一种高速无位置传感器开关磁阻电机的控制方法及其系统与流程

本发明涉及开关磁阻电机，尤其涉及一种高速无位置传感器开关磁阻电机的控制方法及其系统，该方法能够通过查找表的方式，通过对从定转子齿交叠点位置到开通角、关断角位置定时时长进行修正，从而正确地估算开通和关断时刻。本发明能够在不使用位置传感器的情况下，较为精准地得到开关磁阻电机的开通关断时刻，用于电机控制。

背景技术：

开关磁阻电机具有很多优良的性能,如电机结构简单、成本低、运行可靠、调速范围宽、不消耗稀土资源，同时具备高效率、免维护等特性等等。但是开关磁阻电机中位置传感器的存在，极大地增加了开关磁阻电机的结构复杂性；而且位置传感器的安装调试非常的困难，极大地增加了开关磁阻电机的成本；同时，位置传感器的测量精度极易受到外界不良环境的影响，易损坏，这使得开关磁阻电机的可靠性降低。可见，位置传感器的存在极大地削弱了开关磁阻电机的优势，研究无位置传感器开关磁阻电机的需求非常的迫切。

传统高速无位置传感器开关磁阻电机控制方法的工作原理为：开关磁阻电机励磁相相电流和电感变化关系图如图2所示。在转子的槽和定子的齿对齐的位置，该相的电感值最小；在转子的齿和定子的齿对齐的位置，该相的电感值上升到最大；对于建立的线性电感模型来说，在电感值上升的过程中，会在转子的齿和定子的齿交叠点的位置，有一个明显的拐点，称之为定转子齿交叠点。为了保证电机运转的效率，该相会在电感上升之前开通，该相的电流会逐渐上升，直至定转子齿交叠点位置附近，电流上升到一个峰值，随后电流将会下降。因此，传统的相电流梯度法中，在高速apc模式(通过导通角的调节，调节电动机的转矩实现调速的目的)下，将励磁相相电流峰值位置作为该相定转子齿交叠点位置。在检测到励磁相相电流峰值时，将角周期长度除以前后两次测得该相相电流峰值的时长，得到此时的角速度，然后将从定转子齿交叠点位置到该相关断角、下一相开通角位置的角度差除以此时的角速度，得到转子从该相定转子齿交叠点位置到该相关断角、下一相开通角位置所需时长。开启定时器，将计算得出的所需时长作为定时时长，从而估算出该相开通时刻和下一相关断时刻，实现无位置传感器开关磁阻电机控制。

然而，在实际情况中，受开通角、角速度的影响，相电流的峰值位置与该相定转子齿交叠点位置之间是有一定偏移的。而在传统的高速无位置传感器开关磁阻电机的控制方法中，却将相电流峰值位置直接作为该相定转子齿交叠点位置，没有进行任何的修正，这将使得对开关磁阻电机的开通和关断时刻的估算出现较大的偏差，导致无位置传感器开关磁阻电机的稳定性与可靠性大大地降低。

技术实现要素：

本发明针对上述因为开关磁阻电机中相电流峰值位置与该相定转子齿交叠点位置存在偏差，导致的传统相电流梯度法中对开通关断时刻估算不准确的问题，提出了一种通过查找表的方式对转子从定转子齿交叠点位置到该相关断角、下一相开通角位置定时时长进行修正的方法，能够提高无位置传感器开关磁阻电机的稳定性与可靠性。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种高速无位置传感器开关磁阻电机的控制方法，开关磁阻电机的a、b、c三相依次轮流作为励磁相，基于相电流梯度法原理，在高速apc模式下，将励磁相相电流峰值时刻作为到达该励磁相定转子齿交叠点位置的时刻，在检测到该励磁相相电流峰值时，将该励磁相转子齿运行的长度除以前后两次该励磁相相电流达到峰值的时间差，得到此时的转子角速度，然后将从该励磁相定、转子齿交叠点位置到该励磁相关断角的角度差和定、转子齿交叠点位置到下一励磁相开通角位置的角度差分别除以此时的转子角速度，分别得到转子从该励磁相定转子齿交叠点位置到该励磁相关断角位置所需时长和转子从该励磁相定转子齿交叠点位置到下一励磁相开通角位置所需时长，开启定时器，将计算得出的两个所需时长分别作为定时时长，从而估算出该励磁相的关断时刻和下一励磁相的开通时刻；

