CN109818537A - 一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机传感器启动初始导通相识别方法，属于开关磁阻电动机起动运行转子位置间接检测技术领域；本发明是在离线得到的四条转子参考位置角对应的电感曲线二维数据表基础上，通过对电机相绕组施加脉冲激励得到脉冲电压和峰值电流，通过计算得到转子位置角对应的相电感，并识别出电机转子位置角区间和计算相；通过查电感曲线二维数据表得到四个参考电感值，利用转子位置角公式计算出相应的转子位置角，实现了转子初始位置角的准确定位；根据确定的转子位置区间和转子位置角，查询初始导通相识别表，获得电机启动时的导通相，初始导通相采用区间判断，降低了对检测电路精度要求，提高了可靠性。

Description

一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法

技术领域

本发明涉及电机传感器启动初始导通相识别方法，属于开关磁阻电动机起动运行转子位 置间接检测技术领域，主要涉及一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法。

背景技术

开关磁阻电机无位置传感器运行时，需要利用电机自身某些电气特性来确定其转子位置。 磁链特性是相绕组电流和转子位置的非线性函数，包含了转子位置信息。利用磁链特性判定 转子位置的原始信息是激励相中电压和电流信号。在电机启动前，各相绕组中没有电压、电 流，也就无法检测实时磁链，无法确定电机转子的实时位置，难以识别初始导通相。为此， 可向电机各相绕组同时注入脉冲激励电压，利用电机相电感调制后响应电流与转子位置的关 系来估算转子初始位置或判断初始导通相。该方法只需要检测电流信号，无需增加额外电路， 可直接通过比较各相响应电流的大小来判断转子初始位置及初始导通相，使各相轮流导通， 实现电机启动运行。该方法简单容易实现，但只可以解决初始导通相的判断问题，不能实现 初始位置角的准确定位，难以得到最佳启动效果。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出利用相绕组中注入的脉冲激励电压和响应电流计算出相电 感值，并识别出电机转子所在位置区间，通过查二维数据表和简单计算就可得到转子位置角， 并直接获得初始导通相，为开关磁阻电机无位置传感器启动运行提供了支持。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下：

一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：通过离线测试得到四条位置角分别为θ_u、θ_m、θ_n、θ_a的电感曲线。

步骤二：通过向电机各相绕组注入激励脉冲得到脉冲电压U_p和三相响应电流峰值I_pA、 I_pB、I_pC，通过计算得到转子位置角对应的三相电感L_pA、L_pB、L_pC，并通过识别电机转子的位置区间，确定计算相。

进一步地，所述脉冲电压U_p的计算公式为：

U_P＝U_m[u(t)-u(t-T)]

式中，U_m为激励脉冲的幅值；u(t)为单位电压阶跃函数；T表示激励脉冲宽度，脉冲宽 度的选择要结合电机参数、传感器精度和转换精度等因素综合考虑后确定。

进一步地，电压脉冲宽度的选择要满足峰值电流检测要求，远小于电路最小时间常数 τ＝L_min/R，脉冲宽度的选择要结合电机参数、传感器精度和A/D转换精度等因素综合考虑后确 定。

进一步地，步骤二所述转子位置角对应的三相电感L_pA、L_pB、L_pC的计算公式为：

式中，L_pA、L_pB、L_pC分别为转子位置角对应的A、B、C相电感，U_p为施加在三相绕 组上的激励脉冲电压，I_pA、I_pB、I_pC分别为A、B、C相响应电流，T为响应时间。

所述电机转子的位置区间根据三相电感L_pA、L_pB、L_pC曲线进行划分。

进一步地，在任一转子位置下，三相电感既可能处于上升区也可能处于下降区，所以在 进行初始位置角计算时，首先要判断相电感的上升和下降区，三相电感L_pA、L_pB、L_pC曲线 把一个周期转子位置机械角(45°)平分为6个等分的区域，每个区域内相电感都是单调增加或 减小的，通过比较三相相电感大小，可判断出相电感的上升和下降区间。

对于任意两条磁链曲线，磁链与位置角的拟合关系式如下：

ψ(i,θ)＝ψ_θ1(i)+(ψ_θ2(i)-ψ_θ1(i))·f(θ)；

式中：是θ＝θ₁位置对应的磁链曲线；是θ＝θ₂位置对应的磁链曲线。

f(θ)只与转子位置角有关，需要满足下面条件：

由于磁链与转子位置角呈现出周期函数的关系，可展开为傅里叶级数形式，因为已知两 个位置角条件，所以取前两项，f(θ)可以表示为：

f(θ)＝c₁+c₂cos(N_rθ+π)；

其中：c₁、c₂为常数。

步骤三：通过四条位置角分别为θ_u、θ_m、θ_n、θ_a的电感曲线的参考电感值L_θu、L_θm、L_θn、L_θa，利用转子位置角公式计算出相应的转子位置角θ，实现转子初始位置角的准确定位。

