本發明涉及高性能電機控制技術，具體為一種采用全維狀態觀測器的開關磁阻電機無位置傳感器速度控制方法，屬于電機無位置傳感器控制技術研究領域。

技術背景

開關磁阻電機(switchedreluctancemotor，簡稱srm)采用雙凸極結構，具備結構簡單、堅固優異、容錯能力高等特點，適于高速運行和惡劣的工作環境。srm系統具有類似直流串激電動機的串激特性，控制器通過對相電流幅值、開通角、導通角等多個變量進行控制，可以滿足不同負載要求的機械特性，實現非常寬廣的速度和負載范圍內高效率運行，控制方便、靈活，易于實現四象限運行。與其他類型的電動機，特別是于已廣泛應用于電動工具行業的單相串激電機相比，具有啟動及低速時轉矩大、電流小，高速恒功率區范圍寬、性能好，在很寬的轉速及功率范圍內均有高效率的特點。

srm驅動控制系統的運行一個關鍵前提是獲取轉子位置檢測信息。轉子位置信息是用于控制srm各相繞組導通的時序和時間，以使srm產生持續不斷的轉矩。目前普遍采用軸位置傳感器來檢測轉子的位置信號。軸位置傳感器的存在不僅增加了驅動控制系統體積和成本，而且降低了系統運行的可靠性，不適用于類似電動工具這種運行速度高、運行條件惡劣、電磁環境復雜的工作環境。無位置傳感器轉子位置信息檢測方案主要思想就是利用電機的電壓、電流可測電參數，來估算磁鏈、電感、反電勢等參數，并利用這些估算出來參數與位置信號、電流之間的關系來間接獲取轉子位置信息，從而實現電機運行和轉子轉速的計算。

目前srm無位置傳感器檢測方法主要有：電流磁鏈法，電流波形監測法，信號調制法，附加電元件法和觀測器法。電流磁鏈法和電流波形監測發法低轉矩運行時受電機的性能影響大，驅動器開關損耗大，效率比較低，且動態響應慢。信號調制法會產生一定的負轉矩，從而降低降低電機的效率。附加電元件檢測法的需要在srm內部的設置的電元件,使srm制造工藝復雜化。根據由srm電機本身固有參數所決定的數學模型建立狀態觀測器，然后由可測電參數，估算轉子位置信息的方法為觀測器檢測法。全維狀態觀測器可通過對觀測器方程的特征值的配置獲得快速的收斂速度，從而使srm電機驅動控制系統具有快速的速度跟蹤性能和動態特性。

技術實現要素：

本發明提供一種簡單易實現、估算精度高，可靠性高，適合在多功能鋸斷機、斜切割機等電動工具中使用的開關磁阻電機無位置傳感器速度與位置計算方法，該方法采用全維狀態觀測器算法，以可測的電機相電壓、相電流為觀測器輸入量，結合開關磁阻電機數學模型，構建開關磁阻電機驅動控制系統的位置和速度觀測器，從而實現對開關磁阻電動機無位置傳感器速度控制，具體技術方案如下。

一、建立開關磁阻電機的基本電壓方程:

式中為u電機相電壓，i電機相電流，r定子電阻，θ轉子位置角，l(θ)定子電感是θ的函數，k(θ)是電機反電勢系數是θ的函數，定子電感是θ的函數ωm轉子轉速。

二、由(1)式，建立開關磁阻電動機數學模型方程：

設電機相繞組通電開通時間ton，為電機相繞組通電關斷時間tc，則電機運行時，相繞組通電時段(tc-ton)的(2)式中磁通量ψ、電感l(θ)、反電勢系數k(θ)分別為:

其中θ為繞組通電時的轉子位置。

三、由(2)、(3)、(4)、(5)式建立電機系統的狀態方程：

其中

式中j轉子慣量。

四、根據狀態方程(6)，建立速度與位置觀測器：

觀測器的增益矩陣：

l＝[l1l2l3]

觀測器的特征多項式：

其中λ為多項式的特征值，由多項特征式可得增益矩陣：

已知定子電阻r、轉子慣量j，觀測器(7)根據可測輸入量相電壓u和相電流i，即可實現對位置角和速度的估測和計算。

綜上所述，本發明與現有技術相比具有如下優點：

本發明采用全維觀測器算法構建開關磁阻電機的速度與位置觀測器，根據開關磁阻電機數學模型和可測的電機相電壓、相電流實時獲取電機轉子位置信息和轉速值，從而達到在無位置傳感器條件對開關磁阻電機進行速度控制的目的；本發明的方法適合開關磁阻電機在中高速條件下的運行控制，具有簡單易實現、估算精度高，可靠性高的特點，特別合適于多功能鋸斷機、斜切割機等電動工具中有很好的應用前景。

附圖說明

圖1是采用全維速度觀測器的開關磁阻電機控制系統結構圖；

圖2是開關磁阻電機轉速圖。

具體實施方式

下面結合實例和附圖對本發明實現方法和原理進一步說明。

實施例1：

基于本發明所述的開關磁阻電機速度與位置觀測器算法，結合速度比例積分控制模塊、電流比例積分控制模塊、橋臂開關邏輯產生模塊、開通與關斷角計算模塊和功率變換電路構建附圖1所示的開關磁阻電機無位置傳感器速度控制系統實例。實例中轉速給定與觀測器的轉速估計值ωe的差作為速度比例積分模塊的輸入值，速度比例積分模塊的輸出值為控制系統的電流給定值i^*。電流給定值與實際的相電流采樣值i的差作為電流比例積分控制模塊的輸入信號。電流比例積分控制模塊輸出電流調節信號ir。橋臂邏輯產生模塊的輸入信號分別為電流調節信號ir、相繞組開通角θon、相繞組關斷角θoff、角度觀測值θe，輸出信號為功率變換電路的上下橋臂的驅動信號。相繞組開通角θon、相繞組關斷角θoff的值由開通關斷角計算模塊根據直流母線供電電壓udc和轉速給定值計算得到。功率變換電路輸出電壓和電流驅動電機。

速度與位置觀測器根據電機的相電壓u和相電流i計算電機轉子的位置和轉速：

其中

選取額定參數為額定電壓150v，額定轉速4a，額定轉速3000轉/分的開關磁阻電機作為控制對象，按圖1所示，結構建立速度控制系統進行仿真。仿真結果如圖2所示。

仿真結果表明觀測器的估計轉速能夠很快地達到指定轉速，并具有很好的速度跟蹤性能，說明本發明給出的采用全維狀態觀測器的開關磁阻電機無位置傳感器速度計算方法的具有很高的速度計算估測精度，從而驗證了本方法的正確性和有效性。

文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。