CN113507249A - 一种基于电感交点位置估算误差自补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

一种基于电感交点位置估算误差自补偿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电感交点位置估算误差自补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。对于三相Ns/Nr极开关磁阻电机，其三相电感曲线所在的一个机械周期内存在6个电感交点，根据交点所对应的三相电感大小逻辑关系依次触发脉冲1～6作为特殊位置的检测信号，磁路饱和时，三相电感交点发生偏移，靠近电感底部区域的交点1、3、5角度偏差较小忽略不计；靠近电感顶部区域的交点2、4、6角度偏差较大需要进行补偿，基于相邻电感交点之间的角度间隔计算、补偿交点2、4、6的角度偏差。该方法提出了角度偏差自补偿及转速估算方案，有效减小了磁路饱和对转子位置和转速估算的影响，保证电机在无位置传感器的情况下准确换相与稳定运行。

Description

一种基于电感交点位置估算误差自补偿的开关磁阻电机无位 置传感器控制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于电感交点位置估算误差自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)结构简单、调速性能好、容错能力高，在家用洗衣机、航空航天、机械纺织等方面应用广泛。开关磁阻电机的可靠运行与高性能控制需要获取准确的转子位置信息。目前一般采用机械位置传感器如光电式、电磁式、霍尔传感器来检测转子位置、转速信息。这在一定程度上增加了整个电机控制系统的体积和成本，且在高温、粉尘、潮湿等极端恶劣的环境下，位置传感器容易发生故障。因此，无位置传感器技术具有重要的研究价值。
近20年来，无位置传感器技术的发展日益成熟。基于开关磁阻电机的磁链、电流、电感与转子位置角θ之间的映射关系，大量的无位置传感器控制方案被提出。其中，基于电感交点的特殊位置检测方法逻辑简单、计算量小、无需额外的硬件及存储空间，但实用价值不高。主要原因是受磁路饱和的影响，三相电感的交点会发生偏移，进而导致转子位置和转速估算误差增大。交点偏移问题严重限制了该方案的推广。如何对偏移点进行精确的补偿是解决该问题的关键。现有的解决方案大多基于复杂的离线检测与函数拟合来计算、补偿各交点的偏移误差，不但难以实施，而且无法降低磁路饱和对转速估算的影响。
发明内容
针对现有方案所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于电感交点位置估算误差自补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，以降低磁路饱和对转子位置和转速估算的影响，确保开关磁阻电机的准确换相与稳定运行。
一种基于电感交点位置估算误差自补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括如下步骤：
(1)设开通角至关断角区间为导通区间，绕组导通区间采取电压斩波控制模式，当绕组关断，退磁电流下降到一给定数值较小的阈值后采取电流斩波控制模式，将电流控制在一较小的上下限内；
(2)采集开关磁阻电机的定子电流和端电压，计算相电感，当电流为0时，将电感设置为零，计算公式如下：
Figure RE-GDA0003260240830000021
式中，L为相电感；U为端电压；R为各相绕组阻值；i为相电流；t为时间；
(3)对于三相Ns/Nr极开关磁阻电机，其三相电感曲线所在的一个机械周期内存在6个电感交点，磁路未饱和时，交点1～6所代表的特殊位置依次为 60°/Nr，120°/Nr，180°/Nr，240°/Nr，300°/Nr，0°；
(4)根据交点所对应的三相电感大小逻辑关系依次触发脉冲1～6作为特殊位置的检测信号，磁路未饱和时，基于上述脉冲信号获取准确的转子位置和转速信息；
(5)磁路饱和时，三相电感交点发生偏移，靠近电感底部区域的交点1、3、 5角度偏差较小忽略不计；靠近电感顶部区域的交点2、4、6角度偏差较大需要进行补偿，基于相邻电感交点之间的角度间隔计算、补偿交点2、4、6的角度偏差；
(6)基于脉冲信号1、3、5估算转速，基于计算出的交点2、4、6的角度偏值估算转子的位置。
在上述技术方案中，检测到交点1、3、5所对应的脉冲信号后，停止对前一相电流的斩波控制。具体分析如下：
非导通区间内，对电流进行斩波控制的最终目的是为了检测该区间的电感交点，当检测到交点1、3、5所对应的脉冲信号后，立即停止对前一相电流的斩波控制，使电流衰退至0，减少不必要的负转矩产生。
在上述技术方案中，所述的步骤(5)中基于相邻电感交点之间的角度间隔计算交点2、4、6的角度偏差并进行补偿的具体过程如下：
a分别以脉冲信号6、1的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点6、1之间的角度间隔l2；分别以脉冲信号1、 2的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点1、2之间的角度间隔m2；
b分别以脉冲信号2、3的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点2、3之间的角度间隔l4；分别以脉冲信号3、 4的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点3、4之间的角度间隔m4；
c分别以脉冲信号4、5的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点4、5之间的角度间隔l6；分别以脉冲信号5、 6的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点5、6之间的角度间隔m6；
d计算交点2、4、6的角度偏差θerri＝(mi-li)/2,i＝2,4,6；
e检测到脉冲信号2、4、6的上升沿时刻，分别对交点2、4、6的角度偏差进行补偿。
