CN104579040A - 适合开关磁阻电机全速范围运行的无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种适合开关磁阻电机全速范围运行的无位置传感器控制方法，属于开关磁阻电机控制方法。基于开关磁阻电机的复平面电感模型，建立转子角度与电感系数和三相电感之间的函数关系；在电机静止或带初始转速条件下启动时，采用脉冲注入法获取三相电感；在电机低速运行时，采用空闲相脉冲注入法，建立三相电感之和的函数关系，从而获取导通相电感；在电机高速运行时，采用积分磁链除以电流来获取参考相电感；利用推导出的转子位置估算解析式计算出当前转子位置，根据估算出的转子位置实现开关磁阻电机的无位置传感器运行控制。该方法简单，计算量小，易于控制器实现全速度范围运行，具有较高的位置估算精度。

Description

适合开关磁阻电机全速范围运行的无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机控制方法，特别是一种适合开关磁阻电机全速范围运行的无位置传感器控制方法。

背景技术

开关磁阻电机(SRM)具有结构简单牢固和控制方便灵活、具有较宽的转速及功率范围等优点，广泛应用在牵引运输、通用工业、航空、家用电器等各个领域，已成为当代电气传动的热门课题之一。而位置检测环节是开关磁阻电动机驱动系统的重要组成部分，检测到的位置信号既是绕组开通与关断的依据，也为转速闭环控制提供了转速信息。目前实际应用中，一般都采用轴位置传感器或者其他类型的探测式位置检测器来获得转子位置信息，位置传感器的引入不仅提高了系统成本和复杂程度，更重要的是降低了系统结构的坚固性，影响系统运行的可靠性。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。

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，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。这些方案的缺点是其只能对开关磁阻电机启动后进行无位置传感器控制，不适用于开关磁阻电机启动时初始位置定位和无位置传感器启动，尤其在电机带一定初始惯性转速条件下的无反转启动。因此不利于电机全速度范围优化控制，限制了其适用范围。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种适合开关磁阻电机全速范围运行的无位置传感器控制方法。

技术方案：该控制方法基于开关磁阻电机的复平面电感模型，建立转子角度与电感系数和三相电感之间的函数关系；在电机静止或带初始转速条件下启动时，采用脉冲注入法获取三相电感；在电机低速运行时，采用空闲相脉冲注入法，建立三相电感之和的函数关系，从而获取导通相电感；在电机高速运行时，采用积分磁链除以电流来获取参考相电感；利用推导出的转子位置估算解析式计算出当前转子位置，根据估算出的转子位置实现开关磁阻电机的无位置传感器运行控制。

一种全速范围运行的无位置传感器控制方法，主要包括启动及低速驱动运行和高速驱动运行两大组成部分，其具体步骤如下：

步骤(1)，在开关磁阻电机启动或低速驱动运行时，通过直流母线电压向各相绕组中连续注入短暂的电压脉冲，电机在零速条件下反电动势为零，即电阻压降为零，故SRM电压方程为：

$\begin{array}{cc}{U}_k=\frac{L_{k}d{i}_k}{\mathrm{dt}}& (k=A,B,C)\end{array}---\left(1\right)$

步骤(2)，根据AD通道采样的数字电压信号U_k和各相响应电流ΔI_k，计算出三相电感值L_A、L_B、L_C；

由式(1)得到三相电感计算公式为：

$L_k=U_k\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Δ}{I}_k}---\left(2\right)$

式(2)中ΔT为脉冲注入的时间周期；

步骤(3)，根据启动或低速驱动运行参考相选择原理，确定初始参考相，获取参考相电流，并测量电机转子的三个特殊位置处的电感，即θ＝0°时，转子与定子磁极完全对齐处电感为L_a；θ＝11.25°，转子与定子磁极处于中间位置处电感为L_m；θ＝22.5°，转子与定子磁极完全不对齐处电感为L_u；

步骤(4)，根据步骤(3)中获得的数据，拟合得出开关磁阻电机在复平面电感模型中的电感系数L₀、L₁、L₂；

$\left\{\begin{array}{c}{L}_0=\frac{1}{2}[\frac{1}{2}(L_a+L_u)+L_m]\\ L_1=\frac{1}{2}(L_a-L_u)\\ L_2=\frac{1}{2}[\frac{1}{2}(L_a+L_u)-L_m]\end{array}\right.---\left(3\right)$

步骤(5)，利用开关磁阻电机复平面电感模型计算当前的转子位置角度；

A相转子位置角度估计公式为：

${\mathrm{\θ}}_A={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_A-\frac{1}{2}(L_B+L_C)\left]\right\}}}{4L_0}\right)---\left(4\right)$

B相转子位置角度为：

${\mathrm{\θ}}_B={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_B-\frac{1}{2}(L_A+L_C)\left]\right\}}}{4L_0}\right)---\left(5\right)$

