CN104218855B - 开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法及系统，属于开关磁阻电机控制技术领域。其特征在于：包括如下步骤：步骤1001，开始；步骤1002，注入电压脉冲；步骤1003，检测相绕组电流幅值；步骤1004，是否达到门阈值要求；步骤1005，电机换相、产生内部中断并记录中断时间；步骤1006，计算开关磁阻电机转速；步骤1007，转速是否改变；步骤1008，计算注入频率。包括开关磁阻电机控制器（1）、开关磁阻电机（7）以及将二者连接的连接线缆（8），开关磁阻电机控制器（1）包括核心控制单元（2）、功率模块（3）、电流传感器（6）。通过本方法及系统，可以随着开关磁阻电动机转速变化而自动改变注入频率，以实现开关磁阻电机的无位置传感器运行。

Description

开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法及系统

技术领域

开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法及系统，属于开关磁阻电机控制技术领域。

背景技术

开关磁阻电机控制系统(Switched Reluctance Drive，简称SRD)是20世纪80年代中期发展起来的新型交流调速系统，它融新的电动机结构——开关磁阻电机(SwitchedReluctance Motor，简称SRM)与现代电力电子技术、控制技术为一体，兼有异步电机变频调速系统和直流电机调速系统的优点，已成为现在电气传动的研究热点之一。开关磁阻电机调速系统相比较比普通交流变频调速系统具有低起动电流、大起动转矩的特性，在其宽广的调速范围内，均具有高效率，在低转速及非额定负载下高效率则更加明显，电机可频繁起停，正反转切换、过载能力强、可靠性高。因此开关磁阻电机在近年来获得了大力推广，市场规模也越来越大。

开关磁阻电机是一种双凸极电机，运行原理是根据电机定、转子的相对位置轮流对相绕组通电，因此运行中必须准确知道开关磁阻电机定、转子的相对位置，现在市场上的开关磁阻电机产品均采用光电式或电磁式位置传感器来获得位置信号，光电盘或编码器安装在电机内部。其缺点是位置传感器容易被粉尘、油污污染或损坏，带来控制错误，影响电机可靠性，同时给电机现场布线、防电磁干扰等工程问题带来困难，位置信号的长距离传输也会影响信号精度，采用无位置传感器的检测方法可以很好的解决这个问题。

近年来针对开关磁阻电动机的无位置传感器控制方法已经得到了研究，现有文献中有模糊控制方法、神经网络法、脉冲注入法、磁链计算等方法，但由于算法复杂、适用转速范围窄等原因，这些方法仍未获得实用。其中脉冲注入法具有不需要增加额外的硬件电路，也不需要存贮大量的磁链数据的优点。现有文献中虽然对脉冲注入法已进行了论述，但均未对脉冲注入频率进行研究，实际应用中如注入频率过高，则造成功率器件开关次数多，损耗大，如注入频率过低，则分辨率降低，影响电机控制精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可随着开关磁阻电动机转速变化而自动改变注入频率，以实现开关磁阻电机的无位置传感器运行的开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1001，开始；

