CN107979311A - 横向磁通开关磁阻电机无位置传感器转子位置的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了横向磁通开关磁阻电机无位置传感器转子位置的测定方法，设置电机初始位置角度，对A相施加高频脉冲电压；将电机初始位置角度增加一个步长依次计算各角度对应的电感值，得到A相角度—电感关系曲线；将一个机械角度周期内的电感曲线分为六区，采用二次多项式法进行拟合得到理想电感曲线，对理想电感曲线进行分析，选取合适的低阀值电感TL，根据每区内三相电感和TL之间的关系得到机械角度周期内的起动相逻辑；同时对三相注入高频脉冲电压算出三相电感值与起动相逻辑比对，确定起动相；将起动相的下一导通相注入高频脉冲电压达换相阀值后关断起动相导通下一相实现换相运行。本发明的有益效果是易于实现，精度较高。
Description
技术领域
本发明属于开关磁阻电机无位置传感器转子位置检测技术领域，涉及开关磁阻电机无位置传感器转子位置的精确测定。
背景技术
横向磁通开关磁阻电机(Transverse Flux Switch Reluctance Motor简称TFSRM)具有转矩密度高、低速性能好、容错能力强、起动转矩大等特点，在电动汽车、风力发电及工业领域都具有广阔的应用前景，但仍具有许多领域有待探索。TFSRM电机的位置检测器实时检测转子位置，将采集的转子位置信号发送给控制器，由控制器对信号进行处理和解算，并产生相应的控制信号，驱动功率变换器中主开关管的导通和关断，以实现对电机的实时位置闭环控制，确保TFSRM电机不失步的同步运行。传统的位置检测器由光电传感器和齿盘构成，增加了电机的复杂程度，降低了电机的可靠性。为解决这一问题，Acarnley等人首先提出基于增量电感的转子无位置传感器检测方法，国内外不少学者也相继提出了许多新颖的转子无位置传感器检测方案，例如，Lumsdaine提出了模型观测器法。Lyons提出了磁链/电流法，国内学者詹琼华等人提出了简化磁链/电流法、电容式位置检测法，此外，还有激励相电感检测法、互感检测法以及测试线圈法等方案。
本发明在目前的研究基础之上提出了一种新的转子位置检测方法--低阀值电感分区法。该方法无需外加位置检测器，只需要根据检测电流间接得到转子的位置区间，实现无位置传感器转子位置检测。
发明内容
本发明的目的在于提供横向磁通开关磁阻电机无位置传感器转子位置的测定方法，解决了传统的电感分区法存在误导通现象和磁链法计算量大算法不易实现的问题。
本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：
(1)在MATLAB仿真环境中建立角度—电感模型，在(0°，11.25°)内取步长0.5°，同时电机初始位置角度设置为0°，对A相施加高频脉冲电压；
(2)利用电感-电压间公式当相电压和注入脉冲电压时间确定时，通过检测相电流即可得到A相电感值；其中Uk为第k相绕组电压，其中注入脉冲电压时间为Δt，相电流为Δik。
(3)将电机初始位置角度增加一个步长0.5°，依次计算各角度对应的电感值，得到A相在(0°，11.25°)内的角度—电感关系曲线；由于(0°，
22.5°)内的角度—电感关系曲线关于11.25°所在直线对称，进而得到(0°，
22.5°)内的角度—电感关系曲线；
(4)将一个机械角度周期内(0°，22.5°)的电感曲线分为六区，并对(3°，9°)范围内采用二次多项式法及拟合公式θ＝f(L)＝a2L2+a1L+a0进行1-4次拟合，得到Ⅱ区角度-电感关系的理想电感曲线，进而得到各区对应的角度估算公式；其中f(L)为关于电感的拟合函数，L为电感，a2、a1、α0为拟合函数的各相系数。
(5)对理想电感曲线进行分析，选取合适的低阀值电感TL，同时根据每区内三相电感和TL之间的关系，得到一个机械角度周期内的起动相逻辑；
(6)同时对三相注入高频脉冲电压，根据步骤(2)，算出三相电感值，与步骤(5)中起动相逻辑进行比对，确定起动相；
(7)将步骤(6)中起动相的电感值代入步骤(4)中的角度-电感关系计算公式，计算出初始角度；
