CN110838807A - 一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法，包括以下步骤：1)估算相电感；2)进行电机弧级结构优化设计；3)选取非磁饱和运行特性下的位置点；4)选取饱和电磁特性运行下特殊位置点；5)估算惯性运行时的转速和位置；6)估算驱动模式下的转速和位置。本发明可用于在惯性运行、轻载、重载、负载突变、高速等运行工况下对开关磁阻电机位置进行的估算与控制。

Description

一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器 控制方法。

背景技术

开关磁阻电机具有成本低、结构简单、可靠性高等优点已经成功应用。转子位置信息的 准确获取是实现开关磁阻电机高性能控制关键。光电式、霍尔、旋转变压器等一系列位置传 感器的使用增加了电机系统成本及复杂性。因此，研究具有高分辨率的无位置传感器技术对 开关磁阻电机控制性能提升具有重要意义，本发明涉及一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的 无位置传感器控制方法，通过考虑极弧系数设计以及电感与饱和电流交点来确定转子位置点， 具有可靠性高、分辨率高等特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有无位置传感器技术存在对电机本体适应性差缺 陷，提供一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法，本发明可用于在惯性 运行、轻载、重载、负载突变、高速等运行工况下对各种极对数开关磁阻电机位置进行的估 算，本方法可适用于6/4、12/8等多种弧级结构的开关磁阻电机控制。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步 骤：

1)估算增量电感；

2)电机弧级结构优化；

3)选取非磁饱和运行特性下的位置点；

4)选取饱和电磁特性运行下特殊位置点；

5)估算惯性运行时的转速和位置；

6)估算驱动模式下的转速和位置。

在所述步骤1)中，非导通相注入高频脉冲电压，开通相采用电流滞环控制方法，其响 应电流上升、下降斜率根据转子位置周期性变化。测量在固定控制周期、固定占空比下电流 变化斜率，可计算电感信息，提取转子位置。

电感估算过程中，某一相开通时，绕组两端施加正电压，电压表达式如式(1)；当某相 关断时，采用负压续流模式，表达式如式(2)

经过整理可知，电感表达式为：

在所述步骤2)中，同一电机极弧系数，电感交点的特性具有唯一性，不同的电机极弧 系数，电感交点位置具有不同特征。当电机极弧系数较小时，无论电机运行在大电流饱和状 态还是小电流非饱和状态，低电感区域中的电感交点位置几乎是一致的，对磁饱和不敏感， 此交点可以作为特征点进行位置估算；当极弧系数设计较大时，电感交点就出现较大差异性， 低电感区及高电感区的电感交点位置就随电流变化差别较大，需要通过寻找位置变化与电流 变化之间的映射关系，在设计电机时可以充分考虑这一特征，便于实现轻载及重载下的开关 磁阻电机无位置传感器控制技术。

在所述步骤3)中，电机处于惯性运转下，三相分别注入高频脉冲电压，利用斜率差法 在线计算增量电感曲线并求得电感值，各相电感交点位置固定；电机处于单相驱动模式下， 当驱动相负载电流较小时，电机运行在非磁饱和状态，非导通相电感依然采用注入高频电压， 导通相则利用驱动斩波电流信息，利用斜率差法实时获取全周期电感信息。

在所述步骤4)中，电机实际饱和运行时，将0-15度之间低电感区交点作为一个位置 输出点进行位置估算，高电感区交点受磁路饱和影响大，不同电流下的位置误差甚至达到15° (电角度)，此高电感区交点无法利用，转速和角度估算依靠低电感区的交点位置更新一次。 本文选择将高电感区交点作为位置估算更新点，并考虑磁路饱和对交点位置的影响，通过判 断磁路饱和特性下电感曲线交点特征，获取负载电流与交点位置角度之间的关系，充分利用 一个电周期内的六个电感交点估算转子转速及转子位置。

在所述的步骤5)中，根据特殊位置点输出的角度信息及经历的时间进行转速估计，估 算速度与给定转速进行比较，差值经过PI后得到电流环给定，将该差值与采样的实际电流进 行滞环控制。一般认为位置更新点之间转速恒定，则任意时刻电机转子估计置θ_est可以表示为：