开关磁阻电机开始工作；

步骤1002，注入电压脉冲；

开关磁阻电机控制器的核心控制单元通过功率模块向开关磁阻电机的相绕组中注入脉冲电压；

步骤1003，检测相绕组电流幅值；

电流传感器将电机相绕组电流信号送入处理单元内，处理单元根据接收到的数据计算出电机绕组电流的幅值；

步骤1004，是否达到门阈值要求；

处理单元判断开关磁阻电机相绕组的电流幅值是否达到预存的门阈值，如果电流幅值达到预存的门阈值，执行步骤1005，如果未达到门阈值，返回步骤1002；

步骤1005，电机换相、产生内部中断并记录中断时间；

核心控制单元进行开关磁阻电机的换相操作，同时处理单元产生一个内部中断信号，处理单元将内部中断信号送至其内的定时器，并由定时器记录触发时间；

步骤1006，计算开关磁阻电机转速；

处理单元根据内部计时器记录的两次触发时间的间隔计算出开关磁阻电机的转速；

步骤1007，转速是否改变；

处理单元判断开关磁阻电机的转速知否改变，如果转速已改变，执行步骤1008，如果转速未改变，返回执行步骤1002；

步骤1008，计算注入频率；

处理单元根据脉冲电压频率计算公式重新计算脉冲注入频率，并返回执行步骤1002。

优选的，步骤1008中所述的脉冲电压频率计算公式为：

$f=N\·\frac{\mathrm{\ω}\×N_5\×N_r}{60}$

其中：ω表示开关磁阻电机转速，N_s表示开关磁阻电机定子极数，N_r表示开关磁阻电机转子极数，N为电机转速的分段系数。

优选的，所述的电机转速的分段系数N的取值范围为：

其中：ω表示开关磁阻电机转速。

优选的，步骤1004中所述的预存的门阈值在执行步骤1001之前测试得到并存入处理单元内。

一种用于实现开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法的系统，包括开关磁阻电机控制器、开关磁阻电机以及将二者连接的连接线缆，其特征在于：所述的开关磁阻电机控制器内设置有核心控制单元、功率模块以及电流传感器，核心控制单元的输出端通过功率模块、连接线缆与开关磁阻电机相连，电流传感器安装在功率模块与开关磁阻电机之间的连接线缆上，电流传感器的输出端连接至核心控制单元的输入端。

优选的，所述的核心控制单元包括调理电路和处理单元，所述的电流传感器的输出端连接至调理电路的输入端，调理电路的输出端连接处理单元的输入端。

优选的，所述的处理单元由微处理器MCU或数字信号处理器DSP为核心实现。

优选的，所述的功率模块由绝缘栅双极型晶体管IGBT或绝缘栅型场效应管MOSFET组成。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、通过本开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法及系统，可以根据电机转速自动调节脉冲电流的注入频率，在电机转速低时使用较高的注入频率，以提高位置分辨精度，在电机转速高时使用较低的注入频率，可以减小功率器件的损坏，提高整体效率。

2、脉冲电流的注入频率在电机转速高于1500r/min时使用最小值，在小于1500r/min时随着转速的变化连续调整，避免了脉冲注入频率的跳跃式变化，可以满足大多数场合的使用要求。

附图说明

图1为开关磁阻电机无位置传感器的自适应系统原理方框图。

图2为开关磁阻电机无位置传感器的自适应方法控制流程图。

其中：1、开关磁阻电机控制器 2、核心控制单元 3、功率模块 4、处理单元 5、调理电路 6、电流传感器 7、开关磁阻电机 8、连接线缆。

具体实施方式

图1～2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～2对本发明做进一步说明。

如图1所示，开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制系统，包括开关磁阻电机控制器1、开关磁阻电机7以及连接开关磁阻电机控制器1和开关磁阻电机7的连接线缆8。在开关磁阻电机控制器1内设置有核心控制单元2、功率模块3以及电流传感器6。

核心控制单元2的输出端通过功率模块3、连接线缆8与开关磁阻电机7相连，电流传感器6安装在功率模块3与开关磁阻电机7之间的连接线缆8上，电流传感器6的输出端连接至核心控制单元2的输入端。核心控制单元2包括调理电路5和处理单元4，通过电流传感器6可将电机相绕组的大电流信号变换为小电流信号进行输出，输出的信号首先接入调理电路5中，通过调理电路调理、AD转换芯片(图中未画出)进行模数转换之后送至处理单元4内，处理单元4可以根据接收到的数据计算出电机绕组电流的幅值，并可通过电流幅值来决定开关磁阻电机7定转子的相对位置。

处理单元4可以由微处理器MCU或数字信号处理器DSP为核心实现，功率模块3可以使用绝缘栅双极型晶体管IGBT或绝缘栅型场效应管MOSFET组成。处理单元4对人机界面指令和开关磁阻电机7的反馈信号进行判断，通过电流传感器6采集开关磁阻电机7的相绕组电流信号，控制开关磁阻电机7相绕组的通断；功率模块3通过接收控制单元的命令，实现对开关磁阻电机相绕组电流大小的控制，并将电能输送到电机绕组中。功率模块3可通过多种芯片以及相应的外围电路实现，如使用型号为：FF200R12KT3、FF300R12KT4、FF450R12KT3等芯片。当处理单元4使用MCU进行实现时，可采用多种型号的MCU进行实现，如P89V51、MC9S12E64；当处理单元4采用DSP进行实现时，可采用如型号为TMS320F2812、MC96002、ADSP2185M等多种芯片实现。

