CN114374345B - 一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法，包括：S1持续检测获取相电流数据；S2将当前时刻获取的相电流数据与前一时刻的数据进行比对，当检测到当前时刻相电流数据小于前一时刻的数据时，将当前时刻记为标记时刻；S3在标记时刻后持续检测获取一段时间的相电流数据；S4以标记时刻为中轴，分别提取标记时刻前后N组数据组成数组；S5根据数组中的前N项数据和后N项数据分别进行Lagrange抛物线插值，根据抛物线插值函数求取该相电流数据的最大值，以及对应的转子角度信息；S6根据获取的相电流数据最大值作为电流峰值点，并根据峰值点的位置计算电机转速与各时刻的转子位置。本发明有助于提高开关磁阻电机电流峰值位置检测的精确度。

Description

一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机控制技术领域，特别是一种针对开关磁阻电机的改进的相电流 梯度检测方法。

背景技术

开关磁阻电机是一种变磁阻双凸极电机，这种电机结构简单，性能优异，被应用在众多 工业领域。位置传感器的引入增加了电机结构的复杂度、不稳定性，影响电机可靠性。为解 决以上问题，无位置传感器控制技术逐渐兴起。

相比于普通电机，开关磁阻电机具有双凸极结构，转子运动过程中，通电相的相电流 会先增大，后减小。理想情况下，相电流的峰值会在定子凸极与转子凸极恰好发生重叠的位 置。相电流梯度法依据此原理，通过检测绕组相电流梯度是否过零点，判断转子位置。

首先，若考虑绕组电压，相电流斜率公式可以表示为式1-1

其中i为相电流，U_dc为绕组两端相电压，R为绕组电阻，

为电机运动电动势，L为绕 组电感。

当电机相电流能够顺利出现峰值时，此时必定需要反电动势足够大，以至于可以超过绕 组两端电压与绕组压降的差值U_dc-Ri，否则，相电流波形会存在电流梯度过零点后后移，导 致相电流梯度法失效。

其次，在处理相电流时，由于控制系统所用的控制芯片处理的都是数字量，因此采样得 到的电流均为离散量，并且在使用PWM斩波调压方式控制电机时，相电流将呈现锯齿状，这 两者都会导致判断电流峰值不准确，而使相电流梯度法的检测精准度下降。

在目前的相电流梯度法的研究中，并没能提出有效的办法来解决电流离散化后对检测精 度造成影响的问题；而在解决电感曲线的非线性问题上，如今使用较为广泛的方法是查表法， 但是由于影响电流峰值位置的因素较多，传统查表法的影响变量多，导致前期实验量过大， 并且会占用控制器大量存储空间，且过多的变量会使得计算产生的误差增大，造成位置检测 精度下降。

如图1所示，控制系统采样所获得的电流信号为离散量，故离散点之间的信息未可知，如 果实际上的电流峰值恰好出现在某两个离散点之间，则对于相电流峰值出现的时间和位置无 法确切知道，导致换向信号出错，进而使得电机转矩波动加强，影响电机的正常使用。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

第一方面，本发明示出一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法，包括：

S1在电机导通后，持续检测获取相电流数据；

S2将当前时刻获取的相电流数据与前一时刻的数据进行比对，当检测到当前时刻相电流 数据小于前一时刻的数据时，将当前时刻记为标记时刻；

S3在标记时刻后持续检测获取一段时间的相电流数据；

S4以标记时刻为中轴，分别提取标记时刻前后N组数据组成数组 {(θ₀，i₀)，(θ₁，i₁)，...，(θ_n，i_n)，...(θ_2N，i_2N)}，其中数组中包含有2N+1组数据，每组数据包含有 同一采样时刻对应的转子角度信息θ_n及对应的相电流数据i_n；

