CN113300655B - 一种基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。首先根据堵转实验测得的磁链数据实时计算开关磁阻电机的三相电感值，然后对全周期电感进行逻辑分区，并给出转子位置角度计算方法。接着分别分析了电感波形在未发生磁饱和和发生磁饱和现象对其的影响，给出了计算偏移误差的计算方法，最后进行误差补偿，从而达到提高这估计转子位置精度的效果。基于准确的转子位置估计结果，实现开关磁阻电机的高精度控制，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于误差补偿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控制领域，尤其涉及一种基于误差补偿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(Switched reluctance motor,SRM)由于其特殊的双凸极结构,以及定子上有集中绕阻，转子无永磁材料和绕阻，具备结构简单、控制灵活、高适应性以及容错性强等优点。SRM可靠运行的前提是满足位置检测的准确度。在实际应用中，获取转子位置信息常采用机械位置传感器，如光敏式、光耦式、磁敏式等。位置传感器的引入使电机结构变得更加复杂，不稳定性增加，也促使其成本和体积增大。同时，在一些特殊领域如高温、高粉尘等环境中故障率增大，限制了电机的推广。所以，研究开关磁阻电机无位置传感器控制具有重要的实际意义。

近些年来，国内外学者针对SRM无位置传感器控制展开了大量的研究，并提出很多位置估计和无位置传感器控制方法。其中较为广泛的有：脉冲注入法、简化磁链法、先进智能算法以及电感法等，这些方法大都利用电机的磁链-电流-电感之间的对应关系估算转子位置。传统的基于电感法的开关磁阻电机无位置传感器控制利用电感信息来估算转子位置角度，然而，由于开关磁阻电机的脉冲激励方式以及定转子双凸极结构，导致开关磁阻电机严重的非线性，并且在大电流情况下使得电感会发生饱和现象。此时，电感曲线会因发生磁饱和现象而产生偏移，用偏移后的电感来估计转子位置会产生较大误差，从而影响位置估计精度。

发明内容

根据上述提出的转子位置估计精度低技术问题，而提供基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。本发明原理简单，位置估计精度较高。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括：

根据堵转实验测得的磁链数据实时计算开关磁阻电机的三相电感值；

根据获取的三相电感大小对全周期电感进行逻辑分区，并根据分区结果估算转子位置角度；

在三相电感未发生磁饱和时，根据三相电感交点判断电感线性区域，并确定该区间内电感直线方程；

在三相电感发生磁饱和时，根据偏移后的三相电感交点确定该磁饱和程度下的电感直线方程；根据偏移前、后的电感直线方程获取关于负载变化的偏移函数；

根据电感波形在磁饱和下的几何性质通过所述偏移函数构造四边形，通过面积相等原则计算出偏移角度；

结合电感逻辑分区可求得单个周期内任意时刻误差补偿后的转子位置信息；

向开关磁阻电机输出相应的控制信号来控制功率变换器的功率开关管导通关断，在电感发生磁饱和现象后进行误差补偿，从而精确实现开关磁阻电机无位置传感器控制。

进一步地，根据堵转实验测得的磁链数据实时计算开关磁阻电机的三相电感值，包括：

通过单相导通运行控制开关磁阻电机，并利用数学积分形式计算相磁链值；

根据相磁链值和电流之间的关系计算相电感值。

进一步地，根据获取的三相电感大小对全周期电感进行逻辑分区，并根据分区结果估算转子位置角度，包括：

根据12/8极开关磁阻电机类型确定其机械周期，根据一个机械周期内三相电感曲线的交点个数，相应地可全周期电感划分为若干个子区间；根据电感大小的逻辑关系判断转子位置所在的子区间；

通过辨识交点所对应的逻辑关系来获取位置脉冲信号，并根据脉冲信号的特性，估算电机的转速和转子位置角度。

进一步地，根据偏移前、后的电感直线方程获取关于负载变化的偏移函数，包括：

根据不同磁饱和程度下交点的偏移情况，进而拟合出电感直线方程的中斜率及截距关于负载变化的函数；根据偏移前、后的电感波形拟合关于负载变化的偏移函数。

进一步地，结合电感逻辑分区可求得单个周期内任意时刻误差补偿后的转子位置信息，包括：

三相电感交点判断电感线性区域在全周期电感分区结果中的位置，以及各交点对应的运行时刻获取误差补偿后的转子位置信息。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明首先根据堵转实验测得的磁链数据实时计算开关磁阻电机的三相电感值，然后对全周期电感进行逻辑分区，并给出转子位置角度计算方法。接着分别分析了电感波形在未发生磁饱和和发生磁饱和现象对其的影响，给出了计算偏移误差的计算方法，最后进行误差补偿，从而达到提高这估计转子位置精度的效果。

