CN105827161A - 一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，属于开关磁阻电机控制的技术领域。本发明对开关磁阻电机非导通相绕组的电流采取斩波控制方式，通过限定电流上下限值将电流保持在很小的数值范围内，使电流在电机非导通区间连续，电流在电机非导通区间连续使得在全电周期内对相绕组磁链积分即可获得整个周期的电感信息，通过DSP控制器编程检测相电感最小位置处并估计转子位置信息，相电感对应的特殊位置点在定转子非对齐位置，相电感值受电磁饱和影响小，适合于开关磁阻电机的带载运行。

Description

一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法

技术领域

本发明公开了一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，属于开关磁阻电机控制的技术领域。

背景技术

开关磁阻电机采用双凸极结构，定子上绕有集中式绕组，转子无永磁材料和绕组，具备结构简单，容错能力强，运行效率高等特点。开关磁阻电机在航空航天、电动汽车、船舶、分布式电源系统以及精密加工、纺织机械、飞轮储能等诸多场合具有良好的应用前景。要保证开关磁阻电机可靠运行和高性能控制，就必须准确的获取转子位置信息。传统的开关磁阻电机驱动系统中由于采用了转子位置传感器，影响了调速系统的可靠性，提高了成本，加大了安装调试的难度，因此研究开关磁阻电机无位置传感技术具有重要意义。

近20年来国内外学者在该领域做了大量研究，针对不同转速范围提出多种控制方案。其中主要包括以下几种：调制解调法、高频脉冲注入法、相间互感检测法、磁链/电流法、电感模型法、反电势估计法、基于智能控制以及观测器等多种位置估计算法。

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。在中、高速运行区域，磁链/电流法、电感模型法、智能控制方法应用比较广泛。磁链/电流法将磁链-电流-位置角数据以三维表的形式存储，通过实时估计绕组磁链与相电流一起查表得到转子位置信息。该方法算法复杂，占用软硬件资源较多，计算时间长。随着智能控制技术的发展，模糊控制、神经网络开始应用于开关磁阻电机的无位置传感器技术中，此类方法不需要精确的系统模型，只需足够的训练数据就可以拟合转子位置、磁链和电流之间的关系，实现位置估计，但是训练数据需要大量训练时间，算法较为复杂，对处理器的功能要求较高。以上无位置传感器控制技术大多依赖电机磁链模型，降低了其实用性与通用性。

基于相电流梯度法的开关磁阻电机无位置传感器技术通过检测相电流梯度的过零点来估计定转子齿开始重合的位置点信号。但是该方法以相电流在特殊位置出现峰值为前提，限制了角度调节范围，不适于电流斩波控制。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种适合用于较宽速度范围的开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，无需预知开关磁阻电机的电磁特性数据和精确数学模型即可估计转子位置信息，解决了传统的磁链/电流法、电感模型法、智能控制等开关磁阻电机无位置方法依赖电机本体参数，通用性差的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，包括如下步骤：

A、驱动开关磁阻电机运行在电流连续控制模式；

B、根据开关磁阻电机各相绕组的相电流和相电压计算各相绕组全电周期电感值；

C、实时检测每个电周期内各相绕组最小电感值对应的特殊转子位置参考点，并在特殊转子位置参考点处发出位置检测脉冲；

D、根据相邻两电周期内位置检测脉冲的角度差和时间间隔估计实时转速并估计转子位置。

作为所述一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法的进一步优化方案，步骤A驱动开关磁阻电机运行在电流连续控制模式的方法为：驱动开关磁阻电机运行在角度位置控制模式下，在绕组非导通区间内对电流采取电流斩波控制，控制主电路器件的反复开通和关断以限制非导通区间电流在给定的上下限之间。

进一步的，所述一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，步骤B中计算各相绕组全电周期电感值的方法为：根据各相绕组磁链与相电压以及相电流的关系在全电周期内做积分运算确定各相绕组磁链，再由各相绕组磁链与相电流的比值确定各相绕组全电周期电感值。

再进一步的，所述一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，步骤D中根据相邻两电周期内位置检测脉冲的角度差和时间间隔估计实时转速的表达式是：估计转子位置的表达式是：θ(k+1)＝θ(k)+ωΔT，ω为实时转速，Δθ、Δt分别为相邻两电周期内位置检测脉冲的角度差和时间间隔，θ(k+1)、θ(k)分别为第k+1电周期、第k电周期的转子位置估计值，ΔT为电周期。

实现所述一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法的系统，包括：

用于测量各相绕组相电压的电压传感器，

用于测量各相绕组相电流的电流传感器，及，

根据各相绕组相电压和相电流生成主电路器件驱动信号的DSP控制模块；

所述DSP控制模块：驱动开关磁阻电机运行在电流连续控制模式，计算各相绕组全电周期电感值，检测各相绕组最小电感值并在最小电感值对应的特殊转子位置参考点处发出位置检测脉冲，根据相邻两电周期内位置检测脉冲的角度差和时间间隔估计实时转速并估计转子位置。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明对开关磁阻电机非导通相绕组的电流采取斩波控制方式，通过限定电流上下限值将电流保持在很小的数值范围内，使电流在电机非导通区间连续，电流在电机非导通区间连续使得在全电周期内对相绕组磁链积分即可获得整个周期的电感信息，通过DSP控制器编程检测相电感最小位置处并估计转子位置信息，相电感对应的特殊位置点在定转子非对齐位置，相电感值受电磁饱和影响小，适合于开关磁阻电机的带载运行。

