專(zhuān)利名稱(chēng)：雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法，屬特種電機(jī)數(shù)字控制方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于雙凸極電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(DSM)而言，實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息是其可靠運(yùn)行的必要前提。目前雙凸極電機(jī)系統(tǒng)中，一般采用軸位置傳感器(見(jiàn)圖1)或者其它類(lèi)型的探測(cè)式位置檢測(cè)器來(lái)獲得位置信息(見(jiàn)圖2)，這不僅會(huì)增大體積，提高系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，更重要的是會(huì)降低DSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，并且維修困難，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，尤其限制了其在環(huán)境較惡劣場(chǎng)合的應(yīng)用。因此如何讓它去掉位置檢測(cè)器，直接利用電機(jī)的電壓和電流信息間接確定轉(zhuǎn)子位置，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，運(yùn)行更加可靠、高效，成本更加低廉，無(wú)疑是一個(gè)很有潛力的研究方向。
迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)這一領(lǐng)域的研究尚屬起步階段，研究對(duì)象多集中于電機(jī)結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器。其研究的思路有兩種(1)脈沖注入定位法利用空閑相，人為地注入低幅高頻的模擬測(cè)試信號(hào)從而產(chǎn)生需要的電流等信息以得到位置信息。脈沖注入法的算法盡管相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但基于高頻脈沖的輸入使其不免有著內(nèi)在固有的速度限制，而且測(cè)試電流可能帶來(lái)負(fù)轉(zhuǎn)矩，其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)出力和效率的影響也是很大的不足；(2)反電勢(shì)法通過(guò)檢測(cè)端電壓的過(guò)零點(diǎn)，得到電機(jī)的位置信號(hào)。但是這種方法需要輔助起動(dòng)設(shè)施，需要進(jìn)行相位補(bǔ)償，還存在計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)速電流限幅的匹配問(wèn)題。因?yàn)檫@些缺點(diǎn)的存在，最后以上的方法都沒(méi)有能夠很好地實(shí)現(xiàn)。
如何實(shí)時(shí)精確獲得轉(zhuǎn)子位置角度信息一直是雙凸極無(wú)位置傳感器技術(shù)的難題。國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有有效的雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種直接利用電機(jī)的電樞電流和電壓信息間接地確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)位置傳感器(見(jiàn)圖3)，達(dá)到電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、堅(jiān)固、效率高、成本低的新型雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器的控制方法。
本發(fā)明的雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法，直接利用電機(jī)的電樞電流和電壓信息間接確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器的運(yùn)行。具體方法包括1.通過(guò)實(shí)測(cè)電機(jī)的電樞電流和電壓，求得在不同電流下隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置變化的電感值；2.將同一電流下電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角作為自變量，電感值作為因變量，通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行曲線擬合，繪制出同一電流下電感值隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度變化的曲線；3.利用MATLAB軟件中的polyfit函數(shù)實(shí)現(xiàn)電感曲線的多項(xiàng)式擬合，以得到電感值隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度變化的多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá)式
