CN109921711A - 一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及开关磁阻电机的转子位置检测方法，属于开关磁阻电机转子位置检测的技术领域，尤其是一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法。本发明包括基于两条转子参考位置角对应的磁链曲线，建立以这两条磁链曲线为边界的开关换相转子位置区间；两条参考位置磁链曲线通过离线测试获得，并建立两个二维数据表，通过计算出导通相实时磁链，通过查二维数据表可得到两个参考位置磁链；比较导通相磁链与两条参考位置磁链，计算得到连续转子位置角，实现了转子位置角在开关换相区域的连续检测，省去了对非换相区域转子位置角的不必要计算与检测，简化了转子位置检测算法，可方便实现开关磁阻电机无位置传感器运行控制。

Description

一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机的转子位置检测方法，属于开关磁阻电机转子位置检测的技术领域，尤其是一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法。

背景技术

随着工业时代的发展，开关磁阻电机以其优异的性能，逐渐进入大众的视野。由于开关磁阻电机是一种位置闭环的自同步运行电机，需要通过位置传感器来获得转子信息才能正常运行。位置传感器在开关磁阻电机中用来检测转子换相位置，为电机驱动器提供换相信息。但位置传感器的存在，增加了开关磁阻电机结构的复杂性,影响了开关磁阻电机调速系统可靠性,也增加了系统成本。因此，利用电机自身某些电气特性来确定转子位置的方法成为关注的重点。

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。传统磁链检测法需要建立多个转子位置角的三维数据表，通过查表插值计算就可以获得连续的转子实时位置，但建立三维数据表的过程费时，插值计算复杂，位置检测精度依赖于三维表的精细程度，且占用控制器内存空间大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出利用两条参考位置磁链曲线建立二维数据表，通过查二维数据表和简单计算就可得到开关换相区域内连续转子实时位置，大大简化了传统磁链检测法的算法及计算量，为开关磁阻电机无位置传感器运行提供了支持。

一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法，包括以下步骤：

步骤一：在开关磁阻电机换相区域设置边界参考位置角θ₁、θ₂(θ₁＜θ₂)，并建立两个离线二维Ψ_θ-i数据表。

进一步地，步骤一所述建立两个离线二维Ψ_θ-i数据表建立过程如下：

离线检测时，将所述开关磁阻电机转子位置先后固定在θ₁与θ₂两个角度上，连续改变电流大小，即可测量绘制出Ψ_θ1-i_ph、Ψ_θ2-i_ph两条磁链曲线图。

步骤二：将检测到的实时相电流i_ph值代入通过步骤一离线测试建立的两个二维Ψ_θ-i数据表中，可得到θ₁、θ₂所对应的参考位置磁链和通过此时的实时相电流i_ph值与同时测得的实时相电压u_ph值，计算出开关换相区域内的导通相磁链Ψ_θ。

进一步地，步骤二所述导通相磁链Ψ_θ通过下式得到：

式中，Ψ₀为开关磁阻电机一相绕组的磁链初始值，u_ph为检测的实时相电压，i_ph为检测的实时相电流，R为相绕组电阻，t为采样时间。

步骤三：对导通相磁链Ψ_θ与参考位置磁链和通过比较器进行逻辑判断，当Ψ_θ＜Ψ_θ1或Ψ_θ＞Ψ_θ2时，则无须计算转子位置角；经过第一比较器比较，当Ψ_θ＝Ψ_θ1时，系统输出θ₁；经过第二比较器比较，当Ψ_θ＝Ψ_θ2，系统输出θ₂；当Ψ_θ1＜Ψ_θ＜Ψ_θ2时，将Ψ_θ、Ψ_θ1和Ψ_θ2同时代入转子位置角度计算公式，得到θ₁和θ₂之间的连续转子位置角θ，从而直接得到所述开关磁阻电机开关换相区域内的下一相开通角位置和当前导通相关断角的位置。

进一步地，所述导通相磁链Ψ_θ通过下式得到：

Ψ_θ(i)＝Ψ_θ1(i)+[Ψ_θ2(i)-Ψ_θ1(i)]·f(θ)；

式中，f(θ)是关于转子位置角的函数，其中f(θ)可通过下式得到：

考虑两个参考位置角θ₁和θ₂，f(θ)公式可化简为：

f(θ)＝c₀+c₁cos(N_rθ+π)；

其中，f(θ)满足

因此，导通相磁链Ψ_θ(i,θ)可通过下式得到：

Ψ_θ(i,θ)＝Ψ_θ1(i)+[Ψ_θ2(i)-Ψ_θ1(i)][c₀+c₁cos(N_rθ+π)],θ₁＜θ≤θ₂；

将此公式逆向求解后，可得到转子位置角θ通过下式得到：

式中，N_r为开关磁阻电机转子级数，Ψ_θ1(i)为θ₁位置对应的参考位置磁链，Ψ_θ(i)为θ位置对应的应导通磁链，Ψ_θ2(i)为θ₂位置对应的参考位置磁链，c₀、c₁为常参数。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明提出了一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法，避免了传统磁链检测法需要建立多个转子位置角的三维数据表，并且建立三维数据表的过程费时，插值计算复杂，位置检测精度依赖于三维表的精细程度，且占用控制器内存空间大的问题，只针对开关换相区域进行转子位置角检测，利用两条参考位置磁链曲线建立二维数据表，通过查二维数据表和简单计算得到开关换相区域内连续的转子实时位置，满足了开关磁阻电机控制过程中对于电机转子位置的检测需求。