由于开关磁阻电机特殊的本体结构，使其在较大电流条件下容易发生磁饱和现象，该方法基于一种误差补偿思想，通过实时求得不同磁饱和程度下的估计的转子位置的偏移角度，最终通过全周期角度计算方法再把偏移的角度补偿进去，进而估算任意时刻的转子位置角度，且此时的转子位置估计精度更高，实现开关磁阻电机的高精度控制，具有广阔的应用前景。

基于上述理由本发明可在开关磁阻电机无位置控制领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中一种基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法流程图。

图2为实施例中开关磁阻电机三相电感分区原理图。

图3为实施例中磁饱和状态下开关磁阻电机三相电感交点变化图。

图4为实施例中开关磁阻电机无位置传感器控制方法整体系统框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括：

S1、根据堵转实验测得的磁链数据实时计算开关磁阻电机的三相电感值。

具体来说，开关磁阻电机采用单相导通运行控制，通常利用数学积分形式计算相绕组的磁链值，如下式所示：

Ψ_(k+1)＝ψ_k+(u_k-R_Ki_k)ΔT (1.1)

式中，ψ_(k+1)为下一采样时刻相绕组的磁链值，ΔT为采样周期，u_k为相第k相电压，i_k为第k相电流，R_k为第k相绕组外加电阻。

SRM相电感L(i,θ)可根据其与相磁链和电流之间的关系计算得到，如下式所示：

S2、根据获取的三相电感大小对全周期电感进行逻辑分区，并根据分区结果估算转子位置角度。

具体来说，以A相电感为例，对于三相12/8极开关磁阻电机，在一个45°机械周期内，三相电感曲线共6个交点，可将全周期电感划分为6个子区间，根据电感大小逻辑关系判断转子位置所在的子区间。具体对应关系如表1所示。

表1转子位置子区间对应关系

通过辨识交点所对应的逻辑关系来获取位置脉冲信号，并根据脉冲信号的特点，利用公式来估算电机的转速和转子位置角度：

式中：N_est—估算的实时转速(rpm)θ_p—交点对应的转子位置角度(°)

θ_est—估算的转子位置角度(°)t₁～t₆—交点1～6对应的时刻(s)

ΔT_p—两个脉冲信号的时间间隔(s)t—任意时刻(s)

Δθ—两个脉冲信号间隔的角度(12/8电机Δθ＝7.5°)。

S3、在三相电感未发生磁饱和时，根据三相电感交点判断电感线性区域，并确定该区间内电感直线方程。

具体来说，在本实施例中，

根据S2所获得的交点可以判断电感线性区域为7.5°-15°，在电感未发生磁饱和时电感波形如图2，此时通过交点2和交点3可确定该区间段内电感直线方程L(θ,i)表达式如下：

L(θ,i)＝k₀θ+b₀ (3.1)

式中：k₀、b₀为非磁饱和情况下的斜率和截距.

S4、在三相电感发生磁饱和时，根据偏移后的三相电感交点确定该磁饱和程度下的电感直线方程；根据偏移前、后的电感直线方程获取关于负载变化的偏移函数。

具体来说，在三相电感发生磁饱和时，由于交点2受磁饱和影响较小，可认该点为定点,坐标为(7.5°,L(7.5°,i))，交点3受磁饱和影响较大，产生偏移，如图3所示，通过定点2和偏移后的交点3即点n，可确定该磁饱和程度下的电感直线方程L′(θ,i)表达式如下：

L′(θ,i)＝kθ+b (4.1)

式中：k、b分别为单一磁饱和程度下的斜率和截距。

以上述方式获得的单一磁饱和程度下的电感直线方程和在不同磁饱和程度下交点的偏移情况，拟合电感直线方程中的k、b关于负载变化的函数记为k(x)、b(x)，令H＝|pm|，同时拟合H关于负载变化的偏移函数记为H(x)。

基于获得的k(x)、b(x)可求得在不同磁饱和程度下的电感直线方程L′(θ,i)表达式如下：

L′(θ,i)＝k(x)θ+b(x) (4.2)

式中：k(x)、b(x)分别为不同磁饱和程度下的斜率和截距关于负载的函数。

S5、根据电感波形在磁饱和下的几何性质通过所述偏移函数构造四边形，通过面积相等原则计算出偏移角度。

具体来说，如图3所示，通过电感波形在磁饱和下的几何性质，把m、n、o、p四点构成的四边形利用面积相等原则构造等式如下：

求解出偏移角度Δθ(误差)结果如下：

S6、结合电感逻辑分区可求得单个周期内任意时刻误差补偿后的转子位置信息。

具体来说，根据电感逻辑分区和磁饱和条件下位置角度估计方法可得到单个周期内任意时刻误差补偿后更准确的转子位置信息计算方法如表1所示。

S7、根据上述方法获取任意时刻转子位置角度；向开关磁阻电机输出相应的控制信号来控制功率变换器的功率开关管导通关断，在电感发生磁饱和现象后进行误差补偿，从而精确实现开关磁阻电机无位置传感器控制。

