基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置的制作方法

本实用新型涉及开关磁阻电机控制领域，特别涉及基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置。

背景技术：

开关磁阻电机具有结构简单、效率高、容错能力强等诸多优点，现已在电动汽车、航空工业、矿山开采等众多领域得到了广泛应用。而实时、准确地获取电机转子的位置信息是实现开关磁阻电机高性能调速控制的基本要求，传统获取电机转子位置信息主要采用位置传感器，但位置传感器的引入不仅增加了调速系统的成本和复杂度，同时也降低了系统的可靠性和环境适应性，因此研究开关磁阻电机的无位置传感器控制具有重要意义。

三相开关磁阻电机是目前应用最广泛的开关磁阻电机，而有关其无位置传感器控制方法主要有电感模型法、智能控制法、磁链/电流法等。其中电感模型法是预先将电机的电感、电流及对应的转子位置存储于三维表格中，在电机运行时只需实时采集电流值并进行简单的运算处理，再根据该数据表即可获得相应的转子位置角度；该方法算法简单，但占用系统资源大、灵活性和实时性不高。智能控制法是通过建立以电流和磁链为输入、转子位置角度为输出的非线性映射模型，再根据该模型并通过实时采集电流和磁链值来估算出转子的位置角度；该方法位置估算精度高，但存在算法复杂、运算工作量大、实时性不高等不足。磁链/电流法则是通过对开关磁阻电机导通相施加斩波控制电流及非导通相施加高频检测脉冲，再利用导通相与非导通相电感交点的位置角度来对电机的转子位置进行估算；该算法具有占用系统资源较少、运算工作量适中等优点，但在导通相电流大于其临界饱和电流后，上述相电感交点位置会随导通相电流的增大而发生偏移，从而导致在估算电机转子位置时会产生较大的偏差，因而严重影响了电机控制精度的提高。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型提供一种原理简单的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置。

本实用新型提出的技术方案为：

包括微控制器、功率变换电路驱动模块、功率变换电路、电流检测模块、电压检测模块、输入输出模块和直流稳压电源；其中，所述微控制器分别与功率变换电路驱动模块、电流检测模块、电压检测模块和输入输出模块相连，所述功率变换电路分别与开关磁阻电机、功率变换电路驱动模块、电流检测模块和电压检测模块相连；

所述微控制器用于通过功率变换电路驱动模块向功率变换电路发出控制信号，并通过功率变换电路分别向开关磁阻电机导通相绕组输出斩波控制电流及非导通相绕组输出高频控制脉冲，同时根据电压检测模块和电流检测模块检测的电压、电流反馈信号计算开关磁阻电机的转子位置角度；

所述功率变换电路驱动模块用于接收微控制器输出的pwm控制信号，并输出相应的控制信号控制功率变换电路中对应功率开关的开关状态；

所述电流检测模块用于实时检测功率变换电路中对应开关磁阻电机各相的电流值；

所述电压检测模块用于实时检测功率变换电路中对应开关磁阻电机各相的电压值；

所述功率变换电路用于接收功率变换电路驱动模块输出的控制信号，分别向开关磁阻电机导通相绕组输出斩波控制电流及非导通相绕组输出高频控制脉冲；

所述直流稳压电源用于给系统提供所需的正常工作的电压与电流。

所述控制装置还包括与微控制器连接的输入输出模块，所述输入输出模块用于设置相关控制参数及显示转速、转子位置角度等状态参数。

所述功率变换电路驱动模块包括功率开关管驱动芯片(u1)，所述微控制器输出的pwm控制信号从功率开关管驱动芯片(u1)的第2脚输入，经功率开关管驱动芯片(u1)放大隔离处理后从第11脚输出给主功率开关管(q1)的g脚，从而控制主功率开关管(q1)的开通与关断，进而实现对开关磁阻电机相电流的实时调节。

