CN109245633A - 基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置，所述控制方法通过三相开关磁阻电机三相绕组的实时相电感值得三相线电感函数关系式从而确定三相线电感的特征点，根据两相邻线电感特征点对应区间内的平均转速计算电机转子在下一个对应区间内任意时刻的转子位置角度，输出相应的控制信号实现三相开关磁阻电机无位置传感器的精确控制。所述控制装置包括微控制器、功率变换电路驱动模块、功率变换电路、电流检测模块、电压检测模块、输入输出模块和直流稳压电源。与现有技术相比，本发明提供的开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置有效避免了磁路饱和对转子位置估算精度的影响，算法简单。

Description

基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控 制方法及装置

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机控制领域，特别涉及基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置。

背景技术

开关磁阻电机具有起动电流小、起动转矩大、效率高、结构简单坚固、容错能力强、调速范围宽等系列优点，现已在电动汽车、航空工业、矿山开采等众多领域得到了广泛应用。要实现对开关磁阻电机的高性能控制，就必须实时、准确地获取电机转子的位置信息。传统获取电机转子位置信息主要采用位置传感器，但位置传感器的引入不仅增加了调速系统的成本和复杂度，同时也降低了系统的可靠性和环境适应性，因此研究开关磁阻电机的无位置传感器控制具有重要意义。

三相开关磁阻电机是目前应用最广泛的开关磁阻电机，而有关其无位置传感器控制方法主要有电感模型法、智能控制法、磁链/电流法等。其中电感模型法是预先将电机的电感、电流及对应的转子位置存储于三维表格中，在电机运行时只需实时采集电流值并进行简单的运算处理，再根据该数据表即可获得相应的转子位置角度；该方法算法简单，但占用系统资源大、灵活性和实时性不高。智能控制法是通过建立以电流和磁链为输入、转子位置角度为输出的非线性映射模型，再根据该模型并通过实时采集电流和磁链值来估算出转子的位置角度；该方法位置估算精度高，但存在算法复杂、运算工作量大、实时性不高等不足。磁链/电流法则是通过对开关磁阻电机导通相施加斩波控制电流及非导通相施加高频检测脉冲，再利用导通相与非导通相电感交点的位置角度来对电机的转子位置进行估算；该算法具有占用系统资源较少、运算工作量适中等优点，但在导通相电流大于其临界饱和电流后，上述相电感交点位置会随导通相电流的增大而发生偏移，从而导致在估算电机转子位置时会产生较大的偏差，因而严重影响了电机控制精度的提高。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种原理简单、算法精度高、占用系统资源少的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法。

本发明提出的技术方案为：

本发明所提供的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：

步骤S1)根据三相开关磁阻电机三相绕组的实时相电感值得相电感函数关系式；

步骤S2)根据步骤S1所得三相绕组的相电感函数关系式得相应三相线电感函数关系式；

步骤S3)通过步骤S2所得三相线电感函数关系式确定三相线电感的特征点，计算两相邻线电感特征点在对应区间n内的位置角度和时间，计算电机转子在该两相邻线电感特征点对应区间n内的平均转速

步骤S4)根据步骤S3所得电机转子在区间n内的平均转速计算电机转子在下一个对应区间(n+1)内任意时刻t的转子位置角度θ_n+1(t)；

步骤S5)根据步骤S4所得转子在对应区间(n+1)内任意时刻t的转子位置角度θ_n+1(t)，向三相开关磁阻电机输出相应的控制信号，即可实现三相开关磁阻电机无位置传感器的精确控制。

优选地，上述步骤S1包括：

S11)实时计算三相开关磁阻电机三相绕组的相电感值，具体为：

三相开关磁阻电机以单相依次循环导通模式运行，控制功率变换电路向各相绕组注入一定频率的脉冲电压，同时实时检测各相绕组的电流峰值及母线电压值，由式(1)计算各相绕组的电感值：

式中：L为三相开关磁阻电机的相绕组电感值，U_dc为母线电压，i_pk为相电流峰值，Δt为功率变换电路中对应功率开关管的导通时间；

S12)在三相开关磁阻电机的一个转子电气周期内，按相同间距选取不同的转子位置角度θ_i处，分别检测相应的相电流峰值及母线电压值，并由式(1)计算出相应的电感值L_i，由此获得n组参数(θ_i，L_i)(i＝1,…n)，再针对该组参数采用数值拟合方法得到相应的相电感与转子位置角度间的函数关系，所得三相绕组的相电感函数关系式分别为：