(8)将步骤(6)中起动相的下一导通相注入高频脉冲电压，此时下一导通相的相电感处于最小值区域；
(9)测步骤(6)中起动相的下一导通相电流，达换相阀值TL后关断起动相导通下一相，实现换相运行。
进一步，步骤(2)中第k相绕组电压Uk：
进一步，步骤(8)中导通相的导通相序在电机转向确定后确定。
本发明的有益效果是通过设置低阀值电感，得到一种易于实现，精度较高，并能在系统有初始速度时对初始位置进行检测的一种无位置转子位置检测策略。
附图说明
图1为三相16/16极的TFSRM电机A相位置角—相电感曲线；
图2为A相范围内1-4次拟合曲线；
图3中粗实线为各区所对应的近似线性角度—电感曲线；
图4为TFSRM理想电感曲线，用来确定低阀值电感θ'；
图5为低阀值电感分区原理图；
图6为脉冲注入原理图；
图7为换相流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
以三相16/16极的TFSRM为样机，横向磁通开关磁阻电机相绕组电压方程：
其中Uk为第k相绕组电压，ik为第k相绕组电流，Rk为第k相电阻，Lk为第k相绕组电感，Ω为转子角速度，θ为转子位置角；
在位置检测时注入的高频脉冲电压，其幅值较小且作用时间较短，磁路不饱和即产生的电流近似线性变化，且静止状态下Ω＝0，忽略电磁饱和效应和电阻压降，相绕组方程(1)可以简化为:
将式(2)离散化后可得：
由式(3)可知当相电压和注入脉冲电压时间确定时，通过检测相电流即可得到相电感值。
图1为三相16/16TFSRM A相(0°,11.25°)电感曲线。由图所示，每相电感曲线上升区可以分为三个部分(开始上升、近似线性上升和趋于饱和上升)，在电感开始上升和接近饱和上升部分电感线性度较差，近似线性上升部分线性度比较好。
图2为A相(3°，9°)范围内1-4次拟合曲线。由于近似线性上升部分拟合曲线精度较高，角度误差小且拟合次数越高误差越小。所以对(3°，9°)范围内采用二次多项式法对角度—电感曲线进行拟合。拟合公式为：
θ＝f(L)＝a2L2+a1L+a0 (4)
由获取的角度—电感信息，确定(4)式各相的系数，从而得到Ⅱ区角度-电感关系曲线。由于TFSRM结构的对称性，每相电感曲线呈周期性变化，各相之间相差120°电角度，因此只要得到样机的一个区角度-电感关系，即可推导出其他区的角度-电感关系。
图3中粗实线为各区所对应的近似线性角度—电感曲线。由分析可知Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ区曲线近似平行，其关系只相差一个常数，因此由式(4)可得到Ⅳ、Ⅵ区角度-电感关系，其结果如式(5):
图3中可以得到Ⅰ区和Ⅱ区曲线关于θ＝3.75°对称，通过几何关系即可由式(4)解算出Ⅰ区的角度-电感关系曲线，其结果如式(6):
θ＝7.5°-f(L) (6)
同样由于Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ区曲线近似平行，由式(6)即可解算出Ⅲ、Ⅴ区角度-电感关系曲线：
因此，各区所对应的角度估算如式(8)：
图4为TFSRM理想电感曲线。图中0°为定子槽与转子齿极中心线对齐位置处，11.25°为定、转子齿极中心线对齐处。(0°-θ1)之间磁阻较大电感接近于一个恒定的值；在(θ1-θ2)之间定、转子齿极逐渐重合，电感上升较快。本发明将θ'处对应的电感值设置为低阀值电感(TL)。通常来说θ'位置不宜过小也不宜过大，否则可能会出现无法起动或误导通现象。θ'位置由计算式(9)确定:
图5为低阀值电感分区原理图。由图可知在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ区只有一相电感处于上升趋势，在该区段可将该相确定为起动相。而在Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ区各有两相电感处于上升趋势，其中一相电感开始上升，另一相电感趋于饱和上升。在Ⅰ区若确定A相为起动相，可能会出现起动转矩过小导致无法起动的现象；若确定C相为起动相，可能会由于电感趋于饱和而导致误导通。为了避免上述问题的出现，本发明提出了低阀值电感分区法，即在电感分区的基础上设置低阀值检测。
