CN112886895A - 一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及开关磁阻电机控制技术领域，公开了一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法及系统。方法的步骤包括：S1，实时获取开关磁阻电机的相电流和相应的相电压，并计算相磁链；S2，根据预先得到的转子位置角以及相磁链，计算出估计相电流值；S3，将估计相电流值和开关磁阻电机的相电流采样值作比较，得到误差函数；S4，采用滑模状态观测器微分方程计算得到电机转子转速；S5，根据误差函数和电机转子转速，采用sigmoid函数作为开关函数，计算出转子位置角。采用本发明的方法和系统，无需增加位置传感器，具有很强的鲁棒性，电机转速波动以及外加扰动都不会影响位置的检测。

Description

一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法及系统
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机控制技术领域，具体而言，涉及一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法及系统。
背景技术
开关磁阻电机(Switched ReluctanceMotor，SRM)是一种先进的机电一体化装置，它具有结构简单、工作可靠、造价低廉、机体坚固、调速范围广、成本低、调速系统效率高、电机启动电流小、启动转矩大等优点，在工业应用中随着开关器件的逐渐推广备受青睐。
现有技术中，通常采用电流传感器与电压传感器分别采集电机开关磁阻的电压值与电流值，并利用电磁式、光电式、磁敏式等传感器获得转子位置信息，然后，根据电压值、电流值和位置信息控制电机开关磁阻的转速。这些方法虽然简单容易实现，但是传感器的安装和使用会增加系统成本和电机复杂度，实际应用过程中的额外电气连接、安装精度和外围信号干扰降低了系统的坚固性和可靠性，同时受到安装空间限制和机械校准问题的影响。无位置传感器技术已成为SRD系统的研究热点之一。
公开专利《一种采用全维状态观测器的开关磁阻电机无位置传感器速度计算方法》(公开号：CN106953554B)作为本发明最接近的现有技术，具体阐述了采用状态观测器来计算电机的转角和转速，使控制系统省去了位置传感器，在降低控制系统成本的同时提高系统的可靠性和抗干扰性，采用的控制算法包括比例积分控制算法以及角度位置控制算法。
但是现有方法中所采用的控制算法实现SRM换相控制时，因为其自身属性问题会有抖振现象，控制方法的鲁棒性不足，因此需要做出进一步的改进，提升无位置传感器的开关磁阻电机控制的鲁棒性。
发明内容
本发明的目的在于克服SRM控制过程中存在抖振现象的问题，改进了控制算法，提供了一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法及系统。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，包括以下步骤：
S1，实时获取开关磁阻电机的相电流和相应的相电压，并根据开关磁阻电机的相电流和相应的相电压计算相磁链；
S2，根据预先得到的转子位置角，以及相磁链，计算出估计相电流值；
S3，将估计相电流值和开关磁阻电机的相电流采样值作比较，得到误差函数；
S4，采用滑模状态观测器微分方程计算得到电机转子转速；
S5，根据误差函数和电机转子转速，采用sigmoid函数作为开关函数，计算出转子位置角，转子位置角用于控制开关磁阻电机的工作状态；
S6，循环执行步骤S1～S5，使得开关磁阻电机保持恒定的转速。
作为本发明的优选方案，步骤S1中，相磁链的计算公式为：
Figure BDA0002937665550000021
其中，Ψj ∧为j相电机磁链，vj为j相电压，ij为j相电流，rj为j相电阻，τ是积分运算中的时间参数，t是积分时间的终止时刻。
作为本发明的优选方案，步骤S2中估计相电流值的计算公式为：
Figure BDA0002937665550000032
其中，
Figure BDA0002937665550000033
为电机j相估计相电流值，
fj(θ∧)＝0.1045-0.1017cos(Nr*θ∧-(j-1)*2*π/m)
θ∧是转子位置角，m是相电流或相电压的总相数，j∈(0，m)，j是相电流或相电压的下标编号，Ψs为饱和磁链值，Ψj ∧为相电机磁链，Nr为电机转子极数。
作为本发明的优选方案，步骤S3中，误差函数为：
Figure BDA0002937665550000035
其中，ef为相电流差值，