S5根据数组中的前N项数据进行Lagrange抛物线插值，得到第一抛物线插值函数L₁(θ)；

根据数组中的后N项数据进行Lagrange抛物线插值，得到第二抛物线插值函数L₂(θ)；

根据第一抛物线插值函数和第二抛物线插值函数求取该相电流数据的最大值，以及对应 的转子角度信息；

S6根据获取的相电流数据最大值作为电流峰值点，并根据峰值点对应的转子位置计算电 机转速与各时刻的转子位置。

一种实施方式中，步骤S1具体包括：

在电机导通后，通过DSP以相同的采样频率不断检测采集相电流数据和记录转子位置信 息。

一种实施方式中，步骤S4中，设置N＝2，则数组中包含5组数据 {(θ₀，i₀)，(θ₁，i₁)，(θ₂，i₂)，(θ₃，i₃)，(θ₄，i₄)}，其中(θ₂，i₂)对应为标记时刻采集到的转子角度信息和 相电流数据。

一种实施方式中，步骤S5中，根据得到的数组，选取前N个节点代入Lagrange插值函 数来计算插值的电流函数，其中采用的n次插值多项式为：

式中，L_n(θ)表示所求的n次插值多项式，i_m表示数组中第m组数据对应的相电流数据， θ_m表示第第m组数据对应的转子角度信息；则第一抛物线插值函数L1(θ)＝L_n(θ)；

根据得到的数组，选取后N个节点代入Lagrange插值函数来计算插值的电流函数，其中 采用的n次插值多项式为：

式中，L_n(θ)表示所求的n次插值多项式，i_m表示数组中第m组数据对应的相电流数据， θ_m表示第m组数据对应的转子角度信息；则第二抛物线插值函数L2(θ)＝L_n(θ)。

根据得到的第一抛物线插值函数和第二抛物线插值函数，取两个抛物线插值函数的最大 值中的最大值，作为该相电流数据的最大电流值；

根据得到的最大电流值代入相应的原物线插值函数求得最大电流值对应的转子角度信息 θ值。

第二方面，本发明示出一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测装置，该装置用 于实现如上述第一方面中任一种实施方式所述的针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测 方法。

本发明的有益效果为：本发明提出的针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法和 装置，利用Lagrange插值函数对离散电流点进行拟合计算，尽可能将实际上的电流峰值点出 现的位置和时间复现出来。1)相对传统的查表法，步骤更为简单，没有传统查表法的繁琐， 更有利于提高开关磁阻电机的稳定性。2)计算量比三次样条法少，计算机在计算上所花的时 间更短，则判断误差会更小。前期实验量上，本方法比三次样条法和传统查表法都少，并且 会占用控制器更少的存储空间，一定程度上避免了过多的变量会使得计算产生的误差增大， 造成位置检测精度下降。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于 本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附 图。

图1为本发明背景技术所示的传统离散电流信号无法准确得到电流峰值的示意图；

图2为本发明一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法示例性实施例的方法 流程图。

图3为本发明一种示例性实施例所示的采样过程中丢失的最大相电流值获取流程示意图。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图2实施例所示一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法，包括：

S1在电机导通后，持续检测获取相电流数据；

在电机导通后，通过DSP以相同的采样频率不断检测采集相电流数据和记录转子位置信 息。

S2将当前时刻获取的相电流数据与前一时刻的数据进行比对，当检测到当前时刻相电流 数据小于前一时刻的数据时，将当前时刻记为标记时刻，否则继续检测最新当前时刻的相电 流数据与前一时刻的相电流数据进行比对；

S3在标记时刻后持续检测获取一段时间的相电流数据；

其中根据设定的N值，在检测到标记时刻后，继续在标记时刻后采集N组相电流数据， 为后续步骤奠定基础。

S4以标记时刻为中轴，分别提取标记时刻前后N组数据组成数组 {(θ₀，i₀)，(θ₁，i₁)，...，(θ_n，i_n)，...(θ_2N，i_2N)}，其中数组中包含有2N+1组数据，每组数据包含有 同一采样时刻对应的转子角度信息θn及对应的相电流数据in；

