CN111740654A - 一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法 Download PDF

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CN111740654A CN201910217226.XA CN201910217226A CN111740654A CN 111740654 A CN111740654 A CN 111740654A CN 201910217226 A CN201910217226 A CN 201910217226A CN 111740654 A CN111740654 A CN 111740654A
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渠苏东
周大林
桑永豪
尹正凯
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Abstract

本发明公开一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法。该方法在非导通区间低阈值斩波使相电流在全周期内连续，通过采集各相电流信息，计算相电流在上升与下降区间的斜率差值。相电流斜率差值最大值点对应该相0°位置，通过检测各相绕组相电流斜率差值最大值点并触发脉冲信号完成电机换相操作，根据相邻两个转子周期内一相绕组电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号时间间隔和对应的转子位置角度差值计算电机实时转速并估算任意时刻的电机转子位置角度。该方法解决了开关磁阻电机运行控制对位置传感器的依赖，位置检测精度高，实用性强，具有广泛的应用前景。

Description

一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，特别适用于任意相数、不同定转子极数搭配的开关磁阻电机无位置传感器控制。
背景技术
开关磁阻电机因其本身结构简单坚固，可调速范围宽，容错性能强等诸多优点，在电力驱动领域备受关注。但其运行的可靠性严重依赖内置的位置传感器对位置信号的精确检测，而恶劣的运行环境会影响位置传感器的有效工作，从而降低***稳定性，同时传感器的安装增加了***的成本。针对开关磁阻电机进行无位置传感器控制研究可以提高开关磁阻电机***整体性能、降低造价。目前进行的开关磁阻电机无位置传感器控制方法研究存在着诸如需要电机先验知识、方法计算量大、需要附加硬件设备、位置检测精度低、不具备通用性等问题。有鉴于此，本发明提出一种新的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，该方法通过对相电流信息进行有效处理完成电机转子位置检测和电机控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，从而克服传统开关磁阻电机运行控制中对位置传感器的依赖以及目前开关磁阻电机无位置传感器控制方法中存在的需要电机先验知识、方法计算量大、需要附加硬件设备、位置检测精度低、不具备通用性等问题。其具体方案如下：
一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，包括如下步骤：
a.开关磁阻电机工作在相电流斩波控制模式下并且相电流在整个转子周期内连续；
b.根据开关磁阻电机各相绕组的电流值计算各相电流斜率差值；
c.实时检测开关磁阻电机各相相电流斜率差值最大值点并触发脉冲信号；
d.根据各相相电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号执行电机换相操作；
e.根据相邻两个转子周期内同一相电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号时间间隔和对应的转子位置角度差值计算电机实时转速并估算任意时刻的电机转子位置角度。
其中，所述开关磁阻电机无位置传感器控制方法步骤a相电流在整个转子周期内连续的方法为：各相绕组在本相导通区间内执行正常的相电流斩波操作，斩波限与电流滞环环宽根据控制要求给定，在非导通区间内执行电流斩波限为0.5A，电流滞环环宽为±0.5A的低阈值电流斩波操作。
步骤b相电流斜率差值计算方法为：
相电流斜率差值计算公式：
Figure BDA0002002436380000021
用当前时刻检测到的相电流值减去前一时刻的相电流值，除以时间间隔计算出每相电流斜率，
Figure BDA0002002436380000022
代表电流上升阶段相电流斜率，
Figure BDA0002002436380000023
代表电流下降阶段相电流斜率；在相电流上升阶段，电流斜率为正，
Figure BDA0002002436380000024
的取值为当前时刻计算的实时相电流斜率值，
Figure BDA0002002436380000025
的取值为上一电流下降阶段计算的最后一个相电流斜率负值；在相电流下降阶段，电流斜率为负，
Figure BDA0002002436380000026
的取值为当前时刻计算的实时相电流斜率值，
Figure BDA0002002436380000027
的取值为上一电流上升阶段计算的最后一个相电流斜率正值。
步骤d电机换相操作实施方法为：对任意m相X/Y结构的开关磁阻电机，执行单相轮流导通操作，相电流斜率差值最大值点对应该相0°导通位置，对应按导通顺序的前一相绕组
Figure BDA0002002436380000028
关断位置，检测相电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号，对该相绕组执行开通操作，并关断按导通顺序的上一相绕组。
步骤e根据相邻两个转子周期内同一相电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号时间间隔和对应的转子位置角度差值计算电机实时转速表达式为：
Figure BDA0002002436380000029
其中ω为电机转速，
