CN106026843B - 一种基于时间阀值的开关磁阻电机初始位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于时间阀值的开关磁阻电机初始位置估计方法，属于开关磁阻电机控制技术领域。本发明的方法包括初始化设定、电感周期的平均分区、相电流上升变化量的计算与判断、相电流上升的时间变化量计算及判断以及位置判断等步骤。本发明的开关磁阻电机初始位置估计方法能够有效估计电机转子的初始位置，且不需要增加硬件，通用性强。

Description

一种基于时间阀值的开关磁阻电机初始位置估计方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机初始位置估计方法，尤其是一种基于时间阀值的开关磁阻电机初始位置估计方法。

背景技术

在应用领域中，开关磁阻电机需要转子位置信号，目前转子位置信号的获取主要采用直接位置检测方法，该方法是在电机中专门增设一个位置传感器得到位置信号，典型的有电磁式、光电式、磁敏式等，其中光电传感器应用最广泛，但这些传统的机械传感器结构复杂，安装不方便，不仅增加了系统结构的复杂性，同时也降低了系统的可靠性和增加了成本，制约了开关磁阻电机的广泛应用，特别在高温、灰尘等恶劣环境下，位置传感器又容易出现故障，这又限制了电机的正常运转。为了克服开关磁阻电机这一弊端，探索一种算法简单、容易实现、又高可靠性的无位置传感器技术具有十分重要的实际意义。

为了实现无位置传感器技术的应用，初始位置的判断是前提和条件，特别是在某些特定场合，如电动汽车、精确伺服传动装置等领域是不允许电机反转，所以要在这些领域使用无位置传感器技术，就必需考虑初始位置角精确估算和初始导通相判断问题，如果不能实现准确的初始位置估计，会导致电机反转，严重会导致灾难性后果。国内外学者对开关磁阻电机初始位置估算判断研究了很多方法，如脉冲注入法、电感分区法等，脉冲注入法是通过脉冲电流的幅值大小判断电机的初始起动相，但在电感相差不大的区域，因脉冲电流的幅值相差也很小，而导致初始位置估计精度不高。电感分区法存在电感最大和最小区域电感变化缓慢，所以该区域电机的相电流变化也很缓慢，这对电流传感器采集相电流的精度有很大影响，最终导致初始位置估计的精度不高，可能会产生反转，总之，每种初始位置的估计方法都有其优点也有缺点，因此需要克服现有技术的缺陷，解决精确估算转子初始位置角以及判断初始启动相的问题，以提高无位置传感器开关磁组电机系统的运行稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的基于注入高频脉冲的开关磁阻电机初始位置估计方法，在电感曲线相交的附近区域，电感值近乎相等，其脉冲电流峰值相差细微，所以该区域通过脉冲电流峰值比较估计电机初始位置精度较低。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于时间阀值的开关磁阻电机初始位置估计方法，包括如下步骤：

步骤1，设定各相电流上升的变化量初始值ΔI，并按平均分区法对相电感曲线的电周期进行分区，使每个分区内的相电感曲线为单调函数；

步骤2，在t₀时刻同时向电机各相绕组上的开关管发送开通信号导通相绕组，使相电流i由起始的i₀开始上升；

步骤3，实时检测各相的相电流i的大小，再计算相电流的变化量|i-i₀|，并判断当前的变化量|i-i₀|与相电流上升的变化量初始值ΔI的大小，当两个值相等时记下当前时刻t₁；

步骤4，计算各相的相电流i上升ΔI的时间变化量ΔT＝|t₁-t₀|，设定各相的时间变化量ΔT分别为ΔT_A、ΔT_B和ΔT_C；

步骤5，比较各相的相电流i上升的时间变化量ΔT的大小，利用各相的时间变化量ΔT的大小与各相电感的对应关系来确定电机转子所在的分区，再根据确定的分区选择电感曲线单调上升的相为电机的初始起动相。

采用时间阀值比较来估计转子初始位置信号，与现有注入高频脉冲开关磁阻电机初始位置估计技术相比，在电感曲线相交附近区域里，电感值近乎相等，其脉冲电流峰值相差细微，所以脉冲电流峰值相差无几，用脉冲电流峰值比较估计开关磁阻电机初始位置精度会很低，而在该区域，利用本发明方法，相电流上升时间的变化量相差很大，所以通过比较时间变化量来估计电机的初始位置，具有较好为准确的位置估计精度；采用的算法简单，且不需要增加硬件便可以实现开关磁阻电机初始位置的估计，通用性强。

