CN110022098A - 基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置，所述控制方法通过确定两相邻相电感曲线下降区间的定位点，计算电机转子在该两定位点对应区间内的平均转速；最后通过该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；所述控制装置包括微控制器、脉冲发生模块、功率变换电路、电流检测模块、电压检测模块及定时器模块。与现有技术相比，本发明提供的基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置具有算法简单、位置估算精度高等特点。

Description

基于相电感非饱和区定位的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，特别涉及一种基于相电感非饱和区定位的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，目前已在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，就必须准确获取电机转子的位置信息。传统的转子位置检测方式主要采用光电式、电磁式等位置传感器，但位置传感器的引入不仅增加了系统的成本和复杂度，而且降低了系统的可靠性和环境适应性。因此，开展基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法研究具有重要意义。

目前在开关磁阻电机无位置传感器控制方面已提出了多种控制方法，如电感模型法、智能控制法及磁链/电流法等。其中电感模型法原理简单，但占用系统资源大、灵活性和实时性不高；智能控制法的位置估算精度高，但算法复杂、运算工作量大；而磁链/电流法则克服了上述两种方法的不足，具有占用系统资源少、运算工作量适中等优点，但在磁路饱和时会产生较大的估算误差。而针对磁链/电流法存在的上述问题，申请人于2018年6月4日提交的专利申请CN 108712127 A公开了一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置，该方法提出的方法主要涉及在电机磁路饱和时的转子位置修正方法，该方法可有效提高电机磁路饱和时转子位置的估算精度，但同时也增加了数据处理的复杂度及运算工作量。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，该方法具有算法简单、位置估算精度高等特点。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

本发明所提供的基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，是通过实时计算开关磁阻电机的相电感值以确定相电感曲线的下降区间，具体为：先根据两相邻相电感曲线的下降区间任取电感值相等时所对应的两定位点，再根据该两定位点对应区间的位置角度和时间计算电机转子在该两相邻相电感曲线定位点对应区间内的平均转速；最后通过电机转子在两相邻相电感曲线定位点对应区间内的平均转速，计算出电机转子在下一个对应区间内任意时刻的转子位置角度，以实现向开关磁阻电机输出相应的控制信号进行开关磁阻电机无位置传感器的精确控制。

优选地，上述控制方法包括以下步骤：

步骤S1)实时计算开关磁阻电机的相电感值，并根据所得相电感值得到其相电感函数关系式；

步骤S2)根据步骤S1所得相电感函数关系式确定相电感曲线的下降区间；

步骤S3)在两相邻相电感曲线的下降区间确定两定位点，并根据该两定位点确定其对应区间的位置角度和时间；

步骤S4)根据步骤S3中所得位置角度和时间，计算出电机转子在该两相邻相电感曲线定位点对应区间内的平均转速；

步骤S5)根据步骤S4所得电机转子在两相邻相电感曲线定位点对应区间内的平均转速，计算出电机转子在下一个对应区间内任意时刻的转子位置角度；

步骤S6)根据步骤S5所得转子的位置角度，向三相开关磁阻电机输出相应的控制信号，即可实现开关磁阻电机无位置传感器的精确控制。

优选地，所述步骤S1中实时计算开关磁阻电机的相电感值，并根据所得相电感值得到其相电感函数关系式，包括如下步骤：

步骤S1-1)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电机各相绕组注入高频电压脉冲，按时间间隔t_s采集电机各相绕组的电流值与母线电压值，由式(1)计算出相应的电感值：

式中：U为母线电压，i为相绕组电流，R为相绕组电阻，Ψ₀为相绕组初始磁链，L为相绕组电感。

步骤S1-2)按上述相同时间间隔t_s选取对应的转子位置角度θ_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式，具体为：

L_k(θ)＝B₀+B₁cos(θ-2π(k-1)/m)+B₂cos2(θ-2π(k-1)/m)(1≤k≤m) (2)

式中：L_k(θ)表示开关磁阻电机第k相绕组的电感函数，B₀、B₁和B₂分别为电感系数，m表示电机相数。

具体地，所述电感系数B₀、B₁和B₂是根据上述所获得的n组参数(θ_i，L_i)采用最小二乘法并利用MATLAB分析软件来确定。

所述步骤S2中根据所得相电感函数关系式确定相电感曲线的下降区间，具体方法为：根据式(2)计算得相电感的极大值L_max，该值作为相电感曲线下降区间的相电感初值；根据开关磁阻电机换相开通角θ_on并由式(2)计算出θ_on处的相电感值L_min，该值即作为相电感曲线下降区间的相电感终值；则相电感曲线下降区间的相电感值范围为(L_max，L_min)。

