CN110798114B - 基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，对于三相电机，分别检测三相电感两端的电压值和电流值，通过虚拟磁链法确定三相电感：采用一阶傅里叶级数拟合三相电感波形，利用相重叠区间重叠相的电感，得到第三相的电感；将确定的三相电感值带入拟合的三相电感的直流分量与三相电感的对应关系，得到三相电感的直流分量和基波分量幅值；采用CLARK坐标变换，得到两相静止坐标系上α，β轴电感，从而得到转子位置信息。四相电机的控制流程与三相类似。本发明不需要引入位置传感器，无需脉冲注入，无负转矩产生，提高了系统的稳定性和可靠性，而且也无需预知电机参数和测算磁链表格，节省了控制器的存储空间。

Description

基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明属于开关磁阻电机领域，更具体地，涉及一种基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。

背景技术

开关磁阻电机采用双凸极结构，不需要永磁材料，机械结构简单、坚固、耐用，多用于高速、高温等工作环境恶劣的场所。在航空航天、纺织机械、电动汽车等领域具有良好的应用市场和应用前景。要保证开关磁阻电机高效和稳定的运行，需通过位置传感器实时获得转子位置信息，但位置传感器的引入不仅增加了系统的成本和复杂度，而且在一定程度上降低了系统的可靠性和应用场合，限制了开关磁阻电机在极端环境下的使用。为了进一步提高开关磁阻电机控制系统的稳定性和可靠性，无位置传感器控制技术成了必不可少的研究方向。

开关磁阻电机常用的无位置控制方法是脉冲注入法和磁链表格法，脉冲注入法不仅会有负转矩产生，且在较高转速的情况下，脉冲注入数量有限，无法准确的获得位置信息，也无法有效的执行换向逻辑。磁链表格法需提前知道电机参数，且需离线测算出表格，预存的磁链表格也会浪费控制器的存储空间，方法较为复杂且不具有普遍适用性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，旨在解决现有开关磁阻电机的控制技术中无位置传感器方案由于高速注入脉冲数量有限导致获得的转子位置信息可靠性低、以及磁链表格需要离线测算并占用控制器存储空间的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种针对三相磁链开关磁阻电机的基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：

(1)分别在不同时刻检测三相电感两端的电压值和电流值，通过虚拟磁链法确定开关磁阻电机的三相电感L_a、L_b和L_c：

其中，U_k为三相电感两端的电压值，i_k为三相电感两端的电流值，R_k为电机绕组上电阻的阻值，k＝a，b，c；

(2)采用一阶傅里叶级数拟合三相电感波形，其形式如下：

利用相重叠区间重叠相的电感，第三相的电感由三相电感直流分量所得，三相电感可表示为：

其中，L_dc为三相电感的直流分量，L_dc对于三相电感L_a、L_b和L_c而言值相同，L₁为三相电感的基波分量幅值；

(3)将步骤(1)中确定的三相电感值带入步骤(2)中得到的三相电感的直流分量与三相电感的对应关系，得到三相电感的直流分量和三相电感的基波分量幅值，由此确定同一时刻的三相电感；

(4)对三相电感采用CLARK坐标变换，其公式如下：

其中，L_α，L_β为坐标变换后的两相静止坐标系上α，β轴电感，根据两相静止坐标系上α，β轴电感L_α，L_β得到转子位置信息。

优选地，在同一时刻检测三相电流时，在发生相电流重叠时，能同时检测到两相的电流。

优选地，三相电感的直流分量L_dc和三相电感的基波分量幅值L₁具体通过以下方式得到：

其中，θ₁为重叠相初始进入重叠区间位置角，为电角度。

优选地，重叠相初始进入重叠区间位置角θ₁用公式表示为：

θ₁＝θ_on+θ_step

其中θ_on为开通角，θ_step开关磁阻电机步进角，均为电角度。

优选地，转子位置信息包括转子位置角和转速；

在相电流的重叠区间，转子位置角θ用公式表示为：

预设A相电感最小值处为A相电角度0°，则三相电角度表示为：

在相电流的非重叠区间，转子位置角θ’用公式表示为：

转速ω由重叠相的重叠区间两次计算的角度差Δθ除以计算周期T得到，用公式表示为：

其中，T为控制器的计算周期，即两次计算角度的时间差。

按照本发明的另一方面，提供了一种针对四相开关磁阻电机的基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：