C相转子位置角度为：

${\mathrm{\θ}}_C={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_C-\frac{1}{2}(L_A+L_B)\left]\right\}}}{4L_0}\right)---\left(6\right)$

步骤(6)，在开关磁阻电机高速驱动运行时，由AD通道采样得到数字电压信号U_k和电流信号i_A、i_B、i_C，利用开关磁阻电机电压方程估算当前转子位置的每相磁链；

其估算磁链的电压方程为：

$\begin{array}{cc}{U}_k=\frac{d{\mathrm{\ψ}}_k}{\mathrm{dt}}+i_k{R}_k& (k=A,B,C)\end{array}---\left(7\right)$

步骤(7)，根据步骤(6)中获得的磁链数据，计算出三相电感值L_A、L_B、L_C；

各相电感计算公式为：

$\begin{array}{cc}{L}_k=\frac{{\mathrm{\ψ}}_k}{i_k}& (k=A,B,C)\end{array}---\left(8\right)$

步骤(8)，将A、B、C三相中任意一相作为参考相，其转子位置角度计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_k={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_k-\frac{1}{2}{L}_{\mathrm{other}}\left]\right\}}}{4L_0}\right)---\left(9\right)$

式(9)中，L_other为除参考相以外剩余两相电感之和(当A为参考相时，L_other＝L_B+L_C)；

根据上述方法即可得到开关磁阻电机的转子位置角度，进而实现开关磁阻电机在全速范围内的无位置传感器运行控制。

有益效果：由于采用了上述技术方案，利用电机在零速、低速、高速三种运行状态下电压和电流的信息间接估算转子位置角度，实现电机在全速度范围的无位置传感器运行，从而使系统更加可靠、稳定，结构简单、坚固，成本低廉，具有广泛的适用性。本发明以12/8极开关磁阻电机为研究对象，在启动时能够实现SRM静止及旋转启动；低速驱动运行时转子位置估计的精度较高，适用于低速区域；高速驱动运行时角度估计的精度随着工作电流的增大而提高，尤为适用于中高速重载工况条件。

优点：本发明的全速范围运行的无位置传感器控制方法简单可靠，计算量大大降低，易于实现数字化实时控制，且具有较高的位置估算精度。

附图说明

图1是开关磁阻电机静止启动时三相电感估算原理图。

图2是开关磁阻电机带初始转速启动时三相电感估算原理图。

图3是开关磁阻电机启动时参考相选择规律图。

图4是本发明开关磁阻电机磁链-电流特性曲线图。

图5是本发明开关磁阻电机样机拟合电感系数曲线图。

图6是开关磁阻电机低速驱动运行时三相电感获取原理图。

图7是开关磁阻电机高速电动运行时参考相选择规律图。

图8是本发明实施例开关磁阻电机全速范围内无位置传感器调速系统原理图。

具体实施方式

实施例1：该控制方法基于开关磁阻电机的复平面电感模型，建立转子角度与电感系数和三相电感之间的函数关系；在电机静止或带初始转速条件下启动时，采用脉冲注入法获取三相电感；在电机低速运行时，采用空闲相脉冲注入法，建立三相电感之和的函数关系，从而获取导通相电感；在电机高速运行时，采用积分磁链除以电流来获取参考相电感；利用推导出的转子位置估算解析式计算出当前转子位置，根据估算出的转子位置实现开关磁阻电机的无位置传感器运行控制。

一种全速范围运行的无位置传感器控制方法，主要包括启动及低速驱动运行和高速驱动运行两大组成部分，其具体步骤如下：

步骤(1)，在开关磁阻电机启动或低速驱动运行时，通过直流母线电压向各相绕组中连续注入短暂的电压脉冲，电机在零速条件下反电动势为零，即电阻压降为零，故SRM电压方程为：

$\begin{array}{cc}{U}_k=\frac{L_{k}d{i}_k}{\mathrm{dt}}& (k=A,B,C)\end{array}---\left(1\right)$

步骤(2)，根据AD通道采样的数字电压信号U_k和各相响应电流ΔI_k，计算出三相电感值L_A、L_B、L_C；

由式(1)得到三相电感计算公式为：

$L_k=U_k\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Δ}{I}_k}---\left(2\right)$

式(2)中ΔT为脉冲注入的时间周期；

步骤(3)，根据启动或低速驱动运行参考相选择原理，确定初始参考相，获取参考相电流，并测量电机转子的三个特殊位置处的电感，即θ＝0°时，转子与定子磁极完全对齐处电感为L_a；θ＝11.25°，转子与定子磁极处于中间位置处电感为L_m；θ＝22.5°，转子与定子磁极完全不对齐处电感为L_u；

