一種基于磁阻特性坐標(biāo)變換的開關(guān)磁阻電機位置預(yù)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于磁阻特性坐標(biāo)變換的開關(guān)磁阻電機位置預(yù)估方法，屬于電機 無位置傳感器控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置信息對于控制方法的實現(xiàn)W及系統(tǒng)的正常 運行至關(guān)重要，且該信息通常由光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等機械式位置傳感器得到。然而， 機械式位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提高了制造成本，且傳感器性能易受 環(huán)境影響。因此，研究適用于開關(guān)磁阻電機的低成本、高精度、高可靠性無位置傳感器控制 方法是非常必要的。
[0003] 為了實現(xiàn)無位置傳感器控制，研究人員提出了大量的位置預(yù)估方法。運些方法主 要分為兩類:非導(dǎo)通相位置預(yù)估法和導(dǎo)通相位置預(yù)估法。
[0004] 第一類方法主要通過給開關(guān)磁阻電機非導(dǎo)通相注入電壓脈沖，在恒頻低占空比電 壓激勵下，繞組將會產(chǎn)生低幅值的檢測電流，由于檢測電流較小，因此此時電機的反電勢可 W忽略。根據(jù)電壓平衡方程式可知，檢測電流的幅值與當(dāng)前位置相電感呈反比，因此該方法 可用于位置預(yù)估。其特點是可W檢測轉(zhuǎn)子初始位置，在中低速下能夠檢測到連續(xù)的位置信 息，但是該法不適用于高速工況。
[0005] 第二類方法主要基于開關(guān)磁阻電機的磁鏈特性，將測量得到的磁鏈特性數(shù)據(jù)W查 詢表、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等形式進行存儲或表述，而后依據(jù)在線測得的導(dǎo)通相電流和磁鏈數(shù)據(jù)，獲得 轉(zhuǎn)子位置信息。該類方法具有較高的預(yù)估精度和較寬的轉(zhuǎn)速適用范圍，但是需要大量磁鏈 特性樣本數(shù)據(jù)，而運些數(shù)據(jù)通常是通過詳細(xì)的有限元分析或?qū)嶒灉y量得到的，運增加了方 法的復(fù)雜性和成本，同時在實現(xiàn)時常需要占用較大物理內(nèi)存。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明將開關(guān)磁阻電機相磁阻與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系曲線劃分為兩個區(qū)域，并針對不 同區(qū)域采取不同的磁阻特性坐標(biāo)變換方式，將變換后的轉(zhuǎn)子位置作為自變量，變換后的磁 阻作為因變量，在不同區(qū)域分別表示為一次函數(shù)與二次函數(shù)。在此基礎(chǔ)之上，依據(jù)磁阻便可 求解出轉(zhuǎn)子位置。技術(shù)方案如下：
[0007] 步驟一:在開關(guān)磁阻電機相磁阻與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系曲線中，將區(qū)間[θ0，θι]定義為 區(qū)域ι，[θιΑ]定義為區(qū)域Π 。在區(qū)域巧眶域Π 中，定義四個特殊位置0〇、01、0虹、03。其中，0〇 為非對齊位置，Θ。為對齊位置，θι和0hr可由式(1)和(2)得到。
[0010]其中，耗和山分別為定子極弧和轉(zhuǎn)子極弧。
[001。 步驟二:檢測θQ、θ 1、0hr、目3四個位置的磁鏈特性數(shù)據(jù)Φο、恥、fcr、恥，通過式（3 )獲得 四個位置的磁阻特性，其中，恥表示90、91、9hr、03四個位置的相磁鏈，N為相繞組應(yīng)數(shù)，i為相 電流。
[0012]
(3)
[001 ；3 ] 將計算得到的R日、Ri、Rhr、Ra代入式（4)獲得5個系數(shù)a、b、C、d、e。
[0014]
[0015] 步驟Ξ:檢測導(dǎo)通相電壓、電流值，利用式(5)計算得到當(dāng)前的相磁阻值。
[0016]
(5)
[0017]其中，φ(0)是初始磁鏈，由于娃鋼材料剩磁較小，通常將φ(0)取為0;u、巧Pr分別為 開關(guān)磁阻電機的相電壓、相電流和相電阻。
[0018] 步驟四：利用線性插值，獲得當(dāng)前電流下目1處的磁阻值化（i)。
[0019] 步驟五:若R含Ri(i)，表明轉(zhuǎn)子位置位于區(qū)域I，利用線性插值計算得到a(i)和b (i)。此時磁阻與轉(zhuǎn)子位置角平方呈一次函數(shù)關(guān)系如式(6)所示，可通過式(7)得到轉(zhuǎn)子位置 角。
[0022]步驟六:若R<Ri(i)，表明轉(zhuǎn)子位置位于區(qū)域Π ，利用線性插值計算得到c(i)、d(i) 和e(i)。此時磁阻的1/4次幕與轉(zhuǎn)子位置角的1/2次幕呈二次函數(shù)關(guān)系如式(8)所示，可通過 式(9)得到轉(zhuǎn)子位置角。
