本發(fā)明涉及開關磁阻電機，尤其涉及一種高速無位置傳感器開關磁阻電機的控制方法及其系統(tǒng)，該方法能夠通過查找表的方式，通過對從定轉子齒交疊點位置到開通角、關斷角位置定時時長進行修正，從而正確地估算開通和關斷時刻。本發(fā)明能夠在不使用位置傳感器的情況下，較為精準地得到開關磁阻電機的開通關斷時刻，用于電機控制。

背景技術：

開關磁阻電機具有很多優(yōu)良的性能,如電機結構簡單、成本低、運行可靠、調速范圍寬、不消耗稀土資源，同時具備高效率、免維護等特性等等。但是開關磁阻電機中位置傳感器的存在，極大地增加了開關磁阻電機的結構復雜性；而且位置傳感器的安裝調試非常的困難，極大地增加了開關磁阻電機的成本；同時，位置傳感器的測量精度極易受到外界不良環(huán)境的影響，易損壞，這使得開關磁阻電機的可靠性降低。可見，位置傳感器的存在極大地削弱了開關磁阻電機的優(yōu)勢，研究無位置傳感器開關磁阻電機的需求非常的迫切。

傳統(tǒng)高速無位置傳感器開關磁阻電機控制方法的工作原理為：開關磁阻電機勵磁相相電流和電感變化關系圖如圖2所示。在轉子的槽和定子的齒對齊的位置，該相的電感值最小；在轉子的齒和定子的齒對齊的位置，該相的電感值上升到最大；對于建立的線性電感模型來說，在電感值上升的過程中，會在轉子的齒和定子的齒交疊點的位置，有一個明顯的拐點，稱之為定轉子齒交疊點。為了保證電機運轉的效率，該相會在電感上升之前開通，該相的電流會逐漸上升，直至定轉子齒交疊點位置附近，電流上升到一個峰值，隨后電流將會下降。因此，傳統(tǒng)的相電流梯度法中，在高速apc模式(通過導通角的調節(jié)，調節(jié)電動機的轉矩實現調速的目的)下，將勵磁相相電流峰值位置作為該相定轉子齒交疊點位置。在檢測到勵磁相相電流峰值時，將角周期長度除以前后兩次測得該相相電流峰值的時長，得到此時的角速度，然后將從定轉子齒交疊點位置到該相關斷角、下一相開通角位置的角度差除以此時的角速度，得到轉子從該相定轉子齒交疊點位置到該相關斷角、下一相開通角位置所需時長。開啟定時器，將計算得出的所需時長作為定時時長，從而估算出該相開通時刻和下一相關斷時刻，實現無位置傳感器開關磁阻電機控制。

然而，在實際情況中，受開通角、角速度的影響，相電流的峰值位置與該相定轉子齒交疊點位置之間是有一定偏移的。而在傳統(tǒng)的高速無位置傳感器開關磁阻電機的控制方法中，卻將相電流峰值位置直接作為該相定轉子齒交疊點位置，沒有進行任何的修正，這將使得對開關磁阻電機的開通和關斷時刻的估算出現較大的偏差，導致無位置傳感器開關磁阻電機的穩(wěn)定性與可靠性大大地降低。

技術實現要素：

本發(fā)明針對上述因為開關磁阻電機中相電流峰值位置與該相定轉子齒交疊點位置存在偏差，導致的傳統(tǒng)相電流梯度法中對開通關斷時刻估算不準確的問題，提出了一種通過查找表的方式對轉子從定轉子齒交疊點位置到該相關斷角、下一相開通角位置定時時長進行修正的方法，能夠提高無位置傳感器開關磁阻電機的穩(wěn)定性與可靠性。

為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：一種高速無位置傳感器開關磁阻電機的控制方法，開關磁阻電機的a、b、c三相依次輪流作為勵磁相，基于相電流梯度法原理，在高速apc模式下，將勵磁相相電流峰值時刻作為到達該勵磁相定轉子齒交疊點位置的時刻，在檢測到該勵磁相相電流峰值時，將該勵磁相轉子齒運行的長度除以前后兩次該勵磁相相電流達到峰值的時間差，得到此時的轉子角速度，然后將從該勵磁相定、轉子齒交疊點位置到該勵磁相關斷角的角度差和定、轉子齒交疊點位置到下一勵磁相開通角位置的角度差分別除以此時的轉子角速度，分別得到轉子從該勵磁相定轉子齒交疊點位置到該勵磁相關斷角位置所需時長和轉子從該勵磁相定轉子齒交疊點位置到下一勵磁相開通角位置所需時長，開啟定時器，將計算得出的兩個所需時長分別作為定時時長，從而估算出該勵磁相的關斷時刻和下一勵磁相的開通時刻；

