專利名稱：四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置及方法，尤其適用于礦井牽弓I采煤機(jī)使用的四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
開關(guān)磁阻電動機(jī)(Switched Reluctance Motor，簡稱SRM)是雙凸極可變磁阻電動機(jī)。其定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊加而成。轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構(gòu)成一個兩極磁極，稱為“一相”。SRM可以設(shè)計成多種不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有不同搭配。基于SRM的特點(diǎn)，開關(guān)磁阻電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單牢固和控制方便靈活、具有較寬的轉(zhuǎn)速及功率范圍等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在牽引運(yùn)輸、通用工業(yè)、航空、家用電器等各個領(lǐng)域，已成為當(dāng)代電氣傳動的熱門課題之一。而位置檢測環(huán)節(jié)是開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，檢測到的位置信號既是繞組開通與關(guān)斷的依據(jù)，也為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制提供了轉(zhuǎn)速信息。目前，常見的做法是在SRM驅(qū)動系統(tǒng)引入位置傳感器，但是這樣增加了 SRM結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，增加了成本和潛在的不穩(wěn)定性，而且由于傳感器分辨率的限制，導(dǎo)致SRM驅(qū)動系統(tǒng)高速運(yùn)行性能下降。為此，出現(xiàn)了多種取消傳感器的位置測量方案，如專利申請?zhí)枮?009100317716公開的“一種適合高速的開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制方法”和專利申請?zhí)枮?010102387716公開的“一種開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計方法”，這兩種方法都是采用測量、監(jiān)視SR電動機(jī)一相或幾相繞組的電流和磁鏈或電感來推斷轉(zhuǎn)子的瞬時位置，即在給定運(yùn)行條件下，通過瞬時磁鏈Ψ或電感L的測量， 再由預(yù)先貯存的電動機(jī)磁化特性的Ψ(θ，i)數(shù)據(jù)表計算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)子即時位置。這兩種方法既能辨認(rèn)當(dāng)磁鏈Ψ (或L)越過特定閾值時所對應(yīng)的某特定參考位置(閾值對應(yīng)的位置通常是最大電感或最小電感位置處)，完成電動狀態(tài)下低速或高速運(yùn)行的開關(guān)磁阻電機(jī)相切換功能，并可構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)提高系統(tǒng)調(diào)速性能。但是這種位置估計方法沒有運(yùn)用到開關(guān)磁阻電機(jī)的四象限運(yùn)行，同時開關(guān)磁阻電機(jī)的電動模式、制動模式和兩種模式的切換控制也沒有實(shí)現(xiàn)，限制了其適用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置及方法。技術(shù)方案本發(fā)明的四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置，包括可控整流控制回路和有源逆變控制回路，可控整流控制回路和有源逆變控制回路之間連有直流電容器；所述的可控整流控制回路包括與三相交流電源連接的電源電壓檢測裝置和電源電流檢測裝置，電源電壓檢測裝置和電源電流檢測裝置的輸出端分別與整流主控制器的輸入端相連，整流主控制器的輸出端與整流側(cè)驅(qū)動裝置的輸入端相連，將交流電轉(zhuǎn)換為成恒定直流電，整流側(cè)驅(qū)動裝置與整流橋相連；
所述的有源逆變控制回路包括與三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)相連的不對稱半橋線路功率變換器，不對稱半橋線路功率變換器輸入端連有母線側(cè)電壓檢測裝置，其輸出端設(shè)有電流檢測裝置，母線側(cè)電壓檢測裝置和電流檢測裝置的輸出端分別與逆變主控制器的輸入端相連，逆變主控制器的輸出端通過逆變側(cè)驅(qū)動器連接不對稱半橋線路功率變換器。所述的整流主控制器、逆變主控制器均為TI公司的^12DSP處理器；所述的電源電壓檢測裝置、電源電流檢測裝置、母線側(cè)電壓檢測裝置和電流檢測裝置均為霍爾傳感器； 所述的整流側(cè)驅(qū)動裝置和逆變側(cè)驅(qū)動裝置均為CONCEPT公司的6SD106驅(qū)動模塊。一種四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制方法，包括以下步驟a.對三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)三相中的一相通電，檢測三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子對齊位置以及不對齊位置的電流值和電壓值，計算得到最大參考磁鏈Vrefjiax和最小參考磁鏈ψ ref_min ‘b.