CN110661467A - 一种基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器控制技术，具体为一种基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法，将开关磁阻电机磁链与转子位置的关系曲线划分为三个区域，检测边界四个位置的磁链特性数据，并确定当前的相磁链值，计算当前电流下区域Ⅱ两端处的磁链值，判定上述三个磁链值之间的关系，确定转子位置角，本方法计算过程简单，易于实现，仅需四个转子位置处的磁链特性数据，而且只占用少量的物理内存；通过多相预估法，减小了系统误差，精度高，鲁棒性强，分辨率高。

Description

一种基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法

技术领域

本发明属于传感器控制技术，具体涉及一种基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法。

背景技术

在开关磁阻电机驱动系统中，转子位置信息对于控制方法的实现以及系统的正常运行至关重要，且该信息通常由光电编码器、旋转变压器等机械式位置传感器得到。然而，机械式位置传感器的存在增加了系统结构的复杂性，提高了制造成本，且传感器性能易受环境影响。因此，研究适用于开关磁阻电机的低成本、高精度、高可靠性无位置传感器控制方法是非常必要的。

为了实现无位置传感器控制，研究人员提出了大量的位置预估方法。这些方法主要分为两类：非导通相位置预估法和导通相位置预估法。

第一类方法主要通过给开关磁阻电机非导通相注入电压脉冲，在恒频低占空比电压激励下，绕组将会产生低幅值的检测电流，由于检测电流较小，因此此时电机的反电势可以忽略。根据电压平衡方程式可知，检测电流的幅值与当前位置相电感呈反比，因此该方法可用于位置预估。其特点是可以检测转子初始位置，在中低速下能够检测到连续的位置信息，但是该法不适用于高速工况。

第二类方法主要基于开关磁阻电机的磁链特性，将测量得到的磁链特性数据以查询表、神经网络等形式进行存储或表述，而后依据在线测得的导通相电流和磁链数据，获得转子位置信息。该类方法具有较高的预估精度和较宽的转速适用范围，但是需要大量磁链特性样本数据，而这些数据通常是通过详细的有限元分析或实验测量得到的，这增加了方法的复杂性和成本，同时在实现时常需要占用较大物理内存。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度较高、鲁棒性强的基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法，简单易于实现。

本发明的技术方案如下：

一种基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法，该方法包括如下步骤：

步骤1)将一定电流下开关磁阻电机相磁链与转子位置角的关系曲线分成三个区域，区间[θ₀,θ₁]定义为区域Ⅰ，[θ₁,θ_hr]定义为区域Ⅱ，[θ_hr,θ_a]定义为区域III

步骤2)检测θ₀、θ₁、θ_hr、θ_a四个位置的磁链特性数据ψ₀、ψ₁、ψ_hr、ψ_a

将测量得到的ψ₀、ψ₁、ψ_hr、ψ_a代入下式确定8个系数a、b、c、d、e、f、g、h

步骤3)利用下式确定当前的相磁链值Ψ。

其中，ψ(0)是初始磁链，u、i和r分别为开关磁阻电机的相电压、相电流和相电阻；

步骤4)确定当前电流下θ₁处的磁链值ψ₁(i)和当前电流下θ_hr处的磁链值ψ_hr(i)；

步骤5)判定，并确定转子位置角ψ

当Ψ<Ψ₁(i)，表明转子位置位于区域Ⅰ

ψ＝a(i)θ⁴+b(i)θ²+c(i)

当Ψ₁(i)<Ψ<Ψ_hr(i)，表明转子位置位于区域Ⅱ

ψ＝d(i)θ+e(i)

当Ψ_hr(i)<Ψ，表明转子位置位于区域III

ψ(i)＝f(i)θ²+g(i)θ+h(i)

所述的步骤1)中

θ₀为非对齐位置，θ_a为对齐位置，θ₁和θ_hr采用下式确定

其中，β_s和β_r分别为定子极弧和转子极弧。

所述的步骤3)中ψ(0)取为0。

所述步骤4)采用线性插值方法，确定当前电流下θ₁处的磁链值ψ₁(i)。

所述的步骤5)中利用线性插值计算得到系数a(i)、b(i)、c(i)、d(i)、e(i)、f(i)、g(i)与h(i)。

本发明的显著效果在于：将开关磁阻电机磁链与转子位置的关系曲线划分为三个区域，在不同区域分别表示为二次函数、一次函数与二次函数，其中区域I采取了磁链特性坐标变换的思想。在此基础之上，依据磁链便可求解出转子位置。方法简单，易于实现。将磁链特性进行坐标变换后，可快速解析求解转子位置角；仅需四个转子位置处的磁链特性数据，而且只占用少量的物理内存；通过多相预估法，减小了系统误差，精度高，鲁棒性强，分辨率高；角度位置控制、电流斩波控制和电压PWM控制工况下均具有良好的精度，也适用于不同的开关磁阻电机拓扑，适用性较好。

附图说明

图1为一定电流下开关磁阻电机相磁链与转子位置角的关系曲线图。

图2为一定电流下区域Ⅰ开关磁阻电机转子位置角平方与相磁链的关系曲线图。

图3为一定电流下区域Ⅱ开关磁阻电机转子位置角与相磁链的关系曲线图。

图4为一定电流下区域III开关磁阻电机转子位置角与相磁链的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