进一步地，所述转子位置角公式为：

式中，θ_u、θ_m、θ_n、θ_a表示对应的参考转子位置角，θ表示所求转子位置角；L_θu(i)、L_θm(i)、 L_θn(i)、L_θa(i)表示查电感曲线二维数据表得到四个参考电感值，四个角度位置θ_u、θ_m、θ_n、θ_a对应的四条电感曲线值；N_r表示电机转子极数；L(i,θ)表示不同转子位置下不同电流时的电 感值。

步骤四：根据确定的转子位置区间和转子位置角，获得电机启动时的导通相。

进一步地，在电感曲线的顶部和底部都存在电感微小变化区，在该区域使用电感模型来 计算转子位置角精度较低；而位于顶部和底部之间的电感曲线近似为线性，电感变化幅值大， 位置估算精度比较高。因此选择每个区间电感处于线性区的相作为计算相。选择处于电感上 升区的相作为电机启动时的导通相。

本发明相较于现有技术，具有如下有益效果：

1、通过注入激励脉冲得到脉冲电压和响应电流，通过计算得到转子位置角对应的相电感， 通过电感估算曲线识别出电机转子所在位置区间，并确定计算相；通过查电感曲线二维数据 表得到四个参考电感值，利用转子位置角公式计算出相应的转子位置角，实现了转子初始位 置角的准确定位；根据确定的转子位置区间和转子位置角，查询初始导通相识别表，获得电 机启动时的导通相，初始导通相采用区间判断，获得了最佳起动效果。

2、本发明的目的就在于发明一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法， 利用电感随转子位置的变化关系，采用区间判断，降低对检测电路精度要求，算法简单，容 易实现，可靠性比较高。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的电机相电感曲线。

图2示出了根据本发明的一个实施例的定子极与转子极对齐和不对齐位置磁链曲线。

图3示出了根据本发明的一个实施例的电机四条参考位置磁链曲线。

图4示出了根据本发明的一个实施例的电机一相绕组电路模型。

图5示出了根据本发明的一个实施例的整体逻辑框图。

图6示出了根据本发明的一个实施例的电机四条参考位置电感曲线。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别 方法，以在三相12/8极开关磁阻电机调速系统中的应用为实施例。

通过向电机各相绕组注入激励脉冲得到脉冲电压U_p和响应电流峰值I_p，通过算得到转子 位置角对应的相电感L_pA、L_pB、L_pC，通过查电感曲线二维数据表得到四个参考电感值L_θu、 L_θm、L_θn、L_θa，通过转子位置角公式计算出转子位置角，通过查询初始导通相识别表，获得 电机启动时的导通相。

所述向绕组中注入的电压脉冲表示如下：

U_P＝U_m[u(t)-u(t-T)] (1)

式中：U_m为激励脉冲的幅值；u(t)为单位电压阶跃函数；T表示激励脉冲宽度，脉冲宽 度的选择要结合电机参数、传感器精度和转换精度等因素综合考虑后确定。

在上述方案中，相电感的计算根据图4可推出，公式如下：

式中，L_pA、L_pB、L_pC分别为转子位置角对应的A、B、C相电感，U_p为施加在三相绕 组上的激励脉冲电压，I_pA、I_pB、I_pC分别为A、B、C相响应电流，T为响应时间。

由图1可知，在任一转子位置下，三相电感既可能处于上升区也可能处于下降区，所以 在进行初始位置角计算时，首先要判断相电感的上升和下降区，电感曲线把一个周期转子位 置机械角(45°)平分为六个区域，每个区域内相电感都是单调增加或减小的，通过比较三相相 电感大小，可判断出相电感的上升和下降区间，分区如表1。

表1为初始导通相识别表

由图1可知，当电机正向起动，选择处于电感上升区的相作为初始导通相。在区间II、IV、 VI仅有一相电感处于上升区，直接选择该相为初始导通相；在区间I、III、V都有两相处于电 感上升区，采用两相起动，选择此两相为初始导通相。

从表1结合图1可以看出，在电感较小区域两相同时通电起动，可以保证获得最大启动 转矩。在一个位置角区间判断初始导通相，而不是判断固定位置，可降低对检测电路精度依 赖。

对于任意两条磁链曲线，磁链与位置角的拟合关系式如下：

ψ(i,θ)＝ψ_θ1(i)+(ψ_θ2(i)-ψ_θ1(i))·f(θ) (3)

式中：是θ＝θ₁位置对应的磁链曲线；是θ＝θ₂位置对应的磁链曲线；

f(θ)只与转子位置角有关，需要满足下面条件：

由于磁链与转子位置角呈现出周期函数的关系，可展开为傅里叶级数形式，因为已知两 个位置角条件，所以取前两项，f(θ)可以表示为：

f(θ)＝c₁+c₂cos(N_rθ+π) (5)