优选地，所述步骤S3通过在两相邻相电感曲线下降区间中任取电感值相等时所对应的两个位置点，作为在两相邻相电感曲线的下降区间内确定的两定位点。

优选地，所述步骤S3中根据两定位点确定其对应区间的位置角度和时间，具体为：

步骤S3-1)两相邻相电感定位点对应区间的位置角度为：

式中：Δθ_n表示两相邻相电感定位点对应区间的位置角度，N_r表示开关磁阻电机转子极数，m表示电机相数；

步骤S3-2)确定两相邻相电感定位点对应区间的时间，其方法为：当微控制器捕获到当前相电感的定位点时，将控制定时器模块清零并启动定时器模块开始计时，同时检测下一相邻相电感的定位点，当捕获到下一相邻相电感的定位点时，记录并保存定时器模块中的时间值Δt₁，该时间值即为该两相邻相电感定位点对应区间的时间；同时微控制器再次控制定时器模块清零并重新启动定时器模块计时，继续检测下一相邻相电感定位点的出现并记录对应区间的时间Δt₂，如此周而复始，从而可获得所有两相邻相电感定位点对应区间的时间值Δt_n。

优选地，所述步骤S4中根据两相邻相电感定位点对应区间的位置角度和时间，计算电机转子在该两相邻相电感定位点对应区间内的平均转速，其计算公式为：

式中：表示两相邻相电感定位点对应区间内的平均转速，Δθ_n表示两相邻相电感定位点对应区间的位置角度，Δt_n表示电机转子转过两相邻相电感定位点对应区间的时间。

优选地，所述步骤S5中根据两相邻相电感定位点对应区间内的平均转速计算电机转子在下一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。

本发明的另一目的是提供上述基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法的控制装置，所述控制装置包括微控制器、脉冲发生模块、功率变换电路、电流检测模块、电压检测模块及定时器模块，其中：

所述微控制器用于通过脉冲发生模块向功率变换电路发出控制信号，并通过功率变换电路向开关磁阻电机非导通相绕组注入高频电压脉冲，同时通过电压检测模块、电流检测模块及定时器模块检测相应的电压、电流反馈信号及定位区间的时间值以计算开关磁阻电机的转子位置角度；

所述脉冲发生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，实现对开关磁阻电机非导通相绕组注入高频电压脉冲；

所述功率变换电路用于接收脉冲发生模块输出的控制信号，向开关磁阻电机非导通相绕组注入高频电压脉冲；

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绕组的电流值；

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绕组的电压值；

所述定时器模块用于记录转子转过两相邻相电感定位点之间的时间值。

所述功率变换电路包括若干相功率变换单元，每相功率变换单元采用不对称半桥结构，每相功率变换单元包括第一主功率开关器、第二主功率开关器、第一续流二极管、第二续流二极管、母线电压输入接线端，该输入端与电压检测模块相连；所述第一主功率开关器与第一续流二极管之间设有接线端J3；所述第二主功率开关器与第二续流二极管之间设有接线端J4，所述第一主功率开关器与第一续流二极管之间的接线端J3和第二主功率开关器与第二续流二极管之间的接线端J4组成开关磁阻电机某一相绕组的输入端；所述功率变换电路的接线端分别接收脉冲发生模块发送给第一主功率开关器和第二主功率开关器的开通与关断控制信号，当第一主功率开关器和第二主功率开关器导通时，所述第一续流二极管和第二续流二极管截止，则母线电压经接线端J3和接线端J4加到开关磁阻电机的某一相绕组上，产生正向电流；当第一主功率开关器和第二主功率开关器关断时，由第一续流二极管和第二续流二极管续流，将开关磁阻电机某一相绕组的储能回馈至功率变换单元的储能电容中。

