專利名稱：一種開關磁阻電機無位置傳感器控制方法
技術領域：
發明涉及一種開關磁阻電機無位置傳感器控制方法，屬于開關磁阻電機控制技術 領域。
背景技術：
對于開關磁阻電機驅動系統而言，能夠實時而準確的獲得轉子的位置信息是保證 電機可靠運行和高性能控制的必要前提。目前普遍采用外裝光電式或磁敏式等軸位置檢測 器。外加機械式位置傳感器額外增加電機的體積，增加了電機加工的復雜性，大大降低了開 關磁阻電機結構簡單的優勢，而且降低了電機工作時的可靠性，增加了成本。因此，探索實 用的間接位置檢測方案具有十分重要的研究價值。迄今為止，各國學者對這一問題從多角度出發做了大量研究，提出了多種間接位 置檢測方案。大致可以分為以下5類。1)電流波形檢測法。英國學者Acamley等人提出的電流波形檢測法，是最早的無 位置檢測技術，其基本思想是SRM的轉子位置決定了繞組的增量電感，而增量電感又決定 了相電流的變化速率，因此根據相電流可以估算出轉子位置信息。2)電流-磁鏈法。該方法的基本思想是基于開關磁阻電機的凸極效應，不同的轉 子位置對應著不同的電流-磁鏈曲線，將電流、磁鏈、位置三者之間的關系建立一張查找表 并將其存放在內存中，通過實時計算出繞組的磁鏈，與采樣得到的繞組電流就可以得到相 應的轉子位置信息。隨著智能控制的發展，越來越多的學者將模糊控制和神經網絡的方法 應用于檢測轉子位置的信息，通過模糊控制和神經網絡的方法可以擬合出電流、磁鏈、位置 之間的關系，然后通過實時計算得到的磁鏈以及采樣得到的電流值得到轉子實際的位置信 肩、ο3)信號激勵與調制法。該方法是通過對空閑相進行信號激勵或調制的方法獲取位 置信息，在電機的空閑相注入高頻脈沖，其輸出的電流波形反映了繞組的瞬時電感的信息， 從而就可以得到轉子的位置信息。4)附加電元件法。在SRM內部的適當位置附加某些電元件，利用這些電元件輸出 的信息來檢測轉子的位置，所附加的電元件可以是電感線圈、電容板極等，稱其為附加線圈 檢測法、附加電容檢測法等。5)觀測器法的基本思想是根據電機的電磁特性和機械特性建立電機的狀態方程， 選擇適當的狀態變量(如轉速、位置角、磁鏈等)，以及輸入變量(電壓)和輸出變量(電 流)，建立起由電機本體參數所決定的狀態觀測器，通過檢測電機相電壓和相電流即可估計 出轉子的位置角。以上這些方案各有優缺點和適用范圍。其中，信號激勵與調制法主要適用于低速 啟動的情況，電流波形檢測法和附加電元件法適用于中低速的運行情況，而電流_磁鏈法 和觀測器法主要適用于高速的情況。傳統的應用于中高速的無位置傳感器方法主要基于電機的磁鏈或電感特性曲線，根據磁鏈或電感與轉子位置角的非線性關系，通過查表或非線性觀測模型的方法獲取轉子 位置信息；或者通過簡化磁鏈法建立關斷位置的磁鏈閥值，通過與閥值比較的方法得到驅 動信號。其中查表，非線性模型以及智能控制的方法目的是得到連續的轉子位置信號，但是 如果要保證估計的精度，控制算法則相對復雜，占用較多的軟硬件資源。簡化磁鏈法的目的 是直接得到電機各相的驅動信號，該算法雖然控制簡單，但其只考慮采用關斷位置磁鏈閥 值，電機只能運行在輪流導通模式，因此具有很大的局限性。

發明內容
本發明要解決的問題是提出一種不需要直接估計連續位置信號，而只需實時估計各相驅動信號的無位置 傳感器方法，克服傳統無位置傳感器方法算法復雜，軟硬件資源占用率高，以及工作區域受 限等問題。本發明為實現上述目的，采用如下技術方案1.)有限元計算或實驗測量開關磁阻電機電感特性數據；2.)利用步驟1.)提供的電感特性數據，建立電感的非線性模型；3.)實時檢測開關磁阻電機各相電流和端電壓，DSP采樣開關磁阻電機各相電流 和端電壓，通過數字積分計算開關磁阻電機各相磁鏈；4.)將相磁鏈除以相電流得到實時的相電感；5.)當前導通相即為估計相，在估計相中按步驟4.)計算的相電感值，同時將開通 /關斷角代入由步驟2.)得到的數學模型中計算電感動態閥值；6.)將步驟5.)中估計相中電感計算值分別與下一導通相的開通角位置和當前導 通相的關斷角位置兩個位置的電感閥制比較，如果電感計算值大于下一相開通角位置電感 閥值，則此時按開通相序開通下一相，如果電感計算值大于關斷角位置電感閥值，則關斷當 前導通相；根據以上步驟可以得到電機各相的驅動信號，從而實現電機無位置傳感器控制。本發明方法采用直接估計驅動信號的方法，可以實現開通/關斷角控制，滿足電 機優化控制的需要，算法簡單且實現方便，通用性強，具有較大的應用前景。


