CN101902189A - 一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位和起动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位和起动方法，属开关磁阻电机控制技术领域。本发明是基于开关磁阻电机的电感随转子位置周期性变化的基本特点，设置电感底部阀值L_Low和顶部阀值L_High；向各相绕组注入短时脉冲，利用相电压方程计算电感值；根据各相电感计算值与L_Low和L_High的大小关系，判断当前可开通相，同时选择初始位置角估计相；建立相电感数学模型，在所选估计相中利用电感数学模型与电感计算值关系得到角度信息。该方法可以精确得到初始导通相选择信号，同时可以计算出转子初始位置角，因此可以实现开关磁阻电机的无位置传感器起动和初始定位，算法简单，通用性强。

Description

一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位和起动方法

技术领域

发明涉及一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位和起动方法，属于开关磁阻电机控制技术领域。

背景技术

对于开关磁阻电机系统，实时而准确的转子位置信息是其可靠运行和高性能控制的前提。在目前实际应用中，一般采用轴位置传感器或其他探测式位置检测器来获取位置信息，不仅增加了系统成本和复杂度，同时降低了整个系统运行的可靠性，尤其在一些高温、高速以及油污环境等苛刻运行条件下，传统位置传感器的工作受到限制，从而限制了该型电机应用的范围，使得其耐高温、适合高速的固有性能不能得到充分体现。因此，如何取代位置传感器，克服采用位置传感器带来的不足，探索实用的无位置传感器技术具有十分重要的研究价值。近20年来，各国学者针对这一问题从多个角度出发进行了大量的研究，提出了多种无位置技术方案。典型方法有脉冲注入法，基于调制编码技术，基于电流波形监测方案，互感电压方案，磁链/电流法和观测器方案，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。这些方案都直接或间接利用了瞬时相电感变化信息来间接检测转子位置，有各自的运行条件和适用范围，各有其优缺点。各国学者对开关磁阻电机无位置传感器研究主要集中在中、低速范围，对于转速上万转阶段的无位置技术研究仍处仍处于起始阶段。随着智能控制技术，电力电子技术，数字信号处理技术的飞速发展，高性能的控制方案和高性能的数字信号处理器使得实现各种复杂算法以及更精确的无位置技术成为可能。目前国际上SRM无位置传感器的研究仍处于实验室研发阶段，尚无相关产品问世，高性能的无位置技术开关磁阻电机的市场前景光明。

在电机转子静止时，如果获取的初始位置信息不准确，往往会导致错误的初始导通相判断，甚至引起电机反转。而在某些具体场合下，例如一些精密伺服传动装置启动时是不允许电机反转的，如果要将无位置传感器的开关磁阻电机推广应用于这些领域，就必须解决初始位置检测和准确判断初始导通相的问题。因此，开关磁阻电机无位置传感器的无反转启动就显得尤为重要，但目前在这个问题上，国内外研究相关的技术文献并不多。

开关磁阻电机启动的基本要求，要有足够大的启动转矩和较小的启动电流和较短的启动时间。因此对启动的研究要综合考虑各方面因素，在硬件和软件上优化的同时要兼顾其运行的可靠性。在无位置传感器启动问题上，国际上，美国的Texas A&M大学和日本的Meiji大学在无位置传感器启动问题上也做了较深入的研究，他们提出的方法简单新颖，检测精度也相对较高。前者将各相电感的相位关系做以分区，利用各区域内绕组的相电流逻辑关系，确定初始导通相，但是这种方法并没有解决初始位置精确定位的问题，电流交接点的检测误差会得到错误的相选择信号，甚至造成反转。后者是在电感分区的基础上，将相电感近似为正弦处理，根据相电感相位关系进行矢量合成，从而解算出较准确的初始位置角，再判断角度所对应的区域，确定初始导通相。这种方法虽然思路巧妙，但是电感曲线虽然成周期性变化，但其不对齐位置电感平坦区域较宽的特点导致电感曲线并非标准正弦，该估计方法误差较大。目前国内有南京航空航天大学，华中科技大学等高校研究。其位置检测的基本思想都是在两相以上绕组注入脉冲，通过检测相电流与电感之间的对应关系来解算出转子的初始位置角。