Figure BDA00020024363800000210
代表同一相绕组相邻两个电流斜率差值最大值点对应的转子位置角度差，Δt为对应的时间间隔。
任意时刻的电机转子位置角度估算公式为：θ＝θ0+ωxT，其中θ为电机实时转子位置角度，θ0为前一时刻电机转子位置角度，ω为电机转速，T为采样时间。
实现所述的一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法的***，包括：用于获取各相绕组相电流信息的电流传感器及变送模块，根据相电流信息生成各相绕组功率变换器桥路驱动信号和转速、位置角度信息的DSP控制板，用于电机驱动的不对称半桥式功率变换器及驱动电路。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明公开的一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，在非导通区间低阈值斩波使相电流在全周期内连续，通过采集各相电流信息，计算相电流在上升与下降区间的斜率差值。通过编程检测各相绕组相电流斜率差值最大值点并触发脉冲信号完成电机换相操作，根据相邻两个转子周期内同一相绕组电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号时间间隔和对应的转子位置角度差值计算电机实时转速并估算任意时刻的电机转子位置角度。该方法适用于任意相数、不同定转子搭配结构的开关磁阻电机，无需任何电机先验知识与附加硬件设备，位置检测精度高且不受电机相电感不对称影响，通用性强，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地展示本发明的技术方案，下面对本发明的一个实施例进行简要的附图说明。需要注意的是，接下来的附图说明仅仅是本发明对三相12/8结构开关磁阻电机的实施例。相关技术人员在无任何创造性劳动的前提下，可根据提供的附图类推出使用本发明方法的其他相数和定转子搭配结构的开关磁阻电机无位置控制图例。
图1为本发明实施例相电流连续波形与对应的相电流斜率差值曲线；
图2为本发明实施例开关磁阻电机无位置传感器控制算法流程图；
图3为本发明实施例换相操作与电机转子位置估算原理示意图；
图4为本发明实施例开关磁阻电机无位置传感器控制硬件***框图。
具体实施方法
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
在忽略电机磁路饱和与相间互感的前提下，当电机由恒定直流电压源供电时，电机一相电路方程可表示为：
Figure BDA0002002436380000031
式中，Us，R，i，Ψ(i，θ)，L(θ)，ω分别代表直流母线电压、相绕组电阻、相电流、相绕组磁链、相电感与电机角速度。Us在主开关器件开通时为+，关断时为-，由此得出相电感表达式：
Figure BDA0002002436380000041
式中，
Figure BDA0002002436380000042
与
Figure BDA0002002436380000043
分别代表主开关器件导通与关断时的相电流斜率。公式(2)揭示了相电流斜率与相电感的反比关系，证实通过相电流斜率差值进行无位置传感器控制的科学可行性。同时给出相电流斜率差值表达式：
Figure BDA0002002436380000044
附图1所示为本发明实施例采用非导通区间低阈值斩波操作的相电流连续波形与对应的相电流斜率差值曲线。本发明实施例在绕组非导通区间对电流采取低阈值斩波控制，斩波限0.5A，电流滞环环宽±0.5A，通过将非导通区间的电流限制在给定的上下限之间，使电流在电机绕组非导通区间连续，也使相电流斜率差值在整个转子周期内的连续可测。
附图2为本发明实现开关磁阻电机无位置传感器控制的核心算法流程图。首先采集各相电流信息，通过DSP控制器进行电流斜率计算并判断电流所处阶段，然后通过公式(3)计算相电流斜率差值。在相电流上升阶段，电流斜率为正，
Figure BDA0002002436380000045
的取值为当前时刻计算的实时相电流斜率值，
Figure BDA0002002436380000046
的取值为上一电流下降阶段计算的最后一个相电流斜率负值；在相电流下降阶段，电流斜率为负，
Figure BDA0002002436380000047
的取值为当前时刻计算的实时相电流斜率值，
Figure BDA0002002436380000048
的取值为上一电流上升阶段计算的最后一个相电流斜率正值。然后通过检测各相电流斜率差值最大值位置触发脉冲信号进行换相操作并计算电机转速和转子位置信息。
附图3为本发明实施例换相操作与电机转子位置估算原理示意图。相电流斜率差值最大值点对应该相0°导通位置，对应按导通顺序的前一相绕组关断位置，检测相电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号，对该相绕组执行开通操作，并关断按导通顺序的上一相绕组。跟据相邻两个转子周期内同一相电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号时间间隔和对应的转子位置角度差值可计算电机实时转速：
Figure BDA0002002436380000049
其中ω为电机转速，Δθ代表同一相绕组相邻两个电流斜率差值点对应的转子位置角度差，Δt为对应的时间间隔。
根据所述特定转子位置和实时转速估算出转子任意位置角度：
θ＝θ0+ω×T (5)
其中θ为电机实时转子位置角度，θ0为前一时刻电机转子位置角度，ω为电机转速，T为采样时间。
附图4所示为本发明实施例开关磁阻电机无位置传感器控制硬件***框图。实现本发明的硬件***主要由开关磁阻电机(SRM)、三相不对称半桥型功率变换器、DSP控制器、电流检测及变送模块等组成。其中DSP控制器完成本发明算法流程图中的相电流斜率差值计算、最大值点检测、换相信号的发送、电机转速计算和实时转子位置角度计算等任务，同时完成电机控制过程中非本发明权利要求范围内的其他必要指令操作，是整个***的核心，电流检测及变送模块负责实时采集相绕组电流信号并经AD转换后送入DSP控制器，三相不对称半桥型功率变换器根据DSP发送的指令进行各相桥臂的通断操作。

