CN101697469B - 一种无轴承开关磁阻电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种无轴承开关磁阻电机无位置传感器控制方法，属于无轴承开关磁阻电机的控制技术领域。本发明根据无轴承开关磁阻电机导通相主绕组电感上升区和下降区电感与位置角的一一对应关系，通过查询电感-位置表格的方法得到实时的位置角。根据空载和负载控制的特点，通过比较主绕组实时电感与换相位置的电感的大小来实现换相控制。该方法不需要额外增添任何硬件电路，算法简单可行，可以为无轴承开关磁阻电机的悬浮和转矩控制提供准确的位置信号和换相信号，控制非常灵活。提高了无轴承开关磁阻电机的整体性能。

Description

一种无轴承开关磁阻电机无位置传感器控制方法

技术领域

发明涉及一种无轴承开关磁阻电机无位置传感器控制方法，属于无轴承开关磁阻电机的控制技术领域。

背景技术

开关磁阻电机运行时需要准确的转子位置信息，因此引入了位置传感器。它的引入不仅提高了系统的成本和复杂程度，更重要的是会降低系统结构的坚固性，影响电机的可靠运行，尤其是在某些恶劣的应用环境下。因此如何去掉位置传感器，使系统结构更坚固，运行更可靠，成本更低廉是开关磁阻电机研究的关键技术之一。

无轴承开关磁阻电机(BSRM)是利用磁轴承结构与电机定子结构的相似性，将悬浮绕组集成到电机中，从而同时实现转子的旋转和悬浮控制。将无轴承技术应用于开关磁阻电机不仅可充分发挥其高速适应性，而且由于对转子径向位置的控制而有望改善其因不对称磁拉力造成的振动和噪声问题。无轴承开关磁阻电机同样存在引入位置传感器带来的问题，然而由于无轴承电机系统控制方式的特殊性，决定了要实现该系统的无位置技术不能只是普通开关磁阻电机的位置检测方法的简单移植。目前无轴承开关磁阻电机无位置技术的研究处于起始阶段，无位置技术的引入无疑将大大提高无轴承开关磁阻电机的整体性能。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有技术存在的缺陷，利用BSRM主绕组电感与转子位置角之间的相关规律，同时结合BSRM的空、负载控制的特点，从而得到实时的转子位置信息，以及主绕组的换相信号，提供一种无轴承开关磁阻电机无位置传感器控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

无轴承开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：根据无轴承开关磁阻电机主绕组电感的数学模型：

$L_m\≈2N_m^2\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{hr}(\mathrm{\π}-12|\mathrm{\θ}\left|\right)}{6l_{g0}}+\frac{4{\mathrm{\μ}}_{0}h}{\mathrm{\π}}\ln \left(\frac{{\mathrm{\πr}}^2{\mathrm{\θ}}^2+{\mathrm{rl}}_{g0}(\mathrm{\π}+2)\left|\mathrm{\θ}\right|+2l_{g0}^2}{2l_{g0}^2}\right)\\ -\frac{4{\mathrm{\μ}}_{0}h}{\mathrm{\π}(\mathrm{\π}-2)}\ln \left(\frac{\mathrm{\π}{r}^2{\mathrm{\θ}}^2+r{l}_{g0}(\mathrm{\π}+2)\left|\mathrm{\θ}\right|+2l_{g0}^2}{2{\left(r\right|\mathrm{\θ}|+l_{g0})}^2}\right)\end{array}\right),$ 得到主绕组电感

L_m与转子位置角θ的关系表：

无轴承开关磁阻电机空载运行时，电感上升区表：-7.5°～0°，电感下降区表：0°～7.5°；

无轴承开关磁阻电机负载运行时，电感上升区表：-15°～0°，电感下降区表：0°～15°；

其中 $-\frac{\mathrm{\π}}{12}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{12},$ N_m为主绕组匝数，μ₀是空气的磁导率，h是转轴的轴向长度，l_g0为转子未偏心时的平均气隙长度，r为转子极的半径；

