一种开关磁阻电机静态位置的检测方法与流程

1.本发明涉及调速电机的控制技术领域，特别是涉及一种开关磁阻电机静态位置的检测方法。


背景技术：

2.开关磁阻电机（switched reluctance motor，简称srm）是融sr电机与现代电子控制技术于一体，其调速系统兼有异步电机变频调速系统和直流电机调速系统的优点，继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无级调速系统的调速电机，sr电机诸如包括了定子和转子结构的双凸极磁阻性转矩电机，这种电机自身结构简单，并且具有性能可靠、启动转矩大、调速范围宽及效率高等优点。此外，与传统的永磁性磁体材料不同，这种电机的转子采用了导磁材料制成，而非永磁性磁体材料。因此使其造价更低，同时还可以达到与无刷电机的同等功能。位置闭环控制是开关磁阻电机的基本特征之一，为了控制开关磁阻电机的运行，控制器需要获取转子的具体位置信息，开关磁阻电机的位置检测一直是研究的热点。通常，位置信息可以通过位置传感器进行采集，并转变为可用的数字信号送给控制器。但是，由于位置传感器的存在而导致结构不再简单，相应增加的成本，而且降低了系统可靠性，业内一直致力于寻求无位置传感器的检测方案。
3.在现有技术中，举个已有的开关磁阻电机驱动系统（srd）例子，如图1所示，系统由具有功率管及其驱动模块的功率逆变器1、开关磁阻电机2、测量直流母线电压的电压传感器3、测量绕组电流的电流传感器4、控制器5和测量电机转子位置的位置传感器6组成。转子位置检测环节是srd的重要组成部分，现有技术是采用外置机械式的位置传感器6，这样增大了电机体积，加大了电机制造工艺难度，降低了系统可靠性，同时提高了电机系统的成本。
4.因此，该领域的技术发展路线转向到了如何间接检测转子位置，各间接转子位置检测方案的基本原理都是相同的，无论是对工作相或非工作相的处理，都是通过分析绕组电压方程，得到绕组磁链，电感或电动势等参数的解析方式，从这些参数中提取出转子位置信息，从而实现间接检测转子位置，在该方案中，尽管开关磁阻电机无位置传感器，但是，该方案中普遍存在电感不随角度变化的区域而影响检测精度。
5.另一方面，一般情况下，使用霍尔开关无法对开关磁阻电机的静态位置或动态位置进行检测。在现有技术的发展中，可以使用反电动势法对开关磁阻电机的动态位置进行检测，换言之，强制启动的开关磁阻电机会产生反转或者正转，通过电机旋转得到反电动势后，可以通过判断反电动势及相应的换向位置，从而控制电机转速；静态位置可以使用电感测量法检测转子位置，换言之，通过向非工作绕组注入高频电流进行辨识非工作绕组的电感量变化，从而确定电机转子位置，对电机进行控制。
6.但是，处于低电压工作情况下的开关磁阻电机（例如：12v/60w电机），其定子的电感量通常非常小（5-20uh），这样的话采用常规的电压电流模式进行位置测量将会非常困难；另外，工作绕组形成的磁链对注入电流形成影响，使得信号采集受到干扰，降低了转子
位置的辨识精度；而单纯的磁链估计法是利用对定子电压和电流的测量从而估算出磁铁，再根据磁链与转子位置的对应关系进而估算出转子的位置。该算法包含有两个电流环结构，内环矫正磁铁的估计值，外环调整位置估计值。这种方法的问题是：当定子的电压过大时，因为电感量相对较小，转子很容易移动，所以位置会发生改变；当定子的电压过小时，首先是定子的电流变化率低，其次是低压工作的电机电感量相对较小，电流变化过快，综上两个不利因素，同样导致上述方法的检测精度不高。
7.现有技术诸如中国专利文献cn110474593a中记载了一种直流无刷电机电枢等效电阻电感测量方法，该方法采用频率分析仪对电机电流闭环频率特性测试，绘制频率特性曲线，根据实测电流闭环频率特性曲线进行数学拟合，将拟合后的数学表达式与理论分析所得进行比较，间接测量电机电枢的等效电阻和等效电感。但是，该技术方案中由于需要额外采用昂贵的仪器，检测成本过高，不利于产业化用途。
8.中国专利文献cn104967385a中公开了一种开关磁阻电机转子位置估算技术方案，包括相互串联的lc振荡电路、频率电压转换电路、光电耦合隔离器、数字信号处理装置，所述lc振荡电路包括多路复用器、调制电路。其利用转子转动过程中极间电感的周期性变化进行检测转子位置，即，高频电感变化信号经由lc产生带相电感信息波形（转子位置信号），设置lc中元器件参数，使该震荡频率与相电感平方根倒数成正比，将带相电感变化信息的调制信号转换成电压变化信号，电压信号经过光电隔离后通过dsp估算转子位置。该方案通过转子转动过程中极间电感周期性变化能够有效进行检测转子位置，但是其需要进行多路调制，需要振荡器二级电路环增益大于1且r2电阻远大于接地电阻r1，需要响应极间磁量变化高灵敏度，同样不利于产业化利用。
9.现有技术中鲜有通过测量定子电感大小来判断开关磁阻电机磁阻位置的技术方案。


