CN112953343B - 一种开关磁阻电机的新型无位置传感器初始定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关磁阻电机的新型无位置传感器初始定位方法，属于开关磁阻电机领域。首先通过阈值自动辨识策略预知2个相电感交点位置处的反馈电流峰值，根据开关磁阻电机转子电感上升区电感的高度线性化得到两个特殊位置处的电流阈值，接着通过比较脉冲注入检测到的反馈电流峰值与经过校正后的电流阈值的大小关系进行扇区判断和高精度初始位置估计。本发明提出的方法不仅可以精确地控制起始导通相，而且可以实现电机的无反转启动；本方法电流阈值通过自动测量程序获取，避免了人为测量耗费大量时间，并对阈值进行电压校正，有效克服了电压波动的影响，且低速运行时导通相的开通、关断角可调，可以实现单双拍运行，优化电机运行状态。

Description

一种开关磁阻电机的新型无位置传感器初始定位方法

技术领域

本发明属于开关磁阻电机领域，特别涉及一种开关磁阻电机的新型无位置传感器初始定位方法。

背景技术

开关磁阻电机是典型无刷双凸极结构电机，准确的转子位置检测是保证其可靠运行的重要环节。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；高频电磁场的干扰可能致使磁敏原件的检测精度降低。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***成本、提高***可靠性具有重要意义。

在很多应用场合下，为了实现电机无反转启动，需要精确地控制起始导通相。目前基于脉冲注入法的无位置传感器初始定位方法主要有两种：第一种为脉冲注入电感分区法，此方法仅能判断出转子位置所在区间范围，在十分靠近区间边界的位置容易造成反转启动，并且不可精确的控制起始导通相；第二种为基于双电流阈值电感分区与脉冲注入相结合的开关磁阻电机位置估计方法，此方法仅适用于单拍运行控制，而且电流阈值需要进行离线人为测量，对于不同型号的电机均需经过相同实验步骤，耗费大量时间，同时导通相开通、关断角不可调，脉冲注入角度固定，造成多余的功率器件损耗。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服传统无位置传感器初始定位方法的不足，根据开关磁阻电机本身的电感特性，应用本发明提出的基于新的电感分区和阈值自动辨识初始定位方法，解算出精确的转子位置，再确定初始启动相。

本发明采用的技术方案：

一种开关磁阻电机的新型无位置传感器初始定位方法，首先通过阈值自动辨识策略预知2个相电感交点位置处的反馈电流峰值，根据开关磁阻电机转子电感上升区电感的高度线性化得到两个特殊位置处的电流阈值，接着通过比较脉冲注入检测到的反馈电流峰值与经过校正后的电流阈值的大小关系进行扇区判断和高精度初始位置估计。

相对于普通脉冲注入电感分区初始定位方法，本发明提出的方法将扇区判断依据由传统的比较三相响应电流峰值大小关系转化为比较其中两相响应电流峰值和电流阈值的大小关系，定位精度高，不仅可以精确地控制起始导通相，而且可以实现电机的无反转启动；相对于双电流阈值启动方法，本发明提出的方法电流阈值通过自动测量程序获取，避免了人为测量耗费大量时间，并对阈值进行电压校正，有效克服了电压波动的影响，且低速运行时导通相的开通、关断角可调，可以实现单双拍运行，优化电机运行状态。