作为本发明的进一步限定方案，步骤1中的平均分区法将各相电感曲线的电周期平均分为I区、II区、III区、IV区、V区和VI区这六个分区。采用将相电感曲线的电周期平均分为六个分区，是根据电感的电周期的特性进行划分，有效确保在各个分区内的相电感曲线为单调函数。

作为本发明的进一步限定方案，步骤5中，利用各相的时间变化量ΔT的大小与各相电感的对应关系来确定电机转子所在的分区，再根据确定的分区选择电感曲线单调上升的相为电机的初始起动相，具体对应关系为：

上表中，L_A、L_B和L_C分别为A、B和C三相对应的电感值，θ_A表示A相转子位置角度。

采用该表格对应关系能够方便快捷地进行电机的初始起动相判断，不仅效率高，而且准确率也比较高。

本发明的有益效果在于：(1)采用时间阀值相比较来估计转子初始位置信号，与现有注入高频脉冲开关磁阻电机初始位置估计技术相比，在电感曲线相交附近区域里，电感值近乎相等，其脉冲电流峰值相差细微，所以脉冲电流峰值相差无几，用脉冲电流峰值比较估计开关磁阻电机初始位置精度会很低，而在该区域，利用本发明方法，相电流上升时间的变化量相差很大，所以通过比较时间变化量来估计电机的初始位置，具有较好为准确的位置估计精度；(2)采用的算法简单，且不需要增加硬件便可以实现开关磁阻电机初始位置估计，通用性强。

附图说明

图1为本发明的初始位置估计方法流程图；

图2为本发明的开关磁阻电机电感曲线与相电流上升的变化量示意图；

图3为本发明的电感曲线的平均分区示意图；

图4为本发明的第III分区里三相相电流上升的时间变化量大小关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的基于时间阀值的开关磁阻电机初始位置估计方法，包括如下步骤：

步骤1，设定各相电流上升的变化量初始值ΔI，此值为定值，保证各相电流上升的变化量都相等，并按平均分区法对相电感曲线的电周期进行分区，使每个分区内的相电感曲线为单调函数；

步骤2，在t₀时刻同时向电机各相绕组上的开关管发送开通信号导通相绕组，使相电流i由起始的i₀开始上升，起始的i₀大小为零；

步骤3，利用信号采集单元实时检测各相的相电流i的大小，再由微处理器计算计算相电流的变化量|i-i₀|，并判断当前的变化量|i-i₀|与相电流上升的变化量初始值ΔI的大小(各相电流的变化量初始值都为ΔI)，当两个值相等时由微处理器记下当前时刻t₁；

步骤4，计算各相的相电流i上升ΔI的时间变化量ΔT＝|t₁-t₀|，设定各相(三相开关磁阻电机各相为A相、B相和C相)的时间变化量ΔT分别为ΔT_A、ΔT_B和ΔT_C；

步骤5，由于平均分区后的每个分区电感为单调函数，所以在分区里各相在相同的相电流上升的变化量下，因为各相的电感不同，对应的相电流上升的时间变化量(ΔT_A、ΔT_B和ΔT_C)是不相等的，于是比较各相的相电流i上升的时间变化量ΔT的大小，利用各相的时间变化量ΔT的大小与各相电感的对应关系来确定电机转子所在的分区，再根据确定的分区选择电感曲线单调上升的相为电机的初始起动相。

采用时间阀值比较来估计转子初始位置信号，与现有注入高频脉冲开关磁阻电机初始位置估计技术相比，在电感曲线相交附近区域里，电感值近乎相等，其脉冲电流峰值相差细微，所以脉冲电流峰值相差无几，用脉冲电流峰值比较估计开关磁阻电机初始位置精度会很低，而在该区域，利用本发明方法，相电流上升时间的变化量相差很大，所以通过比较时间变化量来估计电机的初始位置，具有较好为准确的位置估计精度；采用的算法简单，且不需要增加硬件便可以实现开关磁阻电机初始位置的估计，通用性强。

下面结合附图对本发明的原理进行介绍(以三相开关磁阻电机为对象)：

如图2所示，设定相电流变化量初始值ΔI，电机静止状态下，微处理器向开关管发送开通信号，相电流开始上升，如果开通时间长，相电流上升较大，当产生的电磁转矩大于摩擦力等阻力时，会导致电机旋转，从而破坏了电机的初始状态，甚至引起电机的反转，因此必须合理的选择相电流上升的变化量初始值，以保证电机处在静止状态。