发明内容

本发明要解决的问题是精确的估计电机静止状态下转子初始位置，同时根据导通相序判断导通相，从而实现无位置传感器无反转起动。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明为一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位和起动方法包括如下步骤：

1)建立电感数学模型；

2)设置电感底部阀值L_Low和顶部阀值L_High；

3)向各相绕组注入短时脉冲，利用相电压方程计算电感值；

4)根据各相电感计算值与L_Low和L_High的大小关系，判断当前可开通相，同时选择初始位置角估计相；

5)在所选估计相中利用电感数学模型与电感计算值关系得到角度信息。

本发明简单且易于实现，相对于传统的无位置起动方法能更精确的选择产生正转矩的相，而避免了导通相的误选择。这种方法同时还可以确定当前转子实际位置，从而实现精确初始定位。

附图说明

图1为开关磁阻电机调速系统框图。

图2为12/8结构样机的三相电感与转子位置的关系。

图3为一相静态电感实测曲线。

图4为注入一个短时脉冲的响应波形。

图5为一个周期内向A相注入脉冲后响应电流的波形。

图6为静止时电感实时计算方法一流程框图。

图7为电机静止时电感实时计算方法二流程框图。

图8为本发明的一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位和起动方法原理图。

具体实施方式

本发明根据电感与转子位置的关系，实现电机静止时的初始开通相判断以及转子初始位置估计。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1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。本发明中的电感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。

图2为12/8结构样机的三相电感与转子位置的关系。由图所示，电感曲线以45度为周期，其中各相电感相差15度。

图3为一相静态电感实测曲线。静态电感的测量采用仪器HP4284-LRC表直接测量对应转子位置的电感值。利用电感实测数据采用曲线拟合的方法可以得到电感的数学模型。此处采用傅立叶级数来拟合静态电感，电感数学模型可以表示为：

$L\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\cos {\mathrm{nN}}_r\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

图4为注入一个短时脉冲的响应波形。开通主开关管向绕组注入脉冲，脉冲周期为ΔT，当开关管关断时，响应电流达到最大为Δi_a。图5所示为一个周期内向A相注入脉冲后响应电流的波形。

图6为静止时电感实时计算方法一流程框图。相电流和相绕组电压由电压、电流传感器(LEM)来检测得到，经调理后，在DSP中启动A/D采样程序，采样绕组端电压和相电流。根据积分式子计算磁链大小。其中一相绕组的磁链表达式为：

${\mathrm{\ψ}}_k\left(t\right)={\∫}_0^t(v_k\left(t\right)-R_k{i}_k\left(t\right))\mathrm{dt}+{\mathrm{\ψ}}_k\left(0\right)---\left(2\right)$

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：

${\mathrm{\ψ}}_k\left(n\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[v_k\left(n\right)-R_k{i}_k\left(n\right)]T+{\mathrm{\ψ}}_k\left(0\right)---\left(3\right)$

其中T为采样周期，N为测量的点个数，n为第n测量点。

根据电感与磁链之间的关系式可以求出电感值。

ψ(θ，i)＝L(θ，i)i    (4)

$L(\mathrm{\θ},i)=\frac{\mathrm{\ψ}(\mathrm{\θ},i)}{i}---\left(5\right)$

这种方法由于引入了积分运算，相电压、相电流检测误差，以及绕组等效电阻的变化，都会影响计算的精度，这种方法比较适合电机高速运行的磁链估计。但由于静止时，注入短时脉冲时相电流很小，绕组等效电阻压降远小于脉冲电压幅值，因此此方法可以用于电感的计算。但计算过程相对复杂。

图7为电机静止时电感实时计算方法二流程框图。

该方法电感计算原理是：

开关磁阻电机的一相绕组电压方程可以表示为：

$U_k=R_k{i}_k+L_k\frac{{\mathrm{di}}_k}{\mathrm{dt}}+i_k\frac{{\∂L}_k}{\∂\mathrm{\θ}}\mathrm{\ω}---\left(6\right)$

由于电机静止，上式第三项即运动电动势可以忽略不计，因此绕组电压方程可表示为：

$U_k=R_k{i}_k+L_k\frac{{\mathrm{di}}_k}{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

