CN102624304B - 一种适合中高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适合中高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，步骤为：（1）在单脉宽运行模式下，确定运动反电势曲线与变压器电势曲线在电感线性上升之前的底部区域中的交点；（2）利用电感模型拟合电感线性上升之前的底部区域的电感曲线，并根据该电感模型求解步骤（1）中所述运动反电势曲线与变压器电势曲线交点所对应的转子位置的理论值；（3）利用步骤（1）中检测到的交点计算所述开关磁阻电机的实时转速，根据所述特定转子位置和实时转速估算出转子的任意位置，实现电机正常运行及开通角，关断角可调控制。此方法简单且易于实现，在电机饱和与不饱和的情况下都能准确估算出转子位置，实现开通角、关断角可调。

Description

一种适合中高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明属于开关磁阻电机无位置传感控制领域，特别涉及一种适合中高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。

背景技术

开关磁阻电机具有结构简单、工作可靠、容错性能好、成本低及控制灵活等优点，因而备受学术界的关注。目前开关磁阻电机在航空工业、机车牵引、矿山掘进和家用电器等领域得到了广泛的应用，显示了其潜在的优势和良好的市场前景。

对于开关磁阻电机驱动系统而言，能够实时而准确地获得转子的位置信息是保证电机可靠运行和高性能控制的必要前提。目前普遍采用外装光电式或磁敏式等位置检测器。外加机械式位置传感器额外增加了电机的体积和加工的复杂性，大大降低了开关磁阻电机结构简单的优势以及电机工作时的可靠性，尤其限制了开关磁阻电机在一些高温、高速及油污等苛刻环境下的使用。因此，探索实用的间接位置检测方案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。

以上提出的无位置传感器控制技术都有各自的运行条件和适用范围，各有其优缺点。传统应用于中高速开关磁阻电机无位置传感器的方法主要有磁链/电流法，基于电感模型的方法。这些方法主要是基于电机的磁链或电感的特性曲线，利用磁链或电感与电流、转子位置三者之间的非线性关系，建立三维表或者磁链、电感的非线性模型去获得转子位置的信息。这些方法虽然经典实用，但是考虑到开关磁阻电机饱和的情况，使用这些方法以前需要对不同电流下，各转子位置的磁链或电感特性进行精确测量。测量这些数据相当繁琐，利用这些数据建立的三维表很庞大，占用数字控制器内存，而且建立的非线性模型也相当复杂，对数字控制器的实时性和计算功能要求很高。为了简化算法，方便控制，又有一些算法提出直接设置磁链或电感的阈值去获得电机的换相信号，实现无位置传感器控制。这种方法只需少量的静态测量，控制简单、易于实现，但却不能准确估算出转子位置，降低了检测精度。

基于前述种种分析，本发明人对现有的无位置传感器控制方法进行研究改进，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种适合中高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其简单且易于实现，在电机饱和与不饱和的情况下都能准确估算出转子位置，实现开通角、关断角可调。

为了达成上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种适合中高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括如下步骤：

(1)在单脉宽运行模式下，确定运动反电势曲线与变压器电势曲线在电感线性上升之前的底部区域中的交点；

(2)利用电感模型拟合电感线性上升之前的底部区域的电感曲线，并根据该电感模型求解步骤(1)中所述运动反电势曲线与变压器电势曲线交点所对应的转子位置的理论值；

所述电感线性上升之前的底部区域的电感曲线的电感模型表达式是：

$L=\left\{\begin{array}{cc}{L}_{\min }& (0<\mathrm{\&theta;}<{\mathrm{\&theta;}}_1)\\ L_{\min }+K(\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_1)& ({\mathrm{\&theta;}}_1<\mathrm{\&theta;}<{\mathrm{\&theta;}}_r)\end{array}\right.$

其中，L_min是电机的最小电感，K是选取的线性电感模型的斜率，θ₁是模型选取的电感最小值区域的范围，θ_r是电感开始线性上升时对应的转子位置；

所述运动反电势曲线与变压器电势曲线的交点位置θ^*表达式是：

${\mathrm{\&theta;}}^{*}=\frac{L_{\min }}{K}-{\mathrm{\&theta;}}_1+2\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{on}}({\mathrm{\&theta;}}_1<{\mathrm{\&theta;}}^{*}<{\mathrm{\&theta;}}_r)$

其中，L_min是电机的最小电感，K是选取的线性电感模型的斜率，θ₁是根据模型选取的电感最小值区域的范围，θ_on是电机在每个控制周期中的开通角，θ_r是电感开始线性上升时对应的转子位置；

