CN110247606A - 一种脉冲注入无位置传感器开关磁阻电机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于开关磁阻电机领域，特别涉及一种脉冲注入无位置传感器开关磁阻电机控制方法。本发明采用自适应脉冲注入起始角度来控制脉冲注入的开始，将绝对位置处的电流峰值作为阈值，并且采样母线电压实时调整阈值，判断反馈电流峰值与阈值关系切换脉冲注入相以及转子位置，由绝对位置之间的时间差计算转速，进而得到任意时刻的转子位置。本发明减小了脉冲注入法对电机造成的负转矩，减小了功率器件管耗并增加了***效率，本发明提高了位置控制精度，并且可直接根据每一相的开通关断角进行精确的导通关断控制，增加了控制的灵活性。

Description

一种脉冲注入无位置传感器开关磁阻电机控制方法
技术领域
本发明属于开关磁阻电机领域，特别涉及一种脉冲注入无位置传感器开关磁阻电机控制方法。
背景技术
由于开关磁阻电机结构上的特殊性，准确的转子位置检测是保证其可靠运行的重要的一环。早期的位置检测方案有光电式、磁敏式及接近开关等含机械的检测方案，但在油污、粉尘较多的环境中，光电传感器可能受到污垢的浸渍，导致电平信号脉冲的丢失；高温环境下，传感器可能损坏失效；高频电磁场的干扰可能致使磁敏原件的检测精度降低等。位置信号检测不准确或失效，会导致***的可靠性大幅度降低，甚至造成电机停滞和电力***崩溃。
因此采用无位置传感器技术来检测转子的位置信息，对降低SRM控制***成本、提高***可靠性、提高电机功率密度具有重要意义。
现有的开关磁阻电机转子位置辨识技术主要可以分为激励相检测技术和非激励相检测技术两大类。激励相检测技术检测电机的转矩产生相绕组，利用绕组中的电流、电压波形或其衍生变量(磁链或电感等)间接地检测转子位置。非激励相检测技术在电机空闲相绕组中注入特定的检测信号，通过测量其电压、电流响应，计算电机的非饱和电磁特性参数，估算得到转子位置信息。
其中非激励相的脉冲注入法能够实现四象限运行，检测脉冲由主变换器本身注入而无需附加额外电路，适用于静止状态，且检测脉冲的低幅值电流避免了磁饱和效应，该方法的检测精度和分辨率在低中速情况下也相对于其他方法相对较好。但是这种方法的脉冲注入相在转矩下降区会产生一定的负转矩，且高频率的脉冲注入会使得功率器件管耗增加。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有脉冲注入无位置传感器检测方法的不足，提高检测精度，减小脉冲注入对电机运行造成的负面影响，减小负转矩、管耗。
本发明采用的技术方案：
一种脉冲注入无位置传感器开关磁阻电机控制方法，采用自适应脉冲注入起始角度来控制脉冲注入的开始，将绝对位置处的电流峰值作为阈值，并且采样母线电压实时调整阈值，判断反馈电流峰值与阈值关系切换脉冲注入相以及转子位置，由绝对位置之间的时间差计算转速，进而得到任意时刻的转子位置。
一种脉冲注入无位置传感器开关磁阻电机控制方法，步骤如下：
由于实际的电流传感器及放大器均存在一定的零点偏移以及增益误差，并且不同传感器和放大器存在个体差异，使得检测的三相反馈放大电流峰值之间存在较大的偏差。为使三相反馈放大电流峰值与位置关系相同，依次相差120°电角度，需对三相反馈电流峰值进行校准。
第一步：简化电流传感器以及放大器的误差模型，认为仅存在零点偏移以及增益误差。以A相反馈电流峰值为基准，对三相进行校准，校准公式如下所示：
其中，xA,xB,xC为未校准前的实际检测值，yA,yB,yC为校准后的值，kB,kC为校准斜率项，bB,bC为校准截距项。
校准系数kB,kC,bB,bC的计算方法如下：根据不同转子位置的三相绕组的反馈电流峰值，绘制三相反馈电流峰值关于转子位置的图形，以A相反馈电流峰值关于转子位置的图形为基准，首先将A相反馈电流峰值关于转子位置的图形向左移动120°电角度作为B相反馈电流峰值关于转子位置图形的校准目标图形，对B相反馈电流峰值进行最小二乘法线性拟合得到kB,bB；然后将A相反馈电流峰值关于转子位置的图形向左移动240°电角度作为C相反馈电流峰值关于转子位置图形的校准目标图形，对C相反馈电流峰值进行最小二乘法线性拟合得到kC,bC。
