CN109672386A - 一种开关磁阻电机转子位置检测方法 - Google Patents

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周追财
刁凯凯
陈龙
杨泽斌
李可
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Abstract

本发明公开一种电机驱动控制技术领域中的开关磁阻电机转子位置检测方法，测量电机六个特定位置对应的转子角，依序将转子角对应的磁链划分为区域1～6；对电机进行采样，计算出转子角的磁链值，建立每个转子角的磁链值与相电流的关系，根据各个采样点的磁链值判断其是否处于区域3或区域6内，根据采样点的磁链值所在区域得到转子位置角；本发明对转子位置角和采样点个数的关系进行估测计算，得到转子位置角的位置预测，计算流程简单，结果精确，位置检测迅速。

Description

一种开关磁阻电机转子位置检测方法
技术领域
本发明涉及电机驱动控制技术领域，具体是一种开关磁阻电机的转子位置的快速检测方法。
背景技术
开关磁阻电机与其他电机相比，具有结构简单、运行可靠、控制方便等优点，但需要精确的转子位置信号，开关磁阻电机的转子位置检测对于开关磁阻电机的控制非常重要。传统的开关磁阻电机转子位置检测方法为直接位置检测法，采用机械位置传感器，如霍尔传感器，光学编码器等，这种方法增加了开关磁阻电机结构的复杂性以及增加了成本，同时，检测结果会受到环境温度、振动、灰尘等多方面因素影响，可靠性和稳定性都不高。目前有通过磁链模型建立的开关磁阻位置检测方法，通常对电机的磁链进行非线性建模，如中国专利公开号为CN 106341066A的文献中提出了一种开关磁阻电机磁链非线性建模方法，但是由于磁链测量的困难与不准确性，导致通过磁链模型预测电机的转子位置出现误差。
发明内容
本发明的目的在于解决现有开关磁阻电机转子位置存在的问题，提出了一种可靠、准确且检测迅速的开关磁阻电机位置转子位置检测方法。
本发明所述的一种开关磁阻电机转子位置检测方法采用的技术方案是包括如下步骤：
(1)测量电机六个特定位置对应的转子角θ1、θu、θ2、θ3、θa以及θ4，依序将转子角对应的磁链划分为区域1～6；
(2)对电机进行采样，计算出转子角的磁链值建立每个转子角的磁链值与相电流i的关系，θ＝θ1，θu，θ2，θ3，θa，θ4：
(3)根据各个采样点的磁链值判断其是否处于区域3或区域6内；
(4)根据采样点的磁链值所在区域得到转子位置角。
本发明的有益效果是：
1、本发明根据开关磁阻电机的磁链曲线对其进行了区域划分，可以分别通过磁链线性模型和两个特殊位置的磁链值直接求解。通过磁链模型的分区能快速建立了磁链模型并将其与信号采样结合。对于电机的转子位置测量不需要其它辅助设备，没有传统的机械结构，结构简单。
2、电机稳定运行后可直接建立转子位置角与采样个数的关系，利用了转子位置角和采样点个数的近似线性关系，由于在线性区域内采用的是线性模型计算公式，其它区域通过一元线性回归进行了分析，对转子位置角和采样点个数的关系进行估测计算，最后得到转子位置角的位置预测，计算流程简单，计算结果精确，位置检测迅速。
3、本发明所述的转子位置检测方法适用于任何工作条件。
附图说明
图1是四相8/6极开关磁阻电机的结构示意图；
图1中：11-定子轭；12-定子极；13-定子绕组；14-转子极；15-转子轭；16-转轴；
图2是开关磁阻电机单相磁链曲线图；
图3是本发明中所阐述的定转子特定位置术语说明图。
具体实施方式
参见图1，本发明以四相8/6极开关磁阻电机进行说明，但不限于四相开关磁阻电机，而是可以包括任意相数的开关磁阻电机。为了简化结构，图1中只绘制了一相绕组的缠绕方式。开关磁阻电机包括定子和转子，转子同轴套在定子内部，定子由定子轭11和定子极12组成，定子极12的定子极弧角度为βs。转子固定套在转轴16上，转子由转子轭15和转子极14组成，转子极14的转子极弧角度为βr，通常转子极弧角度βr大于定子极弧角度βs。定子极12上绕有定子绕组16，定子极12上相对的绕组A1与A2构成A相，本发明以任意一相磁链为例。定子极12的定子极弧角度βs与βr分别为定子极弧和转子极弧。
