入信号的频率和幅值确定的原则是应不对电机正常电动运行产生过大的影响以及兼顾不影响位置检测精度，本领域技术人员可以根据待检测电机的具体参数和检测条件进行自行确定，具体在此不再赘述。
[0040]
s2：根据所述三相相电压ua、ub、uc的大小关系，确定相绕组-励磁绕组互感l
af
、l
bf
、l
cf
的大小关系；
[0041]
s3：根据所述相绕组-励磁绕组互感l
af
、l
bf
、l
cf
的大小关系，确定电机转子初始位置区间；
[0042]
步骤s2和步骤s3中，所述三相相电压、相绕组-励磁绕组互感、以及转子电机转子初始位置区间的具体关系为：
[0043]
若ua＞ub≥uc，则l
af
＞l
bf
≥l
cf
，此时电角度区间为[0,60
°
)，转子位于第一扇区；
[0044]
若ub≥ua＞uc，则l
bf
≥l
af
＞l
cf
，此时电角度区间为[60
°
,120
°
)，转子位于第一扇区；
[0045]
若ub＞uc≥ua，则l
bf
＞l
cf
≥l
af
，此时电角度区间为[120
°
,180
°
)，转子位于第二扇区；
[0046]
若uc≥ub＞ua，则l
cf
≥l
bf
＞l
af
，此时电角度区间为[180
°
,240
°
)，转子位于第二扇区；
[0047]
若uc＞ua≥ub，则l
cf
＞l
af
≥l
bf
，此时电角度区间为[240
°
,300
°
)，转子位于第三扇
区；
[0048]
若ua≥uc＞ub，则l
af
≥l
cf
＞l
bf
，此时电角度区间为[300
°
,360
°
)，转子位于第三扇区。
[0049]
当转子静止且无电枢电流时，相电压的表达式如下所示：
[0050][0051]
式中：u
p
为三相相电压；l
pf
为相绕组-励磁绕组互感；if为注入高频信号在励磁绕组中产生的电流；t为时间。
[0052]
本发明通过向励磁绕组高频注入电流，通过式(1)可知，三相相电压u
p
的幅值大小关系仅与相绕组-励磁绕组互感l
pf
相关，由于三相相电压同相位，仅过零点处相等，因此，可以同时采样三相绕组相电压，对比其大小关系获得三相相绕组-励磁绕组互感大小关系，进而得到转子所处扇区。此方法可以解决现有技术在空载或轻载工况下转子易发生转动，可能造成反转，以及位置检测不准的技术问题。
[0053]
在一个具体的实施例中，本发明所述检测方法还用于对电机电动运行时的换相点进行检测，具体包括以下步骤：
[0054]
s1'：当电机在电动运行时，在直流励磁电流上叠加定频定幅的电流或电压信号；
[0055]
在一个具体的实施例中，在直流励磁电流上叠加定频定幅的电流或电压信号时，叠加的信号采用正弦电流或方波电压。需要说明的是，上述两种信号仅为本发明优选的两种信号，只要注入的信号在电枢绕组侧感应出的非导通相相电压存在与换相点位置存在相对应的特征关系皆可。另外，叠加信号的频率和幅值本领域技术人员可以根据待检测电机的具体参数计算得到，具体在此不再赘述。
[0056]
s2'：对非导通相相电压进行带通滤波，滤出与叠加信号同频的响应电压；
[0057]
s3'：根据非导通相的响应电压与换相点处阈值电压的大小关系，判断是否达到换相点。
[0058]
在一个具体的实施例中，所述阈值电压为一个可根据所注入高频信号的频率和对换相点检测精度要求进行调整的阈值范围，当非导通相的响应电压位于所述阈值范围内时，达到换相点。需要说明的是，所述阈值电压本领域技术人员可以根据待检测电机在有限元仿真软件中计算当注入位置检测信号时换相点处非导通相的响应电压进行确定，具体在此不再赘述。
[0059]
当电机电动运行时，非导通相电压如下所示：
[0060][0061]
式中：u
p
为三相相电压；l
pf
为相绕组-励磁绕组互感。
[0062]
