專(zhuān)利名稱：一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，屬于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor, SRM)作為一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，不 但兼具交、直流調(diào)速的基本優(yōu)點(diǎn)，而且具備獨(dú)特的高速性能以及容錯(cuò)能力。這使得它在航空 航天以及各種民用制造業(yè)的交、直流傳動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注，無(wú)疑具有很好的應(yīng)用前 景和市場(chǎng)價(jià)值。對(duì)于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息是其可靠運(yùn)行和高性 能控制的前提。在目前實(shí)際應(yīng)用中，一般采用軸位置傳感器或其他探測(cè)式位置檢測(cè)器來(lái)獲 取位置信息，這不僅增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，同時(shí)降低了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，尤其在 一些高溫、高速以及油污環(huán)境等苛刻運(yùn)行條件下的應(yīng)用，如航空高速起動(dòng)/發(fā)電機(jī)、燃油泵 電機(jī)、壓縮機(jī)等，傳統(tǒng)位置傳感器的工作受到限制，從而大大限制了該型電機(jī)應(yīng)用的范圍， 使得其耐高溫、適合高速、強(qiáng)容錯(cuò)等固有性能不能得到充分體現(xiàn)。因此，如何取代位置傳感 器，克服采用位置傳感器帶來(lái)的不足，探索實(shí)用的無(wú)位置傳感器技術(shù)具有十分重要的研究 價(jià)值。傳統(tǒng)的應(yīng)用于中高速的無(wú)位置傳感器方法主要基于電機(jī)的磁鏈或電感特性曲線， 根據(jù)磁鏈或電感與轉(zhuǎn)子位置角的非線性關(guān)系，通過(guò)查表或非線性觀測(cè)模型的方法獲取轉(zhuǎn)子 位置信息，或者直接利用磁鏈或電感閥值的方法直接得到換相信號(hào)，從而取代位置傳感器。 雖然這些方法都是非常經(jīng)典而有效的方法，但是它們都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即它們都非常 依賴于電機(jī)本體的相關(guān)電磁特性參數(shù)，并且對(duì)電機(jī)的電氣對(duì)稱性要求非常高，角度估計(jì)的 誤差源多。在采用這些方法之前，首先必須對(duì)電機(jī)進(jìn)行電感，磁鏈等電磁特性的測(cè)量，而這 些參數(shù)的測(cè)量本身就是很復(fù)雜而煩瑣，并且精度有限；另外，即使是對(duì)同一型號(hào)的電機(jī)，在 控制時(shí)軟件參數(shù)都需要做相應(yīng)的修改。這些問(wèn)題必然導(dǎo)致算法的可移植性差，直接影響到 無(wú)位置技術(shù)的通用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題是克服傳統(tǒng)的基于磁鏈或電感的相關(guān)無(wú)位置算法準(zhǔn)備工作復(fù)雜，算法誤差源多，可 移植性差等問(wèn)題，得到一種簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)的，通用性強(qiáng)的無(wú)位置傳感器位置估計(jì)策略。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明為一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，基于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 的電感隨轉(zhuǎn)子位置周期性變化的基本特點(diǎn)，相電感在定轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置達(dá)到最大，因此相電 感斜率在電感最大位置由正變負(fù)，因而存在斜率過(guò)零點(diǎn)。因此通過(guò)以下步驟即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速 估計(jì)和轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)。1)實(shí)時(shí)檢測(cè)各相電流和端電壓；
3
2) DSP采樣各相電流和端電壓，通過(guò)數(shù)字積分計(jì)算各相磁鏈；3)將相磁鏈除以電流得到實(shí)時(shí)的相電感；4)在DSP中計(jì)算一個(gè)中斷周期的電感差值；5)比較各相電感大小，選擇電感最大相作為估計(jì)相；6)在步驟5)所選估計(jì)相區(qū)域?qū)⑸鲜霾襟E4)中所計(jì)算電感差值與零比較，若大于 0則為高電平，若小于等于0則為低電平；從而得到過(guò)零點(diǎn)的脈沖信號(hào)，過(guò)零點(diǎn)位置即定轉(zhuǎn) 子對(duì)齊位置；7)步驟6)中相鄰的兩個(gè)過(guò)零脈沖下降沿之間相差45度，即1/8周期，從而可以估 算出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息。該算法不依賴于電機(jī)本體參數(shù)，也無(wú)須測(cè)量靜態(tài)磁鏈等電機(jī)特性，算法簡(jiǎn)單且易 于實(shí)現(xiàn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)位置策略具有更強(qiáng)的通用性。


