CN109150030B - 一种开关磁阻电机转子位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关磁阻电机转子位置估计方法，利用主磁路饱和情况下的电感特征，提出具备避开检测线圈饱和非线性电感区间的转子位置估计策略，同时考虑到检测线圈电感信息间接获取过程中、由于模拟滤波而造成的相移问题，根据相移理论来设计相应的相移补偿算法以消除位置估计误差，进一步提升位置估计的精度。通过上述设计，可以使得检测线圈技术能够满足各种负载条件下的动态运行要求，也可以实现精确的静止初始位置定位，实现电机的频繁无反转起动。从而有助于其在航空航天起动发电机、电动汽车驱动电机等对可靠性要求极高、运行工况相对苛刻的应用场合的实用化。

Description

一种开关磁阻电机转子位置估计方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机转子位置估计方法，属于电机检测技术领域。

背景技术

开关磁阻电机具备结构简单坚固，适合高速、高温运行，以及容错能力强等特点。转子位置检测或估计是开关磁阻电机系统中最为关键的环节之一。传统的转子位置传感器都易受高温、高速、粉尘等工况或环境因素的影响，可靠性和恶劣环境耐受能力都相对较低。未解决传感器存在的问题，无位置传感器技术和间接位置检测技术显得极其重要。无位置传感器技术需要利用电机电感或磁链特性，无位置算法与电机控制算法通常是耦合的，电机控制需要兼顾无位置算法的要求，因此很大程度上会牺牲电机控制的性能，系统的可靠性也会大打折扣。转子位置信号的精度和可靠性直接影响到开关磁阻电机系统的控制性能。在电机定子齿极附加检测线圈的间接位置估计方法具备较好的灵活性，独立性和实用性，但是当电机工作在加载条件时主磁路饱和给转子位置估计造成困难，传统间接位置估计技术忽略主磁路饱和的方式导致电机驱动系统不具备较强的带载能力，而只能适合空载或轻载工况，限制了该技术的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种开关磁阻电机转子位置估计方法，解决由于主磁路饱和而造成的检测线圈电感强非线性对位置估计的影响问题，同时解决检测线圈电感信息间接获取过程中、由于模拟滤波而造成的相移对位置估计精度影响的问题。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种开关磁阻电机转子位置估计方法，开关磁阻电机定子上绕制相绕组和A、B、C三相检测线圈，其中，每相绕组按电流进出方向结成NSNS极性结构，各相检测线圈接成NNSS极性结构；所述转子位置估计方法包括如下步骤：

步骤A.基于各相绕组中同时所注入的电压信号，分别获得各相检测线圈中注入电流的包络线信号，并基于各包络线信号的取倒数操作，分别获得各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，然后进入步骤B；

步骤B.基于开关磁阻电机静止、A相转子位置θ_A＝24°时，取A相检测线圈相对电感值作为阈值上限L_High，以及C相检测线圈相对电感值作为阈值下限L_Low，然后进入步骤C；

步骤C.根据各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，针对整个电感周期进行划分，获得各个电感区间，以及分别基于各电感区间，确定估计相电感L，然后进入步骤D；

步骤D.基于各个电感区间，获得整个电感周期中转子位置角度θ与估计相电感L的关系模型，然后进入步骤E；

步骤E.根据所获各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，基于各电感区间、以及估计相电感L的选择，应用整个电感周期中转子位置角度θ与估计相电感L的关系模型，获得开关磁阻电机静止的初始位置、以及运行时的连续转子位置估计信号。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括如下步骤F至步骤H；执行完所述步骤E之后，进入步骤F；

