CN110120766B - 基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法，属于开关磁阻电机控制技术领域。首先通过建立饱和下的电感模型，再通过计算得出虚拟的单位电感矢量，实现在大电流下电感畸变时仍能够通过反正切函数估计出转子位置，使得开关磁阻电机在未安装位置传感器的情况下稳定运行。优点：本发明仅需存储饱和系数k，所占用内存极少，算法简便快捷，并且无需附加硬件，能够在磁链饱和引起电感畸变的情况下仍能准确估计转子位置；另外利用三相信息进行位置估计，准确度强、估计信息连续、不会发生抖动，在高低速情况下均能稳定运行。

Description

基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机控制技术领域，特别是一种基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法。

背景技术

开关磁阻电机(SRM)具有结构简单牢固，效率高，调速范围广，启动转矩大，成本低，工作可靠等优点，在民用、工业、航空航天、军事等方面逐渐得到广泛关注，应用前景光明。

位置检测环节是开关磁阻电机调速系统的重要组成部分，准确获得转子位置信息是开关磁阻电机可靠运行和高性能控制的前提。传统的位置检测方法是通过安装位置传感器，其主要利用光电、电磁、磁敏等原理来获取转子位置信息。位置传感器的引入，不仅使电机的结构变得复杂，电机成本提高，增加了运行和维护的成本，还降低了电机运行的鲁棒性与可靠性，限制了开关磁阻电机推广和普及。此外，传感器本身稳定性不高，易受环境因素的影响，在高温高速等苛刻条件下，很有可能无法正常工作，从而严重限制了SRM的应用范围。因此，采用无位置传感器技术对降低系统成本、提高系统可靠性具有重要意义。

SRM无位置传感器技术已经成为国际上SRM研究领域的热点。各国学者提出了多种无位置方案。目前已提出的开关磁阻电机无位置传感器方案的大都是基于SRM内部的磁场状态是关于其转子相对位置的函数，通过求解相电压方程，就能获得以磁链、电感、反电动势等形式隐藏起来的转子位置信息。典型的无位置传感器方案有激励脉冲法，磁链电流法，神经网络算法，状态观察器法，电感模型法，电感矢量法等。

其中电感矢量法原理较为简单，且易于实现。传统的电感矢量法参照空间矢量的概念，构建三个在空间上互差

的电感空间矢量。得到三个空间矢量之后通过坐标变化，将三相坐标系变换到αβ轴坐标系。在αβ轴坐标系上，α轴电感与β轴电感的反正切值就是所求电角度信息。该方式的主要缺点是随着电流的增加，磁路逐渐饱和，电感随之发生畸变，从而导致电感矢量的位置发生偏移，引起角度估计误差。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法，解决传统电感矢量法在磁路饱和情况下因为电感畸变而导致的估算电感不准的问题。

本发明的目的是这样实现的：通过建立磁路饱和下的电感模型，再计算虚拟单位电感矢量，将电感矢量单位化，实现在大电流下电感畸变时仍能够通过反正切函数估计出转子位置，使得开关磁阻电机在未安装位置传感器的情况下稳定运行。