步骤(4)，根据步骤(3)中获得的数据，拟合得出开关磁阻电机在复平面电感模型中的电感系数L₀、L₁、L₂；

$\left\{\begin{array}{c}{L}_0=\frac{1}{2}[\frac{1}{2}(L_a+L_u)+L_m]\\ L_1=\frac{1}{2}(L_a-L_u)\\ L_2=\frac{1}{2}[\frac{1}{2}(L_a+L_u)-L_m]\end{array}\right.---\left(3\right)$

步骤(5)，利用开关磁阻电机复平面电感模型计算当前的转子位置角度；

A相转子位置角度估计公式为：

${\mathrm{\θ}}_A={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_A-\frac{1}{2}(L_B+L_C)\left]\right\}}}{4L_0}\right)---\left(4\right)$

B相转子位置角度为：

${\mathrm{\θ}}_B={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_B-\frac{1}{2}(L_A+L_C)\left]\right\}}}{4L_0}\right)---\left(5\right)$

C相转子位置角度为：

${\mathrm{\θ}}_C={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_C-\frac{1}{2}(L_A+L_B)\left]\right\}}}{4L_0}\right)---\left(6\right)$

步骤(6)，在开关磁阻电机高速驱动运行时，由AD通道采样得到数字电压信号U_k和电流信号i_A、i_B、i_C，利用开关磁阻电机电压方程估算当前转子位置的每相磁链；

其估算磁链的电压方程为：

$\begin{array}{cc}{U}_k=\frac{d{\mathrm{\ψ}}_k}{\mathrm{dt}}+i_k{R}_k& (k=A,B,C)\end{array}---\left(7\right)$

步骤(7)，根据步骤(6)中获得的磁链数据，计算出三相电感值L_A、L_B、L_C；

各相电感计算公式为：

$\begin{array}{cc}{L}_k=\frac{{\mathrm{\ψ}}_k}{i_k}& (k=A,B,C)\end{array}---\left(8\right)$

步骤(8)，将A、B、C三相中任意一相作为参考相，其转子位置角度计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_k={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_k-\frac{1}{2}{L}_{\mathrm{other}}\left]\right\}}}{4L_0}\right)---\left(9\right)$

式(9)中，θ_k为三相位置角度，L_other为除参考相以外剩余两相电感之和(当A为参考相时，L_other＝L_B+L_C)；

根据上述方法即可得到开关磁阻电机的转子位置角度，进而实现开关磁阻电机在全速范围内的无位置传感器运行控制。

实施例2：以12/8极15kw开关磁阻电机为例，并结合附图详细说明。

在电机静止启动时，注入时间为ΔT，此时响应电流为ΔI_k，转子在初始位置处的三相电感值随三相响应电流幅值的变化而变化，如附图1。

附图2为电机带初始转速状态下启动时的原理图，由于电机转子处于旋转状态，三相响应电流幅值会成周期性变化，绕组的响应电流幅值与电感大小成反比例关系，即在电感最大位置对应的响应电流值最小；反之，在电感最小处其响应电流幅值达到最大，可以看出三相响应电流包络线均类似于正弦波，各相间相位相差120°。

通过向三相绕组中连续注入高频电压脉冲，由采样得到的三相响应电流，根据步骤(2)计算出三相电感值。

由附图3所示，电机由静止状态启动时，脉冲注入法获取的三相电感值均恒定，比较三相电感值大小即可确定转子初始扇区，即确定转子初始参考相；电机带初始转速启动时，脉冲注入法获取的三相电感值是变化的，获取的扇区也随之变化，即参考相进行切换选择，以保证任意扇区都能实现最高精度转子位置定位。

附图4为15kw样机的电磁特性曲线数据，在不同参考相下，测量其相电流对应的三个特殊位置下的电感值，根据步骤(4)中的电感系数公式可以计算得出开关磁阻电机在复平面电感模型的三项系数，如附图5所示。

获得激励相电感和电感的三项系数后，利用复平面电感模型与转子位置之间的函数关系，即可估算出转子位置角度。

在电机低速驱动运行时，由附图6可知，在A相导通区间，采用电流斩波控制使得A相绕组不断处于导通和关断的切换状态，此时脉冲无法注入，可通过向B、C两空闲相注入高频电压脉冲获取B、C两相电感，从而间接获取A相电感值；当A相为空闲相时，此时A相电感则通过脉冲注入方式获取；同理，B、C两相电感获取方式也是如此。

通过上述方法估算出低速驱动运行时的三相电感，计算出当前的转子位置角度。

附图7为高速驱动运行时参考相选择，角度估计的参考相均处于该相电感的上升区，并且SRM绕组的导通区间都是处于在电感上升区，则高速驱动运行时参考相的选择保持着与导通相同步的规律，即参考相必是导通相。