Lp(θ)＝a0*θ5+a1*θ4+a2*θ3+a3*θ2+a4*θ+a5；4.擬合出不同電流下電感值隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度變化的曲線族；5.利用電感曲線最小值在不同電流下幾乎不變的特點(diǎn)，用電流為0時(shí)的電感擬合多項(xiàng)式減去電感的最小值后乘以與電流有關(guān)的比值函數(shù)(f(i))，再加上這個(gè)電感最小值，構(gòu)造電感值隨電流和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度變化的三維函數(shù)Lp(θ，i)＝(a0*θ5+a1*θ4+a2*θ3+a3*θ2+a4*θ+a5-L0min)*f(i)+L0min；6.利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或單片機(jī)芯片將采樣到的電流電壓信息進(jìn)行處理得到參考電感值的大小，再把所得參考電感值與第5條所述的函數(shù)值作比較，確定不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置信息；7.根據(jù)雙凸極電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，不同的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息對(duì)應(yīng)于不同的電感區(qū)間，在電感上升區(qū)相繞組通入正電流，在電感下降區(qū)相繞組通入負(fù)電流，實(shí)現(xiàn)雙凸極電機(jī)的無(wú)位置傳感器的運(yùn)行。
本發(fā)明的雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法，不需要人為地注入低幅高頻的模擬測(cè)試信號(hào)，也不存在相位補(bǔ)償，以及電流轉(zhuǎn)速匹配的問(wèn)題，而是直接以電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流電壓信息為基礎(chǔ)，根據(jù)電機(jī)的三維電感曲線反演求出位置信息，利用DSP或單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)間接位置檢測(cè)，可使雙凸極電機(jī)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單體積更小結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固運(yùn)行可靠效率高等優(yōu)點(diǎn)，此方法對(duì)無(wú)位置傳感器雙凸極電機(jī)的應(yīng)用有較大的實(shí)用價(jià)值。


圖1是采用軸位置傳感器的雙凸極電機(jī)截面圖。
圖2是采用軸位置傳感器獲得的三相位置信號(hào)示意圖。
圖3是本發(fā)明的無(wú)位置傳感器雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是計(jì)算機(jī)采樣電流電壓示意圖。圖4中符號(hào)名稱(chēng)U——電壓，i——電流，T——周期，k——周期數(shù)圖5是電感曲線族(電流范圍±50A)。
圖6是多個(gè)電感周期下電感曲線族。
圖7是近似電感曲線族。
圖8是電感最大值比擬合曲線。
圖9是相繞組自感的三維曲面圖。
圖10是電感曲面中取出的電感曲線的誤差示意圖。
圖11是電流范圍為±200A時(shí)由構(gòu)造的三維函數(shù)得到的電感曲面圖。
圖12是電機(jī)轉(zhuǎn)子位置獲取的計(jì)算機(jī)流程圖。
圖13是電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器運(yùn)行機(jī)理圖。
具體實(shí)施例方式
1實(shí)際電感值估算1.1磁鏈估算以一臺(tái)12/8極電磁式雙凸極電機(jī)為例，本專(zhuān)利技術(shù)首先利用電機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)測(cè)電壓和電流來(lái)估算磁鏈值。