(1)分别检测四相电感两端的电压值和电流值，通过虚拟磁链法确定开关磁阻电机的四相电感L_a、L_b、L_c和L_d：

(2)采用一阶傅里叶级数拟合四相电感波形，其形式如下：

(3)对四相电感采用坐标变换，其公式如下：

其中，L_α，L_β为坐标变换后的两相静止坐标系上α，β轴电感，根据两相静止坐标系上α，β轴电感L_α，L_β得到转子位置信息。

优选地，在同一时刻检测四相电流时，在发生相电流重叠时，同时检测到两相不为零的电流。

优选地，四相电感的直流分量L_dc和四相电感的基波分量幅值L₁具体通过以下方式得到，以A，B相重叠为例：

其中，θ₁为相电流初始进入重叠区间位置角，为电角度。

优选地，重叠相初始进入重叠区间位置角θ₁用公式表示为：

θ₁＝θ_on+θ_step

其中θ_on为开通角，θ_step开关磁阻电机步进角，均为电角度。

优选地，转子位置信息包括转子位置角和转速；

在相电流的重叠区间，转子位置角θ用公式表示为：

预设A相电感最小值处为A相电角度0°，则四相电角度表示为：

在相电流的非重叠区间，转子位置角θ’用公式表示为：

转速ω由重叠相的重叠区间两次计算的角度差Δθ除以计算周期T得到，用公式表示为：

其中，T为控制器的计算周期，即两次计算角度的时间差。

在实际应用中，本方法不仅适用于三相和四相开关磁阻电机，也可拓展到其他多相开关磁阻电机。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，利用开关磁阻电机三相电感对称的特性，通过一阶傅里叶级数拟合，可将其看作电感矢量，三相电感矢量互差120°电角度，其幅值随电感大小而变化。通过虚拟磁链法，不使用电压传感器来获得电机绕组上的电压，利用电压方程解出磁链，此时磁链与电流的比值即为当前电感值。这种方法在不引入位置传感器的情况下，仍能准确的获得转子位置信息，提高了系统在极端条件下的稳定性和可靠性。此外，该方法无需脉冲注入，无负转矩产生，提高了电机的无位置控制转矩输出的能力，而且也无需预知电机参数和测算磁链表格，节省了控制器的存储空间。同时本发明减少了电压传感器的使用，降低了系统的复杂度和成本。

附图说明

图1是本发明提供的基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法的控制框图；

图2是本发明开关磁阻电机三相电流波形和三相电感波形示意图；

图3是本发明开关磁阻电机四相电流波形和四相电感波形示意图；

图4是本发明开关磁阻电机的不对称半桥拓扑示意图；

图5(a)是本发明开关磁阻电机A相的不对称半桥工作状态1：励磁状态；

图5(b)是本发明开关磁阻电机A相的不对称半桥工作状态2：零压续流状态；

图5(c)是本发明开关磁阻电机A相的不对称半桥工作状态3：反压退磁状态；

图6是本发明提供的基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法的三相电感矢量坐标变换示意图；

图7是本发明提供的基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法的四相电感矢量坐标变换示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明采用的开关磁阻电机的主电路包括开关磁阻电机、电流传感器以及控制器，开关磁阻电机具有三相定子绕组L_a、L_b和L_c；开关磁阻电机控制器为传统不对称半桥控制电路，根据三相绕组电流、转子位置以及运行模式需求为三相逆变驱动电路中的功率开关器件提供控制信号；电流传感器用于检测电机三相定子绕组上对应的三相绕组电流；所有带反并联二极管的开关管均采用反并联快速回复二极管的CoolMOS管或IGBT；所有续流二极管均采用快速恢复二极管。

图1给出了本发明基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器的控制框图，采用虚拟磁链法计算磁链，利用三相电感对称的特性，通过对重叠相电感进行计算，求解出转子位置，进而求出电机转速。

图2给出了在电流斩波控制下，三相电流波形和三相电感波形，图3给出了，在电流斩波控制下，四相电流波形和四相电感波形。可以看出在换向区间，必定存在两相重叠的情况，以A相和B相电流重叠为例，采用虚拟磁链法，利用电压方程，可以求解此时的磁链，如下：

ψ_k＝∫(U_k-R_ki_k)dt

其中R_k为相电阻，i_k为相电流，以开关磁阻电机不对称半桥拓扑为例，如图4所示。根据开关磁阻电机的三种工作状态(工作状态1：励磁状态，工作状态2：零压续流状态，工作状态3：反压退磁状态)，分别如图5(a)-(c)所示。U_k存在三种对应的取值，如下：

其中U_dc为直流母线电压，U_i为开关管导通压降，U_d为二极管正相导通压降，由此求出此时的磁链，进而可得此时的电感如下：

由此各相导通区间的电感均可算出，由于开关磁阻电机三相电感对称，且互差120°电角度，采用一阶傅里叶级数拟合可得各相电感表达式如下：

利用相重叠区间重叠相的电感，第三相的电感由三相电感直流分量所得，三相电感可表示为：

其中，L_dc为三相电感的直流分量，L_dc对于三相电感L_a、L_b和L_c而言值相同，L₁为三相电感的基波分量幅值。

以A，B相重叠为例，通过在线计算，相电流刚进入重叠位置的位置角为θ₁如图2所示，此时计算的L_a，L_b，即可求解出L_dc和L₁，由此在重叠区域即可获得三相绕组电感。

相电流刚进入重叠位置的位置角θ₁的表达式如下：

θ₁＝θ_on+θ_step

其中θ_on为开通角，θ_step开关磁阻电机步进角，均为电角度。

在不注入脉冲的情况下，最多只能在重叠区间获得重叠两相的电感信息，通过三相电感对称的特性，利用三相电感之和为3L_dc，可以求解出非重叠相的电感，以A，B相重叠为例，C相电感可表示如下：