啟動三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)，逆變主控制器向不對稱半橋線路功率變換器發(fā)送高頻脈沖信號，將整流器12輸出的直流電壓變換成100 μ s的激勵脈沖輸入到三相12/8 開關(guān)磁阻電機(jī)的三相繞組中，得到相應(yīng)的三個響應(yīng)電流，比較三個響應(yīng)電流的大小決定導(dǎo)通相；C.三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)入電動狀態(tài)后，采用母線側(cè)電壓檢測裝置檢測得到的三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)時相電壓和三相電流傳感器檢測得到的實(shí)時相電流經(jīng)逆變主控制器計算得到電動狀態(tài)下的實(shí)時磁鏈，當(dāng)實(shí)時磁鏈Fest小于最大參考磁鏈_時，則重新檢測實(shí)時磁鏈Vest ；當(dāng)實(shí)時磁鏈U^st大于最大參考磁鏈Vref max時，則經(jīng)逆變主控制器關(guān)斷當(dāng)前相，開通下一相；d.通過逆變主控制器向母線側(cè)電壓檢測裝置發(fā)送關(guān)斷脈沖信號，關(guān)斷當(dāng)前工作相，逆變主控制器發(fā)送開通脈沖信號，開通當(dāng)前非工作相，三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)由電動狀態(tài)轉(zhuǎn)化到制動狀態(tài)；e.進(jìn)入制動狀態(tài)，等待一段封鎖時間Tw (0. 5ms)后，母線側(cè)電壓檢測裝置6檢測三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14的工作相的實(shí)時相電壓，電流檢測裝置8檢測工作相的實(shí)時相電流，經(jīng)逆變主控制器2計算得到制動狀態(tài)下的實(shí)時磁鏈當(dāng)實(shí)時磁鏈Fest大于最小參考磁鏈min，則重新檢測實(shí)時磁鏈Vest ；當(dāng)實(shí)時磁鏈Fest小于最小參考磁鏈Vref min，則經(jīng)逆變主控制器關(guān)斷當(dāng)前相，開通下一相。有益效果由于采用了上述技術(shù)方案，采用可控整流控制回路和有源逆變控制回路，僅需采集三個相電流信號和一個母線電壓信號，通過逆變主控制器的信號處理，產(chǎn)生脈沖驅(qū)動信號，實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的相切換控制，無需位置傳感器，不但具備傳統(tǒng)的位置估計方法的算法簡單快捷，無需附加硬件的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了此無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計方法在開關(guān)磁阻電機(jī)四象限的靈活應(yīng)用，拓寬了其適用范圍，同時實(shí)現(xiàn)了開關(guān)磁阻電機(jī)四象限電動狀態(tài)和制動狀態(tài)之間的靈活轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠耐用，具有廣泛的實(shí)用性。


圖1是無位置傳感器三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置系統(tǒng)圖。圖2是三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈-電流特性曲線圖。圖3是三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)繞組電感及轉(zhuǎn)子位置區(qū)域關(guān)系圖。圖4是三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)啟動時的軟件流程圖。圖5是三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。圖6是三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)四象限運(yùn)行區(qū)域圖。圖7是三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)電動狀態(tài)換相流程圖。圖8是三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)電動-制動狀態(tài)切換流程圖。圖9是三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)制動狀態(tài)換相流程圖。圖中1-整流主控制器，2-逆變主控制器，3-電源電壓檢測裝置，4-電源電流檢測裝置，5-整流側(cè)驅(qū)動裝置，6-母線側(cè)電壓檢測裝置，7-逆變側(cè)驅(qū)動裝置，8-電流檢測裝置， 9-三相交流電源，10-交流接觸器，11-電抗器，12-整流橋，13-不對稱半橋線路功率變換器，14-三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)，15-直流電容器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實(shí)施例作進(jìn)一步的說明如圖1所示，本發(fā)明的四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置，包括整流主控制器1、逆變主控制器2、電源電壓檢測裝置3、電源電流檢測裝置4、整流側(cè)驅(qū)動裝置5、 母線側(cè)電壓檢測裝置6、逆變側(cè)驅(qū)動裝置7、電流檢測裝置8、三相交流電源9、交流接觸器 10、電抗器11、整流橋12、不對稱半橋線路功率變換器13、三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14、直流電容器15 ；主要由可控整流控制回路和有源逆變控制回路構(gòu)成，直流電容器15連接在可控整流控制回路和有源逆變控制回路之間；整流主控制器1、逆變主控制器2均為TI公司的 2812DSP處理器，電源電壓檢測裝置3、電源電流檢測裝置4、母線側(cè)電壓檢測裝置6和電流檢測裝置8均為霍爾傳感器，整流側(cè)驅(qū)動裝置5和逆變側(cè)驅(qū)動裝置7均為CONCEPT公司的 6SD106驅(qū)動模塊。