雙凸極電機(jī)一相電壓方程為u=ir+dψdt---(1)]]>由式(1)解出一相繞組磁鏈表達(dá)式ψ=∫0t(u-ir)dt+ψ(0)---(2)]]>如果已知從時(shí)刻0到時(shí)刻t間每一時(shí)刻的電壓和電流值i以及時(shí)刻0時(shí)的初始磁鏈ψ(0)，就可以積分計(jì)算出繞組當(dāng)前時(shí)刻的實(shí)際磁鏈。對(duì)(2)式進(jìn)行離散得到ψj=ψ(0)+Σk=0N[u(k)-ij(k)r(k)]·T]]>⇒ψj(N)=ψj(N-1)+[u(N)-ij(N)r(N)]·T---(3)]]>式中，T為離散積分磁鏈的計(jì)算周期，u(k)、i(k)、r(k)均為第k個(gè)離散周期內(nèi)繞組的電壓、電流和電阻值。由式(3)可知1個(gè)周期T中磁鏈的變化量Δψ為Δψ＝[u(N)-i(N)r(N)]T(4)對(duì)電流采用PWM控制，且PWM斬波周期采樣周期和磁鏈估算的離散周期T相同且保持同步，因而電源電壓和繞組電流在第k個(gè)周期內(nèi)的離散值就是該采用周期內(nèi)的采樣值Ud(k)、i(k)。若當(dāng)前斬波周期的占空比為α，則如圖4所示在第k個(gè)周期T里繞組電流不變?yōu)閕(k)，繞組電壓在開(kāi)通時(shí)段αT內(nèi)為電壓電壓Ud(k)，在零電壓續(xù)流斬波時(shí)段(1-α)T內(nèi)繞組電壓為零，假設(shè)繞組電阻為常數(shù)r，且不隨時(shí)間變化，則在第k個(gè)周期內(nèi)的磁鏈增量為Δψ(k)＝[Ud(k)-i(k)r]α(k)T+
[1-α(k)]T(5)＝[Ud(k)α(k)-i(k)r]T令Δψ1(k)＝Ud(k)α(k)T，Δψ2(k)＝i(k)rT得Δψ(k)＝Δψ1(k)-Δψ2(k) (6)分別算出Δψ1(k)和Δψ2(k)兩項(xiàng)，再代入式(6)得到第k個(gè)離散周期T內(nèi)的磁鏈增量，最后得到t＝kT時(shí)電機(jī)當(dāng)前導(dǎo)通相的磁鏈估算值，如式(7)所示ψ(k)＝ψ(k-1)+Δψ(k) (7)當(dāng)?shù)竭_(dá)最后一個(gè)采樣周期(k＝N)，可利用單片機(jī)或DSP記錄下磁鏈隨角度變化的離散數(shù)據(jù)值。不斷提高測(cè)試電壓，得到不斷提高的穩(wěn)態(tài)測(cè)試電流，進(jìn)而可以得到磁鏈ψ隨角度θ和電流i變化而變化的離散數(shù)據(jù)值。
1.2電感估算由磁鏈—電感公式ψ＝Li (8)變形可得L＝ψ/i (9)因此，在獲得磁鏈的離散數(shù)據(jù)值之后，由(9)可以得到電感隨位置角度和電流變化的離散數(shù)據(jù)值表。
2單條非線性電感曲線擬合的實(shí)現(xiàn)方法由估算出的電感值數(shù)據(jù)表，選擇樣條插值的方法對(duì)電感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。先將同一電流下轉(zhuǎn)子位置角作為自變量，電感值作為應(yīng)變量，經(jīng)過(guò)曲線擬合得到同一電流下電感值隨轉(zhuǎn)子位置角度變化的曲線。利用樣條插值的方法得到不同電流值下電感值的擬合曲線族(電流分別取-50、-40、-30、-20、-10、0、10、20、30、40、50A)，見(jiàn)圖5所示。最后在樣條插值的基礎(chǔ)上，利用MATLAB軟件的polyfit函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)電感曲線的多項(xiàng)式擬合。選擇5次擬合后的結(jié)果Lp(θ)＝a0*θ5+a1*θ4+a2*θ3+a3*θ2+a4*θ+a5(10)其中，Lp(θ)表示相繞組自感，θ表示轉(zhuǎn)子位置，a0……a5為擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。(10)式即為電感隨轉(zhuǎn)子位置角度變化的函數(shù)。
3構(gòu)造函數(shù)原理介紹本專(zhuān)利在對(duì)電感擬合曲線進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，利用電感曲線最小值幾乎不變的特點(diǎn)，把電流與位置角度以及電感的關(guān)系用數(shù)學(xué)的方法聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)造出電感隨角度位置以及電流變化的高次函數(shù)。
由式(10)可以得到電感隨角度變化的函數(shù)關(guān)系式，同時(shí)得到電感曲線(電流從-50A到+50A)，從時(shí)間軸上選取多個(gè)電感值周期，見(jiàn)圖6。這一系列的電感曲線可以近似抽象地看做是若干個(gè)等腰梯形連接而成的，見(jiàn)圖7(d)。選取圖7(d)曲線族中任意一條曲線(如圖7(a)所示)，把它向下平移，使曲線的最小值與X軸重合，可以得到如圖7(b)所示的曲線。這條曲線的表達(dá)式乘以一系列的常數(shù)就可以得到形如圖7(c)所示的曲線族。圖7(c)再向上平移就可以得到形如圖7(d)的曲線族。
因此只要知道電感曲線族中任意一條曲線的函數(shù)表達(dá)式，把它減去電感最小值，再乘以一系列系數(shù)，最后在加上電感最小值就可以近似得到形如圖6的曲線族。并且由圖7(c)可以看出當(dāng)電流均勻變化時(shí)，每條電感曲線之間近似存在一定的比值關(guān)系，且這個(gè)比值關(guān)系主要由電感的最大值決定。這就是利用圖形特點(diǎn)構(gòu)造三維函數(shù)的原理基礎(chǔ)。