步骤F.基于样本数据开关磁阻电机不同转速下，各相检测线圈中注入电流包络线信号的理想值、以及检测获得值，拟合构建开关磁阻电机转速n与相移角度β函数关系如下：

β＝k₅n+k₄

式中，k₄、k₅为基于样本数据开关磁阻电机不同转速下，各相检测线圈中注入电流包络线信号的理想值、以及检测获得值，所拟合获得的一阶线性拟合系数，然后进入步骤G；

步骤G.利用所述A相检测线圈相对电感L_A≥L_High，得到一个最大区间脉冲信号，其下降沿位置对应于A相检测线圈的不饱和电感区，则下降沿所处位置不受主绕组饱和影响，相邻下降沿之间为一个电周期走过的机械角度，通过记录每个下降沿之间的时间差，实时获得开关磁阻电机实时转速n，然后进入步骤H；

步骤H.根据开关磁阻电机实时转速n，基于开关磁阻电机转速n与相移角度β函数关系，获得相移角度β，并基于开关磁阻电机运行时的连续转子位置估计信号，应用实时转子位置估计信号减去相移角度β，即可获得实时转子位置信号。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤A中，由控制模块芯片经AD转换采样端接收各相检测线圈中注入电流的包络线信号。

作为本发明的一种优选技术方案，所述控制模块芯片为DSP芯片处理器、ARM芯片处理器或DSPIC芯片处理器中任意一种。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C包括如下：

根据各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，按如下方法，针对整个电感周期依次划分为电感区间Ⅰ、电感区间Ⅱ、电感区间Ⅲ三个各15度的电感区间，然后进入步骤D；

基于L_A≤L_Low或L_C＞L_High或L_C＞L_B＞L_A，确定电感区间Ⅰ，并基于该电感区间，选择B相检测线圈的相对电感值L_B作为估计相电感L；

基于L_B≤L_Low或L_A＞L_High或L_A＞L_C＞L_B，确定电感区间Ⅱ，并基于该电感区间，选择C相检测线圈的相对电感值L_C作为估计相电感L；

基于L_C≤L_Low或L_B＞L_High或L_B＞L_A＞L_C，确定电感区间Ⅲ，并基于该电感区间，选择A相检测线圈的相对电感值L_A作为估计相电感L。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D包括如下：

基于各个电感区间，获得整个电感周期中转子位置角度θ与估计相电感L的关系模型如下：

式中，θ为开关磁阻电机转子位置角度，k₀、k₁、k₂、k₃为多项式拟合系数，然后进入步骤E。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D中多项式拟合系数k₀、k₁、k₂、k₃采用如下过程获得：

以一个转子周期内A相相对电感值和转子位置角度数据作为采样点，选择A相相对电感下降区间、对应所述电感区间Ⅲ中的估计相电感，采用三阶多项式曲线拟合方法，建立开关磁阻电机转子位置角度-相电感模型如下：

θ＝k₃L³+k₂L²+k₁L+k₀

即获得多项式拟合系数k₀、k₁、k₂、k₃。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤A包括如下：

通过信号发生器经防反二极管，分别向各相绕组中同时注入高频方波或者正弦波电压，并利用采样电阻分别获得各相检测线圈中的注入电流，再通过检波电路与滤波电路分别获得各相检测线圈中注入电流的包络线信号，最后应用取倒操作，分别获得各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，然后进入步骤B。

本发明所述一种开关磁阻电机转子位置估计方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计一种开关磁阻电机转子位置估计方法，可有效解决由于主磁路饱和而造成的检测线圈电感强非线性对位置估计的影响问题，同时解决检测线圈电感信息间接获取过程中由于模拟滤波而造成的相移对位置估计精度影响的问题。该方法可以实现全速范围内的开关磁阻电机转子位置实时估计，满足精确初始定位、无反转频繁带载起动的要求，也可以适合高速、超高速运行控制的要求。该方法中检测线圈本身也可以适应高温、高速、油污粉尘等恶劣工作环境，因此具备极强恶劣环境和极端工况的适应性，在航空起动发电机、电动汽车驱动电机、空气压缩机、高速离心机、电动工具领域都有重要的使用价值。

