专利名称：一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法
技术领域：
发明涉及一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，属于开关磁阻电机控制技术 领域。
背景技术：
对于开关磁阻电机驱动系统而言，能够实时而准确的获得转子的位置信息是保证 电机可靠运行和高性能控制的必要前提。目前普遍采用外装光电式或磁敏式等轴位置检测 器。外加机械式位置传感器额外增加电机的体积，增加了电机加工的复杂性，大大降低了开 关磁阻电机结构简单的优势，而且降低了电机工作时的可靠性，增加了成本。因此，探索实 用的间接位置检测方案具有十分重要的研究价值。迄今为止，各国学者对这一问题从多角度出发做了大量研究，提出了多种间接位 置检测方案。大致可以分为以下5类。1)电流波形检测法。英国学者Acamley等人提出的电流波形检测法，是最早的无 位置检测技术，其基本思想是SRM的转子位置决定了绕组的增量电感，而增量电感又决定 了相电流的变化速率，因此根据相电流可以估算出转子位置信息。2)电流-磁链法。该方法的基本思想是基于开关磁阻电机的凸极效应，不同的转 子位置对应着不同的电流-磁链曲线，将电流、磁链、位置三者之间的关系建立一张查找表 并将其存放在内存中，通过实时计算出绕组的磁链，与采样得到的绕组电流就可以得到相 应的转子位置信息。随着智能控制的发展，越来越多的学者将模糊控制和神经网络的方法 应用于检测转子位置的信息，通过模糊控制和神经网络的方法可以拟合出电流、磁链、位置 之间的关系，然后通过实时计算得到的磁链以及采样得到的电流值得到转子实际的位置信 肩、ο3)信号激励与调制法。该方法是通过对空闲相进行信号激励或调制的方法获取位 置信息，在电机的空闲相注入高频脉冲，其输出的电流波形反映了绕组的瞬时电感的信息， 从而就可以得到转子的位置信息。4)附加电元件法。在SRM内部的适当位置附加某些电元件，利用这些电元件输出 的信息来检测转子的位置，所附加的电元件可以是电感线圈、电容板极等，称其为附加线圈 检测法、附加电容检测法等。5)观测器法的基本思想是根据电机的电磁特性和机械特性建立电机的状态方程， 选择适当的状态变量(如转速、位置角、磁链等)，以及输入变量(电压)和输出变量(电 流)，建立起由电机本体参数所决定的状态观测器，通过检测电机相电压和相电流即可估计 出转子的位置角。以上这些方案各有优缺点和适用范围。其中，信号激励与调制法主要适用于低速 启动的情况，电流波形检测法和附加电元件法适用于中低速的运行情况，而电流_磁链法 和观测器法主要适用于高速的情况。传统的应用于中高速的无位置传感器方法主要基于电机的磁链或电感特性曲线，根据磁链或电感与转子位置角的非线性关系，通过查表或非线性观测模型的方法获取转子 位置信息；或者通过简化磁链法建立关断位置的磁链阀值，通过与阀值比较的方法得到驱 动信号。其中查表，非线性模型以及智能控制的方法目的是得到连续的转子位置信号，但是 如果要保证估计的精度，控制算法则相对复杂，占用较多的软硬件资源。简化磁链法的目的 是直接得到电机各相的驱动信号，该算法虽然控制简单，但其只考虑采用关断位置磁链阀 值，电机只能运行在轮流导通模式，因此具有很大的局限性。
发明内容
本发明要解决的问题是提出一种不需要直接估计连续位置信号，而只需实时估计各相驱动信号的无位置 传感器方法，克服传统无位置传感器方法算法复杂，软硬件资源占用率高，以及工作区域受 限等问题。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案1.)有限元计算或实验测量开关磁阻电机电感特性数据；2.)利用步骤1.)提供的电感特性数据，建立电感的非线性模型；3.)实时检测开关磁阻电机各相电流和端电压，DSP采样开关磁阻电机各相电流 和端电压，通过数字积分计算开关磁阻电机各相磁链；4.)将相磁链除以相电流得到实时的相电感；5.)当前导通相即为估计相，在估计相中按步骤4.)计算的相电感值，同时将开通 /关断角代入由步骤2.)得到的数学模型中计算电感动态阀值；6.)将步骤5.)中估计相中电感计算值分别与下一导通相的开通角位置和当前导 通相的关断角位置两个位置的电感阀制比较，如果电感计算值大于下一相开通角位置电感 阀值，则此时按开通相序开通下一相，如果电感计算值大于关断角位置电感阀值，则关断当 前导通相；根据以上步骤可以得到电机各相的驱动信号，从而实现电机无位置传感器控制。本发明方法采用直接估计驱动信号的方法，可以实现开通/关断角控制，满足电 机优化控制的需要，算法简单且实现方便，通用性强，具有较大的应用前景。