步骤1将一定电流下开关磁阻电机相磁链与转子位置角的关系曲线分成三个区域

如图1所示为一定电流下开关磁阻电机相磁链与转子位置的关系曲线，将区间[θ₀,θ₁]定义为区域Ⅰ，[θ₁,θ_hr]定义为区域Ⅱ，[θ_hr,θ_a]定义为区域III，分别为图2～图4。

在上述定义的四个边界特殊位置θ₀、θ₁、θ_hr、θ_a中，θ₀为非对齐位置，θ_a为对齐位置，θ₁和θ_hr可由式(1)和(2)得到。

其中，β_s和β_r分别为定子极弧和转子极弧。

步骤2检测θ₀、θ₁、θ_hr、θ_a四个位置的磁链特性数据ψ₀、ψ₁、ψ_hr、ψ_a，可通过式(3)获得四个位置的磁链特性。

将测量得到的ψ₀、ψ₁、ψ_hr、ψ_a代入式(4)获得8个系数a、b、c、d、e、f、g、h。

步骤3检测导通相电压、电流值，利用式(5)计算得到当前的相磁链值Ψ。

其中，ψ(0)是初始磁链，由于硅钢材料剩磁较小，通常将ψ(0)取为0；u、i和r分别为开关磁阻电机的相电压、相电流和相电阻。

步骤4利用线性插值，获得当前电流下θ₁处的磁链值ψ₁(i)，当前电流下θ_hr处的磁链值ψ_hr(i)。

步骤5若Ψ<Ψ₁(i)，表明转子位置位于区域Ⅰ，利用线性插值计算得到系数a(i)、b(i)与c(i)。此时磁链与转子位置角平方呈二次函数关系如式(6)所示，可通过式(7)得到转子位置角。

ψ＝a(i)θ⁴+b(i)θ²+c(i) (6)

步骤6若Ψ₁(i)<Ψ<Ψ_hr(i)，表明转子位置位于区域Ⅱ，利用线性插值计算得到d(i)和e(i)。此时磁链与转子位置角呈一次函数关系如式(8)所示，可通过式(9)得到转子位置角。

ψ＝d(i)θ+e(i) (8)

步骤7若Ψ_hr(i)<Ψ，表明转子位置位于区域III，利用线性插值计算得到f(i)，g(i)与h(i)。此时磁链与转子位置角呈二次函数关系如式(10)所示，可通过式(11)得到转子位置角。

ψ(i)＝f(i)θ²+g(i)θ+h(i) (10)

步骤8如需进一步减小低电流下转子位置预估时引入的系统误差，可采用多相磁链特性代替单相磁链特性进行预估。相选取原则为：根据各相电流的大小，选取相电流最大的相进行位置预估。

Claims (5)

1.一种基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1)将一定电流下开关磁阻电机相磁链与转子位置角的关系曲线分成三个区域，区间[θ₀,θ₁]定义为区域Ⅰ，[θ₁,θ_hr]定义为区域Ⅱ，[θ_hr,θ_a]定义为区域III

步骤2)检测θ₀、θ₁、θ_hr、θ_a四个位置的磁链特性数据ψ₀、ψ₁、ψ_hr、ψ_a

将测量得到的ψ₀、ψ₁、ψ_hr、ψ_a代入下式确定8个系数a、b、c、d、e、f、g、h

步骤3)利用下式确定当前的相磁链值Ψ。

其中，ψ(0)是初始磁链，u、i和r分别为开关磁阻电机的相电压、相电流和相电阻；

步骤4)确定当前电流下θ₁处的磁链值ψ₁(i)和当前电流下θ_hr处的磁链值ψ_hr(i)；

步骤5)判定，并确定转子位置角ψ

当Ψ<Ψ₁(i)，表明转子位置位于区域Ⅰ

ψ＝a(i)θ⁴+b(i)θ²+c(i)

当Ψ₁(i)<Ψ<Ψ_hr(i)，表明转子位置位于区域Ⅱ

ψ＝d(i)θ+e(i)

当Ψ_hr(i)<Ψ，表明转子位置位于区域III

ψ(i)＝f(i)θ²+g(i)θ+h(i)

2.如权利要求1所述的一种基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法，其特征在于，所述的步骤1)中

θ₀为非对齐位置，θ_a为对齐位置，θ₁和θ_hr采用下式确定

其中，β_s和β_r分别为定子极弧和转子极弧。

3.如权利要求1所述的一种基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法，其特征在于，所述的步骤3)中ψ(0)取为0。

4.如权利要求1所述的一种基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法，其特征在于，所述步骤4)采用线性插值方法，确定当前电流下θ₁处的磁链值ψ₁(i)。

5.如权利要求1所述的一种基于磁链特性坐标变换的开关磁阻电机位置预估方法，其特征在于，所述的步骤5)中利用线性插值计算得到系数a(i)、b(i)、c(i)、d(i)、e(i)、f(i)、g(i)与h(i)。

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