(3)在电机的每个控制周期中都能检测到一次运动反电势曲线与变压器电势曲线的交点位置，两次检测到交点位置之间的时间差为Δt，计算所述开关磁阻电机的实时转速根据所述特定转子位置和实时转速ω估算出转子的任意位置θ＝θ^*+ω(t-t^*)，依据转子的位置信息给出功率变换器的驱动信号驱动电机实现正常运行及开通角，关断角可调控制；其中，Δθ为两次检测到交点位置之间的角度差，t^*为检测得到交点位置θ^*的时刻点，t为所求任意位置θ的时刻点。

采用上述方案后，本发明以开关磁阻电机为控制对象，在单脉冲控制模式下，通过检测变压器电势曲线与运动反电势曲线交点来获得转子的参考位置，再根据转速推算出其他位置，从而实现电机的正常运行以及开通角，关断角的可调控制。为获得交点所对应的转子位置，本发明利用开关磁阻电机电感曲线线性上升之前的底部区域电感不随负载电流变化而变化的特点，用简单的模型去拟合开关磁阻电机这个区域的电感曲线，在该模型基础上计算变压器电势曲线与运动反电势曲线的交点对应转子位置的理论值，并将这个理论值作为电机在实际运行过程中检测到交点时转子的参考位置，再由这个特定的位置去估算出其它位置，实现无位置传感器运行。该方法控制简单，易于实现，不需测量大量的静态数据，并且减小了电机饱和对位置估计带来影响，一定程度上提高了位置估算的精确度。

附图说明

图1是单脉宽运行模式下开关磁阻电机变压器电势、运动反电势与电感曲线示意图；

图2是开关磁阻电机电感在不同电流下与转子位置对应关系曲线图；

图3是开关磁阻电机电感底部区域分段线性模型示意图；

图4是开关磁阻电机调速系统的结构框图；

图5是本发明估算转子位置的原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种适合中高速的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括如下步骤：

(1)在单脉宽运行模式下，确定运动反电势曲线与变压器电势曲线在电感线性上升之前的底部区域中的交点；

开关磁阻电机电感曲线从定子齿轴线与转子槽轴线重合位置到定子齿后沿与转子齿前沿开始重合位置的区域为电感线性上升之前的底部区域，这段区域中的电感几乎不随负载电流的变化而变化，因此，本发明利用该段电感曲线的唯一性来实现开关磁阻电机在不同负载条件下的无位置传感器控制。

开关磁阻电机忽略绕组压降的电压方程如式(1)所示：

$U=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{i\&omega;}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\&theta;}}---\left(1\right)$

其中，U为绕组端电压，i为绕组中的电流，ω为电机角速度，L为绕组电感。等式右边第一项是开关磁阻电机的变压器电势，第二项是运动反电势。

图1给出了在单脉宽运行模式下，一个运动周期内电机运动反电势与变压器电势的曲线。结合式(1)可以知道，在电感底部区域中电机运动反电势单调上升，变压器电势单调下降，在这个区域中它们存在唯一的一个交点。本发明提出的无位置传感器控制策略就是要利用该交点去获得转子位置信息。

(2)利用电感模型拟合电感线性上升之前的底部区域的电感曲线，并根据该电感模型求解步骤(1)中所述运动反电势曲线与变压器电势曲线交点所对应的转子位置的理论值；

图2为开关磁阻电机电感在不同电流下与转子位置的对应关系曲线，由图可知，开关磁阻电机在其电感线性上升之前底部区域(即0-θ_r位置区域)的电感曲线几乎不随负载电流的变化而变化。该区域的电感可以看成由两部分组成，一部分是电感最小值区域，这部分的电感保持最小电感几乎不变；另一部分电感随转子位置的增加而缓慢上升，这部分电感是由最小值区域到线性上升区之间的过渡。因此可以利用分段线性模型去拟合开关磁阻电机电感底部区域的电感曲线，使得该区域的电感只随转子位置改变而改变，实现开关磁阻电机电感与电流的区域性解耦。

(3)在电机的每个控制周期中都能检测到一次运动反电势曲线与变压器电势曲线的交点位置，两次检测到交点位置之间的时间差为Δt，计算所述开关磁阻电机的实时转速根据所述特定转子位置和实时转速ω估算出转子的任意位置θ＝θ^*+ω(t-t^*)，依据转子的位置信息给出功率变换器的驱动信号驱动电机实现正常运行及开通角，关断角可调控制；其中，Δθ为两次检测到交点位置之间的角度差，t^*为检测得到交点位置θ^*的时刻点，t为所求任意位置θ的时刻点。

图3所示为开关磁阻电机电感底部区域曲线的分段线性模型。θ_r是电感开始线性上升时对应的转子位置，可以用公式(2)来表示。

${\mathrm{\&theta;}}_r=\frac{360}{2\&CenterDot;N_r}-\frac{{\mathrm{\&beta;}}_s+{\mathrm{\&beta;}}_r}{2}---\left(2\right)$