所述功率变换电路包括若干相功率变换单元，每相功率变换单元采用不对称半桥结构，每相功率变换单元包括第一主功率开关管(q1)、第二主功率开关管(q2)、第一续流二极管(d1)、第二续流二极管(d2)、母线电压输入接线端(j1)和(j2)，该输入端同时与电压检测模块相连；所述第一主功率开关管(q1)与第一续流二极管(d1)之间设有接线端cin_a，接线端cin_a和接线端cout_a为电流检测模块输入端；所述第一接线端(j3)与接线端cout_a相连，所述第二主功率开关管(q2)与第二续流二极管(d2)之间设有第二接线端(j4)，所述第一接线端(j3)和第二接线端(j4)组成开关磁阻电机某一相绕组输入端；所述功率变换单元的接线端ahg、ahe和alg、gle分别接收功率变换电路驱动模块发送给第一主功率开关管(q1)和第二主功率开关管(q2)的开通与关断控制信号，当第一主功率开关管(q1)和第二主功率开关管(q2)导通时，所述第一续流二极管(d1)和第二续流二极管(d2)截止，则母线电压经第一接线端(j3)和第二接线端(j4)加到开关磁阻电机的某一相绕组上，产生正向电流；当第一主功率开关管(q1)和第二主功率开关管(q2)关断时，由第一续流二极管(d1)和第二续流二极管(d2)续流，将开关磁阻电机某一相绕组的储能回馈至功率变换单元的储能电容c1和c2中。

所述电流检测模块包括若干相电流检测单元，所述每相电流检测单元包括电流传感器(u2)、信号差分放大电路和电压跟随电路；开关磁阻电机的相电流从电流传感器(u2)的cina端输入，从couta端输出，电流传感器(u2)根据输入的相电流值大小，将其线性转化为对应的电压信号，并输出相应的差分电压信号；再将该差分电压信号传输至信号差分放大电路，由该信号差分放大电路对输入的差分电压信号进行放大与隔离处理后传输给电压跟随电路进行再次隔离，最后传输至微控制器的模数转换端口，并对其进行模数转换处理，最后微控制器根据接收的数字信号进行相应的数学计算，从而计算出开关磁阻电机的相电流实际值。

所述电压检测模块包括相连的母线电压输入端、多级分压电阻、隔离放大器、差分放大电路和电压跟随电路，所述母线电压输入端通过多级分压电阻获取母线差分电压信号，该差分电压信号传输给隔离放大器进行隔离放大，之后再经差分放大电路进行进一步放大与隔离处理，最后经电压跟随电路将母线电压检测信号传输给微控制器的模数转换接口，并对其进行模数转换处理，最后微控制器根据接收的数字信号进行相应的数学计算，从而计算出母线电压的实际值。

所述直流稳压电源包括相连的输入端、高频变压器(t1)、第一电压稳压芯片(u9)和第二电压稳压芯片(u10)，所述直流稳压电源输入端输入的电压通过高频变压器(t1)进行电压变换之后，在其第一副边和第二副边处分别产生正15v电压和负15v电压，接着正15v电压经u9转换为vdd，再通过u10转换为vcc3.3，上述不同等级的电压用于给系统不同模块提供电源。

本实用新型提供的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置的操作计算方法，包括以下步骤：

步骤s1)根据三相开关磁阻电机三相绕组的实时相电感值得相电感函数关系式；

步骤s2)根据步骤s1所得三相绕组的相电感函数关系式得相应三相线电感函数关系式；

步骤s3)通过步骤s2所得三相线电感函数关系式确定三相线电感的特征点，计算两相邻线电感特征点在对应区间n内的位置角度和时间，计算电机转子在该两相邻线电感特征点对应区间n内的平均转速

步骤s4)根据步骤s3所得电机转子在区间n内的平均转速计算电机转子在下一个对应区间(n+1)内任意时刻t的转子位置角度θn+1(t)；

步骤s5)根据步骤s4所得转子在对应区间(n+1)内任意时刻t的转子位置角度θn+1(t)，向三相开关磁阻电机输出相应的控制信号，即可实现三相开关磁阻电机无位置传感器的精确控制。