2、本发明提出的利用两条参考位置磁链曲线建立二维数据表，相比于传统开关磁阻电机的位置检测法，克服了传统方法中的结构复杂、检测成本高、算法繁琐等一系列缺陷，大大简化了传统磁链检测法的算法及计算量，为开关磁阻电机无位置传感器运行提供了支持。

附图说明

图1为本发明实施例的两条Ψ_θ-i磁链曲线图；

图2为本发明实施例的开关磁阻电机位置检测原理图；

图3为本发明实施例的三相12/8级开关磁阻电机磁链实测Ψ-θ拟合曲线图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法，以在三相12/8极开关磁阻电机作为控制对象为例对本发明进行说明。

此开关磁阻电机转子极数N_r＝8，依据三相12/8开关磁阻电机工作原理，当前导通相的关断角和下一开通相的开通角均在15°角附近，为了实现对开通角和关断角进行优化控制，需规划出一个开关换相区域，该换相区域的范围一般在15°±3°之内。

本例中选取开关换相区域边界角度分别为θ₁＝12°和θ₂＝18°，如图3所示。图3为三相 12/8极开关磁阻电机磁链实测数据拟合得到的Ψ-θ曲线，从图中可以看出，电机转子置在 12°-18°之间时，磁链曲线上升幅度最大，线性程度最好，有利于提高转子位置角计算精度。

选取三相12/8极开关磁阻电机，若已知实时相电流i_ph，则通过查询在开关换相区域建好的Ψ_θ-i二维数据表，得到θ₁＝12°和θ₂＝18°对应的参考位置磁链为Ψ_12°和Ψ_18°；同时将此实时相电流i_ph与对应的实时相电压u_ph，带入下式：

其中三相12/8极开关磁阻电机磁链初始值Ψ₀＝0，相绕组电阻R＝2.47Ω，采样时间t＝0.0001s，计算得到同时刻导通相的磁链Ψ_θ。

通过对同时刻导通相磁链Ψ_θ与两条参考位置磁链Ψ_12°～Ψ_18°的逻辑判断，当Ψ_θ＜Ψ_12°或当Ψ_θ＞Ψ_18°时，则无须计算转子位置角；当Ψ_θ＝Ψ_12°时，系统输出12°；Ψ_θ＝Ψ_18°时，系统输出18°；当Ψ_12°＜Ψ_θ＜Ψ_18°时，可计算出相应的转子位置角，计算过程如下：

首先计算常参数C₀、C₁，根据下式：

f(θ)＝c₀+c₁cos(N_rθ+π)；

且f(θ)满足的条件有

经过上式解得

再将Ψ_θ、Ψ_12°和Ψ_18°分别带入转子位置角度计算公式：

由此可以直接得到所述开关磁阻电机开关换相区域内的下一相开通角位置和当前相关断角位置。

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 (5)

1.一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：在开关磁阻电机换相区域设置边界参考位置角θ₁、θ₂，并建立两个离线二维Ψ_θ-i数据表；

步骤二：将检测到的实时相电流i_ph值代入通过步骤一离线测试建立的两个二维Ψ_θ-i数据表中，可得到θ₁、θ₂所对应的参考位置磁链和通过此时的实时相电流i_ph值与同时测得的实时相电压u_ph值，计算出开关换相区域内的导通相磁链Ψ_θ；

步骤三：对导通相磁链Ψ_θ与参考位置磁链和进行逻辑判断，当Ψ_θ＜Ψ_θ1或Ψ_θ＞Ψ_θ2时，则无须计算转子位置角；当Ψ_θ＝Ψ_θ1时，系统输出θ₁；当Ψ_θ＝Ψ_θ2，系统输出θ₂；当Ψ_θ1＜Ψ_θ＜Ψ_θ2时，将Ψ_θ、Ψ_θ1和Ψ_θ2同时代入转子位置角度计算公式，得到θ₁和θ₂之间的连续转子位置角θ，从而直接得到所述开关磁阻电机开关换相区域内的下一相开通角位置和当前导通相关断角的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法，其特征在于：步骤一所述边界参考位置角θ₁、θ₂为开关换相转子位置区间的上下限角度，且θ₁＜θ₂。

3.根据权利要求1所述的一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法，其特征在于：步骤一所述建立两个离线二维Ψ_θ-i数据表建立过程如下：

离线检测时，将所述开关磁阻电机转子位置先后固定在θ₁与θ₂两个角度上，连续改变电流大小，即可测量绘制出Ψ_θ1-i_ph、Ψ_θ2-i_ph两条磁链曲线图。

4.根据权利要求1所述的一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法，其特征在于：步骤二所述导通相磁链Ψ_θ通过下式得到：

式中，Ψ₀为开关磁阻电机一相绕组的磁链初始值，u_ph为检测的实时相电压，i_ph为检测的实时相电流，R为相绕组电阻，t为采样时间。

5.根据权利要求1所述的一种基于导通相磁链的开关磁阻电机的转子位置检测方法，其特征在于：步骤三所述转子位置角θ通过下式得到：

式中，N_r为开关磁阻电机转子级数，Ψ_θ1(i)为θ₁位置对应的参考位置磁链，Ψ_θ(i)为θ位置对应的应导通磁链，Ψ_θ2(i)为θ₂位置对应的参考位置磁链，c₀、c₁为常参数。