具体技术方案步骤如下：

步骤1、利用控制系统检测在不同电流下开关磁阻电机的最大电感以及最小电感值；

步骤2、定义饱和系数k用来描述不同电流下电感畸变程度；利用所测得的电感最大值以及最小值求出饱和系数，并存储在内存内；

步骤3、建立饱和时的电机电感模型；

步骤4、根据脉冲注入法求取非导通相电感；

步骤5、通过电压检测电路检测电压，并根据电压值在处理器中计算导通相磁链；

步骤6、通过电流传感器检测实时电流，处理器结合磁链计算导通相电感；

步骤7、根据所得电感值以及所存储的饱和系数k，求取虚拟单位电感矢量；

步骤8、将三相单位电感合成空间矢量，在αβ坐标系下利用反正切函数求得转子位置。所述的步骤1的具体方法为：

根据无位置传感器开关磁阻控制系统，即：

一个整流装置，此装置可以是三电平或两电平可控整流器，此时功率器件为IGBT，亦可为二极管不控整流器；

一个功率变换器，本装置采用不对称半桥线路的三相SRM功率变换器；

三个电流霍尔传感器和一个电压霍尔传感器，用来采集电机输入侧的三相电流和母线上的电压；

一个开关磁阻电机，其具体功率和转速等参数可以根据现场需求而设计；

一块主控板，需要DSP或单片机等芯片实现模数及数模转化，信号处理，发送控制信号，数据及故障显示；

一块驱动板，实现接收主控板控制信号，然后发送六路驱动信号，控制对应的IGBT器件的开通与关断；

在使用无位置传感器开关磁阻控制系统之前，离线测出所用开关磁阻电机电感特性；根据所测数据提取出最大最小电感，以便后续处理。

所述的步骤2的具体方法为：

由于电机饱和效应的影响，最大电感会随着电流增大而降低，最小电感不变；

定义电机饱和系数k为：

其中i是电机相电流，k(i)表示饱和系数k是电流的函数，L_max是电感最大值，L_min是电感最小值且不会随电流变化发生改变，ΔL是磁路未饱和时电感最大值和最小值之差。所述的步骤3的具体方法为：

传统电感模型的为：

L_v＝L₀+L₁ cosθ_e

L₀和L₁分别为常数项和一次项系数。

根据饱和系数可建立新的电感模型：

L_v＝L_min+k(i_v)L₁[cosθ_e+1]

L_u、L_v、L_w分别为开关磁阻电机各相电感，i_u、i_v、i_w为三相电流。L₁为一次项系数，θ_e是电机转子电角度。

所述的步骤4的具体方法为：

公式如下：

和

分别是开关导通时的电流上升率和开关关断时的电流下降率，u_c为注入脉冲电压。

步骤5、通过电压检测电路检测电压，并根据电压值在处理器中计算导通相磁链；

式中，T_sam为AD采样间隔时间；T为磁链积分时间，

为电机磁链。

所述的步骤6的具体方法为：

公式为：

所述的步骤7的具体方法为：

k的取值范围为k∈(0,1]，磁路饱和时电感下降，k∈(0,1)；处于非饱和状态时，电感无变化，k＝1；开关磁阻电机三相电感对称，k值随电流的变化在三相均一致；

为了消除饱和对位置估计的影响，将上述电感进行单位化；

L_eu、L_ev、L_ew为三相虚拟单位电感。

所述的步骤8的具体方法为：

将经过运算后的三相电感合成电感空间矢量：

将经过运算后的三相电感合成电感空间矢量：

L_ec是三相单位电感合成的空间矢量。

将空间矢量L_ec分解到αβ坐标系，可得α轴电感L_eα与β轴电感L_eβ：

根据α轴电感L_eα与β轴电感L_eβ可求出转子位置：

考虑到正切函数值域为[-π/2,π/2]，而转子电角度单位周期内的范围为[0,2π]，因此需要结合不同的象限分别对反正切函数值与转子电角度θ_e之间的关系进行分析，具体关系如下：

存在特殊情况，L_eα＝0,L_eβ＞0时，

L_eα＝0,L_eβ＜0时，

在非导通相注入高频电压脉冲，检测响应电流并计算电流斜率，根据非导通相电感计算公式得到非导通相电感；导通相电感则通过电压积分获得的磁链除以当前电流获得；至此已获得完整的全周期电感；通过当前电流值查询事先存储的饱和系数表，并根据所得系数求取虚拟单位电感；之后合成单位电感空间矢量并分解到α轴与β轴上，利用反正切函数来求得转子位置。

有益效果，由于采用了上述方案，采用本无传感器控制方案能够通过电机本身的电感特性估测出电机转子当前所处位置，保障电机正常稳定运行。且本发明仅需在内存存储饱和系数k，所占用内存极少，算法简便快捷，并且无需附加硬件，能够在磁链饱和引起电感畸变的情况下仍能准确估计转子位置；另外利用三相信息进行位置估计，准确度强、估计信息连续、不会发生抖动，在高低速情况下均能稳定运行。解决了传统电感矢量法在磁路饱和情况下因为电感畸变而导致的估算电感不准的问题，达到了本发明的目的。

