一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法
【專利摘要】本發明公開了一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法，屬于開關磁阻電機控制的技術領域。本發明對開關磁阻電機非導通相繞組的電流采取斬波控制方式，通過限定電流上下限值將電流保持在很小的數值范圍內，使電流在電機非導通區間連續，電流在電機非導通區間連續使得在全電周期內對相繞組磁鏈積分即可獲得整個周期的電感信息，通過DSP控制器編程檢測相電感最小位置處并估計轉子位置信息，相電感對應的特殊位置點在定轉子非對齊位置，相電感值受電磁飽和影響小，適合于開關磁阻電機的帶載運行。
【專利說明】
-種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法
技術領域
[0001] 本發明公開了一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法，屬于開關磁阻 電機控制的技術領域。
【背景技術】
[0002] 開關磁阻電機采用雙凸極結構，定子上繞有集中式繞組，轉子無永磁材料和繞組， 具備結構簡單，容錯能力強，運行效率高等特點。開關磁阻電機在航空航天、電動汽車、船 蔚白、分布式電源系統W及精密加工、紡織機械、飛輪儲能等諸多場合具有良好的應用前景。 要保證開關磁阻電機可靠運行和高性能控制，就必須準確的獲取轉子位置信息。傳統的開 關磁阻電機驅動系統中由于采用了轉子位置傳感器，影響了調速系統的可靠性，提高了成 本，加大了安裝調試的難度，因此研究開關磁阻電機無位置傳感技術具有重要意義。
[0003] 近20年來國內外學者在該領域做了大量研究，針對不同轉速范圍提出多種控制方 案。其中主要包括W下幾種:調制解調法、高頻脈沖注入法、相間互感檢測法、磁鏈/電流法、 電感模型法、反電勢估計法、基于智能控制W及觀測器等多種位置估計算法。
[0004] W上提出的無位置傳感器控制技術都有各自的運行條件和適用范圍，各有其優缺 點。在中、高速運行區域，磁鏈/電流法、電感模型法、智能控制方法應用比較廣泛。磁鏈/電 流法將磁鏈-電流-位置角數據W=維表的形式存儲，通過實時估計繞組磁鏈與相電流一起 查表得到轉子位置信息。該方法算法復雜，占用軟硬件資源較多，計算時間長。隨著智能控 制技術的發展，模糊控制、神經網絡開始應用于開關磁阻電機的無位置傳感器技術中，此類 方法不需要精確的系統模型，只需足夠的訓練數據就可W擬合轉子位置、磁鏈和電流之間 的關系，實現位置估計，但是訓練數據需要大量訓練時間，算法較為復雜，對處理器的功能 要求較高。W上無位置傳感器控制技術大多依賴電機磁鏈模型，降低了其實用性與通用性。
[0005] 基于相電流梯度法的開關磁阻電機無位置傳感器技術通過檢測相電流梯度的過 零點來估計定轉子齒開始重合的位置點信號。但是該方法W相電流在特殊位置出現峰值為 前提，限制了角度調節范圍，不適于電流斬波控制。
【發明內容】
[0006] 本發明的發明目的是針對上述【背景技術】的不足，提供了一種適合用于較寬速度范 圍的開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法，無需預知開關磁阻電機的電磁特性數 據和精確數學模型即可估計轉子位置信息，解決了傳統的磁鏈/電流法、電感模型法、智能 控制等開關磁阻電機無位置方法依賴電機本體參數，通用性差的技術問題。
[0007] 本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案：
[000引一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法，包括如下步驟：
[0009] A、驅動開關磁阻電機運行在電流連續控制模式；
[0010] B、根據開關磁阻電機各相繞組的相電流和相電壓計算各相繞組全電周期電感值；
[0011] C、實時檢測每個電周期內各相繞組最小電感值對應的特殊轉子位置參考點，并在 特殊轉子位置參考點處發出位置檢測脈沖；
[0012] D、根據相鄰兩電周期內位置檢測脈沖的角度差和時間間隔估計實時轉速并估計 轉子位置。
