CN113098358B - 基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，为：确定开关磁阻电机导通相临界饱和电流值；在临界饱和电流区间内确定该导通相电感曲线上升区间起点和终点的电感值；任取一定位点确定其在不同饱和电流下对应电感值并拟合其函数关系；根据所得函数关系式，实时检测当前导通相的实际电流，计算该导通相定位点对应于该电流下的电感值；通过所得电感值得下一导通相对应定位点，由两相邻定位点对应区间的位置角度和时间，计算电机转子在该区间的平均转速；计算电机转子在下一对应区间内任意时刻的位置角度，实现开关磁阻电机的无位置传感器控制。本发明原理简单且有效解决了因电流饱和导致转子位置角度估计不准的问题。

Description

基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制 方法
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机无位置传感器控制领域，尤其涉及一种基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。
背景技术
开关磁阻电机具有结构简单、起动电流小、起动转矩大、效率高、调速范围宽等系列优点，目前已广泛应用于矿山开采、电动汽车、纺织机械及航空工业等众多领域。在开关磁阻电机高性能调速控制中，需要实时获取其转子的位置角度，传统获取其转子位置角度主要采用位置传感器，但位置传感器的使用不仅增加了调速系统的成本、体积及复杂度，同时还降低了调速系统的可靠性，因此开展开关磁阻电机无位置传感器控制方法研究具有重要意义。目前国内外在开关磁阻电机无位置传感器控制方面已开展了系列研究，提出了诸如神经网络法、电感模型法、状态观测器法等多种方法。其中，神经网络法需要对数据进行训练，存在实时性较差、计算量大等问题；电感模型法原理简单，但易受磁路饱和的影响；状态观测器法不需要额外添加硬件，但计算较为复杂。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。
本发明提出的基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：
步骤S1)确定开关磁阻电机导通相临界饱和电流值；
步骤S2)在开关磁阻电机临界饱和电流区间内确定该导通相电感曲线上升区间起点和终点的电感值；
步骤S3)在步骤S2)所得导通相电感曲线上升区间内任取一定位点确定其在不同饱和电流下所对应的电感值；
步骤S4)将步骤S3)所得不同饱和电流值下所对应的电感值及其相应饱和电流值进行数值拟合，得到其电感值与相应饱和电流间的函数关系式；
步骤S5)实时检测当前导通相的实际电流，根据步骤S4)所得函数关系式，计算该导通相定位点对应于该电流下的电感值；
步骤S6)根据步骤S5)所得电感值确定下一导通相对应的定位点，并根据两相邻定位点对应区间的位置角度和时间，计算出电机转子在该区间的平均转速；
步骤S7)根据步骤S6)所得两相邻定位点对应区间的平均转速，计算电机转子在下一个对应区间内任意时刻的位置角度；
步骤S8)根据所得电机转子的位置角度，实现开关磁阻电机的无位置传感器控制。
优选地，步骤S1)的具体操作为：将开关磁阻电机导通相定子凸极与转子凸极中心线对齐，逐步增大开关磁阻电机导通相电流，同时实时检测该导通相的电压和电流，根据所得电压和电流计算定子凸极与转子凸极中心线对齐位置处的电感值，当所得电感值随电流的增大而减小时，则此时的电流值即为该电机导通相的临界饱和电流值。
优选地，步骤S2)的具体操作为：在步骤S1)所得临界饱和电流内任取一电流值，分别确定电机导通相在该电流下其定子凸级后沿与转子凸级前沿对齐位置以及定转子凸极中心对齐位置所对应的电感值，所得电感值即分别对应该导通相电感曲线上升区间起点和终点的电感值。
优选地，步骤S3)的具体操作为：在步骤S2)确定的相电感曲线上升区间内任取一点作为定位点，针对该定位点在其临界饱和电流以上等间距选取n个电流值，并分别确定各电流值所对应的电感值。
优选地，步骤S4)中数值拟合方法拟采用最小二乘法，所用电机导通相电感值与相应饱和电流间的函数关系式，具体为：
Figure BDA0003039590400000021
式中：fL(I)表示导通相电感函数，Ls为电流未饱和时的导通相电感值，Ib为导通相临界饱和电流值，I为导通相实际电流值，A、B、C、D为电感函数的系数。
