CN108429504A - 一种基于低成本位置传感器的开关磁阻电机转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低成本位置传感器的开关磁阻电机转矩控制方法。开关磁阻电机的转子速度及位置信息通过低成本位置传感器信号预估，而特殊转子位置处的磁链特性曲线则通过电压、电流及位置信号动态获取，进而通过解析计算得到完整磁链特性，利用该完整磁链特性得到转矩特性进行直接瞬时转矩控制。所述控制方法在减小转矩脉动的同时，能够有效降低系统成本，缩短特性测量时间，降低测量复杂度。

Description

一种基于低成本位置传感器的开关磁阻电机转矩控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于低成本位置传感器的开关磁阻电机转矩控制方法，属于电机控制领域。

背景技术

开关磁阻电机结构简单，转子无永磁体及绕组，转矩由定、转子间气隙磁阻变化产生。调速范围宽、可靠性高、适用于恶劣环境等优点，使其具有广阔的应用前景。然而，双凸极结构及磁路饱和，使得开关磁阻电机转矩脉动大，振动及噪声明显，以至于很多工业领域难以应用。目前解决转矩脉动问题的方法主要分为设计和控制两个方面。

直接瞬时转矩控制方法是将瞬时转矩作为反馈变量，在转矩滞环内追踪参考转矩，进而有效减小转矩的脉动。由于开关磁阻电机高度饱和非线性，其转矩特性难以通过公式表达，实际应用中，需要搭建专门的测试平台和转子固定装置，利用静态转矩传感器读取特定位置及电流下的转矩，通过遍历电流及转子位置，获取其静态转矩特性。上述测量过程需要高精度的转子位置传感器，例如旋转变压器，且需要专门的解码电路，增加了直接瞬时转矩控制方法的实现复杂度及成本。因此，应用不需要解码电路且具有一定精度的低成本位置传感器，例如光电位置传感器，通过在线获取的数据进行转矩特性预估及位置预估，进而实现直接瞬时转矩控制，降低该控制系统的成本，对开关磁阻电机控制系统的推广应用具有重要意义。

发明内容

针对直接瞬时转矩控制实现成本高且参数测量复杂度大等缺陷，本发明提出了一种基于低成本位置传感器的开关磁阻电机转矩控制方法，通过位置传感器的脉冲信号求解转子位置，以及动态测量磁链数据，进而计算得到转矩特性进行直接瞬时转矩控制。技术方案如下：

步骤一：每隔30°安装光电位置传感器，每45°将传感器输出信号平均分为六个区间。

步骤二：根据输出信号的六个区间，区间s_i的转子平均速度N_i可由式(1)得到。其中，t_i为s_i区间的持续时间，θ_i为t_i时的转子位置。为了减小估计误差，基于滑动平均滤波法计算转子速度n，如式(2)。其中，n_i为s_i区间之前三个区间的平均速度，mod(,6)表示对6求余。

N_i＝θ_i/6t_i(i＝1,2,3,4,5,6) (1)

n＝n_i＝(N_mod(i+3,6)+N_mod(i+4,6)+N_mod(i+5,6))/3(i＝1,2,3,4,5,6) (2)

步骤三：通过转子速度n预估转子位置，如式(3)。其中，θ_p为某一时刻最邻近信号边沿的转子位置，n为预估转子速度，Δt为预估转子位置θ到最邻近信号边沿转子位置θ_p的持续时间。

θ＝θ_p+6×n×Δt (3)

步骤四：预先设置相电流参考值，在开环电流滞环控制下将开关磁阻电机及其负载驱动到稳定转速，通过式(6)求解磁链。其中，n为采样点，k为n之前的采样点，T_s为采样周期，v，i，R和分别为相电压、相电流、相电阻及相磁链。当检测到位置信号的上升或下降边沿时，存储该位置的磁链。当获取到该相电流下所有边沿的磁链时，改变相电流参考值，继续计算并存储新相电流参考值下的磁链，得到不同转子位置及电流下的磁链数据。

步骤五：将磁链曲线视为分段函数，建立磁链特性的数学模型，基于动态测量的四个位置的磁链数据，求解数学模型中的系数，获取完整磁链特性曲线。

步骤六：通过完整磁链数据求解转矩。转矩与磁链的关系如式(7)。

步骤七：利用得到的转矩，进行直接瞬时转矩控制；转速误差经过速度PI控制器，得到参考转矩；将转矩特性预先存储到转矩查找表中，动态预估瞬时转矩；瞬时转矩通过滞环控制器，产生开关信号控制开关磁阻电机实时跟踪参考转矩，实现直接瞬时转矩控制。

本发明的有益效果：①应用了低成本位置传感器，降低直接瞬时转矩控制的实现成本；②提出了磁链动态测量方法，在测量电磁特性时，可减少测量时间，降低测量复杂度。

附图说明

图1为位置传感器的安装图。

图2为位置传感器的输出信号示意图。

图3为步骤三中的参数示意图。

图4为磁链动态测量原理图。

图5为磁链动态测量平台结构框图。

图6为动态测量与静态测量所得磁链特性对比。

图7为完整磁链特性曲线。

图8为转矩特性曲线。

图9为基于低成本位置传感器的直接瞬时转矩控制框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例，对本发明的技术方案进行详细说明。实例所用电机为一个1kW三相12/8极开关磁阻电机。

