CN115498930A - 基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，所述控制方法对不同转速下估算出的电机转子转过某一位置时的位置角度，与其位置角度测量值进行比较，得到相应的角度偏差；将若干组角度偏差与其对应的电机转速进行函数拟合，再通过拟合后的函数关系与电机运行时的实际转速，对电机转子的估算位置角度进行修正，即可得出电机转子在该转速下的准确位置角度，从而可对电机进行控制。与现有技术相比，本发明提供的基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法有效克服了电机转速变化对其转子位置角度估算精度的影响，且具有算法简单、易于实现等特点。

Description

基于变速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控制领域，特别涉及一种基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。

背景技术

开关磁阻电机具有起动电流小、起动转矩大、效率高、结构简单坚固、容错能力强、调速范围宽等系列优点，目前已在众多领域得到了广泛应用。然而要实现开关磁阻电机的高性能调速控制，就必须实时获取其转子的准确位置信息。传统获取其转子位置信息主要采用位置传感器，但这种方式不仅增加了系统的体积和成本，而且降低了系统的可靠性和环境适应性。因此，开展开关磁阻电机无位置传感器控制研究具有重要意义。

目前在开关磁阻电机无位置传感器控制方面已开展了大量研究并提出了多种控制方法，主要包括高频脉冲注入法、磁链电流法和全周期电感法等，其中以全周期电感法具有原理简单、易于实现、运算工作量小且位置角度估算精度高等特点而得到了较广泛的应用；然而该方法由于通过采用脉冲注入方式来获取其全周期电感并进而估算出其转子位置角度，因而存在受电机转速影响大等不足。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，可有效提高电机调速的控制精度。

本发明所提供的一种基于变速补偿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1：在开关磁阻电机额定转速范围内等间距选取n组转速ω_i(i＝1...n)；

步骤2：根据电机转子在上述每组转速ω_i下转过某一位置时的估算位置角度值θ_i与该位置的实际位置角度θ₀，得每组转速下相应的角度偏差Δθ_i；

步骤3：根据步骤2所得n组角度偏差Δθ_i及其相应的电机转速ω_i，采用数值拟合方法得到其角度偏差Δθ与电机转速ω间的函数关系Δθ(ω)；

步骤4：将电机实际运行时的任一转速ω’代入步骤3所得函数关系Δθ(ω)中，即可得到电机在该转速ω’下其估算位置角度相对于实际位置角度的偏移量Δθ’；

步骤5：根据步骤4所得位置角度偏移量Δθ’对电机转子估算位置角度θ’进行修正，即可得到电机转子在该转速ω’下的准确位置角度θ_z；

步骤6：根据步骤5所得电机转子的准确位置角度θ_z，对开关磁阻电机进行无位置传感器的调速控制。

优选地，步骤2通过公式(1)确定角度偏差Δθ_i：

Δθ_i＝θ_i-θ₀ (1)

式中：θ_i表示电机转子在转速ω_i下转过某一位置时估算的位置角度，θ₀表示电机转子在转过该位置时的实际位置角度，Δθ_i表示角度偏差。

优选地，步骤3中采用数值拟合方法得到步骤2所得角度偏差与其对应的电机转速间的函数关系，具体为：

式中：Δθ(ω)为估算位置角度相对于其实际位置角度的角度偏差与电机转速间的函数关系，ω为电机转速，k、a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅、b₆分别为角度偏差函数的系数，由计算机拟合而得。

优选地，步骤5中根据所得位置角度偏移量对电机转子估算位置角度进行修正，具体为：

θ_z＝θ’+Δθ’ (3)

式中：θ’表示电机转子在转速ω’下转过某一位置时估算的位置角度，Δθ’表示在转速ω’下估算位置角度所需角度补偿量，θ_z表示电机转子在转速ω’下转过该位置时补偿后的位置角度。

本发明的有益效果在于：本发明提供的基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，对不同转速下估算出的电机转子转过某一位置时的位置角度，与其位置角度测量值进行比较，得到相应的角度偏差；将若干组角度偏差与其对应的电机转速进行函数拟合，再通过拟合后的函数关系与电机运行时的实际转速，对电机转子的估算位置角度进行修正，即可得出电机转子在该转速下的准确位置角度。该控制方法可以根据所得准确位置角度实现开关磁阻电机无位置传感器的高性能调速控制，因克服了电机转速对估算其转子位置角度造成的影响，因而有效提高了电机调速的控制精度，具有较好的应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的控制方法流程图；