在开关磁阻电机7运行前，通过测试确定一个开关磁阻电机7相绕组电流门阈值并将该门阈值存贮到核心控制单元2中的处理单元4内。开关磁阻电动机7刚开始工作时，开关磁阻电机控制器1内部的核心控制单元2通过功率模块3向开关磁阻电机7的相绕组中注入脉冲电压，并通过电流传感器6和调理电路5检测开关磁阻电机7相绕组的响应电流。

处理单元4根据电流传感器6送入的电流信号计算开关磁阻电机7相绕组的电流幅值，并判断是否达到预存的门阈值，如果电流幅值达到预存的门阈值，则表示换相时刻到达，可以进行开关磁阻电机7的换相操作，核心控制单元2内的处理单元4同时产生一个内部中断信号，将该内部中断信号送至处理单元4内的定时器，定时器同时记录触发时间，处理单元4根据内部计时器记录的两次触发时间的间隔计算出开关磁阻电机7的转速。处理单元4同时可以计算出电机绕组电流的幅值，并可通过电流幅值来决定开关磁阻电机7定转子的相对位置。如果处理单元4检测到开关磁阻电机7的转速发生变化，则根据脉冲电压频率计算公式重新计算脉冲注入频率，并重复进行脉冲注入以检测下一换相点。

脉冲电压频率计算公式，如式(1)所示：

$f=N\·\frac{\mathrm{\ω}\×N_s\×N_r}{60}---\left(1\right)$

其中：ω表示开关磁阻电机转速，N_s表示开关磁阻电机定子极数，N_r表示开关磁阻电机转子极数，N为根据电机转速可以分段设置的系数，其取值范围为：

脉冲电流的注入频率在电机转速高于1500r/min时使用最小值，在小于1500r/min时随着转速的变化连续调整，避免了脉冲注入频率的跳跃式变化，可以满足大多数场合的使用要求。

如图2所示，开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法，包括如下步骤：

步骤1001，开始；

开关磁阻电机7开始工作；

在开关磁阻电机7开始工作之前，通过测试确定一个开关磁阻电机7相绕组电流门阈值并将该门阈值存贮到核心控制单元2中的处理单元4内。

步骤1002，注入电压脉冲；

开关磁阻电机控制器1内部的核心控制单元2通过功率模块3向开关磁阻电机7的相绕组中注入脉冲电压，

步骤1003，检测相绕组电流幅值；

电流传感器6将电机相绕组的大电流信号变换为小电流信号进行输出，输出的信号首先接入调理电路5中，通过调理电路5调理、AD转换芯片进行模数转换之后送至处理单元4内，处理单元4根据接收到的数据计算出电机绕组电流的幅值；

步骤1004，是否达到门阈值要求；

处理单元4判断开关磁阻电机7相绕组的电流幅值是否达到预存的门阈值，如果电流幅值达到预存的门阈值，执行步骤1005，如果未达到门阈值，返回步骤1002；

由步骤1004返回执行步骤1002时，核心控制单元2仍通过功率模块3向开关磁阻电机7的相绕组中注入原频率的脉冲电压。

步骤1005，电机换相、产生内部中断并记录中断时间；

当处理单元检测到开关磁阻电机7的相绕组电流幅值达到预存的门阈值时，核心控制单元2进行开关磁阻电机7的换相操作，同时核心控制单元2内的处理单元4同时产生一个内部中断信号，将该内部中断信号送至处理单元4内的定时器，并由定时器记录触发时间；

