CN101604946B - 一种适合高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种适合高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，属开关磁阻电机控制技术领域。本发明根据开关磁阻电机控制的特点，转子位置检测可以简化为换相位置的检测。通过建立关于换相位置的磁链(参考磁链)与定、转子对齐位置磁链的非线性关系的模糊模型，只要存储定、转子对齐位置的磁链-电流特性曲线，就可得到任意给定的经综合考虑转矩、输出效率而选择的合理换相位置θ_h处的参考磁链。将实时检测的磁链与优化的参考磁链进行比较，就可以得到相应的换相信号。本发明不但具备简化磁链法的所需内存小、算法简单快速、无需附加硬件等优点，而且可以根据电机运行特性优化选择合理的换相位置，非常适合高速运行时的位置检测。

Description

一种适合高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法

技术领域

发明涉及一种适合高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，属于开关磁阻电机控制技术领域。

背景技术

开关磁阻电机(SRM)结构简单坚固，具有成本低，工作可靠，控制灵活，运行效率高，容错能力强等特点，在某些特殊应用领域具有独特的应用优势。在民用、工业应用和航空航天等军事应用场合，已逐步得到广泛关注，应用前景光明。

位置检测环节是开关磁阻电机调速系统(SRD)的重要组成部分之一。传统的位置检测方法是通过安装位置传感器，主要利用光电、电磁、磁敏等原理来获取转子位置信息。位置传感器的存在，增加了系统的复杂性，安装和调试方案复杂，削弱了电机结构简单的优势，可靠性降低，同时增加了系统成本。另外，由于传感器易受环境因素的影响，稳定性不高，在高温高速等苛刻工作环境下，位置传感器无法正常工作，从而严重限制了SRM的应用范围。因此，采用无位置传感器技术对降低系统成本、提高系统可靠性具有重要的意义。

SRM无位置传感器技术已经成为国际上SRM研究领域的热点。各国学者提出了多种无位置方案。目前已提出的开关磁阻电机无位置或间接位置检测方案的主要思想都是基于SRM的机械时间常数(t_mec)远大于电时间常数(t_elec)的特点，SR电机内部的磁场状态是关于其转子相对位置的函数。通过求解相电压方程，就能获得以磁链、电感、反电势等形式隐藏起来的编码的转子位置信息。典型无位置技术方案有基于磁链法、简化磁链法、电流波形监测法、互感电压法、磁链/电流法和观测器法，以及基于电感模型、探测线圈技术和基于模糊神经网络控制的方案等。

其中传统的磁链法和简化磁链法原理最为简单，且较易于实现。传统的磁链法需要建立并存储一个三维表，数据获取的工作量大，且占内存大，计算时间长。简化磁链法为克服传统磁链法的缺点，提高算法的实用性，进行了相应的简化。转子位置检测简化为换相位置检测，只需要将实时估计磁链与换相位置的参考磁链进行比较，就可以得到相应的换相信号。由于换相位置一般靠近定转子对齐位置，因此换相位置的磁链一电流特性曲线与对齐位置的磁链一电流特性曲线接近且形状类似。只需要测试并存储对齐位置的磁链一电流曲线，与一个小于1的系数K相乘就可以得到参考磁链特性曲线。该算法只需要测量并存储一条磁链特性曲线，然后查寻二维表，故其储量小，算法简单，且无需附加硬件。但是该算法的缺点是其只能对固定换相位置进行检测，而不能根据电机运行特性优化选择合理换相位置，不适合SRM高速运行时角度位置控制，因此不利于电机的优化控制，限制了其适用范围。

发明内容

本发明要解决的问题是克服简化磁链法不能根据电机运行特性优化选择最佳换相位置而不适合电机高速运行角度位置控制方式的缺点，拓宽简化磁链法的适用范围，得到一种适合电机高速领域的无位置传感器技术。即通过改变简化磁链法中的K值选取的策略，实现换相位置可调的无位置传感器控制策略，使得电机高速运行角度位置控制模式下仍能够精确的检测换相位置。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