圖1為開關磁阻電機調速系統框圖；圖2為12/8結構樣機的三相電感與轉子位置的關系；圖3為樣機一相電感特性曲線；圖4為電機低速運行時電感計算方法流程圖；圖5為電機中高速運行時電感實時計算方法流程框圖；圖6為開通角為_ θ時電機運行時各相電感實時計算波形；圖7為本發明的一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法原理圖。
具體實施例方式本發明通過將導通相的相電感計算值與開通/關斷角位置電感動態閥值比較，而
4得到當前估計相的關斷信號和下一開通相的開通信號，實現無位置傳感器運行。下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明圖1為開關磁阻電機調速系統框圖。開關磁阻電機調速系統主要由開關磁阻電機 (SRM)、功率變換器、控制系統(DSP+CPLD)、位置傳感器以及電壓電流檢測和保護電路等組 成。其中控制器是系統的核心，對檢測信號進行采集、計算和處理，完成相關的控制算法，從 而輸出相應的控制信號。本發明中的電感計算和無位置傳感器技術的算法均由控制器來完 成，無需添加額外硬件。相電流和相繞組電壓由電壓、電流傳感器(LEM)來檢測。圖2為12/8結構樣機的三相電感與轉子位置的關系。由圖所示，電感曲線以45 度為周期，其中各相電感相差15度。設0度角為A相定子齒中心線與轉子槽中心線對齊位 置，22. 5度為定轉子齒極中心線對齊位置。圖3為樣機一相電感特性曲線。電感特性曲線可以通過利用有限元計算或者實驗 測量的方法獲取。如圖所示，電感特性曲線表征了相電感與轉子位置角及相電流三者之間 的非線性關系，其三維關系可由式(1)表示，L = L( θ , i) (1)根據上述得到的電感特性數據，利用非線性擬合的方法可以得到電感的非線性模 型。目前國際上研究的比較精確的模型是基于傅立葉級數擬合的電感模型。此處采用余弦 級數對電感曲線進行擬合得到式(2)所示的電感模型。 這里'Nr'是轉子極數，‘m'是逼近階數，‘圖4為電機低速運行時電感計算方法流程圖。該方法電感計算原理是開關磁阻電機的一相繞組電壓方程可以表示為 Φ '是相位角。
/Iv由于電機低速運行，上式第三項即運動電動勢可以忽略不計，因此繞組電壓方程 可表示為由于電流每次采樣時間很短，因此上式可以等效為Uk 因此電感可以由以下公式得到 式(9)中相電流和相繞組電壓分別由電壓、電流傳感器(LEM)來檢測得到，經調理 后，在DSP中啟動A/D采樣程序，采樣繞組端電壓和相電流。圖5為電機中高速運行時電感實時計算方法流程框圖。相電流和相繞組電壓由電 壓、電流傳感器(LEM)來檢測得到，經調理后，在DSP中啟動A/D采樣程序，采樣繞組端電壓 和相電流。根據積分式子計算磁鏈大小。其中一相繞組的磁鏈表達式為

( 7 )其中Vk為第k相繞組磁鏈，Vk為第k相繞組端電壓，R為第k相繞組等效電阻， ik第k相繞組電流。應用數值積分法，可以將上式離散化為
( 8 )其中T為采樣周期，N為測量的點個數，η為第η測量點。根據電感與磁鏈之間的關系式可以求出電感值。ψ ( θ , i) = L( θ , i)i (9)
(10)圖6為開通角為-θ時電機運行時各相電感實時計算波形。如圖以A相為例，此 時提前開通θ，若導通角為θ。，那么關斷角為Θ + Θ。。圖7為本發明的一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法原理圖。本發 明的特征是基于開關磁阻電機的電感隨轉子位置周期性變化的基本特點，通過將導通相的 相電感計算值與開通/關斷角位置電感動態閥值比較，而得到當前估計相的關斷信號和下 一開通相的開通信號，從而直接得到各相的驅動信號，實現無位置傳感器運行。具體實施原 理如圖7所示。一.利用有限元計算或實驗測量樣機電感特性曲線，并利用該電感特性數據，建 立電感的非線性模型L( θ，i)。電感的非線性模型可以采用傅立葉級數擬合的方法得到， 可由式2表示。由圖2所示，電感曲線以45度為周期，其中各相電感相位差15度。那么相鄰相開 通角之間相位差亦為15度。設電機相序為B-A-C-B，設當前開通相開通角為θΒ。η，關斷角 為θ B。ff，則其他相開通角和關斷角可以表示為θΑοη= θΒ。η+15° (11)eCon= θΒ。η+30° (12)θ Aoff = Θβ。η+15。 (13)θ Coff = Θβ。η+30° (14)將各相開通角和關斷角帶入電感模型(2)中，可以得到對應的閥值信號，分別為 L( θ Α。η，i)，L( θ Aoff, i)，L( θ B。n，i)，L( θ B。