CN113676107B - 一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法及系统，包括：基于电机的正转测量和反转测量，分别获得正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动的角度的极值；利用所述极值及预先确定的第一和第二偏差估计模型，分别获得偏差估计值；并对获得的偏差估计值取均值，作为原点偏差值；基于获得的原点偏差值对转子位置检测装置进行调整，重新计算原点偏差值，直至满足预设阈值要求；实现转子位置检测装置原点的校准。所述方案能够定量的给出转子位置检测装置实际原点与理论原点的偏移量，便于快速校正开关磁阻电机的转子位置检测装置原点。

Description

一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法及系统
技术领域
本公开涉及磁阻电机中的转子位置检测领域，尤其涉及一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
开关磁阻电机具有结构简单、成本低、效率高、调速范围宽、容错能力强和控制灵活等优点。开关磁阻电机运行时，需要根据转子相对位置对各相绕组进行导通和关断，因此开关磁阻电机的转子位置检测装置是开关磁阻电机调速系统重要的组成部分，直接影响到开关磁阻电机控制效果。因此开关磁阻电机转子位置检测装置的安装位置是否精确，就变得尤为重要。
发明人发现，现有方法仅能定性的给出转子检测系统原点位置是否准确，但是无法给出转子位置检测装置实际原点与理论原点的偏移量，开关磁阻电机的转子位置检测装置的原点校正精度及效率均较低。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供了一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法及系统，所述方案能够定量的给出转子位置检测装置实际原点与理论原点的偏移量，便于快速校正开关磁阻电机的转子位置检测装置的原点。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法，包括：
基于电机的正转测量和反转测量，分别获得正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动的角度的极值；
利用所述极值及预先确定的第一和第二偏差估计模型，分别获得偏差估计值；并对获得的偏差估计值取均值，作为原点偏差值；
基于获得的原点偏差值对转子位置检测装置进行调整，重新计算原点偏差值，直至满足预设阈值要求；
实现转子位置检测装置原点的校准。
进一步的，所述第一偏差估计模型，具体表示如下：
Figure GDA0004212420250000021
其中，Rrotator为开关磁阻电机的转子半径，该式中θatct＝θPmax+θstep或θact＝θNmax+θstep，θstep为相邻两相绕组通电时电机转过的理论角度，θPmax和θNmax分别为正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动角度的最大值。
进一步的，所述第二偏差估计模型，具体表示如下：
Figure GDA0004212420250000022
其中，θact＝θPmin+θstep或θact＝θNmin+θstep，θPmin和θNmin分别为正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动角度的最小值。
进一步的，所述转子转动的角度的极值，包括正转过程中的最大值和最小值以及反转过程中的最大值和最小值。
进一步的，所述正转测量具体为：以特定相绕组为起始，按照转子正转方向依次对每个绕组通电，直至转子旋转一周。
进一步的，所述反转测量具体为，以正转测量的特定相绕组为起始，按照转子反转方向依次对每个绕组通电，直至转子旋转一周。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种开关磁阻电机转子位置检测装置的原点偏差估计方法，包括：
基于电机的正转测量和反转测量，分别获得正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动的角度的极值；
利用所述极值及预先确定的第一和第二偏差估计模型，分别获得偏差估计值；并对获得的偏差估计值取均值，基于所述均值实现转子位置检测装置原点的偏差估计。
根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准系统，其利用了上述的一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法，所述系统包括主控器、功率变化器及电流检测装置，其中，
所述功率变换器与电源连接，其用于对外部电源进行功率调节，并在所述主控器的控制下对电机不同绕组进行供电；