其中θ_k为电感交点角度，Δθ为两个位置更新点的角度差恒定7.5°，Δt_k为转子转过两个 更新点之间的时间，t_k为第k个输出更新点时刻，t₁为两个位置点之间输出任意时刻。

在所述的步骤6)中，导通相利用驱动相电流信息在线计算电感，非导通相由注入高频 电压脉冲并利用电流响应信息获取电感。电感区相邻相电感交点位置随负载饱和电流影响小， 可以认为交点固定，可以不做处理。低电感区的电感交点分别为7.5°，22.5°，37.5°。高 电感区两个电感交点随负载电流变化大，建立了高斯拟合数学表达式来描述饱和电流与交叉 点位置之间的关系:

f(x)＝a1*e(-((x-b1)/c1)²)+a2*e(-((x-b2)/c2)²) (5)

两个位置点经过的时间很短，认为位置更新点之间转速恒定，则任意时刻电机转子估计 置θ_est可以表示为：

其中θ_k为转子位置更新点，Δθ为两个位置更新点的角度差恒定7.5°，Δt_k为转子转 过两个更新点之间的时间，t_k为第k个输出更新点时刻，t₁为两个位置点之间输出任意时刻。

本发明相比背景技术具有如下优点：

(1)一个电周期360°内三相电感共六个交点，转速和位置信息可以更新六次，每次计 算误差不会积累到下一更新周期，保证可运行过程中的转速和位置估算精度；

(2)考虑了不同的电机极弧系数对电感交点位置特征的影响，针对不同的极弧系数选择 不同的估算方法，极弧系数较小时，选择低电感区电感交点作为位置计算点，极弧系数较大 时，通过电流与电感之间映射关系来确定电感位置交点，便于轻载及重载下的开关磁阻电机 无位置传感器控制技术实现。并利用电感特性，低电感区三个电感交点受磁饱和影响小，选 为速度和转速的三个固定位置更新点，并充分考虑磁路饱和因素对高电感区三个电感曲线交 点的影响，通过多项式拟合方式获取电流与交点角度关系，电机转一圈可利用转速及角度更 新点数增加至48个，增加了低速和速度不稳情况下的适应性，提高了重载下转速和位置估算 精度。

附图说明

图1无位置传感器控制策略；

图2“正压励磁”、“零压续流”、“负压退磁”模式；

图3电感交点特征图；

图4非磁饱和特性下电流响应示意图；

图5电机惯性运行位置估算；

表1 SRM的基础结构参数；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

本发明的整体流程图如图1所示，包含步骤1估算增量电感；步骤2电机弧级结构优化； 步骤3选取非磁饱和运行特性下的位置点；步骤4选取饱和电磁特性运行下特殊位置点；步 骤5估算惯性运行时的转速和位置；步骤6估算驱动模式下的转速和位置。

在步骤1中，所述无位置传感器控制系统框图如图1所示，根据特殊位置点输出的角度 信息及经历的时间进行转速估计，估算速度与给定转速进行比较，差值经过PI后得到电流环 给定，将该差值与采样的实际电流进行滞环控制。某一相开通时，Q1、Q2打开，绕组两端施 加正电压，如图2(a)所示，电压表达式如式(1)，当某相关断时，采用负压续流模式，Q1， Q2均关闭，绕组两端施加负电压，电流通过D1、D2向电源馈电，如图2(c)，表达式如(2)。

整理可得：

(参见图2)

在步骤2电机弧级结构优化，在图3中示出了具有不同极弧系数的12/8和6/4极开关磁 阻电机结构图，其中12/8电机的具体结构参数列于表1中。当极弧系数设计设置为0.4时， 电感A和电感C之间的交点大约为7.5°，并且随电流增大变化不敏感，而高电感区域的电 感交点随电流变化具有较大的变化，因此，在低电感区可以选用7.5°为位置更新点，高电 感区的交点通过寻找交点与电流大小的映射关系来确定；当极弧系数设置0.5时，电感交叉 点的位置随电流可达到10.5°，偏移较大。在选择不同的极弧系数设计时，充分考虑电感交 点位置的变化。(参见图2，参见表1)

