四象限无位置传感器开关磁阻电机控制装置及方法

摘要

一种四象限无位置传感器开关磁阻电机控制装置及方法，尤其适用于矿井牵引采煤机，装置主要由可控整流控制回路和有源逆变控制回路，可控整流控制回路和有源逆变控制回路之间连接的直流电容器构成。向开关磁阻电机三相绕组中输入高频脉冲信号，确定激励相，启动开关磁阻电机，并通过检测的相电压和相电流信号，计算得到电动状态下的实时磁链ψ

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机控制装置及方法，尤其适用于矿井牵引采煤机使用的四象 限无位置传感器开关磁阻电机控制装置及方法。

背景技术

开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，简称SRM)是双凸极可变磁阻电动机。其 定、转子的凸极均由普通硅钢片叠加而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕 组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”。SRM可以设计成多种不同 相数结构，且定、转子的极数有不同搭配。基于SRM的特点，开关磁阻电动机具有结构简单 牢固和控制方便灵活、具有较宽的转速及功率范围等优点，广泛应用在牵引运输、通用工业、 航空、家用电器等各个领域，已成为当代电气传动的热门课题之一。而位置检测环节是开关 磁阻电动机驱动系统的重要组成部分，检测到的位置信号既是绕组开通与关断的依据，也为 转速闭环控制提供了转速信息。目前，常见的做法是在SRM驱动系统引入位置传感器，但是 这样增加了SRM结构的复杂性，增加了成本和潜在的不稳定性，而且由于传感器分辨率的限 制，导致SRM驱动系统高速运行性能下降。为此，出现了多种取消传感器的位置测量方案， 如专利申请号为：2009100317716公开的“一种适合高速的开关磁阻电机无位置传感器控制 方法”和专利申请号为：2010102387716公开的“一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置 估计方法”，这两种方法都是采用测量、监视SR电动机一相或几相绕组的电流和磁链或电感 来推断转子的瞬时位置，即在给定运行条件下，通过瞬时磁链ψ或电感L的测量，再由预先 贮存的电动机磁化特性的ψ(θ，i)数据表计算出对应的转子即时位置。这两种方法既能辨认当 磁链ψ(或L)越过特定阈值时所对应的某特定参考位置(阈值对应的位置通常是最大电感或 最小电感位置处)，完成电动状态下低速或高速运行的开关磁阻电机相切换功能，并可构成转 速闭环系统提高系统调速性能。但是这种位置估计方法没有运用到开关磁阻电机的四象限运 行，同时开关磁阻电机的电动模式、制动模式和两种模式的切换控制也没有实现，限制了其 适用范围。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种结构简单、使用方便的四 象限无位置传感器开关磁阻电机控制装置及方法。

技术方案：本发明的四象限无位置传感器开关磁阻电机控制装置，包括可控整流控制回 路和有源逆变控制回路，可控整流控制回路和有源逆变控制回路之间连有直流电容器；

所述的可控整流控制回路包括与三相交流电源连接的电源电压检测装置和电源电流检测 装置，电源电压检测装置和电源电流检测装置的输出端分别与整流主控制器的输入端相连， 整流主控制器的输出端与整流侧驱动装置的输入端相连，将交流电转换为成恒定直流电，整 流侧驱动装置与整流桥相连；

所述的有源逆变控制回路包括与三相12/8开关磁阻电机相连的不对称半桥线路功率变换 器，不对称半桥线路功率变换器输入端连有母线侧电压检测装置，其输出端设有电流检测装 置，母线侧电压检测装置和电流检测装置的输出端分别与逆变主控制器的输入端相连，逆变 主控制器的输出端通过逆变侧驱动器连接不对称半桥线路功率变换器。

所述的整流主控制器、逆变主控制器均为TI公司的2812DSP处理器；所述的电源电压 检测装置、电源电流检测装置、母线侧电压检测装置和电流检测装置均为霍尔传感器；所述 的整流侧驱动装置和逆变侧驱动装置均为CONCEPT公司的6SD106驱动模块。