一种开关磁阻电机的新型无位置传感器初始定位方法，步骤如下：

第一步：阈值自动辨识

脉冲注入时，注入相绕组电压平衡方程如下所示：

式中，U表示注入相绕组电压；i表示绕组响应电流；R为一相绕组的电阻；ω为转子的角速度；L为一相绕组的电感；θ为转子位置角；t为脉冲注入时间。

当开关频率高，且占空比小时，绕组电流小时，可以忽略反电动势、绕组压降和磁饱和的非线性影响，方程可简化成：

式中，i_p为响应电流峰值，Δt为一个周期内脉冲注入的时间。

阈值自动辨识过程需在额定母线电压下进行，通过采用自动测量策略实现阈值自动辨识，步骤如下：

1.1先对A相通电，将转子吸合至A相对齐位置处，停止通电后保持位置不动对B、C相进行脉冲注入，记录该位置采集得到的B、C相响应电流峰值的均值；

1.2对A、B相同时通电，将转子吸合至C相不对齐位置处，停止通电后保持位置不动对A、B相进行脉冲注入，记录该位置采集得到的A、B相响应电流峰值的均值；

1.3判断当前是否是最后一项吸合序列值，是则执行1.4，否则返回1.1；

1.4将只有一相吸合时的另外两相脉冲注入检测值求和后取平均值得到I₁，将同时有两相吸合时的这两相脉冲注入检测值求和后取平均值得到I₂。

确定吸合序列时，考虑到电机转轴偏心可能带来的影响，因此应对一个机械周期进行吸合检测，吸合序列长度为2mN_r，N_r为转子极数，m为相数，吸合序列为A、AB、B、BC、C、CA、A、AB、B、BC、C、CA、A......，共吸合48次，吸合结束电机刚好转过一周。

当脉冲注入的电压、频率和占空比均不变时，结合两相电感交点位置处的响应电流峰值可得两相电感交点值计算公式：

式中，U_N为额定电压值，Δt为脉冲注入时间。

如图1所示，对于开关磁阻电机，从转子极与定子极刚开始重合的位置到转子极与定子极完全重合的位置，电感几乎随着位置呈线性变化，根据这一特性，由I₁、I₂得到电流阈值I_H、I_L，计算公式为：

由L₁、L₂得到电感值L₃、L₄，计算公式为：

第二步：脉冲注入反馈电流峰值检测

为使初始定位时电机转轴保持不动，通过三相功率器件对三相绕组同时进行固定占空比的电压脉冲注入，所述的固定占空比能保证总转矩小于电机阻力转矩；为了精确检测反馈电流峰值，在三相功率器件由导通变为关断的时刻，控制器采集电流传感器此时的电流信号，作为反馈电流峰值，分别得到三相绕组的反馈电流峰值。由于反馈电流峰值很小，通常还需通过硬件放大电路放大后采样。

第三步：判断位置所在区域

如图1所示，根据新的电感分区原则，将三相开关磁阻电机的一个电周期等分为6个扇区，每个扇区为60°，其中，电感最大和最小区域分别作为一个扇区，在每一个扇区里有一相电感为上升区，一相电感为下降区，而另一相电感或在最大区域或在最小区域。由于自动辨识的阈值是在额定电压下测得的，工作环境下母线电压与额定电压可能不同，所以实际电机启动时，需要根据实际电压对阈值进行标准化处理，校正公式为：

式中，U_N为额定母线电压值，U_actual为实际母线电压值。

然后比较反馈电流峰值与校正后的电流阈值，根据其大小关系判断转子位置所在扇区。在每个扇区内三相电感的大小关系、反馈电流峰值的大小关系各不相同，如图1所示。由表1所示的电流峰值和电流阈值关系便可确定转子位置所在扇区。

表1为反馈电流峰值和电流阈值跟转子位置区域关系

表中，i_a、i_b、i_c分别为A、B、C三相绕组对注入脉冲的响应电流峰值；τ_r表示一个转子极所对应的机械角度。

第四步：精确计算转子位置

如图2所示，利用开关磁阻电机三相电感的对称性和相应区间的高度线性化并结合相似三角形的原理进行精确的转子定位。

当脉冲注入的电压、频率和占空比均不变时，反馈电流峰值与相电感为反比关系，因此反馈电流峰值的倒数与位置的函数图形与相电感与位置的函数图形相同。

对采样得到的反馈电流峰值求倒数计算电感，通过第三步得到的扇区信息比较对应两相响应电流大小判断转子所在扇区，精确转子位置计算公式如表2所示。

表2不同扇区精确转子位置计算公式

提前测量2个相电感交点位置处的反馈电流峰值，根据脉冲注入法原理可以计算2个相电感交点位置处的电感值，根据开关磁阻电机转子电感上升区的高度线性化，得到另外两个位置处电感值，进而对转子初始位置进行精确初始定位，从而根据导通相的导通角度，精确控制导通相导通。

本发明具有以下明显效果：

1.对转子初始位置进行高精度的定位，精确地控制起始导通相，实现无反转启动，提高了控制精度。

2.根据转子初始定位位置，可直接根据每一相的开通关断角进行初始导通关断控制，增加了控制的灵活性。

3.通过编写好的自动测量程序，完成阈值自动辨识，避免了人为测量耗费大量时间，提高了该方法的实用性和普适性，并对阈值进行标准化处理，一定程度上克服了电压波动对精确初始定位的影响，提高了该方法的可靠性。