L_c＝3L_dc-L_a-L_b

综上所述，在重叠区间，三相电感信息均可获得，如图6所示，通过CLARK变换，即可获得此时的转子位置信息。其中CLARK变换如下：

转子位置信息包括相电流的重叠区域的转子位置角θ、相电流的非重叠区域的转子位置角θ’和转速ω。根据位置角的正切值，利用反正切函数即可求出位置角：

预设A相电感最小值处为A相电角度0°，则三相电角度表示为：

在相电流的非重叠区间，转子位置角θ’用公式表示为：

转速ω由重叠相的重叠区间两次计算的角度差Δθ除以计算周期T得到，用公式表示为：

其中，T为控制器的计算周期，即两次计算角度的时间差。

对于四相电机而言，关磁阻电机三相电感对称，且互差90°电角度，采用一阶傅里叶级数拟合可得各相电感表达式如下：

对四相电感采用坐标变换，如图7所示，其公式如下：

以A，B相重叠为例，通过在线计算，刚进入重叠位置为θ₁如图3所示，和此时计算的L_a，L_b，即可求解出L_dc和L₁。

由此可以得到位置角θ的正切值，利用反正切函数即可求出θ，如下：

预设A相电感最小值处为A相电角度0°，则四相电角度表示为：

在相电流的非重叠区间，转子位置角θ’用公式表示为：

转速ω由重叠相的重叠区间两次计算的角度差Δθ除以计算周期T得到，用公式表示为：

其中，T为控制器的计算周期，即两次计算角度的时间差。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，对于三相开关磁阻电机，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别检测三相电感两端的电压值和电流值，通过虚拟磁链法确定开关磁阻电机的三相电感L_a、L_b和L_c；

(2)采用一阶傅里叶级数拟合三相电感波形，其形式如下：

其中，ω为转速；

所述三相电感的直流分量L_dc和三相电感的基波分量幅值L₁具体通过以下方式得到，以A，B相重叠为例：

其中，θ₁为相电流初始进入重叠区间位置角，为电角度；

(3)第三相的电感由三相电感直流分量减去相重叠区间重叠相的电感所得，同一时刻的三相电感可表示为：

其中，L_dc为三相电感的直流分量，L_dc对于三相电感L_a、L_b和L_c而言值相同；

(4)对所述三相电感采用CLARK坐标变换，其公式如下：

其中，L_α，L_β为坐标变换后的两相静止坐标系上α，β轴电感，根据两相静止坐标系上α，β轴电感L_α，L_β得到转子位置信息。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在同一时刻检测三相电流时，在发生相电流重叠时，同时检测到两相不为零的电流。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述相电流初始进入重叠区间位置角θ₁用公式表示为：

θ₁＝θ_on+θ_step

其中θ_on为开通角，θ_step开关磁阻电机步进角，均为电角度。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述转子位置信息包括转子位置角和转速；

在相电流的重叠区间，转子位置角θ用公式表示为：

预设A相电感最小值处为A相电角度0°，则三相电角度表示为：

在相电流的非重叠区间，转子位置角θ’用公式表示为：

转速ω由重叠相的重叠区间两次计算的角度差Δθ除以计算周期T得到，用公式表示为：

其中，T为控制器的计算周期，即两次计算角度的时间差。

5.基于重叠相电感的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，对于四相开关磁阻电机，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别检测四相电感两端的电压值和电流值，通过虚拟磁链法确定开关磁阻电机的四相电感L_a、L_b、L_c和L_d；

(2)采用一阶傅里叶级数拟合四相电感波形，同一时刻下的形式如下：

其中，ω为转速，L_dc为四相电感的直流分量，L₁为四相电感的基波分量幅值；

所述四相电感的直流分量L_dc和四相电感的基波分量幅值L₁具体通过以下方式得到，以A，B相重叠为例：

其中，θ₁为相电流初始进入重叠区间位置角，为电角度；

(3)对所述四相电感采用坐标变换，其公式如下：

其中，L_α，L_β为坐标变换后的两相静止坐标系上α，β轴电感，根据两相静止坐标系上α，β轴电感L_α，L_β得到转子位置信息。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在同一时刻检测四相电流时，在发生相电流重叠时，同时检测到两相不为零的电流。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述相电流初始进入重叠区间位置角θ₁用公式表示为：

θ₁＝θ_on+θ_step

其中θ_on为开通角，θ_step开关磁阻电机步进角，均为电角度。

8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述转子位置信息包括转子位置角和转速；

在相电流的重叠区间，转子位置角θ用公式表示为：

预设A相电感最小值处为A相电角度0°，则四相电角度表示为：

在相电流的非重叠区间，转子位置角θ’用公式表示为：

转速ω由重叠相的重叠区间两次计算的角度差Δθ除以计算周期T得到，用公式表示为：

其中，T为控制器的计算周期，即两次计算角度的时间差。

Images