第二步：通过传感器检测得到导通相的主绕组电流和电压，利用磁链积分计算磁链大小：

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

其中ψ_k为第k相主绕组磁链，v_k为第k相主绕组端电压，R_k为第k相主绕组等效电阻，i_k第k相主绕组电流；将所述导通相主绕组的磁链除以导通相主绕组的电流即得到主绕组实时电感；

第三步：(a)当所述无轴承开关磁阻电机空载运行时，若此时处于主绕组电感上升区，查询第一步所述关系表的-7.5°～0°处得到此时的转子位置角θ；若此时处于主绕组电感下降区，经过第二步得到此时的主绕组实时电感，根据所述的此时主绕组实时电感查询第一步所述关系表的0°～7.5°处得到此时的转子位置角θ；

当所述无轴承开关磁阻电机空载运行时，固定在-7.5°～7.5°处开通主绕组，关断角位置为7.5°；在主绕组电感下降区，若所述的此时主绕组实时电感大于主绕组关断角位置电感L_i(7.5°)，则该相主绕组继续导通，否则，关断该相主绕组同时开通下一相主绕组，其中i表示导通的主绕组；

(b)当所述无轴承开关磁阻电机负载运行时，若此时处于主绕组电感上升区，查询第一步所述关系表的-15°～0°处得到此时的转子位置角θ；若此时处于主绕组电感下降区，根据第二步得到的此时主绕组实时电感查询第一步所述关系表的0°～15°处得到此时的转子位置角θ；

在主绕组电感下降区，当所述的此时主绕组实时电感大于关断角

处的电感

则该相主绕组继续导通，否则，关断该相主绕组同时开通下一相主绕组，其中θ_m为超前角。

本发明方法不需要额外增添任何硬件电路，算法简单可行，可以为无轴承开关磁阻电机的悬浮和转矩控制提供准确的位置信号和换相信号，控制非常灵活，有利于提高无轴承开关磁阻电机的整体性能。

附图说明

图1为无轴承开关磁阻电机系统框图。

图2为传统的位置传感器安装示意图。

其中P、Q、R为三个位置传感器。

图3为空载运行BSRM无位置传感器控制框图。

图4为θ_on＝-7.5°时三相绕组电感、磁链、电流及A相绕组电流电磁转矩示意图。

图5为主绕组电感-角度表格的获取。

图6为BSRM空载运行时A相位置信号获取流程。

图7为BSRM空载运行时C相位置信号获取流程。

图8为BSRM空载运行时B相位置信号获取流程。

图9方波电流控制策略超前角和绕组电流计算结果，(a)理想超前角θ_m ^*(b)主绕组电流i_m ^*，(c)悬浮绕组电流i_s ^*。

图10为负载运行BSRM无位置传感器控制系统框图。

图11为方波电流控制策略绕组电感、磁链和电流示意图。

图12为BSRM负载运行时A相位置信号获取流程。

图13为BSRM负载运行时C相位置信号获取流程。

图14为BSRM负载运行时B相位置信号获取流程。

具体实施方式

本发明根据主绕组电感与转子位置角的特定关系，以及BSRM空载和负载运行的特点，同时可以得到转子的实时位置和主绕组的换相信号。利用该方法可以实现BSRM的无位置传感器运行。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1为无轴承开关磁阻电机系统框图，主要包括电机本体、DSP控制单元、CPLD逻辑控制单元、功率变换器、传感器检测单元、PID调节单元、保护单元和相关辅助电路等。

图2为传统的位置传感器安装示意图，系统中采用的是光电式位置检测器。转子角度传感器安装在定子上，由三个光电开关A、B、C组成，AB之间、BC之间间隔60度。与转子同轴的转盘为8个齿，齿槽弧度相等，为22.5度。通过检测器转盘与电机转子相对位置的调整固定，利用基本信号的上下跳变作为参考的基准信息，得到三相的基本触发信号。

图3为空载运行BSRM无位置传感器控制框图。其中虚线框内的部分均由DSP和CPLD来实现。整个系统主要分为4大部分：电机本体部分、无位置传感器位置检测部分、主绕组控制部分以及悬浮绕组控制部分。

无位置传感器位置检测部分：利用电流传感器和电压传感器检测到的主绕组电流和电压信号，经DSP通过本发明采用的无位置算法而得到主绕组的换相信号以及转子的实时位置信号。