优选地，上述步骤s1包括：

s11)实时计算三相开关磁阻电机三相绕组的相电感值，具体为：

三相开关磁阻电机以单相依次循环导通模式运行，控制功率变换电路向各相绕组注入一定频率的脉冲电压，同时实时检测各相绕组的电流峰值及母线电压值，由式(1)计算各相绕组的电感值：

式中：l为三相开关磁阻电机的相绕组电感值，udc为母线电压，ipk为相电流峰值，δt为功率变换电路中对应功率开关管的导通时间；

s12)在三相开关磁阻电机的一个转子电气周期内，按相同间距选取不同的转子位置角度θi处，分别检测相应的相电流峰值及母线电压值，并由式(1)计算出相应的电感值li，由此获得n组参数(θi，li)(i＝1,…n)，再针对该组参数采用数值拟合方法得到相应的相电感与转子位置角度间的函数关系，所得三相绕组的相电感函数关系式分别为：

la(θ)＝k1sin(θ)-k2sin(2θ)+k3(2)

lb(θ)＝k1sin(θ-2π/3)-k2sin(2θ+2π/3)+k3(3)

lc(θ)＝k1sin(θ+2π/3)-k2sin(2θ-2π/3)+k3(4)

式中：k1、k2和k3为电感系数，la(θ)为三相开关磁阻电机a相绕组的电感函数，lb(θ)为三相开关磁阻电机b相绕组的电感函数，lc(θ)为三相开关磁阻电机c相绕组的电感函数。

优选地，上述步骤s2具体操作为：由步骤s12所得三相绕组的相电感函数关系式得到相应的三相线电感函数关系式：

其中：lab(θ)为开关磁阻电机a相绕组和b相绕组间的线电感函数，lbc(θ)为开关磁阻电机b相绕组和c相绕组间的线电感函数，lca(θ)为开关磁阻电机c相绕组和a相绕组间的线电感函数。

优选地，上述步骤s3包括：

s31)确定三相线电感的特征点；

将所述三相线电感的特征点定义为三相线电感值相等时所对应的电机转子位置点，即当线电感lab(θ)＝lbc(θ)＝lca(θ)时，其对应电机转子位置角度θk所组成的位置点(θk，l(θk))。为便于分析，尤其可取三相线电感曲线的交点作为三相线电感的特征点。

s32)通过公式(8)计算两相邻线电感特征点对应区间的位置角度；

式中：δθn表示两相邻线电感特征点在对应区间n的位置角度，nr表示开关磁阻电机转子极数；

s33)计算两相邻线电感特征点对应区间的时间；

微控制器根据步骤s2的三相线电感函数关系式确定线电感特征点电感值，在对应区间n内实时检测线电感实际值，当线电感实际值等于特征点电感值时，将定时器清零并重新启动定时器开始计时，同时检测下一相邻线电感的实际值，当下一相邻线电感的实际值等于特征点电感值时，记录并保存定时器中的时间值，该时间值即为两相邻线电感特征点对应区间n的时间；然后将定时器清零并重新启动定时器计时，继续检测下一相邻线电感特征点对应区间n的时间，周而复始，从而获得所有两相邻线电感特征点对应区间的时间值；