第二步：测量额定电压下绝对位置更新点的反馈电流峰值
绝对位置更新点的选取应当便于识别且识别精度高，因此在一个电周期内选择P、Q、R三个位置点作为三相脉冲注入检测电流峰值时的绝对位置更新点，P、Q、R三个位置点分别为C和A相电感交点、A和B相电感交点、B和C相电感交点。在此处电流峰值关于位置的导数最大，因此对于位置的分辨率最高，并且此处电流值比较大，受扰动较小，且易于检测。同时这三个点直接作为脉冲注入检测相的换相点。
对B相通电，将转子吸合至B相对齐位置处，停止通电后保持位置不动对A相进行多次脉冲注入，求取其反馈电流峰值均值；对C相通电，将转子吸合至C相对齐位置处，停止通电后保持位置不动对A相进行多次脉冲注入，求取其反馈电流峰值均值；将两次操作得到的均值再次取均值作为校正后的绝对位置处的反馈电流峰值阈值。
第三步：脉冲注入相切换逻辑
将实际检测放大校准后的反馈电流峰值与第二步通过比较电压实时缩放后的绝对位置处的反馈电流峰值阈值进行比较，当前者大于后者时，将进行脉冲注入相的切换和位置信息的更新，同时记录上一次绝对位置到这一次绝对位置间的时间差，用于计算转速。
电机正转情况下，不同扇区对应脉冲注入相切换条件如下：
当转子位置在扇区1或2时，此时脉冲注入相为A相，满足iApeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为P点位置，并将脉冲注入相切换为B相；
当转子位置在扇区3或4时，此时脉冲注入相为B相，满足iBpeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为Q点位置，并将脉冲注入相切换为C相；
当转子位置在扇区5或6时，此时脉冲注入相为C相，满足iCpeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为R点位置，并将脉冲注入相切换为A相；
电机反转情况下，不同扇区对应脉冲注入相切换条件如下：
当转子位置在扇区1或2时，此时脉冲注入相为B相，满足iBpeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为R点位置，并将脉冲注入相切换为A相；
当转子位置在扇区3或4时，此时脉冲注入相为C相，满足iCpeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为P点位置，并将脉冲注入相切换为B相；
当转子位置在扇区5或6时，此时脉冲注入相为A相，满足iApeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为Q点位置，并将脉冲注入相切换为C相；
其中iApeak、iBpeak、iCpeak为放大校准后的反馈电流峰值，iset为绝对位置处的反馈电流峰值阈值，U为实时母线电压，UN为额定电压。
第四步：自适应脉冲起始角度控制
在刚切换脉冲注入相之后，若直接对其进行脉冲注入，会发现在很长的一段时间内检测电流峰值远达不到阈值，造成多余的功率器件管耗并产生一定的负转矩，因此采用随转速变化的自适应脉冲注入起始角度控制方法，使得***能够稳定运行的同时，减小方法本身带来的负面影响。
电机正转情况下，不同扇区对应开始脉冲注入条件如下：
当转子位置在扇区1或2时，此时脉冲注入相为A相，满足θ＞θP-Δθadj时，开始对A相注入脉冲；
当转子位置在扇区3或4时，此时脉冲注入相为B相，满足θ＞θQ-Δθadj时，开始对B相注入脉冲；
当转子位置在扇区5或6时，此时脉冲注入相为C相，满足θ＞θR-Δθadj时，开始对C相注入脉冲。
电机反转情况下，不同扇区对应开始脉冲注入条件如下：
当转子位置在扇区1或2时，此时脉冲注入相为B相，满足θ＞θR-Δθadj时，开始对B相注入脉冲；
当转子位置在扇区3或4时，此时脉冲注入相为C相，满足θ＞θP-Δθadj时，开始对C相注入脉冲；
