一种开关磁阻电机的三相位置信号检测方法

摘要

一种开关磁阻电机的三相位置信号检测方法，在高速APC模式下，利用通用定时器TIM1输入捕获通道去检测A相霍尔位置信号HA，来捕获位置信号一个周期的时间间隔，将捕获值作为基准时间，根据APC模式下设定的三相开关角度值计算获得三相开关管的开关时间，定时器TIM2根据各相的开关时间开启计时进入中断，同时结合定时器TIM3来捕获A相的下降沿校准的方式，以此来控制并驱动功率变换器各相开关管的开通与关断，实现开关磁阻电机的运行。该方法可以避免其他磁环N、S极加工误差、电磁干扰等引起的霍尔位置信号偏差，达到磁阻电机三相霍尔位置信号精确检测的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机的位置信号检测方法，尤其涉及一种开关磁阻电机 (SRM)的三相位置信号检测方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

开关磁阻电机驱动系统具有结构简单、成本低、控制灵活、调速性能好等突出特 点，是近30年随着电力电子器件和现代控制技术的发展而迅速发展的一种新型调速驱动系 统。在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率，使其在高性能应用领域如航空航天、 电动车驱动、家用电器、工业等发挥了重要作用。

在电动车等驱动系统应用中，驱动系统根据转子位置控制电机运行状态，因而开 关磁阻电机的位置信号是各相主开关器件进行正确逻辑切换、确定绕组换相的基础，也为 速度环提供了速度反馈信号。因此，位置信号的精确检测尤为重要。目前开关磁阻电机位置 信号检测通常使用光电编码器和霍尔位置传感器，然而传统的位置信号检测过程中，由于 码盘或磁环的加工精度、材料以及受环境因素温度、电磁干扰等的影响，使得三相位置信号 出现误差，最终影响开关器件的开关误差。这种偏差对开关磁阻电机在高速运行状态时影 响尤为明显，不仅会造成电机较大的振动，还会对电机的效率产生较大的影响。因此，需要 一种精确的三相位置信号检测方式，来维持三相位置信号平衡，实现开关磁阻电机的可靠 运行。

发明内容

本发明针对已有开关磁阻电机三相位置信号检测出现的误差而影响电动车等驱 动系统性能的技术问题，提出了一种开关磁阻电机(SRM)的三相位置信号检测方法，该方法 可以根据开关磁阻电机反馈的霍尔位置信号得到当前电机定转子的相对位置，从而实现 SRM相应相限的开通，以驱动电机运行。特别适用于高速控制的场合，此时电机运行在角度 位置控制(APC)模式下，精确的位置检测是实现电机正常运转的关键。该方法可以避免传统 位置检测方法出现的位置信号偏差导致三相不平衡，引起电机性能问题，能够实现开关磁 阻电机位置信号检测低误差，保持三相位置信号平衡，从而实现电机正确换向、可靠运行的 效果，解决开关磁阻电机在电动车驱动系统中的应用问题。

本发明采取的技术方案如下：一种开关磁阻电机的三相位置信号检测方法，开关 磁阻电机以不对称半桥功率变换器作为电源，Aup、Bup、Cup信号分别为控制三相桥臂中上 开关功率管栅极的信号，And、Bdn、Cdn为三相桥臂中下开关功率管栅极的驱动信号，功率变 换器通过轮流开通或关断电机绕组接通电源，驱动电机运行，完成包括励磁、续流和回流的 控制过程；在高速角度位置控制APC模式下，采用霍尔位置传感器采样开关磁阻电机的三相 位置信号，并将三相位置信号送到微处理器CPU；

其特征在于：根据开关磁阻电机反馈的霍尔位置信号得到当前电机定转子的相对 位置，通过A相位置信号的上升沿捕获中断和A相下降沿触发中断校准的结合方式，实现磁 阻电机三相霍尔位置信号的精确检测，达到开关磁阻电机相应相限的开通；具体方法是：利 用CPU内置的通用定时器TIM1输入捕获通道去检测A相霍尔位置信号的上升沿，将捕获值作 为基准时间，并且根据APC模式下设定的三相开关角度值，经过微处理器CPU中内置的计算、 中断程序获得三相上下管的开关时间，再采用CPU内置的通用定时器TIM2根据各相的开关 时间计时进入中断，得到开关功率管控制信号，同时加入CPU内置的通用定时器TIM3来捕获 A相的下降沿实现校准，以此来控制并驱动功率变换器各相开关管的开通与关断，实现开关 磁阻电机的运行。