步骤1006，计算开关磁阻电机转速；

处理单元4根据内部计时器记录的两次触发时间的间隔计算出开关磁阻电机7的转速；

步骤1007，转速是否改变；

处理单元4判断开关磁阻电机7的转速知否改变，如果转速已改变，执行步骤1008，如果转速未改变，返回执行步骤1002；

由步骤1007返回执行步骤1002时，核心控制单元2仍通过功率模块3向开关磁阻电机7的相绕组中注入原频率的脉冲电压。

步骤1008，计算注入频率；

处理单元4根据脉冲电压频率计算公式重新计算脉冲注入频率，并返回执行步骤1002；

脉冲电压频率计算公式，如式(1)所示：

$f=N\·\frac{\mathrm{\ω}\×N_s\×N_r}{60}---\left(1\right)$

其中：ω表示开关磁阻电机转速，N_s表示开关磁阻电机定子极数，N_r表示开关磁阻电机转子极数，N为根据电机转速可以分段设置的系数，其取值范围为：

由步骤1008返回执行步骤1002时，核心控制单元2通过功率模块3向开关磁阻电机7的相绕组中注入的脉冲电压的频率为处理单元4新计算出的频率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1001，开始；

开关磁阻电机(7)开始工作；

步骤1002，注入电压脉冲；

开关磁阻电机控制器(1)的核心控制单元(2)通过功率模块(3)向开关磁阻电机(7)的相绕组中注入脉冲电压；

步骤1003，检测相绕组电流幅值；

电流传感器(6)将电机相绕组电流信号送入处理单元(4)内，处理单元(4)根据接收到的数据计算出电机绕组电流的幅值；

步骤1004，是否达到门阈值要求；

处理单元(4)判断开关磁阻电机(7)相绕组的电流幅值是否达到预存的门阈值，如果电流幅值达到预存的门阈值，执行步骤1005，如果未达到门阈值，返回步骤1002；

步骤1005，电机换相、产生内部中断并记录中断时间；

核心控制单元(2)进行开关磁阻电机(7)的换相操作，同时处理单元(4)产生一个内部中断信号，处理单元(4)将内部中断信号送至其内的定时器，并由定时器记录触发时间；

步骤1006，计算开关磁阻电机转速；

处理单元(4)根据内部计时器记录的两次触发时间的间隔计算出开关磁阻电机(7)的转速；步骤1007，转速是否改变；

处理单元(4)判断开关磁阻电机(7)的转速是否改变，如果转速已改变，执行步骤1008，如果转速未改变，返回执行步骤1002；

步骤1008，计算注入频率；

处理单元(4)根据脉冲电压频率计算公式重新计算脉冲注入频率，并返回执行步骤1002。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法，其特征在于：步骤1008中所述的脉冲电压频率计算公式为：

$f=N\·\frac{\mathrm{\ω}\×N_s\×N_r}{60}$

其中：ω表示开关磁阻电机转速，N_s表示开关磁阻电机定子极数，N_r表示开关磁阻电机转子极数，N为电机转速的分段系数。

3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法，其特征在于：所述的电机转速的分段系数N的取值范围为：

其中：ω表示开关磁阻电机转速。

4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法，其特征在于：步骤1004中所述的预存的门阈值在执行步骤1001之前测试得到并存入处理单元(4)内。

5.一种用于实现权利要求1～4所述的开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法的系统，包括开关磁阻电机控制器(1)、开关磁阻电机(7)以及将二者连接的连接线缆(8)，其特征在于：所述的开关磁阻电机控制器(1)内设置有核心控制单元(2)、功率模块(3)以及电流传感器(6)，核心控制单元(2)的输出端通过功率模块(3)、连接线缆(8)与开关磁阻电机(7)相连，电流传感器(6)安装在功率模块(3)与开关磁阻电机(7)之间的连接线缆(8)上，电流传感器(6)的输出端连接至核心控制单元(2)的输入端。

6.根据权利要求5所述的用于实现开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法的系统，其特征在于：所述的核心控制单元(2)包括调理电路(5)和处理单元(4)，所述的电流传感器(6)的输出端连接至调理电路(5)的输入端，调理电路(5)的输出端连接处理单元(4)的输入端。

7.根据权利要求6所述的用于实现开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法的系统，其特征在于：所述的处理单元(4)由微处理器MCU或数字信号处理器DSP为核心实现。

8.根据权利要求5所述的用于实现开关磁阻电机无位置传感器的自适应控制方法的系统，其特征在于：所述的功率模块(3)由绝缘栅双极型晶体管IGBT或绝缘栅型场效应管MOSFET组成。