s34)计算电机转子在该两相邻线电感特征点对应区间n内的平均转速

通过式(9)计算电机转子在区间n内的平均转速

式中：δθn表示两相邻线电感特征点对应区间n的位置角度；δtn表示电机转子转过两相邻线电感特征点对应区间n的时间。

优选地，步骤s4为根据步骤s3所得电机转子在区间n内的平均转速计算电机转子在对应区间(n+1)内任意时刻t的转子位置角度θn+1(t)，具体公式为：

式中：θn+1(t)表示电机转子在区间(n+1)任意时刻t的位置角度，θn+1(t0)表示电机转子在区间(n+1)起始时刻t0的位置角度。

与现有技术相比，本实用新型提供的基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置，通过实时计算三相开关磁阻电机三相绕组的相电感值并采用数值拟合方法得到其函数关系式，由所获得的相电感函数关系式得到相应的线电感函数关系式，再通过确定两相邻线电感的特征点并获取该两特征点对应区间的位置角度与时间，由所获得的位置角度与时间计算出电机转子在该两特征点对应区间的平均转速，再根据该平均转速来计算出电机转子在下一对应区间任意时刻的位置角度，根据该位置角度即可实现电机的无位置传感器调速控制。该方法采用三相开关磁阻电机的线电感来实现其转子位置的估算，克服了磁链/电流法利用其相电感交点的位置角度来估算其转子位置时存在的与相电流饱和程度有关的问题，即当电机导通相电流大于其临界饱和电流后，其导通相与非导通相的电感交点会随相电流的增大而发生偏移，从而导致利用该电感交点的位置角度来估算其转子位置时会产生较大的误差；而对于由相电感所得到的线电感，其对应的两相邻特征点之间的位置角度却是固定的，与相电流是否饱和无关，因而只要获取该两相邻特征点之间的时间，即可准确计算出电机转子在该区间的平均转速，并进而由该平均转速计算出电机转子在下一对应区间任意时刻的位置角度，从而实现电机的高精度调速控制。该方法因有效避免了磁路饱和对转子位置估算精度的影响，且算法简单，因而具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置结构框图；

图2为本实用新型提供的开关磁阻电机功率变换电路原理线路图；

图3为本实用新型提供的电流检测模块电路图；

图4为本实用新型提供的电压检测模块电路图；

图5为本实用新型提供的差分放大器输入侧供电电源电路图；

图6为本实用新型提供的主功率开关器件驱动模块电路图；

图7为本实用新型提供的直流稳压电源电路图；

图8为本实用新型三相开关磁阻电机相电感和线电感曲线图；

图9为本实用新型三相开关磁阻电机线电感交点示意图；

图10为本实用新型由两相邻线电感交点获取对应区间时间的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

实施例1

图1为本实用新型基于线电感特征点提取的三相开关磁阻电机无位置传感器控制装置的结构框图，所述控制装置包括微控制器、功率变换电路驱动模块、功率变换电路、电流检测模块、电压检测模块、输入输出模块及直流稳压电源。所述微控制器分别与功率变换电路驱动模块、电流检测模块、电压检测模块以及输入输出模块相连；所述功率变换电路分别与功率变换电路驱动模块、电流检测模块和电压检测模块相连；其中：

所述微控制器用于通过功率变换电路驱动模块向功率变换电路发出控制信号，并通过功率变换电路分别向开关磁阻电机导通相绕组输出斩波控制电流及非导通相绕组输出高频控制脉冲，同时根据电压检测模块和电流检测模块检测的电压、电流反馈信号计算开关磁阻电机的转子位置角度；

所述功率变换电路驱动模块用于接收微控制器输出的pwm控制信号，并输出相应的控制信号控制功率变换电路中对应功率开关的开关状态；

所述电流检测模块用于实时检测功率变换电路中对应开关磁阻电机各相的电流值；

所述电压检测模块用于实时检测功率变换电路中对应开关磁阻电机各相的电压值；

所述功率变换电路用于接收功率变换电路驱动模块输出的控制信号，分别向开关磁阻电机导通相绕组输出斩波控制电流及非导通相绕组输出高频控制脉冲；

所述输入输出模块用于设置相关控制参数及显示转速、转子位置角度等状态参数；

所述直流稳压电源用于给系统提供所需的工作电压与电流。

本实施例中，开关磁阻电机功率变换电路的作用在于将母线电压经适当变换后供给电机，以驱动电机运行。由于开关磁阻电机各相电路是独立的，每相功率变换电路相同，故以a相电路为例进行说明，其功率变换电路如图2所示。