所述电流检测模块包括若干相电流检测单元，所述相电流检测单元包括电流互感器、反相放大电路以及电压信号限幅电路，所述反相放大电路包括相连的第一反相放大器和第二反相放大器。首先由电流互感器将电机A相电流值线性转化为对应的电压值，并传输给由第一运算放大器和电阻、电容组成的第一反相放大器进行第一次信号放大与隔离处理后，再传输给由第二运算放大器和电阻、电容组成的第二反相放大器进行第二次信号放大与隔离处理，之后再传输给由二极管、电阻以及电容组成的电压信号限幅电路来限制输入的电流信号的幅值在安全范围之内，从而保证在异常情况下微控制器的安全；最后从电压信号限幅电路输出的电流信号将传输至微控制器的模数转换端口，并对其进行模数转换处理，最后微控制器根据接收的数字信号进行相应的数学计算，从而计算出A相绕组的实际电流值。

所述电压检测模块包括母线电压输入端、隔离变压器、整流电路、分压电路、电压跟随电路以及反相放大电路，首先通过隔离变压器将输入的母线电压转化为较低电压幅值的高频脉冲电压信号，并通过整流二极管将该高频脉冲电压信号整流为直流电压信号，然后通过电阻组成的分压电路对该直流电压信号进行分压处理，再由运算放大器、电阻组成的电压跟随电路对该信号进行隔离处理，接着再将该信号传输至由运算放大器和电阻以及电容组成的反相放大电路进行进一步放大与隔离处理，最后将处理后的信号传输给微控制器的模数转换接口进行模数转换处理，微控制器根据模数转换后得到的数字信号进行相应的数学计算，从而计算出母线实际电压值。

所述脉冲发生模块包括功率开关管驱动芯片，所述微控制器输出的PWM控制信号从功率开关管驱动芯片的第三脚输入，经功率开关管驱动芯片内部放大隔离处理后从第六和第七脚输出给主功率开关器的G脚，从而控制主功率开关器的开通与关断，进而实现对开关磁阻电机相电流的实时调节。

所述定时器模块包括时钟芯片、时钟基准电路、供电滤波电容和备用电池。其中，时钟基准电路包括晶振和电容，为时钟芯片提供时钟基准；供电滤波电容包括两个电容，用于滤除外部供电电源中的谐波；备用电池为时钟芯片提供后备电源，即当外部供电电源断电后可以为时钟芯片提供工作电源；时钟芯片的第五脚、第六脚及第七脚分别为控制引脚、数据引脚和时钟引脚，通过该三个引脚即可实现对时钟芯片的数据读写操作。

以三相开关磁阻电机为例，本发明开关磁阻电机磁路饱和状态下的相电感曲线如图2所示。由于开关磁阻电机导通相的导通区间一般控制在其相电感曲线的上升区范围内，如图2可见，当导通相电流大于其临界饱和电流，即导通相磁路出现饱和后，其相电感曲线因磁路饱和而发生变形，且随着相电流的增大，其变形将愈加严重；因此如果利用导通相电感曲线来估算其转子位置角度时，势必会引起较大的误差，如磁链/电流法即是如此。而针对开关磁阻电机的控制来说，其导通相一般在其相电感曲线上升到其极大值前即关断，此后相绕组将通过功率变换电路注入高频电压脉冲来获得其相电感值，因相应的脉冲注入电流远小于其临界饱和电流，因而此后的相电感曲线将随即恢复到接近正弦，如图2所示。正因为电机每相绕组的导通区间一般都控制在其相电感曲线的上升区间，因而其下降区间的相电感曲线则与导通相是否饱和无关，因此本发明提出利用相电感曲线的下降区间来估算电机转子的位置角度，则从根本上避免了导通相饱和电流对其位置估算精度的影响。

与现有技术相比，本发明提供的基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置，该方法通过实时计算开关磁阻电机相绕组的电感值并采用数值拟合方法得到其函数关系式，根据该函数关系式确定相电感曲线的下降区间，再通过在两相邻相电感曲线的下降区间确定两定位点，通过确定该两定位点对应区间的位置角度与时间计算出电机转子在该区间中的平均转速，根据所获得的转子平均转速来计算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开关磁阻电机的无位置传感器调速控制。该方法因采用在开关磁阻电机相电感的非饱和区，也即相电感曲线的下降区中定位的方法来实现其转子位置角度的估算，不仅与电机导通相电流是否饱和无关，而且因直接利用相电感曲线实现定位，避免了复杂的数据处理与计算过程，具有控制精度高、计算过程简单等优点，因而具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的控制方法的流程示意图；