附图说明

图1为三相开关磁阻电机相电感关于位置的函数图形。

图2为精确初始定位原理图。

图3为新型开关磁阻电机无位置传感器初始定位策略示意图。

图4为初始定位计算位置与实际位置比较图

图5为初始定位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。

本发明的具体实施示意图如图3所示，对于不同的开关磁阻电机，首先在额定母线电压下运行自动测量程序，通过功率变换器对三相绕组按参数自动辨识策略进行固定占空比的电压脉冲注入，控制器采集电流传感器电流信号作为反馈电流峰值，得到相电感交点位置处的响应电流峰值，并用来计算电流阈值和电感阈值。通过自动测量程序得到样机参数(电流值均为微控制器显示的数字量)，I₁为1154.14569，I₂为486.14638，由式(3)得所对应BC相电感交点值L₁为8.31394，AB相电感交点值L₂为20.56929，由式(4)得高电流阈值I_H为820.14604，低电流阈值I_L为152.14673，由式(5)得E点电感值L₃为14.44182，D点电感值L₄为26.69736。

在发出电机启动信号后，先根据实时的电压信号对阈值进行校准，然后再同时对电机三相绕组进行脉冲电压注入，检测放大后的反馈电流峰值，连续采样50次取平均值，根据三相反馈电流峰值与校准后的电流阈值的大小关系确定转子位置所在扇区，根据所在扇区和对应扇区的两相电流大小关系选择对应相进行精确初始定位，对该相反馈电流峰值取倒数计算电感值，根据上述的相似三角形原理以及已知4个位置处电感值对转子位置进行精确初始定位。

对于偶数扇区，以扇区Ⅱ为例，如图2所示，点E为AB相、BC相电感交点的中点，点D为点E关于AB相电感交点的对称点，点F为扇区Ⅱ右边界跟A相的交点，点DEF构成了直角三角形，DF大小为电感值L₄和L₃之差，EF大小为一个电感周期角度的1/6，设检测此时B相电感大小为G点位置所对应的电感值，根据相似三角形的比例关系即可求出GH大小，再用D点所对应的转子位置减去GH所代表的位置差即可得出当前所在位置的精确值，其他偶数扇区转子位置计算方法与上述方法相同。

对于奇数扇区，以扇区Ⅲ为例，如图2所示，点0为AC相电感交点，点FON和点MOP构成了直角三角形，FN、MP大小均为电感值L₃和L₁之差，ON、OP大小均一个电感周期角度的1/12，当A相响应电流峰值小于等于C相时，选检测此时A相电感大小为J点位置所对应的电感值，根据相似三角形的比例关系即可求出IJ大小，再用F点所对应的转子位置加上IJ所代表的位置差即可得出当前所在位置的精确值；当A相响应电流峰值大于C相时，选检测此时C相电感大小为K点位置所对应的电感值，根据相似三角形的比例关系/>即可求出KL大小，再用M点所对应的转子位置减去KL所代表的位置差即可得出当前所在位置的精确值，其他奇数扇区转子位置计算方法与上述方法相同。

为了检测初始定位的位置计算精度，在电机上安装了位置刻度盘，以刻度盘所指示的位置角度为实际位置，测量间隔为1°机械角度，得到的位置比较图如图4所示，初始定位位置误差图如图5所示。在一个机械周期内，平均位置检测误差为0.4089°机械角度，最大位置检测误差为1.1016°机械角度。

本发明的新型开关磁阻电机无位置传感器初始定位方法简单有效，能够对初始转子位置进行高精度定位，精确地控制起始导通相，实现无反转启动；通过高精度初始定位，可直接根据每一相的开通、关断角进行初始导通关断控制，增加了控制的灵活性；同时采用阈值自动辨识策略，避免了人为测量耗费大量时间，且对电流阈值进行电压校正，有效克服了电压波动对初始定位的影响，可应用在不同的开关磁阻电机上，可靠性较高，具有较高的实用性和普适性。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机的无位置传感器初始定位方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：阈值自动辨识