主绕组控制部分：利用本发明无位置传感器算法，经DSP实时计算转子实际速度和转子的位置角后，采用PI调节实时改变控制转矩大小的主绕组电流从而调节转速。根据主绕组换相信号以及电流传感器检测的主绕组电流大小进行逻辑运算，输出A、B、C三相主绕组的开通关断信号。

悬浮绕组控制部分：由电涡流位移传感器检测到转子偏离中心位置，位移偏移量经位置PI D控制器调节，输出把转子拉回到中心位置的悬浮力给定值F_α和F_β。此时的F_α和F_β是电机转子在水平和竖直方向所需要的悬浮力，将这两个方向的悬浮力分配给电机的三相绕组，使电机的每相绕组独立工作时，其绕组电流产生的力等效于F_α和F_β。DSP根据悬浮力公式计算出每一时刻悬浮绕组电流的给定值i_a1、i_a2、i_b1、i_ib、i_c1、i_c2，并且根据转子位置角和电流传感器检测的各悬浮绕组电流的大小进行逻辑运算，输出悬浮绕组开通关断信号。

图4θ_on＝-7.5°时三相绕组电感、磁链、电流及A相绕组电流电磁转矩示意图。传统的无轴承开关磁阻电机选择单相导通的工作方式，每相导通宽度为T＝15°。电机在理想空转矩负载下运行时，绕组电流产生的平均电磁转矩应为零。以A相为例说明，要求产生正负转矩的区域各占一半，正负电磁转矩相互抵消，既可满足平均电磁转矩为零的条件，又为实现转矩空载下的稳定悬浮提高了必要条件，因此A相绕组的开通角选择为-7.5°，则关断角为7.5°。图4所示为A相绕组开通角为-7.5°时三相绕组的电感曲线、三相主绕组磁链波形、理想的主、悬浮绕组电流波形和A相绕组电磁转矩波形的示意图。

图5为主绕组电感-角度表格的获取过程。以A相绕组为例，利用主绕组电感的数学模型，可以得到关于主绕组电感与转子位置角的关系表格。数学模型中，N_m为主绕组匝数，μ₀是空气的磁导率，h是轴向长度，l_g0为转子未偏心时的平均气隙长度，θ是转子位置角，L_ma为A相主绕组N_ma的自感，α和β分别代表转子在α轴和β轴上的位移，l_g0相对于α和β来说足够大。

图6～8为BSRM空载运行时A～C～B三相位置信号获取流程，即本发明的BSRM空载状态无位置算法。其主要包含以下几个步骤：

1.通过检测导通相的主绕组电流和电压，利用磁链积分可以得到主绕组磁链。将磁链除以电流即得到主绕组实时电感；

2.判断此时处于电感上升区还是电感下降区；

3.空载运行时，若此时处于电感上升区，查询-7.5°～0°电感-位置角表格，可以得到此时的位置角信息；若此时处于电感下降区，计算此时的实时电感，通过查询0°～7.5°电感-位置角表格，得到此时的位置角信息；空载运行时为固定-7.5°～7.5°开通，主绕组关断角位置为7.5°，在电感下降区比较实时电感与该位置电感L_i(7.5°)大小，若前者大于后者，则该相主绕组继续导通，反之，关断该相同时开通下一相；

图9为基于实验样机参数，计算出的理想超前角θ_m、主绕组电流i_m和悬浮绕组电流i_s优化结果。α和β方向合成径向悬浮力幅值F的变化范围为[0，200N]，平均转矩T_avg变化范围为[0，0.6N·m]，主绕组电流的限值为20A，悬浮绕组电流限值为15A。

图10为负载运行BSRM无位置传感器控制系统框图。与图3相似，整个系统分为4大部分：电机本体部分、无位置传感器位置检测部分、主绕组控制部分以及悬浮绕组控制部分。

其中虚线框内由数字控制实现，与空载运行策略不同在于，框图中的TABLE为一个查表环节，该查表环节是根据α和β方向的悬浮力合成幅值F和平均转矩T_avg这两个量查出理想主绕组电流i_m ^*和理想超前角θ_m ^*，表格中存放着图9事先计算好的数据。通过理想的主绕组电流、理想超前角信息以及本发明的无位置算法得到的位置信号来实现主悬浮绕组电流的控制。