图2为本发明开关磁阻电机磁路饱和状态下的相电感曲线图；

图3为本发明开关磁阻电机相电感下降区定位点确定示意图；

图4为本发明由两相邻相电感定位点获取对应区间时间的示意图；

图5为本发明基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制装置结构框图；

图6为本发明功率变换电路的电路图；

图7为本发明电流检测模块的电路图；

图8为本发明电压检测模块的电路图；

图9为本发明脉冲发生模块的电路图；

图10为本发明定时器模块的电路图。

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为本发明提供的控制方法的流程示意图，该方法的具体步骤如下：

步骤S1)

图2为本发明开关磁阻电机磁路饱和状态下的相电感曲线图，如图2所示，对于三相开关磁阻电机来说，如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，故由式(2)L_k(θ)＝B₀+B₁cos(θ-2π(k-1)/m)+B₂cos2(θ-2π(k-1)/m)可得三相相电感函数表达式如式(2-1)～式(2-3)所示：

L_A(θ)＝B₀+B₁cos(θ)+B₂cos2(θ) (2-1)

L_B(θ)＝B₀+B₁cos(θ-2π/3)+B₂cos2(θ-2π/3) (2-2)

L_C(θ)＝B₀+B₁cos(θ-4π/3)+B₂cos2(θ-4π/3) (2-3)

式中：L_A(θ)、L_B(θ)、L_C(θ)分别表示三相开关磁阻电机A、B、C相绕组的电感函数，B₀、B₁和B₂分别为电感系数。

步骤S2)

将L_A(θ)中的θ用(θ-2π/3)代入，即等于L_B(θ)，则：

L_A(θ-2π/3)＝B₀+B₁cos(θ-2π/3)+B₂cos2(θ-2π/3)＝L_B(θ)

故由式(2-1)可得式(2-4)；

同理可推导出式(2-5)～式(2-6)：

L_B(θ-2π/3)＝B₀+B₁cos(θ-4π/3)+B₂cos2(θ-4π/3)＝L_C(θ)

L_C(θ-2π/3)＝B₀+B₁cos(θ)+B₂cos2(θ)＝L_A(θ)

式(2-4)～式(2-6)具体如下：

L_A(θ-2π/3)＝L_B(θ) (2-4)

L_B(θ-2π/3)＝L_C(θ) (2-5)

L_C(θ-2π/3)＝L_A(θ) (2-6)

步骤S3)

由式(2-4)～式(2-6)可知，三相开关磁阻电机任意两相邻相电感之间的相位差为2π/3，即电机相数m为3时，任意两相邻相电感定位点之间的电气角度差Δθ_e为2π/3，从而可得任意两相邻相电感定位点对应区间的位置角度为：

根据式(3-1)，如对于三相12/8型开关磁阻电机来说，其N_r＝8，因此该电机任意两相邻定位点对应区间的位置角度为：Δθ_n＝π/12；而对于三相6/4型开关磁阻电机，其Nr＝4，则其任意两相邻定位点对应区间的位置角度为：Δθ_n＝π/6。

以三相开关磁阻电机为例，图3为本发明开关磁阻电机相电感曲线下降区定位点的确定示意图。根据式(3-1)可知，任意两相邻相电感定位点对应区间的位置角度只与电机的结构参数有关，与定位点所在相电感曲线下降区中的位置无关，因而可在相电感曲线下降区间中任取电感值相等所对应的两个位置点作为定位点。如取定位点的电感值为L＝B₀-B₂，则由式(2-1)～式(2-3)和L＝B₀-B₂即可计算出三相开关磁阻电机各相电感在定位点(B₀-B₂)处的具体电气角度为：

式中：θ_A、θ_B、θ_C分别为三相开关磁阻电机三相电感在定位点(B₀-B₂)处的电气角度，l为整数。

从式(3-2)～式(3-4)可见，任意两相邻相电感定位点之间的电气角度差为2π/3(由θ_A、θ_B、θ_C两两相减即可，即θ_B减去θ_A为2π/3，θ_C减去θ_B为2π/3，θ_A减去θ_C为2π/3)，故我们可知，任意两相邻相电感定位点之间的角度差不随导通相电流的变化而变化。