其特征在于：针对励磁相相电流的峰值时刻会与转子到达该励磁相定转子齿交叠点位置时刻之间存在偏移量的实际情况，对将励磁相相电流峰值时刻直接作为该励磁相定转子齿交叠点位置时刻的方法加以修正，以得到该励磁相正确的定转子齿交叠点位置,从而更加准确地估算出开关磁阻电机励磁相的关断时刻和下一励磁相的开通时刻，实现更为精准地高速无位置传感器开关磁阻电机控制；修正方法如下：

微控制器实时地检测励磁相相电流，当励磁相相电流值达到峰值时，将励磁相转子齿运行的长度除以前后两次该励磁相相电流达到峰值的时间差计算出此时的转子角速度，根据此时的转子角速度以及设置的励磁相开通角，通过查找存储的励磁相开通角、转子角速度和励磁相相电流峰值时刻与转子到达励磁相定、转子齿交叠点位置时刻之间偏移量的对应关系查找表，得出励磁相相电流峰值时刻与转子到达励磁相定、转子齿交叠点位置时刻之间的偏移量，然后，使用此偏移量对转子从励磁相定转子齿交叠点位置到励磁相关断角、下一励磁相开通角位置的两个所需时长进行修正，开启微控制器中的定时器，将修正后的两个所需时长作为定时时长，从而更加准确地估算励磁相的关断时刻和下一励磁相的开通时刻。

所述建立并存储励磁相的开通角、转子角速度和励磁相相电流峰值时刻与转子到达励磁相定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量对应关系查找表的过程为：在使用位置传感器的情况下，首先输入励磁相的开通角给微控制器，微控制器控制开关磁阻电机运行并实时地检测励磁相相电流、转子的角度位置和角速度；当励磁相相电流达到峰值时，读取此时的时刻t1；当转子到达励磁相定转子齿交叠点位置时，读取此时的时刻t2；将t1与t2相减，计算出此时的偏移量；然后将输入的励磁相开通角、此时的转子角速度和偏移量存储起来；依次将三相中的另外两相作为励磁相，用上述方法分别检测出各励磁相在不同开通角和转子角速度的情况下所对应的相电流峰值时刻与转子到达该励磁相定转子齿交叠点位置时刻之间的偏移量，并存储起来，从而建立各励磁相的开通角、转子角速度和相电流峰值时刻与转子到达相应励磁相定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量的对应关系查找表。

所述对从励磁相定转子齿交叠点位置到励磁相关断角、下一励磁相开通角位置两个所需时长进行修正的过程为：控制器在检测到励磁相相电流值达到峰值时，将从励磁相定转子齿交叠点位置到励磁相关断角、下一励磁相开通角位置的角度差除以此时的角速度，计算得出转子从励磁相定转子齿交叠点位置到励磁相关断角、下一励磁相开通角位置所需时长；根据相应励磁相开通角和转子角速度，通过查找各相应励磁相的开通角、转子角速度和相电流的峰值时刻与转子到达相应励磁相定转子齿交叠点位置时刻之间的偏移量对应关系查找表，得到相应励磁相的偏移量，将该偏移量与计算得出的转子从相应励磁相定转子齿交叠点位置到该相关断角、下一励磁相开通角位置所需时长相加，得到对转子从相应励磁相定转子齿交叠点位置到该相关断角、下一励磁相开通角位置的修正后的所需时长，开启定时器，将修正后的所需时长作为定时时长。