附图说明

图1是现有技术中位置传感器在电机中的安装示意图。

图2是本发明的无位置传感器开关磁阻电机控制系统框图。

图3是本发明中测得的电机电流及电感示意图。

图4是本发明测得的SRM电机电感特性曲线簇图。

图5是本发明45度时合成的电感空间矢量图。

图6是本发明进行位置估计的流程图。

具体实施方式

实施例1：本发明通过建立磁路饱和下的电感模型，再计算虚拟单位电感矢量，将电感矢量单位化，实现在大电流下电感畸变时仍能够通过反正切函数估计出转子位置，使得开关磁阻电机在未安装位置传感器的情况下稳定运行。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

开关磁阻电机运行过程中在特定位置换向，需要位置传感器提供转子位置信息，经过控制器结合控制策略形成功率变换器驱动信号。

图1是现有技术的位置传感器在电机中的安装示意图。图中是现有技术需要在电机中安装额外的位置传感器器件，因此，降低了系统鲁棒性，增加了电机成本。本发明的技术方案采用无位置传感器方案，降低了成本，扩大了开关磁阻电机的应用范围。

图2是本发明的无位置传感器开关磁阻电机控制系统框图。整个系统包括：

一个整流装置，此装置可以是三电平或两电平可控整流器，本系统采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，亦可为二极管不控整流器；

一个功率变换器，本装置采用不对称半桥线路的三相SRM功率变换器；

三个电流霍尔传感器和一个电压霍尔传感器，用来采集电机输入侧的三相电流和母线上的电压；

一个开关磁阻电机，其具体功率和转速等参数可以根据现场需求而设计；

一块主控板，需要DSP(数字信号处理器)或单片机等芯片实现模数及数模转化，信号处理，发送控制信号，数据及故障显示；

一块驱动板，实现接收主控板控制信号，然后发送六路驱动信号，控制对应的IGBT器件的开通与关断。

图3中(a)图是电机在正常运行时的一相电流图。在正常运行过程中需要根据位置信息来确定导通位置，因此分为导通部分以及非导通部分。在同一时刻，电机三相会存在导通状态和非导通状态，称为导通相或非导通相。开关磁阻电机电感会随着转子位置的变化而发生改变，通过对电机电感的处理即可估算出转子位置；在非导通相处的电感通过脉冲注入法来获取，导通相电感通过积分法得出；受到磁路饱和的影响，在不同电流下电感会发生不同程度的畸变，图3中(b)图是三相电感发生畸变的示意图，因此，按照原有的电感模型进行角度估算会发生偏差；用饱和系数来描述电感发生畸变的程度，并根据饱和系数建立新的电感模型。

对电感模型进行处理，得到虚拟的单位电感矢量，图3中(c)图是进行处理后的电感示意图，其为标准的正弦函数；单位电感矢量分解到α轴与β轴上，利用反正切函数来求得转子位置即可在电感畸变的情况下准确无误的估算出转子位置。

步骤1、利用控制系统检测在不同电流下开关磁阻电机的最大电感以及最小电感值；具体方法为：

根据无位置传感器开关磁阻控制系统，在使用之前离线测出所用开关磁阻电机电感特性；图4为测得的SRM电机电感特性曲线簇图，图中L_max表示最大电感，L_min表示最小电感，ΔL为两者差值；根据所测数据提取出最大最小电感，以便后续处理。

步骤2、定义饱和系数k用来描述不同电流下电感畸变程度；利用所测得的电感最大值以及最小值求出饱和系数，并存储在内存内；具体方法为：

由于电机饱和效应的影响，最大电感会随着电流增大而降低，最小电感不变；

定义电机饱和系数k为：

其中i是电机相电流，k(i)表示饱和系数k是电流的函数，L_max是电感最大值，L_min是电感最小值且不会随电流变化发生改变，ΔL是磁路未饱和时电感最大值和最小值之差。