本发明通过在直流励磁电流上叠加定频定幅信号，使用中心频率与注入信号同频的带通滤波器将响应电压滤出，即将式(2)右侧第二项反电势部分滤除。如此，处于非导通区间的l
pf
仅随转子位置变化而变化，不受励磁电流和电枢电流的影响，由相电压表达式可知，非导通相的响应电压幅值与l
pf
相对应，而l
pf
与转子位置相对应。通过非导通相响应电压与换相点处阈值电压比较即可判断出是否到达换相点。
[0063]
本发明采用非导通相而非导通相是因为：导通相存在电枢电流且有磁饱和影响，响应电压难以滤出，而非导通相无磁饱和影响且无电枢电流，仅需滤除反电势即可。
[0064]
在一个具体的实施例中，步骤s1'中，当在直流励磁绕组中叠加高频信号时，如图2所示，所述励磁绕组由两组并列的线圈组成，其中一组线圈作为励磁线圈，通过所述励磁线圈注入直流励磁电流，另一组线圈作为位置检测辅助线圈，通过所述位置辅助线圈注入高频信号。如此能够降低定幅注入高频信号的难度，解决实际系统中注入高频信号实现定幅值难度较大的技术问题。
[0065]
以a相为例，励磁绕组分为并列放置的励磁线圈和位置检测辅助线圈后，相电压表达式如下所示：
[0066][0067]
式中：ra为a相绕组内阻；ia为a相电枢电流；la为a相绕组自感；l
ab
为a相绕组与b相绕组之间的互感；ib为b相电枢电流；l
ac
为a相绕组与c相绕组之间的互感；ic为c相电枢电流；l
ap
为相绕组之间与位置检测辅助线圈的互感；i
p
为注入高频信号在辅助绕组中产生的电流；ω为电机机械角速度；θ为电机转子的机械位置角。
[0068]
经带通滤波器滤波后的正弦响应电压如下所示：
[0069][0070]
对比式(4)与式(2)可知，将励磁绕组分为并列放置的励磁线圈和位置检测辅助线圈后，只需将相绕组-励磁绕组互感替换为相绕组-位置检测辅助绕组互感即可，方法原理不变，原有分析结果不变。
[0071]
实施例1
[0072]
采用本发明所述基于励磁绕组高频注入的电励磁双凸极电机位置检测方法，对电机转子的初始位置进行检测。
[0073]
在本实施例中，向电机的励磁绕组注入高频信号时，采用的信号为正弦电流。励磁绕组注入电流转子位于电角度0
°
位置时相电压波形如图3所示，励磁绕组注入电流转子位于电角度50
°
位置时相电压波形如图4所示，相绕组-励磁绕组互感曲线如图5所示。
[0074]
实施例2
[0075]
采用本发明所述基于励磁绕组高频注入的电励磁双凸极电机位置检测方法，对电动运行时的换相点进行检测。
[0076]
在本实施例中，在直流励磁电流上叠加定频定幅的信号时，采用的信号为正弦电流。电动运行时直流励磁电流叠加定频定幅正弦电流的非导通相电压如图6所示。对反电势进行谐波分析，结果如图7所示，从图7可以看出，反电势基波分量占主要部分，十倍频谐波几乎衰减为零。当注入正弦电流频率与反电势基波及高次谐波频率相距甚远时，利用带通
滤波器可以将相绕组正弦响应电压滤出；处于非导通区间时相绕组-励磁绕组互感不随电枢电流、励磁电流变化。非导通相正弦响应电压与相绕组-励磁绕组互感对应关系如图8所示，由式(2)可知当注入正弦电流定幅、定频且将反电势滤除时，正弦响应电压幅值仅与相绕组-励磁绕组互感相关，当正弦响应电压值达到换相点处阈值时可判断到达换相点。阈值电压可通过离线方式转子位于换相点时注入定频、定幅正弦电流获取。
[0077]
另外，为了避免前一换相完成后紧接着进行相电压检测造成换相点检测误判，延时转过约60
°
电角度所需时间后，再进入有效电压采样区间进行换相点检测。
[0078]
综上所述，本发明通过励磁绕组注入高频信号而非电枢绕组注入，能够对转子初始位置和电动运行时的换相点进行精确检测，与现有技术相比，能实现电励磁双凸极电机全速域无位置传感器运行，具有显著的进步。
[0079]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。