所述的可控整流控制回路包括與三相交流電源9連接的電源電壓檢測裝置3和電源電流檢測裝置4，經(jīng)電源電壓檢測裝置3和電源電流檢測裝置4分別采集三相電源9的電壓和電流信號，電源電壓檢測裝置3和電源電流檢測裝置4的輸出端分別與整流主控制器1的輸入端相連，將采集信息送入整流主控制器1進(jìn)行信號處理，整流主控制器1 的輸出端與整流側(cè)驅(qū)動裝置5的輸入端相連，將驅(qū)動信號送入整流側(cè)驅(qū)動裝置5，將交流電轉(zhuǎn)換為成恒定直流電，整流側(cè)驅(qū)動裝置5與整流橋12相連，整流側(cè)驅(qū)動裝置5發(fā)送六路驅(qū)動脈沖，驅(qū)動整流橋12中的六個絕緣柵雙極型晶體管可靠開通與關(guān)斷；所述的有源逆變控制回路包括與三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14相連的不對稱半橋線路功率變換器13，不對稱半橋線路功率變換器13輸入端連有母線側(cè)電壓檢測裝置6，其輸出端設(shè)有電流檢測裝置8，母線側(cè)電壓檢測裝置6和電流檢測裝置8的輸出端分別與逆變主控制器2的輸入端相連，逆變主控制器2的輸出端通過逆變側(cè)驅(qū)動器7連接不對稱半橋線路功率變換器13，逆變主控制器2進(jìn)行信號處理，將產(chǎn)生的驅(qū)動信號送入驅(qū)動裝置7，驅(qū)動裝置7發(fā)出六路驅(qū)動脈沖到不對稱半橋線路功率變換器13，實(shí)現(xiàn)三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)的相切換控制。本發(fā)明的四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制方法步驟如下1.對三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14三相中的一相通電，檢測三相12/8開關(guān)磁阻電
6機(jī)14的定子、轉(zhuǎn)子對齊位置以及不對齊位置的電流值和電壓值，計算得到不同電流等級下最大參考磁鏈_和最小參考磁鏈；圖2所示為無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置在正常運(yùn)行前離線測得的電動機(jī)磁化特性的Ψ ( θ，i)數(shù)據(jù)形成的三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈特性曲線簇，圖中可以看出三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14在同一電流值下，磁鏈隨角度的增大而增大，其中角度從0度到22. 5度。2.啟動三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14，逆變主控制器2向不對稱半橋線路功率變換器13發(fā)送高頻脈沖信號，將整流器12輸出的直流電壓變換成100 μ s的激勵脈沖輸入到三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14的三相繞組中，得到相應(yīng)的三個響應(yīng)電流，比較三個響應(yīng)電流的大小決定導(dǎo)通相。在三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14啟動狀態(tài)采用的控制策略為激勵脈沖法，由逆變主控制器2發(fā)送高頻脈沖信號通過逆變側(cè)驅(qū)動裝置7對不對稱半橋線路功率變換器13進(jìn)行控制，三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14啟動時，不對稱半橋線路功率變換器13依次對三相12/8 開關(guān)磁阻電機(jī)14的三相繞組發(fā)射100 μ s的激勵脈沖，并得到相應(yīng)的三個響應(yīng)電流，逆變主控制器2比較三個響應(yīng)電流的大小決定導(dǎo)通相；三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14正向運(yùn)行的起動工作相選擇規(guī)則見表1，在表中可以看到為了保證起動轉(zhuǎn)矩，對于三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14雖然運(yùn)行時為單相輪流導(dǎo)通，但在起動時有兩相繞組同時工作的情況。逆變主控制器 2獲得激勵相信息后就可以進(jìn)入正常運(yùn)行階段，具體流程如附圖4所示。表1三相12/8開關(guān)磁組電機(jī)正向運(yùn)行起動激勵相的選擇
權(quán)利要求