表1不同电流下对应的k值

表1是根据上述k值公式计算得出的不同电流下的k值变化，实际应用中可以存储较为电流间隔更小的数据，表1仅作示范。

步骤3、建立饱和时的电机电感模型；具体方法为，传统电感模型的为：

L_v＝L₀+L₁ cosθ_e

L₀和L₁分别为常数项和一次项系数。

根据饱和系数可建立新的电感模型：

L_v＝L_min+k(i_v)L₁[cosθ_e+1]

L_u、L_v、L_w分别为开关磁阻电机各相电感，i_u、i_v、i_w为三相电流。L₁为一次项系数，θ_e是电机转子电角度。

步骤4、根据脉冲注入法求取非导通相电感；具体方法的公式如下：

和

分别是开关导通时的电流上升率和开关关断时的电流下降率，u_c为注入脉冲电压。

步骤5、通过电压检测电路检测电压，并根据电压值在处理器中计算导通相磁链；具体方法为：

式中，T_sam为AD采样间隔时间；T为磁链积分时间，

为电机磁链。

步骤6、通过电流传感器检测实时电流，处理器结合磁链计算导通相电感；具体方法的公式为：

步骤7、根据所得电感值以及所存储的饱和系数k，求取虚拟的单位电感矢量；具体方法为：

k的取值范围为k∈(0,1]，磁路饱和时电感下降，k∈(0,1)；处于非饱和状态时，电感无变化，k＝1；开关磁阻电机三相电感对称，k值随电流的变化在三相均一致；

为了消除饱和对位置估计的影响，将上述电感进行单位化；

L_eu、L_ev、L_ew为三相虚拟单位电感。

步骤8、将三相单位电感合成空间矢量，在αβ坐标系下利用反正切函数求得转子位置；具体方法为：

将经过运算后的三相电感合成电感空间矢量：

L_ec是三相单位电感合成的空间矢量。

图5是45度时合成的电感空间矢量示意图，其幅值为单位1。

将空间矢量L_ec分解到αβ坐标系，可得α轴电感L_eα与β轴电感L_eβ：

根据α轴电感L_eα与β轴电感L_eβ可求出转子位置：

考虑到正切函数值域为[-π/2,π/2]，而转子电角度单位周期内的范围为[0,2π]，因此需要结合不同的象限分别对反正切函数值与转子电角度θ_e之间的关系进行分析，具体关系如下：

存在特殊情况，L_eα＝0,L_eβ＞0时，

L_eα＝0,L_eβ＜0时，

图6是本发明进行位置估计的流程图。

在非导通相注入高频电压脉冲，检测响应电流(见图3中(a)图，是电机在正常运行时的一相电流图)并计算电流斜率，根据非导通相电感计算公式得到非导通相电感；导通相电感则通过电压积分获得的磁链除以当前电流获得；至此已获得完整的全周期电感(见图3中(b)图，是三相电感发生畸变的示意图)；通过当前电流值查询事先存储的饱和系数表，并根据所得系数求取虚拟单位电感(见图3中(c)图，是进行处理后的电感示意图)；之后合成单位电感空间矢量并分解到α轴与β轴上，利用反正切函数来求得转子位置。

Claims (7)

1.一种基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征是：通过建立磁路饱和下的电感模型，再计算三相虚拟单位电感矢量，实现在大电流下电感畸变时仍能够通过反正切函数估计出转子位置，使得开关磁阻电机在未安装位置传感器的情况下稳定运行；

