CN105490612B - 开关磁阻电机无位置传感器控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法和系统，该方法包括：获取上一个周期开关磁阻电机绕组的相电流信号；在绕组的关断时刻对相电流信号分别进行低通滤波和反因果滤波，分别得到第一电流波形信息和第二电流波形信息；确定第一电流波形信息出现峰值的第一时刻以及第二电流波形信息出现峰值的第二时刻；计算开关磁阻电机的转速；根据第一时刻、第二时刻以及转速获得因实时滤波造成的相位差；根据所述相位差对转子的位置信息进行补偿，得到转子的实时位置信息，以进行无位置传感器控制。本发明可提高位置检测精度，扩大电流梯度法适用的转速范围，且无需增加硬件成本，是一种通用、低成本、实用的开关磁阻电机无位置传感器控制技术。

Description

开关磁阻电机无位置传感器控制方法和系统

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机控制领域，特别是涉及一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法和系统。

背景技术

开关磁阻电机具有结构简单、坚固、高效、造价低等优点，是一种广受关注，具有良好发展前景的电机。开关磁阻电机在正常运行时，需要实时的转子位置信息进行换相，产生连续转矩。目前一般采用光电式、电磁式、霍尔传感器或轴编码器检测转子位置。对位置传感器的依赖增加了系统成本、降低了系统可靠性、加大了系统体积、限制了应用范围，极大地削弱了开关磁阻电机本体相对其他电机更适合工作在恶劣环境的优势。为克服这些缺点，有必要发展开关磁阻电机的无位置传感器控制技术。

现有的无位置传感器控制技术有电流斩波法、脉冲注入法、调制解调法、互感法、磁链法、电感法、观测器法。这些方法都需要预知电机的数学模型，通用性不强，难以实用化。有学者基于开关磁阻电机的电感曲线特征，提出了一种电流梯度法，通过检测相电流峰值点获取转子位置，取得了很好的效果。该方法不依赖电机模型，无需进行磁链存储、查表、复杂的模型计算等操作，适用于任何常规结构的开关磁阻电机，且实现简单，具有较强实用性与通用性。然而，现有的电流梯度法是通过检测相电流导数的过零点确定相电流峰值的，在计算电流导数前，必须对电流进行滤波，而实时的滤波操作必然导致相位滞后，使得检测到的位置信息出现延迟，形成误差，且转速越高误差越大。位置检测误差明显影响对电机的控制性能，同时严重限制了该方法适用的转速范围。因此，有必要解决滤波产生的位置检测误差的问题。

发明内容

基于此，为解决现有技术中的问题，本发明提供一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法和系统，能够消除滤波造成的相位延迟，提高开关磁阻电机无位置传感器控制的精度。

为实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括如下步骤：

获取已存储的上一个周期的开关磁阻电机绕组的相电流信号；

对上一个周期的所述相电流信号进行低通滤波，得到当前周期对应的第一电流波形信息；并在所述绕组的关断时刻对上一个周期的所述相电流信号进行反因果滤波，得到当前周期对应的第二电流波形信息；

