一种用于三相电励磁双凸极电机的高速无位置运行方法

摘要

本发明公布了一种用于三相电励磁双凸极电机在高速运行时的无位置传感器控制技术。根据电励磁双凸极电机非导通相的端电压反映了反电势变化规律的特点，本发明首先辨识该电机高速运行时端电压在三相逆变器开关管恒通、开关管上管PWM斩波、开关管下管PWM斩波三种控制策略下幅值的大小，然后将采样滤波后的端电压调理至0～3V，最后在辨识好的一个不随转速和控制策略变化的固定旋转角α基础上进行坐标矢量变换，通过捕获坐标矢量变换后端电压的过零点来判断换相逻辑。本发明解决了传统无位置传感器反电势法相位延时较大，换相困难以及在不同控制策略下直流偏置引起的换相误差问题，该控制方法简单可靠。

主权项

用于三相电励磁双凸极电机高速运行的无位置传感器方法，其特征包括以下步骤：设计一个RC滤波器对调理后的端电压进行滤波，此滤波器的截止频率略小于开关管的斩波频率，对滤波后的端电压进行坐标矢量变换，为捕获换相过零点，且消除端电压直流偏置的影响，需要辨识一个不随转速和控制策略变化的固定旋转角α进行坐标矢量变换；电励磁双凸极电机三相端电压U_A、U_B、U_C经RC滤波器简单滤波后傅里叶展开式为：$\left\{\begin{array}{c}{U}_A=\frac{U_{in}}{2}+\underset{n=1}{\overset{n=\infty }{\Sigma }}[a_n\cos \left(n\omega t\right)+b_n\sin \left(n\omega t\right)]\\ U_B=\frac{U_{in}}{2}+\underset{n=1}{\overset{n=\infty }{\Sigma }}[a_n\cos (n\omega t+\frac{2\pi }{3})+b_n\sin (n\omega t+\frac{2\pi }{3})]\\ U_C=\frac{U_{in}}{2}+\underset{n=1}{\overset{n=\infty }{\Sigma }}[a_n\cos (n\omega t-\frac{2\pi }{3})+b_n\sin (n\omega t-\frac{2\pi }{3})]\end{array}\right.---\left(1.1\right)$式中：a_n、b_n为仅与电机转速及励磁有关的系数；ω为角频率；n为自然数U_p(p＝A，B，C)为相端电压；U_in为直流母线电压；定义两个轴相位均相差120°的坐标系ABC坐标系和abc坐标系，abc坐标系超前ABC坐标系α角度，即将ABC坐标系逆时针旋转α角度即可得到abc坐标系，分别将U_A、U_B、U_C向a、b、c轴进行投影，得到abc坐标系下的E_as、E_bs、E_cs；计算ABC坐标系在abc坐标系上的投影，得到abc坐标系下的E_as，E_bs和E_cs：$E_{as}=U_A\cos \alpha +U_B\cos (\frac{2\pi }{3}-\alpha )+U_C\cos (\frac{2\pi }{3}+\alpha )---\left(1.2\right)$(1)若开关管处于恒通控制策略下，端电压幅值特点如表1.1：表1.1为辨识出坐标变换后的非导通相端电压有明晰的换相过零点，且波形上升、下降沿过零点受干扰影响最小，需满足E_as(120°～240°)＝E_as(240°～360°)＜0且E_as(0～120°)＞0，则根据式(1.2)可得出以下约束公式：$U_{in}\cos (\frac{2}{3}\pi -\alpha )+\frac{U_{in}}{2}\cos (\frac{2}{3}\pi +\alpha )=\frac{U_{in}}{2}\cos \alpha +U_{in}\cos (\frac{2}{3}\pi +\alpha ),$E_as(120°～240°)＝E_as(240°～360°)；通过式(1.3)推导可知在开关管恒通控制策略下，当旋转角α＝30°时坐标矢量变换后的端电压波形只有正负两种值且该相的换相点就是坐标矢量变换后端电压的过零点，在该旋转角度30°下的捕获换相点最易辨识；(2)若开关管在上管斩波控制策略下，滤波后的端电压幅值特点如表1.2：表1.2为辨识出坐标变换后的非导通相端电压有明晰的换相过零点，且波形上升、下降沿过零点受干扰影响最小，需满足E_as(120°～240°)＝E_as(240°～360)°＜0且E_as(0～120°)＞0，则根据式(1.2)可得出以下约束公式：$\frac{U_{in}}{2}\cos (\frac{2}{3}\pi -\alpha )+\frac{U_{in}}{4}\cos (\frac{2}{3}\pi +\alpha )=\frac{U_{in}}{4}\cos \alpha +\frac{U_{in}}{2}\cos (\frac{2}{3}\pi +\alpha ),$E_as(120°～240°)＝E_as(240°～360°)；通过式(1.4)推导可知在开关管上管斩波控制策略下，最佳旋转角仍为30°，在此角度下进行坐标矢量变换后的端电压波形只有正负两种值，且过零点即为该相的换相时刻；(3)若开关管工作在下管斩波控制策略下，滤波后的端电压幅值特点如表1.3：表1.3为辨识出坐标变换后的非导通相端电压有明晰的换相过零点，且波形上升、下降沿过零点受干扰影响最小，需满足E_as(120°～240°)＝E_as(240°～360°)＜0且E_as(0～120°)＞0，则根据式(1.2)可得出以下约束公式：$\begin{array}{c}\frac{U_{in}}{2}\cos \alpha +U_{in}\cos (\frac{2}{3}\pi -\alpha )+\frac{3·U_{in}}{4}\cos (\frac{2}{3}\pi +\alpha )=\\ \frac{3·U_{in}}{4}\cos \alpha +\frac{U_{in}}{2}\cos (\frac{2}{3}\pi -\alpha )+U_{in}\cos (\frac{2}{3}\pi -\alpha ),\end{array}$E_as(120°～240°)＝E_as(240°～360°)；$\frac{U_{in}}{2}\cos \alpha +U_{in}\cos (\frac{2}{3}\pi -\alpha )+\frac{3·U_{in}}{4}\cos (\frac{2}{3}\pi +\alpha )<0,---\left(1.5\right)$E_as(120°～240°)＜0；$U_{in}\cos \alpha +\frac{3·U_{in}}{4}\cos (\frac{2}{3}\pi -\alpha )+\frac{U_{in}}{2}\cos (\frac{2}{3}\pi +\alpha )>0,$E_as(0～120°)＞0；通过式(1.5)推导可知在开关管下管斩波控制策略下，最佳旋转角亦为30°，在此角度下进行坐标矢量变换后的端电压波形只有正负两种值，且过零点即为该相的换相时刻点；因此针对不同的运行转速及控制策略，均可基于最佳固定旋转角30°进行坐标矢量变换，以捕获换相过零点。