在上述技术方案中，所述的步骤(6)中基于脉冲信号1、3、5估算转速，具体过程如下：
a分别以相邻选定脉冲信号的上升沿时刻为积分下限和积分上限对“1”积分，计算时间间隔Δti；
b估算转速，转速估算公式如下：
Figure RE-GDA0003260240830000031
Δθi为交点1、3、5之间的角度间隔,Δθi＝120°/Nr，Δti为脉冲信号1、3、5之间的时间间隔。
在上述技术方案中，所述的步骤(6)中，转子位置估算公式如下：
Figure RE-GDA0003260240830000041
θest为估算的转子位置角；θerr2、θerr4、θerr6分别为交点2、4、6的角度偏差， t1～t6分别为脉冲信号1～6对应的时刻；t为任意时刻。
实际应用中，为了输出较高的转矩，开关磁阻电机通常工作在磁路饱和的状态。这会导致电感曲线的交点发生不同程度的偏移。靠近电感底部的交点角度偏差较小可忽略不计，靠近电感顶部的交点角度偏差较大需要进行补偿。针对该问题，本发明专利基于相邻电感交点之间的角度间隔，计算、补偿转子位置估算误差，并由靠近电感底部的交点完成转速估算。电机是大惯性负载，该方法在保证估算转速准确的同时，为无位置检测提供了足够多的位置信号，使得估算的位置信息更新更快，跟踪转子实际位置能力更强。
本发明通过对三相电感交点所隐含特殊位置信息的分析，指出了磁路饱和对转子位置、转速估算的影响，并提出了位置估算误差自补偿和转速估算方法，有效减小了磁路饱和对转子位置和转速估算的影响，保证开关磁阻电机在无位置传感器的情况下准确换相与稳定运行。
附图说明
图1为导通区间和非导通区间的电压斩波控制与电流斩波控制。
图2为三相电感交点对应触发脉冲与角度(磁路未饱和)。
图3为三相电感交点与对应的触发脉冲(磁路饱和)。
图4为三相开关磁阻电机无位置传感器控制系统示意图。
图5为三相电感交点偏移误差计算原理图。
图6为外加负载或参考转速突增至系统再次稳定三相电感曲线畸变图。
图7为三相电感交点1、3、5局部放大图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明，以三相12/8极开关磁阻电机为例。
如图1所示，绕组导通区间采取电压斩波控制模式。当绕组关断，退磁电流下降到一给定数值较小的阈值后采取电流斩波控制模式，将电流控制在一较小的上下限内。对电流进行斩波控制的最终目的是为了检测该区间的电感交点。当检测到交点1、3、5所对应的脉冲信号后，立即停止对前一相电流的斩波控制，使电流衰退至0，减少不必要的负转矩产生。
如图2所示，B相绕组电感曲线的一个机械周期内与其他两相电感曲线存在 6个交点。磁路未饱和时，交点1～6所隐含的特殊位置依次为7.5°、15°、 22.5°、30°、37.5°、0°。按照每个交点所对应的三相电感大小逻辑触发脉冲作为特殊位置检测信号。
表I为电感交点对应脉冲1～6的触发逻辑和对应角度。
表I
Figure RE-GDA0003260240830000051
如图3所示，当磁路饱和时，电感曲线发生畸变，交点1～6发生不同程度的偏移。靠近电感曲线底部区域的交点1、3、5角度偏差较小可忽略不计；靠近电感曲线顶部区域的交点2、4、6角度偏差较大导致转子位置和转速估算精度明显下降。
如图4所示，本发明基于该无位置传感器控制系统。该系统包含PI转速调节器、电压斩波控制器、电流斩波控制器、不对称半桥功率变换器、无位置传感器控制算法。
本发明提出的角度偏差自补偿方案原理如图5所示。当磁路未饱和时，三相电感波形具有对称性，将交点1～5作为顶点放到两个相同的等腰三角形中分析。当磁路饱和时，15°对应的交点2和30°对应的交点4发生偏移，偏移后的交点2和4分别记做点2'和点4'，分别在点2'、4'和点2、4处向下引垂线，设交点3与交点4'之间的角度间隔为m4,交点4'与交点5之间的角度间隔为n4，则交点4'的角度偏差θerr4＝(m4-n4)/2。由于n4的计算滞后于交点4'对应脉冲的触发，故不能在交点4'对应脉冲到来时立即对角度偏差进行补偿，因此设交点2'与交点3之间的角度间隔为l4，电机稳定运行时，近似认为l4＝n4，此时，可由θerr4＝(m4-l4)/2计算交点4'的角度偏差，并在交点4'对应脉冲到来时及时补偿角度偏差。同理可计算出偏移后的交点2'的角度偏差θerr2和偏移后的交点 6'的角度偏差θerr6。
表II为磁路饱和后电感交点对应脉冲的触发逻辑与对应角度。
表II
Figure RE-GDA0003260240830000061
如图6所示，实际应用中当外加负载或参考转速突增至系统再次稳定，电感曲线的畸变程度发生变化，这对角度偏差的补偿提出了更高的要求。由于这种变化是连续的，该方案仍能较为准确地计算、补偿角度偏差。
当磁路饱和，如图7所示，β1°、β2°、β3°分别为非常接近7.5°、22.5°、 37.5°的角度横坐标。设7.5°与22.5°之间的角度间隔为x；交点1、3之间的角度间隔即“β2°-β1°”为y，时间间隔为Δt1；交点3、5之间的时间间隔为Δt2。开关磁阻电机稳定运行时，可近似认为x＝y、Δt1＝Δt2，原因如下：1)交点1、 3、5偏移方向相同；2)交点1、3、5偏移角度近似一致；3)磁路饱和对交点1、3、5的影响很小。基于以上原因，无论磁路是否饱和，交点1、3、5之间的角度间隔都可以认为是15°，转速平稳时交点对应的触发脉冲1、3、5之间的时间间隔也近似一致。因此，可由脉冲信号1、3、5获取准确的转速信息。
本发明充分分析了电感交点偏移问题，并提出了位置估算误差自补偿方案，有效降低了磁路饱和对转子位置和转速估算的影响，保证电机实现准确换相与稳定运行。本发明对传统的基于电感交点的无位置传感器控制方案进行了改进和完善，转速及相邻交点之间的位置估算公式如下：
Figure RE-GDA0003260240830000071
式中，Nest为估算的转速；Δθi为相邻脉冲信号1、3、5之间的角度间隔15°；Δti为相邻脉冲信号1、3、5之间的时间间隔；θest为估算的转子位置角；θerr2、θerr4、θerr6分别为交点2、4、6的角度偏差，t1～t6分别为脉冲信号1～6对应的时刻； t为任意时刻。