一种实施方式中，步骤S4中，设置N＝2，则数组中包含5组数据 {(θ₀，i₀)，(θ₁，i₁)，(θ₂，i₂)，(θ₃，i₃)，(θ₄，i₄)}，其中(θ₂，i₂)对应为标记时刻采集到的数据。

S5根据数组中的前N项数据进行Lagrange抛物线插值，得到第一抛物线插值函数L₁(θ)；

根据数组中的后N项数据进行Lagrange抛物线插值，得到第二抛物线插值函数L₂(θ)；

根据第一抛物线插值函数和第二抛物线插值函数求取该相电流数据的最大值，以及对应 的转子角度信息；

一种实施方式中，步骤S5中，根据得到的数组，选取前N个节点代入Lagrange插值函 数来计算插值的电流函数，其中采用的n次插值多项式为：

式中，Ln(θ)表示所求的n次插值多项式，im表示数组中第m组数据对应的相电流数据， θ_m表示第第m组数据对应的转子角度信息；则第一抛物线插值函数L1(θ)＝L_n(θ)；

根据得到的数组，选取后N个节点代入Lagrange插值函数来计算插值的电流函数，其中 采用的n次插值多项式为：

式中，L_n(θ)表示所求的n次插值多项式，i_m表示数组中第m组数据对应的相电流数据， θ_m表示第m组数据对应的转子角度信息；则第二抛物线插值函数L2(θ)＝L_n(θ)。

根据得到的第一抛物线插值函数和第二抛物线插值函数，取两个抛物线插值函数的最大 值中的最大值，作为该相电流数据的最大电流值；

根据得到的最大电流值代入相应的原物线插值函数求得最大电流值对应的转子角度信息 θ值。

S6根据获取的相电流数据最大值作为电流峰值点，并根据峰值点对应的转子位置计算电 机转速与各时刻的转子位置。

同时，基于上述提出的一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法，本发明还 提出一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测装置，该装置用于实现如上述图2中任 一种实施方式所述的针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法。本申请在此不再重复 叙述。

本发明上述提出的针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法和装置，利用Lagrange插值函数对离散电流点进行拟合计算，尽可能将实际上的电流峰值点出现的位置和 时间复现出来。1)相对传统的查表法，步骤更为简单，没有传统查表法的繁琐，更有利于提 高开关磁阻电机的稳定性。2)计算量比三次样条法少，计算机在计算上所花的时间更短，则 判断误差会更小。前期实验量上，本方法比三次样条法和传统查表法都少，并且会占用控制 器更少的存储空间，一定程度上避免了过多的变量会使得计算产生的误差增大，造成位置检 测精度下降。

一种场景中，参见图3，电机导通后，控制系统不断记录检测到的相电流数据，同时将 最新获得的数据与前一时刻的数据进行对比，当检测发现最新数据小于前一时刻的数据，则 可判断实际电流峰值时刻在该时刻之前。

在获得离散电流峰值的大小与出现时间后，将采样获得的所有离散点数据代入Lagrange 插值函数来计算插值的电流函数，通过插值函数可以得到电流峰值点前后两端的函数方程， 而实际电流峰值点就在其中，进而找到连续电流下的电流峰值点，再根据峰值位置来计算电 机转速与其他时刻的转子位置。

其中，Lagrange插值操作流程如下：

DSP不断采集数据，当出现当前时刻检测到的相电流幅值小于前一时刻电流值，并且从 导通时刻到前一时刻的电流值呈现不断增加的状态时，则以当前时刻为中轴，将中轴前后的 两组数据填入下表，可得到五组数据：其中θ表示转子角度，i表示相电流，m表示第m组数 据，m＝1，2，3，4，5；

θ<sub>m</sub>	θ<sub>0</sub>	θ<sub>1</sub>	θ<sub>2</sub>	θ<sub>3</sub>	θ<sub>4</sub>
						1<sub>m</sub>	1<sub>0</sub>	1<sub>1</sub>	1<sub>2</sub>	1<sub>3</sub>	1<sub>4</sub>