其中N_r为转子齿数，β_s和β_r为电机的定子和转子极弧。

利用这个模型去拟合开关磁阻电机该区域电感之前需要静态测量样机的最小电感L_min与最大电感L_max。

图3中0-θ₁电感最小值区域电感如式(3)所示：

L＝L_min(0<θ<θ₁)      (3)

式中θ₁为根据模型选取的电感最小值区域的范围。

θ₁-θ_r区域电感如公式(4)所示：

L＝L_min+K(θ-θ₁)(θ₁<θ<θ_r)      (4)

式中K为选取的线性电感模型的斜率，它需要根据电机实测的最小电感L_min与最大电感L_max合理选择。

本发明提出一种斜率K的选取方法，并给出K的公式如式(5)所示。

该公式是把电机非饱和时的电感曲线当作余弦曲线，通过求得θ_r位置的电感值来确定线性模型的斜率K值。

根据以上建立的电感模型求解交点对应的位置，将(4)式代入(1)式求解得电流方程为：

$i=\frac{U}{\mathrm{\&omega;}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{on}}}{L_{\min }+K(\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_1)}---\left(6\right)$

式中，θ_on为电机在每个控制周期中的开通角。

当运动反电势曲线与变压器电势曲线存在交点时，电机的电压方程可以写成如式(7)所示：

U＝2·iωK      (7)

结合式(6)与式(7)求得交点位置如下所示：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{L_{\min }}{K}-{\mathrm{\&theta;}}_1+2\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{on}}({\mathrm{\&theta;}}_1<\mathrm{\&theta;}<{\mathrm{\&theta;}}_r)---\left(8\right)$

式(8)给出了电机在单脉宽运行模式下运动反电势曲线与变压器电势曲线交点对应转子位置的理论值。

图4所示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。本发明中运动反电势的计算、交点的检测以及无位置传感器的算法都是由控制器来完成。通过实时计算出运动反电势的值，并与的值比较去检测运动反电势与变压器电势的交点。利用公式(8)计算出的交点的理论值作为实际检测到该交点时转子的参考位置。

在电机每个运行周期可以得到转子位置的一个参考点如图5所示，两次检测到交点位置之间的时间差Δt，计算所述开关磁阻电机的实时转速根据所述特定转子位置和实时的转速ω估算出转子的任意位置θ＝θ^*+ω(t-t^*)，数字控制器依据转子的位置信息给出功率变换器的驱动信号驱动电机实现正常运行及开通角、关断角可调控制。其中Δθ为两次检测到交点位置之间的角度差，t^*为检测得到交点位置θ^*的时刻点，t为所求任意位置θ的时刻点。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种适合中高速的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：

(1)在单脉宽运行模式下，确定运动反电势曲线与变压器电势曲线在电感线性上升之前的底部区域中的交点；

(2)利用电感模型拟合电感线性上升之前的底部区域的电感曲线，并根据该电感模型求解步骤(1)中所述运动反电势曲线与变压器电势曲线交点所对应的转子位置的理论值；

所述电感线性上升之前的底部区域的电感曲线的电感模型表达式是：

$L=\left\{\begin{array}{cc}{L}_{\min }& (0<\mathrm{\&theta;}<{\mathrm{\&theta;}}_1)\\ L_{\min }+K(\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_1)& ({\mathrm{\&theta;}}_1<\mathrm{\&theta;}<{\mathrm{\&theta;}}_r)\end{array}\right.$

其中，L_min是电机的最小电感，K是选取的线性电感模型的斜率，θ₁是模型选取的电感最小值区域的范围，θ_r是电感开始线性上升时对应的转子位置；

所述运动反电势曲线与变压器电势曲线的交点位置θ^*表达式是：

${\mathrm{\&theta;}}^{*}=\frac{L_{\min }}{K}-{\mathrm{\&theta;}}_1+2\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{on}}({\mathrm{\&theta;}}_1<{\mathrm{\&theta;}}^{*}<{\mathrm{\&theta;}}_r)$

其中，L_min是电机的最小电感，K是选取的线性电感模型的斜率，θ₁是根据模型选取的电感最小值区域的范围，θ_on是电机在每个控制周期中的开通角，θ_r是电感开始线性上升时对应的转子位置；

(3)在电机的每个控制周期中都能检测到一次运动反电势曲线与变压器电势曲线的交点位置，两次检测到交点位置之间的时间差为Δt，计算所述开关磁阻电机的实时转速根据所述特定转子位置和实时转速ω估算出转子的任意位置θ＝θ^*+ω(t-t^*)，依据转子的位置信息给出功率变换器的驱动信号驱动电机实现正常运行及开通角，关断角可调控制；其中，Δθ为两次检测到交点位置之间的角度差，t^*为检测得到交点位置θ^*的时刻点，t为所求任意位置θ的时刻点。