L_A(θ)＝K₁sin(θ)-K₂sin(2θ)+K₃ (2)

L_B(θ)＝K₁sin(θ-2π/3)-K₂sin(2θ+2π/3)+K₃ (3)

L_C(θ)＝K₁sin(θ+2π/3)-K₂sin(2θ-2π/3)+K₃ (4)

式中：K₁、K₂和K₃为电感系数，L_A(θ)为三相开关磁阻电机A相绕组的电感函数，L_B(θ)为三相开关磁阻电机B相绕组的电感函数，L_C(θ)为三相开关磁阻电机C相绕组的电感函数。

优选地，上述步骤S2具体操作为：由步骤S12所得三相绕组的相电感函数关系式得到相应的三相线电感函数关系式：

式中：L_AB(θ)为开关磁阻电机A相绕组和B相绕组间的线电感函数，L_BC(θ)为开关磁阻电机B相绕组和C相绕组间的线电感函数，L_CA(θ)为开关磁阻电机C相绕组和A相绕组间的线电感函数。

优选地，上述步骤S3包括：

S31)确定三相线电感的特征点；

将所述三相线电感的特征点定义为三相线电感值相等时所对应的电机转子位置点，即当线电感L_AB(θ)＝L_BC(θ)＝L_CA(θ)时，其对应电机转子位置角度θ_k所组成的位置点(θ_k，L(θ_k))。为便于分析，尤其可取三相线电感曲线的交点作为三相线电感的特征点。

S32)通过公式(8)计算两相邻线电感特征点对应区间的位置角度；

式中：Δθ_n表示两相邻线电感特征点在对应区间n的位置角度，N_r表示开关磁阻电机转子极数；

S33)计算两相邻线电感特征点对应区间的时间；

微控制器根据步骤S2的三相线电感函数关系式确定线电感特征点电感值，在对应区间n内实时检测线电感实际值，当线电感实际值等于特征点电感值时，将定时器清零并重新启动定时器开始计时，同时检测下一相邻线电感的实际值，当下一相邻线电感的实际值等于特征点电感值时，记录并保存定时器中的时间值，该时间值即为两相邻线电感特征点对应区间n的时间；然后将定时器清零并重新启动定时器计时，继续检测下一相邻线电感特征点对应区间n的时间，周而复始，从而获得所有两相邻线电感特征点对应区间的时间值；

S34)计算电机转子在该两相邻线电感特征点对应区间n内的平均转速

通过式(9)计算电机转子在区间n内的平均转速

式中：Δθ_n表示两相邻线电感特征点对应区间n的位置角度；Δt_n表示电机转子转过两相邻线电感特征点对应区间n的时间。

优选地，步骤S4为根据步骤S3所得电机转子在区间n内的平均转速计算电机转子在对应区间(n+1)内任意时刻t的转子位置角度θ_n+1(t)，具体公式为：

式中：θ_n+1(t)表示电机转子在区间(n+1)任意时刻t的位置角度，θ_n+1(t₀)表示电机转子在区间(n+1)起始时刻t₀的位置角度。

本发明还提供一种基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置，其包括微控制器、功率变换电路驱动模块、功率变换电路、电流检测模块、电压检测模块、输入输出模块和直流稳压电源；其中，所述微控制器分别与输入输出模块、功率变换电路驱动模块、电流检测模块和电压检测模块相连，所述功率变换电路分别与开关磁阻电机、功率变换电路驱动模块、电流检测模块和电压检测模块相连；

所述微控制器用于通过功率变换电路驱动模块向功率变换电路发出控制信号，并通过功率变换电路分别向开关磁阻电机导通相绕组输出斩波控制电流及非导通相绕组输出高频控制脉冲，同时根据电压检测模块和电流检测模块检测的电压、电流反馈信号计算开关磁阻电机的转子位置角度；