其特征在于所述控制方法包含以下步骤：

1)利用控制系统分别检测SRM定、转子对齐位置以及给定的样本换相位置处的磁链-电流特性；同时计算在相同电流下换相位置磁链与定、转子对齐位置磁链ψ_a的比值为K，并存储对齐位置的磁链-电流特性；

2)利用模糊算法建立关于K值与换相位置角以及相电流之间的非线性模糊控制器，其输入分别为换相位置角和相电流，输出为K值；

3)结合开关磁阻电机转矩和输出效率，利用数字仿真得到合理的换相位置作为位置检测的参考位置；

4)将电流检测及调理电路检测得到的开关磁阻电机实时相电流和步骤3所述的参考位置经过步骤2所述的模糊控制器得到优化的K值，将优化的K值乘以步骤1所述的已存储的定、转子对齐位置磁链ψ_a得到实时的参考位置磁链ψ_h；

5)采用电压检测及调理电路检测得到的开关磁阻电机实时相电压和步骤4所述的实时相电流经控制系统计算得到实时磁链ψ_i：

当实时磁链ψ_i小于参考磁链ψ_h，则返回步骤4；

当实时磁链ψ_i大于或等于参考磁链ψ_h，则经控制系统关断当前相，开通下一相，同时下一相作为检测相。根据以上算法得到的SRM各相换相信号脉冲数可以计算出电机当前转速n。

本发明不但具备简化磁链法的所需内存小、算法简单快速、无需附加硬件等优点，而且可以根据电机运行特性优化选择合理换相位置，非常适合高速运行时的位置检测。

附图说明

图1为传统的位置传感器安装示意图。

P、Q、R为三个位置传感器，安装的位置相差120°机械角度。

图2为开关磁阻电机调速系统框图。

图3为开关磁阻电机磁链计算流程图。

图4为一12/8结构开关磁阻电机样机K值与换相位置和电流关系曲线。

图5为样机K值与电流关系曲线。

图6为样机K值与换相位置角关系曲线。

图7为K值样本的获取过程框图。

其中：ψ_a为定转子对齐位置的磁链，ψ_h为换相位置磁链值。

图8为本发明无位置传感器算法框图。

其中：ψ_i为实时磁链，ψ_a为定转子对齐位置的磁链，ψ_h为换相位置磁链值。

图9为模糊控制器框图。

具体实施方式

本发明通过改变传统的简化磁链法中的K值选取策略，可以实现开关磁阻电机换相位置可调的无位置传感器控制，从而使得电机高速时角度位置控制模式下仍能够精确的检测到换相位置。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1为传统的位置传感器安装示意图。位置传感器通常和电机是一体的，主要功能是提供转子相对于定子位置信息，这些信息是电机数字控制的基础，经过控制器综合各种控制策略后形成功率变换器的驱动信号，从而决定导通相，并计算电机实时转速。位置检测器有电磁式、光电式、磁敏式等多种类型，SR电机位置传感器一般要求定位精确、安装调节方便、工作可靠、抗干扰能力强、能在恶劣环境下工作等，位置检测器的检测精度对SR电机调速系统的效率等运行性能有着直接影响。在开关磁阻电机中最常见的是选择采用光电式位置检测器。位置检测器的转盘与电机的转子同轴，以12/8结构电机为例，转盘为8齿槽结构，齿槽等宽均为22.5度，三只光电传感器固定在电机机壳上，它们之间相隔120度。这样当转子翼片进入检测点时，传感器光路被阻断，光敏三极管截止，输出为高电平，当没有翼片通过检测点时，输出为低电平，由此得到转子位置信号。将位置传感器信号经过整形电路处理，输出相差15度的方波信号P、Q、R。可以通过DSP的捕获口三个引脚CAP1、CAP2、CAP3分别来捕获这3路信号。位置传感器的存在，增加了系统的复杂性，安装和调试方案复杂，削弱了电机结构简单的优势，可靠性降低，同时增加了系统成本。因此需要研究高性能的无位置传感器技术。