圖1為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖；圖2為12/8結(jié)構(gòu)樣機(jī)的三相電感與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系；圖3為樣機(jī)一相電感特性曲線；圖4為電感特性三維關(guān)系圖；圖5為本發(fā)明原理示意圖(A相為例)；圖6為過(guò)零檢測(cè)脈沖信號(hào)與位置角度關(guān)系圖；圖7為電流進(jìn)入飽和電流區(qū)后，電感曲線和斜率曲線關(guān)系示意圖；圖8為電機(jī)運(yùn)行時(shí)電感實(shí)時(shí)計(jì)算方法流程框圖；圖9為本發(fā)明一種開(kāi)通角為0度的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法 原理圖；圖10本發(fā)明一種適合開(kāi)通/關(guān)斷角可調(diào)的無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明利用電感與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)每個(gè)周期最大電感位置點(diǎn)的方法來(lái) 估計(jì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息。下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明圖1為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) (SRM)、功率變換器、控制系統(tǒng)(DSP+CPLD)、位置傳感器以及電壓電流檢測(cè)和保護(hù)電路等組 成。其中控制器是系統(tǒng)的核心，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算和處理，完成相關(guān)的控制算法，從 而輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。本發(fā)明中的電感計(jì)算和無(wú)位置傳感器技術(shù)的算法均由控制器來(lái)完 成，無(wú)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(lái)檢測(cè)。圖2為12/8結(jié)構(gòu)樣機(jī)的三相電感與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)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(shè)0度角為A相定子齒中心線與轉(zhuǎn)子槽中心線對(duì)齊位 置，22. 5度為定轉(zhuǎn)子齒極中心線對(duì)齊位置。圖3(A)為以樣機(jī)一相電感特性曲線。電感特性曲線表征了相電感與轉(zhuǎn)子位置角 及相電流三者之間的非線性關(guān)系，該圖表示了相同電流下，不同轉(zhuǎn)子位置的相電感曲線族。
4由圖可知，相電感隨電流的增大而減小，當(dāng)電流達(dá)到一定值時(shí)，電感將出現(xiàn)飽和，此時(shí)電感 曲線頂部出現(xiàn)平頂。其三維關(guān)系可由式(1)表示，三維關(guān)系圖如圖4所示。圖3(B)為相同 電流下的相電感斜率曲線。L = L( θ , i) (1)圖5為以A相為例說(shuō)明本發(fā)明原理示意圖。如圖所示，相電感曲線，相電感斜率曲 線，以及斜率過(guò)零點(diǎn)脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)下降沿位置即電感最大位置。相鄰的兩個(gè)下降沿 之間為45度，即1/8個(gè)機(jī)械周期。過(guò)零檢測(cè)脈沖信號(hào)與位置角度關(guān)系圖如圖6所示。圖7(A)為電流進(jìn)入飽和電流區(qū)后，電感曲線和斜率曲線關(guān)系示意圖。圖7(B)為 電感斜率在電感最大位置附近過(guò)零點(diǎn)示意圖，由該圖可知，當(dāng)電流達(dá)到飽和后，由于電感飽 和，在電感頂部出現(xiàn)平頂，電感斜率可能出現(xiàn)多個(gè)零點(diǎn)，造成位置估計(jì)失誤。但是由于電機(jī) 實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于要使進(jìn)入電感下降區(qū)的續(xù)流區(qū)電流盡量小，以減小產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩，所 以必須在電感22. 5度之前關(guān)斷，從而使得22. 5度附近位置電流遠(yuǎn)小于飽和電流，在實(shí)際電 機(jī)運(yùn)行時(shí)，電感斜率負(fù)向過(guò)零點(diǎn)只有一個(gè)，即對(duì)應(yīng)22. 5度位置，因此本發(fā)明方法完全適合 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行的位置檢測(cè)和速度估計(jì)。圖8為電機(jī)運(yùn)行時(shí)電感實(shí)時(shí)計(jì)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(lái)檢測(cè)得到，經(jīng)調(diào)理后，在DSP中啟動(dòng)A/D采樣程序，采樣繞組端電壓和相 電流。根據(jù)積分式子計(jì)算磁鏈大小。其中一相繞組的磁鏈表達(dá)式為￥k{t) = |(V,(0-^4(0)^ + ^(0)( 2 )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(yīng)用數(shù)值積分法，可以將上式離散化為Ψk {η) = Σ [ν, (η) - Rkik (η)]Τ + ψ, (0)( 3 )
