CN110336513A - 一种无位置传感器开关磁阻电机初始定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于开关磁阻电机领域，涉及一种无位置传感器开关磁阻电机初始定位方法。所述的初始定位方法通过脉冲注入检测到的反馈电流峰值，根据开关磁阻电机转子电感上升区域内电感的高度线性化来进行高精度初始位置估计；从转子极与定子极刚开始重合的位置到转子极与定子极完全重合的位置，电感几乎随着位置呈线性变化。在任意区间中，三相电感值处于中间的一相的电感变化线性度极高。当脉冲注入的电压、频率和占空比均不变时，反馈电流峰值是相电感为反比关系。本发明对转子初始位置进行高精度的定位，提高了控制的精度。根据转子初始定位位置，可直接根据每一相的开通关断角进行初始导通关断控制，增加了控制的灵活性。

Description

一种无位置传感器开关磁阻电机初始定位方法

技术领域

本发明属于开关磁阻电机领域，涉及一种无位置传感器开关磁阻电机初始定位方法。

背景技术

由于开关磁阻电机结构上的特殊性，准确的转子位置检测是保证其可靠运行的重要的一环。早期的位置检测方案有光电式、磁敏式及接近开关等含机械的检测方案，但在油污、粉尘较多的环境中，光电传感器可能受到污垢的浸渍，导致电平信号脉冲的丢失；高温环境下，传感器可能损坏失效；高频电磁场的干扰可能致使磁敏原件的检测精度降低等。位置信号检测不准确或失效，会导致系统的可靠性大幅度降低，甚至造成电机停滞和电力系统崩溃。

因此采用无位置传感器技术来检测转子的位置信息，对降低SRM控制系统成本、提高系统可靠性、提高电机功率密度具有重要意义。

在很多应用场合下，需要电机无反转启动，精确的控制起始导通相。而目前无位置传感器初始定位主要为两种方法，第一种为吸合至固定位置启动，此方法不满足无反转启动的要求；第二种为脉冲注入电感分区法，此方法仅能判断出转子位置所在区间范围，在十分靠近区间边界的位置容易造成反转启动，并且不可精确的控制起始导通相。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有无位置传感器初始定位检测方法的不足，根据开关磁阻电机本身的电感特性，应用脉冲注入法，解算出精确的转子位置，再确定初始导通相。

本发明采用的技术方案：

一种无位置传感器开关磁阻电机初始定位方法，通过脉冲注入检测到的反馈电流峰值，根据开关磁阻电机转子电感上升区域内电感的高度线性化来进行高精度初始位置估计；相对于普通脉冲注入电感分区初始定位方法，定位精度高，需预知2个位置处的检测电流峰值。

一种无位置传感器开关磁阻电机初始定位方法，步骤如下：

第一步：脉冲注入反馈电流峰值检测

相绕组电压方程如下所示：

当开关频率高，且占空比小时，绕组电流小，可以忽略反电动势、绕组压降和磁饱和的非线性影响，电压方程可简化成：

当脉冲注入的电压、频率和占空比均不变时，反馈电流峰值i_p是相电感L的单值函数。

1.1注入电压脉冲：

为使初始定位时电机转轴保持不动，通过三相功率器件对三相绕组同时进行固定占空比的电压脉冲注入，所述的固定占空比能保证总转矩小于电机阻力转矩。

1.2采集每相绕组的反馈电流峰值：

为了精确检测反馈电流峰值，在三相功率器件由导通变为关断的时刻，控制器采集电流传感器此时的电流信号，作为反馈电流峰值，分别得到三相绕组的反馈电流峰值。

由于反馈电流峰值很小，通常还需通过硬件放大电路放大后采样。

第二步：反馈电流峰值的校准

由于实际的电流传感器及放大器均存在一定的零点偏移以及增益误差，并且不同传感器和放大器存在个体差异，使得检测的三相反馈放大电流峰值之间存在较大的偏差。为使三相反馈放大电流峰值与位置关系相同，依次相差120°电角度，需对三相反馈电流峰值进行校准。