步骤S4)

图4为本发明由两相邻相电感定位点获取对应区间时间的示意图。如图4所示，图中以定位点X1到X2所对应区间的时间值获取为例来进行说明。微控制器实时采集各相绕组的电流值与母线电压值并计算出相应的相电感值，当所得相电感值与当前定位点X1所对应的相电感值相等时，将控制定时器模块清零并启动定时器模块开始计时，同时开始检测下一相邻相电感的定位点X2，当捕获到下一相邻相电感的定位点X2时，记录并保存定时器模块中的时间值Δt₁，该时间值即为该两相邻相电感定位点对应区间的时间；同时微控制器再次控制定时器模块清零并重新启动定时器模块计时，继续检测下一相邻相电感定位点X3的出现并记录对应区间的时间Δt₂，如此周而复始，从而可获得所有两相邻相电感定位点对应区间的时间值Δt_n。

所述步骤S4中根据两相邻相电感定位点对应区间的位置角度和时间，计算电机转子在该两相邻相电感定位点对应区间内的平均转速，其计算公式为：

式中：表示两相邻相电感定位点对应区间内的平均转速，Δθ_n表示两相邻相电感定位点对应区间的位置角度，Δt_n表示电机转子转过两相邻相电感定位点对应区间的时间。

步骤S5)

所述步骤S5中根据两相邻相电感定位点对应区间内的平均转速计算电机转子在下一对应区间内任意时刻t的转子位置角度θ_n+1(t)。鉴于开关磁阻电机属惯性负载，因而当其转子从当前定位点对应区间旋转至下一对应区间时，其转速可认为基本保持不变，为此可将电机在当前区间的平均转速作为下一对应区间的平均转速，并以当前区间结束时的转子位置角度作为下一对应区间的初始位置角度θ_n+1(t₀)，因此电机转子在下一对应区间内任意时刻t的转子位置角度θ_n+1(t)的具体公式为：

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。

以三相6/4结构开关磁阻电机为例，其N_r＝4，则由式(3-1)可得任意两相邻定位点对应区间的位置角度为：

假设电机转子转过上述两相邻定位点对应区间的时间Δt_n为5ms，则由式(4)可得电机转子在上述两相邻定位点对应区间内的平均转速为：

设下一个对应区间起始时刻t₀的位置角度为π/4，则根据式(5)可计算出电机转子在下一个对应区间内任意时刻的转子位置角度值；如在下一个对应区间内取时刻(t-t₀)＝3ms，则此时的转子位置角度值为：

步骤S6)

根据步骤S5所得转子位置角度值1.1(rad)，向三相开关磁阻电机输出相应的控制信号，即可实现开关磁阻电机无位置传感器的精确控制。

实施例2

图5为本发明基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制装置结构框图，所述控制装置包括微控制器、脉冲发生模块、功率变换电路、电流检测模块、电压检测模块和定时器模块，其中：

所述功率变换电路如图6所示，包括若干相功率变换单元，每相功率变换单元采用不对称半桥结构，每相功率变换单元包括第一主功率开关器Q1、第二主功率开关器Q2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、母线电压输入接线端J1和J2，母线电压输入接线端J1和J2同时与电压检测模块相连；第一主功率开关器Q1与第一续流二极管D1之间设有接线端J3；第二主功率开关器Q2与第二续流二极管D2之间设有接线端J4，接线端J3和接线端J4组成开关磁阻电机某一相绕组的输入端；功率变换电路的接线端AHG、AHE和ALG、GLE分别接收脉冲发生模块发送给第一主功率开关器Q1和第二主功率开关器Q2的开通与关断控制信号，当第一主功率开关器Q1和第二主功率开关器Q2导通时，第一续流二极管D1和第二续流二极管D2截止，则母线电压经接线端J3和接线端J4加到开关磁阻电机的某一相绕组上，产生正向电流；当第一主功率开关器Q1和第二主功率开关器Q2关断时，由第一续流二极管D1和第二续流二极管D2续流，将开关磁阻电机某一相绕组的储能回馈至功率变换单元的储能电容C1和C2中。