所述主控器用于接收来自转子位置检测装置检测的数据，并基于所述数据进行原点误差估计，同时，基于电流检测装置反馈的信号对所述功率变换器进行调控；
所述电流检测装置用于对功率变换器输入电机绕组的电流进行检测，并将检测结果反馈到主控器。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开所述方案提供了一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法及系统，所述方案基于电机的正转测量和反转测量获得正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动的角度的极值；利用所述极值及预先确定的第一和第二偏差估计模型，分别获得偏差估计值；并对获得的偏差估计值取均值，作为原点偏差值；基于所述原点偏差值可以实现对转子位置检测装置的重新安装或精确调整；所述方案能够定量的给出转子位置检测装置实际原点与理论原点的偏移量，便于快速校正开关磁阻电机的转子位置检测装置的原点。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例一中所述的开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法流程图；
图2为本公开实施例一中所述的定子绕组分布与转子位置示意图；
图3(a)至图3(c)分别为本公开实施例一中所述的转子不同位置角度的示意图。
图4为本公开实施例一中所述的转子位置误差最大情况示意图；
图5为本公开实施例一中所述的最大偏差角度计算示意图；
图6为本公开实施例一中转子位置误差最小情况示意图；
图7为本公开实施例一中所述的最小偏差角度计算示意图；
图8为本公开实施例二中所述的开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准系统结构示意图；
图9为本公开实施例二中所述的功率变换器电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
本实施例的目的是提供一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法。
如图1所示，一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法，包括：
基于电机的正转测量和反转测量，分别获得正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动的角度的极值；
利用所述极值及预先确定的第一和第二偏差估计模型，分别获得偏差估计值；并对获得的偏差估计值取均值，作为原点偏差值；
基于获得的原点偏差值对转子位置检测装置进行调整，重新计算原点偏差值，直至满足预设阈值要求；
实现转子位置检测装置原点的校准。
进一步的，所述第一偏差估计模型，具体表示如下：
Figure GDA0004212420250000051
其中，Rrotator为开关磁阻电机的转子半径，该式中θact＝θPmax+θstep或θact＝θNmax+θstep，θstep为相邻两相绕组通电时电机转过的理论角度，θPmax和θNmax分别为正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动角度的最大值。
进一步的，所述第二偏差估计模型，具体表示如下：
Figure GDA0004212420250000061
其中，θact＝θPmin+θstep或θact＝θNmin+θstep，θPmin和θNmin分别为正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动角度的最小值。
进一步的，所述转子转动的角度的极值，包括正转过程中的最大值和最小值以及反转过程中的最大值和最小值。
进一步的，所述正转测量具体为：以特定相绕组为起始，按照转子正转方向依次对每个绕组通电，直至转子旋转一周。
进一步的，所述反转测量具体为，以正转测量的特定相绕组为起始，按照转子反转方向依次对每个绕组通电，直至转子旋转一周。
具体的，为了便于理解，以下结合附图对本公开所述方案进行详细说明：
本实施例以三相内转子开关磁阻电机为例，假定转子极数NR＝8，定子极数NS＝12，电机三相绕组分别记为A，B，C。电机转子位置检测装置由编码器、旋转变压器以及可直接读出转子位置角度模块组成。本公开所述一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法，具体包括：
步骤(一)：电机正转测量
按照A-B-C的顺序给相应绕组通电，直到电机绕行一周，即机械角度转过360°为止。
如图2所示，由于电机为三相开关磁阻电机，且定子极数Nx＝12，因此电机A相绕组共分为四组，每组间隔角度90°，同理B相绕组和C相绕组亦是如此。
如图3所示：
定义A相绕组对应位置的角度分别为θPA1，θPA2，θPA3，θPA4；