4電感最大值比曲線擬合由于雙凸極電機(jī)相繞組通入正電流和負(fù)電流對(duì)電感的影響不一樣，一個(gè)起增磁作用，另一個(gè)起去磁作用，因此正負(fù)電流對(duì)于電感的影響應(yīng)該分別考慮。本文選擇電流為0時(shí)的電感最大值減去電感最小值后的值作為基準(zhǔn)，用其它電流情況下電感曲線的最大值減去最小值后的值與之比較，得到一系列的比值pn，見(jiàn)式(11)pn＝(Lnmax-Lmin)/(L0max-Lmin) (11)其中，pn表示不同電流下電感最大值減去電感最小值后的比值，Lnmax表示不同電流下電感的最大值，Lmin表示電感最小值(電感最小值在不同電流下幾乎不變)，L0max表示電流為0時(shí)電感的最大值，n＝1，2，3……。這一系列比值可以擬合成一條曲線(見(jiàn)圖8)，這條連續(xù)的曲線反應(yīng)了不同電流下電感曲線之間近似的比值變化關(guān)系。由MATLAB的曲線擬合函數(shù)可以得到上圖中曲線的表達(dá)式f(i)＝-0.0035i+1.0005(12)5.構(gòu)造三維電感函數(shù)用電流為0時(shí)的電感擬合多項(xiàng)式(10)減去電感的最小值后乘以式(12)，再加上這個(gè)電流最小值，可以近似構(gòu)造出的電感隨電流和位置角度變化的連續(xù)函數(shù)Lp(θ，i)＝(a0*θ5+a1*θ4+a2*θ3+a3*θ2+a4*θ+a5-L0min)*f(i))+L0min(13)其中，L0min為電樞電流為0時(shí)的電感曲線最小值。由式(13)可以得到電感隨電流和角度變化的三維曲面，如圖9所示(電流范圍-50A～50A)。
把估算電感值與構(gòu)造的三維函數(shù)所得電感曲線進(jìn)行比較，見(jiàn)圖10。平滑曲線表示的是由構(gòu)造的函數(shù)所得的電感曲線族(電流范圍±50A)，“*”表示的是估算電感值。由圖10可以看出構(gòu)造函數(shù)法所得電感值與實(shí)際估算電感值非常接近，曲線甚至幾乎重合，誤差與實(shí)際估算值相比很小，說(shuō)明該模型有較高的精確性，能夠較好地反映實(shí)際電感的變化。本專(zhuān)利技術(shù)方案中構(gòu)造的三維函數(shù)在電感最大值與電感最小值附近的精度最高，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(只包含加法和乘法運(yùn)算)，編程簡(jiǎn)單，因此非常合適用來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置角度，實(shí)現(xiàn)無(wú)位置檢測(cè)。當(dāng)電流范圍再擴(kuò)大，如擴(kuò)大到±200A，構(gòu)造函數(shù)得到的電感三維曲面圖見(jiàn)圖11。
6轉(zhuǎn)子位置角度估算利用DSP或單片機(jī)將采樣到的電流電壓信息進(jìn)行處理得到參考電感大小，再把所得參考電感值與之前構(gòu)造的三維函數(shù)值作比較，當(dāng)兩者差的絕對(duì)值在一定的誤差范圍之內(nèi)，記錄下此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置位置θ，就可以確定不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置角度。位置角度求取的流程框圖見(jiàn)圖12。其中θ表示轉(zhuǎn)子位置角度(本例子中θ范圍0～45°)，L1表示由實(shí)測(cè)電壓和電流估算出的電感參考值，L2表示由三維函數(shù)計(jì)算的電感值，W表示L1與L2之差，e表示一無(wú)窮小量。
7無(wú)位置傳感器的實(shí)現(xiàn)由雙凸極電機(jī)運(yùn)行機(jī)理，不同的轉(zhuǎn)子位置θ分別對(duì)應(yīng)于電感曲線的上升區(qū)(圖13中I區(qū)域)和下降區(qū)(圖13中III區(qū)域)，電機(jī)的運(yùn)行需要在電感上升區(qū)相繞組通入正電流，在電感下降區(qū)相繞組通入負(fù)電流。本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)位置信息的獲取后，對(duì)軟件記錄下的θ值進(jìn)行分類(lèi)，不同的θ值分別對(duì)應(yīng)于不同的電感上升區(qū)和電感下降區(qū)，如圖13所示，在θ1～θ2時(shí)繞組通入正點(diǎn)流ia，在θ3～θ4時(shí)相繞組通入負(fù)電流-ia(由于電感的阻礙作用，提前換向可以增加電流的出力，即可以在θ2～θ4時(shí)相繞組通入負(fù)電流)，從而實(shí)現(xiàn)雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器運(yùn)行。此無(wú)位置傳感器方案不需要人為地注入低幅高頻的模擬測(cè)試信號(hào)，而是直接以電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流電壓信息為基礎(chǔ)，根據(jù)電機(jī)的三維電感曲線反演求出位置信息，利用DSP或單片機(jī)芯片可以實(shí)現(xiàn)間接位置檢測(cè)。