脉冲注入时，注入相绕组电压平衡方程如下所示：

式中，U表示注入相绕组电压；i表示绕组响应电流；R为一相绕组的电阻；ω为转子的角速度；L为一相绕组的电感；θ为转子位置角；t为脉冲注入时间；

当开关频率高，且占空比小时，绕组电流小时，忽略反电动势、绕组压降和磁饱和的非线性影响，方程简化成：

式中，i_p为响应电流峰值，Δt为一个周期内脉冲注入的时间；

阈值自动辨识过程需在额定母线电压下进行，通过采用自动测量策略实现阈值自动辨识，步骤如下：

1.1先对A相通电，将转子吸合至A相对齐位置处，停止通电后保持位置不动对B、C相进行脉冲注入，记录该位置采集得到的B、C相响应电流峰值的均值；

1.2对A、B相同时通电，将转子吸合至C相不对齐位置处，停止通电后保持位置不动对A、B相进行脉冲注入，记录该位置采集得到的A、B相响应电流峰值的均值；

1.3判断当前是否是最后一项吸合序列值，是则执行1.4，否则返回1.1；

1.4将只有一相吸合时的另外两相脉冲注入检测值求和后取平均值得到I₁，将同时有两相吸合时的这两相脉冲注入检测值求和后取平均值得到I₂；

确定吸合序列时，对一个机械周期进行吸合检测，吸合序列长度为2mN_r，N_r为转子极数，m为相数，吸合序列为A、AB、B、BC、C、CA、A、AB、B、BC、C、CA、A......，共吸合48次，吸合结束电机刚好转过一周；

当脉冲注入的电压、频率和占空比均不变时，结合两相电感交点位置处的响应电流峰值获得两相电感交点值计算公式：

式中，U_N为额定电压值，Δt为脉冲注入时间；

对于开关磁阻电机，从转子极与定子极刚开始重合的位置到转子极与定子极完全重合的位置，电感随着位置呈线性变化，根据这一特性，由I₁、I₂得到电流阈值I_H、I_L，计算公式为：

由L₁、L₂得到电感值L₃、L₄，计算公式为：

第二步：脉冲注入反馈电流峰值检测

通过三相功率器件对三相绕组同时进行固定占空比的电压脉冲注入，所述的固定占空比能保证总转矩小于电机阻力转矩；在三相功率器件由导通变为关断的时刻，控制器采集电流传感器此时的电流信号，作为反馈电流峰值，分别得到三相绕组的反馈电流峰值；

第三步：判断位置所在区域

根据新的电感分区原则，将三相开关磁阻电机的一个电周期等分为6个扇区，每个扇区为60°，其中，电感最大和最小区域分别作为一个扇区，在每一个扇区里有一相电感为上升区，一相电感为下降区，而另一相电感或在最大区域或在最小区域；实际电机启动时，需要根据实际电压对阈值进行标准化处理，校正公式为：

式中，U_N为额定母线电压值，U_actual为实际母线电压值；

然后比较反馈电流峰值与校正后的电流阈值，进而判断转子位置所在扇区；在每个扇区内三相电感的大小关系、反馈电流峰值的大小关系各不相同；由表1所示的电流峰值和电流阈值关系便能确定转子位置所在扇区；

表1为反馈电流峰值和电流阈值跟转子位置区域关系

表中，i_a、i_b、i_c分别为A、B、C三相绕组对注入脉冲的响应电流峰值；τ_r表示一个转子极所对应的机械角度；

第四步：精确计算转子位置

利用开关磁阻电机三相电感的对称性和相应区间的高度线性化，并结合相似三角形的原理进行精确的转子定位；

当脉冲注入的电压、频率和占空比均不变时，反馈电流峰值与相电感为反比关系，因此反馈电流峰值的倒数与位置的函数图形与相电感与位置的函数图形相同；

对采样得到的反馈电流峰值求倒数计算电感，通过第三步得到的扇区信息比较对应两相响应电流大小判断转子所在扇区，精确转子位置计算公式如表2所示；

表2不同扇区精确转子位置计算公式

提前测量2个相电感交点位置处的反馈电流峰值，根据脉冲注入法原理计算2个相电感交点位置处的电感值，根据开关磁阻电机转子电感上升区的高度线性化，得到另外两个位置处电感值，进而对转子初始位置进行精确初始定位，从而根据导通相的导通角度，精确控制导通相导通。