专利名称：一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法
技术领域：
发明涉及一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，属于开关磁阻电机 控制技术领域。
背景技术：
开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)作为一种新型的调速系统，不 但兼具交、直流调速的基本优点，而且具备独特的高速性能以及容错能力。这使得它在航空 航天以及各种民用制造业的交、直流传动领域得到了广泛的关注，无疑具有很好的应用前 景和市场价值。对于开关磁阻电机系统，实时而准确的转子位置信息是其可靠运行和高性 能控制的前提。在目前实际应用中，一般采用轴位置传感器或其他探测式位置检测器来获 取位置信息，这不仅增加了系统成本和复杂度，同时降低了整个系统运行的可靠性，尤其在 一些高温、高速以及油污环境等苛刻运行条件下的应用，如航空高速起动/发电机、燃油泵 电机、压缩机等，传统位置传感器的工作受到限制，从而大大限制了该型电机应用的范围， 使得其耐高温、适合高速、强容错等固有性能不能得到充分体现。因此，如何取代位置传感 器，克服采用位置传感器带来的不足，探索实用的无位置传感器技术具有十分重要的研究 价值。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，或者直接利用磁链或电感阀值的方法直接得到换相信号，从而取代位置传感器。 虽然这些方法都是非常经典而有效的方法，但是它们都有一个共同的缺点，即它们都非常 依赖于电机本体的相关电磁特性参数，并且对电机的电气对称性要求非常高，角度估计的 误差源多。在采用这些方法之前，首先必须对电机进行电感，磁链等电磁特性的测量，而这 些参数的测量本身就是很复杂而烦琐，并且精度有限；另外，即使是对同一型号的电机，在 控制时软件参数都需要做相应的修改。这些问题必然导致算法的可移植性差，直接影响到 无位置技术的通用性。
发明内容
本发明要解决的问题是克服传统的基于磁链或电感的相关无位置算法准备工作复杂，算法误差源多，可 移植性差等问题，得到一种简单且易于实现的，通用性强的无位置传感器位置估计策略。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明为一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，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，相电感在定转子对齐位置达到最大，因此相电 感斜率在电感最大位置由正变负，因而存在斜率过零点。因此通过以下步骤即可实现转速 估计和转子位置的估计。1)实时检测各相电流和端电压；
3
2) DSP采样各相电流和端电压，通过数字积分计算各相磁链；3)将相磁链除以电流得到实时的相电感；4)在DSP中计算一个中断周期的电感差值；5)比较各相电感大小，选择电感最大相作为估计相；6)在步骤5)所选估计相区域将上述步骤4)中所计算电感差值与零比较，若大于 0则为高电平，若小于等于0则为低电平；从而得到过零点的脉冲信号，过零点位置即定转 子对齐位置；7)步骤6)中相邻的两个过零脉冲下降沿之间相差45度，即1/8周期，从而可以估 算出转速和转子位置信息。该算法不依赖于电机本体参数，也无须测量静态磁链等电机特性，算法简单且易 于实现，因此相对于传统无位置策略具有更强的通用性。
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为电感特性三维关系图；图5为本发明原理示意图(A相为例)；图6为过零检测脉冲信号与位置角度关系图；图7为电流进入饱和电流区后，电感曲线和斜率曲线关系示意图；图8为电机运行时电感实时计算方法流程框图；图9为本发明一种开通角为0度的开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法 原理图；图10本发明一种适合开通/关断角可调的无位置传感器转子位置估计方法。
具体实施例方式本发明利用电感与转子位置的关系，通过检测每个周期最大电感位置点的方法来 估计转速和转子位置信息。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(A)为以样机一相电感特性曲线。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，该图表示了相同电流下，不同转子位置的相电感曲线族。
4由图可知，相电感随电流的增大而减小，当电流达到一定值时，电感将出现饱和，此时电感 曲线顶部出现平顶。其三维关系可由式(1)表示，三维关系图如图4所示。图3(B)为相同 电流下的相电感斜率曲线。L = L( θ , i) (1)图5为以A相为例说明本发明原理示意图。如图所示，相电感曲线，相电感斜率曲 线，以及斜率过零点脉冲信号。脉冲信号下降沿位置即电感最大位置。相邻的两个下降沿 之间为45度，即1/8个机械周期。过零检测脉冲信号与位置角度关系图如图6所示。图7(A)为电流进入饱和电流区后，电感曲线和斜率曲线关系示意图。图7(B)为 电感斜率在电感最大位置附近过零点示意图，由该图可知，当电流达到饱和后，由于电感饱 和，在电感顶部出现平顶，电感斜率可能出现多个零点，造成位置估计失误。但是由于电机 实际运行过程中，由于要使进入电感下降区的续流区电流尽量小，以减小产生的负转矩，所 以必须在电感22. 5度之前关断，从而使得22. 5度附近位置电流远小于饱和电流，在实际电 机运行时，电感斜率负向过零点只有一个，即对应22. 5度位置，因此本发明方法完全适合 开关磁阻电机运行的位置检测和速度估计。图8为电机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￥k{t) = |(V,(0-^4(0)^ + ^(0)( 2 )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Ψk {η) = Σ [ν, (η) - Rkik (η)]Τ + ψ, (0)( 3 )