定义B相绕组对应位置的角度分别为θPB1，θPB2，θPB3，θPB4；
定义C相绕组对应位置的角度分别为θPC1，θPC2，θPC3，θPC4；
则根据三相开关磁阻电机绕组结构，这些位置的先后顺序为：
θPA1，θPB1，θPC1，θPA2，θPB2，θPC2，θPA3，θPB3，θPC3，θPA4，θPB4，θPC4。
令
θPA1B1＝θPA1-θPB1
θPB1C1＝θPB1-θPC1
θPC1A2＝θPC1-θPA2
θPA2B2＝θPA2-θPB2
θPB2C2＝θPB2-θPC2
θPC2A3＝θPC2-θPA3
θPA3B3＝θPA3-θPB3
θPC3A4＝θPC3-θPA4
θPA4B4＝θPA4-θPB4
θPB4C4＝θPB4-θPC4
θPC4A1＝θPC4-θPA1
则θPA1B1为电机正转时相邻两相绕组A1，B1分别通电时，转子转动的角度，其它依次类推。
对上述角度值进行排序，取θPmax为其最大值，θPmin为其最小值，并记录两个角度误差所处的电机机械位置。
步骤(二)：电机反转测量
按照A-C-B的顺序给相应绕组通电，直到电机绕行一周，即机械角度转过360°为止。
由于电机为三相开关磁阻电机，且定子极数NS＝12，因此电机A相绕组共分为四组，每组间隔角度90°，同理B相绕组和C相绕组亦是如此。
定义A相绕组对应位置的角度分别为θNA1，θNA2，θNA3，θNA4；
定义B相绕组对应位置的角度分别为θNB1，θNB2，θNB3，θNB4；
定义C相绕组对应位置的角度分别为θNC1，θNC2，θNC3，θNC4；
则根据三相开关磁阻电机绕组结构，这些位置的先后顺序为：
θNA1，θNC4，θNB4，θNA4，θNC3，θNB3，θNA3，θNC2，θNB2，θNA2，θNC1，θNB1，
令
θNA1C4＝θNA1-θNC4
θNC4B4＝θNC4-θNB4
θNB4A4＝θNB4-θNA4
θNA4C3＝θNA4-θNC3
θNC3B3＝θNC3-θNB3
θNB3A3＝θNB3-θNA3
θNA3C2＝θNA3-θNC2
θNC2B2＝θNC2-θNB2
θNB2A2＝θNB2-θNA2
θNA2C1＝θNA2-θNC1
θNC1B1＝θNC1-θNB1
θNB1A1＝θNB1-θNA1
则θNB1A1为电机反转时相邻两相绕组B1，A1依次通电时，转子转动的角度，其它依次类推。
对上述角度值进行排序，取θNmax为其最大值，θNmin为其最小值，并记录两个角度误差所处的电机机械位置。
步骤(三)：数据分析
由步骤(一)、(二)可得电机正转时的旋转角度差极值θPmax、θPmin，电机反转时的旋转角度差极值θNmax、θNmin，以及误差出现的电机转子机械位置。
由电机的机械结构可知，相邻两相绕组通电时，电机转过的角度为一定值，以三相内转子开关磁阻电机为例，转子极数NR＝8，定子极数NS＝12，则该角度为
Figure GDA0004212420250000091
由于电机在实际安装过程中，为了保证电机定转子之间的气隙，电机转子受到机械结构的限制，偏移量较小，因此近似认为测量的旋转角度误差被转子理想原点和实际原点形成的直线均分，如图4-图7所示。其中虚线圆表示电机转子的理想物理位置；实线圆表示由于编码器安装完毕后的转子中心实际位置。
(1)转子位置误差最大
转子位置误差最大，且为正值即θact＞θstep。
电机正转时
θPmax＝θact-θstep (3-1)
电机反转时
θNmax＝θact-θstep (3-2)
如图5所示，d-a线段表示电机一相绕组通电后转子与定子对其后的中心位置，d-c线段表示电机相邻相绕组通电后，转子与定子对其后的中心位置。对于开关磁阻电机转子来说，d-a线段与d-c线段的夹角为一定值θstep。
由于编码器安装位置与电机定子圆心不重合，出现了一个偏差，即线段d-e，设为X。因此通过编码器读出的相邻两相绕组分别通电转过的角度为线段e-a与线段e-c的夹角，用θact表示。
通过图示可以得到
线段b-d的长度
Figure GDA0004212420250000101
线段b-e的长度
Figure GDA0004212420250000102
由图5可知线段d-e的长度X为
X＝Lbe-Lbd (3-5)
将公式(3-3)、(3-4)带入(3-5)，可得整理可得
Figure GDA0004212420250000103
其中，线e-a的长度为开关磁阻电机的转子半径，为已知量，记为Rrotator。由图5可得
Figure GDA0004212420250000104
将公式(3-7)带入(3-6)，可得
Figure GDA0004212420250000105
其中，Rrotator、θstep为已知量，与电机的机械结构有关；θact为步骤1、2电机正反转测量结果得到的数据最大值θPmax、θNmax时的位置，即
θact＝θPmax+θstep或θact＝θNmax+θstep (3-9)
(2)转子位置误差最小
转子位置误差最小，且为正值即θact＜θstep，即反向误差最大值。