技术实现要素：

10.针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种开关磁阻电机静态位置的检测方法，能够在不强制启动电机的静止状态下，基于特定的测量系统对开关磁阻电机的定子电感量进行测量，确定转子的具体位置信息，从而实现对电机静态位置的检测。
11.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：一种开关磁阻电机静态位置的检测方法，设置有主电路振荡器osc以及与之连接的至少三项驱动电路，每项驱动电路分别设置至少一个项选择开关、至少一个高电平mos开关管及至少一个低电平mos开关管，所述每一个mos开光管的源漏极之间构成寄生电容，该振荡器和驱动电路构成阻容网络，将所述磁阻电机的定子电感与所述阻容网络建立连接，通过测量定子的复合电感值大小，判断所述开关磁阻电机的磁阻位置。
12.进一步，所述驱动电路为三项驱动电路a、b、c，所述项选择开关为三项选择开关sa、sb、sc，所述开关磁阻电机的定子电感为三个电感la、lb、lc，通过测量定子的复合电感值大小，求得lb/la与lc/la的值，以判断所述开关磁阻电机的la、lb和lc的大小。
13.进一步，la、lb、lc中电感值最大的是转子最靠近的定子的电感，最小的是离转子最远的定子的电感。
14.进一步，根据lb/la与lc/la的比例大小，判断转子与定子的偏离角度。
15.进一步，对每一个mos开关管的源级和漏级之间的寄生电容均采用校准的方法对其进行一一标记，并在计算时预先对所述标记的数据进行预处理。
16.优选地，根据上述检测方法，利用所述磁阻电机驱动的下桥壁以及控制所述项选择开关sa、sb、sc的开闭构成不同lc振荡电路，并由所述震荡器osc整形后输出其震荡频率fa、fb、fc。
17.优选地，根据上述检测方法，使用测得的频率以及公式和计算得到电感复合值l1、l2、l3。
18.优选地，根据上述检测方法，根据所建立的连接关系：、、，经过数学推导，求得lb/la与lc/la的值，从而判断出la、lb、lc的大小。
19.根据上述检测方法，osc是振荡器的主电路，为了简单，不考虑mos开关管的阈值，只记0为关闭，1为导通。当闭合开关sa（sa=1）时，mos管qlb的栅极glb和mos管qlc的栅极glc为1，此时qlb和qlc导通，电感（l）通路具体为lb和lc的并联后再和la串连。电容（c）作为qla的寄生电容，这样osc电路就与上述lc构成了震荡器，并由osc电路整型后输出，并记录为fa。
20.根据上述检测方法，当切换开关为sb、sc时，改变相应开关和相应的mos管分别得到fb和fc。
21.使用测得的频率fa、fb、fc，根据lc振荡电路计算公式计算得到电感复合值l1、l2、l3，从而实现磁阻电机的磁阻位置判断。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1. 本检测方法能够在不强制启动电机的静止状态下，基于特定的测量系统，利用电机的转子在不同位置时对定子的电感量的影响，对开关磁阻电机的定子电感量进行测量，由此确定转子的具体位置信息，进而实现对电机静态位置的检测。
23.2. 本检测方法所采用的测量系统只利用mos管的寄生电容和电机定子本身的电感l构成振荡器，实现了检测精度的提高，同时降低了检测成本。
24.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
25.根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
26.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为现有技术中有位置传感器的开关磁阻电机驱动系统（srd）示意图。