简化电流传感器以及放大器的误差模型，认为仅存在零点偏移以及增益误差。以A相反馈电流峰值为基准，对三相进行校准，校准公式如下所示：

其中，x_A,x_B,x_C为未校准前的实际检测值，y_A,y_B,y_C为校准后的值，k_B,k_C为校准斜率项，b_B,b_C为校准截距项。

校准系数k_B,k_C,b_B,b_C的计算方法如下：根据不同转子位置的三相绕组的反馈电流峰值，绘制三相反馈电流峰值关于转子位置的图形，以A相反馈电流峰值关于转子位置的图形为基准，首先将A相反馈电流峰值关于转子位置的图形向左移动120°电角度作为B相反馈电流峰值关于转子位置图形的校准目标图形，对B相反馈电流峰值进行最小二乘法线性拟合得到k_B,b_B；然后将A相反馈电流峰值关于转子位置的图形向左移动240°电角度作为C相反馈电流峰值关于转子位置图形的校准目标图形，对C相反馈电流峰值进行最小二乘法线性拟合得到k_C,b_C。

第三步：判断位置所在区域

根据电感分区原则，将三相开关磁阻电机的一个电周期分为6个扇区。根据校准后的反馈电流峰值判断转子位置所在区域。

在每个扇区内三相电感的大小关系、反馈电流峰值的大小关系各不相同，如图1所示。由表1所示的电流峰值关系便可确定转子位置所在的区域。

表1反馈电流峰值与转子位置区域关系

第四步：精确计算转子位置

从转子极与定子极刚开始重合的位置到转子极与定子极完全重合的位置，电感几乎随着位置呈线性变化。在任意区间中，三相电感值处于中间的一相的电感变化线性度极高。因此可以利用这一特性，进行精确的转子定位。

当脉冲注入的电压、频率和占空比均不变时，反馈电流峰值i_p是相电感L为反比关系。因此反馈电流峰值i_p的倒数随与位置的函数图形与相电感L与位置的函数图形相同。

进行精确初始定位需预知2个相电感交点位置处的反馈电流峰值。2个相电感交点位置处的反馈电流峰值求取方法如下：首先，先对A相通电，将转子吸合至A相对齐位置处，停止通电后保持位置不动对B，C相进行脉冲注入，求取其校正后的电流峰值均值，将其倒数作为较小电感交点处的计算电感值L_s；然后，对A，B相同时通电，将转子吸合至C相不对齐位置处，停止通电后保持位置不动对A，B相进行脉冲注入，求取其校正后的电流峰值均值，将其倒数作为较大电感交点处的计算电感值L_l。

对校准后的反馈电流峰值求倒数作为计算电感L，根据第三步所判断得到的扇区通过表2选择精确转子位置计算公式进行计算。其中τ_r表示一个转子极所对应的机械角度。

表2不同扇区精确转子位置计算公式

提前测量2个相电感交点位置处的反馈电流峰值，便可由此便可对转子初始位置进行精确定位，从而根据导通相的导通角度，精确控制导通相导通。

本发明具有以下明显效果：

1.对转子初始位置进行高精度的定位，提高了控制的精度。

2.根据转子初始定位位置，可直接根据每一相的开通关断角进行初始导通关断控制，增加了控制的灵活性。

附图说明

图1为三相开关磁阻电机相电感关于位置的函数图形以及反馈电流峰值关于位置的函数图形。

图2为精确初始定位原理图。

图3为校准前三相脉冲注入电流峰值图。

图4为校准后三相脉冲注入电流峰值图。

图5为校准后三相电感图。

图6为初始定位计算位置与实际位置比较图。

图7为初始定位计算位置与实际位置误差图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：以一台12/8极1500rpm 5kW开关磁阻电机为样机，额定电压60V，电压脉冲注入频率10kHz，占空比为1/9。电流传感器采用50A/5V闭环霍尔电流传感器，其输出经过运算放大器放大5.7倍后接入DSP控制芯片的AD转换引脚。

实验实测一个机械周期的电流峰值波形如图2所示，经过校正后电流峰值波形如图3所示，校正方法如上述所示，通过0～360°(间隔1°)机械角度共360组转子位置对应的电流峰值实测值，以A相电流峰值实测值为基准进行最小二乘法线性拟合得到k_B,k_C,b_B,b_C分别为1.0035、1.0695、170.1、95.72。根据校正后的电流峰值大小关系即可确定转子位置所在扇区。校正后的电感波形如图5所示。

以三相反馈电流峰值i_p的倒数作为计算电感值。以中间电感值为参考，依据相似三角形原理进行精确计算转子位置。以扇区1为例，如图2，AB相电感交点、BC相电感交点为顶点构成了直角三角形DEF，DF大小为2个交点电感之间的差值，EF大小为一个电感周期角度的1/6，设检测此时B相电感大小为G点位置所对应的电感值，在已知D、E点所对应反馈电流峰值倒数值的情况，根据相似三角形即可求出GH大小。其5个扇转子位置计算方法与上述相同。