所述功率变换电路驱动模块用于接收微控制器输出的PWM控制信号，并输出相应的控制信号控制功率变换电路中对应功率开关的开关状态；

所述电流检测模块用于实时检测功率变换电路中对应开关磁阻电机各相的电流值；

所述电压检测模块用于实时检测功率变换电路中对应开关磁阻电机各相的电压值；

所述功率变换电路用于接收功率变换电路驱动模块输出的控制信号，分别向开关磁阻电机导通相绕组输出斩波控制电流及非导通相绕组输出高频控制脉冲；

所述输入输出模块用于设置相关控制参数及显示转速、转子位置角度等状态参数；

所述直流稳压电源用于给系统提供所需的正常工作的电压与电流。

与现有技术相比，本发明提供的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，通过实时计算三相开关磁阻电机三相绕组的相电感值并采用数值拟合方法得到其函数关系式，由所获得的相电感函数关系式得到相应的线电感函数关系式，再通过确定两相邻线电感的特征点并获取该两相邻特征点对应区间的位置角度与时间，由所获得的位置角度与时间计算出电机转子在该两相邻特征点对应区间的平均转速，再根据该平均转速来计算出电机转子在下一对应区间任意时刻的位置角度，根据该位置角度即可实现电机的无位置传感器调速控制。该方法采用三相开关磁阻电机的线电感来实现其转子位置的估算，克服了磁链/电流法利用其相电感交点的位置角度来估算其转子位置时存在的与相电流饱和程度有关的问题，即当电机导通相电流大于其临界饱和电流后，其导通相与非导通相的电感交点会随相电流的增大而发生偏移，从而导致利用该电感交点的位置角度来估算其转子位置时会产生较大的误差；而对于由相电感所得到的线电感，其对应的两相邻特征点之间的位置角度却是固定的，与相电流是否饱和无关，因而只要获取该两相邻特征点之间的时间，即可准确计算出电机转子在该区间的平均转速，并进而由该平均转速计算出电机转子在下一对应区间任意时刻的位置角度，从而实现电机的高精度调速控制。该方法可提高电机转子位置的估算精度，实现开关磁阻电机的无位置传感器精确控制，有效避免了磁路饱和对转子位置估算精度的影响，算法简单，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明三相开关磁阻电机相电感和线电感曲线图；

图2为本发明三相开关磁阻电机线电感交点示意图；

图3为本发明由两相邻线电感交点获取对应区间时间的示意图；

图4为本发明基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

图1为本发明三相开关磁阻电机相电感和线电感曲线图。图1中上方为相电感曲线，下方为线电感曲线。在相电感曲线中以转子周期内电机第一导通相为A相，随后依次导通相为B相，最后导通相为C相。根据实时检测各相绕组的电流峰值及母线电压值，由式(1)计算出各相绕组的电感值，由一系列各相绕组的电感值采用数值拟合方法得到其函数关系式，分别如式(2)～式(4)所示。

L_A(θ)＝K₁sin(θ)-K₂sin(2θ)+K₃ (2)

L_B(θ)＝K₁sin(θ-2π/3)-K₂sin(2θ+2π/3)+K₃ (3)

L_C(θ)＝K₁sin(θ+2π/3)-K₂sin(2θ-2π/3)+K₃ (4)

其中：K₁、K₂和K₃为电感系数。

然后由所得相电感函数关系式来计算对应的线电感函数关系式为：

由式(5)～式(7)可得以下等式：

L_AB(θ-2π/3)＝L_BC(θ) (11)

L_BC(θ-2π/3)＝L_CA(θ) (12)

L_CA(θ-2π/3)＝L_AB(θ) (13)

从式(11)～式(13)可见，任意两相邻线电感之间的相位差为2π/3，即任意两相邻线电感特征点之间的电气角度差Δθ_e为2π/3，然后根据转子电气角度与位置角度的换算关系：

可得两相邻线电感特征点对应区间的位置角度为：

根据公式(8)，对于三相12/8型开关磁阻电机，其N_r＝8，因此任意两相邻线电感特征点对应区间的位置角度Δθ_n＝π/12；而对于三相6/4型开关磁阻电机，其Nr＝4，因此任意两相邻线电感特征点对应区间的位置角度Δθ_m＝π/6。