附图说明

图1为附带检测线圈的开关磁阻电机结构示意图；

图2为三相检测线圈电感不饱和与饱和电感曲线；

图3为估计相位置角度与相电感关系曲线；

图4为估计区检测线圈相电感与转子位置关系曲线；

图5为3000rpm估算转子位置波形示意图；

图6为3000rpm估算转子位置误差示意图；

图7为3000rpm相移补偿后估算转子位置误差示意图；

图8为附带检测线圈的开关磁阻电机位置估计系统框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种开关磁阻电机转子位置估计方法，具有相移补偿功能、且考虑主磁路饱和对检测线圈电感影响的检测线圈式转子位置估计方法，解决由于主磁路饱和而造成的检测线圈电感强非线性对位置估计的影响问题，同时解决检测线圈电感信息间接获取过程中由于模拟滤波而造成的相移对位置估计精度影响的问题。

本发明设计了一种开关磁阻电机转子位置估计方法，开关磁阻电机定子上绕制相绕组和A、B、C三相检测线圈，其中，每相绕组按电流进出方向结成NSNS极性结构，各相检测线圈接成NNSS极性结构。

如图1所示，带检测线圈的开关磁阻电机结构示意图，1是相绕组线圈，各相四个定子齿极绕组连接成NSNS磁极极性分布，2是检测线圈，匝数少于相绕组线圈，连接成NNSS磁极分布；如此可以从接线结构上消除相绕组对检测线圈的互感影响，避免相开通时较大相绕组电流在检测线圈中产生互感电压的影响；基于如图8所示的系统框图，所述转子位置估计方法包括如下步骤。

步骤A.通过信号发生器经防反二极管，分别向各相绕组中同时注入高频方波或者正弦波电压，基于各相绕组中同时所注入的电压信号，利用采样电阻分别获得各相检测线圈中的注入电流，由控制模块芯片经AD转换采样端，接收各相检测线圈中注入电流的包络线信号，并基于各包络线信号的取倒数操作，分别获得各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，然后进入步骤B。其中，控制模块芯片为DSP芯片处理器、ARM芯片处理器或DSPIC芯片处理器中任意一种。

所述检测线圈内注入电流的包络线信号与检测线圈相电感近似成反比关系，可通过倒数关系计算出电感的相对值，该相对值即可反映出检测线圈三相全周期电感随转子位置变化的关系，而无需计算实际的电感值。

如图2所示，主磁路饱和状态和主磁路不饱和状态的三相检测线圈电感波形，3是主磁路不饱和时A相检测线圈相电感，4是主磁路饱和时A相检测线圈电感波形，5是B相检测线圈在主磁路不饱和时电感，6是B相检测线圈主磁路饱和时电感，7和8分别是C相检测线圈分别在主磁路不饱和与饱和状态的电感。

从图中可以观察下降阶段的相电感不会受到主磁路饱和的影响，9是A相转子位置θ_A＝24°时的相电感值作为的阈值上限，记作L_High，10是该位置C相电感值作为的阈值下限，记作L_Low，两条阈值与三相检测线圈计算的相对电感相结合即可实时在各相电感下降区间中的分别找出15度区域，而这个区域的电感不受饱和影响，而且电感与角度的变化关系也具有较高的分辨率。

步骤B.基于开关磁阻电机静止、A相转子位置θ_A＝24°时，取A相检测线圈相对电感值作为阈值上限L_High，以及C相检测线圈相对电感值作为阈值下限L_Low，然后进入步骤C。

步骤C.根据各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，针对整个电感周期进行划分，获得各个电感区间，以及分别基于各电感区间，确定估计相电感L，然后进入步骤D。

上述步骤C具体包括如下：

根据各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，按如下方法，针对整个电感周期依次划分为电感区间Ⅰ、电感区间Ⅱ、电感区间Ⅲ三个各15度的电感区间，然后进入步骤D。