=1其中T為采樣周期，N為測(cè)量的點(diǎn)個(gè)數(shù)，η為第η測(cè)量點(diǎn)。根據(jù)電感與磁鏈之間的關(guān)系式可以求出電感值。ψ ( θ , i) = L( θ , i)i (4)mo^^l(5)
i這種方法由于引入了積分運(yùn)算，相電壓、相電流檢測(cè)誤差，以及繞組等效電阻的變 化，都會(huì)影響計(jì)算的精度，這種方法比較適合電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)的磁鏈估計(jì)。圖9為本發(fā)明一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法原理圖，電機(jī)開(kāi) 通角為0度。設(shè)0度角為A相定子齒中心線與轉(zhuǎn)子槽中心線對(duì)齊位置，22. 5度為定轉(zhuǎn)子齒 極中心線對(duì)齊位置，各相相位差15度。其中圖9 (A)為處理方法一原理圖圖9㈧所示為開(kāi)通角為0度時(shí)的各相電感實(shí)時(shí)計(jì)算的波形，以A相為例，根據(jù)電 感與位置角之間的關(guān)系，由圖可知，在0-22. 5度時(shí)即電感上升區(qū)的電感斜率將大于等于0， 而當(dāng)電流續(xù)流到電感下降區(qū)時(shí)，電感斜率變負(fù)，因此22. 5度位置即電感斜率負(fù)向過(guò)零位 置，因此電感斜率k經(jīng)過(guò)零比較后可以得到如圖所示的脈沖信號(hào)Pa。輸出信號(hào)波形與數(shù)字 過(guò)零比較器的程序設(shè)置有關(guān)。(l)gk>0，Pa>0;k<0，Pa = 0。則可以得到圖9 (Al) 的波形。(2)若k彡0，Pa > 0 ;k < 0，Pa = 0。則可以的到圖9 (A2)的波形。通過(guò)檢測(cè)所得脈沖信號(hào)的相鄰兩個(gè)脈沖的下降沿，記錄兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間Td_即可通過(guò)式(6)得 到轉(zhuǎn)速信息，根據(jù)估算出的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速就可以估計(jì)出電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)的位置。nsrffl = 7. 5Td_ (6)圖10為本發(fā)明一種適合開(kāi)通/關(guān)斷角可調(diào)的無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法。當(dāng) 開(kāi)通角提前時(shí)，理論上可以根據(jù)圖9方法判斷得到相應(yīng)的過(guò)零脈沖信號(hào)。當(dāng)電感斜率k > 0，Pa > 0 ;k彡0，Pa = 0，因此可以得到入圖10㈧所示過(guò)零脈沖信號(hào)。但是在DSP數(shù)字控 制系統(tǒng)中，電感斜率計(jì)算的方式是計(jì)算相鄰中斷中電感采樣點(diǎn)差值與中斷周期的比值，由 于只有在開(kāi)通相電感才能計(jì)算得到，而在關(guān)斷時(shí)電感的計(jì)算值為0，因此在所估計(jì)相剛好開(kāi) 通的時(shí)刻，開(kāi)通前后兩次電感采樣值之差會(huì)存在一個(gè)突變，使得該周期斜率計(jì)算值大于0， 而之后各采樣周期中電感斜率計(jì)算進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，因此在電感下降區(qū)電感斜率小于0，而在電 感上升區(qū)，電感斜率大于0，若采用上述數(shù)字過(guò)零比較的方法，則會(huì)得到如圖10(B)所示的 過(guò)零脈沖波形。由圖可知，在一個(gè)周期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)脈沖，因此采用上述檢測(cè)下降沿估計(jì)的 方法無(wú)法正確的估計(jì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。為解決上述方法在實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種將上述方法與基于電 感大小分區(qū)的估計(jì)相選擇方法相結(jié)合的位置估計(jì)策略，該方法巧妙的避開(kāi)了在提前開(kāi)通情 況下出現(xiàn)誤估計(jì)脈沖的問(wèn)題，具體方法結(jié)合圖10(c)進(jìn)行說(shuō)明。由圖10(C)所示，該方法是通過(guò)比較三相實(shí)測(cè)電感大小，選擇電感計(jì)算值最大的 相作為當(dāng)前估計(jì)相，此相選擇邏輯由表一所示，即當(dāng)La > L。> Ld時(shí)，選擇A相作為估計(jì)相； 當(dāng)L。> Lb > La，選擇C相作為估計(jì)相；當(dāng)Lb > La > L。，選擇B相作為估計(jì)相。一旦選定估 計(jì)相，則計(jì)算當(dāng)前估計(jì)相電感斜率，并利用數(shù)字過(guò)零比較的方法得到單個(gè)估計(jì)相的過(guò)零脈 沖信號(hào)PA、PB、PC,同時(shí)也可得到一組綜合各估計(jì)相過(guò)零脈沖信號(hào)的綜合脈沖信號(hào)Puse。