一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置与流程

本发明涉及开关磁阻电机控制领域，特别涉及一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置。

背景技术：

开关磁阻电机具有起动电流小、起动转矩大、效率高、结构简单坚固、容错能力强、调速范围宽等系列优点，目前已在众多领域得到了广泛应用。要实现对开关磁阻电机的高性能控制，就必须准确获取电机转子的位置信息。传统的转子位置检测方式主要采用光电式、电磁式等位置传感器，但位置传感器的引入不仅增加了系统的成本和复杂度，而且降低了系统的可靠性和环境适应性。因此，开展开关磁阻电机无位置传感器控制方法研究具有重要意义。

目前国内外在有关开关磁阻电机无位置传感器控制方面已开展了大量研究，提出了多种无位置传感器控制方法，主要有电感模型法、智能控制法和磁链/电流法等。其中电感模型法需事先存储大量的磁链-电流-位置角数据，占用系统软硬件资源多；智能控制法则存在算法复杂、运算工作量大、运算时间长等不足；相对于上述两种方法来说，磁链/电流法则具有占用系统资源较少、运算工作量适中等优点，因而获得了广泛的应用。

磁链/电流法是根据开关磁阻电机导通相与非导通相电感交点的位置角度来对电机转子在任意时刻的位置进行估算。由于在实际应用中，当电机导通相电流大于其临界饱和电流时，电机导通相与非导通相电感交点的位置会发生偏移，因而导致利用上述电感交点的位置角度来估算电机转子在任意时刻的位置角度将产生较大的偏差，而目前所采用的磁链/电流法并未考虑导通相饱和电流对电感交点位置偏移的影响，因而严重影响了电机控制精度的提高。另外，目前在采用磁链/电流法对电机转子位置进行估算时，是将电机转子视为匀速运转来对其位置进行估算，而没有考虑在电机变速运行时，上述估算方式给位置估算精度造成的不利影响。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置，可准确获取电机转子的位置信息，进而使开关磁阻电机控制误差小、精度高。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

本发明所提供的一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：

步骤s1)根据第n个区间内开关磁阻电机导通相饱和电流与导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度偏移量间的函数关系式(1)判定是否需要对电机导通相和非导通相电感交点的位置进行修正，从而获得第n个区间内电感交点的准确位置角度；

式中，δθ为电机导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度的偏移量，is为电机临界饱和电流，in为电机第n相实际饱和电流，系数a、b和c采用正弦和理论进行确定；

步骤s2)根据步骤s1所得电感交点的准确位置角度获得电机转子在第n个区间相邻两电感交点对应的转子平均转速及电机转子从第(n-1)个区间运转至第n个区间的加速度

步骤s3)以电机转子在第n个区间的转子平均转速作为电机转子在第(n+1)个区间的初始转速，以电机转子从第(n-1)个区间运转至第n个区间的加速度作为电机转子在第(n+1)个区间的预期加速度，通过式(2)获得电机转子在第(n+1)个区间任意时刻t的转子位置角度θn+1(t)；其中：

式中：θn+1(t)为电机转子在第(n+1)个区间任意时刻t的位置角度，θn+1(t0)为电机转子在第(n+1)个区间起始时刻t0的位置角度；

步骤s4)根据步骤s3所得转子位置角度θn+1(t)，向开关磁阻电机输出控制信号。

优选地，步骤s1中确定式(1)的步骤是：

步骤s11)确定导通相临界饱和电流：将开关磁阻电机导通相定子凸极与转子凸极对齐，逐步增大导通相电流，实时记录导通相磁化曲线变化情况，磁化曲线出现弯曲时对应的导通相电流值即为临界饱和电流；

步骤s12)确定电机导通相和非导通相电感交点的基准位置角度：控制开关磁阻电机以单相依次循环导通模式运行，将电机导通相电流调至临界饱和电流，采用脉冲注入法实时获取开关磁阻电机的各相电感值，当导通相电感与非导通相电感相等时，将其对应的转子位置角度作为电机导通相和非导通相电感交点的基准位置角度；

步骤s13)确定位置角度的偏移量：以临界饱和电流为导通相初始电流，以相同电流间隔x逐步增大导通相电流，确定相应的导通相与非导通相电感交点相对于其基准位置角度的偏移量，分别改变电流间隔x重复获得若干组导通相饱和电流及其对应的位置角度偏移量；

步骤s14)根据步骤s13所得导通相饱和电流及其对应的位置角度偏移量，采用数值拟合方法获得电机导通相饱和电流与导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度偏移量间的函数关系式(1)。