图11为方波电流控制策略绕组电感、磁链和电流示意图。超前角θ_m，其含义为：绕组电流中点与定转子齿轴线对齐位置间的距离，如图11所示。引入超前角θ_m后，开通角θ_on和关断角θ_off可分别由θ_m来表示。开通角θ_on可以表示为： ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{on}}=-\frac{\mathrm{\π}}{24}-{\mathrm{\θ}}_m,$ 关断角θ_off可以表示为： ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{off}}=\frac{\mathrm{\π}}{24}-{\mathrm{\θ}}_m.$ 从图中还可以看出，主绕组电流为方波形状，悬浮绕组电流则与电机旋转位置有关。此时关断角不再像空载时固定为7.5°，而与电机所需的转矩和悬浮力有关。

图12～14为BSRM负载运行时A～C三相位置信号获取流程，即本发明的BSRM负载状态无位置算法，其主要包含以下几个步骤：

1.通过检测导通相的主绕组电流和电压，利用磁链积分可以得到主绕组磁链。将磁链除以电流即得到主绕组实时电感；

2.判断此时处于电感上升区还是电感下降区；

3.负载运行时，若此时处于电感上升区，查询-15°～0°电感-位置角表格，可以得到此时的位置角信息；若此时处于电感下降区，计算此时的实时电感，通过查询0°～15°电感-位置角表格，得到此时的位置角信息；负载运行时，需要根据超前角信息θ_m来调节导通相开通关断角，在电感下降区，比较实时电感与关断角

处的电感

的大小，若前者大于后者，则该相继续导通，反之，关断该相同时开通下一相。

Claims (1)

1.一种无轴承开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：根据无轴承开关磁阻电机主绕组电感的数学模型：

得到主绕组电感L_m与转子位置角θ的关系表：

无轴承开关磁阻电机空载运行时，电感上升区表：-7.5°～0°，电感下降区表：0°～7.5°；

无轴承开关磁阻电机负载运行时，电感上升区表：-15°～0°，电感下降区表：0°～15°；

其中

N_m为主绕组匝数，μ₀是空气的磁导率，h是转轴的轴向长度，l_g0为转子未偏心时的平均气隙长度，r为转子极的半径；

第二步：通过传感器检测得到导通相的主绕组电流和电压，利用磁链积分计算磁链大小：

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

其中ψ_k为第k相主绕组磁链，v_k为第k相主绕组端电压，R_k为第k相主绕组等效电阻，i_k第k相主绕组电流；将所述导通相主绕组的磁链除以导通相主绕组的电流即得到主绕组实时电感；

第三步：(a)当所述无轴承开关磁阻电机空载运行时，若此时处于主绕组电感上升区，通过第二步检测得到的主绕组实时电感查询第一步所述关系表的-7.5°～0°处得到此时的转子位置角θ；若此时处于主绕组电感下降区，经过第二步得到此时的主绕组实时电感，根据所述的此时主绕组实时电感查询第一步所述关系表的0°～7.5°处得到此时的转子位置角θ；

当所述无轴承开关磁阻电机空载运行时，固定在-7.5°～7.5°处开通主绕组，关断角位置为7.5°；在主绕组电感下降区，若所述的此时主绕组实时电感大于主绕组关断角位置电感L_i(7.5°)，则该相主绕组继续导通，否则，关断该相主绕组同时开通下一相主绕组，其中i表示导通的主绕组；

(b)当所述无轴承开关磁阻电机负载运行时，若此时处于主绕组电感上升区，通过第二步检测得到的主绕组实时电感查询第一步所述关系表的-15°～0°处得到此时的转子位置角θ；若此时处于主绕组电感下降区，根据第二步得到的此时主绕组实时电感查询第一步所述关系表的0°～15°处得到此时的转子位置角θ；

在主绕组电感下降区，当所述的此时主绕组实时电感大于关断角处的电感

则该相主绕组继续导通，否则，关断该相主绕组同时开通下一相主绕组，其中θ_m为超前角。

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