表1

Number of phase	3
		Number of stator teeth(mm)	12
Number of rotor teeth(mm)	8
		Stator outer diameter(mm)	120
Rotor outer diameter(mm)	68.4
		Rotor inner diameter(mm)	30
Stack length(mm)	37
		Rotor Yoke Thickness(mm)	5.9
Stator Yoke Thickness(mm)	6.7
		Stacking Factor	0.95
Turns per Pole	26
		Embrace	0.51
Steel Type	Steel_1008

在步骤3选取非磁饱和运行特性下的位置点中，电机处于惯性运转下，三相分别注入高频脉冲电压，其中一相注入脉冲及电感示意图如图4所示，利用斜率差法在线计算增量电感曲线并求得电感值，各相电感交点位置固定；电机处于单相驱动模式下，当驱动相负载电流较小时，电机运行在非磁饱和状态，非导通相电感依然采用注入高频电压，导通相则利用驱动斩波电流信息，利用斜率差法实时获取全周期电感信息。在45°机械周期内，导通相电感曲线与驱动相电感曲线存在六个交点，对应的有六个角度值。其中B相与C相电感交点为7.5°，A相与B相的位置交点为15°，以此类推，分别为22.5°，30°，37.5°，45°六 个典型电感位置交点。判断各相电感值相等时，根据上一交点位置信息及运行时间，计算出 平均速度，则每一时刻的转子位置即可预测。(参见图4)

在步骤4选取磁饱和运行特性下的位置点中，电机实际运行时，为了得到较大转矩，一 般工作在磁路饱和状态。将0-15度之间低电感区交点作为一个位置输出点进行位置估算，高 电感区交点受磁路饱和影响大，不同电流下的位置误差甚至达到15°(电角度)，此高电感 区交点无法利用，转速和角度估算依靠低电感区的交点位置更新一次。本文选择将高电感区 交点作为位置估算更新点，并考虑磁路饱和对交点位置的影响，通过判断磁路饱和特性下电 感曲线交点特征，获取负载电流与交点位置角度之间的关系，充分利用一个电周期内的六个 电感交点估算转子转速及转子位置。

在步骤5估算惯性运行时的转速和位置中，电机转速和位置估算过程如流程图5所示一 般认为位置更新点之间转速恒定，则任意时刻电机转子估计置θ_est可以表示为：

其中θ_k为电感交点角度，Δθ为两个位置更新点的角度差恒定7.5°，Δt_k为转子转过两个 更新点之间的时间，t_k为第k个输出更新点时刻，t₁为两个位置点之间输出任意时刻。(参见 图5)

在步骤6估算驱动模式下的转速和位置中，导通相利用驱动相电流信息在线计算电感， 非导通相由注入高频电压脉冲并利用电流响应信息获取电感。

电感区相邻相电感交点位置随负载饱和电流影响小，可以认为交点固定，可以不做处理。 低电感区的电感交点分别为7.5°，22.5°，37.5°。高电感区两个电感交点随负载电流变化 大，建立了高斯拟合数学表达式来描述饱和电流与交叉点位置之间的关系:

f(x)＝a1*e(-((x-b1)/c1)²)+a2*e(-((x-b2)/c2)²) (5)

表达式同样适用于转子位置的计算，在表2中推导出六个典型交叉点的平均速度和估计 位置。两个位置点经过的时间很短，认为位置更新点之间转速恒定，则任意时刻电机转子估 计置θ_est可以表示为：

其中θ_k为转子位置更新点，Δθ为两个位置更新点的角度差恒定7.5°,Δt_k为转子转过 两个更新点之间的时间，t_k为第k个输出更新点时刻，t₁为两个位置点之间输出任意时刻。

Claims (7)