进行精确初始定位需预知2个相电感交点位置处的反馈电流峰值。首先，先对A相通电，将转子吸合至A相对齐位置处，停止通电后保持位置不动对B，C相进行脉冲注入，求取其校正后的电流峰值均值，将其倒数作为图2所示E点处的计算电感值，样机所对应E点计算电感值为7.7093；然后，对A，B相同时通电，将转子吸合至C相不对齐位置处，停止通电后保持位置不动对A，B相进行脉冲注入，求取其校正后的电流峰值均值，将其倒数作为图2所示D点处的计算电感值，样机所对应D点计算电感值为17.9754。

在发出电机启动信号后，先同时对电机三相绕组进行脉冲电压注入，检测放大后的反馈电流峰值并进行校准，连续采样100次取平均值，之后根据三相反馈电流峰值大小关系确定转子位置所在区间，再对三相反馈电流峰值取倒数作为计算电感值，取计算电感值中间一相作为精确定位相，根据上述的相似三角形原理以及已知的2个相电感交点位置处的反馈电流峰值便可对转子位置进行精确初始定位。

为了检测初始定位的位置计算精度，在电机上安装了位置刻度盘，以刻度盘所指示的位置角度为实际位置，测量间隔为1°机械角度，得到的位置比较图如图6所示。初始定位位置误差图如图7所示。在一个机械周期内，平均位置检测误差为0.2775°机械角度，最大的位置检测误差为0.8950°机械角度。

本发明的无位置传感器开关磁阻电机初始定位方法简单有效，能够对初始转子位置进行高精度定位，并根据定位，可直接根据每一相的开通关断角进行初始导通关断控制，增加了控制的灵活性。

Claims (2)

1.一种无位置传感器开关磁阻电机初始定位方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：脉冲注入反馈电流峰值检测

1.1注入电压脉冲：

通过三相功率器件对三相绕组同时进行固定占空比的电压脉冲注入，所述的固定占空比能保证总转矩小于电机阻力转矩；

1.2采集每相绕组的反馈电流峰值：

将三相功率器件由导通变为关断的时刻的电流信号作为反馈电流峰值，分别得到三相绕组的反馈电流峰值；

第二步：反馈电流峰值的校准

以A相反馈电流峰值为基准，对三相反馈电流峰值进行校准，校准公式如公式3所示：

其中，x_A,x_B,x_C为未校准前的实际检测值，y_A,y_B,y_C为校准后的值，k_B,k_C为校准斜率项，b_B,b_C为校准截距项；

第三步：判断位置所在区域

根据电感分区原则，将三相开关磁阻电机的一个电周期分为6个扇区；根据校准后的反馈电流峰值判断转子位置所在区域；

第四步：精确计算转子位置

对校准后的反馈电流峰值求倒数作为计算电感值L，根据第三步所判断得到的扇区通过精确转子位置计算公式计算；其中τ_r表示一个转子极所对应的机械角度；

转子在扇区1，则

转子在扇区2，则

转子在扇区3，则

转子在扇区4，则

转子在扇区5，则

转子在扇区6，则

其中，计算电感值L_l和计算电感值L_s求取方法如下：先对A相通电，将转子吸合至A相对齐位置处，停止通电后保持位置不动对B，C相进行脉冲注入，求取其校正后的电流峰值均值，将其倒数作为较小电感交点处的计算电感值L_s；然后，对A，B相同时通电，将转子吸合至C相不对齐位置处，停止通电后保持位置不动对A，B相进行脉冲注入，求取其校正后的电流峰值均值，将其倒数作为较大电感交点处的计算电感值L_l。

2.如权利要求1所述的无位置传感器开关磁阻电机初始定位方法，其特征在于，第二步中，k_B,k_C,b_B,b_C的计算方法如下：根据不同转子位置的三相绕组的反馈电流峰值，绘制三相反馈电流峰值关于转子位置的图形，以A相反馈电流峰值关于转子位置的图形为基准，首先将A相反馈电流峰值关于转子位置的图形向左移动120°电角度作为B相反馈电流峰值关于转子位置图形的校准目标图形，对B相反馈电流峰值进行最小二乘法线性拟合得到k_B,b_B；然后将A相反馈电流峰值关于转子位置的图形向左移动240°电角度作为C相反馈电流峰值关于转子位置图形的校准目标图形，对C相反馈电流峰值进行最小二乘法线性拟合得到k_C,b_C。