Figure BDA0002937665550000036
为电机j相估计相电流值，ij为j相电机采样电流值，
Figure BDA0002937665550000037
Nr为电机转子极数，Nph为电机相数。
作为本发明的优选方案，步骤S4中电机转子转速的计算公式为：
Figure BDA0002937665550000038
其中，B为粘性摩擦系数，J为转动惯量，
Figure BDA0002937665550000039
为电磁转矩估计值，
Figure BDA00029376655500000310
为负载转矩估计值，kθ是观测器转子位置角增益，kw为观测器转速增益，w是转速，
Figure BDA00029376655500000311
是转速的导数。
作为本发明的优选方案，电磁转矩估计值的计算公式为：
Figure BDA0002937665550000041
式中，θ∧是转子位置角，B为粘性摩擦系数，J为转动惯量，Te ∧为电磁转矩估计值，
Figure BDA0002937665550000043
为负载转矩估计值。
作为本发明的优选方案，步骤S5中转子位置角的计算公式为
θ∧＝w+kθsigmoid(ef)
其中，sigmoid()函数为电机新型开关函数，ef为相电流差值，w为转速，kθ是观测器转子位置角增益。
作为本发明的优选方案，sigmoid()函数的公式为：
Figure BDA0002937665550000044
其中，μ是指数系数，e是自然对数。
基于相同的构思，本发明还提出了一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制系统，包括开关磁阻电机、控制器、功率变换器和驱动电路，控制器输出端连接驱动电路，驱动电路的输出端连接功率变换器，功率变换器输出端连接开关磁阻电机，还包括新型滑模观测器，新型滑模观测器采用上述任一的一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，计算出转子位置角，控制器根据转子位置角控制功率变换器和驱动电路，使得开关磁阻电机保持恒定的转速。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的方法和系统采用符号函数作为开关函数，减小了SRM控制过程中存在的抖振现象，电机转速波动以及外加扰动都不会影响位置的检测，具有很强的鲁棒性。
2、本发明的方法原理简单，相比传统采用模拟法测量磁特性数据，将不同位置的测量结果制成表格，本发明无复杂的运算以及表格存储，占用软件资源少，且无需额外增加硬件。
3、本发明的系统适用于电机在中速、高速整个运行范围的转速估计和位置检测，开通/关断角皆可调整，满足开关磁阻电机运行性能；实施非常方便灵活，满足特殊场合对开关磁阻电机体积大小的要求。
4、本发明的方法可移植性强，通用性高，适合于任何结构和不同等级功率的通用开关磁阻电机的转速或转子位置估计。
附图说明：
图1为本发明实施例1中的一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法流程图；
图2为本发明实施例1中的一种具体的新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法的示意图；
图3为本发明实施例1中的转子位置估算模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本发明一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法的主要步骤如图1所示，包括以下步骤：
S1，实时获取开关磁阻电机的相电流和相应的相电压，并根据开关磁阻电机的相电流和相应的相电压计算相磁链；
S2，根据预先得到的转子位置角，以及相磁链，计算出估计相电流值；
S3，将所述估计相电流值和开关磁阻电机的相电流采样值作比较，得到误差函数；
S4，采用滑模状态观测器微分方程计算得到电机转子转速；
S5，根据相电流差值和电机转子转速，采用sigmoid函数作为开关函数，计算出转子位置角，转子位置角用于控制开关磁阻电机的工作状态；
S6，循环执行步骤S1～S5，使得开关磁阻电机保持恒定的转速。
作为优选方案，步骤S1中，相磁链的计算公式如公式(1)所示：
Figure BDA0002937665550000061
其中，Ψj ∧为j相电机磁链，vj为j相电压，ij为j相电流，rj为j相电阻τ是积分运算中的时间参数，t是积分时间的终止时刻。
作为优选方案，步骤S2中估计相电流值的计算公式如公式(2)所示：
Figure BDA0002937665550000063
其中，
Figure BDA0002937665550000071