=1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 (4)mo^^l(5)
i这种方法由于引入了积分运算，相电压、相电流检测误差，以及绕组等效电阻的变 化，都会影响计算的精度，这种方法比较适合电机转速较高时的磁链估计。图9为本发明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，电机开 通角为0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，各相相位差15度。其中图9 (A)为处理方法一原理图图9㈧所示为开通角为0度时的各相电感实时计算的波形，以A相为例，根据电 感与位置角之间的关系，由图可知，在0-22. 5度时即电感上升区的电感斜率将大于等于0， 而当电流续流到电感下降区时，电感斜率变负，因此22. 5度位置即电感斜率负向过零位 置，因此电感斜率k经过零比较后可以得到如图所示的脉冲信号Pa。输出信号波形与数字 过零比较器的程序设置有关。(l)gk>0，Pa>0;k<0，Pa = 0。则可以得到图9 (Al) 的波形。(2)若k彡0，Pa > 0 ;k < 0，Pa = 0。则可以的到图9 (A2)的波形。通过检测所得脉冲信号的相邻两个脉冲的下降沿，记录两个下降沿之间的时间Td_即可通过式(6)得 到转速信息，根据估算出的实时转速就可以估计出电机转子实时的位置。nsrffl = 7. 5Td_ (6)图10为本发明一种适合开通/关断角可调的无位置传感器转子位置估计方法。当 开通角提前时，理论上可以根据图9方法判断得到相应的过零脉冲信号。当电感斜率k > 0，Pa > 0 ;k彡0，Pa = 0，因此可以得到入图10㈧所示过零脉冲信号。但是在DSP数字控 制系统中，电感斜率计算的方式是计算相邻中断中电感采样点差值与中断周期的比值，由 于只有在开通相电感才能计算得到，而在关断时电感的计算值为0，因此在所估计相刚好开 通的时刻，开通前后两次电感采样值之差会存在一个突变，使得该周期斜率计算值大于0， 而之后各采样周期中电感斜率计算进入稳定区，因此在电感下降区电感斜率小于0，而在电 感上升区，电感斜率大于0，若采用上述数字过零比较的方法，则会得到如图10(B)所示的 过零脉冲波形。由图可知，在一个周期内会出现两个脉冲，因此采用上述检测下降沿估计的 方法无法正确的估计转速和转子位置。为解决上述方法在实验过程出现的问题，本发明提出了一种将上述方法与基于电 感大小分区的估计相选择方法相结合的位置估计策略，该方法巧妙的避开了在提前开通情 况下出现误估计脉冲的问题，具体方法结合图10(c)进行说明。由图10(C)所示，该方法是通过比较三相实测电感大小，选择电感计算值最大的 相作为当前估计相，此相选择逻辑由表一所示，即当La > L。> Ld时，选择A相作为估计相； 当L。> Lb > La，选择C相作为估计相；当Lb > La > L。，选择B相作为估计相。一旦选定估 计相，则计算当前估计相电感斜率，并利用数字过零比较的方法得到单个估计相的过零脉 冲信号PA、PB、PC,同时也可得到一组综合各估计相过零脉冲信号的综合脉冲信号Puse。表一电感分区逻辑表 由于过零脉冲信号PA、PB或PC的下降沿位置为该相电感最大位置，而相邻两个 下降沿之间相位差45度，因此捕获任意一组过零脉冲信号的下降沿，记录两个下降沿之间 的时间Td。wn，同样可以利用式(6)计算出转速信息，同时估计出转子实时位置。而由于上述 Puse信号，各下降沿对应着各相电感最大位置，因此相邻下降沿之间相隔15度，同理可以 通过捕获下降沿的方法来估计转速信息和转子实时位置。本发明方法仅通过估计特定位置的方法来确定转子实时位置和转速信息，具备以 下优点1)原理简单，实施非常方便灵活；2)程序简单，无复杂的运算以及表格存储，占用软件资源少，且无需额外增加硬件；3)不需要单独测量静态电磁特性曲线，省去了传统无位置算法复杂的准备过程；4)适合电机在中速，高速整个运行范围的转速估计和位置检测，开通/关断角皆 可调整，满足电机运行性能；5)具有很强的鲁棒性，电机转速波动，外加扰动都不会影响位置的检测；6)对电机参数要求并不高，即使在由于电机加工问题而引起的电感对称度不高的 情况下，仍能准确的估计出最大电感位置；7)算法可移植性强，通用性强，适合任何结构和功率等级的普通开关磁阻电机的 转速或转子位置估计。
权利要求
一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，其特征在于包括如下步骤1)实时检测各相电流和端电压；2)DSP采样各相电流和端电压，通过数字积分计算各相磁链；3)将相磁链除以电流得到实时的相电感；4)在DSP中计算一个中断周期的电感差值；5)比较各相电感大小，选择电感最大相作为估计相；6)在步骤5)所选估计相区域将上述步骤4)中所计算电感差值与零比较，若大于0则为高电平，若小于等于0则为低电平；从而得到过零点的脉冲信号，过零点位置即定转子对齐位置；7)步骤6)中相邻的两个过零脉冲下降沿之间相差45度，即1/8周期，从而可以估算出转速和转子位置信息。
全文摘要
本发明公布了一种开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，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，相电感在定转子对齐位置达到最大，因此相电感斜率在电感最大位置由正变负，因而存在斜率过零点。本发明通过实时采样各相电流、相电压，从而可以实时检测各相电感值，同时可以计算出电感斜率，将计算的电感斜率经过零比较，可以得到斜率过零点脉冲信号，从而检测出过零位置，而过零位置即为定转子齿极对齐位置。而相邻两个最大电感位置相位差45度，因此两个斜率过零点位置相差1/8周期，从而根据过零脉冲信号可以计算出电机实时转速和转子位置信息。该算法不依赖于电机本体参数，也无须测量静态磁链等电机特性，算法简单且易于实现，因此相对于传统无位置策略具有更强的通用性。
文档编号H02P6/18GK101902190SQ20101023877
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者周竟成, 蔡骏, 邓智泉 申请人:南京航空航天大学