步骤一：每隔30°安装光电位置传感器如图1，每45°将传感器输出信号平均分为六个区间，输出信号示意图如图2。

在0°到7.5°位置区间内，传感器1输出低电平，传感器2输出高电平，传感器3输出低电平；

在7.5°到15°位置区间内，传感器1输出高电平，传感器2输出高电平，传感器3输出低电平；

在15°到22.5°位置区间内，传感器1输出高电平，传感器2输出低电平，传感器3输出低电平；

在22.5°到30°位置区间内，传感器1输出高电平，传感器2输出低电平，传感器3输出高电平；

在30°到37.5°位置区间内，传感器1输出低电平，传感器2输出低电平，传感器3输出高电平；

在37.5°到45°位置区间内，传感器1输出低电平，传感器2输出低电平，传感器3输出高电平；

步骤二：根据输出信号的六个区间，求解区间s_i的转子平均速度N_i，并利用滑动平均滤波法计算转子速度n_i。

i＝1时

N₁＝θ₁/6t₁

n₁＝(N₄+N₅+N₆)/3

需要说明的是mod(6,6)＝0，但在本发明中将其赋值为6。

当i＝2时

N₂＝θ₂/6t₂

n₂＝(N₁+N₅+N₆)/3

当i＝3时

N₃＝θ₃/6t₃

n₃＝(N₁+N₂+N₆)/3

当i＝4时

N₄＝θ₄/6t₄

n₄＝(N₁+N₂+N₃)/3

当i＝5时

N₅＝θ₅/6t₅

n₅＝(N₂+N₃+N₄)/3

当i＝6时

N₆＝θ₆/6t₆

n₆＝(N₃+N₄+N₅)/3

步骤三：利用得到的转子速度，求解转子位置。

步骤四：测量0°、7.5°和15°的磁链特性数据。在测量时，三个位置的开通角分别为-2°、0°和2°。考虑到互感系数的影响，相邻阶段的电流不应该有重叠区域，其相应的关断角分别为13°、15°和17°。单相励磁时转子会自动转到平衡位置即22.5°，该位置磁链特性直接用电压脉冲注入法测量。测量原理图及结构框图如图4、图5所示，其中θ_on和θ_off为开通角和关断角。

步骤五：动态测量所得0°、7.5°、15°及22.5°四个位置的磁链数据如图6，通过该磁链数据建立磁链特性的解析模型，计算得到完整磁链特性数据如图7。

步骤六：利用上述步骤得到的完整磁链特性，计算得到转矩特性曲线如图8。

步骤七：利用步骤六得到的转矩特性曲线，进行直接瞬时转矩控制如图9。转速误差经过速度PI控制器，得到参考转矩。将转矩特性预先存储到转矩查找表中，动态预估瞬时转矩。瞬时转矩通过滞环控制器，产生开关信号控制开关磁阻电机实时跟踪参考转矩，实现直接瞬时转矩控制。

Claims (1)

1.一种基于低成本位置传感器的开关磁阻电机转矩控制方法，其特征在于：开关磁阻电机的转子速度及位置信息通过低成本位置传感器信号预估，特殊转子位置的磁链特性曲线基于电压、电流及位置信息动态获取，进而得到转矩特性进行直接瞬时转矩控制，在有效减小转矩脉动同时降低参数测量复杂度且降低成本；该方法实现步骤如下：

步骤一：每隔30°安装光电位置传感器，每45°将传感器输出信号平均分为六个区间；

步骤二：根据输出信号的六个区间s_1-6求解转子速度，区间s_i的转子平均速度N_i由公式N_i＝θ_i/6t_i(i＝1,2,3,4,5,6)求解；其中，t_i为s_i区间的持续时间，θ_i为t_i时的转子位置；为了减小转子速度的估计误差，基于滑动平均滤波法，转子速度n由公式n＝n_i＝(N_mod(i+3,6)+N_mod(i+4,6)+N_mod(i+5,6))/3(i＝1,2,3,4,5,6)得到；其中，n_i为s_i区间之前三个区间的平均速度，mod(,6)表示对6求余；

步骤三：由公式θ＝θ_p+6×n×Δt预估转子位置；其中，θ_p为某一时刻最邻近信号边沿的转子位置，n为预估转子速度，Δt为预估转子位置θ到最邻近信号边沿转子位置θ_p的持续时间；

步骤四：预先设置相电流参考值，在开环电流滞环控制下将开关磁阻电机及其负载驱动到稳定转速，通过公式求解磁链；其中，n为采样点，k为n之前的采样点，T_s为采样周期，v，i，R和分别为相电压、相电流、相电阻及相磁链；当检测到位置信号的上升或下降边沿时，存储该位置的磁链；当获取到该相电流下所有边沿的磁链时，改变相电流参考值，继续计算并存储新相电流参考值下的磁链，得到不同转子位置及电流下的磁链数据；单相励磁时转子会自动转到平衡位置，该位置磁链特性直接由电压脉冲注入法测量；

步骤五：将磁链曲线视为分段函数，建立磁链特性的数学模型，基于动态测量的四个位置的磁链数据，求解该数学模型系数，获取完整磁链特性曲线；

步骤六：通过转矩与磁链关系式求解转矩；

步骤七：利用得到的转矩，进行直接瞬时转矩控制；转速误差经过速度PI控制器，得到参考转矩；将转矩特性预先存储到转矩查找表中，动态预估瞬时转矩；瞬时转矩通过滞环控制器，产生开关信号控制开关磁阻电机实时跟踪参考转矩，实现直接瞬时转矩控制。