图1为开关磁阻电机调速系统框图；图2为12/8结构样机的三相电感与转子位置的关系；图3为样机一相电感特性曲线；图4为电机低速运行时电感计算方法流程图；图5为电机中高速运行时电感实时计算方法流程框图；图6为开通角为_ θ时电机运行时各相电感实时计算波形；图7为本发明的一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法原理图。
具体实施例方式本发明通过将导通相的相电感计算值与开通/关断角位置电感动态阀值比较，而
4得到当前估计相的关断信号和下一开通相的开通信号，实现无位置传感器运行。下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明图1为开关磁阻电机调速系统框图。开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机 (SRM)、功率变换器、控制系统(DSP+CPLD)、位置传感器以及电压电流检测和保护电路等组 成。其中控制器是系统的核心，对检测信号进行采集、计算和处理，完成相关的控制算法，从 而输出相应的控制信号。本发明中的电感计算和无位置传感器技术的算法均由控制器来完 成，无需添加额外硬件。相电流和相绕组电压由电压、电流传感器(LEM)来检测。图2为12/8结构样机的三相电感与转子位置的关系。由图所示，电感曲线以45 度为周期，其中各相电感相差15度。设0度角为A相定子齿中心线与转子槽中心线对齐位 置，22. 5度为定转子齿极中心线对齐位置。图3为样机一相电感特性曲线。电感特性曲线可以通过利用有限元计算或者实验 测量的方法获取。如图所示，电感特性曲线表征了相电感与转子位置角及相电流三者之间 的非线性关系，其三维关系可由式(1)表示，L = L( θ , i) (1)根据上述得到的电感特性数据，利用非线性拟合的方法可以得到电感的非线性模 型。目前国际上研究的比较精确的模型是基于傅立叶级数拟合的电感模型。此处采用余弦 级数对电感曲线进行拟合得到式(2)所示的电感模型。 这里'Nr'是转子极数，‘m'是逼近阶数，‘图4为电机低速运行时电感计算方法流程图。该方法电感计算原理是开关磁阻电机的一相绕组电压方程可以表示为 Φ '是相位角。
/Iv由于电机低速运行，上式第三项即运动电动势可以忽略不计，因此绕组电压方程 可表示为由于电流每次采样时间很短，因此上式可以等效为Uk 因此电感可以由以下公式得到 式(9)中相电流和相绕组电压分别由电压、电流传感器(LEM)来检测得到，经调理 后，在DSP中启动A/D采样程序，采样绕组端电压和相电流。图5为电机中高速运行时电感实时计算方法流程框图。相电流和相绕组电压由电 压、电流传感器(LEM)来检测得到，经调理后，在DSP中启动A/D采样程序，采样绕组端电压 和相电流。根据积分式子计算磁链大小。其中一相绕组的磁链表达式为
( 7 )其中Vk为第k相绕组磁链，Vk为第k相绕组端电压，R为第k相绕组等效电阻， ik第k相绕组电流。应用数值积分法，可以将上式离散化为
( 8 )其中T为采样周期，N为测量的点个数，η为第η测量点。根据电感与磁链之间的关系式可以求出电感值。ψ ( θ , i) = L( θ , i)i (9)
(10)图6为开通角为-θ时电机运行时各相电感实时计算波形。如图以A相为例，此 时提前开通θ，若导通角为θ。，那么关断角为Θ + Θ。。图7为本发明的一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法原理图。本发 明的特征是基于开关磁阻电机的电感随转子位置周期性变化的基本特点，通过将导通相的 相电感计算值与开通/关断角位置电感动态阀值比较，而得到当前估计相的关断信号和下 一开通相的开通信号，从而直接得到各相的驱动信号，实现无位置传感器运行。具体实施原 理如图7所示。一.利用有限元计算或实验测量样机电感特性曲线，并利用该电感特性数据，建 立电感的非线性模型L( θ，i)。电感的非线性模型可以采用傅立叶级数拟合的方法得到， 可由式2表示。由图2所示，电感曲线以45度为周期，其中各相电感相位差15度。那么相邻相开 通角之间相位差亦为15度。设电机相序为B-A-C-B，设当前开通相开通角为θΒ。η，关断角 为θ B。ff，则其他相开通角和关断角可以表示为θΑοη= θΒ。η+15° (11)eCon= θΒ。η+30° (12)θ Aoff = Θβ。η+15。 (13)θ Coff = Θβ。η+30° (14)将各相开通角和关断角带入电感模型(2)中，可以得到对应的阀值信号，分别为 L( θ Α。