由于注入脉冲周期很段，一般在100微秒左右。因此上式可以等效为：

$U_k=R_k{i}_k+L_k\frac{{\mathrm{\Δi}}_k}{\mathrm{\Δt}}---\left(8\right)$

因此电感可以由以下公式得到

$L_k=\frac{U_k-R_k{i}_k}{\mathrm{\Δi}}\mathrm{\Δt}---\left(9\right)$

式(9)中相电流和相绕组电压分别由电压、电流传感器(LEM)来检测得到，经调理后，在DSP中启动A/D采样程序，采样绕组端电压和相电流。

这种方法实现较电感计算方法一更为简单，且具有较高精度。各相注入短时脉冲时，电感计算通常采用该方法。

图8为本发明的一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位和起动方法原理图。具体步骤结合表一来说明。

表一电感分区逻辑表

电感逻辑	区域	初始导通相选择	初始位置估计相
				La(θ)＞Lhigh	I	B	B，C
Lc(θ)≤Llow	II	B	A，B
				Lb(θ)＞Lhigh	III	C	A，C
La(θ)≤Llow	IV	C	B，C
				Lc(θ)＞Lhigh	V	A	A，B
Lb(θ)≤Llow	VI	A	A，C

1)：根据电机结构的对称性，各相电感相位差15度。由公式(1)可知，电感函数为偶函数，因此对于同一电感值在一个周期之内，等式(10)必有两个解。因此要确定初始位置，必须至少选择两相作为估计相。

$L\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{U_k-R_k{i}_k}{\mathrm{\Δi}}\mathrm{\Δt}---\left(10\right)$

2)：由于不对齐位置处电感较平坦，大小几乎不变，软件中计算角度难以分辨，因此必须避开底部电感区，而选择适当的估计相来估计初始位置。如图8所示，设置电感底部阀值L_Low和顶部阀值L_High，M点位置对应B相的底部阀值L_Low，此位置对应为A相N点，该点电感设置为顶部阀值L_High。

3)：根据步骤2)可以得到如下电感分区策略，如表一所示，当L_a(θ)＞L_high时，为电感区域I，此时初始导通相可以选择B相，初始位置估计相为B和C相；当L_c(θ)≤L_low，为电感区域II，此时初始导通相可以选择B相，初始位置估计相为A和B相；当L_b(θ)＞L_high，为电感区域III，此时初始导通相可以选择C相，初始位置估计相为A和C相；当L_a(θ)≤L_low，为电感区域IV，此时初始导通相可以选择C相，初始位置估计相为B和C相；当L_c(θ)＞L_high，为电感区域V，此时初始导通相可以选择A相，初始位置估计相为B和A相；当L_b(θ)≤L_low，为电感区域VI，此时初始导通相可以选择A相，初始位置估计相为A和C相；

4)：根据步骤3)电感分区策略，得到了初始导通相逻辑，同时得到了初始位置估计相选择逻辑。在各电感分区中，初始位置估计相均为两相，满足步骤1)初始位置角计算要求。如图8所示，不失一般性，以当前位置在θ角为例，此时各相电感分别对应a，b，c三点，其电感实际值分别为L_a，L_b，L_c，此时处在L_a(θ)≤L_low区，即区域IV，此时可以选择开通C相，同时初始位置估计相为B，C相。对于所选的两个估计相B和C相中，分别利用步骤1)中等式(10)在一个周期内均可得到两个解。设所得解分别为θ_b，θ_b1和θ_c，θ_c1，比较上述所得的解，其中相等的两个解即为初始位置角。不失一般性，转子处在其它位置处时，初始位置估计以及初始导通相选择方法与此一致。

该方法可以精确得到初始导通相选择信号，同时可以计算出转子初始位置角，因此可以实现开关磁阻电机的无位置传感器起动和精确初始定位，算法简单，通用性强。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位和起动方法，其特征在于包括如下步骤：

1)建立电感数学模型；

2)设置电感底部阀值L_Low和顶部阀值L_High；

3)向各相绕组注入短时脉冲，利用相电压方程计算电感值；

4)根据各相电感计算值与L_Low和L_High的大小关系，判断当前可开通相，同时选择初始位置角估计相；

5)在所选估计相中利用电感数学模型与电感计算值关系得到角度信息。

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