表1为起动相逻辑表。由图5中可知，在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ区可直接由电感关系确定起动相。当电感关系为Lc≥La>Lb时确定转子在Ⅱ区，可确定A相为起动相，同样当转子在Ⅳ、Ⅵ区时起动相分别为B、C相。在Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ区时结合低阀值电感确定起动相。例如，当得到电感关系为Lc≥Lb>La时确定转子处于Ⅰ区，再将La与低电感阀值比较，当La>TL时确定A为起动相，否则C为起动相。在Ⅲ、Ⅴ区时用同样的方法可以确定具体起动相。
表1
图6为脉冲注入原理图。本发明采用对下一导通相注入高频脉冲电压，检测该相电流。当电流达到设定的换相阀值后即执行换相操作。例如，当前导通相为A相，对下一导通相(B相)注入高频脉冲电压(电机转向确定后，导通相序即可确定)，此时B相电感处于最小值区域，电流上升比较明显，此时对B相电流进行检测，当达到换相阀值后关断A相导通B相。如此循环即可实现电机换相运行。
图7为换相流程图。图7具体描述了换相运行的流程。
本发明对三相16/16极TFSRM采用低阀值电感分区法，同时根据检验电流间接得到转子的位置区间，实现转子检测，还具备以下优点：
1)该方法不需要大量的磁链—电流—角度信息，直接由电感关系结合逻辑表确定起动相，计算量小算法上易于实现。
2)通过设置低阀值，不需要在电感接近饱和区时确定起动相，避免了误导通现象。
3)基于电感分区法，对线性度较好的部分进行拟合，降低了拟合次数同时具有较高的精度。
4)系统具有一定初始速度时，该方法同样能对初始位置进行检测，并具有一定的精度。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.横向磁通开关磁阻电机无位置传感器转子位置的测定方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)在MATLAB仿真环境中建立角度—电感模型，在(0°，11.25°)内取步长0.5°，同时电机初始位置角度设置为0°，对A相施加高频脉冲电压；
(2)利用电感-电压间公式当相电压和注入脉冲电压时间确定时，通过检测相电流即可得到A相电感值；其中Uk为第k相绕组电压，其中注入脉冲电压时间为Δt，相电流为Δik；
(3)将电机初始位置角度增加一个步长0.5°，依次计算各角度对应的电感值，得到A相在(0°，11.25°)内的角度—电感关系曲线；由于(0°，22.5°)内的角度—电感关系曲线关于11.25°所在直线对称，进而得到(0°，22.5°)内的角度—电感关系曲线；
(4)将一个机械角度周期内(0°，22.5°)的电感曲线分为六区，并对(3°，9°)范围内采用二次多项式法及拟合公式θ＝f(L)＝a2L2+a1L+a0进行1-4次拟合，得到Ⅱ区角度-电感关系的理想电感曲线，进而得到各区对应的角度估算公式；其中f(L)为关于电感的拟合函数，L为电感，α2、α1、α0为拟合函数的各相系数。
(5)对理想电感曲线进行分析，选取合适的低阀值电感TL，同时根据每区内三相电感和TL之间的关系，得到一个机械角度周期内的起动相逻辑；
(6)同时对三相注入高频脉冲电压，根据步骤(2)，算出三相电感值，与步骤(5)中起动相逻辑进行比对，确定起动相；
(7)将步骤(6)中起动相的电感值代入步骤(4)中的角度-电感关系计算公式，计算出初始角度；
(8)将步骤(6)中起动相的下一导通相注入高频脉冲电压，此时下一导通相的相电感处于最小值区域；
(9)测步骤(6)中起动相的下一导通相电流，达换相阀值TL后关断起动相导通下一相，实现换相运行。
2.横向磁通开关磁阻电机无位置传感器转子位置的测定方法，其特征在于：所述步骤(2)中第k相绕组电压Uk：
3.横向磁通开关磁阻电机无位置传感器转子位置的测定方法，其特征在于：所述步骤(8)中导通相的导通相序在电机转向确定后确定。
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