[0013] 作為所述一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法的進一步優化方案， 步驟A驅動開關磁阻電機運行在電流連續控制模式的方法為:驅動開關磁阻電機運行在角 度位置控制模式下，在繞組非導通區間內對電流采取電流斬波控制，控制主電路器件的反 復開通和關斷W限制非導通區間電流在給定的上下限之間。
[0014] 進一步的，所述一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法，步驟B中計算 各相繞組全電周期電感值的方法為:根據各相繞組磁鏈與相電壓W及相電流的關系在全電 周期內做積分運算確定各相繞組磁鏈，再由各相繞組磁鏈與相電流的比值確定各相繞組全 電周期電感值。
[0015] 再進一步的，所述一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法，步驟D中根 據相鄰兩電周期內位置檢測脈沖的角度差和時間間隔估計實時轉速的表達式是
估計轉子位置的表達式是：e化+1) = 0化)+? A T，CO為實時轉速，A 0、A t分別為相鄰兩電 周期內位置檢測脈沖的角度差和時間間隔，0化+1)、0化)分別為第k+1電周期、第k電周期的 轉子位置估計值，A T為電周期。
[0016] 實現所述一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法的系統，包括：
[0017] 用于測量各相繞組相電壓的電壓傳感器，
[001引用于測量各相繞組相電流的電流傳感器，及，
[0019] 根據各相繞組相電壓和相電流生成主電路器件驅動信號的DSP控制模塊；
[0020] 所述DSP控制模塊:驅動開關磁阻電機運行在電流連續控制模式，計算各相繞組全 電周期電感值，檢測各相繞組最小電感值并在最小電感值對應的特殊轉子位置參考點處發 出位置檢測脈沖，根據相鄰兩電周期內位置檢測脈沖的角度差和時間間隔估計實時轉速并 估計轉子位置。
[0021] 本發明采用上述技術方案，具有W下有益效果:本發明對開關磁阻電機非導通相 繞組的電流采取斬波控制方式，通過限定電流上下限值將電流保持在很小的數值范圍內， 使電流在電機非導通區間連續，電流在電機非導通區間連續使得在全電周期內對相繞組磁 鏈積分即可獲得整個周期的電感信息，通過DSP控制器編程檢測相電感最小位置處并估計 轉子位置信息，相電感對應的特殊位置點在定轉子非對齊位置，相電感值受電磁飽和影響 小，適合于開關磁阻電機的帶載運行。
【附圖說明】
[0022] 圖1是開關磁阻電機電流連續導通控制原理示意圖；
[0023] 圖2是開關磁阻電機全周期電感計算流程圖；
[0024] 圖3是通過檢測開關磁阻電機最小電感位置估算轉子位置原理示意圖；
[0025] 圖4是開關磁阻電機調速系統框圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明：本發明檢測每個周期相電感最小 位置處，即開關磁阻電機定、轉子非對齊位置。通過電感最小位置處獲得的轉子位置脈沖信 號計算電機的實時轉速，估計轉子位置信息，具有較強的通用性和實用性。
[0027] 圖1是開關磁阻電機電流連續導通控制原理示意圖。在開關磁阻電機高速運行時， 通常采用單脈沖控制方式，當導通相關斷時，相電流進入續流模式。本發明在繞組非導通區 間對電流采取電流斬波控制，給定電流的上下限，檢測電機相電流與給定上下限比較，超過 電流上限時，關斷繞組開關管使繞組電流下降，當相電流降到電流下限時，重新開通開關管 使電流上升。通過主電路器件的反復開通和關斷，將非導通區間的電流限制在給定的上下 限之間，使電流在電機繞組非導通區間連續。
[0028] 圖2所示為電流連續時全周期電感的計算流程圖。通過電壓、電流傳感器實時采樣 各相電流、相電壓，在DSP控制器中計算開關磁阻電機相磁鏈，進一步計算相電感。電流在電 機非導通區間連續，可獲得整個周期的電感信息。通過檢測每個周期相電感最小位置估計 轉子位置信息。
[0029] 井羊磁陽由化笠k相的電壓方程如式（1)所示：
[0030]
(1),
[0031] 式（1)中，化為第k相的繞組端電壓，ik為第k相的繞組電流，化為第k相的繞組電阻， Wk為第k相的繞組磁鏈。
[00321 兩訪巧4V俱面I相緒巧獻錯的表達式如式（2)所示：
[0033： (2)，
[0034] 式(2)中，W(O)為磁鏈初始值。
[0035] 根據相繞組磁鏈W ( i，0)、電感L( i，0) W及電流i之間的關系可知，繞組電感可W 根據式(3)計算得到：
[0036]
(3)，