确定当前周期对应的第一电流波形信息出现峰值的第一时刻以及当前周期对应的第二电流波形信息出现峰值的第二时刻；

根据所述第二时刻，以及上一个周期对应的第二电流波形信息出现峰值的时刻，确定开关磁阻电机的转速；

根据所述第一时刻、所述第二时刻以及所述转速获得因实时滤波造成的相位差；

根据所述相位差对通过电流梯度法检测到的当前周期转子的位置信息进行补偿，得到转子的实时位置信息，以进行无位置传感器控制。

以及一种开关磁阻电机无位置传感器控制系统，包括：

获取模块，用于获取已存储的上一个周期的开关磁阻电机绕组的相电流信号；

第一低通滤波模块，用于对上一个周期的所述相电流信号进行低通滤波，得到当前周期对应的第一电流波形信息；

反因果滤波模块，用于在所述绕组的关断时刻对上一个周期的所述相电流信号进行反因果滤波，得到当前周期对应的第二电流波形信息；

第一峰值确定模块，用于确定当前周期对应的第一电流波形信息出现峰值的第一时刻以及当前周期对应的第二电流波形信息出现峰值的第二时刻；

转速计算模块，用于根据所述第二时刻，以及上一个周期对应的第二电流波形信息出现峰值的时刻，确定开关磁阻电机的转速；

相移计算模块，用于根据所述第一时刻、所述第二时刻以及所述转速获得因实时滤波造成的相位差；

补偿控制模块，用于根据所述相位差对通过电流梯度法检测到的当前周期转子的位置信息进行补偿，得到转子的实时位置信息，以进行无位置传感器控制。

与现有技术相比，本发明引入反因果滤波操作，计算因实时滤波操作造成的相位延迟，并对使用现有电流梯度法检测到的转子的位置信息进行补偿，得到转子精确的实时位置信息，实现无位置传感器控制。本发明可以提高位置检测精度，扩大电流梯度法适用的转速范围，且无需增加硬件成本，是一种通用、低成本、实用的开关磁阻电机无位置传感器控制技术。

附图说明

图1为本发明的开关磁阻电机无位置传感器控制方法在一个实施例中的流程示意图；

图2为反因果滤波的原理示意图；

图3为根据相位差Δθ对通过电流梯度法检测到的当前周期转子的位置信息进行补偿的流程示意图；

图4为本发明实施例中相电流与电感波形示意图；

图5为本发明一个具体实例中无位置传感器控制的流程示意图；

图6为本发明的一个实例中相电流信号及其导数的波形示意图；

图7为本发明的开关磁阻电机无位置传感器控制系统在一个实施例中的结构示意图；

图8为本发明实施例中补偿控制模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合较佳实施例及附图对本发明的内容作进一步详细描述。显然，下文所描述的实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解的是，尽管在下文中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1是本发明的开关磁阻电机无位置传感器控制方法在一个实施例中的流程示意图，本实施例中的开关磁阻电机无位置传感器控制方法可以由控制系统来执行。如图1所示，本实施例中的开关磁阻电机无位置传感器控制方法包括以下步骤：

步骤S110，获取已存储的上一个周期的开关磁阻电机绕组的相电流信号；

步骤S120，对上一个周期的所述相电流信号进行低通滤波，得到当前周期对应的第一电流波形信息；并在所述绕组的关断时刻对上一个周期的所述相电流信号进行反因果滤波，得到当前周期对应的第二电流波形信息；

步骤S130，确定当前周期对应的第一电流波形信息出现峰值的第一时刻以及当前周期对应的第二电流波形信息出现峰值的第二时刻；

步骤S140，根据所述第二时刻，以及上一个周期对应的第二电流波形信息出现峰值的时刻，确定开关磁阻电机的转速；

步骤S150，根据所述第一时刻、所述第二时刻以及所述转速获得因实时滤波造成的相位差；

步骤S160，根据所述相位差对通过电流梯度法检测到的当前周期转子的位置信息进行补偿，得到转子的实时位置信息，以进行无位置传感器控制。

具体的，对于开关磁阻电机的每相绕组，用I(t)表示上一周期已存储的相电流信号，对该相电流信号I(t)进行低通滤波，得到当前周期对应的第一电流波形信息I_a(t)，在绕组的关断时刻对相电流信号I(t)进行反因果滤波，得到当前周期对应的第二电流波形信息I_b(t)，反因果滤波的原理如图2所示，其中u(t)为输入信号，假定：

u(t)＝sin(ωt) (1)

设低通滤波器对于频率为ω的正弦信号的增益为A，相移为B，则：

y(t)＝Asin(ωt+B) (2)

对时间取反，输出y(τ)：

y(τ)＝Asin(-ωτ+B)＝-Asin(ωτ-B) (3)

y(τ)经过相同的低通滤波器后输出y’(τ)：

y’(τ)＝-A²sin(ωτ-B+B)＝-A²sin(ωτ) (4)

再次对时间取反，输出y’(t)：

y’(t)＝A²sin(ωt) (5)

由式(1)和式(5)可知，滤波前后信号相位差为零，增益为低通滤波器增益的平方，该特点适用于所有频率的正弦信号。需要说明的是，零相移滤波器(反因果滤波)只适合对已知的信号进行离线分析，不适用于信号的实时处理，理论上任何实时的滤波操作都将产生相移。

需要说明的是式(2)至式(5)中出现的ω表示频率，而在下面式(6)至式(11)中出现的ω表示转速。

在获得第一电流波形信息I_a(t)、第二电流波形信息I_b(t)后，通过求导数、过零比较操作即可确定第一电流波形信息I_a(t)出现峰值的第一时刻T1以及当前周期对应的第二电流波形信息I_b(t)出现峰值的第二时刻T2。根据第二时刻T2，以及上一个周期对应的第二电流波形信息出现峰值的时刻T2_pre，确定开关磁阻电机的转速ω，具体公式如下：