ff，i)，L( θ Con, i)，L( θ Coff, i)。它們之間存在如 下關系L(9W i) =LB(9B。n+15°，iB)(15)L(9Con, i) =LA(0Aon+15° , iA) (16)L(9Bon, i) =Lc(ec。n+15°，ic)(17)L(6Aoff, i) = LA(6Aoff, iA) (18)L ( θ Boff, i) = Lb ( θ Boff, iB) (19)L(6Coff, i) = Lc(6Coff, ic) (20)根據上述關系，可以按如下方法設置電感閥值(導通相序為B-A-C-B)對于B相，設置該相關斷角位置電感閥值為L( θ Boff，i)，A相的開通位置電感閥值 為 LB(eB。n+15°，i)。
對于A相，設置該相關斷角位置電感閥值為L( θ Aoff, i)，C相的開通位置電感閥值 *LA(eA。n+15°，i)。對于C相，設置該相關斷角位置電感閥值為L( θ Coff, i)，B相的開通位置電感閥值 *Lc(ec。n+15°，i)。二 .實時檢測各相電流和端電壓，DSP采樣各相電流和端電壓，利用上述圖4和圖 5所述方法計算出實時電感值。三.將導通相作為估計相，在估計相中按步驟一方法設置當前估計相的關斷位置 電感閥值和下一開通相的開通角位置電感閥值；同時按步驟二方法計算的電感值。在估計 相將電感計算值分別與下一開通相開通角和當前估計相的關斷角兩個位置電感閥制比較， 如果電感計算值大于下一相的開通角位置電感閥值，則此時按開通相序開通下一相，如果 電感計算值大于當前估計相關斷角位置電感閥值，則關斷當前導通相。上述方法的具體判斷邏輯如表一所示。表一驅動信號判斷邏輯表 根據導通相序，若此時估計相為C相，若L>L。(e。。n+15°，i)，則開通B相，同時 確定C、B相為估計相；若L > L。( θ C0ff, i)，則關斷C相，同時確定B相為估計相；若L > Lb ( θ Β。η+15°，i)，則開通A相，同時確定B、A相為估計相；若L > Lb ( θ Boff, i)，則關斷B相， 同時確定A相為估計相；若L > LA( θ Α。η+15°，i)，則開通C相，同時確定A、C相為估計相； 若L>LA(9A。ff，i)，則關斷A相，同時確定C相為估計相。根據以上步驟可以得到電機各 相的驅動信號，從而實現電機無位置傳感器控制。該算法采用直接估計驅動信號的方法，可以實現開通/關斷角可調控制，滿足電 機優化控制的需要，算法簡單且實現方便，通用性強，具有較大的應用前景。
權利要求
一種開關磁阻電機無位置傳感器控制方法，其特征在于包括如下步驟1.)有限元計算或實驗測量開關磁阻電機電感特性數據；2.)利用步驟1.)提供的電感特性數據，建立電感的非線性模型；3.)實時檢測開關磁阻電機各相電流和端電壓，DSP采樣開關磁阻電機各相電流和端電壓，通過數字積分計算開關磁阻電機各相磁鏈；4.)將相磁鏈除以相電流得到實時的相電感；5.)當前導通相即為估計相，在估計相中按步驟4.)計算的相電感值，同時將開通/關斷角代入由步驟2.)得到的數學模型中計算電感動態閥值；6.)將步驟5.)中估計相中電感計算值分別與下一導通相的開通角位置和當前導通相的關斷角位置兩個位置電感閥制比較，如果電感計算值大于下一相開通角位置電感閥值，則此時按開通相序開通下一相，如果電感計算值大于關斷角位置電感閥值，則關斷當前導通相；根據以上步驟可以得到電機各相的驅動信號，從而實現電機無位置傳感器控制。
全文摘要
本發明公布了一種開關磁阻電機無位置傳感器控制方法，屬開關磁阻電機控制技術領域。本發明是基于開關磁阻電機的電感隨轉子位置周期性變化的基本特點，首先根據電感特性曲線建立精確的電感數學模型，利用數學模型可以設置開通/關斷角位置的電感閥值；采樣各相電流和端電壓，計算實時電感；將當前估計相的相電感計算值分別與該相關斷角位置電感閥值和下一開通相的開通角位置電感閥值比較，即可得到當前估計相的關斷信號，亦可得到下一開通相的開通信號，因此可以直接得到各相的驅動信號，從而實現無位置傳感器運行。該算法采用直接估計驅動信號的方法，可以實現開通/關斷角控制，滿足電機優化控制的需要，算法簡單且實現方便。
文檔編號H02P6/18GK101917151SQ201010238729
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月28日 優先權日2010年7月28日
發明者蔡駿, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學