当转子位置在扇区5或6时，此时脉冲注入相为A相，满足θ＞θQ-Δθadj时，开始对A相注入脉冲。
其中扇区1左边沿对应角度为0，扇区6右边沿对应角度为一个转子极所对应的机械角度。θP、θQ、θR分别为P、Q、R三点对应的转子位置，Δθadj为自适应角度相较于绝对位置的提前角度量，如图1所示。
自适应脉冲注入角度应保证在到达绝对位置更新点之前至少有一定的检测次数，并留取一定的角度裕量，来保证***的稳定运行。在注入固定频率的脉冲信号时，无论开关磁阻电机的转速多大，在单位时间内注入的脉冲信号个数是相同的，随着转速升高，电机在两个脉冲信号时间内转过的角度增大，在相同的角度范围内，注入脉冲的数量就减少。由此可知，自适应脉冲注入角度与转速有关，当转速越大时，提前角度量Δθadj应越大，可由下式计算：
式中，xmin表示设定的最小脉冲检测次数，n表示电机转速，finj表示高频电压脉冲的频率，为保证***可靠运行的角度裕量。
启动以及转速较低时，由于转速算法是由平均转速计算的，与实际转速差值较大，在此阶段不适用自适应脉冲注入起始角度控制，因此转速在一定转速以下时使用检测相全阶段脉冲注入，高于此转速后，再采用自适应脉冲注入起始角度控制。
第五步：精确计算转速以及转子位置
转速计算采用T测速法。用定时器记录经过相邻两个绝对位置更新点的时间，由于绝对位置更新点在一个电感周期内等距分布，3个绝对位置更新点间隔120°电角度，其对应的机械角度也是固定的，从而可求出电机的转速。为了保证电机稳定运行，可求出多个相邻电周期所对应的转速均值作为计算的电机实际转速。其计算公式如下所所示：
式中，ftimer表示定时器计数频率，p表示电机转子极数，m1...m6为d组相邻绝对位置更新点之间的定时器计数值。
一般***进行控制计算的频率固定，转子位置的计算方法可采用数字增量式计算，即此刻的位置为上一时刻的位置加上位置改变量，计算公式如(4)所示：
式中，θn表示此时刻转子位置，θn-1表示上一时刻转子位置，n表示电机转速，fcul表示转子位置计算频率。
此外，为了使增量式转子位置计算方法不会有过大的误差积累，进而影响控制精度，在检测到绝对位置更新点时对转子位置进行强制更新，从而使得计算更加精确。
本发明具有以下明显效果：
1.减小了脉冲注入法对电机造成的负转矩。
2.减小了功率器件管耗。
3.增加了***效率。
4.提高了位置控制精度，并且可直接根据每一相的开通关断角进行精确的导通关断控制，增加了控制的灵活性。
附图说明
图1为脉冲注入检测电流峰值阈值的绝对位置更新点。
图2为校准前三相脉冲注入电流峰值图。
图3为校准后三相脉冲注入电流峰值图。
图4为不同转速情况下，位置比较及位置误差图。
图4(a)和图4(f)为转速为100rpm时的检测结果；图4(b)和图4(g)为转速为200rpm时的检测结果；图4(c)和图4(h)为转速为500rpm时的检测结果；图4(d)和图4(i)为转速为1000rpm时的检测结果；图4(e)和图4(j)为转速为1500rpm时的检测结果。
图5为不同转速情况下，三相电流波形及三相脉冲注入反馈电流波形。
图5(a)和图5(f)为转速为100rpm时的测量结果；图5(b)和图5(g)为转速为200rpm时的测量结果；图5(c)和图5(h)为转速为500rpm时的测量结果；图5(d)和图5(i)为转速为1000rpm时的测量结果；图5(e)和图5(j)为转速为1500rpm时的测量结果。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：以一台12/8极1500rpm 5kW开关磁阻电机为样机，额定电压60V，电压脉冲注入频率10kHz，占空比为1/9。电流传感器采用50A/5V闭环霍尔电流传感器，其输出经过运算放大器放大5.7倍后接入DSP控制芯片的AD转换引脚。
实验实测一个机械周期的电流峰值波形如图2所示，经过校正后电流峰值波形如图3所示，校正方法如上述所示，通过0～360°(间隔1°)机械角度共360组转子位置对应的电流峰值实测值，以A相电流峰值实测值为基准进行最小二乘法线性拟合得到kB,kC,bB,bC分别为1.0035、1.0695、170.1、95.72。