图2为开关磁阻电机调速系统框图。开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机(SRM)、功率变换器、控制系统(DSP+CPLD)、位置传感器以及电压电流检测和保护电路等组成。其中控制器是系统的核心，对检测信号进行采集、计算和处理，完成相关的控制算法，从而输出相应的控制信号。本发明中的磁链计算和无位置传感器技术的算法均由控制器来完成，无需添加额外硬件。相电流和相绕组电压由电压、电流传感器(LEM)来检测。位置信号可以采用位置传感器来检测或无位置传感器技术。系统框图中的转矩测试仪可以测量电机的转矩特性，制动器和旋转分度仪用来为磁链特性的测量固定电机转子的位置。

图3为开关磁阻电机磁链计算流程图。测量磁链所需要的实验设备有：开关磁阻电机及其功率系统和控制系统，电流电压检测和调理电路，以及机械分度仪。在SR电机的转轴上同轴安装机械分度仪，并将SR电机固定在给定的转子位置上。基于DSP的磁链测量和计算流程如下：

1.SR电机的待测绕组施加短时的低压直流脉冲，使电机旋转到其平衡位置，并用分度仪使之固定在该位置，作为测试的起点；

2.校准电流和电压传感器；

3.短时间开通待测相开关管，使SRM的待测绕组预热，接近正常运行时绕组的温度状态；

4.开通检测相开关管，在DSP中启动A/D采样程序，测量电机的绕组端电压和相电流；

5.根据积分式计算磁链大小。其中一相绕组的磁链表达式为：

${\mathrm{\ψ}}_k\left(t\right)={\∫}_0^t(v_k\left(t\right)-R_k{i}_k\left(t\right))\mathrm{dt}+{\mathrm{\ψ}}_k\left(0\right)$

其中ψ_k为第k相绕组磁链，v_k为第k相绕组端电压，R为第k相绕组等效电阻，i_k第k相绕组电流。应用数值积分法，可以将上式离散化为：

${\mathrm{\ψ}}_k\left(n\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[v_k\left(n\right)-R_k{i}_k\left(n\right)]T+{\mathrm{\ψ}}_k\left(0\right)$

其中T为采样周期，N为测量的点个数，n为第n测量点。

6.存储得到的磁链数据

7.改变电机转子位置并重新固定，重复以上步骤。

图4为一12/8结构开关磁阻电机样机K值与换相位置和电流关系曲线；图5为样机K值与电流关系曲线；图6为样机K值与换相位置角关系曲线。其中K值为换相位置磁链值ψ_h与定转子对齐位置的磁链ψ_a的比值。如图所示，K值与相电流以及换相位置角呈非线性关系，K值随相电流的增大而增大趋近于1；当换相位置越接近定转子对齐位置，K值越接近于1。

图7为K值样本的获取过程框图。根据电机运行特性优化选择几组合理的换相位置，利用图3所示的磁链计算流程计算出换相位置以及对齐位置的磁链-电流特性曲线。然后得到换相位置磁链值与定转子对齐位置磁链值在相同电流下的比值K，并存储对齐位置的磁链-电流特性曲线。

图8为本发明无位置传感器算法框图。其特征在于该算法主要由以下几个步骤组成：

1)利用控制系统分别检测SRM定、转子对齐位置以及给定的样本换相位置处的磁链-电流特性；同时计算在相同电流下换相位置磁链与定、转子对齐位置磁链ψ_a的比值为K，并存储对齐位置的磁链-电流特性；

2)利用模糊算法建立关于K值与换相位置角以及相电流之间的非线性模糊控制器，其输入分别为换相位置角和相电流，输出为K值；

3)结合开关磁阻电机转矩和输出效率，利用数字仿真得到合理的换相位置作为位置检测的参考位置；

4)将电流检测及调理电路检测得到的开关磁阻电机实时相电流和步骤3所述的参考位置经过步骤2所述的模糊控制器得到优化的K值，将优化的K值乘以步骤1所述的已存储的定、转子对齐位置磁链ψ_a得到实时的参考位置磁链ψ_h；