更优选地，步骤s1中电机导通相和非导通相电感交点的位置修正的步骤是：

步骤s15)实时检测开关磁阻电机导通相电流，将实时检测的导通相电流与导通相临界饱和电流值比较，当导通相电流小于导通相临界饱和电流时，则无需对电机导通相和非导通相电感交点的位置角度进行修正，否则进入步骤s16；

步骤s16)将导通相电流代入式(1)计算该导通相电流对应的导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度偏移量；

步骤s17)根据步骤s16所得角度偏移量对导通相和非导通相电感交点的位置角度进行修正，从而得到该导通相和非导通相电感交点的准确位置角度值。

优选地，步骤s2中计算转子平均转速的公式为：

式中：为第n个至第(n+1)个电感交点所对应的第n个区间转子平均转速；θn和θn+1分别为第n个和第(n+1)个电感交点的位置角度；tn和tn+1分别为电机转子转到第n个和第(n+1)个电感交点位置所对应的时间。

优选地，步骤s3中计算加速度的公式为：

式中：和分别表示第n个区间和第(n-1)个区间的转子平均转速，表示电机转子从第(n-1)个区间运转至第n个区间的加速度，tn-1和tn+1分别表示电机转子转到第(n-1)个和第(n+1)个电感交点位置所对应的时间。

本发明的另一目的是提供一种开关磁阻电机无位置传感器控制装置，所述控制装置包括微处理器、相电流控制模块、相电流检测模块、母线电压检测模块、功率变换器及触摸式液晶显示屏，所述微处理器分别与相电流控制模块、相电流检测模块、母线电压检测模块以及触摸式液晶显示屏相连；所述功率变换器分别与相电流控制模块、相电流检测模块和母线电压检测模块相连；其中，

所述微处理器用于通过相电流控制模块向功率变换器发出控制信号，并通过功率变换器向开关磁阻电机绕组注入高频脉冲，分别根据母线电压检测模块和相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；

所述相电流控制模块用于接收微处理器输出的pwm控制信号，并针对该pwm控制信号进行驱动放大后控制功率变换器中对应功率开关的开关状态；

所述相电流检测模块用于实时检测功率变换器中对应开关磁阻电机各相的电流值；

所述母线电压检测模块用于实时检测功率变换器中的母线电压值；

所述功率变换器用于接收相电流控制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；

所述触摸式液晶显示屏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。

与现有技术相比，本发明提供的开关磁阻电机无位置传感器控制方法及装置，因对电机导通相与非导通相电感交点位置在导通相电流大于其临界饱和电流时发生的偏移进行了修正，同时考虑了电机变速运行时对转子位置估算精度造成的影响，因而有效提高了电机转子位置的估算精度，可精确计算出电机转子在某一区间任意时刻的位置角度，根据该位置角度即可实现开关磁阻电机的无位置传感器精确控制。该方法相对于现有转子位置估算方法，具有位置估算精度高、易于实现等优点，提高了电机无位置传感器控制的效果。

附图说明

图1为本发明获取开关磁阻电机在一个电气周期内导通相与非导通相电感交点基准位置角度的流程图；

图2为本发明获取开关磁阻电机导通相饱和电流与导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度偏移量的流程图；

图3为本发明开关磁阻电机导通相和非导通相电感交点随导通相饱和电流变化而发生偏移的示意图；

图4为本发明开关磁阻电机a相绕组与c相绕组电感交点随a相电流变化而发生偏移的局部放大图；

图5为本发明开关磁阻电机无位置传感器控制装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明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发明，并不用于限制本发明。

实施例1

本发明提供的开关电机无位置传感器的控制方法具体如下：

函数拟合

如图1所示，为本发明获取开关磁阻电机在一个电气周期内导通相和非导通相电感交点基准位置角度的步骤，具体为：

步骤(a1)：首先将电机导通相的定子凸极与转子凸极对齐并加以固定，然后从零开始逐步调大导通相电流，并记录导通相磁化曲线的变化情况，当磁化曲线出现弯曲时所对应的导通相电流值即为电机导通相的临界饱和电流；

步骤(a2)：将电机导通相电流稳定在临界饱和电流，并控制电机以单相依次循环导通模式运转；

步骤(a3)：针对电机各相绕组采用脉冲注入法获取其电感值，并对导通相与非导通相的电感值进行实时比较；

步骤(a4)：如果电机导通相与非导通相的电感值不相等，则返回步骤a3；否则通过位置传感器获取当前电机转子的位置角度，该位置角度即为电机导通相和非导通相电感交点的基准位置角度，并将该基准位置角度予以保存；