通过步骤二所述的方法，实际测得校正后的绝对位置处的反馈电流峰值阈值为1302。
实验测得转速在100rpm以下时，转速误差较大，为保证***稳定，在0～180rpm之间采用全阶段脉冲注入控制，120～1500rpm之间采用自适应脉冲注入起始角度控制，在控制方式切换时加入滞环控制。
本***实现了开通关断角进行精确控制，并且采用了自适应开通关断角控制策略。自适应开通角计算如下式所示：
式中，ω表示电机转动角速度，Lu表示不对齐转子位置处的电感，icmd表示绕组电流给定值，Ubus表示直流母线电压，在正转时符号取-，反转时符号取+。
为增加电机的启动转矩，应当充分利用电感上升区产生正转矩，应在低速时采用单双相运行；同时在高速时，为了避免电流拖尾至电感下降区产生负转矩，应当适当提前关断角。为使***运行稳定，增加了2个过渡区用于平滑切换不同关断角。自适应关断角函数如下式所示：
为了对提出的改进高频脉冲注入法在电机运行时计算得到的位置与实际位置进行对比，将有位置传感器情况下的检测位置作为实际位置，在无位置传感器控制***软硬件的基础上，加上位置传感器的硬件以及检测软件，每0.1ms同时将无位置传感器方法与有位置传感器方法检测的位置存储在控制芯片内存中，通过实时仿真测试导出数据，得出不同转速情况下，有位置传感器和无位置传感器位置比较及位置误差图如图4所示。在图中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)为不同转速情况下有位置传感器和无位置传感器的位置比较图，(f)、(g)、(h)、(i)、(j)为不同转速情况下有位置传感器和无位置传感器的位置误差图。(a)和(f)为转速为100rpm时的检测结果；(b)和(g)为转速为200rpm时的检测结果；(c)和(h)为转速为500rpm时的检测结果；(d)和(i)为转速为1000rpm时的检测结果；(e)和(j)为转速为1500rpm时的检测结果。
不同转速情况下，三相电流波形及三相脉冲注入反馈电流波形如图5所示。在图中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)为不同转速情况下三相电流波形，(f)、(g)、(h)、(i)、(j)为不同转速情况下三相脉冲注入反馈电流波形。(a)和(f)为转速为100rpm时的测量结果；(b)和(g)为转速为200rpm时的测量结果；(c)和(h)为转速为500rpm时的测量结果；(d)和(i)为转速为1000rpm时的测量结果；(e)和(j)为转速为1500rpm时的测量结果。
本发明改进的脉冲注入无位置传感器开关磁阻电机控制方法简单易实施，能够减小脉冲注入法对电机造成的负转矩影响，减小功率器件管耗，增加***效率，明显提高了位置控制精度，并且可直接根据每一相的开通关断角进行精确的导通关断控制，增加了控制的灵活性。

Claims (2)

1.一种脉冲注入无位置传感器开关磁阻电机控制方法，其特征在于，步骤如下：
第一步：以A相反馈电流峰值为基准，对三相进行校准，校准公式如下所示：
其中，xA,xB,xC为未校准前的实际检测值，yA,yB,yC为校准后的值，kB,kC为校准斜率项，bB,bC为校准截距项；
第二步：测量额定电压下绝对位置更新点的反馈电流峰值
在一个电周期内选择P、Q、R三个位置点作为三相脉冲注入检测电流峰值时的绝对位置更新点，P、Q、R三个位置点分别为C和A相电感交点、A和B相电感交点、B和C相电感交点；
对B相通电，将转子吸合至B相对齐位置处，停止通电后保持位置不动对A相进行不少于两次的脉冲注入，求取其反馈电流峰值均值；对C相通电，将转子吸合至C相对齐位置处，停止通电后保持位置不动对A相进行不少于两次的脉冲注入，求取其反馈电流峰值均值；将两次操作得到的均值再次取均值作为校正后的绝对位置处的反馈电流峰值阈值；
第三步：脉冲注入相切换逻辑
电机正转情况下，不同扇区对应脉冲注入相切换条件如下：