表一電感分區(qū)邏輯表 由于過(guò)零脈沖信號(hào)PA、PB或PC的下降沿位置為該相電感最大位置，而相鄰兩個(gè) 下降沿之間相位差45度，因此捕獲任意一組過(guò)零脈沖信號(hào)的下降沿，記錄兩個(gè)下降沿之間 的時(shí)間Td。wn，同樣可以利用式(6)計(jì)算出轉(zhuǎn)速信息，同時(shí)估計(jì)出轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置。而由于上述 Puse信號(hào)，各下降沿對(duì)應(yīng)著各相電感最大位置，因此相鄰下降沿之間相隔15度，同理可以 通過(guò)捕獲下降沿的方法來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)速信息和轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置。本發(fā)明方法僅通過(guò)估計(jì)特定位置的方法來(lái)確定轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置和轉(zhuǎn)速信息，具備以 下優(yōu)點(diǎn)1)原理簡(jiǎn)單，實(shí)施非常方便靈活；2)程序簡(jiǎn)單，無(wú)復(fù)雜的運(yùn)算以及表格存儲(chǔ)，占用軟件資源少，且無(wú)需額外增加硬件；3)不需要單獨(dú)測(cè)量靜態(tài)電磁特性曲線，省去了傳統(tǒng)無(wú)位置算法復(fù)雜的準(zhǔn)備過(guò)程；4)適合電機(jī)在中速，高速整個(gè)運(yùn)行范圍的轉(zhuǎn)速估計(jì)和位置檢測(cè)，開(kāi)通/關(guān)斷角皆 可調(diào)整，滿足電機(jī)運(yùn)行性能；5)具有很強(qiáng)的魯棒性，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，外加擾動(dòng)都不會(huì)影響位置的檢測(cè)；6)對(duì)電機(jī)參數(shù)要求并不高，即使在由于電機(jī)加工問(wèn)題而引起的電感對(duì)稱度不高的 情況下，仍能準(zhǔn)確的估計(jì)出最大電感位置；7)算法可移植性強(qiáng)，通用性強(qiáng)，適合任何結(jié)構(gòu)和功率等級(jí)的普通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的 轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。
權(quán)利要求
一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟1)實(shí)時(shí)檢測(cè)各相電流和端電壓；2)DSP采樣各相電流和端電壓，通過(guò)數(shù)字積分計(jì)算各相磁鏈；3)將相磁鏈除以電流得到實(shí)時(shí)的相電感；4)在DSP中計(jì)算一個(gè)中斷周期的電感差值；5)比較各相電感大小，選擇電感最大相作為估計(jì)相；6)在步驟5)所選估計(jì)相區(qū)域?qū)⑸鲜霾襟E4)中所計(jì)算電感差值與零比較，若大于0則為高電平，若小于等于0則為低電平；從而得到過(guò)零點(diǎn)的脈沖信號(hào)，過(guò)零點(diǎn)位置即定轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置；7)步驟6)中相鄰的兩個(gè)過(guò)零脈沖下降沿之間相差45度，即1/8周期，從而可以估算出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，屬開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是基于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電感隨轉(zhuǎn)子位置周期性變化的基本特點(diǎn)，相電感在定轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置達(dá)到最大，因此相電感斜率在電感最大位置由正變負(fù)，因而存在斜率過(guò)零點(diǎn)。本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)采樣各相電流、相電壓，從而可以實(shí)時(shí)檢測(cè)各相電感值，同時(shí)可以計(jì)算出電感斜率，將計(jì)算的電感斜率經(jīng)過(guò)零比較，可以得到斜率過(guò)零點(diǎn)脈沖信號(hào)，從而檢測(cè)出過(guò)零位置，而過(guò)零位置即為定轉(zhuǎn)子齒極對(duì)齊位置。而相鄰兩個(gè)最大電感位置相位差45度，因此兩個(gè)斜率過(guò)零點(diǎn)位置相差1/8周期，從而根據(jù)過(guò)零脈沖信號(hào)可以計(jì)算出電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息。該算法不依賴于電機(jī)本體參數(shù)，也無(wú)須測(cè)量靜態(tài)磁鏈等電機(jī)特性，算法簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)位置策略具有更強(qiáng)的通用性。
文檔編號(hào)H02P6/18GK101902190SQ20101023877
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者周竟成, 蔡駿, 鄧智泉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)