一种四象限无位置传感器开关磁阻电机控制方法，包括以下步骤：

a.对三相12/8开关磁阻电机三相中的一相通电，检测三相12/8开关磁阻电机的定子、 转子对齐位置以及不对齐位置的电流值和电压值，计算得到最大参考磁链ψ_{ref_max}和最小参考 磁链ψ_{ref_min}；

b.启动三相12/8开关磁阻电机，逆变主控制器向不对称半桥线路功率变换器发送高频 脉冲信号，将整流器12输出的直流电压变换成100μs的激励脉冲输入到三相12/8开关磁阻 电机的三相绕组中，得到相应的三个响应电流，比较三个响应电流的大小决定导通相；

c.三相12/8开关磁阻电机进入电动状态后，采用母线侧电压检测装置检测得到的三相 12/8开关磁阻电机的实时相电压和三相电流传感器检测得到的实时相电流经逆变主控制器计 算得到电动状态下的实时磁链ψ_est，

当实时磁链ψ_est小于最大参考磁链ψ_{ref_max}时，则重新检测实时磁链ψ_est；

当实时磁链ψ_est大于最大参考磁链ψ_{ref_max}时，则经逆变主控制器关断当前相，开通下一 相；

d.通过逆变主控制器向母线侧电压检测装置发送关断脉冲信号，关断当前工作相，逆变 主控制器发送开通脉冲信号，开通当前非工作相，三相12/8开关磁阻电机由电动状态转化到 制动状态；

e.进入制动状态，等待一段封锁时间Tw(0.5ms)后，母线侧电压检测装置6检测三相 12/8开关磁阻电机14的工作相的实时相电压，电流检测装置8检测工作相的实时相电流， 经逆变主控制器2计算得到制动状态下的实时磁链ψ_est：

当实时磁链ψ_est大于最小参考磁链ψ_{ref_min}，则重新检测实时磁链ψ_est；

当实时磁链ψ_est小于最小参考磁链ψ_{ref_min}，则经逆变主控制器关断当前相，开通下一相。

有益效果：由于采用了上述技术方案，采用可控整流控制回路和有源逆变控制回路，仅 需采集三个相电流信号和一个母线电压信号，通过逆变主控制器的信号处理，产生脉冲驱动 信号，实现开关磁阻电机的相切换控制，无需位置传感器，不但具备传统的位置估计方法的 算法简单快捷，无需附加硬件的优点，而且实现了此无位置传感器转子位置估计方法在开关 磁阻电机四象限的灵活应用，拓宽了其适用范围，同时实现了开关磁阻电机四象限电动状态 和制动状态之间的灵活转换，其结构简单，成本低，可靠耐用，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是无位置传感器三相12/8开关磁阻电机控制装置系统图。

图2是三相12/8开关磁阻电机磁链-电流特性曲线图。

图3是三相12/8开关磁阻电机绕组电感及转子位置区域关系图。

图4是三相12/8开关磁阻电机启动时的软件流程图。

图5是三相12/8开关磁阻电机控制系统状态转换图。

图6是三相12/8开关磁阻电机四象限运行区域图。

图7是三相12/8开关磁阻电机电动状态换相流程图。

图8是三相12/8开关磁阻电机电动-制动状态切换流程图。

图9是三相12/8开关磁阻电机制动状态换相流程图。

图中：1-整流主控制器，2-逆变主控制器，3-电源电压检测装置，4-电源电流检测装置， 5-整流侧驱动装置，6-母线侧电压检测装置，7-逆变侧驱动装置，8-电流检测装置，9-三相交 流电源，10-交流接触器，11-电抗器，12-整流桥，13-不对称半桥线路功率变换器，14-三相 12/8开关磁阻电机，15-直流电容器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的说明：

