CN112271977B - 一种基于相电流斜率差法的开关磁阻电机无位置传感器控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于相电流斜率差法的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，属于开关磁阻电机领域。通过对非导通相电流上升、下降的暂态过程进行理论分析，得出电流上升和下降斜率的比值关系，并结合实时检测转速对比值进行周期性调整，通过对电流上升斜率进行多点采样，进而得到非导通相电流斜率差值。本发明简化了传统相电流斜率差法电流采样和数据处理过程，避免了电流下降区间受电流波动影响导致采样值不准等问题，本发明对线性度较好的电流上升区间进行多点采样计算斜率，克服了电流传感器及放大器存在零点偏移以及增益误差对采样值的影响，提高了位置检测精度，本发明对不同开关磁阻电机均适用，扩大了简化相电流斜率差法的使用范围，具有普适性。
Description
技术领域
本发明属于开关磁阻电机领域，特别涉及一种基于相电流斜率差法的开关磁阻电机的无位置传感器控制方法。
背景技术
开关磁阻电机必须依靠准确的转子位置实现闭环控制,目前普遍采用光电式或磁敏式等机械位置传感器检测转子位置。但在油污、粉尘较多的环境中，光电式位置传感器的检测元件极易误动作，导致位置信号错误；磁敏式位置传感器的检测元件极易受到磁性粉尘和高频电磁场的干扰而失效；在高温环境下，检测元件容易损坏而失效。机械式位置传感器的存在降低了开关磁阻电机***的可靠性，因此采用无位置传感器技术来检测转子位置信息，对降低开关磁阻电机的***成本、提高***的可靠性具有重要意义。
高频脉冲注入法是一种适用于开关磁阻电机低速运行的无位置传感器位置检测方法，其基本原理是：在开关磁阻电机单相运行时，向非导通相注入一定占空比的高频脉冲信号，根据高频脉冲的电流响应，判断转子位置角。高频脉冲注入法有许多改进方案，其中，相电流斜率差法是利用响应电流的上升斜率与下降斜率之差来判断转子位置的。传统的相电流斜率差法需要同时对注入脉冲的响应电流的上升区间和下降区间进行采样。在采样过程中，开关器件的开通、关断会引起响应电流波动，导致电流采样值不准确，在响应电流下降过程中电流波动对采样值准确性的影响尤为严重。同时，在对采样值进行处理时，需要判断斜率值的正负，在电流峰值附近，由于采样时刻难以精确控制和响应电流斜率变化的复杂性，极易出现采样斜率差错误的问题。因此传统的相电流斜率差法的采样过程相对复杂，在实际应用中难以获取较准确的相电流斜率差值。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服传统相电流斜率差法的不足，根据对相电流上升区间和下降区间的理论分析，发明一种简化的相电流斜率差法，进而发明一种基于简化相电流斜率差法的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。
本发明的技术方案：
一种基于简化相电流斜率差法的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，本发明通过对非导通相的响应电流上升、下降的暂态过程进行理论分析，得出电流上升和下降斜率的比值关系，并实时检测转速对该比值进行周期性更新，得到非导通相电流斜率差值。本发明简化了传统相电流斜率差法电流采样和数据处理过程，避免了受电流波动影响导致采样值不准的问题，本发明对线性度较好的电流上升区间进行多点采样计算斜率，消除了电流传感器及放大器存在零点偏移以及增益误差对采样值的影响，提高了位置检测精度，本发明对不同开关磁阻电机均适用，扩大了简化相电流斜率差法的使用范围，具有普适性。
一种基于相电流斜率差法的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，步骤如下：
第一步：推导非导通相的高频脉冲响应电流上升和下降比值关系，t0、t1分别表示电流下降时间和电流上升时间。
当非导通相绕组注入高频脉冲时，其电压平衡方程为：
其中，U表示电压；i表示电流；R表示电阻；ω表示角速度；L表示电感；θ表示转子位置。
由于注入脉冲的时间很短，考虑到每次脉冲周期内，电流都应能回到零，绕组等效于无初始储能的电感的通电过程，其零状态响应为：
其中，
VT为开关管导通压降，因此电流峰为
电流下降过程为一阶电路全响应过程，电流随时间变化规律为：
VD为续流二极管导通压降，令式(3)中电流为零，求出电流下降时间t0为：
这里令
则式(4)可改写为：
根据斜率的定义可知，电流上升和下降斜率的比值关系与电流上升时间和下降时间的比值一一对应，设电流下降斜率为上升斜率的K倍，K可表示为：
令
则
实际情况下在参数a的取值范围内，函数
近似等于-(a+m)，即：
当转速较高时，绕组电阻可以忽略，得到:
第二步：结合传统相电流斜率差法，计算比值K。
传统相电流斜率差法电感与相电流斜率差关系式为：
其中
分别为电流的上升、下降斜率，将(9)代入到(10)中得到：
将式(9)、式(11)联立得到：
第三步：对电流上升区间进行多点采样，计算电流上升斜率。
非导通相脉冲注入响应电流上升区间线性度较好，对该区间电流进行多点采样，并将采样值保存，取上升区间后两个采样值计算上升斜率。
