一种采用全维状态观测器的开关磁阻电机无位置传感器速度计算方法与流程

本发明涉及高性能电机控制技术，具体为一种采用全维状态观测器的开关磁阻电机无位置传感器速度控制方法，属于电机无位置传感器控制技术研究领域。

技术背景

开关磁阻电机(switchedreluctancemotor，简称srm)采用双凸极结构，具备结构简单、坚固优异、容错能力高等特点，适于高速运行和恶劣的工作环境。srm系统具有类似直流串激电动机的串激特性，控制器通过对相电流幅值、开通角、导通角等多个变量进行控制，可以满足不同负载要求的机械特性，实现非常宽广的速度和负载范围内高效率运行，控制方便、灵活，易于实现四象限运行。与其他类型的电动机，特别是于已广泛应用于电动工具行业的单相串激电机相比，具有启动及低速时转矩大、电流小，高速恒功率区范围宽、性能好，在很宽的转速及功率范围内均有高效率的特点。

srm驱动控制系统的运行一个关键前提是获取转子位置检测信息。转子位置信息是用于控制srm各相绕组导通的时序和时间，以使srm产生持续不断的转矩。目前普遍采用轴位置传感器来检测转子的位置信号。轴位置传感器的存在不仅增加了驱动控制系统体积和成本，而且降低了系统运行的可靠性，不适用于类似电动工具这种运行速度高、运行条件恶劣、电磁环境复杂的工作环境。无位置传感器转子位置信息检测方案主要思想就是利用电机的电压、电流可测电参数，来估算磁链、电感、反电势等参数，并利用这些估算出来参数与位置信号、电流之间的关系来间接获取转子位置信息，从而实现电机运行和转子转速的计算。

目前srm无位置传感器检测方法主要有：电流磁链法，电流波形监测法，信号调制法，附加电元件法和观测器法。电流磁链法和电流波形监测发法低转矩运行时受电机的性能影响大，驱动器开关损耗大，效率比较低，且动态响应慢。信号调制法会产生一定的负转矩，从而降低降低电机的效率。附加电元件检测法的需要在srm内部的设置的电元件,使srm制造工艺复杂化。根据由srm电机本身固有参数所决定的数学模型建立状态观测器，然后由可测电参数，估算转子位置信息的方法为观测器检测法。全维状态观测器可通过对观测器方程的特征值的配置获得快速的收敛速度，从而使srm电机驱动控制系统具有快速的速度跟踪性能和动态特性。

技术实现要素：

本发明提供一种简单易实现、估算精度高，可靠性高，适合在多功能锯断机、斜切割机等电动工具中使用的开关磁阻电机无位置传感器速度与位置计算方法，该方法采用全维状态观测器算法，以可测的电机相电压、相电流为观测器输入量，结合开关磁阻电机数学模型，构建开关磁阻电机驱动控制系统的位置和速度观测器，从而实现对开关磁阻电动机无位置传感器速度控制，具体技术方案如下。

一、建立开关磁阻电机的基本电压方程:

式中为u电机相电压，i电机相电流，r定子电阻，θ转子位置角，l(θ)定子电感是θ的函数，k(θ)是电机反电势系数是θ的函数，定子电感是θ的函数ωm转子转速。

二、由(1)式，建立开关磁阻电动机数学模型方程：

设电机相绕组通电开通时间ton，为电机相绕组通电关断时间tc，则电机运行时，相绕组通电时段(tc-ton)的(2)式中磁通量ψ、电感l(θ)、反电势系数k(θ)分别为:

其中θ为绕组通电时的转子位置。

三、由(2)、(3)、(4)、(5)式建立电机系统的状态方程：

其中

式中j转子惯量。

四、根据状态方程(6)，建立速度与位置观测器：

观测器的增益矩阵：

l＝[l1l2l3]

观测器的特征多项式：

其中λ为多项式的特征值，由多项特征式可得增益矩阵：

已知定子电阻r、转子惯量j，观测器(7)根据可测输入量相电压u和相电流i，即可实现对位置角和速度的估测和计算。

综上所述，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明采用全维观测器算法构建开关磁阻电机的速度与位置观测器，根据开关磁阻电机数学模型和可测的电机相电压、相电流实时获取电机转子位置信息和转速值，从而达到在无位置传感器条件对开关磁阻电机进行速度控制的目的；本发明的方法适合开关磁阻电机在中高速条件下的运行控制，具有简单易实现、估算精度高，可靠性高的特点，特别合适于多功能锯断机、斜切割机等电动工具中有很好的应用前景。

附图说明

图1是采用全维速度观测器的开关磁阻电机控制系统结构图；

图2是开关磁阻电机转速图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明实现方法和原理进一步说明。

实施例1：

基于本发明所述的开关磁阻电机速度与位置观测器算法，结合速度比例积分控制模块、电流比例积分控制模块、桥臂开关逻辑产生模块、开通与关断角计算模块和功率变换电路构建附图1所示的开关磁阻电机无位置传感器速度控制系统实例。实例中转速给定与观测器的转速估计值ωe的差作为速度比例积分模块的输入值，速度比例积分模块的输出值为控制系统的电流给定值i^*。电流给定值与实际的相电流采样值i的差作为电流比例积分控制模块的输入信号。电流比例积分控制模块输出电流调节信号ir。桥臂逻辑产生模块的输入信号分别为电流调节信号ir、相绕组开通角θon、相绕组关断角θoff、角度观测值θe，输出信号为功率变换电路的上下桥臂的驱动信号。相绕组开通角θon、相绕组关断角θoff的值由开通关断角计算模块根据直流母线供电电压udc和转速给定值计算得到。功率变换电路输出电压和电流驱动电机。

速度与位置观测器根据电机的相电压u和相电流i计算电机转子的位置和转速：

其中

选取额定参数为额定电压150v，额定转速4a，额定转速3000转/分的开关磁阻电机作为控制对象，按图1所示，结构建立速度控制系统进行仿真。仿真结果如图2所示。

仿真结果表明观测器的估计转速能够很快地达到指定转速，并具有很好的速度跟踪性能，说明本发明给出的采用全维状态观测器的开关磁阻电机无位置传感器速度计算方法的具有很高的速度计算估测精度，从而验证了本方法的正确性和有效性。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。