[0025]步驟屯:如需進一步減小低電流下轉(zhuǎn)子位置預(yù)估時引入的系統(tǒng)誤差，可采用多相 磁阻特性代替單相磁阻特性進行預(yù)估。相選取原則為:根據(jù)各相電流的大小，選取相電流最 大的相進行位置預(yù)估。
[0026] 本發(fā)明的有益效果:①方法簡單，易于實現(xiàn)。將磁阻特性進行坐標(biāo)變換后，可快速 解析求解轉(zhuǎn)子位置角;僅需四個轉(zhuǎn)子位置處的磁鏈特性數(shù)據(jù)，而且只占用少量的物理內(nèi)存； ② 精度高，魯棒性強。磁阻數(shù)量級較大，分辨率高。另外，通過多相預(yù)估法，減小了系統(tǒng)誤差； ③ 適用性好。角度位置控制、電流斬波控制和電壓PWM控制工況下均具有良好的精度，也適 用于不同的開關(guān)磁阻電機拓?fù)洹?br>【附圖說明】
[0027] 圖1為一定電流下開關(guān)磁阻電機相磁阻與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系曲線圖。
[0028] 圖2為一定電流下區(qū)域I開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子位置角平方與相磁阻的關(guān)系曲線圖。
[0029] 圖3為一定電流下區(qū)域Π 開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子位置角的1/2次幕與相磁阻的1/4次幕 的關(guān)系曲線圖。
【具體實施方式】
[0030] W下結(jié)合附圖和具體實例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明。實例所用電機為 一個1 kW^相12/8極開關(guān)磁阻電機。
[0031] 步驟一：圖1為一定電流下開關(guān)磁阻電機相磁阻與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系曲線圖。將 [90，θι]定義為區(qū)域Ι，[θι，θ3]定義為區(qū)域Π 。對于實例給定的開關(guān)磁阻電機，&、|3,和03分別 為15°、17°和22.5°。由式（1)和(2)，可W得出θι和Θ虹分別為6.5°和14°。
[0032] 步驟二：利用轉(zhuǎn)子位置固定法，可獲得該開關(guān)磁阻電機在0° ,6.5°，14°和22.5°處 的磁鏈特性數(shù)據(jù)，進而通過式(3)獲得運四個位置處的磁阻值R〇°、R6.5°、虹5°、R22.5°。將計算 得到的Ro°、R6.5°、Ri日°、R22.5°代入式(4)獲得5個系數(shù)a、b、c、d、e。
[0033]
[0034] 步驟檢測導(dǎo)通相電壓、電流值，利用式(5)計算得到此時的相磁阻值R(i)。
[0035] 步驟四：利用線性插值，計算得到R6.5°(i)。
[0036] 步驟五:若R(i)>R6.5°(i)，表明轉(zhuǎn)子位置位于區(qū)域I，此時開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子位置 角平方與相磁阻的關(guān)系曲線如圖2所示。利用線性插值計算得到a(i)和b(i)，進而利用式 (7)得到轉(zhuǎn)子位置角。
[0037] 步驟六:若R(i)<R6.5°(i)，表明轉(zhuǎn)子位置位于區(qū)域Π ，此時開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子位置 角的1/^2次幕與相磁阻的1/4次幕的關(guān)系曲線如圖3所示。利用線性插值計算得到〇(。、(1。） 和e (i)，進而利用式(9)得到轉(zhuǎn)子位置角。
[0038] 步驟屯：如需進一步減小低電流下的轉(zhuǎn)子位置預(yù)估誤差，采用Ξ相磁阻特性代替 單相磁阻特性進行預(yù)估，預(yù)估相選取策略如表1所示。
[0039] 表1.預(yù)估相選取策略
[0040]
【主權(quán)項】
1. 一種基于磁阻特性坐標(biāo)變換的開關(guān)磁阻電機位置預(yù)估方法，其特征在于:將開關(guān)磁 阻電機相磁阻與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系曲線劃分為兩個區(qū)域，并針對不同區(qū)域分別采用一次函數(shù) 與二次函數(shù)表示坐標(biāo)變換后的磁阻特性與坐標(biāo)變換后的轉(zhuǎn)子位置角之間的關(guān)系，進而用于 轉(zhuǎn)子位置的求解，本發(fā)明公布的位置預(yù)估方法的實現(xiàn)步驟如下： 步驟一:在開關(guān)磁阻電機相磁阻與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系曲線中，將區(qū)間[0〇，01]定義為區(qū)域 1，[01，03]定義為區(qū)域11，在區(qū)域巧日區(qū)域11中，定義四個特殊位置0〇、01、0虹、03; 步驟二:測量上述四個特殊位置處的磁鏈特性數(shù)據(jù)，并計算相應(yīng)的磁阻特性數(shù)據(jù)R〇、Ri、 