图2为本发明提供的开关磁阻电机位置角度偏差与电机转速间的拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，为本发明提供的控制方法流程图，以某6/4极开关磁阻电机为例，其主要参数如表1所示，本发明实施例提供的方法具体按如下步骤进行：

步骤1：根据表1所示参数，在该电机额定转速范围内，任取转速100(r/min)为起点，并以200(r/min)为间隔，等间距选取14组转速数据(可任意选取起点、间隔设定值及组数)；

表1某6/4极开关磁阻电机主要参数

参数	数值
		额定功率/kW	15
额定电压/V	250
		额定转速/(r/min)	3000

步骤2：针对每组转速，采用脉冲注入法估算出电机转子在该转速下转过任意位置(本实施例选取电机转子位置角度为90°)时的位置角度θ_i，则采用角度检测装置检测出该位置的实际位置角度θ₀应为90°，并将上述估算的位置角度θ_i与其实际位置角度θ₀＝90°进行比较，通过式(1)得出相应的角度偏差：

式中：θ_i表示电机转子在转过90°时估算的位置角度，Δθ_i表示估算位置角度θ_i与实际位置角度90°之间的角度偏差。

根据上述方法，所得各转速对应的角度偏差Δθ_i如表2所示。

表2不同转速下对应的位置角度偏差Δθ_i

步骤3：根据表2所得各转速及其对应的角度偏差数据，采用数值拟合方法得到其角度偏差与电机转速间的函数关系：

式中：Δθ(ω)为估算位置角度相对于其实际位置角度的偏差与电机转速间的函数关系，ω为电机转速，k、a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅、b₆分别为角度偏差函数的系数，计算机将根据不同型号规格或不同功率等级电机的转速及其对应的估算角度偏差数据拟合出不同系数的取值，本实施例拟合而得的系数如表3所示。

表3角度偏差函数的各项系数

拟合系数	数值	拟合系数	数值
				k	0.001132	a<sub>6</sub>	-4.335*10<sup>-6</sup>
a<sub>0</sub>	-0.05984	b<sub>1</sub>	205.7
				a<sub>1</sub>	-111.7	b<sub>2</sub>	-121.3
a<sub>2</sub>	60.53	b<sub>3</sub>	0.1352
				a<sub>3</sub>	-0.002129	b<sub>4</sub>	33.83
a<sub>4</sub>	51.1	b<sub>5</sub>	0.02072
				a<sub>5</sub>	-0.008669	b<sub>6</sub>	-1.671*10<sup>-8</sup>

将表3中各项系数代入公式(2)即可得本实施例所用电机估算位置角度相对于其实际位置角度的偏差与电机转速间的函数关系Δθ(ω)：

根据表2所得各项数据及公式(2’)，得到相关数据点(即表2中不同转速下的角度偏差值点)与其相应的拟合函数曲线(即公式(2’)所得曲线)的对比效果图(如图2所示)，由图2可见，所得拟合函数曲线与表2的各项数据点重合度极高，故公式(2)可用于精确求得不同转速下的角度补偿量。在实际运用过程中，公式(2)可根据不同型号规格或不同功率等级电机所取不同转速及其对应的估算角度偏差数据而拟合出不同取值的系数，从而得到不同的公式(2’)。

步骤4：将电机运行时选定的任一转速代入公式(2’)，即可以获得在随机选取的实时转速ω’下，电机转子估算位置角度所需补偿的位置角度补偿量Δθ’(即估算位置角度相对于实际位置角度的偏移量)。根据表1所示电机参数，采用脉冲注入法并任取电机转速分别为500r/min、1100r/min、1700r/min、2100r/min及2700r/min进行相应的电机位置角度估算，将不同转速代入拟合函数从而得到所需补偿的位置角度补偿量Δθ’，如表4所示：

表4不同转速下对应的位置角度补偿量

转速ω’(r/min)	角度补偿量Δθ’(°)
		500	0.79287
1100	1.90155
		1700	3.25838
2100	4.28271
		2700	6.33519