电机正转时
θPmin＝θstep-θact (3-10)
电机反转时
θNmin＝θstep-θact (3-11)
通过图7示可以得到：
线段b-d的长度
Figure GDA0004212420250000111
线段b-e的长度
Figure GDA0004212420250000112
由图7可知线段d-e的长度X为
X＝Lbd-Lbe (3-14)
将公式(3-12)、(3-13)带入(3-14)，可得整理可得
Figure GDA0004212420250000113
将公式(3-5)带入(3-15)，可得
Figure GDA0004212420250000114
其中，Rrotator、θstep为已知量，与电机的机械结构有关；θact为步骤1、2电机正反转测量结果得到的数据最大值θPmin、θNmin时的位置，即
θact＝θPmin+θstep或θact＝θNmin+θstep (3-17)
(3)偏差计算
将θPmax、θNmax、θPmin、θNmin对应的θact角度带入公式(3-8)、(3-16)可得四个偏移值X1、X2、X3、X4。对计算的得到的结果取均值，最终的偏移量为
Figure GDA0004212420250000121
步骤(四)：根据步骤(三)得到的偏差结果，如果转子位置检测装置的原点偏差X小于允许的范围，则检测通过；如果转子位置检测装置的原点偏差X大于允许的范围，则根据偏差X大小，及步骤(一)、(二)得到的最大偏差所在位置，重新安装或调整转子位置检测装置，重复步骤(一)、(二)、(三)，直至符合要求。
实施例二：
本实施例的目的是提供一种开关磁阻电机转子位置检测装置的原点偏差估计方法。
一种开关磁阻电机转子位置检测装置的原点偏差估计方法，包括：
基于电机的正转测量和反转测量，分别获得正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动的角度的极值；
利用所述极值及预先确定的第一和第二偏差估计模型，分别获得偏差估计值；并对获得的偏差估计值取均值，基于所述均值实现转子位置检测装置原点的偏差估计。
进一步的，所述一种开关磁阻电机转子位置检测装置的原点偏差估计方法具体执行实施例一中步骤(一)至步骤(三)的过程，为了避免重复此处不再赘述。
实施例三：
本实施例的目的是提供一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准系统，其利用了上述的一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法，所述系统包括主控器、功率变化器及电流检测装置，其中，
所述功率变换器与电源连接，其用于对外部电源进行功率调节，并在所述主控器的控制下对电机不同绕组进行供电；
所述主控器用于接收来自转子位置检测装置检测的数据，并基于所述数据进行原点误差估计，同时，基于电流检测装置反馈的信号对所述功率变换器进行调控；
所述电流检测装置用于对功率变换器输入电机绕组的电流进行检测，并将检测结果反馈到主控器。
进一步的，所述电流检测装置有电流检测电阻和运算放大器构成。
进一步的，所述主控器采用单片机。
进一步的，所述系统还包括电源模块，其用于给电机正反转提供电流，以及给其它模块的工作提供工作电压。
进一步的，所述系统还包括按键显示模块，其用于实现校正系统的参数输入和校正结果的显示。
具体的，为了便于理解，以下结合附图及具体实例对本公开所述方案进行详细说明：
如图8所示，所述校准系统包括电源、功率变换器、电流检测装置、主控器(本实施例中采用单片机)和按键显示部分组成，整个校正系统对外连接开关磁阻电机的相线绕组和转子位置检测传感器。其中：
(1)电源模块：整个系统由外部接入的直流电源系统提供能量，一方面给电机正反转提供电流，另外给其它部分工作提供工作电压。
(2)功率变换器：功率变换器由不对称全桥驱动电路构成，以三相开关磁阻电机为例，其功率变换器结构如图9所示。其中Q1～Q6为MOSFET，D1～D6为功率二极管，共同组成H桥驱动三相电机绕组，H1～H3为电机绕组相线接口。
(3)单片机：采用意法半导体公司的单片机STM32F103RBT6构成，是整个校正系统的控制核心，。包括晶振电路、复位电路、功率变换器驱动接口电路、位置传感器接口电路、供电电路等。
(4)电流检测装置：负责开关磁阻电机的绕组相电流检测，由电流检测电阻和运算放大器构成。
(5)按键显示模块：按键显示部分采用串口触摸屏，实现校正系统的参数输入和校正结果的显示。
进一步的，整个校正系统的工作流程，具体如下：
步骤(1)正转位置检测及数据存储分析。
步骤(2)反转位置检测及数据存储分析。
步骤(3)根据实施原理计算原点偏差结果X。
步骤(4)根据步骤(3)得到的偏差结果，如果转子位置检测装置的原点偏差X小于允许的范围，则检测通过；如果转子位置检测装置的原点偏差X大于允许的范围，则根据偏差X大小，及步骤(1)、(2)得到的最大偏差所在位置，重新安装或调整转子位置检测装置，重复步骤(1)、(2)、(3)，直至符合要求。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。