步骤(a5)：判断电机转子是否已转过一个电气周期，如已转过一个电气周期，则结束运行，并将相关结果通过触摸式液晶显示屏予以显示；否则返回步骤a2。

如图2所示，为本发明获取开关磁阻电机导通相饱和电流与导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度偏移量的步骤，具体为：

步骤(b1)：调节开关磁阻电机导通相电流至其临界饱和电流；

步骤(b2)：按相同电流间隔逐次调大导通相的电流值；

步骤(b3)：控制电机以单相依次循环导通模式运行；

步骤(b4)：针对电机各相绕组采用脉冲注入法获取其电感值，并对导通相和非导通相电感值进行比较；

步骤(b5)：如果电机导通相和非导通相电感值不等，则返回步骤b4；否则通过位置传感器获取当前电机转子的位置角度值；

步骤(b6)：根据步骤b5获得的电机导通相和非导通相电感交点的位置角度，并将其与该交点对应的基准位置角度比较，获得相应的角度偏差，并将该角度偏差及对应的导通相饱和电流予以保存；

步骤(b7)：判断电机导通相饱和电流是否已达到设定的上限值，如果没有达到设定的上限值，则返回步骤b2；否则运行过程结束，将获得的若干组导通相饱和电流及对应的导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度的偏差通过触摸式液晶显示屏予以显示。

图3为本发明开关磁阻电机导通相和非导通相电感交点随导通相饱和电流变化而发生偏移的示意图。该示意图中以三相12/8极开关磁阻电机为例，并以a相绕组为导通相进行说明。图中设a相绕组的临界饱和电流为20a，且a相绕组与c相绕组电感交点的基准位置为x1点，其对应的基准位置角度为120°。由图可见，当a相电流大于其临界饱和电流后，a相电感与c相电感的交点将偏离其基准位置x1点；且随着a相电流的逐步增大，上述电感交点偏离其基准位置x1点的距离也逐步增加；同样，对于a相电感与b相电感的交点，也存在上述同样的现象，即随着a相电流的增大，其电感交点的位置也将发生偏移。而对于以b相或c相绕组作为导通相来说，均存在上述同样的问题。

如图4所示，为开关磁阻电机a相绕组与c相绕组电感交点随a相电流变化而发生偏移的局部放大图。图中假设a相绕组的临界饱和电流为20a，并以a相电感和c相电感相交于120°的基准位置角度为例。可见，当a相电流小于或等于20a时，a相和c相电感均相交于基准位置角度120°处，即相应的位置偏移量均为0°；而当a相电流大于20a后，a相和c相电感的交点便偏离了其基准位置角度120°，且随着a相电流的逐步增大，上述交点偏离其基准位置角度的偏移量也同步增大；图中所示为以5a为增量逐步增大a相电流，相应的a相和c相电感交点的偏移情况。可见当a相电流达到100a时，a相和c相电感交点的位置为170°，其相对于基准位置角度的偏移量达到50°。因此，根据上述分析，以a相电流ia与其临界饱和电流is的偏差为自变量，以a相和c相电感交点相对于其基准位置角度的偏移量为因变量，采用数值拟合方法对a相电流与a相和c相电感交点相对于其基准位置角度偏移量间的函数关系进行拟合，所得拟合后公式为：

式中：δθac表示电机a相和c相电感交点相对于其基准位置角度的偏移量；is表示临界饱和电流；ia表示第a相实际饱和电流；系数a、b和c采用正弦和理论进行确定。

从而得到第n个区间内开关磁阻电机导通相饱和电流与导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度偏移量间的函数关系式(1)：

式中，δθ为电机导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度的偏移量，is为电机临界饱和电流，in为电机第n相实际饱和电流，系数a、b和c采用正弦和理论进行确定。

以在第n个区间进行开关磁阻电机无位置传感器控制为例，具体步骤如下：

数据修正

对开关磁阻电机第n个导通相和非导通相电感交点的位置进行修正，获得电感交点的准确位置角度，具体方法如下：

步骤(c1)：实时检测开关磁阻电机导通相电流，并将该导通相电流与其临界饱和电流进行比较，若该导通相电流小于其临界饱和电流，则无需对电机导通相和非导通相电感交点的位置角度进行修正；否则进入步骤c2；

步骤(c2)：根据导通相电流及式(1)所确定的函数关系，计算出该导通相电流所对应的导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度的偏移量；