为电机j相估计相电流值，fj(θ∧)为关于θ∧的函数，Ψs为饱和磁链值，饱和磁链值是根据电机不同的机构确定电机的饱和磁链值，可以提前计算得到，Ψj ∧为j相电机磁链。其中，fj(θ∧)＝0.1045-0.1017cos(Nr*θ∧-(j-1)*2*π/m)，θ∧是转子位置角，是从二阶滑模观测器输出端反馈得到的转子位置角，m是相电流或相电压的总相数，j∈(0，m)，j是相电流或相电压的下标编号。
作为优选方案，步骤S3中，相电流差值的计算公式如公式(3)所示：
Figure BDA0002937665550000073
其中，ef为相电流差值，
Figure BDA0002937665550000074
为电机j相估计相电流值，ij为j相电机采样电流值，
Figure BDA0002937665550000075
式中：Nr为电机转子极数，Nph为电机相数。
Figure BDA0002937665550000076
作为优选方案，步骤S4中电机转子转速w由公式(6)得到，对公式(6)两端积分，并进行变换，就能得到转子转速。
Figure BDA0002937665550000077
B为粘性摩擦系数，J为转动惯量，
Figure BDA0002937665550000078
为电磁转矩估计值，
Figure BDA0002937665550000079
为负载转矩估计值，kθ是观测器转子位置角增益，kw为观测器转速增益，w是转速，
Figure BDA00029376655500000710
是转速的导数。
其中，
Figure BDA0002937665550000081
式中，θ∧是转子位置角，B为粘性摩擦系数，J为转动惯量，Te∧为电磁转矩估计值，
Figure BDA0002937665550000083
为负载转矩估计值。
步骤S5中，转子位置角的计算公式如公式(8)所示：
θ∧＝w+kθsigmoid(ef)........................(8)
其中，ef为相电流差值，sigmoid函数为电机新型开关函数，sigmoid函数的公式如公式(5)所示，由于开关函数采用了sigmoid函数，sigmoid函数是指数型函数，数据呈指数级数变化，当信号发生变化时，可以按照指数级快速调整，抑制抖振现象。
一种具体的新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法的示意图如图2所示。整个开关磁阻电机控制系统由控制器、功率变换器、新型转子位置估计模块、SRM等部分组成。控制器主要实现开关磁阻电机的基本控制，控制器根据新型滑模观测器(内置控制算法)输出的估计转子的位置信息(转子位置角)以及电机的转速信息对功率变换器输出IGBT驱动信号。功率变换器接收控制器输出的IGBT驱动信号，根据IGBT驱动信号，控制IGBT的通断实现给开关磁阻电机的各相依次通电，最终达到电机不停的转动。转子位置角的计算方法为：首先采集电机各相的电压vj、电流ij信号，根据公式(1)计算得到相磁链，经过电流估计公式(2)估计得到该时刻的估计相电流值，将估计相电流值与采样得到的相电流做差，得到相电流差值，并且，根据二阶滑模观测器微分方程计算得到转速，将转速和相电流差值输入到新型的滑模观测器，采用公式(6)计算转速，滑模观测器中对转速和相电流差值采用公式(8)进行计算，得到转子位置角，其中公式(6)(8)采用了sigmoid函数，实现对电机转子位置、转速的估计。最后将电机转子位置、转速的估计送入到控制器中，经过转速PI控制，电流斩波控制，完成整个系统的转速、电流双闭环控制。
图3为开关磁阻电机新型无位置传感器转子位置估计，转子位置估算模块结构示意图。现有技术中的转子位置估算模块结构图中除了电压传感器、电流传感器，还包括光电编码位置传感器，光电编码位置传感器固定在开关磁阻电机上，用于采集转子的位置信息，由于采用了本发明的方法，系统中不再需要采集转子位置信息的传感器(例如光电编码器)就可以计算出转子的位置信息，仅采用电压传感器获取电压信号，采用电流传感器获取电流信号，就可以控制转子的转速保持恒定。
图3转子位置估算模块结构示意图中，通过整流桥电路将交流电整流成直流电直接供给电机的两端，功率部分采用不对称半桥型结构，通过高频的功率管元器件，实现电机通电顺序的快速变化达到电机利用“磁阻最小”原理转动的效果。在电机各相上安装电流、电压传感器，通过A/D转换，将电压、电流信号输入到控制器，运用本发明的方法就可以得到输出给IGBT的驱动信号，最终达到降低电机抖振的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (9)