图2为本发明三相开关磁阻电机线电感交点示意图。当满足L_AB(θ)＝L_BC(θ)＝L_CA(θ)时，所对应的电机转子位置角度θ_k及相应的线电感值L所组成的位置点(θ_k，L)均为线电感特征点。为方便起见，本发明优选线电感交点作为特征点来进行说明；其中线电感交点包括线电感正值交点和线电感负值交点。图中标号X1-2、X1-4和X1-6的线电感交点为线电感正值交点；标号X1-1、X1-3和X15的线电感交点为线电感负值交点。判断线电感正值交点和线电感负值交点的方法为：根据步骤S2所得线电感函数关系式，判断同一转子位置角度处任意两线电感值是否相等，如果相等，再判断此时线电感值是否大于0，如果大于0，则为线电感正值交点；否则，则为线电感负值交点。

图3为本发明由两相邻线电感交点获取对应区间时间值的示意图，以线电感正值交点X1-2到X1-4所对应区间n的时间值获取为例来进行说明。当微控制器捕获到线电感正值交点X1-2后，将定时器清零并启动定时器开始计时，同时检测下一相邻线电感的实际值，当下一个相邻线电感正值交点X1-4出现时，记录并保存定时器中的时间值Δt_n，该值即为两相邻线电感特征点X1-2到X1-4对应区间的时间；然后将定时器清零并重新启动定时器计时，继续检测下一相邻线电感特征点X1-6的出现并记录对应的区间时间，周而复始，从而获得所有两相邻线电感特征点对应的区间时间值。

实施例2

图4为本发明基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置的结构框图，所述控制装置包括微控制器、功率变换电路驱动模块、功率变换电路、电流检测模块、电压检测模块、输入输出模块及直流稳压电源。所述微控制器分别与功率变换电路驱动模块、电流检测模块、电压检测模块以及输入输出模块相连；所述功率变换电路分别与功率变换电路驱动模块、电流检测模块和电压检测模块相连；其中：

所述微控制器用于通过功率变换电路驱动模块向功率变换电路发出控制信号，并通过功率变换电路分别向开关磁阻电机导通相绕组输出斩波控制电流及非导通相绕组输出高频控制脉冲，同时根据电压检测模块和电流检测模块检测的电压、电流反馈信号计算开关磁阻电机的转子位置角度；

所述功率变换电路驱动模块用于接收微控制器输出的PWM控制信号，并输出相应的控制信号控制功率变换电路中对应功率开关的开关状态；

所述电流检测模块用于实时检测功率变换电路中对应开关磁阻电机各相的电流值；

所述电压检测模块用于实时检测功率变换电路中对应开关磁阻电机各相的电压值；

所述功率变换电路用于接收功率变换电路驱动模块输出的控制信号，分别向开关磁阻电机导通相绕组输出斩波控制电流及非导通相绕组输出高频控制脉冲；

所述输入输出模块用于设置相关控制参数及显示转速、转子位置角度等状态参数；

所述直流稳压电源用于给系统提供所需的工作电压与电流。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1)根据三相开关磁阻电机三相绕组的实时相电感值得相电感函数关系式；

步骤S2)根据步骤S1所得三相绕组的相电感函数关系式得相应三相线电感函数关系式；

步骤S3)通过步骤S2所得三相线电感函数关系式确定三相线电感的特征点，计算两相邻线电感特征点对应区间的位置角度和时间，计算电机转子在该两相邻线电感特征点对应区间内的平均转速

步骤S4)根据步骤S3所得电机转子在对应区间内的平均转速计算电机转子在下一个对应区间内任意时刻t的转子位置角度θ_n+1(t)；

步骤S5)根据步骤S4所得转子位置角度θ_n+1(t)向三相开关磁阻电机输出相应的控制信号，即可实现三相开关磁阻电机无位置传感器的精确控制。

2.根据权利要求1所述的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S1的实时相电感值计算方法为：

三相开关磁阻电机以单相依次循环导通模式运行，控制功率变换电路向各相绕组注入一定频率的脉冲电压，同时实时检测各相绕组的电流峰值及母线电压值，由式1计算各相绕组的电感值：

式中，L为三相开关磁阻电机的相绕组电感值，U_dc为母线电压，i_pk为相电流峰值，Δt为功率变换电路中对应功率开关管的导通时间。

3.根据权利要求1所述的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S1中确定相电感函数关系式的方法为：

在三相开关磁阻电机的一个转子电气周期内，按相同间距选取不同的转子位置角度θ_i处，分别检测相应的相电流峰值及母线电压值，并由式1计算相应电感值L_i，由此获得n组参数(θ_i，L_i)(i＝1,…n)，再针对该组参数采用数值拟合方法得到相应的相电感与转子位置角度间的函数关系，即三相绕组的相电感函数关系式：