步骤5：将表4所得位置角度偏移量Δθ’代入公式(3’)，即可得到电机转子在该转速下的准确位置角度θ_z：

式中：θ’表示电机转子在转过90°时估算的位置角度，θ_z表示电机转子在转过该位置时补偿后的位置角度，Δθ’表示通过电机转子在转过90°时将转速代入拟合函数得到的角度补偿量。

不同转速下对应补偿后的位置估算角度如表5所示：

表5不同转速下对应的位置角度

转速ω’(r/min)	补偿后的位置角度θ<sub>z</sub>(°)
		500	89.96988
1100	89.9745
		1700	90.01174
2100	90.00575
		2700	90.04784

为了说明本发明所提出的基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法的效果，针对基于传统脉冲注入法获得的转子位置角度，在采用本发明所提方法进行补偿前后的结果进行对比分析，分别得到补偿前后其估算位置角度与其实际位置角度的偏差如表6所示。

表6补偿前后所得位置角度估算偏差对比表

转速(r/min)	500	1100	1700	2100	2700
						补偿前(°)	0.82299	1.92705	3.24664	4.83148	6.28735
补偿后(°)	0.03012	0.0255	0.01174	0.00575	0.04784

由表4可见，针对采用传统脉冲注入法估算的开关磁阻电机转子位置角度，在采用本发明所提方法进行补偿后，其估算位置角度与其实际位置角度的偏差减小一个数量级以上，且随着电机转速的提高，其补偿效果将更好，因而有效提高了开关磁阻电机无位置传感器的控制精度。

Claims (5)

1.一种基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，是对不同转速下估算出的电机转子转过某一位置时的位置角度，与其位置角度测量值进行比较，得到相应的角度偏差；将若干组角度偏差与其对应的电机转速进行函数拟合，再通过拟合后的函数关系与电机运行时的实际转速，对电机转子的估算位置角度进行修正，即可得出电机转子在该转速下的准确位置角度。

2.根据权利要求1所述的基于变速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：

步骤1：在开关磁阻电机额定转速范围内等间距选取n组转速ω_i(i＝1...n)；

步骤2：根据电机转子在上述每组转速ω_i下转过某一位置时的估算位置角度值θ_i与该位置的实际位置角度θ₀，得每组转速下相应的角度偏差Δθ_i；

步骤3：根据步骤2所得n组角度偏差Δθ_i及其相应的电机转速ω_i，采用数值拟合方法得到其角度偏差Δθ与电机转速ω间的函数关系Δθ(ω)；

步骤4：将电机实际运行时的任一转速ω’代入步骤3所得函数关系Δθ(ω)中，即可得到电机在该转速ω’下其估算位置角度相对于实际位置角度的偏移量Δθ’；

步骤5：根据步骤4所得位置角度偏移量Δθ’对电机转子估算位置角度θ’进行修正，即可得到电机转子在该转速ω’下的准确位置角度θ_z；

步骤6：根据步骤5所得电机转子的准确位置角度θ_z，对开关磁阻电机进行无位置传感器的调速控制。

3.根据权利要求2所述的基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤2通过公式(1)确定角度偏差Δθ_i：

Δθ_i＝θ_i-θ₀ (1)

式中：θ_i表示电机转子在转速ω_i下转过某一位置时估算的位置角度，θ₀表示电机转子在转过该位置时的实际位置角度，Δθ_i表示角度偏差。

4.根据权利要求2所述的基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤3中采用数值拟合方法得到步骤2所得角度偏差与其对应的电机转速间的函数关系，具体为：

式中：Δθ(ω)为估算位置角度相对于其实际位置角度的角度偏差与电机转速间的函数关系，ω为电机转速，k、a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅、b₆分别为角度偏差函数的系数，由计算机拟合而得。

5.根据权利要求1所述的基于变速补偿的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤5中根据所得位置角度偏移量对电机转子估算位置角度进行修正，具体为：

θ_z＝θ’+Δθ’ (3)

式中：θ’表示电机转子在转速ω’下转过某一位置时估算的位置角度，Δθ’表示在转速ω’下估算位置角度所需角度补偿量，θ_z表示电机转子在转速ω’下转过该位置时补偿后的位置角度。

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