所述电流检测模块电路如图7所示，包括若干相电流检测单元，相电流检测单元包括电流互感器J5，反相放大电路以及电压信号限幅电路，所述反相放大电路包括相连的第一反相放大器和第二反相放大器，电流互感器J5将电机A相电流值线性转化为对应的电压值，并输出给运算放大器U2A的第二脚，再由运算放大器U2A和电阻R5、R8、R13，电容C3、C10组成的第一反相放大器进行第一次信号放大与隔离处理后传输给由运算放大器U2B和电阻R6、R9、R10、R14，电容C6、C11组成的第二反相放大器进行第二次信号放大与隔离处理，之后再传输给由二极管D5、D6，电阻R7、R11以及电容C12组成的电压信号限幅电路来限制输入的电流信号的幅值在安全范围之内，从而保证在异常情况下微控制器的安全，最后从电压信号限幅电路输出的电流信号将传输至微控制器的模数转换端口，并对其进行模数转换处理，最后微控制器根据接收的数字信号进行相应的数学计算，从而计算出A相绕组的实际电流值。

所述电压检测模块电路如图8所示，该电路包括母线电压输入端(P、N)、隔离变压器DT1、整流电路、分压电路、电压跟随电路以及反相放大电路。首先通过隔离变压器DT1将输入的母线电压转化为较低电压幅值的高频脉冲电压信号，并通过整流二极管D9将该高频脉冲电压信号整流为直流电压信号，然后通过电阻R16、R21和R29组成的分压电路对该直流电压信号进行分压处理，其中电容C13为滤波电容，接着再由运算放大器U3A、电阻R17、R27以及R19组成的电压跟随电路对该信号进行隔离处理，之后再将该信号传输至由运算放大器U3B和电阻R22、R25、R18、R24以及电容C15和C17组成的反相放大电路进行进一步放大与隔离处理，最后将处理后的信号传输给微控制器的模数转换接口进行模数转换处理，微控制器根据模数转换后得到的数字信号进行相应的数学计算，从而计算出母线实际电压值。

所述脉冲发生模块电路如图9所示，该电路包括功率开关管驱动芯片U4，微控制器输出的PWM控制信号从功率开关管驱动芯片U4的第三脚输入，经功率开关管驱动芯片U4内部放大隔离处理后从第六和第七脚输出给主功率开关器Q1的G脚，从而控制主功率开关器Q1的开通与关断，进而实现对开关磁阻电机相电流的实时调节。

所述定时器模块电路如图10所示，该电路包括时钟芯片U1、时钟基准电路、供电滤波电容和备用电池BT1。其中，时钟基准电路包括晶振X1、电容C7和C8，为时钟芯片U1提供时钟基准；供电滤波电容包括电容C4和C5，用于滤除外部供电电源中的谐波；备用电池BT1为时钟芯片U1提供后备电源，即当外部供电电源断电后可以为时钟芯片U1提供工作电源。时钟芯片U1的第五脚RST、第六脚I/O及第七脚SCLK分别为控制引脚、数据引脚和时钟引脚，通过该三个引脚即可以实现对时钟芯片U1的数据读写操作。

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 (9)

1.基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，是通过实时计算开关磁阻电机的相电感值以确定相电感曲线的下降区间，具体为：先根据两相邻相电感曲线的下降区间任取电感值相等时所对应的两定位点，再根据该两定位点对应区间的位置角度和时间计算电机转子在该两相邻相电感曲线定位点对应区间内的平均转速；最后通过电机转子在两相邻相电感曲线定位点对应区间内的平均转速，计算出电机转子在下一个对应区间内任意时刻的转子位置角度，以实现向开关磁阻电机输出相应的控制信号进行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所述的基于相电感非饱和区定位的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)实时计算开关磁阻电机的相电感值，并根据所得相电感值得到其相电感函数关系式；

步骤S2)根据步骤S1)所得相电感函数关系式确定相电感曲线的下降区间；

步骤S3)通过步骤S2)确定两相邻相电感曲线的下降区间，根据两相邻相电感曲线的下降区间确定两定位点，并根据该两定位点确定其对应区间的位置角度和时间；

步骤S4)根据步骤S3)中所得位置角度和时间，计算出电机转子在该两相邻相电感曲线定位点对应区间内的平均转速；

步骤S5)根据步骤S4)所得电机转子在两相邻相电感曲线定位点对应区间内的平均转速，计算出电机转子在下一个对应区间内任意时刻的转子位置角度；

步骤S6)根据步骤S5)所得转子的位置角度，向三相开关磁阻电机输出相应的控制信号，即可实现开关磁阻电机无位置传感器的精确控制。

3.根据权利要求2所述的基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S1)中实时计算开关磁阻电机的相电感值，并根据所得相电感值得到其相电感函数关系式，包括如下步骤：

