CN111614303A - 一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，属于开关磁阻电机控制的技术领域。本发明对开关磁阻电机的三相绕组同时注入高频脉冲，基于此方法可获得整个周期的脉冲电流信息，根据脉冲电流和绕组电感之间的关系，利用脉冲电流对电感实施平均分区，根据各分区脉冲电流的大小确定初始起动相，该方法适用于静止或具有一定初速度的开关磁阻电机的初始位置估计。该方法无需复杂的控制策略，算法简便，对位置的估计可靠且通用性较强。
Description
技术领域
本发明公开了一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，属于开关磁阻电机控制的技术领域。
背景技术
开关磁阻电机的结构与传统交、直流电机有着根本的区别，由硅钢片叠压形成的转子上既无绕组也无稀土材料制作的永磁体；定子上则绕有简单集中的线圈，整个机械结构相对简洁。开关磁阻电机的起动转矩较大，转矩/电流比较高，所以常用于频繁起动的场合中。然而，位置传感器在恶劣环境中容易损坏，造成电机无法正常运行；同时，位置传感器的存在将会增加系统的成本和复杂度，从而降低系统的可靠性，使得开关磁阻电机的推广应用受到限制，因此，采用无位置传感器控制有助于摆脱这种困境。
近些年来对于开关磁阻电机无位置传感器控制领域国内外学者都做出了许多研究，其中，电机初始位置的估计是实现开关磁阻电机无位置传感器控制的前提条件，尤其是诸如电动车、军事设备控制等要求电机运行不能反转的场合，学术界已经提出了许多关于开关磁阻电机初始位置的估计技术，但是大多数研究方法仅对电机静止状态下的初始位置进行了详细分析，而对具有惯性状态下的位置估计方法研究较少，其中主要包括脉冲注入法，非导通相检测法，基于智能控制的检测方法，附加元件检测法等多种位置估计算法等。
以上提出的无位置传感器控制技术都有各自的适用性和局限性，这些方法各有优缺点。自举电路法是附加元件检测法的一种，通过给自举电路中的电容充电，再向各相绕组中注入诊断脉冲电流，根据各相诊断电流峰值和转子位置的关系，判断转子所在区间，但是该方法需要附加额外硬件装置，且运算量较大。基于智能控制检测方法的开关磁阻电机无位置传感器控制技术，虽然这类方法无需精准的系统模型，只需足够的训练数据即可拟合得到转子位置-电流-磁链的关系，完成位置估计，但是该方法需要大量时间训练数据，算法复杂。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种通用性好，可移植性强的开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，不需要预知开关磁阻电机的电磁特性数据和精确数学模型即可估计出转子所在区间，解决了传统的非导通相检测法、附加元件检测法、智能控制等开关磁阻电机无位置传感器初始定位方法依赖电机本体参数，计算复杂的技术问题。
为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，包括如下步骤：
A.选取适当的脉冲注入励磁时间及频率；
B.开关磁阻电机三相绕组同时注入高频脉冲；
C.根据脉冲电压响应的脉冲电流对电感实施平均分区；
D.根据各分区脉冲电流的峰值大小确定转子初始位置所在区间。
作为所述一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法的进一步优化方案，步骤A通过选取适当的脉冲注入励磁时间及频率，合适的脉冲注入励磁时间能够避免电机产生反向转动，合适的脉冲注入频率可避免集肤效应对绕组等效电阻产生的不良影响以及较大负转矩的干扰，从而保证系统的正常运行。
进一步的，所述一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，步骤B给开关磁阻电机三相绕组同时注入高频脉冲，使得电机的绕组都能响应出脉冲电流。