Rhr、Ra;將四個位置的磁阻數(shù)據(jù)代入系數(shù)a、b、c、d、e的解析表達(dá)式，計算出曰、6、(3、(1、6五個系 數(shù)； 步驟=:檢測導(dǎo)通相電壓、電流值，代入磁阻解析表達(dá)式，獲得當(dāng)前相磁阻值R; 步驟四：利用線性插值，計算得到化（i); 步驟五:若R含Ri( i )，表明轉(zhuǎn)子位置位于區(qū)域I，此時轉(zhuǎn)子位置角的平方與磁阻呈一次函 數(shù)關(guān)系，可利用坐標(biāo)變換后磁阻特性的一次函數(shù)表達(dá)式進行轉(zhuǎn)子位置預(yù)估； 步驟六:若Rai(i)，表明轉(zhuǎn)子位置位于區(qū)域n，此時轉(zhuǎn)子位置角的1/2次幕與磁阻的1/4 次幕呈二次函數(shù)關(guān)系，可利用坐標(biāo)變換后磁阻特性的二次函數(shù)表達(dá)式進行轉(zhuǎn)子位置預(yù)估； 步驟屯:如需進一步減小低電流下轉(zhuǎn)子位置預(yù)估時引入的系統(tǒng)誤差，可采用多相磁阻 特性代替單相磁阻特性進行預(yù)估，相選取原則為:根據(jù)各相電流的大小，選取相電流最大的 相進行位置預(yù)估。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于磁阻特性坐標(biāo)變換的開關(guān)磁阻電機位置預(yù)估方法，其 特征在于:步驟一所述四個特殊位置00、01、0hr、0a中00為非對齊位置，0a為對齊位置，01和0hr 可由公式01 = 0a-(&+0r)/2和0hr=0a-0r/2計算得到，其中，&和擔(dān)分別為電機的定子極弧和 轉(zhuǎn)子極弧。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁阻特性坐標(biāo)變換的開關(guān)磁阻電機位置預(yù)估方法， 其特征在于:步驟二所述的0〇、01、0hr和03處的磁阻特性帖、町、1^、1?3是通過公式計算 得到的，其中為相磁鏈，N為相繞組應(yīng)數(shù)，i為相電流。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁阻特性坐標(biāo)變換的開關(guān)磁阻電機位置預(yù)估方法， 其特征在于:步驟二所述的系數(shù)a、b、c、d、e是通過公式'計 算得到的。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁阻特性坐標(biāo)變換的開關(guān)磁阻電機位置預(yù)估方法， 其特征在于:步驟=所述的相磁阻值，可表示為其中，(6(0)是初始磁 鏈，由于娃鋼材料剩磁較小，通常將(6(0)取為〇，u、i和r分別為開關(guān)磁阻電機的相電壓、相電 流和相電阻。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁阻特性坐標(biāo)變換的開關(guān)磁阻電機位置預(yù)估方法， 其特征在于：步驟五所述的區(qū)域I坐標(biāo)變換后磁阻特性的一次函數(shù)表達(dá)式為R = a(i)02+b (i)，此時轉(zhuǎn)子位置角可通過公式求解。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁阻特性坐標(biāo)變換的開關(guān)磁阻電機位置預(yù)估方法， 其特征在于：步驟六所述的區(qū)域n坐標(biāo)變換后磁阻特性的二次函數(shù)表達(dá)式為，此時轉(zhuǎn)子位置角可通過公式求解。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于磁阻特性坐標(biāo)變換的開關(guān)磁阻電機位置預(yù)估方法。該方法基于四個特殊位置的磁阻數(shù)據(jù)，根據(jù)相電壓與相電流值對開關(guān)磁阻電機的位置進行預(yù)估。首先將轉(zhuǎn)子位置劃分為兩個區(qū)域，區(qū)域Ⅰ轉(zhuǎn)子位置角的平方與磁阻值呈一次函數(shù)關(guān)系，區(qū)域Ⅱ轉(zhuǎn)子位置角的1/2次冪與磁阻值的1/4次冪呈二次函數(shù)關(guān)系。通過四個特殊位置的磁阻數(shù)據(jù)計算出擬合系數(shù)a、b、c、d、e。檢測相電壓與電流值，計算當(dāng)前磁阻值，判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置所處區(qū)域。若轉(zhuǎn)子位置位于區(qū)域Ⅰ，則利用a、b計算當(dāng)前位置，若轉(zhuǎn)子位置位于區(qū)域Ⅱ，則利用c、d、e計算當(dāng)前位置。該方法通過解析的方式對開關(guān)磁阻電機的位置進行預(yù)估，具有成本低、易于實現(xiàn)、適用性好等優(yōu)點。
【IPC分類】H02P21/18
【公開號】CN105656379
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】宋受俊, 陳碩
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年2月22日