此方案對(duì)無(wú)位置傳感器雙凸極電機(jī)的應(yīng)用具有較大的實(shí)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法，其特征在于，直接利用電機(jī)的電樞電流和電壓信息間接確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器的運(yùn)行，具體方法包括(1)通過(guò)實(shí)測(cè)電機(jī)的電樞電流和電壓，求得在不同電流下隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置變化的電感值；(2)將同一電流下電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角作為自變量，電感值作為因變量，通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行曲線擬合，繪制出同一電流下電感值隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度變化的曲線；(3)利用MATLAB軟件中的polyfit函數(shù)實(shí)現(xiàn)電感曲線的多項(xiàng)式擬合，以得到電感值隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度變化的多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá)式Lp(θ)＝a0*θ5+a1*θ4+a2*θ3+a3*θ2+a4*θ+a5；(4)擬合出不同電流下電感值隨電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度變化的曲線族；(5)利用電感曲線最小值在不同電流下幾乎不變的特點(diǎn)，用電流為0時(shí)的電感擬合多項(xiàng)式減去電感的最小值后乘以與電流有關(guān)的比值函數(shù)(f(i))，再加上這個(gè)電感最小值，構(gòu)造電感值隨電流和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度變化的三維函數(shù)Lp(θ，i)＝(a0*θ5+a1*θ4+a2*θ3+a3*θ2+a4*θ+a5-L0min)*f(i)+L0min；(6)利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或單片機(jī)芯片將采樣到的電流電壓信息進(jìn)行處理得到參考電感值的大小，再把所得參考電感值與第5條所述的函數(shù)值作比較，確定不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置信息；(7)根據(jù)雙凸極電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，不同的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息對(duì)應(yīng)于不同的電感區(qū)間，在電感上升區(qū)相繞組通入正電流，在電感下降區(qū)相繞組通入負(fù)電流，實(shí)現(xiàn)雙凸極電機(jī)的無(wú)位置傳感器的運(yùn)行。
全文摘要
一種雙凸極電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法，屬特種電機(jī)數(shù)字控制方法。本方法是直接利用電機(jī)的電樞電流和電壓信息間接地確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)位置傳感器的可靠運(yùn)行。不需要人為地注入低幅高頻的模擬測(cè)試信號(hào)，也不存在相位補(bǔ)償及電流轉(zhuǎn)速匹配問(wèn)題，而是直接以電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流電壓信息，根據(jù)電機(jī)的三維電感曲線反演求出轉(zhuǎn)子位置信息，利用數(shù)字信號(hào)處理器或單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)間接位置檢測(cè)，使雙凸極電機(jī)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單、體積更小、結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固、運(yùn)行更可靠、效率更高等優(yōu)點(diǎn)。此方法對(duì)無(wú)位置傳感器雙凸極電機(jī)的應(yīng)用有較大的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H02P6/14GK1725625SQ200510040720
公開(kāi)日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者張樂(lè), 周波 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)