其特征在于：針對勵磁相相電流的峰值時刻會與轉子到達該勵磁相定轉子齒交疊點位置時刻之間存在偏移量的實際情況，對將勵磁相相電流峰值時刻直接作為該勵磁相定轉子齒交疊點位置時刻的方法加以修正，以得到該勵磁相正確的定轉子齒交疊點位置,從而更加準確地估算出開關磁阻電機勵磁相的關斷時刻和下一勵磁相的開通時刻，實現更為精準地高速無位置傳感器開關磁阻電機控制；修正方法如下：

微控制器實時地檢測勵磁相相電流，當勵磁相相電流值達到峰值時，將勵磁相轉子齒運行的長度除以前后兩次該勵磁相相電流達到峰值的時間差計算出此時的轉子角速度，根據此時的轉子角速度以及設置的勵磁相開通角，通過查找存儲的勵磁相開通角、轉子角速度和勵磁相相電流峰值時刻與轉子到達勵磁相定、轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量的對應關系查找表，得出勵磁相相電流峰值時刻與轉子到達勵磁相定、轉子齒交疊點位置時刻之間的偏移量，然后，使用此偏移量對轉子從勵磁相定轉子齒交疊點位置到勵磁相關斷角、下一勵磁相開通角位置的兩個所需時長進行修正，開啟微控制器中的定時器，將修正后的兩個所需時長作為定時時長，從而更加準確地估算勵磁相的關斷時刻和下一勵磁相的開通時刻。

所述建立并存儲勵磁相的開通角、轉子角速度和勵磁相相電流峰值時刻與轉子到達勵磁相定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量對應關系查找表的過程為：在使用位置傳感器的情況下，首先輸入勵磁相的開通角給微控制器，微控制器控制開關磁阻電機運行并實時地檢測勵磁相相電流、轉子的角度位置和角速度；當勵磁相相電流達到峰值時，讀取此時的時刻t1；當轉子到達勵磁相定轉子齒交疊點位置時，讀取此時的時刻t2；將t1與t2相減，計算出此時的偏移量；然后將輸入的勵磁相開通角、此時的轉子角速度和偏移量存儲起來；依次將三相中的另外兩相作為勵磁相，用上述方法分別檢測出各勵磁相在不同開通角和轉子角速度的情況下所對應的相電流峰值時刻與轉子到達該勵磁相定轉子齒交疊點位置時刻之間的偏移量，并存儲起來，從而建立各勵磁相的開通角、轉子角速度和相電流峰值時刻與轉子到達相應勵磁相定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量的對應關系查找表。

所述對從勵磁相定轉子齒交疊點位置到勵磁相關斷角、下一勵磁相開通角位置兩個所需時長進行修正的過程為：控制器在檢測到勵磁相相電流值達到峰值時，將從勵磁相定轉子齒交疊點位置到勵磁相關斷角、下一勵磁相開通角位置的角度差除以此時的角速度，計算得出轉子從勵磁相定轉子齒交疊點位置到勵磁相關斷角、下一勵磁相開通角位置所需時長；根據相應勵磁相開通角和轉子角速度，通過查找各相應勵磁相的開通角、轉子角速度和相電流的峰值時刻與轉子到達相應勵磁相定轉子齒交疊點位置時刻之間的偏移量對應關系查找表，得到相應勵磁相的偏移量，將該偏移量與計算得出的轉子從相應勵磁相定轉子齒交疊點位置到該相關斷角、下一勵磁相開通角位置所需時長相加，得到對轉子從相應勵磁相定轉子齒交疊點位置到該相關斷角、下一勵磁相開通角位置的修正后的所需時長，開啟定時器，將修正后的所需時長作為定時時長。

勵磁相開通角、轉子角速度和對應勵磁相相電流峰值位置角度擬合公式為：

θmax＝k×θon×(ω-ωc)²+θc

式中，θmax為勵磁相相電流峰值位置角度；θon為勵磁相開通角；ω為轉子角速

度；系數k、ωc和θc分別由levenberg-marquardt曲線擬合方法擬合得到。

上述高速無位置傳感器開關磁阻電機控制方法的控制系統(tǒng)，其特征在于：包括微控制器和功率變換器，微控制器包括主控芯片cpu、輸入/輸出模塊gpio、模數轉換模塊ad、閃存模塊flash和內部定時模塊tim；輸入/輸出模塊gpio獲取包括速度、檔位的控制信號經功率變換器控制開關磁阻電機運行，模數轉換模塊ad通過電阻轉換對勵磁相相電流進行實時地檢測，當勵磁相相電流達到峰值時，cpu中的內置程序1將勵磁相轉子齒運行的長度除以前后兩次該相相電流峰值的時間差，得到此時的轉子角速度，根據角速度計算出轉子從該相定轉子齒交疊點位置到該相關斷角、下一勵磁相開通角位置的所需時長；然后內置程序2根據此時的開通角和角速度，通過查找事先存儲在微處理器cpu的閃存模塊flash的開通角、角速度和偏移量的對應關系查找表，得出勵磁相的相電流峰值時刻與轉子到達定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量；內置程序3將此時的偏移量與計算得出的轉子從勵磁定轉子齒交疊點位置到該相關斷角、下一勵磁相開通角位置所需時長相加，就得到了修正后的所需時長；開啟定時器tim，將修正后的所需時長作為定時時長，準確地估算該相的關斷時刻和下一相的開通時刻，實現高速無位置傳感器開關磁阻電機控制。