η，i)，L( θ Aoff, i)，L( θ B。n，i)，L( θ B。ff，i)，L( θ Con, i)，L( θ Coff, i)。它们之间存在如 下关系L(9W i) =LB(9B。n+15°，iB)(15)L(9Con, i) =LA(0Aon+15° , iA) (16)L(9Bon, i) =Lc(ec。n+15°，ic)(17)L(6Aoff, i) = LA(6Aoff, iA) (18)L ( θ Boff, i) = Lb ( θ Boff, iB) (19)L(6Coff, i) = Lc(6Coff, ic) (20)根据上述关系，可以按如下方法设置电感阀值(导通相序为B-A-C-B)对于B相，设置该相关断角位置电感阀值为L( θ Boff，i)，A相的开通位置电感阀值 为 LB(eB。n+15°，i)。
对于A相，设置该相关断角位置电感阀值为L( θ Aoff, i)，C相的开通位置电感阀值 *LA(eA。n+15°，i)。对于C相，设置该相关断角位置电感阀值为L( θ Coff, i)，B相的开通位置电感阀值 *Lc(ec。n+15°，i)。二 .实时检测各相电流和端电压，DSP采样各相电流和端电压，利用上述图4和图 5所述方法计算出实时电感值。三.将导通相作为估计相，在估计相中按步骤一方法设置当前估计相的关断位置 电感阀值和下一开通相的开通角位置电感阀值；同时按步骤二方法计算的电感值。在估计 相将电感计算值分别与下一开通相开通角和当前估计相的关断角两个位置电感阀制比较， 如果电感计算值大于下一相的开通角位置电感阀值，则此时按开通相序开通下一相，如果 电感计算值大于当前估计相关断角位置电感阀值，则关断当前导通相。上述方法的具体判断逻辑如表一所示。表一驱动信号判断逻辑表 根据导通相序，若此时估计相为C相，若L>L。(e。。n+15°，i)，则开通B相，同时 确定C、B相为估计相；若L > L。( θ C0ff, i)，则关断C相，同时确定B相为估计相；若L > Lb ( θ Β。η+15°，i)，则开通A相，同时确定B、A相为估计相；若L > Lb ( θ Boff, i)，则关断B相， 同时确定A相为估计相；若L > LA( θ Α。η+15°，i)，则开通C相，同时确定A、C相为估计相； 若L>LA(9A。ff，i)，则关断A相，同时确定C相为估计相。根据以上步骤可以得到电机各 相的驱动信号，从而实现电机无位置传感器控制。该算法采用直接估计驱动信号的方法，可以实现开通/关断角可调控制，满足电 机优化控制的需要，算法简单且实现方便，通用性强，具有较大的应用前景。
权利要求
一种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.)有限元计算或实验测量开关磁阻电机电感特性数据；2.)利用步骤1.)提供的电感特性数据，建立电感的非线性模型；3.)实时检测开关磁阻电机各相电流和端电压，DSP采样开关磁阻电机各相电流和端电压，通过数字积分计算开关磁阻电机各相磁链；4.)将相磁链除以相电流得到实时的相电感；5.)当前导通相即为估计相，在估计相中按步骤4.)计算的相电感值，同时将开通/关断角代入由步骤2.)得到的数学模型中计算电感动态阀值；6.)将步骤5.)中估计相中电感计算值分别与下一导通相的开通角位置和当前导通相的关断角位置两个位置电感阀制比较，如果电感计算值大于下一相开通角位置电感阀值，则此时按开通相序开通下一相，如果电感计算值大于关断角位置电感阀值，则关断当前导通相；根据以上步骤可以得到电机各相的驱动信号，从而实现电机无位置传感器控制。
全文摘要
本发明公布了一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，属开关磁阻电机控制技术领域。本发明是基于开关磁阻电机的电感随转子位置周期性变化的基本特点，首先根据电感特性曲线建立精确的电感数学模型，利用数学模型可以设置开通/关断角位置的电感阀值；采样各相电流和端电压，计算实时电感；将当前估计相的相电感计算值分别与该相关断角位置电感阀值和下一开通相的开通角位置电感阀值比较，即可得到当前估计相的关断信号，亦可得到下一开通相的开通信号，因此可以直接得到各相的驱动信号，从而实现无位置传感器运行。该算法采用直接估计驱动信号的方法，可以实现开通/关断角控制，满足电机优化控制的需要，算法简单且实现方便。
文档编号H02P6/18GK101917151SQ201010238729
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者蔡骏, 邓智泉 申请人:南京航空航天大学