Claims (7)

1.一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.开关磁阻电机工作在相电流斩波控制模式下并且相电流在整个转子周期内连续；
b.根据开关磁阻电机各相绕组的电流值计算各相电流斜率差值；
c.实时检测开关磁阻电机各相相电流斜率差值最大值点并触发脉冲信号；
d.根据各相相电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号执行电机换相操作；
e.根据相邻两个转子周期内同一相电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号时间间隔和对应的转子位置角度差值计算电机实时转速并估算任意时刻的电机转子位置角度。
2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤a相电流在整个转子周期内连续的方法为：各相绕组在本相导通区间内执行正常的相电流斩波操作，斩波限与电流滞环环宽根据控制要求给定，在非导通区间内执行电流斩波限为0.5A，电流滞环环宽为±0.5A的低阈值电流斩波操作。
3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤b相电流斜率差值计算方法为：
相电流斜率差值计算公式：
Figure FDA0002002436370000011
用当前时刻检测到的相电流值减去前一时刻的相电流值，除以时间间隔计算出每相电流斜率，
Figure FDA0002002436370000012
代表电流上升阶段相电流斜率，
Figure FDA0002002436370000013
代表电流下降阶段相电流斜率；
在相电流上升阶段，电流斜率为正，
Figure FDA0002002436370000014
的取值为当前时刻计算的实时相电流斜率值，
Figure FDA0002002436370000015
的取值为上一电流下降阶段计算的最后一个相电流斜率负值；
在相电流下降阶段，电流斜率为负，
Figure FDA0002002436370000016
的取值为当前时刻计算的实时相电流斜率值，
Figure FDA0002002436370000017
的取值为上一电流上升阶段计算的最后一个相电流斜率正值。
4.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤d电机换相操作实施方法为：对任意m相X/Y结构的开关磁阻电机，执行单相轮流导通操作，相电流斜率差值最大值点对应该相0°导通位置，对应按导通顺序的前一相绕组
Figure FDA0002002436370000021
关断位置，检测相电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号，对该相绕组执行开通操作，并关断按导通顺序的上一相绕组。
5.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤e根据相邻两个转子周期内同一相电流斜率差值最大值点触发的脉冲信号时间间隔和对应的转子位置角度差值计算电机实时转速表达式为：
Figure FDA0002002436370000022
其中ω为电机转速，
Figure FDA0002002436370000023
代表同一相绕组相邻两个电流斜率差值最大值点对应的转子位置角度差，Δt为对应的时间间隔。
6.根据权利要求1和5所述的一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，任意时刻的电机转子位置角度估算公式为：θ0＝θ0+ω×T，其中θ为电机实时转子位置角度，θ0为前一时刻电机转子位置角度，ω为电机转速，T为采样时间。
7.实现权利要求1至6所述的一种开关磁阻电机无位置传感器控制方法的***，其特征在于，包括：
用于获取各相绕组相电流信息的电流传感器及变送模块；
根据相电流信息生成各相绕组功率变换器桥路驱动信号和转速、位置角度信息的DSP28335控制板；
用于电机驱动的不对称半桥式功率变换器及驱动电路。
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