然后根据第一时刻T1、第二时刻T2以及转速ω获得因实时滤波造成的相位差Δθ：

Δθ＝ω(T 1-T) (7)

然后就可以根据相位差Δθ对通过电流梯度法检测到的当前周期转子的位置信息进行补偿，得到转子的实时位置信息，以进行无位置传感器控制。

较佳的，为了节省存储空间，已存储的上一个周期的相电流信号为上一个周期绕组在导通期间的相电流信号，即用于计算相位差的相电流信号仅为绕组在导通期间的电流波形。

较佳的，在获得相位差后，删除已存储的上一个周期的相电流信号，以释放内存，节省存储空间。

在一种可选的实施方式中，如图3所示，根据相位差Δθ对通过电流梯度法检测到的当前周期转子的位置信息进行补偿的过程包括：

步骤S301，对当前周期的所述相电流信号进行低通滤波，得到第三电流波形信息；

步骤S302，确定所述第三电流波形信息出现峰值的第三时刻；

步骤S303，根据所述相位差以及定子与转子凸极重合时的位置角确定基准位置；

步骤S304，根据当前时刻、所述第三时刻、所述转速以及所述基准位置获得当前周期转子的实时位置信息。

对于当前周期的实时相电流信号，进行实时低通滤波，得到第三电流波形信息，然后通过求导、过零比较等操作检测第三电流波形信息出现峰值的第三时刻T3。假设开关磁阻电机的定子与转子凸极重合时的位置角为θ₃，则该时刻对应的转子位置为Δθ+θ₃，以该位置作为基准位置，T3作为基准时间，根据当前时刻T以及转速计算当前周期的转子的实时位置信息为：

θ＝Δθ+θ₃+(T-T₃)·ω (8)

根据转子的实时位置信息即可完成换相操作，实现无位置传感器控制。同时，在一种可选的实时方式中，还可以根据转速ω进行PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)调速控制。

与现有技术相比，本发明引入反因果滤波器，计算因实时滤波操作造成的相位延迟，并对使用现有电流梯度法检测到的转子的位置信息进行补偿，得到精确的转子的实时位置信息，实现无位置传感器控制。本发明可以提高位置检测精度，扩大电流梯度法适用的转速范围，且无需增加硬件成本，是一种通用、低成本、实用的开关磁阻电机无位置传感器控制技术。

为了进一步详细说明本发明的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，下面给出一个具体的实例。

以电动车上的一台四相8/6结构的开关磁阻电机为例，任何常规结构的开关磁阻电机的电感曲线存在明显特征，即在定子与转子凸极开始重合的时刻，如图4所示，电感曲线出现拐点，当开关磁阻电机受PWM控制时，相电流信号在位置角θ₃处出现峰值，在本实例中定义θ₃为机械角0°位置，因此开通角θ_on大于关断角θ_off。参照图5所示，与图5中的6个虚线框相对应，通过以下6个步骤即可实现对开关磁阻电机进行无位置传感器控制。

步骤一：电动车的控制器接收到“开始”指定后将启动无位置传感器控制，首先判断是否接收到“停车”指令，若是，则控制器将关断开关磁阻电机的所有绕组，若否，则继续执行步骤二。

步骤二：读取定时器当前时刻T，根据检测到的相电流信号对应的电流波形出现峰值的时刻t₁，以及根据上一个周期的相电流信号获得的转速ω以及相位差Δθ，通过上面的式(8)计算当前时刻转子的实时位置信息，获得位置角θ，计算公式为：

θ＝Δθ+(T-t₁)·ω (9)

步骤三：存储用于计算因滤波造成的相位差所需的相电流信号i₁(t)，如图6所示，为节省存储空间，只需存储绕组导通期间的相电流信号。可使用标志位flag判断当前时刻绕组是否处于导通状态，若是，则存储波形；如否，则不存储当前时刻的波形。