由于产生的相脉冲电流较小，忽略电机的饱和效应，近似认为电机的磁路是线性的，则开关磁阻电机一相通电时的电磁转矩为：

式(1)中，i表示相电流，T_e表示电磁转矩，表示电感变化率；由于近似设定电机的磁路是线性的，那么电机的相电感同样可以用线性模型计算，相电感变化率可以表示为：

式(2)中，L_max是最大电感值，L_min是最小电感值，β_s是定子磁极极弧；假设此时电机的负载转矩为T_L，电机的上升电流最大值为i_max，最小值为零，则有：

ΔI＝i_max (3)

又有：

T_e＜T_L (4)

式(4)中，T_L表示负载转矩，将式(4)代入式(1)、(2)和(3)可得：

电感包含了电机转子的位置信号，由于开关磁阻电机电感曲线是周期变化的，一个电周期里，电感曲线不是单调函数，很难从电感和电流变化量、时间变化量、转子位置四者关系确定转子初始位置，所以要对电感周期进行平均分区，针对三相开关磁阻电机电感周期均分为6个分区(I、II、III、IV、V、VI)，每个分区里电感曲线成单调函数变化，这样在每个分区里转子的位置与电感一一对应了，如图3所示。

因为相电流上升的变化量峰值相对小，所以可以忽略电机电磁饱和、相间互感，如果不考虑铁心的磁滞损耗和涡流损耗和绕组等效电阻压降等，开关磁阻电机相电压方程可以简化为：

式(5)中，U为相绕组的端电压，R为相绕组的电阻，i为相绕组的相电流，L为相电感，ω为电机的转速，θ为电机的转子位置角。

电机处于静止或低速状态下，旋转电动势近似为零，由于脉冲电流相对小，忽略绕组压降，式(5)化简为：

进一步推导可得：

由式(7)可以看出，在母线电压和相电流上升的变化量ΔI恒定的情况下，相电感值与相电流上升的时间变化量ΔT成正比，且在每个分区里是一一对应的，这样电感中包含的转子位置信息就可以通过相电流上升的时间变化量ΔT反映出来。

如图4所示，例如假设电机转子初始位置在第III分区里，在t₀时刻同时向电机各相绕组上的开关管发送开通信号，相绕组导通，相电流i上升，信号采集单元检测各相相电流i值并送入微处理器，由微处理器计算相电流的变化值|i-i₀|，并判断其与相电流变化量初始值ΔI的大小，判断两值相等时刻微处理器记下时间t₁；计算各相的ΔT_A、ΔT_B、ΔT_C(ΔT＝t₁-t₀)，由于第III分区里L_A＞L_B＞L_C，所以有ΔT_A＞ΔT_B＞ΔT_C，这样通过判断三相电流上升的时间变化量ΔT的大小，就可以判断电机转子当前所在的分区，分区确定下来，就可以选电感上升的相为初始起动相。

根据以上分析原理，其他分区里判断初始起动相的原理相同，表1为不同分区里三相电流上升的时间变化量ΔT的大小关系以及初始起动相。

表1相电流上升时间与初始起动相关系

表1中，L_A、L_B和L_C分别表示A、B和C三相对应的电感值，θ_A表示A相转子位置角度。

Claims (1)

1.一种基于时间阀值的开关磁阻电机初始位置估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设定各相电流上升的变化量初始值ΔI，并按平均分区法对相电感曲线的电周期进行分区，使每个分区内的相电感曲线为单调函数；

步骤2，在t₀时刻同时向电机各相绕组上的开关管发送开通信号导通相绕组，使相电流i由起始的i₀开始上升；

步骤3，实时检测各相的相电流i的大小，再计算相电流的变化量|i-i₀|，并判断当前的变化量|i-i₀|与相电流上升的变化量初始值ΔI的大小，当两个值相等时记下当前时刻t₁；

步骤4，计算各相的相电流i上升ΔI的时间变化量ΔT＝|t₁-t₀|，设定各相的时间变化量ΔT分别为ΔT_A、ΔT_B和ΔT_C；

步骤5，比较各相的相电流i上升的时间变化量ΔT的大小，利用各相的时间变化量ΔT的大小与各相电感的对应关系来确定电机转子所在的分区，再根据确定的分区选择电感曲线单调上升的相为电机的初始起动相；

步骤1中的平均分区法将各相电感曲线的电周期平均分为I区、II区、III区、IV区、V区和VI区这六个分区；

步骤5中，利用各相的时间变化量ΔT的大小与各相电感的对应关系来确定电机转子所在的分区，再根据确定的分区选择电感曲线单调上升的相为电机的初始起动相，具体对应关系为：

上表中，L_A、L_B和L_C分别为A、B和C三相对应的电感值，θ_A表示A相转子位置角度。