第四步：计算相电流斜率差值和电感值。
脉冲注入非导通相时，由于注入相处于电感下降区间，根据电感线性模型可知，只需提前预知三相电感交点值即可求出电感斜率，相电流斜率差值计算公式为：
本发明具有以下显著效果：
1)简化了传统方法的电流采样和数据处理过程。
2)消除绕组压降和反电动势的影响，测量精度高。
3)利用脉冲注入电流上升斜率值求解相电流斜率差值，降低了控制算法复杂度，提高***效率。
4)避免了实际电流传感器及放大器存在零点偏移以及增益误差对采样值的影响。
5)适用于不同的开关磁阻电机，具有普适性。
附图说明
图1为基于简化相电流斜率差法的开关磁阻电机无位置控制示意图。
图2为实测响应电流上升与下降波形图。
图3为开关磁阻电机相电感随转子位置变化关系图。
图4为转速为1000r/min时，简化相电流斜率差法得到的计算位置与实际位置比较图。
图5为转速为1000r/min时，简化相电流斜率差法得到的计算位置与实际位置误差图。
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、2200r/min、4.5kW的开关磁阻电机为样机，额定电压为60V，注入的电压脉冲频率为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倍后接入微控制器的AD转换引脚。
本发明的具体实施方式如图1所示，主程序每0.1ms循环执行一次，其中脉冲注入时间为主循环周期的1/9，而电流采样时间为主循环周期的1/36，在电流上升区间可以得到四个电流采样值，取后两个采样值做差计算电流上升斜率。根据实验室的开关管和续流二极管手册说明书，它们的导通压降范围为1.75-2.1V，这里取2V，因此
故式(12)可改写为：
式中角速度根据主程序每循环一次不断更新，由于每个斩波开通与斩波关断区间内电流变化较小，斩波状态持续时间短，转子位移角度不显著，因此可近似地认为相电流、相电感在每个斩波开通与关断区间内保持不变，因此这里取如图3所示的D、E两点的电感值计算电感斜率值，通过实测得到D、E两点电感值分别为0.97mH、0.39mH，当转速为1000r/min时：
在电机实际运行过程中，对非导通相脉冲注入得到的响应电流波形如图2所示，显示了电流在不同区间的波动情况，当用于计算斜率的电流采样值分别为300和500时，根据微控制器AD转换公式和采样电路放大倍数可知电流下降斜率与电流上升斜率的比值K为：
所以相电流斜率差值为：
根据以上得到的相电流斜率差值，求出当前电感值，并与预知的电感阈值进行比较进而得出位置信息：
为了对提出的改进相电流斜率差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微控制器内存中，通过实时仿真测试导出数据，得出在1000r/min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分别如图4、图5所示。
本发明改进的相电流斜率差开关磁阻电机无位置传感器控制方法简单易实施，简化了传统方法电流采样和数据处理过程，能够避免电流波动引起采样值不准对测量精度的影响，减小功率器件管耗，简化算法复杂度，增加***效率，明显提高了位置检测精度，可应用于不同的开关磁阻电机上，具有普适性。
Claims (1)
1.一种基于相电流斜率差法的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤如下：
第一步：推导非导通相电流上升和下降比值关系，t0、t1分别表示电流下降时间和电流上升时间；
脉冲注入非导通相绕组电压平衡方程如下所示：
其中，U表示电压；i表示电流；R表示电阻；ω表示角速度；L表示电感；θ表示转子位置；
由于注入脉冲的时间很短，考虑到每次脉冲周期内，电流都应能回到零，绕组等效于无初始储能的电感的通电过程，其零状态响应为：
其中，
VT为开关管导通压降，因此电流峰为
电流下降过程为一阶电路全响应过程，电流随时间变化规律为：
VD为续流二极管导通压降，令式(3)中电流为零，即可求出电流下降时间t0，
这里令
则式(4)可改写为：
将电流波按照线性模型处理，根据斜率的定义可知，电流上升和下降斜率的比值关系与电流上升时间和下降时间的比值一一对应，设电流下降斜率为上升斜率的K倍，即
令
则
实际情况下在参数a的取值范围内，函数
近似等于-(a+m)，即：
转速较高时，忽略电阻，得到:
第二步：结合相电流斜率差法，计算比值K；
相电流斜率法电感与电流斜率差之间的关系如下：
其中
分别为电流上升、下降斜率，
将(9)代入到(10)中进而得到：
将(9)、(11)联立得到：
第三步:对电流上升区间进行多点采样，计算电流上升斜率；
根据脉冲注入电压上升过程线性度较好的特点，对电流进行多点采样，并将采样值保存，取线性度最好的上升区间后半段的两个采样值计算上升斜率；
第四步：计算电感斜率和相电流斜率差值；
在脉冲注入时，注入相处于电感下降区间，根据电感线性模型和电感的对称性可知，只需要知道三相电感交点D、E的值即求出电感斜率，进而计算相电流斜率差值：
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