励磁相开通角、转子角速度和对应励磁相相电流峰值位置角度拟合公式为：

θmax＝k×θon×(ω-ωc)²+θc

式中，θmax为励磁相相电流峰值位置角度；θon为励磁相开通角；ω为转子角速

度；系数k、ωc和θc分别由levenberg-marquardt曲线拟合方法拟合得到。

上述高速无位置传感器开关磁阻电机控制方法的控制系统，其特征在于：包括微控制器和功率变换器，微控制器包括主控芯片cpu、输入/输出模块gpio、模数转换模块ad、闪存模块flash和内部定时模块tim；输入/输出模块gpio获取包括速度、档位的控制信号经功率变换器控制开关磁阻电机运行，模数转换模块ad通过电阻转换对励磁相相电流进行实时地检测，当励磁相相电流达到峰值时，cpu中的内置程序1将励磁相转子齿运行的长度除以前后两次该相相电流峰值的时间差，得到此时的转子角速度，根据角速度计算出转子从该相定转子齿交叠点位置到该相关断角、下一励磁相开通角位置的所需时长；然后内置程序2根据此时的开通角和角速度，通过查找事先存储在微处理器cpu的闪存模块flash的开通角、角速度和偏移量的对应关系查找表，得出励磁相的相电流峰值时刻与转子到达定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量；内置程序3将此时的偏移量与计算得出的转子从励磁定转子齿交叠点位置到该相关断角、下一励磁相开通角位置所需时长相加，就得到了修正后的所需时长；开启定时器tim，将修正后的所需时长作为定时时长，准确地估算该相的关断时刻和下一相的开通时刻，实现高速无位置传感器开关磁阻电机控制。

所述主控芯片cpu采用stm32f103b。

本发明的优点及显著效果：本发明将高速无位置传感器开关磁阻电机控制方法运用到开关磁阻电机控制器中，使得在不使用位置传感器的情况下，能够准确地估算出开关磁阻电机每相的开通和关断时刻，增加无位置传感器开关磁阻电机的稳定性和可靠性。

本发明方法首先需要在使用位置传感器的情况下，通过输入不同的开通角，依次检测每个开通角和角速度下，对应的相电流峰值时刻与转子到达定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量，并将这些数据存储起来，建立开通角、角速度和偏移量对应关系查找表。在电机运行时对励磁相相电流值进行实时检测，当励磁相相电流达到峰值时，读取此时的开通角，计算此时的角速度，并通过查找存储的查找表的方式得到偏移量，从而对转子从该相定转子齿交叠点位置到该相关断角、下一相开通角位置的定时时长进行修正，进而更加准确地估算出该相的关断时刻和下一相的开通时刻。

本发明所给出的高速无位置传感器开关磁阻电机控制方法，只需要查找表和简单的公式计算，就能准确地对定转子齿交叠点位置进行修正，且修正快速，实时性好，方法操作简单，易于实现。

附图说明

图1a)是本发明建立开通角、角速度和偏移量对应关系查找表，图1b)是使用查找表实现高速无位置传感器开关磁阻电机控制的工作流程图；

图2是开关磁阻电机励磁相相电流和电感变化关系图；

图3是本发明应用在无位置传感器开关磁阻电机控制的硬件系统框图；

图4是本发明使用存储的查找表实现高速无位置传感器开关磁阻电机控制的运作流程图；

图5是本发明建立并存储开通角、角速度和相电流峰值时刻与转子到达定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量对应关系查找表的运作流程图；

图6是本发明中开通角、角速度和对应相电流峰值时刻与转子到达定转子齿交叠点位置时刻偏移量之间关系的直观曲线描述。

具体实施方式

下面结合附图和实例详细说明本发明提供的具体方法和运行过程。

本发明建立开通角、角速度和偏移量对应关系查找表，使用查找表实现高速无位置传感器开关磁阻电机控制的工作流程图如图1所示。开关磁阻电机的a、b、c三相依次轮流作为励磁相，当a相作为励磁相时，b相作为下一励磁相，当b相作为励磁相时，c相作为下一励磁相，当c相作为励磁相时，a相作为下一励磁相…。以a相作为励磁相为例(下同)，a相电流峰值位置与a相定转子齿交叠点位置存在偏移，且这个偏移量随着开通角和角速度变化而变化，所以，传统的相电流梯度法中，直接将a相相电流峰值位置作为a相定转子齿交叠点位置，而不根据开通角和角速度进行任何修正的做法存在不合理之处。

本发明根据开通角和角速度，查找事先存储在微处理器cpu里的开通角、角速度和a相相电流峰值时刻与转子到达a相定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量对应关系查找表，得到a相的偏移量。将得到的偏移量与计算得出的转子从a相定转子齿交叠点位置到a相关断角、下一相(b相)开通角位置所需时长相加，从而进行修正。微控制器在检测到a相相电流峰值时开启定时器，将修正后的转子从a相定转子齿交叠点位置到a相关断角、下一相(b相)开通角位置所需时长作为定时器的定时时长，从而通过修正的方式，更为准确地估算出开通和关断时刻，实现高速无位置传感器开关磁阻电机控制。