1.一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，实时获取开关磁阻电机的相电流和相应的相电压，并根据所述开关磁阻电机的相电流和相应的相电压计算相磁链；
S2，根据预先得到的转子位置角，以及所述相磁链，计算出估计相电流值；
S3，将所述估计相电流值和开关磁阻电机的相电流采样值作比较，得到误差函数；
S4，采用滑模状态观测器微分方程计算得到电机转子转速；
S5，根据所述误差函数和所述电机转子转速，采用sigmoid函数作为开关函数，计算出转子位置角，所述转子位置角用于控制所述开关磁阻电机的工作状态；
S6，循环执行步骤S1～S5，使得所述开关磁阻电机保持恒定的转速。
2.如权利要求1所述的一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述相磁链的计算公式为：
Ψj^＝∫0 t(vj(τ)-ij(τ)rj)dτ
其中，Ψj^为j相电机磁链，vj为j相电压，ij为j相电流，rj为j相电阻，τ是积分运算中的时间参数，t是积分时间的终止时刻。
3.如权利要求1所述的一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，步骤S2中所述估计相电流值的计算公式为：
Figure FDA0002937665540000021
其中，
Figure FDA0002937665540000022
为电机j相估计相电流值，
fj(θ^)＝0.1045-0.1017cos(Nr*θ^-(j-1)*2*π/m)
θ∧是转子位置角，m是相电流或相电压的总相数，j∈(0，m)，j是相电流或相电压的下标编号，Ψs为饱和磁链值，Ψj^为相电机磁链，Nr为电机转子极数。
4.如权利要求1所述的一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述误差函数为：
Figure FDA0002937665540000023
其中，ef为相电流差值，
Figure FDA0002937665540000024
为电机j相估计相电流值，ij为j相电机采样电流值，
Figure FDA0002937665540000025
Nr为电机转子极数，Nph为电机相数。
5.如权利要求1所述的一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，步骤S4中所述电机转子转速的计算公式为：
Figure FDA0002937665540000026
其中，B为粘性摩擦系数，J为转动惯量，
Figure FDA0002937665540000027
为电磁转矩估计值，
Figure FDA0002937665540000028
为负载转矩估计值，kθ是观测器转子位置角增益，kw为观测器转速增益，w是转速，
Figure FDA0002937665540000029
是转速的导数。
6.如权利要求5所述的一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，电磁转矩估计值的计算公式为：
Figure FDA0002937665540000031
式中，θ∧是转子位置角，B为粘性摩擦系数，J为转动惯量，Te^为电磁转矩估计值，
Figure FDA0002937665540000032
为负载转矩估计值。
7.如权利要求1所述的一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，步骤S5中所述转子位置角的计算公式为
θ∧＝w+kθsigmoid(ef)
其中，sigmoid()函数为电机新型开关函数，ef为相电流差值，w为转速，kθ是观测器转子位置角增益。
8.如权利要求7所述的一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，所述sigmoid()函数的公式为：
Figure FDA0002937665540000033
其中，μ是指数系数，e是自然对数。
9.一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制系统，包括开关磁阻电机、控制器、功率变换器和驱动电路，控制器输出端连接驱动电路，驱动电路的输出端连接功率变换器，功率变换器输出端连接开关磁阻电机，其特征在于，还包括新型滑模观测器，所述新型滑模观测器采用如权利要求1-8任一所述的一种新型无位置传感器的开关磁阻电机控制方法，计算出转子位置角，所述控制器根据所述转子位置角控制功率变换器和驱动电路，使得所述开关磁阻电机保持恒定的转速。
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