所述主控芯片cpu采用stm32f103b。

本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果：本發(fā)明將高速無位置傳感器開關磁阻電機控制方法運用到開關磁阻電機控制器中，使得在不使用位置傳感器的情況下，能夠準確地估算出開關磁阻電機每相的開通和關斷時刻，增加無位置傳感器開關磁阻電機的穩(wěn)定性和可靠性。

本發(fā)明方法首先需要在使用位置傳感器的情況下，通過輸入不同的開通角，依次檢測每個開通角和角速度下，對應的相電流峰值時刻與轉子到達定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量，并將這些數據存儲起來，建立開通角、角速度和偏移量對應關系查找表。在電機運行時對勵磁相相電流值進行實時檢測，當勵磁相相電流達到峰值時，讀取此時的開通角，計算此時的角速度，并通過查找存儲的查找表的方式得到偏移量，從而對轉子從該相定轉子齒交疊點位置到該相關斷角、下一相開通角位置的定時時長進行修正，進而更加準確地估算出該相的關斷時刻和下一相的開通時刻。

本發(fā)明所給出的高速無位置傳感器開關磁阻電機控制方法，只需要查找表和簡單的公式計算，就能準確地對定轉子齒交疊點位置進行修正，且修正快速，實時性好，方法操作簡單，易于實現。

附圖說明

圖1a)是本發(fā)明建立開通角、角速度和偏移量對應關系查找表，圖1b)是使用查找表實現高速無位置傳感器開關磁阻電機控制的工作流程圖；

圖2是開關磁阻電機勵磁相相電流和電感變化關系圖；

圖3是本發(fā)明應用在無位置傳感器開關磁阻電機控制的硬件系統(tǒng)框圖；

圖4是本發(fā)明使用存儲的查找表實現高速無位置傳感器開關磁阻電機控制的運作流程圖；

圖5是本發(fā)明建立并存儲開通角、角速度和相電流峰值時刻與轉子到達定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量對應關系查找表的運作流程圖；

圖6是本發(fā)明中開通角、角速度和對應相電流峰值時刻與轉子到達定轉子齒交疊點位置時刻偏移量之間關系的直觀曲線描述。

具體實施方式

下面結合附圖和實例詳細說明本發(fā)明提供的具體方法和運行過程。

本發(fā)明建立開通角、角速度和偏移量對應關系查找表，使用查找表實現高速無位置傳感器開關磁阻電機控制的工作流程圖如圖1所示。開關磁阻電機的a、b、c三相依次輪流作為勵磁相，當a相作為勵磁相時，b相作為下一勵磁相，當b相作為勵磁相時，c相作為下一勵磁相，當c相作為勵磁相時，a相作為下一勵磁相…。以a相作為勵磁相為例(下同)，a相電流峰值位置與a相定轉子齒交疊點位置存在偏移，且這個偏移量隨著開通角和角速度變化而變化，所以，傳統(tǒng)的相電流梯度法中，直接將a相相電流峰值位置作為a相定轉子齒交疊點位置，而不根據開通角和角速度進行任何修正的做法存在不合理之處。

本發(fā)明根據開通角和角速度，查找事先存儲在微處理器cpu里的開通角、角速度和a相相電流峰值時刻與轉子到達a相定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量對應關系查找表，得到a相的偏移量。將得到的偏移量與計算得出的轉子從a相定轉子齒交疊點位置到a相關斷角、下一相(b相)開通角位置所需時長相加，從而進行修正。微控制器在檢測到a相相電流峰值時開啟定時器，將修正后的轉子從a相定轉子齒交疊點位置到a相關斷角、下一相(b相)開通角位置所需時長作為定時器的定時時長，從而通過修正的方式，更為準確地估算出開通和關斷時刻，實現高速無位置傳感器開關磁阻電機控制。