步骤四：判断当前位置角θ是否大于开通角θ_on，若是，则导通绕组，并将flag置1，表示从下次主循环开始需要存储相电流信号。受电压激励，相电流开始上升，从本次循环开始实时检测电流是否出现峰值。在对相电流信号i₁(t)进行求导计算前，需滤除电磁噪声及PWM电压方波产生的谐波，一般使用低通滤波器，如图6所示，输出滤波后的平滑的第一电流波形信息i₂(t)。然后对i₂(t)进行求导运算，如图6所示，输出di₂(t)。当di₂＝0时，则判定相电流已过峰值，即当前时刻转子已通过0°位置。由于实时的低通滤波造成电流波形相位后移，产生相位差，导致当检测到电流峰值时转子位置已超出一定角度，该相位差通过上一周期的相电流信号计算得出，为Δθ，因此当检测到电流峰值时(对应t₁时刻)，转子位置刷新为Δθ，并作为下一周期的基准位置。保存t₁，为下一主循环过程(即步骤一至步骤四构成的主循环)中的式(9)提供数据。

步骤五：如果当前位置角θ未达到开通角θ_on,再判断是否达到关断角θ_off。当位置角θ首次大于关断角时，关断绕组，进入步骤六；否则进入下次主循环过程(步骤一至步骤四)。

步骤六：该步骤主要在绕组关断时刻计算实时滤波产生的相位差。首先将flag清零，使得在下一次主循环过程中不重复本步骤，同时表明从下一次主循环开始，无需存储相电流信号。然后对已存储的相电流信号i₁(t)进行反因果滤波，得到如图6所示的第二电流波形信息i₃(t)，对比i₁(t)和i₃(t)可知，其相位是相同的。对i₃(t)进行求导运算，如图6所示，输出di₃(t)。通过过零比较确定电流峰值出现时刻t₂，并与上个周期检测到的峰值出现时刻t₂_pre作差，计算转速ω，按照式(6)进行计算：

然后更新峰值出现时刻，即将t₂赋给t₂_pre，使t₂作为下个周期计算的参考数据。

按照式(7)将t₂与t₁的时间差折算为相位差Δθ，为当前周期进行实时低通滤波后产生的相位后移：

Δθ＝ω(t₁-t₂) (11)

计算出相位差后，可用于下个主循环过程。最后清空相电流信号的存储空间以释放内存。

重复上述步骤一至步骤六执行下个周期的循环，如此反复，实现开关磁阻电机无位置传感器控制。

综上所述，本发明引入反因果滤波器，计算实时滤波操作造成的相位延迟，并对使用现有电流梯度法检测到的转子位置进行补偿，得到精确的位置信息，顺利完成换相操作，实现无位置传感器控制及PWM调速控制。本发明可提高位置检测精度，扩大电流梯度法适用的转速范围，且无需增加硬件成本，是一种通用、低成本、实用的开关磁阻电机无位置传感器控制技术。

根据上述本发明的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，本发明还提供一种开关磁阻电机无位置传感器控制系统，下面结合附图及较佳实施例对本发明的开关磁阻电机无位置传感器控制系统进行详细说明。

图7为本发明的开关磁阻电机无位置传感器控制系统在一个实施例中的结构示意图。如图7所示，该实施例中的开关磁阻电机无位置传感器控制系统，包括：

获取模块1，用于获取已存储的上一个周期的开关磁阻电机绕组的相电流信号；

第一低通滤波模块2，用于对上一个周期的所述相电流信号进行低通滤波，得到当前周期对应的第一电流波形信息；

反因果滤波模块3，用于在所述绕组的关断时刻对上一个周期的所述相电流信号进行反因果滤波，得到当前周期对应的第二电流波形信息；

第一峰值确定模块4，用于确定当前周期对应的第一电流波形信息出现峰值的第一时刻以及当前周期对应的第二电流波形信息出现峰值的第二时刻；

转速计算模块5，用于根据所述第二时刻，以及上一个周期对应的第二电流波形信息出现峰值的时刻，确定开关磁阻电机的转速；

相移计算模块6，用于根据所述第一时刻、所述第二时刻以及所述转速获得因实时滤波造成的相位差；

补偿控制模块7，用于根据所述相位差对通过电流梯度法检测到的当前周期转子的位置信息进行补偿，得到转子的实时位置信息，以进行无位置传感器控制。

较佳的，为节省存储空间，已存储的上一个周期的相电流信号为上一个周期绕组在导通期间的相电流信号。

在一种可选的实施方式中，如图8所示，补偿控制模块7包括：

第二低通滤波模块71，用于对当前周期的所述相电流信号进行低通滤波，得到第三电流波形信息；

第二峰值确定模块72，用于确定所述第三电流波形信息出现峰值的第三时刻；

基准位置确定模块73，用于根据所述相位差以及定子与转子凸极重合时的位置角确定基准位置，

转子位置确定模块74，用于根据当前时刻、所述第三时刻、所述转速以及所述基准位置获得转子的实时位置信息。

在一种可选的实施方式中，仍参照图7所示，本发明的开关磁阻电机无位置传感器控制系统还包括调速控制模块8，用于根据所述转速对开关磁阻电机进行基于PWM的调速控制。

较佳的，仍参照图7所示，本发明的开关磁阻电机无位置传感器控制系统还可包括清除模块9，用于在获得所述相位差后，删除已存储的上一个周期的相电流信号，以释放内存，节省存储空间。