图4为本发明开关磁阻电机无位置传感器控制方法整体系统框图。由图可知，整个系统包括SRM、功率变换器、电流控制器、转速调节器以及无位置控制器。其中，功率变换器采用不对称功率变换电路，电流控制器为电流斩波控制。无位置控制器首先通过AD采样采集电压电流信号，进行三相电感值计算，然后对电感进行电感逻辑分区，根据负载变化情况求得实时偏移误差Δθ，结合单周期内任意时刻转子角度计算方法估算出补偿后更精确的转子位置。

下面通过具体的应用实例，对本发明的方案和效果做进一步说明。

本实施例提供上述一种基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法的步骤，具体为：

表2.任意时刻转子位置信息计算方法

如图2所述为本发明开关磁阻电机三相电感分区原理图，由图2可知，三相电感每个周期都有1、2、3、4、5、6交点，根据每个区间三相电感值的性质对其进行分区分为六个子区间。以A相电感为例，图中7.5°-15°为线性区域，此时根据交点2、3可求得该区间电感未发生磁饱和时的直线方程L(θ,i)。

如图3所述为本发明开关磁阻电机三相电感交点变化图(考虑磁饱和)，由图2可知随着负载递增磁饱和程度会越来越大，此时根据交点2和偏移后的交点3可确定该磁饱和程度下的电感直线方程L′(θ,i)，根据不同磁饱和程度下交点的偏移情况，拟合电感直线方程的中k、b关于负载(x)变化的函数记为k(x)、b(x),令H＝|pm|,并且拟合H关于负载的偏移函数H(x)。电感波形在磁饱和下的几何性质构造四边形mnop，通过面积相等原则计算出偏移角度Δθ(误差)。结合电感逻辑分区可求得单个周期内任意时刻误差，根据步骤S6获得的任意时刻转子位置角度，向开关磁阻电机输出相应的控制信号来控制功率变换器的功率开关管导通关断，进而取代位置传感器的作用，在电感发生磁饱和现象后经过误差补偿，实现更精确的开关磁阻电机无位置传感器控制。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括：

根据堵转实验测得的磁链数据实时计算开关磁阻电机的三相电感值；

根据获取的三相电感大小对全周期电感进行逻辑分区，并根据分区结果估算转子位置角度；

在三相电感未发生磁饱和时，根据三相电感交点判断电感线性区域，并确定该区间内电感直线方程；

在三相电感发生磁饱和时，根据偏移后的三相电感交点确定该磁饱和程度下的电感直线方程；根据偏移前、后的电感直线方程获取关于负载变化的偏移函数；

根据电感波形在磁饱和下的几何性质通过所述偏移函数构造四边形，通过面积相等原则计算出偏移角度，包括根据与所述四边形近似的矩形面积与所述四边形面积相等关系构建方程求解偏移角度；

结合电感逻辑分区可求得单个周期内任意时刻误差补偿后的转子位置信息；

向开关磁阻电机输出相应的控制信号来控制功率变换器的功率开关管导通关断，在电感发生磁饱和现象后进行误差补偿，从而精确实现开关磁阻电机无位置传感器控制。

2.根据权利要求1所述的基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，根据堵转实验测得的磁链数据实时计算开关磁阻电机的三相电感值，包括：

通过单相导通运行控制开关磁阻电机，并利用数学积分形式计算相磁链值；

根据相磁链值和电流之间的关系计算相电感值。

3.根据权利要求1所述的基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，根据获取的三相电感大小对全周期电感进行逻辑分区，并根据分区结果估算转子位置角度，包括：

根据12/8极开关磁阻电机类型确定其机械周期，根据一个机械周期内三相电感曲线的交点个数，相应地可全周期电感划分为若干个子区间；根据电感大小的逻辑关系判断转子位置所在的子区间；

通过辨识交点所对应的逻辑关系来获取位置脉冲信号，并根据脉冲信号的特性，估算电机的转速和转子位置角度。

4.根据权利要求1所述的基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，根据偏移前、后的电感直线方程获取关于负载变化的偏移函数，包括：

根据不同磁饱和程度下交点的偏移情况，进而拟合出电感直线方程中的斜率及截距关于负载变化的函数；根据偏移前、后的电感波形拟合关于负载变化的偏移函数。

5.根据权利要求1所述的基于误差补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，结合电感逻辑分区可求得单个周期内任意时刻误差补偿后的转子位置信息，包括：

三相电感交点判断电感线性区域在全周期电感分区结果中的位置，以及各交点对应的运行时刻获取误差补偿后的转子位置信息。

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