圖3所示為本發(fā)明應用在無位置傳感器開關磁阻電機控制的硬件系統(tǒng)框圖。微控制器cpu采用stm32f103b作為主控芯片，通過通用輸入/輸出模塊gpio接收速度、檔位等輸入信號，并輸出控制信號至功率變換器，以不對稱半橋結構功率變換器為例，通過導通、續(xù)流和回流三種工作方式對開關磁阻電機進行控制；勵磁相(a相)相電流通過電阻轉換，轉換成電壓信號，輸出至微處理器cpu的模數轉換模塊ad；微處理器cpu在檢測到勵磁相(a相)相電流達到峰值時，開啟定時器tim，通過角速度計算轉子從該相(a相)定轉子齒交疊點位置到該相(a相)關斷角、下一相(b相)開通角位置所需時長(內置程序1)，然后查詢存儲在flash里的查找表，得到偏移量(內置程序2)，將偏移量與計算得出的所需時長相加(內置程序3)，作為定時器tim的定時時長，從而能夠更加準確地估算出該相(a相)的關斷時刻和下一相(b相)的開通時刻。

本發(fā)明使用存儲的查找表實現高速無位置傳感器開關磁阻電機控制的運作流程圖如圖4所示。首先，微控制器cpu的閃存模塊flash事先存儲好開通角、角速度和相電流峰值時刻與轉子到達定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量的對應關系查找表；然后初始化角度位置、角速度等控制信號；控制器根據獲取的控制信號，控制開關磁阻電機運行；微處理器cpu的模數轉換模塊ad通過電阻轉換對勵磁相(a相)相電流進行實時地檢測，當勵磁相(a相)相電流達到峰值時，根據前后兩次測得該相(a相)相電流峰值的時長和角度周期的長度計算此時的角速度；根據角速度計算出轉子從該相(a相)定轉子齒交疊點位置到該相(a相)關斷角、下一相(b相)開通角位置的所需時長；然后根據此時的開通角和角速度，通過查找事先存儲在微處理器cpu的閃存模塊flash的開通角、角速度和偏移量的對應關系查找表，得出該相(a相)的相電流峰值時刻與轉子到達定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量；將此時的偏移量與計算得出的轉子從該相(a相)定轉子齒交疊點位置到該相(a相)關斷角、下一相(b相)開通角位置所需時長相加，就得到了修正后的所需時長；開啟定時器，將修正后的所需時長作為定時時長，從而更加準確地估算該相(a相)的關斷時刻和下一相(b相)的開通時刻，實現高速無位置傳感器開關磁阻電機控制。

本發(fā)明建立并存儲開通角、角速度和相電流峰值時刻與轉子到達定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量對應關系查找表的運作流程圖如圖5所示。開通角、角速度和對應偏移量查找表是在使用位置傳感器的情況下建立的。首先輸入一個開通角給控制器，控制器控制開關磁阻電機運行；控制器通過位置傳感器檢測轉子的角度位置，并判斷轉子有沒有到達該相(a相)的開通角位置；如果到達，則開啟定時器tim1和tim2；在開關磁阻電機運行的過程中，實時地檢測勵磁相(a相)相電流的大小和轉子角度位置，當勵磁相(a相)相電流值達到峰值時，讀取tim1的計時時刻t1；當轉子到達該相(a相)定轉子齒交疊點位置時，讀取tim2的計時時刻t2；將t1與t2相減，得到相電流峰值時刻與轉子到達定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量△t；然后計算此時轉子轉動的角速度，并將此時的開通角、角速度和偏移量△t輸出并存儲起來。依次將b相、c相、a相作為勵磁相，用上述方法分別檢測出勵磁相在不同開通角和轉子角速度的情況下，對應的勵磁相相電流峰值時刻與轉子到達該相定轉子齒交疊點位置時刻之間的偏移量，并存儲起來，從而建立勵磁相開通角、轉子角速度和該相相電流峰值時刻與轉子到達該相定轉子齒交疊點位置時刻之間偏移量的對應關系查找表。

本發(fā)明中開通角、角速度和對應相電流峰值時刻與轉子到達定轉子齒交疊點位置時刻偏移量之間關系的直觀曲線描述如圖6所示。定轉子齒交疊點位置角度是一直保持不變的。在開通角固定的情況下，相電流峰值位置角度隨著角速度的增大而增大，增大的速率先快后慢。在角速度固定的情況下，開通角越大，相電流峰值位置角度越大。開通角、角速度和對應相電流峰值位置角度擬合公式為：

θmax＝k×θon×(ω-ωc)²+θc

上式中：θmax為相電流峰值位置角度；θon為開通角；ω為角速度；系數k、ωc和θc分別可由levenberg-marquardt曲線擬合得到。

以上借助實施例描述了本發(fā)明的具體實施方式，但是應該理解的是，前述具體的描述不應理解為對本發(fā)明的實質和范圍的限定，本領域內的普通技術人員在閱讀本說明書后對上述實施例作出的各種修改，都屬于本發(fā)明所保護的范圍。