L_A(θ)＝K₁sin(θ)-K₂sin(2θ)+K₃ (2)

L_B(θ)＝K₁sin(θ-2π/3)-K₂sin(2θ+2π/3)+K₃ (3)

L_C(θ)＝K₁sin(θ+2π/3)-K₂sin(2θ-2π/3)+K₃ (4)

式中，K₁、K₂和K₃为电感系数，L_A(θ)为三相开关磁阻电机A相绕组的电感函数，L_B(θ)为三相开关磁阻电机B相绕组的电感函数，L_C(θ)为三相开关磁阻电机C相绕组的电感函数。

4.根据权利要求1所述的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S2的三相线电感函数关系式通过如下公式计算：

其中，L_AB(θ)为开关磁阻电机A相绕组和B相绕组间的线电感函数，L_BC(θ)为开关磁阻电机B相绕组和C相绕组间的线电感函数，L_CA(θ)为开关磁阻电机C相绕组和A相绕组间的线电感函数。

5.根据权利要求1所述的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S3中三相线电感的特征点确定为当线电感L_AB(θ)＝L_BC(θ)＝L_CA(θ)时，其对应电机转子位置角度θ_k所组成的位置点(θ_k，L(θ_k))。

6.根据权利要求1所述的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S3中两相邻线电感特征点对应区间的位置角度为：

式中，Δθ_n表示两相邻线电感特征点对应区间的位置角度，N_r表示开关磁阻电机转子极数。

7.根据权利要求1所述的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S3中确定两相邻线电感特征点对应区间时间的步骤为：

根据步骤S2的三相线电感函数关系式确定线电感特征点电感值，实时检测线电感实际值，当线电感实际值等于特征点电感值时开始计时，同时检测下一相邻线电感的实际值，当下一相邻线电感的实际值等于特征点电感值时，所用时间即为两相邻线电感特征点对应区间的时间；重复此步骤继续检测下一相邻线电感特征点对应区间时间。

8.根据权利要求1所述的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S3通过式9计算电机转子在对应区间内的平均转速

式中，Δθ_n表示两相邻线电感特征点对应区间的位置角度；Δt_n表示电机转子转过两相邻线电感特征点对应区间的时间。

9.根据权利要求1所述的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，根据步骤S3所得电机转子在对应区间内的平均转速计算电机转子在下一个对应区间内任意时刻t的转子位置角度θ_n+1(t)，具体公式为：

式中，θ_n+1(t)表示电机转子在下一个对应区间任意时刻t的位置角度，θ_n+1(t₀)表示电机转子在下一个对应区间起始时刻t₀的位置角度。

10.基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置，其特征在于：包括微控制器、功率变换电路驱动模块、功率变换电路、电流检测模块、电压检测模块、输入输出模块和直流稳压电源；其中，所述微控制器分别与功率变换电路驱动模块、电流检测模块、电压检测模块和输入输出模块相连，所述功率变换电路分别与开关磁阻电机、功率变换电路驱动模块、电流检测模块和电压检测模块相连；

所述微控制器用于通过功率变换电路驱动模块向功率变换电路发出控制信号，并通过功率变换电路分别向开关磁阻电机导通相绕组输出斩波控制电流及非导通相绕组输出高频控制脉冲，同时根据电压检测模块和电流检测模块检测的电压、电流反馈信号计算开关磁阻电机的转子位置角度；

所述功率变换电路驱动模块用于接收微控制器输出的PWM控制信号，并输出相应的控制信号控制功率变换电路中对应功率开关的开关状态；

所述电流检测模块用于实时检测功率变换电路中对应开关磁阻电机各相的电流值；

所述电压检测模块用于实时检测功率变换电路中对应开关磁阻电机各相的电压值；

所述功率变换电路用于接收功率变换电路驱动模块输出的控制信号，分别向开关磁阻电机导通相绕组输出斩波控制电流及非导通相绕组输出高频控制脉冲；

所述输入输出模块用于设置三相开关磁阻电机的相关控制参数及显示转速、转子位置角度等状态参数；

所述直流稳压电源用于给系统提供所需的正常工作的电压与电流。