附图说明

图1是开关磁阻电机电流连续导通控制原理示意图；

图2是开关磁阻电机全周期电感计算流程图；

图3是通过检测开关磁阻电机最小电感位置估算转子位置原理示意图；

图4是开关磁阻电机调速系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：本发明检测每个周期相电感最小位置处，即开关磁阻电机定、转子非对齐位置。通过电感最小位置处获得的转子位置脉冲信号计算电机的实时转速，估计转子位置信息，具有较强的通用性和实用性。

图1是开关磁阻电机电流连续导通控制原理示意图。在开关磁阻电机高速运行时，通常采用单脉冲控制方式，当导通相关断时，相电流进入续流模式。本发明在绕组非导通区间对电流采取电流斩波控制，给定电流的上下限，检测电机相电流与给定上下限比较，超过电流上限时，关断绕组开关管使绕组电流下降，当相电流降到电流下限时，重新开通开关管使电流上升。通过主电路器件的反复开通和关断，将非导通区间的电流限制在给定的上下限之间，使电流在电机绕组非导通区间连续。

图2所示为电流连续时全周期电感的计算流程图。通过电压、电流传感器实时采样各相电流、相电压，在DSP控制器中计算开关磁阻电机相磁链，进一步计算相电感。电流在电机非导通区间连续，可获得整个周期的电感信息。通过检测每个周期相电感最小位置估计转子位置信息。

开关磁阻电机第k相的电压方程如式(1)所示：

$\frac{{\mathrm{d\Ψ}}_k}{dt}=U_k-R_k{i}_k---\left(1\right),$

式(1)中，U_k为第k相的绕组端电压，i_k为第k相的绕组电流，R_k为第k相的绕组电阻，Ψ_k为第k相的绕组磁链。

两边积分得到相绕组磁链的表达式如式(2)所示：

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

式(2)中，Ψ(0)为磁链初始值。

根据相绕组磁链Ψ(i,θ)、电感L(i,θ)以及电流i之间的关系可知，绕组电感可以根据式(3)计算得到：

$L(i,\mathrm{\θ})=\frac{\mathrm{\Ψ}(i,\mathrm{\θ})}{i}---\left(3\right),$

当导通相关断时，在绕组非导通区间对电流采取电流斩波控制，给定电流的上下限，通过主电路器件的反复开通和关断，将非导通区间的电流限制在给定的上下限之间，使电流在绕组非导通区间连续。此时，电流在开关磁阻电机一相绕组的导通区间和非导通区间都有电流值，因此可以通过公式(3)计算出全周期的电感值。

图3所示为通过检测开关磁阻电机最小电感位置估算转子位置原理示意图。在电机每个周期可以得到一个最小电感对应的特殊转子位置参考点，两次检测到特殊位置参考点之间的时间差，可以根据式(4)得到电机的实时转速：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}}{\mathrm{\Δ}t}---\left(4\right),$

式(4)中，ω为实时转速，Δθ和Δt分别表示相邻两电周期内位置检索脉冲之间的角度差和时间间隔。

根据所述特定转子位置和实时的转速估算出转子的任意位置如式(5)所示：

θ(k+1)＝θ(k)+ωΔT(5)，

式(5)中，θ(k+1)和θ(k)分别为第k+1电周期、第k电周期的转子位置估计值，ΔT为DSP中断周期，即为电周期。

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)、位置传感器以及电压电流检测电路等组成。其中控制器是系统的核心,电压电流传感器LEM对电压、电流信号进行采集,由电压电流调理电路处理之后送入DSP控制器，本发明中全周期电感的计算、电感最小位置点的检测以及无位置传感器的算法都是由控制器DSP来完成。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。

Claims (5)

1.一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、驱动开关磁阻电机运行在电流连续控制模式；

B、根据开关磁阻电机各相绕组的相电流和相电压计算各相绕组全电周期电感值；

C、实时检测每个电周期内各相绕组最小电感值对应的特殊转子位置参考点，并在特殊转子位置参考点处发出位置检测脉冲；

D、根据相邻两电周期内位置检测脉冲的角度差和时间间隔估计实时转速并估计转子位置。

2.根据权利要求1所述一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，其特征在于，步骤A驱动开关磁阻电机运行在电流连续控制模式的方法为：驱动开关磁阻电机运行在角度位置控制模式下，在绕组非导通区间内对电流采取电流斩波控制，控制主电路器件的反复开通和关断以限制非导通区间电流在给定的上下限之间。

3.根据权利要求2所述一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，其特征在于，步骤B中计算各相绕组全电周期电感值的方法为：根据各相绕组磁链与相电压以及相电流的关系在全电周期内做积分运算确定各相绕组磁链，再由各相绕组磁链与相电流的比值确定各相绕组全电周期电感值。

4.根据权利要求3所述一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，其特征在于，步骤D中根据相邻两电周期内位置检测脉冲的角度差和时间间隔估计实时转速的表达式是：估计转子位置的表达式是：θ(k+1)＝θ(k)+ωΔT，ω为实时转速，Δθ、Δt分别为相邻两电周期内位置检测脉冲的角度差和时间间隔，θ(k+1)、θ(k)分别为第k+1电周期、第k电周期的转子位置估计值，ΔT为电周期。

5.实现权利要求1所述一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法的系统，其特征在于，包括：

用于测量各相绕组相电压的电压传感器，

用于测量各相绕组相电流的电流传感器，及，

根据各相绕组相电压和相电流生成主电路器件驱动信号的DSP控制模块；

所述DSP控制模块：驱动开关磁阻电机运行在电流连续控制模式，计算各相绕组全电周期电感值，检测各相绕组最小电感值并在最小电感值对应的特殊转子位置参考点处发出位置检测脉冲，根据相邻两电周期内位置检测脉冲的角度差和时间间隔估计实时转速并估计转子位置。