基于L_A≤L_Low或L_C＞L_High或L_C＞L_B＞L_A，确定电感区间Ⅰ，并基于该电感区间，选择B相检测线圈的相对电感值L_B作为估计相电感L。

基于L_B≤L_Low或L_A＞L_High或L_A＞L_C＞L_B，确定电感区间Ⅱ，并基于该电感区间，选择C相检测线圈的相对电感值L_C作为估计相电感L。

基于L_C≤L_Low或L_B＞L_High或L_B＞L_A＞L_C，确定电感区间Ⅲ，并基于该电感区间，选择A相检测线圈的相对电感值L_A作为估计相电感L。

即如下表1所示，一个电周期内三相检测电感分区判断逻辑以及估计相选择逻辑。

表1

电感判断逻辑条件	转子位置区间	选择估计相
			L<sub>A</sub>≤L<sub>Low</sub>或L<sub>C</sub>＞L<sub>High</sub>或L<sub>C</sub>＞L<sub>B</sub>＞L<sub>A</sub>	Ⅰ	B相
L<sub>B</sub>≤L<sub>Low</sub>或L<sub>A</sub>＞L<sub>High</sub>或L<sub>A</sub>＞L<sub>C</sub>＞L<sub>B</sub>	Ⅱ	C相
			L<sub>C</sub>≤L<sub>Low</sub>或L<sub>B</sub>＞L<sub>High</sub>或L<sub>B</sub>＞L<sub>A</sub>＞L<sub>C</sub>	Ⅲ	A相

对于估计相电感L，所述电感区间内所选择的估计相电感都处于该相的电感下降区，不受主磁路饱和影响，即电感不受电流大小的影响，而只于转子位置相关。

利用所述A相检测线圈相对电感L_A≥L_High，可以得到一个最大区间脉冲信号，其下降沿位置对应于A相检测线圈的不饱和电感区，因此下降沿所处位置不受主绕组饱和影响，相邻下降沿之间是一个电周期走过的机械角度，通过记录每个下降沿之间的时间差，即可计实时估计出转速n。

步骤D.基于各个电感区间，获得整个电感周期中转子位置角度θ与估计相电感L的关系模型如下：

式中，θ为开关磁阻电机转子位置角度，k₀、k₁、k₂、k₃为多项式拟合系数，然后进入步骤E。其中，多项式拟合系数k₀、k₁、k₂、k₃采用如下过程获得。

通过三相电感分区判断逻辑模块获取的检测线圈相电感波形如图4所示，13是A相检测线圈下降阶段电感波形，14是B相检测线圈下降阶段电感，15为C相检测线圈下降阶段电感，16是转子位置区间Ⅰ，17是转子位置区间Ⅱ，18是转子位置区间Ⅲ。如图4所示，可以看出通过设置的上下电感阈值后，获取了不受电机主磁路饱和影响的各相检测线圈下降阶段中15度区域的相电感。

以一个转子周期内A相相对电感值和转子位置角度数据作为采样点，选择A相相对电感下降区间、对应所述电感区间Ⅲ中的估计相电感，采用三阶多项式曲线拟合方法，建立开关磁阻电机转子位置角度-相电感模型如下：

θ＝k₃L³+k₂L²+k₁L+k₀

即获得多项式拟合系数k₀、k₁、k₂、k₃。

如图3所示，12为A相作为估计相的区域内(区域III)的角度-电感关系的测试数据点，上述三次多项式可以实现开关磁阻电机转子位置角度-相电感模型的拟合，11为拟合曲线，可以看出拟合曲线可以精确的表述该区域的角度与电感的变化关系。

步骤E.根据所获各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，基于各电感区间、以及估计相电感L的选择，应用整个电感周期中转子位置角度θ与估计相电感L的关系模型，获得开关磁阻电机静止的初始位置、以及运行时的连续转子位置估计信号，然后进入步骤F。