该功率变换电路采用不对称半桥结构，每相功率变换电路包括第一主功率开关管q1、第二主功率开关管q2、第一续流二极管d1、第二续流二极管d2、母线电压输入接线端j1和j2，该输入端同时与电压检测模块相连；所述第一主功率开关管q1与第一续流二极管d1之间设有接线端cin_a，接线端cin_a和接线端cout_a为电流检测模块输入端。所述第一接线端j3与接线端cout_a相连，所述第二主功率开关管q2与第二续流二极管d2之间设有第二接线端j4，所述第一接线端j3和第二接线端j4组成开关磁阻电机某一相绕组输入端。所述功率变换电路的接线端ahg、ahe和alg、gle分别接收功率变换电路驱动模块发送给第一主功率开关管q1和第二主功率开关管q2的开通与关断控制信号，当第一主功率开关管q1和第二主功率开关管q2导通时，所述第一续流二极管d1和第二续流二极管d2截止，则母线电压经第一接线端j3和第二接线端j4加到开关磁阻电机的a相绕组上，产生正向电流；当第一主功率开关管q1和第二主功率开关管q2关断时，由第一续流二极管d1和第二续流二极管d2续流，将开关磁阻电机a相绕组的储能回馈至功率变换单元的储能电容c1和c2中。

本实施例中，电流检测模块用于实时检测开关磁阻电机每相绕组的电流值。由于开关磁阻电机各相绕组电路是独立的，每相电路的电流检测模块相同，故以a相电路为例进行说明，其电流检测模块电路如图3所示。图中，u2为电流传感器，本实用新型采用型号为casr25-np的霍尔电流传感器，其接线端cin_a为霍尔电流传感器u2的电流输入端，接线端cout_a为霍尔电流传感器u2的电流输出端；霍尔电流传感器u2根据输入的a相电流值大小，将其线性转化为对应的电压信号，并通过其第11、12引脚输出相应的差分电压信号；再将该差分电压信号传输至由运算放大器u3a及其外围电阻r14、r15、r16、r17及电容c10、c12组成的信号差分放大电路，由该信号差分放大电路对输入的差分电压信号进行放大与隔离处理后传输给由运算放大器u3b组成的电压跟随电路进行再次隔离处理，最后经输出端c_out1传输至微控制器的模数转换端口，并对其进行模数转换处理。最后微控制器根据接收的数字信号进行相应的数学计算，从而计算出a相绕组的实际电流值。

本实施例中，电压检测模块用于实时检测给功率变换器供电的母线电压值，其电路图如图4所示。图中，接线端p、n为母线电压输入端，通过电阻r18～r29进行多级分压处理，然后从电阻r29两端获取母线差分电压信号，该差分电压信号传输给差分放大器u4(本实用新型采用型号为hcpl-7840的差分放大器)进行线性差分隔离放大，再经由运算放大器u5a、电阻r30、r31、r32和r33以及电容c13、c15和c18组成的差分放大电路进行进一步放大与隔离处理，最后再经运算放大器u5b组成的电压跟随电路将母线电压检测信号从输出端udc_out处传输给微控制器的模数转换接口，并对其进行模数转换处理。最后微控制器根据接收的数字信号进行相应的数学计算，从而计算出母线实际电压值。

图5为本实用新型提供的差分放大器输入侧供电电源电路图，该电路用于给差分放大器u4输入侧提供隔离电源，其中u7为15v转15v隔离电源芯片，其型号为b1515ls-1wr2；u6为15v转5v线性稳压电源芯片。该电路工作原理如下：首先通过u7将+15v电源vcc转换为隔离的+15v电源，然后再通过u6将隔离的+15v电源转换为隔离的+5v电源，该电源用于给差分放大器u4的输入侧提供工作电源。

本实施例中，功率变换电路驱动模块用于对微控制器输出的pwm控制信号进行隔离放大后控制功率变换电路中对应功率开关管的开关状态，以实现对电机相电流实施斩波调节。每相功率变换电路中有两个主功率开关管，其驱动模块电路是相同的，故以其中主功率开关管q1的驱动模块电路为例进行说明，其电路图如图6所示。图中，u1为功率开关管驱动芯片，其型号为hcpl-316j。微控制器输出的pwm控制信号从u1的第2脚输入，经u1放大隔离处理后从第11脚输出给主功率开关管q1的g脚，从而控制主功率开关管q1的开通与关断，进而实现对开关磁阻电机相电流的实时调节。