步骤(c3)：根据步骤c2所得到的角度偏移量对导通相和非导通相电感交点的位置角度进行修正，从而得到第n个导通相和非导通相电感交点的准确位置角度值。

电机转子从第(n-1)个区间旋转至第n个区间的加速度确定

步骤d1)根据上述步骤计算得到第(n-1)个、第n个和第(n+1)个电感交点的准确位置角度，分别通过式(3)和式(4)计算第(n-1)个和第n个电感交点对应的第(n-1)个区间的转子平均转速和第n个和第(n+1)个电感交点对应的第n个区间的转子平均转速其中：

式中：表示第(n-1)个至第n个电感交点所对应的第(n-1)个区间的转子平均转速；表示第n个至第(n+1)个电感交点所对应的第n个区间的转子平均转速；θn-1、θn和θn+1分别表示第(n-1)个、第n个和第(n+1)个电感交点的准确位置角度；tn-1、tn和tn+1分别表示电机转子转到第(n-1)个、第n个和第(n+1)个电感交点位置所对应的时间。

步骤d2)根据及计算电机转子相应的加速度具体表达式为：

式中：和分别为第n个区间和第(n-1)个区间的转子平均转速，为电机转子从第(n-1)个区间旋转至第n个区间的加速度，tn-1和tn+1分别为电机转子转到第(n-1)个和第(n+1)个电感交点位置所对应的时间。

计算转子位置角度

以电机转子在第n个区间的转子平均转速作为电机转子在第(n+1)个区间的初始转速，并以电机转子从第(n-1)个区间旋转至第n个区间的加速度作为电机转子从第n个区间旋转至第(n+1)个区间的预期加速度，根据电机转子在第(n+1)个区间的初始转速及预期加速度，计算电机转子在第(n+1)个区间任意时刻的转子位置角度θn+1(t)，其中：

式中：θn+1(t)为电机转子在第(n+1)个区间任意时刻t的位置角度，θn+1(t0)为电机转子在第(n+1)个区间起始时刻t0的位置角度。

本实施例中，本发明提供的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，首先通过确定开关磁阻电机导通相饱和电流与导通相和非导通相电感交点相对于其基准位置角度偏移量间的函数关系式1，根据式1对电机导通相和非导通相电感交点的位置角度进行修正，以获得该电感交点的准确位置角度；然后根据所获得的两相邻电感交点的准确位置角度计算出该两电感交点对应区间的转子平均转速，并以该平均转速作为转子在下一对应区间的初始转速；之后再根据电机转子在当前区间的平均转速及上一区间的平均转速，计算出转子运转存在的加速度，并以该加速度作为转子在下一区间的预期加速度；最后根据转子在下一区间的初始转速及预期加速度，即可计算出转子在下一区间任意时刻的转子位置角度；根据所得到的转子位置角度，即可实现开关磁阻电机的无位置传感器控制。

实施例2

图5为本发明提供的开关磁阻电机无位置传感器控制装置的结构框图。如图所示，该开关磁阻电机无位置传感器控制装置包括微处理器、相电流控制模块、相电流检测模块、母线电压检测模块、功率变换器及触摸式液晶显示屏，所述微处理器分别与相电流控制模块、相电流检测模块、母线电压检测模块以及触摸式液晶显示屏相连；相电流控制模块与微处理器和功率变换器相连；相电流检测模块与微处理器和功率变换器相连；母线电压检测模块与微处理器和功率变换器相连；功率变换器与相电流控制模块、相电流检测模块和母线电压检测模块相连；触摸式液晶显示屏与微处理器相连。

上述微处理器通过相电流控制模块向功率变换器发出控制信号，并通过功率变换器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，同时通过母线电压检测模块和相电流检测模块分别检测母线电压反馈信号与开关磁阻电机各相电流反馈信号，并根据该反馈信号计算出电机各相绕组的电感值，再根据所得各相绕组的电感值判断开关磁阻电机是否处在导通相与非导通相电感的交点位置并确定是否需对其位置角度进行修正；然后再根据修正后的电感交点位置角度来计算出电机转子在对应区间的平均转速以及相应的加速度，最后根据上述平均转速及加速度计算出转子在下一区间任意时刻的转子位置角度。

上述相电流控制模块接收微处理器输出的pwm控制信号，并对该pwm控制信号进行驱动放大后控制功率变换器中对应功率开关的开关状态，以实现对电机导通相电流实施斩波控制以及对非导通相绕组实施高频脉冲注入控制。

上述相电流检测模块用于实时检测功率变换器中对应电机各相的电流值。

上述母线电压检测模块用于实时检测功率变换器中的母线电压值。

上述功率变换器接收相电流控制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，以实现开关磁阻电机无位置传感器的高精度控制。

上述触摸式液晶显示屏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。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明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，均应落在本发明技术方案保护的范围内。