图3所示为本发明应用在无位置传感器开关磁阻电机控制的硬件系统框图。微控制器cpu采用stm32f103b作为主控芯片，通过通用输入/输出模块gpio接收速度、档位等输入信号，并输出控制信号至功率变换器，以不对称半桥结构功率变换器为例，通过导通、续流和回流三种工作方式对开关磁阻电机进行控制；励磁相(a相)相电流通过电阻转换，转换成电压信号，输出至微处理器cpu的模数转换模块ad；微处理器cpu在检测到励磁相(a相)相电流达到峰值时，开启定时器tim，通过角速度计算转子从该相(a相)定转子齿交叠点位置到该相(a相)关断角、下一相(b相)开通角位置所需时长(内置程序1)，然后查询存储在flash里的查找表，得到偏移量(内置程序2)，将偏移量与计算得出的所需时长相加(内置程序3)，作为定时器tim的定时时长，从而能够更加准确地估算出该相(a相)的关断时刻和下一相(b相)的开通时刻。

本发明使用存储的查找表实现高速无位置传感器开关磁阻电机控制的运作流程图如图4所示。首先，微控制器cpu的闪存模块flash事先存储好开通角、角速度和相电流峰值时刻与转子到达定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量的对应关系查找表；然后初始化角度位置、角速度等控制信号；控制器根据获取的控制信号，控制开关磁阻电机运行；微处理器cpu的模数转换模块ad通过电阻转换对励磁相(a相)相电流进行实时地检测，当励磁相(a相)相电流达到峰值时，根据前后两次测得该相(a相)相电流峰值的时长和角度周期的长度计算此时的角速度；根据角速度计算出转子从该相(a相)定转子齿交叠点位置到该相(a相)关断角、下一相(b相)开通角位置的所需时长；然后根据此时的开通角和角速度，通过查找事先存储在微处理器cpu的闪存模块flash的开通角、角速度和偏移量的对应关系查找表，得出该相(a相)的相电流峰值时刻与转子到达定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量；将此时的偏移量与计算得出的转子从该相(a相)定转子齿交叠点位置到该相(a相)关断角、下一相(b相)开通角位置所需时长相加，就得到了修正后的所需时长；开启定时器，将修正后的所需时长作为定时时长，从而更加准确地估算该相(a相)的关断时刻和下一相(b相)的开通时刻，实现高速无位置传感器开关磁阻电机控制。

本发明建立并存储开通角、角速度和相电流峰值时刻与转子到达定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量对应关系查找表的运作流程图如图5所示。开通角、角速度和对应偏移量查找表是在使用位置传感器的情况下建立的。首先输入一个开通角给控制器，控制器控制开关磁阻电机运行；控制器通过位置传感器检测转子的角度位置，并判断转子有没有到达该相(a相)的开通角位置；如果到达，则开启定时器tim1和tim2；在开关磁阻电机运行的过程中，实时地检测励磁相(a相)相电流的大小和转子角度位置，当励磁相(a相)相电流值达到峰值时，读取tim1的计时时刻t1；当转子到达该相(a相)定转子齿交叠点位置时，读取tim2的计时时刻t2；将t1与t2相减，得到相电流峰值时刻与转子到达定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量△t；然后计算此时转子转动的角速度，并将此时的开通角、角速度和偏移量△t输出并存储起来。依次将b相、c相、a相作为励磁相，用上述方法分别检测出励磁相在不同开通角和转子角速度的情况下，对应的励磁相相电流峰值时刻与转子到达该相定转子齿交叠点位置时刻之间的偏移量，并存储起来，从而建立励磁相开通角、转子角速度和该相相电流峰值时刻与转子到达该相定转子齿交叠点位置时刻之间偏移量的对应关系查找表。

本发明中开通角、角速度和对应相电流峰值时刻与转子到达定转子齿交叠点位置时刻偏移量之间关系的直观曲线描述如图6所示。定转子齿交叠点位置角度是一直保持不变的。在开通角固定的情况下，相电流峰值位置角度随着角速度的增大而增大，增大的速率先快后慢。在角速度固定的情况下，开通角越大，相电流峰值位置角度越大。开通角、角速度和对应相电流峰值位置角度拟合公式为：

θmax＝k×θon×(ω-ωc)²+θc

上式中：θmax为相电流峰值位置角度；θon为开通角；ω为角速度；系数k、ωc和θc分别可由levenberg-marquardt曲线拟合得到。

以上借助实施例描述了本发明的具体实施方式，但是应该理解的是，前述具体的描述不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例作出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。