上述开关磁阻电机无位置传感器控制系统可执行本发明实施例所提供的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种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：

获取已存储的上一个周期的开关磁阻电机绕组的相电流信号；

对上一个周期的所述相电流信号进行低通滤波，得到当前周期对应的第一电流波形信息；并在所述绕组的关断时刻对上一个周期的所述相电流信号进行反因果滤波，得到当前周期对应的第二电流波形信息；

确定当前周期对应的第一电流波形信息出现峰值的第一时刻以及当前周期对应的第二电流波形信息出现峰值的第二时刻；

根据所述第二时刻，以及上一个周期对应的第二电流波形信息出现峰值的时刻，确定开关磁阻电机的转速；

根据所述第一时刻、所述第二时刻以及所述转速获得因实时滤波造成的相位差；

根据所述相位差对通过电流梯度法检测到的当前周期转子的位置信息进行补偿，得到转子的实时位置信息，以进行无位置传感器控制；其中，根据所述相位差对通过电流梯度法检测到的当前周期转子的位置信息进行补偿的过程包括：

对当前周期的所述相电流信号进行低通滤波，得到第三电流波形信息；

确定所述第三电流波形信息出现峰值的第三时刻；

根据所述相位差以及定子与转子凸极重合时的位置角确定基准位置，并根据当前时刻、所述第三时刻、所述转速以及所述基准位置获得当前周期转子的实时位置信息。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，已存储的上一个周期的所述相电流信号为上一个周期所述绕组在导通期间的相电流信号。

3.根据权利要求1或2所述的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，还包括：根据所述转速对开关磁阻电机进行PWM调速控制。

4.根据权利要求1或2所述的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，在获得所述相位差后，删除已存储的上一个周期的所述相电流信号。

5.一种开关磁阻电机无位置传感器控制系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取已存储的上一个周期的开关磁阻电机绕组的相电流信号；

第一低通滤波模块，用于对上一个周期的所述相电流信号进行低通滤波，得到当前周期对应的第一电流波形信息；

反因果滤波模块，用于在所述绕组的关断时刻对上一个周期的所述相电流信号进行反因果滤波，得到当前周期对应的第二电流波形信息；

第一峰值确定模块，用于确定当前周期对应的第一电流波形信息出现峰值的第一时刻以及当前周期对应的第二电流波形信息出现峰值的第二时刻；

转速计算模块，用于根据所述第二时刻，以及上一个周期对应的第二电流波形信息出现峰值的时刻，确定开关磁阻电机的转速；

相移计算模块，用于根据所述第一时刻、所述第二时刻以及所述转速获得因实时滤波造成的相位差；

补偿控制模块，用于根据所述相位差对通过电流梯度法检测到的当前周期转子的位置信息进行补偿，得到转子的实时位置信息，以进行无位置传感器控制；其中，补偿控制模块包括：

第二低通滤波模块，用于对当前周期的所述相电流信号进行低通滤波，得到第三电流波形信息；

第二峰值确定模块，用于确定所述第三电流波形信息出现峰值的第三时刻；

基准位置确定模块，用于根据所述相位差以及定子与转子凸极重合时的位置角确定基准位置，

转子位置确定模块，用于根据当前时刻、所述第三时刻、所述转速以及所述基准位置获得转子的实时位置信息。

6.根据权利要求5所述的开关磁阻电机无位置传感器控制系统，其特征在于，已存储的上一个周期的所述相电流信号为上一个周期所述绕组在导通期间的相电流信号。

7.根据权利要求5或6中任一项所述的开关磁阻电机无位置传感器控制系统，其特征在于，还包括调速控制模块，用于根据所述转速对开关磁阻电机进行PWM调速控制。

8.根据权利要求5或6所述的开关磁阻电机无位置传感器控制系统，其特征在于，还包括清除模块，用于在获得所述相位差后，删除已存储的上一个周期的相电流信号。