与现有技术相比，本发明通过建立电感解析模型，同时实时检测开关磁阻电机导通相电流，即可计算出该电流下开关磁阻电机定位点电感值并确定其转子位置角度，无需通过三相电感逻辑关系判断导通相与非导通相电感曲线的交点，并实时检测导通相电流，判断其是否饱和从而确定是否需要对转子位置角度进行补偿(这增加了运算量及数据处理的复杂度)；通过上述方法，不仅显著减小了电机磁路饱和对其位置估算精度的影响，减少算法的运算时间，提高电机控制的实时性，而且还可有效提高转子位置估算精度，该控制方法原理简单，具有较好的应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法流程图；
图2a为本发明开关磁阻电机导通相定子凸极后沿与转子凸极前沿对齐的相对位置示意图；
图2b为本发明开关磁阻电机导通相定子凸极与转子凸极中心线对齐的相对位置示意图；
图3为本发明实施例提供的开关磁阻电机导通相定子凸极与转子凸极中心线对齐位置处电感随电流变化示意图；
图4为开关磁阻电机相电感上升区间示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步具体的说明。
参见图1，为本发明提供的基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法流程图。下面以一台12/8三相开关磁阻电机为例，其主要参数如表1所示，对本发明提出的基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法的效果进行说明。
表1开关磁阻电机主要参数
序号 名称 参数
1 定、转子极数 12/8
2 额定功率 2.2kW
3 额定电压 270V
4 定子极弧角 15°
5 转子极弧角 16°
具体包括以下步骤：
步骤(1)确定开关磁阻电机导通相临界饱和电流值
根据表1所示开关磁阻电机主要参数，采用Matlab/Simulink软件构建开关磁阻电机无位置传感器控制仿真模型。如图2b所示，将开关磁阻电机导通相定子凸极与转子凸极中心线对齐，逐步增大开关磁阻电机导通相电流，同时实时检测该导通相的电压和电流，采用电流斜率差值法(也可以采用有限元分析法，为现有技术，在此不做赘述)计算定子凸极与转子凸极中心线对齐位置处的电感值，观察电感值随电流值的变化趋势，当所得电感值随电流的增大而减小时，则此时的电流值即为该电机导通相的临界饱和电流值；如图3所示，为通过上述操作所得的开关磁阻电机导通相定子凸极与转子凸极中心线对齐位置处电感随电流变化示意图，由图可知，当电机导通相电流在0到8A范围内变化时，其电感值基本上不受影响，而当导通相电流大于8A以后，则其电感值随电流的增大而减小，可见该开关磁阻电机的临界饱和电流值为8A。
步骤(2)在开关磁阻电机临界饱和电流区间内确定该导通相电感曲线上升区间起点和终点的电感值
通过对仿真模型进行分析，若取导通相电流为7A，得到开关磁阻电机导通相在该电流下其定子凸级后沿与转子凸级前沿对齐位置(如图2a所示)以及定转子凸极中心对齐位置处(如图2b所示)所对应的电感-电流-位置角数据(结果如表2所示)，基于所得数据，则得到本发明所提出电机导通相相电感上升区间起点和终点的电感值，即其上升区间的电感范围为(6.049mH，26.323mH)。
表2导通相电感曲线上升区间起点和终点的电感值
Figure BDA0003039590400000051
步骤(3)在导通相电感曲线上升区间内任取一定位点确定其在不同饱和电流下所对应的电感值
在步骤(2)所得导通相电感曲线上升区间内任取一点(转子位置角度15°，电感值17.510mH)作为定位点，针对该定位点在其临界饱和电流8A以上选取电流值，选取标准为按1A的电流间隔依次选取12个电流值，即分别为9A、10A、11A、12A、13A、14A······20A，通过对电机进行Simulink仿真分析，采用电流斜率差值法计算该定位点在上述不同饱和电流下所对应的电感值，具体结果如表3所示。
表3针对定位点所选取的12个饱和电流下定位点所对应的电感值
饱和电流值(A) 9 10 11 12 13 14
电感值(mH) 17.420 17.196 16.820 16.350 15.795 15.203
饱和电流值(A) 15 16 17 18 19 20
电感值(mH) 14.603 14.013 13.451 12.926 12.440 11.992
步骤(4)根据步骤(3)所得不同饱和电流值下所对应的电感值及其相应饱和电流值(即表3数据)得其拟合函数关系式
根据表3所示数据，采用数值拟合方法(公式1)得到定位点所对应的电感值与其饱和电流间的函数关系式的各系数，具体为公式2所示：
Figure BDA0003039590400000052
Figure BDA0003039590400000053
式中：fL(I)表示导通相电感函数，I为导通相实际电流值。
步骤(5)计算当前导通相定位点(转子位置角度为15°)对应于实际所测电流下的电感值