5)采用电压检测及调理电路检测得到的开关磁阻电机实时相电压和步骤4所述的实时相电流经控制系统计算得到实时磁链ψ_i：

当实时磁链ψ_i小于参考磁链ψ_h，则返回步骤4；

当实时磁链ψ_i大于或等于参考磁链ψ_h，则经控制系统关断当前相、开通下一相，同时下一相作为检测相。根据以上算法得到的SRM各相换相信号脉冲数可以计算出电机当前转速n。

其中步骤1可根据图3和图7的所示的流程框图来完成。

步骤2中运用模糊算法来描述K值与换相位置角以及电流之间的非线性关系，从而得到相应的模糊控制器对K值进行估计。

采用模糊算法的主要优势体现在：它不需要数学模型，模糊算法提供了一种不用数学模型来进行估计和建模的途径；非常适合未知系统和因非线性或其它原因难于建模的系统；不需要大的查询表，存储需求低；模糊模型不需要复杂的数学模型，只需要进行相对简单的规则处理的数学计算。从实时性的角度，模糊算法也是一种理想的选择。

由图4、5、6可知K值是关于换相位置角θ_h和相电流i的非线性函数，采用常规的数学建模的方法难以得到简便而精确的数学模型，然而模糊算法能够非常精确的对K值进行建模。图9为本发明算法中模糊控制器框图。

步骤1为建立K-i-θ_h的模糊推理关系提供了训练样本数据。该训练数据被定义为两个输入和一个输出的数据对，输入分别为换相位置角和电流，输出为K值。

训练步骤可为：

1.对输入、输出变量进行模糊化。换相位置角θ_h和电流i作为输入变量，K值作为输出变量，根据各变量的取值范围分别进行模糊分割。

2.建立以K-i-θ_h关系为基础的模糊推理规则。

3.获得模糊规则的试用度。

4.根据经验建立模糊规则库。

经过以上步骤，可以建立起关于K-i-θ_h关系的非线性模糊模型。不断调整模糊规则，可以对该模型进行适当的优化。利用该模糊模型，对于任意给定的经综合考虑转矩、输出效率而选择的合理换相位置θ_h和实时的相电流i都可以得到优化的K值。之后经步骤4和5即可实现本发明的无位置传感器算法。该算法不但具备简化磁链法的所需内存小、算法简单快速、无需附加硬件等优点，而且可以根据电机运行特性优化选择合理换相位置，非常适合高速运行时的位置检测。

Claims (1)

1.一种适合高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于所述控制方法包含以下步骤：

1)利用控制系统分别检测开关磁阻电机定、转子对齐位置以及给定的样本换相位置处的磁链-电流特性；同时计算在相同电流下换相位置磁链与定、转子对齐位置磁链ψ_a的比值为K，并存储对齐位置的磁链-电流特性；

2)利用模糊算法建立关于K值与换相位置角以及相电流之间的非线性模糊控制器，其输入分别为换相位置角和相电流，输出为K值；

3)结合开关磁阻电机转矩和输出效率，利用数字仿真得到合理的换相位置作为位置检测的参考位置；

4)将电流检测及调理电路检测得到的开关磁阻电机实时相电流和步骤3所述的参考位置经过步骤2所述的模糊控制器得到优化的K值，将优化的K值乘以步骤1所述的已存储的定、转子对齐位置磁链ψ_a得到实时的参考位置磁链ψ_h；

5)采用电压检测及调理电路检测得到的开关磁阻电机实时相电压和步骤4所述的实时相电流经控制系统计算得到实时磁链ψ_i：

当实时磁链ψ_i小于参考磁链ψ_h，则返回步骤4；

当实时磁链ψ_i大于或等于参考磁链ψ_h，则经控制系统关断当前相，开通下一相，同时下一相作为检测相。

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