本实施例中，直流稳压电源用于给系统提供所需的正常工作的电压与电流。其电路图如图7所示。接线端p和n为直流稳压电源的输入端，经高频变压器t1进行电压变换之后，在第一副边(第3脚和第4脚)和第二副边(第4脚和第5脚)处分别输出正15v电压(标识为+15v)和负15v电压(标识为-15v)，其中高频变压器t1的第4脚为两者的公共地。之后正15v电压经u9转换为vdd(+5v)，再通过u10转换为vcc3.3(+3.3v)，上述不同等级的电压用于给系统不同模块提供电源。

实施例2

图8为本实用新型三相开关磁阻电机相电感和线电感曲线图。图中上方为相电感曲线，下方为线电感曲线。在相电感曲线中以转子周期内电机第一导通相为a相，依次随后导通相为b相，最后导通相为c相。根据实时检测各相绕组的电流峰值及母线电压值，由式(1)计算出各相绕组的电感值，由一系列各相绕组电感值采用数值拟合的方法得到其函数关系式，分别如式(2)～式(4)所示。

la(θ)＝k1sin(θ)-k2sin(2θ)+k3(2)

lb(θ)＝k1sin(θ-2π/3)-k2sin(2θ+2π/3)+k3(3)

lc(θ)＝k1sin(θ+2π/3)-k2sin(2θ-2π/3)+k3(4)

其中，k1、k2和k3为电感系数。

然后由所得相电感函数关系式来计算对应的线电感函数关系式为：

由式(5)～式(7)可得以下等式：

lab(θ-2π/3)＝lbc(θ)(11)

lbc(θ-2π/3)＝lca(θ)(12)

lca(θ-2π/3)＝lab(θ)(13)

从式(11)～式(13)可见，任意两相邻线电感之间的相位差为2π/3，即任意两相邻线电感特征点之间的电气角度差δθe为2π/3，然后根据转子电气角度与位置角度换算关系：

可得两相邻线电感特征点对应区间的位置角度为：

根据公式(8)，对于三相12/8型开关磁阻电机，其nr＝8，因此任意两相邻线电感特征点对应区间的位置角度δθn＝π/12；而对于三相6/4型开关磁阻电机，其nr＝4，因此任意两相邻线电感特征点对应区间的位置角度δθm＝π/6。

图9为本实用新型三相开关磁阻电机线电感交点示意图。当满足lab(θ)＝lbc(θ)＝lca(θ)时，所对应的电机转子位置角度θk及相应的线电感值l所组成的位置点(θk，l)均为线电感特征点。为方便起见，本实用新型优选线电感交点作为特征点来进行说明；其中线电感交点包括线电感正值交点和线电感负值交点。图中标号x1-2、x1-4和x1-6的线电感交点为线电感正值交点；标号x1-1、x1-3和x15的线电感交点为线电感负值交点。判断线电感正值交点和线电感负值交点的方法为：根据步骤s2所得线电感值函数关系式，判断同一转子位置角度处任意两线电感值是否相等，如果相等，再判断此时线电感值是否大于0，如果大于0，则为线电感正值交点；否则，则为线电感负值交点。

图10为本实用新型由两相邻线电感交点获取对应区间时间值的示意图，接下来以线电感正值交点x1-2到x1-4所对应区间时间值获取为例来进行说明。当微控制器捕获到线电感正值交点x1-2后，将定时器清零并启动定时器开始计时，同时检测下一相邻线电感的实际值，当下一个相邻线电感正值交点x1-4出现时，记录并保存定时器中的时间值δt，该值即为两相邻线电感特征点x1-2到x1-4对应区间的时间；然后将定时器清零并重新启动定时器计时，继续检测下一相邻线电感特征点x1-6的出现并记录对应的区间时间，周而复始，从而获得所有两相邻线电感特征点对应区间的时间值。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。