如图5所示，利用整个电周期的位置估计模型所估算的转速为3000rpm的位置角度和实际位置角度的对比波形，19是电机实际转子位置，20是通过位置估计策略估算的转子位置。在电机运行在3000rpm时，由于检测电路中无源低通滤波电路的存在，导致角度误差达到3°左右，这样的相移误差给转子位置估计的结果会带来较大误差，因此需要通过误差分析以及一定的相移补偿措施进行修正。

步骤F.基于样本数据开关磁阻电机不同转速下，各相检测线圈中注入电流包络线信号的理想值、以及检测获得值，拟合构建开关磁阻电机转速n与相移角度β函数关系如下：

β＝k₅n+k₄

式中，k₄、k₅为基于样本数据开关磁阻电机不同转速下，各相检测线圈中注入电流包络线信号的理想值、以及检测获得值，所拟合获得的一阶线性拟合系数，然后进入步骤G。

基于步骤F，根据计算转速实时计算相移角度，并对估算角度进行相移补偿，从而减小误差。

步骤G.利用所述A相检测线圈相对电感L_A≥L_High，得到一个最大区间脉冲信号，其下降沿位置对应于A相检测线圈的不饱和电感区，则下降沿所处位置不受主绕组饱和影响，相邻下降沿之间为一个电周期走过的机械角度，通过记录每个下降沿之间的时间差，实时获得开关磁阻电机实时转速n，然后进入步骤H。

步骤H.根据开关磁阻电机实时转速n，基于开关磁阻电机转速n与相移角度β函数关系，获得相移角度β，并基于开关磁阻电机运行时的连续转子位置估计信号，应用实时转子位置估计信号减去相移角度β，即可获得实时转子位置信号。

如图6所示为转速3000rpm的估算位置角度和未经补偿的实际位置角度的误差值，21是角度误差平均值为3°左右，经过相移补偿策略修正的估算转子位置和电机实际转子位置误差如图7所示，22表示的角度误差范围在0.5°以内，证明了相移补偿策略的合理性。

本发明所设计开关磁阻电机转子位置估计方法，该方法可有效解决由于主磁路饱和而造成的检测线圈电感强非线性对位置估计的影响问题，同时解决检测线圈电感信息间接获取过程中由于模拟滤波而造成的相移对位置估计精度影响的问题；该方法可以实现全速范围内的开关磁阻电机转子位置实时估计，满足精确初始定位、无反转频繁带载起动的要求，也可以适合高速、超高速运行控制的要求；并且该方法中检测线圈本身也可以适应高温、高速、油污粉尘等恶劣工作环境，因此具备极强恶劣环境和极端工况的适应性，在航空起动发电机、电动汽车驱动电机、空气压缩机、高速离心机、电动工具领域都有重要的使用价值。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征在于：开关磁阻电机定子上绕制相绕组和A、B、C三相检测线圈，其中，每相绕组按电流进出方向接成NSNS极性结构，各相检测线圈接成NNSS极性结构；所述转子位置估计方法包括如下步骤：

步骤A.通过信号发生器分别向各相绕组中同时注入高频方波或者正弦波的电压信号，分别获得各相检测线圈中注入电流的包络线信号，并基于各包络线信号的取倒数操作，分别获得各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，然后进入步骤B；

步骤B.基于开关磁阻电机静止、A相转子位置θ_A＝24°时，取A相检测线圈相对电感值作为阈值上限L_High，以及C相检测线圈相对电感值作为阈值下限L_Low，然后进入步骤C；

步骤C.根据各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，针对整个电感周期进行划分，获得各个电感区间，以及分别基于各电感区间，确定估计相电感L，该估计相电感L处于其所在相中不受主磁路饱和影响的电感下降区，然后进入步骤D；

步骤D.基于各个电感区间，获得整个电感周期中转子位置角度θ与估计相电感L的关系模型，然后进入步骤E；

步骤E.根据所获各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，基于各电感区间、以及估计相电感L的选择，应用整个电感周期中转子位置角度θ与估计相电感L的关系模型，获得开关磁阻电机静止的初始位置、以及运行时的连续转子位置估计信号，然后进入步骤F；