设n次插值多项式为：

L_n(θ)＝i₀l_0n(θ)+i₁l_1n(θ)...+i_nl_nn(θ) (1-2)

式中，

l_in(θ)为插值基函数，

将式1-3代入式1-2，可得

式1-4即为所求的插值多项式，其中N＝3；

然后进行抛物线插值，选取三个节点θ₀，θ₁，θ₂，代入插值多项式求出值点左边函数方 程；同样地，利用θ₂，θ₃，θ₄求出峰值点右边的函数方程，即可求出该相电流波形的最大值。 求出最大值后代入回原方程即可求出最大值出现的θ值。

其中，取两个插值函数最大值中的最大值，即为采样过程中丢失的最大相电流值。

需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模 块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元/模块集成在一 个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单 元/模块的形式实现。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬 件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现， 处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、 数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。 实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指 令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便 于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的 任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其 他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据 结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围 的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法，其特征在于，包括：

S1在电机导通后，持续检测获取相电流数据；

S2将当前时刻获取的相电流数据与前一时刻的数据进行比对，当检测到当前时刻相电流数据小于前一时刻的数据时，将当前时刻记为标记时刻；

S3在标记时刻后持续检测获取一段时间的相电流数据；

S4以标记时刻为中轴，分别提取标记时刻前后N组数据组成数组{(θ₀,i₀),(θ₁,i₁),…,(θ_n,i_n),…(θ_2N,i_2N)}，其中数组中包含有2N+1组数据，每组数据包含有同一时刻对应的转子角度信息θ_n及对应的相电流数据i_n；

S5根据数组中的前N项数据进行Lagrange抛物线插值，得到第一抛物线插值函数L₁(θ)；

根据数组中的后N项数据进行Lagrange抛物线插值，得到第二抛物线插值函数L₂(θ)；

根据第一抛物线插值函数和第二抛物线插值函数求取该相电流数据的最大值，以及对应的转子角度信息；

S6根据获取的相电流数据最大值作为电流峰值点，并根据峰值点对应的转子位置计算电机转速与各时刻的转子位置。

2.根据权利要求1所述的一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

在电机导通后，通过DSP以相同的采样频率不断检测采集相电流数据和记录转子位置信息。

3.根据权利要求1所述的一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法，其特征在于，步骤S4中，设置N＝2，则数组中包含5组数据{(θ₀,i₀),(θ₁,i₁),(θ₂,i₂),(θ₃,i₃),(θ₄,i₄)},其中(θ₂,i₂)对应为标记时刻采集到的转子角度信息和相电流数据。

4.根据权利要求1所述的一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法，其特征在于，步骤S5中，根据得到的数组，选取前N个节点代入Lagrange插值函数来计算插值的电流函数，其中采用的n次插值多项式为：

式中，L_n(θ)表示所求的n次插值多项式，i_m表示数组中第m组数据对应的相电流数据，θ_m表示第m组数据对应的转子角度信息；则第一抛物线插值函数L₁(θ)＝L_n(θ)；

根据得到的数组，选取后N个节点代入Lagrange插值函数来计算插值的电流函数，其中采用的n次插值多项式为：

式中，L_n(θ)表示所求的n次插值多项式，i_m表示数组中第m组数据对应的相电流数据，θ_m表示第m组数据对应的转子角度信息；则第二抛物线插值函数L₂(θ)＝L_n(θ)；

根据得到的第一抛物线插值函数和第二抛物线插值函数，取两个抛物线插值函数的最大值中的最大值，作为该相电流数据的最大电流值；

根据得到的最大电流值代入相应的抛物线插值函数求得最大电流值对应的转子角度信息θ值。

5.一种针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测装置，其特征在于，该装置用于实现如上述权利要求1-4中任一项所述的针对开关磁阻电机的改进的相电流梯度检测方法。

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