Claims (5)

1.一种基于电感交点位置估算误差自补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设开通角至关断角区间为导通区间，绕组导通区间采取电压斩波控制模式，当绕组关断，退磁电流下降到一给定数值较小的阈值后采取电流斩波控制模式，将电流控制在一较小的上下限内；
(2)采集开关磁阻电机的定子电流和端电压，计算相电感，当电流为0时，将电感设置为零，计算公式如下：
Figure FDA0003089846310000011
式中，L为相电感；U为端电压；R为各相绕组阻值；i为相电流；t为时间；
(3)对于三相Ns/Nr极开关磁阻电机，其三相电感曲线所在的一个机械周期内存在6个电感交点，磁路未饱和时，交点1～6所代表的特殊位置依次为60°/Nr，120°/Nr，180°/Nr，240°/Nr，300°/Nr，0°；
(4)根据交点所对应的三相电感大小逻辑关系依次触发脉冲1～6作为特殊位置的检测信号，磁路未饱和时，基于上述脉冲信号获取准确的转子位置和转速信息；
(5)磁路饱和时，三相电感交点发生偏移，靠近电感底部区域的交点1、3、5角度偏差较小忽略不计；靠近电感顶部区域的交点2、4、6角度偏差较大需要进行补偿，基于相邻电感交点之间的角度间隔计算交点2、4、6的角度偏差并进行补偿；
(6)基于脉冲信号1、3、5估算转速；基于计算出的交点2、4、6的角度偏值估算转子的位置。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于：当检测到交点1、3、5所对应的脉冲信号后，立即停止对前一相电流的斩波控制，使电流衰退至0，减少不必要的负转矩产生。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述的步骤(5)中计算交点2、4、6的角度偏差并进行补偿的步骤如下：
a分别以脉冲信号6、1的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点6、1之间的角度间隔l2；分别以脉冲信号1、2的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点1、2之间的角度间隔m2；
b分别以脉冲信号2、3的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点2、3之间的角度间隔l4；分别以脉冲信号3、4的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点3、4之间的角度间隔m4；
c分别以脉冲信号4、5的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点4、5之间的角度间隔l6；分别以脉冲信号5、6的上升沿时刻为积分下限和积分上限对估算角速度积分，积分结果乘180°/π记为交点5、6之间的角度间隔m6；
d计算交点2、4、6的角度偏差θerri＝(mi-li)/2,i＝2,4,6；
e检测到脉冲信号2、4、6的上升沿时刻，分别对交点2、4、6的角度偏差进行补偿。
4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述的步骤(6)中基于脉冲信号1、3、5估算转速，包括以下步骤：
a分别以相邻选定脉冲信号的上升沿时刻为积分下限和积分上限对“1”积分，计算时间间隔Δti；
b估算转速，转速估算公式如下：
Figure FDA0003089846310000021
Δθi为交点1、3、5之间的角度间隔,Δθi＝120°/Nr，Δti为脉冲信号1、3、5之间的时间间隔。
5.根据权利要求1所述的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，转子位置估算公式如下：
Figure FDA0003089846310000031
θest为估算的转子位置角；θerr2、θerr4、θerr6分别为交点2、4、6的角度偏差，t1～t6分别为脉冲信号1～6对应的时刻；t为任意时刻。
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