附图8所示为本发明实施例开关磁阻电机全速范围内无位置传感器调速系统原理图，虚框内是以DSP为核心的转子位置估计模块，包含以下几个部分：

1)通过AD采样模块电压传感器测得的母线电压U_dc和电流传感器测得的励磁相电流值I_A、I_B、I_C转变为数字信号处理器DSP所能识别的数字信号。

2)在SRM启动或者处于低速驱动运行时，由采样得到的数字电压信号u_dc和电流信号i_ABC通过三相电感估算模块计算出三相电感值L_A、L_B、L_C，由参考相电流i_k通过三项系数拟合模块获取三项系数L₀、L₁、L₂，最终将三项系数和三相电感一同送入复平面电感模型角度估计模块，估算出启动或低速驱动运行状态下的转子角度和速度

3)电机高速驱动运行时，将数字电压和参考相绕组中电流信号随同控制器输出的开关信号一同送入磁链积分模块算出激励相磁链ψ_k，然后将激励相磁链ψ_k和该相电流i_k送入到相电感计算模块算出参考相电感L_k，由参考相电流i_k经过三项系数拟合模型获得L₀、L₁、L₂，将三项系数与参考相电感L_k一同送入复平面角度估计模块以实现高速驱动运行时转子角度和速度估计。

4)将估算出的转子位置角度和瞬时转速一并送入控制器实现全速范围内换相控制和无位置转速闭环控制。

Claims (2)

1.一种适合开关磁阻电机全速范围运行的无位置传感器控制方法，其特征是：该控制方法基于开关磁阻电机的复平面电感模型，建立转子角度与电感系数和三相电感之间的函数关系；在电机静止或带初始转速条件下启动时，采用脉冲注入法获取三相电感；在电机低速运行时，采用空闲相脉冲注入法，建立三相电感之和的函数关系，从而获取导通相电感；在电机高速运行时，采用积分磁链除以电流来获取参考相电感；利用推导出的转子位置估算解析式计算出当前转子位置，根据估算出的转子位置实现开关磁阻电机的无位置传感器运行控制。

2.根据权利要求1所述的一种适合开关磁阻电机全速范围运行的无位置传感器控制方法，其特征是：所述的方法主要包括开关磁阻电机启动及低速驱动运行和高速驱动运行两大组成部分，其具体步骤如下：

步骤(1)，在开关磁阻电机启动或低速驱动运行时,通过直流母线电压向各相绕组中连续注入短暂的电压脉冲；

步骤(2)，根据AD通道采样的数字电压信号U_k和各相响应电流ΔI_k，计算出三相电感值L_A、L_B、L_C；

步骤(3)，根据启动或低速驱动运行参考相选择原理，确定初始参考相，获取参考相电流，并测量电机转子的三个特殊位置处的电感，即θ＝0°时，转子与定子磁极完全对齐处电感为L_a；θ＝11.25°，转子与定子磁极处于中间位置处电感为L_m；θ＝22.5°，转子与定子磁极完全不对齐处电感为L_u；

步骤(4)，根据步骤(3)中获得的数据，拟合得出开关磁阻电机在复平面电感模型中的电感系数L₀、L₁、L₂；

步骤(5)，利用开关磁阻电机复平面电感模型计算当前的转子位置角度；

A相转子位置角度估计公式为；

${\mathrm{\θ}}_A={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_A-\frac{1}{2}(L_B+L_C)}\left]\right\}}{4L_0}\right)$

B相转子位置角度为：

${\mathrm{\θ}}_B={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_B-\frac{1}{2}(L_A+L_C)}\left]\right\}}{4L_0}\right)$

C相转子位置角度为：

${\mathrm{\θ}}_C={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_0+\frac{2}{3}[L_C-\frac{1}{2}(L_A+L_B)}\left]\right\}}{4L_0}\right)$

步骤(6)，在开关磁阻电机高速驱动运行时，由AD通道采样得到数字电压信号U_k和电流信号i_A、i_B、i_C，利用开关磁阻电机电压方程估算当前转子位置的每相磁链；

步骤(7)，根据步骤(6)中获得的磁链数据，计算出三相电感值L_A、L_B、L_C；

步骤(8)，将A、B、C三相中任意一相作为参考相，其转子位置角度计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_k={\cos }^{-1}\left(\frac{-L_1+\sqrt{{L_1}^2+8L_2\{L_2+\frac{2}{3}{L}_K-\frac{1}{2}\left(L_{\mathrm{other}}\right)}\}}{4L_0}\right)$

式中，L_other为除参考相以外剩余两相电感之和(当A为参考相时，L_other＝L_B+L_C)；

根据上述方法即可得到开关磁阻电机的转子位置角度，进而实现开关磁阻电机在全速范围内的无位置传感器运行控制。