步骤S1-1)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电机各相绕组注入高频电压脉冲，按时间间隔t_s采集电机各相绕组的电流值与母线电压值，由式(1)计算出相应的电感值：

式中，U为母线电压，i为相绕组电流，R为相绕组电阻，Ψ₀为相绕组初始磁链，L为相绕组电感；

步骤S1-2)按步骤S1-1)所述相同时间间隔t_s选取对应的转子位置角度θ_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式，具体为：

L_k(θ)＝B₀+B₁cos(θ-2π(k-1)/m)+B₂cos2(θ-2π(k-1)/m)(1≤k≤m) (2)

式中，L_k(θ)表示开关磁阻电机第k相绕组的电感函数，B₀、B₁和B₂分别为电感系数，m表示电机相数。

4.根据权利要求2所述的基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S2)中根据所得相电感函数关系式确定相电感曲线的下降区间，具体方法为：根据步骤S1)中确定的式(2)计算得相电感的极大值L_max，该值作为相电感曲线下降区间的相电感初值；根据开关磁阻电机换相开通角θ_on并由式(2)计算出θ_on处的相电感值L_min，该值即作为相电感曲线下降区间的相电感终值；则相电感曲线下降区间的相电感值范围为(L_max，L_min)。

5.根据权利要求2所述的基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S3)中在两相邻相电感曲线的下降区间确定两定位点，所述两定位点表示在两相邻相电感曲线下降区间中任取电感值相等时所对应的两个位置点。

6.根据权利要求2所述的基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S3)中根据两定位点确定其对应区间的位置角度和时间，具体为：

步骤S3-1)两相邻相电感定位点对应区间的位置角度为：

式中，Δθ_n表示两相邻相电感定位点对应区间的位置角度，N_r表示开关磁阻电机转子极数，m表示电机相数；

步骤S3-2)确定两相邻相电感定位点对应区间的时间，其方法为：当微控制器捕获到当前相电感的定位点时，将控制定时器模块清零并启动定时器模块开始计时，同时检测下一相邻相电感的定位点，当捕获到下一相邻相电感的定位点时，记录并保存定时器模块中的时间值Δt₁，该时间值即为该两相邻相电感定位点对应区间的时间；同时微控制器再次控制定时器模块清零并重新启动定时器模块计时，继续检测下一相邻相电感定位点的出现并记录对应区间的时间Δt₂，如此周而复始，从而可获得所有两相邻相电感定位点对应区间的时间值Δt_n。

7.根据权利要求2所述的基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S4)中根据两相邻相电感定位点对应区间的位置角度和时间，计算出电机转子在该两相邻相电感定位点对应区间内的平均转速，其计算公式为：

式中，表示两相邻相电感定位点对应区间内的平均转速，Δθ_n表示两相邻相电感定位点对应区间的位置角度，Δt_n表示电机转子转过两相邻相电感定位点对应区间的时间。

8.根据权利要求2所述的基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S5)中根据两相邻相电感定位点对应区间内的平均转速计算电机转子在下一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。

9.基于相电感非饱和区定位的开关磁阻电机无位置传感器控制装置，其特征在于：所述控制装置包括微控制器、脉冲发生模块、功率变换电路、电流检测模块、电压检测模块及定时器模块，其中：

所述微控制器用于通过脉冲发生模块向功率变换电路发出控制信号，并通过功率变换电路向开关磁阻电机非导通相绕组注入高频电压脉冲，同时通过电压检测模块、电流检测模块及定时器模块检测相应的电压、电流反馈信号及定位区间的时间值以计算开关磁阻电机的转子位置角度；

所述脉冲发生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，实现对开关磁阻电机非导通相绕组注入高频电压脉冲；

所述功率变换电路用于接收脉冲发生模块输出的控制信号，向开关磁阻电机非导通相绕组注入高频电压脉冲；

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绕组的电流值；

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绕组的电压值；

所述定时器模块用于记录转子转过两相邻相电感定位点之间的时间值。