上述实施例提供的一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法及系统可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法，其特征在于，包括：
基于电机的正转测量和反转测量，分别获得正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动的角度的极值；
利用所述极值及预先确定的第一和第二偏差估计模型，分别获得偏差估计值；并对获得的偏差估计值取均值，作为原点偏差值；
基于获得的原点偏差值对转子位置检测装置进行调整，重新计算原点偏差值，直至满足预设阈值要求；
实现转子位置检测装置原点的校准；
所述第一偏差估计模型，具体表示如下：
Figure FDA0004221699310000011
其中，Rrotator为开关磁阻电机的转子半径，该式中θact＝θPmax+θstep或θact＝θNmax+θstep，θstep为相邻两相绕组通电时电机转过的理论角度，θPmax和θNmax分别为正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动角度的最大值；
所述第二偏差估计模型，具体表示如下：
Figure FDA0004221699310000012
其中，θact＝θPmin+θstep或θact＝θNmin+θstep，θPmin和θNmin分别为正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动角度的最小值；
所述正转测量具体为：以A相绕组为起始，按照转子正转方向依次对每个绕组通电，直至转子旋转一周；
所述反转测量具体为，以A相绕组为起始，按照转子反转方向依次对每个绕组通电，直至转子旋转一周。
2.如权利要求1所述的一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法，其特征在于，所述转子转动的角度的极值，包括正转过程中的最大值和最小值以及反转过程中的最大值和最小值。
3.一种开关磁阻电机转子位置检测装置的原点偏差估计方法，包括：
基于电机的正转测量和反转测量，分别获得正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动的角度的极值；
利用所述极值及预先确定的第一和第二偏差估计模型，分别获得偏差估计值；并对获得的偏差估计值取均值，基于所述均值实现转子位置检测装置原点的偏差估计；
所述第一偏差估计模型，具体表示如下：
Figure FDA0004221699310000021
其中，Rrotator为开关磁阻电机的转子半径，该式中θact＝θPmax+θstep或θact＝θNmax+θstep，θstep为相邻两相绕组通电时电机转过的理论角度，θPmax和θNmax分别为正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动角度的最大值；
所述第二偏差估计模型，具体表示如下：
Figure FDA0004221699310000022
其中，θact＝θPmin+θstep或θact＝θNmin+θstep，θPmin和θNmin分别为正转和反转过程中相邻两相绕组依次通电时转子转动角度的最小值；
所述正转测量具体为：以A相绕组为起始，按照转子正转方向依次对每个绕组通电，直至转子旋转一周；
所述反转测量具体为，以A相绕组为起始，按照转子反转方向依次对每个绕组通电，直至转子旋转一周。
4.一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准系统，其特征在于，执行如权利要求1或2所述的一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准方法，所述系统包括主控器、功率变换器及电流检测装置，其中，
所述功率变换器与电源连接，其用于对外部电源进行功率调节，并在所述主控器的控制下对电机不同绕组进行供电；
所述主控器用于接收来自转子位置检测装置检测的数据，并基于所述数据进行原点误差估计，同时，基于电流检测装置反馈的信号对所述功率变换器进行调控；
所述电流检测装置用于对功率变换器输入电机绕组的电流进行检测，并将检测结果反馈到主控器。
5.如权利要求4所述的一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准系统，其特征在于，所述电流检测装置有电流检测电阻和运算放大器构成。
6.如权利要求4所述的一种开关磁阻电机转子位置检测装置原点校准系统，其特征在于，所述主控器采用单片机。
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