[0037] 當導通相關斷時，在繞組非導通區間對電流采取電流斬波控制，給定電流的上下 限，通過主電路器件的反復開通和關斷，將非導通區間的電流限制在給定的上下限之間，使 電流在繞組非導通區間連續。此時，電流在開關磁阻電機一相繞組的導通區間和非導通區 間都有電流值，因此可W通過公式(3)計算出全周期的電感值。
[0038] 圖3所示為通過檢測開關磁阻電機最小電感位置估算轉子位置原理示意圖。在電 機每個周期可W得到一個最小電感對應的特殊轉子位置參考點，兩次檢測到特殊位置參考 點之間的時間差，可W根據式(4)得到電機的實時轉速：
[0039]
(4)，
[0040] 式(4)中，CO為實時轉速，A 0和At分別表示相鄰兩電周期內位置檢索脈沖之間的 角度差和時間間隔。
[0041] 根據所述特定轉子位置和實時的轉速估算出轉子的任意位置如式(5)所示：
[0042] 0(k+l) = 0(k)+co AT (5)，
[0043] 式巧）中，0化+1)和0化)分別為第k+1電周期、第k電周期的轉子位置估計值，A T為 DSP中斷周期，即為電周期。
[0044] 圖4所示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)、位置傳感器W及電壓電流檢測電路等組成。其中 控制器是系統的核屯、，電壓電流傳感器LBl對電壓、電流信號進行采集，由電壓電流調理電 路處理之后送入DSP控制器，本發明中全周期電感的計算、電感最小位置點的檢測W及無位 置傳感器的算法都是由控制器DSP來完成。數字控制器依據轉子的位置信息給出功率變換 器的驅動信號驅動電機實現正常運行及開通角，關斷角可調控制。
【主權項】
1. 一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法，其特征在于，包括如下步驟： A、 驅動開關磁阻電機運行在電流連續控制模式； B、 根據開關磁阻電機各相繞組的相電流和相電壓計算各相繞組全電周期電感值； C、 實時檢測每個電周期內各相繞組最小電感值對應的特殊轉子位置參考點，并在特殊 轉子位置參考點處發出位置檢測脈沖； D、 根據相鄰兩電周期內位置檢測脈沖的角度差和時間間隔估計實時轉速并估計轉子 位置。2. 根據權利要求1所述一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法，其特征在 于，步驟A驅動開關磁阻電機運行在電流連續控制模式的方法為:驅動開關磁阻電機運行在 角度位置控制模式下，在繞組非導通區間內對電流采取電流斬波控制，控制主電路器件的 反復開通和關斷以限制非導通區間電流在給定的上下限之間。3. 根據權利要求2所述一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法，其特征在 于，步驟B中計算各相繞組全電周期電感值的方法為:根據各相繞組磁鏈與相電壓以及相電 流的關系在全電周期內做積分運算確定各相繞組磁鏈，再由各相繞組磁鏈與相電流的比值 確定各相繞組全電周期電感值。4. 根據權利要求3所述一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法，其特征在 于，步驟D中根據相鄰兩電周期內位置檢測脈沖的角度差和時間間隔估計實時轉速的表達，估計轉子位置的表達式是:Θ(k+Ι) = Θ(k) + ω Δ T，ω為實時轉速，Δ θ、Δ t分 別為相鄰兩電周期內位置檢測脈沖的角度差和時間間隔，9(k+l)、0(k)分別為第k+1電周 期、第k電周期的轉子位置估計值，ΔΤ為電周期。5. 實現權利要求1所述一種開關磁阻電機無位置傳感器轉子位置估計方法的系統，其 特征在于，包括： 用于測量各相繞組相電壓的電壓傳感器， 用于測量各相繞組相電流的電流傳感器，及， 根據各相繞組相電壓和相電流生成主電路器件驅動信號的DSP控制模塊； 所述DSP控制模塊:驅動開關磁阻電機運行在電流連續控制模式，計算各相繞組全電周 期電感值，檢測各相繞組最小電感值并在最小電感值對應的特殊轉子位置參考點處發出位 置檢測脈沖，根據相鄰兩電周期內位置檢測脈沖的角度差和時間間隔估計實時轉速并估計 轉子位置。
【文檔編號】H02P6/185GK105827161SQ201610351418
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】邵杰, 鄧智泉, 顧宇, 王騁
【申請人】南京航空航天大學