如图1所示，本发明的四象限无位置传感器开关磁阻电机控制装置，包括整流主控制器 1、逆变主控制器2、电源电压检测装置3、电源电流检测装置4、整流侧驱动装置5、母线侧 电压检测装置6、逆变侧驱动装置7、电流检测装置8、三相交流电源9、交流接触器10、电 抗器11、整流桥12、不对称半桥线路功率变换器13、三相12/8开关磁阻电机14、直流电容 器15；主要由可控整流控制回路和有源逆变控制回路构成，直流电容器15连接在可控整流 控制回路和有源逆变控制回路之间；整流主控制器1、逆变主控制器2均为TI公司的2812DSP 处理器，电源电压检测装置3、电源电流检测装置4、母线侧电压检测装置6和电流检测装置 8均为霍尔传感器，整流侧驱动装置5和逆变侧驱动装置7均为CONCEPT公司的6SD106 驱动模块。所述的可控整流控制回路包括与三相交流电源9连接的电源电压检测装置3和电 源电流检测装置4，经电源电压检测装置3和电源电流检测装置4分别采集三相电源9的电 压和电流信号，电源电压检测装置3和电源电流检测装置4的输出端分别与整流主控制器1 的输入端相连，将采集信息送入整流主控制器1进行信号处理，整流主控制器1的输出端与 整流侧驱动装置5的输入端相连，将驱动信号送入整流侧驱动装置5，将交流电转换为成恒 定直流电，整流侧驱动装置5与整流桥12相连，整流侧驱动装置5发送六路驱动脉冲，驱动 整流桥12中的六个绝缘栅双极型晶体管可靠开通与关断；所述的有源逆变控制回路包括与三 相12/8开关磁阻电机14相连的不对称半桥线路功率变换器13，不对称半桥线路功率变换器 13输入端连有母线侧电压检测装置6，其输出端设有电流检测装置8，母线侧电压检测装置6 和电流检测装置8的输出端分别与逆变主控制器2的输入端相连，逆变主控制器2的输出端 通过逆变侧驱动器7连接不对称半桥线路功率变换器13，逆变主控制器2进行信号处理，将 产生的驱动信号送入驱动装置7，驱动装置7发出六路驱动脉冲到不对称半桥线路功率变换 器13，实现三相12/8开关磁阻电机的相切换控制。

本发明的四象限无位置传感器开关磁阻电机控制方法步骤如下：

1.对三相12/8开关磁阻电机14三相中的一相通电，检测三相12/8开关磁阻电机14的 定子、转子对齐位置以及不对齐位置的电流值和电压值，计算得到不同电流等级下最大参考 磁链ψ_{ref_max}和最小参考磁链ψ_{ref_min}；图2所示为无位置传感器开关磁阻电机控制装置在正常 运行前离线测得的电动机磁化特性的ψ(θ，i)数据形成的三相12/8开关磁阻电机磁链特性曲 线簇，图中可以看出三相12/8开关磁阻电机14在同一电流值下，磁链随角度的增大而增大， 其中角度从0度到22.5度。

2.启动三相12/8开关磁阻电机14，逆变主控制器2向不对称半桥线路功率变换器13发送 高频脉冲信号，将整流器12输出的直流电压变换成100μs的激励脉冲输入到三相12/8开关磁 阻电机14的三相绕组中，得到相应的三个响应电流，比较三个响应电流的大小决定导通相。

在三相12/8开关磁阻电机14启动状态采用的控制策略为激励脉冲法，由逆变主控制器2发 送高频脉冲信号通过逆变侧驱动装置7对不对称半桥线路功率变换器13进行控制，三相12/8开 关磁阻电机14启动时，不对称半桥线路功率变换器13依次对三相12/8开关磁阻电机14的三相 绕组发射100μs的激励脉冲，并得到相应的三个响应电流，逆变主控制器2比较三个响应电流 的大小决定导通相；三相12/8开关磁阻电机14正向运行的起动工作相选择规则见表1，在表中 可以看到为了保证起动转矩，对于三相12/8开关磁阻电机14虽然运行时为单相轮流导通，但 在起动时有两相绕组同时工作的情况。逆变主控制器2获得激励相信息后就可以进入正常运行 阶段，具体流程如附图4所示。