本发明首先测量开关磁阻电机的特定位置对应的角度值，对电机磁链曲线进行区域划分。然后建立特定位置磁链值与电流的拟合关系，根据采样点的磁链大小对采样点进行区域判断，最后利用最小二乘原理拟合出电机在稳定运行时转子位置角与采样个数的关系。具体步骤如下：
步骤一：通过旋转电机的转子，测量电机特定位置对应的转子角度值。参见图2，当电机相电流一定时，电机单相的磁链是转子角位置的非线性函数。
选定六个特定位置的转子角，分别是转子角θ1、θu、θ2、θ3、θa以及θ4。再参见图3，这六个特殊位置分别是：
第一特定位置：转子后极边与定子前极边重合的位置，对应的转子角是θ1；
第二特定位置：转子凹槽中心与定子磁极轴线重合的位置，即不对齐位置，对应的转子角是θu；
第三特定位置：转子前极边与定子后极边重合的位置，对应的转子角是θ2；
第四特定位置：定子、转子磁极全部重合的起点，即定子、转子前极边重合的位置，对应的转子角是θ3；
第五特定位置：定转子磁极轴线重合的位置，即对齐位置，对应的转子角是θa；
第六特定位置：定子、转子后极边重合的位置，对应的转子角是θ4。
然后，根据图2中开关磁阻电机磁链曲线的特性以及电机旋转的周期性，依序将转子角对应的磁链划分为区域1～6这6个区域：区域1是转子角θ1～θu所在区域，区域2是转子角θu～θ2所在区域，区域3是转子角θ2～θ3所在区域，区域4是转子角θ3～θa所在区域，区域5是转子角θa～θ4所在区域，区域6是转子角θ4～θ1所在区域。
步骤二：对开关磁阻电机进行采样，利用万能表测量出整个电路的电阻值R，通过电压和电流传感器检测每个采样点的相电压和相电流，采样周期为T，整个采样过程覆盖电机整个运转周期。然后计算不同大小相电流下特定位置对应的磁链值。
当电机转速一定时，第k个采样点与此时转子转过的角度θ成正比，与转速ω成反比，如下式：
然后根据下式(2)计算出特定位置的转子角θ1，θu，θ2，θ3，θa，θ4的磁链值
式中，是对应的转子角θ下的磁链值；θ＝θ1，θu，θ2，θ3，θa，θ4；uk和ik分别为各个采样点的相电压和相电流大小；T为采样周期；k是采样点数。以转子角θ1为例：根据式(1)可求得与转子角θ1对应的采样点数k，将k值代入式(2)即可求得转子角θ1对应的磁链值
改变电机的输入，可获取多组不同大小相电流下特定位置的磁链值，建立每个特定位置角度的磁链值与相电流的关系。为了更精确地建立特定位置下磁链与相电流的关系，可多次改变电机输入，次数越多越好。然后通过最小二乘支持向量回归机对各个特定位置角度磁链值与相电流的关系进行拟合，得到系数矩阵，进而得到式(3)所示的矩阵关系：
式中，i为相电流大小，分别为转子角θ1，θu，θ2，θ3，θa，θ4下对应的相电流为i时的磁链值；[aij](i＝1-5，j＝1-3)为系数矩阵。
步骤三：根据各个采样点的磁链进行区域判断。
根据式(2)计算出的采样点的磁链值判断各个采样点的磁链值是否处于区域3或区域6内。设在电机的相电流i情况时，第k个采样点的磁链值为第k+1个采样点的磁链值为判断方法如下：
当且时，表示该采样点的磁链值在区域3内，否则不在区域3内；
当且时，表示该采样点的磁链值在区域6内，否则不在区域6内。
步骤四：根据采样点所在区域检测得到采样点的转子位置角。
若采样点的磁链值在区域3内，磁链与转子位置角θ近似为一条直线，如图2所示，因此在区域3内的各个采样点的转子位置角根据下式(4)直接计算：
式中，θ(i)为相电流为i时第k个采样点对应的转子位置角，为相电流为i时第k个采样点的磁链值
同理，若采样点的磁链值在区域6内，转子位置角根据下式直接计算：
式中，Tθ为转子周期角。
若采样点的磁链值在非区域3和区域6内，转子位置角检测通过线性回归计算，具体如下：
当电机在稳定运行时，电机转速可近似看作是恒定值，此时当采样周期T一定时，转子位置角θ与k近似成正比。利用一元回归分析理论，设：
θ(i)＝a+bk (6)
在区域3和区域6中采样点分别可由式(4)和(5)求得θ(i)和的关系，进一步得到区域3和区域6中各组对应的θ(i)与k的数值，利用区域3和区域6中的采样点和最小二乘原理可以对参数a和b进行估计，得到a、b的估计值分别为aσ,和bσ：
θσ和kσ分别为区域3与区域6内所有采样点对应的θ和k值的平均值，θ3/6(i)为图2所示区域3与区域6内各个采样点对应的转子角。则可得到任意采样点在相电流为i时对应的转子位置角θ(i)：
θ(i)＝aσ+bσk (8)。