1.一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)估算增量电感；

2)进行电机弧级结构优化设计；

3)选取非磁饱和运行特性下的位置点；

4)选取饱和电磁特性运行下特殊位置点；

5)估算惯性运行时的转速和位置；

6)估算驱动模式下的转速和位置。

2.根据权利要求1所述的一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，在所述步骤1)中，非导通相注入高频脉冲电压，开通相采用电流滞环控制方法，其响应电流上升、下降斜率根据转子位置周期性变化。测量在固定控制周期、固定占空比下电流变化斜率，可计算电感信息，提取转子位置。

电感估算过程中，某一相开通时，绕组两端施加正电压，电压表达式如式(1)；当某相关断时，采用负压续流模式，表达式如式(2)；

经过整理可知，电感表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，在所述步骤2)中，选择不同的电机极弧系数，电感交点位置具有不同特征。当电机极弧系数较小时，无论电机运行在大电流饱和状态还是小电流非饱和状态，低电感区域中的电感交点位置几乎是一致的，对磁饱和不敏感，此交点可以作为特征点进行位置估算；当极弧系数设计较大时，低电感区及高电感区的电感交点位置就随电流变化差别较大，需要通过寻找位置变化与电流变化之间的映射关系，在设计电机时可以充分考虑这一特征，便于实现轻载及重载下的开关磁阻电机无位置传感器控制技术。

4.根据权利要求1所述的一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，在所述步骤3)中，电机处于惯性运转下，三相分别注入高频脉冲电压，利用斜率差法在线计算增量电感曲线并求得电感值，各相电感交点位置固定；电机处于单相驱动模式下，当驱动相负载电流较小时，电机运行在非磁饱和状态，非导通相电感依然采用注入高频电压，导通相则利用驱动斩波电流信息，利用斜率差法实时获取全周期电感信息。判断各相电感值相等时，根据上一交点位置信息及运行时间，计算出平均速度，则每一时刻的转子位置即可预测。

5.根据权利要求1所述的一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，在所述步骤4)中，电机饱和运行时，将0-15度之间低电感区交点作为一个位置输出点进行位置估算，高电感区交点受磁路饱和影响大，不同电流下的位置误差甚至达到15°(电角度)，此高电感区交点无法利用，转速和角度估算依靠低电感区的交点位置更新一次。此时选择将高电感区交点作为位置估算更新点，并考虑磁路饱和对交点位置的影响，通过判断磁路饱和特性下电感曲线交点特征，获取负载电流与交点位置角度之间的关系，充分利用一个电周期内的六个电感交点估算转子转速及转子位置。

6.根据权利要求1所述的一种考虑极弧结构的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，在所述的步骤5)中，根据特殊位置点输出的角度信息及经历的时间进行转速估计，估算速度与给定转速进行比较，差值经过PI后得到电流环给定，将该差值与采样的实际电流进行滞环控制。一般认为位置更新点之间转速恒定，则任意时刻电机转子估计置θ_est可以表示为：

其中θ_k为电感交点角度，Δθ为两个位置更新点的角度差恒定7.5°，Δt_k为转子转过两个更新点之间的时间，t_k为第k个输出更新点时刻，t₁为两个位置点之间输出任意时刻。

7.根据权利要求1所述的考虑饱和电感特性的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，在所述的步骤6)中，导通相利用驱动相电流信息在线计算电感，非导通相由注入高频电压脉冲并利用电流响应信息获取电感。

电感区相邻相电感交点位置随负载饱和电流影响小，可以认为交点固定，可以不做处理。低电感区的电感交点分别为7.5°，22.5°，37.5°。高电感区两个电感交点随负载电流变化大，建立了高斯拟合数学表达式来描述饱和电流与交叉点位置之间的关系:

f(x)＝a1*e(-((x-b1)/c1)²)+a2*e(-((x-b2)/c2)²) (5)

两个位置点经过的时间很短，认为位置更新点之间转速恒定，则任意时刻电机转子估计置θ_est可以表示为：

其中θ_k为转子位置更新点，Δθ为两个位置更新点的角度差恒定7.5°，Δt_k为转子转过两个更新点之间的时间，t_k为第k个输出更新点时刻，t₁为两个位置点之间输出任意时刻。

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