步骤F.基于样本数据开关磁阻电机不同转速下，各相检测线圈中注入电流包络线信号的理想值、以及检测获得值，拟合构建开关磁阻电机转速n与相移角度β函数关系如下：

β＝k₅n+k₄

式中，k₄、k₅为基于样本数据开关磁阻电机不同转速下，各相检测线圈中注入电流包络线信号的理想值、以及检测获得值，所拟合获得的一阶线性拟合系数，然后进入步骤G；

步骤G.利用所述A相检测线圈相对电感L_A≥L_High，得到一个最大区间脉冲信号，其下降沿位置对应于A相检测线圈的不饱和电感区，则下降沿所处位置不受主绕组饱和影响，相邻下降沿之间为一个电周期走过的机械角度，通过记录每个下降沿之间的时间差，实时获得开关磁阻电机实时转速n，然后进入步骤H；

步骤H.根据开关磁阻电机实时转速n，基于开关磁阻电机转速n与相移角度β函数关系，获得相移角度β，并基于开关磁阻电机运行时的连续转子位置估计信号，应用实时转子位置估计信号减去相移角度β，即可获得实时转子位置信号。

2.根据权利要求1所述一种开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征在于，所述步骤A中，由控制模块芯片经AD转换采样端接收各相检测线圈中注入电流的包络线信号。

3.根据权利要求2所述一种开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征在于，所述控制模块芯片为DSP芯片处理器、ARM芯片处理器或DSPIC芯片处理器中任意一种。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述一种开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征在于，所述步骤C包括如下：

根据各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，按如下方法，针对整个电感周期依次划分为电感区间Ⅰ、电感区间Ⅱ、电感区间Ⅲ三个各15度的电感区间，然后进入步骤D；

基于L_A≤L_Low或L_C＞L_High或L_C＞L_B＞L_A，确定电感区间Ⅰ，并基于该电感区间，选择B相检测线圈的相对电感值L_B作为估计相电感L；

基于L_B≤L_Low或L_A＞L_High或L_A＞L_C＞L_B，确定电感区间Ⅱ，并基于该电感区间，选择C相检测线圈的相对电感值L_C作为估计相电感L；

基于L_C≤L_Low或L_B＞L_High或L_B＞L_A＞L_C，确定电感区间Ⅲ，并基于该电感区间，选择A相检测线圈的相对电感值L_A作为估计相电感L。

5.根据权利要求4所述一种开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征在于，所述步骤D包括如下：

基于各个电感区间，获得整个电感周期中转子位置角度θ与估计相电感L的关系模型如下：

式中，θ为开关磁阻电机转子位置角度，k₀、k₁、k₂、k₃为多项式拟合系数，然后进入步骤E。

6.根据权利要求5所述一种开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征在于，所述步骤D中多项式拟合系数k₀、k₁、k₂、k₃采用如下过程获得：

以一个转子周期内A相相对电感值和转子位置角度数据作为采样点，选择A相相对电感下降区间、对应所述电感区间Ⅲ中的估计相电感，采用三阶多项式曲线拟合方法，建立开关磁阻电机转子位置角度-相电感模型如下：

θ＝k₃L³+k₂L²+k₁L+k₀

即获得多项式拟合系数k₀、k₁、k₂、k₃。

7.根据权利要求1所述一种开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征在于，所述步骤A包括如下：

通过信号发生器经防反二极管，分别向各相绕组中同时注入高频方波或者正弦波电压，并利用采样电阻分别获得各相检测线圈中的注入电流，再通过检波电路与滤波电路分别获得各相检测线圈中注入电流的包络线信号，最后应用取倒操作，分别获得各相检测线圈的相对电感值L_A、L_B、L_C，然后进入步骤B。

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