表1三相12/8开关磁组电机正向运行起动激励相的选择

由图6可以看到若在电感上升区内绕组通电，旋转电动势为正，产生电动转矩，电源提供 的电能一部分转换为机械能输出，一部分则以磁能的形式贮存在绕组中。电流在电感下降区 域内流动，因旋转电动势为负，产生制动转矩，这时回馈给电源的能量既有绕组释放的磁能， 也有制动转矩产生的机械能，即开关磁阻电机运行在制动状态。为了简化描述，下面分析控 制方法均以正向运行为例。以区域2为例：正向需要电动扭矩，则通电激励A相，反向需要电 动扭矩则需要通电激励B相和C相；正向需要制动扭矩，则通电激励B相和C相，反向需要制 动扭矩则需要通电激励A相；其它区域方式类似。

将一个电感周期分为六个部分，从左到右的相序，即C相-A相-B相-C相，为正向，从 右向左为反向，对于反向的工况由于电感变化情况和正向正好相反，控制做相应的调整即可， 如附图3所示。

3.三相12/8开关磁阻电机14进入电动状态后，采用母线侧电压检测装置6检测得到的三 相12/8开关磁阻电机14的实时相电压和三相电流传感器8检测得到的实时相电流经逆变主控 制器2计算得到电动状态下的实时磁链ψ_est，

当实时磁链ψ_est小于最大参考磁链ψ_{ref_max}时，则重新检测实时磁链ψ_est；

当实时磁链ψ_est大于最大参考磁链ψ_{ref_max}时，则经逆变主控制器2关断当前相，开通下 一相。

以当前只有A相被激励，转子处于区域2为例，激励相只有一相，因此激励相就是控制 相。在三相12/8开关磁阻电机14正常运行时，实时计算控制相绕组的磁链，所得磁链与此 时电流等级下的临界磁链进行比较，然后判断本相的开通和关断，可以实现电动模式和制动 模式运行：在电动模式下，当实时磁链大于临界磁链ψ_{ref_max}时(此时ψ_{ref_max}为本电流等级 下的最大参考磁链)，执行换相操作，具体流程见附图7。对于两相激励的情况，电动状态以 电感大的相作为控制相，相反制动状态以电感小的相作为切换控制相。以转子处于区域1， A、C两相被激励电动状态为例，实时计算A、C两相绕组的实时磁链。由于C相绕组电感 大于A相，所以当C相绕组磁链大于临界磁链ψ_{ref_max}时，执行换相操作。

4.通过逆变主控制器2向母线侧电压检测装置13发送关断脉冲信号，关断当前工作相， 逆变主控制器2发送开通脉冲信号，开通当前非工作相，三相12/8开关磁阻电机14由电动 状态转化到制动状态，三相12/8开关磁阻电机14的状态切换有两种情况，一种由电动状态 切换到制动状态，另一种由制动状态切换到电动状态，见附图5。对于第一种情况，以电动 状态、转子处于区域2的A相激励为例。系统接到状态切换命令后，首先关断当前工作的 处于电感上升区间的A相，然后开通处于电感下降区域的B相和C相。实时计算B相和C 相绕组的实时磁链，并进入制动状态换相过程。另一种情况以制动状态、转子处于区域2的 B相、C相激励为例：系统接到状态切换命令后，首先关断当前工作的处于电感下降区间的B 相和C相，然后开通处于电感上升区域的A相，并实时计算B相和C相绕组的实时磁链， 进入电动状态换相过程，具体流程如附图8所示。

5.进入制动状态，等待一段封锁时间Tw(0.5ms)后，母线侧电压检测装置6检测三相 12/8开关磁阻电机14的工作相的实时相电压，电流检测装置8检测工作相的实时相电流， 经逆变主控制器2计算得到制动状态下的实时磁链ψ_est：

当实时磁链ψ_est大于最小参考磁链ψ_{ref_min}，则重新检测实时磁链ψ_est；

当实时磁链ψ_est小于最小参考磁链ψ_{ref_min}，则经逆变主控制器2关断当前相，开通下一 相，具体流程如附图9所示。