其中：c₁、c₂为常数。

对于12/8极开关磁阻电机，取θ₁＝0°、θ₂＝22.5°

先计算常数c₀、c₁的值，根据公式(5)：

且f(θ)满足的条件有解得

开关磁阻电机定子极与转子极不对齐的位置称为θ_u，对齐位置称为θ_a，这两个位置下的 磁链曲线如图2所示，由于磁链间隔过大，使公式(3)的计算精度较低，为提高精度，可在θ_u和θ_a之间添加两条磁链曲线。

对于三相12/8极电机，为计算方便，分别取θ_u＝0°，θ_a＝22.5°，为提高精度，在0°和22.5°之间添加两条磁链曲线7.5°和15°，分别表示为θ_m和θ_n。

利用四条磁链曲线得到转子位置信息，四条磁链曲线如图3。由公式(3)和公式(5)联立， 可以分三段θ_u～θ_m、θ_m～θ_n、θ_n～θ_a描述出磁链的解析式，其中θ_u～θ_m之间常数为m₀和m₁， θ_m～θ_n之间常数为n₀和n₁，θ_n～θ_a之间常数为a₀和a₁，所得磁链的解析式如下：

在θ_u～θ_m之间，根据公式(4)和公式(5)联立，取θ₁＝0°、θ₂＝7.5°

且f(θ)满足的条件有解得m₀＝m₁＝2；

同理，在θ_m～θ_n之间，取θ₁＝7.5°、θ₂＝15°，解得n₀＝0.5，n₁＝1；在θ_n～θ_a之间，取θ₁＝15°、 θ₂＝22.5°，解得a₀＝-1，a₁＝2。

电感与磁链的关系式如下：

根据公式(6)和公式(7)得到转子位置角计算公式，并建立电感-位置角曲线如图6：

其中：θ_u、θ_m、θ_n、θ_a表示对应的0°、7.5°、15°、22.5°参考转子位置角，θ表示所求转子位置角；L_θu(i)、L_θm(i)、L_θn(i)、L_θa(i)表示查电感曲线二维数据表得到四个参考电感值，四个角度位置θ_u、θ_m、θ_n、θ_a对应的四条电感曲线值，如图6；N_r表示电机转子极数；L(i,θ) 表示不同转子位置下不同电流时的电感值。

公式(8)只能计算出0～22.5°位置角，即电感处于上升区0～22.5°位置角可以直接用公式 (8)计算，下降区22.5～45°位置角θ_down＝45°-θ公式修正。

在每个区间，根据每一相都可以计算出转子位置角，因此存在计算相的选择问题，如图 1，在电感曲线的顶部和底部都存在电感微小变化区，在该区域使用电感模型来计算转子位置 角精度较低；而位于顶部和底部之间的电感曲线近似为线性，电感变化幅值大，位置估算精 度比较高。因此选择每个区间电感处于线性区的相作为计算相。

本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也 不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变 化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使 得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来 应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等 同。

Claims (6)

1.一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：通过离线测试得到四条位置角分别为θ_u、θ_m、θ_n、θ_a的电感曲线；

步骤二：通过向电机各相绕组注入激励脉冲得到脉冲电压U_p和三相响应电流峰值I_pA、I_pB、I_pC，通过计算得到转子位置角对应的三相电感L_pA、L_pB、L_pC，并通过识别电机转子的位置区间，确定计算相；

步骤三：通过四条位置角分别为θ_u、θ_m、θ_n、θ_a的电感曲线的参考电感值L_θu、L_θm、L_θn、L_θa，利用转子位置角公式计算出相应的转子位置角θ，实现转子初始位置角的准确定位；

步骤四：根据确定的转子位置区间和转子位置角，获得电机启动时的导通相。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法，其特征在于：步骤二所述转子位置角对应的三相电感L_pA、L_pB、L_pC的计算公式为：

式中，L_pA、L_pB、L_pC分别为转子位置角对应的A、B、C相电感，U_p为施加在三相绕组上的激励脉冲电压，I_pA、I_pB、I_pC分别为A、B、C相响应电流，T为响应时间。

3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法，其特征在于：所述电机转子的位置区间根据三相电感L_pA、L_pB、L_pC曲线进行划分。

4.根据权利要求3所述的一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法，其特征在于：所述三相电感L_pA、L_pB、L_pC曲线分别包括6个等分的区域。

5.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法，其特征在于：所述转子位置角公式为：

式中，θ_u、θ_m、θ_n、θ_a表示对应的参考转子位置角，θ表示所求转子位置角；L_θu(i)、L_θm(i)、L_θn(i)、L_θa(i)表示查电感曲线二维数据表得到四个参考电感值，四个角度位置θ_u、θ_m、θ_n、θ_a对应的四条电感曲线值；N_r表示电机转子极数；L(i,θ)表示不同转子位置下不同电流时的电感值；m₀、m₁、n₀、n₁、a₀、a₁均为常参数。

6.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机无位置传感器启动初始导通相识别方法，其特征在于：所述电机启动时的导通相选择依据为：选择处于电感上升区的相作为电机启动时的导通相。