1.一種四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置，其特征在于它包括可控整流控制回路和有源逆變控制回路，可控整流控制回路和有源逆變控制回路之間連有直流電容器 (15)；所述的可控整流控制回路包括與三相交流電源(9)連接的電源電壓檢測裝置C3)和電源電流檢測裝置⑷，電源電壓檢測裝置⑶和電源電流檢測裝置⑷的輸出端分別與整流主控制器(1)的輸入端相連，整流主控制器(1)的輸出端與整流側(cè)驅(qū)動裝置(5)的輸入端相連，將交流電轉(zhuǎn)換為成恒定直流電，整流側(cè)驅(qū)動裝置(5)與整流橋(12)相連；所述的有源逆變控制回路包括與三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)(14)相連的不對稱半橋線路功率變換器(13)，不對稱半橋線路功率變換器(13)輸入端連有母線側(cè)電壓檢測裝置(6)， 其輸出端設(shè)有電流檢測裝置(8)，母線側(cè)電壓檢測裝置(6)和電流檢測裝置⑶的輸出端分別與逆變主控制器O)的輸入端相連，逆變主控制器O)的輸出端通過逆變側(cè)驅(qū)動器(7) 連接不對稱半橋線路功率變換器(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置，其特征在于， 所述的整流主控制器(1)、逆變主控制器(2)均為TI公司的^12DSP處理器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置，其特征在于， 所述的電源電壓檢測裝置(3)、電源電流檢測裝置G)、母線側(cè)電壓檢測裝置(6)和電流檢測裝置(8)均為霍爾傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置，其特征在于， 所述的整流側(cè)驅(qū)動裝置( 和逆變側(cè)驅(qū)動裝置(7)均為CONCEPT公司的6SD106驅(qū)動模塊。
5.一種四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制方法，其特征在于包括以下步驟a.對三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)(14)三相中的一相通電，檢測三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)(14)的定子、轉(zhuǎn)子對齊位置以及不對齊位置的電流值和電壓值，計算得到最大參考磁鏈 Vref^ax和最小參考磁鏈Vrefjlin ；b.啟動三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)(14)，逆變主控制器O)向不對稱半橋線路功率變換器(1 發(fā)送高頻脈沖信號，將整流器(1 輸出的直流電壓變換成100 μ s的激勵脈沖輸入到三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)(14)的三相繞組中，得到相應(yīng)的三個響應(yīng)電流，比較三個響應(yīng)電流的大小決定導(dǎo)通相；c.三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)(14)進(jìn)入電動狀態(tài)后，采用母線側(cè)電壓檢測裝置(6)檢測得到的三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)(14)的實(shí)時相電壓和三相電流傳感器⑶檢測得到的實(shí)時相電流經(jīng)逆變主控制器( 計算得到電動狀態(tài)下的實(shí)時磁鏈，當(dāng)實(shí)時磁鏈小于最大參考磁鏈_時，則重新檢測實(shí)時磁鏈當(dāng)實(shí)時磁鏈大于最大參考磁鏈_時，則經(jīng)逆變主控制器(2)關(guān)斷當(dāng)前相，開通下一相；d.通過逆變主控制器O)向母線側(cè)電壓檢測裝置(13)發(fā)送關(guān)斷脈沖信號，關(guān)斷當(dāng)前工作相，逆變主控制器(2)發(fā)送開通脈沖信號，開通當(dāng)前非工作相，三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī) (14)由電動狀態(tài)轉(zhuǎn)化到制動狀態(tài)；e.進(jìn)入制動狀態(tài)，等待一段封鎖時間Tw(0.5ms)后，母線側(cè)電壓檢測裝置6檢測三相 12/8開關(guān)磁阻電機(jī)14的工作相的實(shí)時相電壓，電流檢測裝置8檢測工作相的實(shí)時相電流， 經(jīng)逆變主控制器2計算得到制動狀態(tài)下的實(shí)時磁鏈當(dāng)實(shí)時磁鏈大于最小參考磁鏈Vrefjlin，則重新檢測實(shí)時磁鏈； 當(dāng)實(shí)時磁鏈小于最小參考磁鏈min，則經(jīng)逆變主控制器⑵關(guān)斷當(dāng)前相，開通下一相。
全文摘要
一種四象限無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制裝置及方法，尤其適用于礦井牽引采煤機(jī)，裝置主要由可控整流控制回路和有源逆變控制回路，可控整流控制回路和有源逆變控制回路之間連接的直流電容器構(gòu)成。向開關(guān)磁阻電機(jī)三相繞組中輸入高頻脈沖信號，確定激勵相，啟動開關(guān)磁阻電機(jī)，并通過檢測的相電壓和相電流信號，計算得到電動狀態(tài)下的實(shí)時磁鏈ψest，與參考磁鏈進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)電動狀態(tài)下的換相。通過逆變主控制器發(fā)送脈沖信號，關(guān)斷工作相，開通非工作相，實(shí)現(xiàn)電動狀態(tài)到制動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。無需位置傳感器就能實(shí)現(xiàn)四象限開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方法簡便，效果好。
文檔編號H02P6/18GK102291068SQ201110197279
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者代尚方, 張旭隆, 李大鵬, 蒯松巖, 譚國俊 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)