进一步的，所述一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，步骤C根据电感与脉冲电流的函数关系
依据响应的脉冲电流对电感实施平均分区，其中，L(θ)为相电感，U为检测电压脉冲的幅值，Δt为检测电压脉冲的宽度，Δi为脉冲注入Δt时间内受检相绕组电流的增量。
再进一步的，所述一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，步骤D中根据各分区响应的脉冲电流，比较它们的大小即可确定位置区间。
基于上述的开关磁阻电机，在初始定位时，针对开关磁阻电机结构中的各相绕组，选取适当的脉冲励磁时间和频率，将其注入至三相绕组，根据响应的脉冲电流峰值大小即可实现开关磁阻电机的初始定位。
有益效果：
本发明采用上述技术方案，具有以下技术效果：本发明对开关磁阻电机的初始位置估计无需复杂的磁链模型，通过脉冲注入法和电感分区法的结合即可对初始位置进行定位，该方法算法简便，对位置的估计可靠且通用性较强。
附图说明
图1是电感分区原理图；
图2是脉冲注入法原理图；
图3是电感曲线-脉冲电流关系图；
图4是初始定位的流程图；
图5是惯性状态下三相脉冲电流及其包络线波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
本发明通过检测每个周期内的脉冲电流峰值大小进而估计转子位置信息，具有较强的通用性和可移植性。
图1是电感分区原理图。在开关磁阻电机静止或具有一定初速度时，对三相绕组同时注入高频脉冲，通过比较各相脉冲电流的大小对电感实施平均分区，进而估算出转子的初始位置。图1所示分别为三相开关磁阻电机电感分区图以及脉冲响应电流峰值包络线分区图，其中图1中的三相电流峰值包络线可以通过数值计算的方法获取。
确定脉冲注入的励磁时间和频率是实验正常进行的前提，当电机静止状态下，若注入的脉冲励磁时间过长，则会使电机产生转动，这样不仅会改变初始位置，并且还可能导致电机反向转动；若注入的脉冲励磁时间过短，会降低脉冲电流幅值，从而导致精度的下降以及抗干扰减小等问题；脉冲注入的频率同样会影响测量精度，脉冲频率过大不仅会增加电力电子器件的损耗，而且在高频下，产生的集肤效应会增大绕组的等效电阻，对位置的估计产生影响；脉冲频率过小不易检测到响应的脉冲电流，甚至会使得电机自启动。脉冲注入最大和最小励磁时间如式(1)、(2)所示：
式中：Lmax表示最大电感，Lmin表示最小电感，βs表示定子极弧，imin为电流传感器所能测量到的最小电流。
脉冲频率需满足式(3)所示：
同时还得考虑电力电子器件本身开关频率的范围，故注入脉冲的最大频率满足式(4)：
fmax≤fMOSFET max (4)
综上所述，针对不同类型的开关磁阻电机，求出母线电压大小，电力电子器件的最大开关频率，电流传感器的测量精度，起动扭矩的大小，电机的最小/最大电感值以及控制器的A/D转换时间，即可依据式(1)、(2)、(3)、(4)计算出注入脉冲的励磁时间和频率的区间
图2所示为脉冲注入法原理图，开关磁阻电机某相绕组m的电路方程式如式(5)所示：
Um＝imRm+dψm/dt (5)
开关磁阻电机m相绕组的磁链ψm与电流im和转子位置θ有关，具体表达式如式(6)所示：
ψm(i,θ)＝Lm(i,θ)im (6)
式中：Um为m相端电压，Rm为m相电阻，im为m相电流，ψm为m相磁链。
将式(5)、(6)结合，可以得到如式(7)所示的电路方程式：
式(7)由电阻压降、变压器电动势、运动电动势三部分构成。如图2所示，在很短的Δt时间内，向受检相绕组中注入高频低压脉冲，该相绕组将会出现响应电流。时间较短、幅值较低的电压脉冲使得受检相响应的脉冲电流较小，同时电机绕组的电阻值较小，故电阻压降可忽略不计，此时，相电感可以看作是不饱和电感，它的变化仅由转子位置角决定，而与绕组电流无关，因此受检相的变压器电动势可以得到简化，若SRM的转速较低，受检相绕组的运动电动势亦可忽略不计。综上所述，经过简化处理后可以得到任意相电感的表达式，如式(8)所示：