可采用以下步骤实现

1)利用CPU内置的通用定时器TIM1的输入捕获通道去检测A相位置信号的两个上 升沿，得到捕获值In1，把该捕获值作为电机旋转一个位置信号周期的基准时间；

2)根据定时器TIM1的捕获值In1为电机转子转过45°角度，即一个位置信号周期所 用的时间，计算得到电机的转子每转过1°所用时间In2；

3)按照APC模式下设定的A相的开通、关断角度值θ_Aon、θ_Aoff和转子每转过1°所用时 间In2，计算得到A相开关管的开通和关断时间In3、In4；

4)根据APC模式下设定的B、C相的开通、关断角度值θ_Bon、θ_Boff、θ_Con、θ_Coff，分别计算 得到B、C相开关管的开通和关断时间In5、In6、In7、In8；

5)定时器TIM2根据计算得到的各相开关管的开通和关断时间来设置的计时时间， 从上升沿这个时间点开始计时进入中断，此时转子的位置为0°，若各相中开通或关断角度 在0到22.5°之间，开通或关断相应的开关管；

6)采用定时器TIM3的输入捕获通道去检测A相位置信号的下降沿，并将该下降沿 的捕获值作为转子位置角22.5度之后计时的基准点；

7)定时器TIM2根据计算得到的各相开关管的开通和关断时间来设置的计时时间， 从下降沿这个时间点开始计时进入中断，此时转子位置为22.5°，若各相中开通或关断角度 在22.5°到45°之间，开通或关断相应的开关管；

8)若为其他多相开关磁阻电机，则每一相均采用上述相同的控制方法。

所述步骤3)中根据设定的A相的开通、关断角度值θ_Aon、θ_Aoff和转子每转过1°所用 时间In2，计算得到A相开关管的开通时间In3和关断时间In4：

In3＝θ_Aon*In2

In4＝θ_Aoff*In2

本发明的优点及有益效果：

1、本发明通过A相位置信号的上升沿捕获中断和A相下降沿触发中断校准的结合 方式，可以避免其他磁环N、S极加工误差、电磁干扰等引起的霍尔位置信号偏差，达到磁阻 电机三相霍尔位置信号精确检测的效果。

2、本发明能够实现开关磁阻电机位置信号检测低误差，保持三相位置信号平衡， 从而实现电机正确换向、可靠运行的效果，特别适用于磁阻电机高速运行于APC模式下霍尔 位置信号的精确检测，避免传统位置信号检测中因铁氧体磁环加工等因素出现的误差导致 电机性能降低的问题，解决开关磁阻电机在电动车驱动系统中的应用问题。

3、本发明方法可以避免传统位置检测方法出现的位置信号偏差导致三相不平衡， 引起电机性能问题，能够实现开关磁阻电机位置信号检测低误差，保持三相位置信号平衡， 从而实现电机正确换向、可靠运行的效果，解决了开关磁阻电机在电动车驱动系统中的应 用问题。

4、本发明比传统直接位置检测方法中使用光电编码器或是霍尔位置传感器出现 位置信号偏差，该检测方法具有更好的检测精度，也比检测出现误差后进行信号矫正等方 法具有成本低、速度快的优点。

附图说明

图1是本发明高速开关磁阻电机位置信号检测方法的运行流程图；

图2是应用本发明后整个开关磁阻电机控制系统结构图；

图3是本发明中功率变换器所采用的不对称半桥电路结构图；

图4是本发明中A相霍尔位置信号与三相开关信号波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例详细说明本发明提供的具体方法和运行过程(以三相12/8极 开关磁阻电机为例)。

