CN105897112A - 高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高速运行开关磁阻电机的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。本发明对高速运行的开关磁阻电机进行单脉冲控制，对非导通相绕组电流采取斩波控制，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，可获得整个电周期的电感信息，基于获得的三相全周期电感合成电感矢量，利用合成的全周期电感空间矢量与转子位置信息的关系实现转子位置的精确估计。

Description

高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法

技术领域

本发明公开了高速运行开关磁阻电机的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

开关磁阻电机具备结构简单坚固、容错能力强、运行效率高、机械特性硬、适于恶劣环境下运行等特点，适于高速运行和恶劣的工作环境。目前，开关磁阻电机在航空航天、电动汽车、混合动力电动汽车、家用电器、压缩机等领域得到了实际应用。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。传统的光电式、电磁式等位置传感器的引入不仅会增加系统的成本和复杂度，而且降低了系统的可靠性和环境适应性，从而限制了开关磁阻电机的应用范围。因此，研究低成本、实用的开关磁阻电机的无位置传感器技术具有重要的意义。

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。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。电感模型法采用二阶傅里叶级数拟合相电感与相电流及转子位置之间的函数关系，但是该模型需要利用对齐位置、非对齐位置及中间位置三条电感曲线，事先需要知道电机的本体参数。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了高速运行开关磁阻电机的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高速运行开关磁阻电机的转子位置信息，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：

高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法，包括如下步骤：

A、对高速运行开关磁阻电机进行电流连续控制以计算三相绕组全电周期的电感信息；

B、根据三相绕组全电周期的电感信息随转子位置变化的特点，将三相绕组全电周期的电感信息表示为在三相静止坐标系内与电机同速旋转的全电周期电感空间总矢量；

C、依据以电感幅值最大相为估计相的原则将整个电周期划分为三个电感分区，根据全电周期电感空间总矢量估计三个电感分区内的转子位置信息以获得全电周期的转子位置信息。

进一步的，所述高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法，步骤A中对高速运行开关磁阻电机进行电流连续控制的方法为：采用单脉冲控制方式控制高速运行的开关磁阻电机，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。

再进一步的，所述高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法，步骤A中所述计算三相绕组全电周期的电感信息，具体方法为：在全电周期内对相邻采样时刻开关磁阻电机相磁链的数学关系表达式做积分运算得到三相绕组全电周期的磁链信息，再由三相绕组电周期的磁链信息与三相绕组电流的关系确定三相绕组全电周期的电感信息。

进一步的，所述高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法，步骤B的具体方法为：在三相静止坐标系下将三相绕组全电周期的电感信息表示成互差120°电角度的三相电感矢量，各相电感矢量的模为瞬时转子位置对应的电感幅值，以转子位置为参考量将三相电感矢量合成为与电机同速旋转的全周期电感空间总矢量。

再进一步的，所述高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法，步骤C中根据全电周期电感空间总矢量估计三个电感分区内的转子位置信息的方法为：依据转子位置对所述全周期电感空间总矢量正交分解得到转子位置的正切函数，在三个电感分区内求解反正切函数以估计转子位置信息。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：对高速运行的开关磁阻电机进行单脉冲控制，对非导通相绕组电流采取斩波控制，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，可获得整个电周期的电感信息，基于获得的三相全周期电感合成电感矢量，利用合成的全周期电感空间矢量与转子位置信息的关系实现转子位置的精确估计。

附图说明

图1是开关磁阻电机全周期电感计算原理示意图；

图2是开关磁阻电机电感分区示意图；

图3是开关磁阻电机三相电感合成矢量合成示意图；

图4是开关磁阻电机三相电感合成矢量正交分解原理示意图。

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。

图1是开关磁阻电机全周期电感计算原理示意图。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。

在本发明中通过电压、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，各相绕组磁链的计算采用公式(1)：

Ψ(k+1)＝Ψ(k)+(u(k)-Ri(k))_ΔT (1)，

式(1)中，Ψ(k+1)和Ψ(k)分别为k+1采样时刻和k采样时刻的绕组磁链，u(k)为k采样时刻的绕组端电压，i(k)为k采样时刻的绕组电流，R为绕组电阻，_ΔT为采样间隔。

通过对各相绕组磁链积分获得开关磁阻电机各相绕组全电周期的磁链Ψ(i,θ)后，进一步计算各相绕组全电周期电感L(i,θ)。各相绕组全电周期电感L(i,θ)的计算如式(2)所示：