Claims (6)

1.一种开关磁阻电机转子位置检测方法，其特征是包括如下步骤：
(1)测量电机六个特定位置对应的转子角θ1、θu、θ2、θ3、θa以及θ4，依序将转子角对应的磁链划分为区域1～6；
(2)对电机进行采样，计算出转子角的磁链值建立每个转子角的磁链值与相电流i的关系，θ＝θ1，θu，θ2，θ3，θa，θ4：
(3)根据各个采样点的磁链值判断其是否处于区域3或区域6内；
(4)根据采样点的磁链值所在区域得到转子位置角。
2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机转子位置检测方法，其特征是：步骤(1)中，六个特定位置分别是：转子后极边与定子前极边重合的位置，对应的转子角是θ1；转子凹槽中心与定子磁极轴线重合的位置，对应的转子角是θu；转子前极边与定子后极边重合的位置，对应的转子角是θ2；定子、转子前极边重合的位置，对应的转子角是θ3；定转子磁极轴线重合的位置，对应的转子角是θa；定子、转子后极边重合的位置，对应的转子角是θ4；区域1是转子角θ1～θu所在区域，区域2是转子角θu～θ2所在区域，区域3是转子角θ2～θ3所在区域，区域4是转子角θ3～θa所在区域，区域5是转子角θa～θ4所在区域，区域6是转子角θ4～θ1所在区域。
3.根据权利要求2所述的一种开关磁阻电机转子位置检测方法，其特征是：步骤(2)中，根据式计算出磁链值第k个采样点ω是转速ω，T为采样周期，uk和ik分别为各个采样点的相电压和相电流。
4.根据权利要求3所述的一种开关磁阻电机转子位置检测方法，其特征是：步骤(3)中，当且时，采样点的磁链值在区域3内，否则不在区域3内；当且时，采样点的磁链值在区域6内，否则不在区域6内，为第k个采样点的磁链值，为第k+1个采样点的磁链值， 分别为转子角θ1、θ2、θ3、θ4下对应的相电流为i时的磁链值。
5.根据权利要求4所述的一种开关磁阻电机转子位置检测方法，其特征是：步骤(4)中，若采样点的磁链值在区域3内，根据式计算得到转子位置角θ(i)；根据式计算得到转子位置角θ(i)，Tθ为转子周期角。
6.根据权利要求4所述的一种开关磁阻电机转子位置检测方法，其特征是：步骤(4)中，若采样点的磁链值在非区域3和区域6内，根据式θ(i)＝aσ+bσk，aσ＝θσ-bσkσ，计算得到转子位置角θ(i)，θσ和kσ分别为区域3与区域6内所有采样点对应的θ和k值的平均值，θ3/6(i)区域3与区域6内各个采样点对应的转子角。
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