27.图2为现有技术中无位置传感器的开关磁阻电机驱动系统示意图。
28.图3为本发明开关磁阻电机srm静态位置检测的原理电路框图。
29.其中：1、功率逆变器 2、开关磁阻电机 3、测量直流母线电压的电压传感器 4、测量绕组电流的电流传感器 5、控制器 6、测量电机转子位置的位置传感器。
具体实施方式
30.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
31.图1是现有技术中有位置传感器的开关磁阻电机驱动系统（srd）示意图，图2是现有技术中无位置传感器的开关磁阻电机驱动系统示意图，下面结合图3的原理框图对本发明进一步说明。
32.本发明实施例提供了一种开关磁阻电机静态位置的检测方法，实现该检测方法所基于的测量系统包括直流开关磁阻电机、阻容网络和振荡器电路；其中，每一个mos开关管的源级和漏级之间都有寄生电容，采用校准的方法对其一一标记，并在计算时预先对所述标记的数据进行预处理。本实施例中，开关磁阻电机静态位置的特定的测量系统具体涉及了lc振荡器。该振荡器能够输出某一指定频率的正弦波，因此一般在闭合回路中包含选频网络，若选频网络由lc原件组成，则该振荡器称为lc振荡器。
33.本发明实施例主要是通过测量定子电感量的大小，来判断开关磁阻电机磁阻转子的位置，下面具体以三项驱动电路作为示例。
34.如图3所示，sa、sb、sc为项选择开关，gla表示mos管qla的栅极，glb表示mos管qlb的栅极，glc表示mos管qlc的栅极，gha表示mos管qha的栅极，ghb表示mos管qhb的栅极，ghc表示mos管qhc的栅极。
35.为了简单，不考虑mos管的阈值，只记0为关闭，1为导通。osc是振荡器的主电路，la、lb、lc分别表示开关磁阻电机的定子电感。
36.所述开关磁阻电机静态位置的检测方法是基于如附图3所示的测量系统而实现的，该测量系统包括直流开关磁阻电机、阻容网络和振荡器电路。每一个mos开关管的源级和漏级之间都有寄生电容，并且同一批次mos管的寄生电容大小相差很小，可以额外地采用校准的方法，对其进行一一标记。同时，计算时可以预先对该数据进行预处理。
37.所述检测方法包括如下步骤：步骤1：将所述开关磁阻电机与振所述阻容网络建立连接。
38.步骤2：利用电机驱动的下桥壁和项选择开关sa、sb、sc。
39.例如：闭合开关sa（sa=1）时，glb和glc为1，此时qlb和qlc导通，电感（l）通路具体为lb和lc的并联后再和la串连。电容（c）作为qla的寄生电容，这样osc电路就与上述lc构成了震荡器，并由osc电路整型后输出，并记录为fa。我们使用同样方法，切换开关为sb、sc时，改变相应开关和相应的mos管可以得到fb和fc。
40.步骤3：使用测得的频率和以下公式计算得到电感复合值l1、l2、l3。
41.其中，l表示电感，f表示频率，c表示电容；步骤4：根据物理学中电感串联、并联的基本关系表达，电路形式如下（以下等式中“||”的含义为并联，“+”的含义为串联）：根据上述等式，其数学表达式为：经过上述数学推导，求得lb/la与lc/la的值，从而可以判断出定子电感la、lb、lc的大小。la、lb、lc中电感量最大值的项判定为最靠近转子的定子，最小值的项判定为最远离转子的定子。我们还可以从等比例公式中进一步地判断转子分别与定子a、定子b、定子c之间的偏离角度，另外，也可以用其他测量电感的组合方式测量达到同样的效果。
42.上述具体实施方式仅例示性地说明本发明的原理及其功效，并非用于限制本发明的权利保护范围。任何具有所属变速电机领域公知常识的本领域技术人员在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的修饰或改变，仍属于本发明权利要求所请求保护的范围内。