实时检测当前导通相的实际电流，如任取其实际电流为10A，代入公式(2)即可计算出该导通相所选定的定位点(转子位置角度15°)对应于该电流(10A)下的电感值为：
fL(10)＝0.00356×103-0.161×102+1.829×10+11.44＝17.190mH
或实际电流为7A时，fL(7)＝17.510mH。
步骤(6)根据开关磁阻电机当前导通相定位点所对应的电感值确定下一导通相对应的定位点，并根据两相邻定位点对应区间的位置角度和时间，计算电机转子在该区间的平均转速
将上述所得电感值17.190mH作为下一导通相对应定位点的电感值，根据该电感值确定下一导通相定位点与当前定位点对应区间的时间，方法如下：当微控制器捕捉到当前导通相定位点电感值为17.190mH时，控制定时器模块清零并启动定时器模块开始计时，同时继续检测下一导通相定位点对应的电感值；当捕获到下一导通相电感值达到17.190mH时，记录并保存定时器模块的时间值，该时间值即为两相邻导通相定位点对应区间的时间，在该实施例中，设该时间值为：Δt＝6ms。
对于三相12/8结构开关磁阻电机，其Nr＝8，则根据如下关系式可计算出任意两相邻导通相定位点对应区间的位置角度Δθ为：
Figure BDA0003039590400000061
根据上述所得两相邻导通相定位点对应区间的位置角度Δθ和时间Δt，可计算出该区间内电机转子的平均转速
Figure BDA0003039590400000062
为：
Figure BDA0003039590400000063
步骤(7)根据两相邻定位点对应区间的平均转速，计算电机转子在下一个对应区间内任意时刻的位置角度，实现开关磁阻电机的无位置传感器控制
如取下一对应区间的初始时刻t0为0ms，下一对应区间的起始角度为
Figure BDA0003039590400000064
并任取下一对应区间内时刻：t＝4ms，则该时刻对应的转子位置角度为：
Figure BDA0003039590400000071
根据上述所得电机转子的位置角度，即可实现开关磁阻电机的无位置传感器控制。

Claims (4)

1.一种基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1)确定开关磁阻电机导通相临界饱和电流值；
步骤S2)在开关磁阻电机临界饱和电流区间内确定该导通相电感曲线上升区间起点和终点的电感值；
步骤S3)在步骤S2)确定的相电感曲线上升区间内任取一点作为定位点，针对该定位点在其临界饱和电流以上等间距选取n个电流值，并分别确定各电流值所对应的电感值；
步骤S4)将步骤S3)所得不同饱和电流值下所对应的电感值及其相应饱和电流值进行数值拟合，得到其电感值与相应饱和电流间的函数关系式；
步骤S5)实时检测当前导通相的实际电流，根据步骤S4)所得函数关系式，计算该导通相定位点对应于该电流下的电感值；
步骤S6)根据步骤S5)所得电感值确定下一导通相对应的定位点，并根据两相邻定位点对应区间的位置角度和时间，计算出电机转子在该区间的平均转速；
步骤S7)根据步骤S6)所得两相邻定位点对应区间的平均转速，计算电机转子在下一个对应区间内任意时刻的位置角度；
步骤S8)根据所得电机转子的位置角度，实现开关磁阻电机的无位置传感器控制。
2.根据权利要求1所述的基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S1)的具体操作为：将开关磁阻电机导通相定子凸极与转子凸极中心线对齐，逐步增大开关磁阻电机导通相电流，同时实时检测该导通相的电压和电流，根据所得电压和电流计算定子凸极与转子凸极中心线对齐位置处的电感值，当所得电感值随电流的增大而减小时，则此时的电流值即为该电机导通相的临界饱和电流值。
3.根据权利要求1所述的基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S2)的具体操作为：在步骤S1)所得临界饱和电流内任取一电流值，分别确定电机导通相在该电流下其定子凸级后沿与转子凸级前沿对齐位置以及定转子凸极中心对齐位置所对应的电感值，所得电感值即分别对应该导通相电感曲线上升区间起点和终点的电感值。
4.根据权利要求1所述的基于导通相实时电感定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S4)中数值拟合方法拟采用最小二乘法，所用电机导通相电感值与相应饱和电流间的函数关系式，具体为：
Figure FDA0003651487920000021
式中：fL(I)表示导通相电感函数，Ls为电流未饱和时的导通相电感值，Ib为导通相临界饱和电流值，I为导通相实际电流值，A、B、C、D为电感函数的系数。
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