具体技术方案步骤如下：

步骤1、利用无位置传感器开关磁阻控制系统检测在不同电流下开关磁阻电机的电感最大值以及电感最小值；

步骤2、定义饱和系数k用来描述不同电流下电感畸变程度；利用所测得的电感最大值以及电感最小值求出饱和系数，并存储在内存内；

步骤3、建立饱和时的电机电感模型；

步骤4、根据脉冲注入法求取非导通相电感；

步骤5、通过无位置传感器开关磁阻控制系统检测电压，并根据电压值在处理器中计算导通相磁链；

步骤6、通过无位置传感器开关磁阻控制系统检测实时电流，处理器结合磁链计算导通相电感；

步骤7、根据所得导通相电感以及所存储的饱和系数k，求取三相虚拟单位电感；

步骤8、将三相虚拟单位电感合成的电感空间矢量，在αβ坐标系下利用反正切函数求得转子位置；

所述的步骤2的具体方法为：

由于电机饱和效应的影响，电感最大值会随着电流增大而降低，电感最小值不变；

定义电机饱和系数k为：

其中i是电机相电流，k(i)表示饱和系数k是电流的函数，L_max是电感最大值，L_max(i)表示电感最大值L_max是电流的函数，L_min是电感最小值且不会随电流变化发生改变，ΔL是磁路未饱和时电感最大值和最小值之差；

所述的步骤3的具体方法为：

传统电感模型为：

L_v＝L₀+L₁cosθ_e

L₀和L₁分别为常数项和一次项系数；

根据饱和系数可建立新的电感模型：

L_v＝L_min+k(i_v)L₁[cosθ_e+1]

L_u、L_v、L_w分别为开关磁阻电机各相电感，i_u、i_v、i_w为三相电流；θ_e是转子位置。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征是：所述的步骤1的具体方法为：

根据无位置传感器开关磁阻控制系统，即：

一个整流装置，整流装置是功率器件为IGBT的三电平或两电平可控整流器，或者是二极管不控整流器；

一个功率变换器，功率变换器采用不对称半桥线路的三相SRM功率变换器；

三个电流霍尔传感器和一个电压霍尔传感器，用来采集电机输入侧的三相电流和母线上的电压；

一个开关磁阻电机，其具体功率和转速参数可以根据现场需求而设计；

一块主控板，需要DSP或单片机芯片实现模数及数模转化，信号处理，发送控制信号，数据及故障显示；

一块驱动板，实现接收主控板控制信号，然后发送六路驱动信号，控制功率变换器中IGBT器件的开通与关断；

在使用无位置传感器开关磁阻控制系统之前，离线测出所用开关磁阻电机电感特性；根据所测数据提取出电感最大值、电感最小值，以便后续处理。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征是：所述的步骤4的具体方法为：

公式如下：

L(θ)为非导通相电感，即：脉冲注入法求取非导通相电感L(θ)；

和

分别是开关导通时的电流上升率和开关关断时的电流下降率，u_c为注入脉冲电压。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征是：步骤5、通过无位置传感器开关磁阻控制系统检测电压，并根据电压值在处理器中计算导通相磁链；

式中，u_c为注入脉冲电压，R为电机相电阻，T_sam为AD采样间隔时间；T为磁链积分时间。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征是：所述的步骤6通过无位置传感器开关磁阻控制系统检测实时电流，处理器结合导通相磁链

计算导通相电感L的公式为：

6.根据权利要求1所述的基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征是：所述的步骤7的具体方法为：

k的取值范围为k∈(0，1]，磁路饱和时电感下降，k∈(0，1)；处于非饱和状态时，电感无变化，k＝1；开关磁阻电机三相电感对称，k值随电流的变化在三相均一致；

为了消除饱和对位置估计的影响，将开关磁阻电机各相电感L_u、L_v、L_w进行单位化；

L_eu、L_ev、L_ew为三相虚拟单位电感。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟单位电感矢量的开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征是：所述的步骤8的具体方法为：

将经过运算后的三相虚拟单位电感合成的电感空间矢量：

L_ec是三相虚拟单位电感合成的电感空间矢量；

将空间矢量L_ec分解到αβ坐标系，可得α轴电感L_eα与β轴电感L_eβ：

根据α轴电感L_eα与β轴电感L_eβ可求出转子位置：

考虑到正切函数值域为[-π/2，π/2]，而转子位置单位周期内的范围为[0，2π]，因此需要结合不同的象限分别对反正切函数值与转子位置θ_e之间的关系进行分析，具体关系如下：

存在特殊情况，L_eα＝0，L_eβ＞0时，

L_eα＝0，L_eβ＜0时，

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