应用本发明后的整个开关磁阻电机控制系统结构图如图2所示，其为整个电动车 提供动力。其工作原理是，在高速APC模式下，采用霍尔位置传感器采样开关磁阻电机的三 相位置信号，并将三相位置信号送到微处理器CPU，利用CPU内置的通用定时器TIM输入捕获 通道去检测A相霍尔位置信号的上升沿，将捕获值作为基准时间，并且根据APC模式下设定 的三相开关角度值，经过微处理器CPU中内置的计算、中断程序获得三相上下管的开关时 间，采用定时器TIM根据各相的开关时间计时进入中断，得到开关功率管控制信号，以此来 控制并驱动功率变换器各相开关管的开通与关断，结合调速转把通过外部给定信号传送给 CPU的AD采样模块来调节电机速度。

图2中的电源为半桥功率变换器，在电动车辆中通常为提供电流和48V-72V的直流 电压。霍尔元件US4881KUA作位置传感器则用于对磁阻电机的转子位置进行检测。

本发明方法的运行流程图如图1所示，首先采用处理器CPU内置的通用定时器TIM1 的输入捕获通道去检测A相位置信号的两个上升沿(i)，得到捕获值In1，作为电机旋转一个 位置信号周期的基准时间(ii)，根据定时器TIM1的捕获到的捕获值In1为电机转子转过45° 角度，计算得到电机的转子每转过1°所用时间In2(iii)；按照APC模式下设定的A相的开通 角和关断角的值θ_Aon、θ_Aoff以及转子每转过1°所用时间In2，可以计算得到A相开关管的开通 和关断时间In3、In4(iv)；继而按照APC模式下设定的B、C相的开通、关断角度值θ_Bon、θ_Boff、 θ_Con、θ_Coff，分别计算得到B、C相开关管的开通和关断时间In5、In6、In7、In8(v)；采用CPU内 置的定时器TIM3的输入捕获通道去检测A相位置信号的下降沿，并将该下降沿的捕获值作 为转子位置角22.5度之后计时的基准点(vi)；定时器TIM2根据计算得到的各相开关管的开 通和关断时间来设置的计时时间，分别从上升沿(转子位置为0°)和从下降沿(转子位置为 22.5°)这两个时间点开始计时进入中断(vii)；根据若相中开通或关断角度在0到22.5°之 间以及22.5°到45°之间，开通或关断相应的开关管(viii)；

若为其他多相开关磁阻电机，则每一相均采用上述相同的控制方法。

A相的开通、关断角度值θ_Aon、θ_Aoff和转子每转过1°所用时间In2，可以计算得到A相 开关管的开通和关断时间In3、In4的公式为：

In3＝θ_Aon*In2

In4＝θ_Aoff*In2

图3是本发明中功率变换器所采用的不对称半桥电路结构图，为已知电路。Aup， Bup，Cup信号分别为控制三相桥臂中上开关功率管栅极的信号，Adn，Bdn，Cdn为三相桥臂中 下开关功率管栅极的驱动信号。功率变换器通过轮流开通或关断电机绕组接到电源部分， 驱动电机运行，完成励磁、续流和回流等控制过程。

图4是本发明中A相霍尔位置信号HA与三相开关信号波形示意图。开关磁阻电机使 用开关型霍尔位置传感器来检测磁环的磁极N，S，分别输出“0”和“1”，输出波形周期为45°， 占空比分别为50％。A相上升沿对应着转子位置角0°，即45°，下降沿对应着转子位置角 22.5°。三相开关信号高有效，“1”代表该相开通，“0”代表该相关闭。电机正向前进运行时， 三相换相顺序为A-＞C-＞B-＞A，在0°到22.5°之间对应着A相的关断角θ_Aoff和C相的开通角 θ_Con，22.5°到45°之间对应着B相的开通角θ_Bon、C相的关断角θ_Coff、A相的开通角θ_Aon和B相的 关断角θ_Boff，各相在该相开通角处开通该相绕组励磁，在该相关断角处关闭该相绕组，切换 至下一相开通。

本发明比传统直接位置检测方法中使用光电编码器或是霍尔位置传感器出现位 置信号偏差，该检测方法具有更高的检测精度，可以避免其他磁环N、S极加工等误差，也比 检测出现误差后进行信号矫正等方法具有成本低、速度快的优点。

以上借助实例描述了本发明的具体实施方式，但是应该理解的是，前述具体的描 述不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后 对上述实例作出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。