$L(i,\mathrm{\θ})=\frac{\mathrm{\Ψ}(i,\mathrm{\θ})}{i}---\left(2\right).$

电流在电机导通区间和非导通区间均连续，可获得整个电周期的电感信息。三相绕组全周期的电感信息随转子位置θ周期性变化，三相绕组全周期电感的如图2所示。从图2可以看出，如果不考虑电感的不对称因素，A、B、C三相电感曲线完全相同，并且相位上互差15°机械角度。开关磁阻电机中电角度θ_elec与机械角度θ之间的关系可以表示为：

θ_elec＝N_rθ (3)，

式(3)中，N_r为开关磁阻电机的转子极数。

图3所示为开关磁阻电机三相电感矢量合成示意图。根据计算得到的三相绕组全周期的电感信息与转子位置θ变化的特点，将三相电感表示成相位互差120°电角度的三相电感矢量L_a、L_b、L_c，矢量的模为对应瞬时转子位置的电感幅值。如图3所示，三相电感矢量在三相静止坐标系下可合成一个全周期电感空间总矢量。三相电感矢量的模值随转子位置角度变化而周期性变化，合成的全周期电感空间总矢量L在三相静止坐标系中与电机同速旋转。

全周期电感空间总矢量L如式(4)所示：

$L=L_a\∠0+L_b\∠\frac{2\mathrm{\π}}{3}+L_c\∠\frac{4\mathrm{\π}}{3}---\left(4\right).$

图4所示为开关磁阻电机三相电感合成矢量正交分解原理示意图。通过将全周期电感空间总矢量L正交分解，在α和β轴上的分量Lα和Lβ分别表示为：

$L_{\mathrm{\α}}=L_b-\frac{1}{2}(L_a+L_c)---\left(5\right),$

$L_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{2}(L_c-L_a)---\left(6\right).$

全周期电感空间总矢量L的转子位置θ可以如(7)所示表示为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{L_{\mathrm{\β}}}{L_{\mathrm{\α}}}\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}(L_c-L_a)}{L_b-\frac{1}{2}(L_a+L_c)}\right)---\left(7\right)$

全周期电感空间总矢量L相对于三相静止坐标系以与开关磁阻电机相同的角速度旋转。因此，转子位置可以通过对全周期电感空间总矢量L正交分解求取。由于反正切函数的值域为(-π/2,π/2)，为了获得整个周期的转子位置信息，采用电感分区的方法，选择电感幅值最大的相作为估计相，将整个电周期分为三个区间，即区间1[0,2π/3)、区间2[2π/3,4π/3)、区间3[4π/3,2π)，电感的分区估计逻辑如图2所示。基于此电感分区的原则，可以在三个电感分区分别估计转子位置信息，将每个电感分区内的估计位置组合可以得到整个周期的转子位置信息。

Claims (5)

1.高速运行开关磁阻电机的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、对高速运行开关磁阻电机进行电流连续控制以计算三相绕组全电周期的电感信息；

B、根据三相绕组全电周期的电感信息随转子位置变化的特点，将三相绕组全电周期的电感信息表示为在三相静止坐标系内与电机同速旋转的全电周期电感空间总矢量；

C、依据以电感幅值最大相为估计相的原则将整个电周期划分为三个电感分区，根据全电周期电感空间总矢量估计三个电感分区内的转子位置信息以获得全电周期的转子位置信息。

2.根据权利要求1所述高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法，其特征在于，步骤A中对高速运行开关磁阻电机进行电流连续控制的方法为：采用单脉冲控制方式控制高速运行的开关磁阻电机，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1或2所述高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法，步骤A中所述计算三相绕组全电周期的电感信息，具体方法为：在全电周期内对相邻采样时刻开关磁阻电机相磁链的数学关系表达式做积分运算得到三相绕组全电周期的磁链信息，再由三相绕组电周期的磁链信息与三相绕组电流的关系确定三相绕组全电周期的电感信息。

4.根据权利要求1所述高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法，步骤B的具体方法为：在三相静止坐标系下将三相绕组全电周期的电感信息表示成互差120°电角度的三相电感矢量，各相电感矢量的模为瞬时转子位置对应的电感幅值，以转子位置为参考量将三相电感矢量合成为与电机同速旋转的全周期电感空间总矢量。

5.根据权利要求4所述高速运行开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估计方法，步骤C中根据全电周期电感空间总矢量估计三个电感分区内的转子位置信息的方法为：依据转子位置对所述全周期电感空间总矢量正交分解得到转子位置的正切函数，在三个电感分区内求解反正切函数以估计转子位置信息。