当转子位置在扇区1或2时，此时脉冲注入相为A相，满足iApeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为P点位置，并将脉冲注入相切换为B相；
当转子位置在扇区3或4时，此时脉冲注入相为B相，满足iBpeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为Q点位置，并将脉冲注入相切换为C相；
当转子位置在扇区5或6时，此时脉冲注入相为C相，满足iCpeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为R点位置，并将脉冲注入相切换为A相；
电机反转情况下，不同扇区对应脉冲注入相切换条件如下：
当转子位置在扇区1或2时，此时脉冲注入相为B相，满足iBpeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为R点位置，并将脉冲注入相切换为A相；
当转子位置在扇区3或4时，此时脉冲注入相为C相，满足iCpeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为P点位置，并将脉冲注入相切换为B相；
当转子位置在扇区5或6时，此时脉冲注入相为A相，满足iApeak＞isetU/UN时，将此刻转子位置强制更新为Q点位置，并将脉冲注入相切换为C相；
其中iApeak、iBpeak、iCpeak为放大校准后的反馈电流峰值，iset为绝对位置处的反馈电流峰值阈值，U为实时母线电压，UN为额定电压；
第四步：自适应脉冲起始角度控制
电机正转情况下，不同扇区对应开始脉冲注入条件如下：
当转子位置在扇区1或2时，此时脉冲注入相为A相，满足θ＞θP-Δθadj时，开始对A相注入脉冲；
当转子位置在扇区3或4时，此时脉冲注入相为B相，满足θ＞θQ-Δθadj时，开始对B相注入脉冲；
当转子位置在扇区5或6时，此时脉冲注入相为C相，满足θ＞θR-Δθadj时，开始对C相注入脉冲；
电机反转情况下，不同扇区对应开始脉冲注入条件如下：
当转子位置在扇区1或2时，此时脉冲注入相为B相，满足θ＞θR-Δθadj时，开始对B相注入脉冲；
当转子位置在扇区3或4时，此时脉冲注入相为C相，满足θ＞θP-Δθadj时，开始对C相注入脉冲；
当转子位置在扇区5或6时，此时脉冲注入相为A相，满足θ＞θQ-Δθadj时，开始对A相注入脉冲；
θP、θQ、θR分别为P、Q、R三点对应的转子位置，Δθadj为自适应角度相较于绝对位置的提前角度量；
自适应脉冲注入角度与转速有关，当转速越大时，提前角度量Δθadj应越大，可由下式计算：
式中，xmin表示设定的最小脉冲检测次数，n表示电机转速，finj表示高频电压脉冲的频率，为保证***可靠运行的角度裕量；
第五步：精确计算转速以及转子位置
转速计算采用T测速法，电机转速n计算公式如下所所示：
式中，ftimer表示定时器计数频率，p表示电机转子极数，m1...m6为d组相邻绝对位置更新点之间的定时器计数值；
转子位置θn计算公式如(4)所示：
式中，θn表示此时刻转子位置，θn-1表示上一时刻转子位置，n表示电机转速，fcul表示转子位置计算频率。
2.如权利要求1所述的脉冲注入无位置传感器开关磁阻电机控制方法，其特征在于，第一步中，校准系数kB,kC,bB,bC的计算方法如下：根据不同转子位置的三相绕组的反馈电流峰值，绘制三相反馈电流峰值关于转子位置的图形，以A相反馈电流峰值关于转子位置的图形为基准，首先将A相反馈电流峰值关于转子位置的图形向左移动120°电角度作为B相反馈电流峰值关于转子位置图形的校准目标图形，对B相反馈电流峰值进行最小二乘法线性拟合得到kB,bB；然后将A相反馈电流峰值关于转子位置的图形向左移动240°电角度作为C相反馈电流峰值关于转子位置图形的校准目标图形，对C相反馈电流峰值进行最小二乘法线性拟合得到kC,bC。
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