式中：L(θ)为相电感，U为检测电压脉冲的幅值，Δt为检测电压脉冲的宽度，Δi为脉冲注入Δt时间内受检相绕组电流的增量。
图3所示为电感曲线-脉冲电流关系图，初始位置的判断是实现开关磁阻电机无位置传感器运行的基础，为了让电机正常转动，必须判断出能够产生正转矩的相，将这一相作为初始起动相即可，即起动相必须处于该相的电感上升区。
图4所示为初始定位的流程图，通过一定的计算程序即可实现电机静止或者具有一定初始速度的位置估计。其中，静止条件下仅需比较各分区内脉冲电流的大小即可估计出转子位置，进而确定初始起动相；具有一定初速度条件下为了更加精确的判断初始起动相所在分区，借助基于希尔伯特变换的数值计算方法对脉冲电流进行包络线的提取得到位置信息，从而确定初始起动相。设一个实值函数x(t)，将其进行希尔伯特变换后，可以得到一个新函数记作x^(t)(或者记作H[x(t)])，则
反变换为
对比卷积的理念能够发现，上式的希尔伯特变换的表达式实际上就是将原始信号和另一个信号(假设为h(t))作卷积运算得到的结果。也就是说，经过希尔伯特变换后得到的新信号
是原始信号x(t)通过一个滤波器(或一个系统)h(t)运算后得到的结果，这个系统的冲击响应为h(t)＝1/πt。将其进行傅里叶变换运算，可以获得：
H(jω)＝-jsgn(ω) (11)
也可以写作：
其中，sgn()是符号函数。由式(12)可以得出这样的结论：所有的正频率分量经过希尔伯特变换后移项-90°，所有的负频率分量经过希尔伯特变换后移项+90°，它相当于一个正交滤波器，然而幅值并没有因此而改变。
在只有实信号的情况下，若要将其转换成复信号，那么便需要构造解析信号。将原信号x(t)作为复信号的实部，再将经过希尔伯特变换后的信号
作为复信号的虚部，于是可以得到如下的复信号：
一个信号既要有幅值信息，也要有相位信息，所以可设：
x(t)＝A(t)cos(ω0t+θ(t)) (14)
将其代入式(13)，则：
由上式可知，
为相位信息，
为幅值信息。将上式取绝对值即可得到想要的包络信息。
图5所示为惯性状态下三相脉冲电流及其包络线波形图，当电机具有一定初速度时，同时给予三相绕组高频脉冲则会响应出脉冲电流，通过上述希尔伯特变换即可得到其包络线，能够更加直观的判断出转子所在的分区，从而判断出初始起动相。
Claims (5)
1.一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.选取适当的脉冲注入励磁时间及频率；
B.开关磁阻电机三相绕组同时注入高频脉冲；
C.根据脉冲电压响应的脉冲电流对电感实施平均分区；
D.根据各分区脉冲电流的峰值大小确定转子初始位置所在区间。
2.根据权利要求1所述一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，其特征在于，步骤A选取适当的脉冲注入励磁时间及频率，合适的脉冲注入励磁时间能够避免电机产生反向转动，合适的脉冲注入频率可避免集肤效应对绕组等效电阻产生的不良影响以及较大负转矩的干扰，从而保证系统的正常运行。
3.根据权利要求2所述一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，其特征在于，步骤B给开关磁阻电机三相绕组同时注入高频脉冲，使得电机的绕组都能响应出脉冲电流。
4.根据权利要求3所述一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，其特征在于，步骤C中根据电感与脉冲电流的函数关系
依据响应的脉冲电流对电感实施平均分区，其中，L(θ)为相电感，U为检测电压脉冲的幅值，Δt为检测电压脉冲的宽度，Δi为脉冲注入Δt时间内受检相绕组电流的增量。
5.根据权利要求4所述一种开关磁阻电机无位置传感器初始定位控制方法，其特征在于，步骤D中根据各分区响应的脉冲电流，比较它们的大小即可确定转子初始位置所在区间。
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