CN118449399A - 磁饱和下基于电感特征点的开关磁阻电机转子位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁饱和下基于电感特征点的开关磁阻电机转子位置估计方法。本发明的控制思想是：同时考虑饱和以及电压变化两个因素对电感曲线偏移产生的影响，利用电流斜率差法计算脉冲注入区间的电感信息而非计算全周期电感信息，简化计算过程，由非饱和区相电感交点确定电感阈值及特征点，通过判断电感下降区，避免错误电感交点阈值的选取。拟合不同相电流、母线电压与非饱和区电感交点阈值、区间初始位置角度的关系，通过计算区间转速对位置角度进行估计。该方法受磁路饱和影响较小，可实现磁路饱和情况下的转子位置估计，相比传统固定电感阈值法，该方法可兼顾磁饱和及电压因素对电感交点位置偏移影响，提高转子位置辨识精度。控制方法简单可靠，适于推广。

Description

磁饱和下基于电感特征点的开关磁阻电机转子位置估计方法

技术领域

本发明属于开关磁阻电机无位置传感器控制技术领域，特别是涉及一种磁饱和下基于电感特征点的开关磁阻电机转子位置估计方法。

背景技术

开关磁阻电机是一种新型的机电一体化电机，以其简单坚固的电机结构、工作可靠、控制灵活、起动转矩大、机械效率高的优点，有着巨大的发展空间和广阔的市场前景，在电动汽车、风力发电、伺服系统等领域均有所应用，受到国内外广大专家学者的重点关注。然而，开关磁阻电机的基本运行需要实时、准确的转子位置信息。在目前开关磁阻电机实际运行系统中，通常会使用霍尔位置传感器来获取精确的转子位置信息。然而，附加的硬件设备不仅提高了开发成本，也同时使整个系统的可靠性有所降低，在高温、潮湿、油污等恶劣环境下，传统光电式、电磁式以及磁敏式位置传感器会降低实际操作过程中的可靠性，不利于实际应用。因此，在无霍尔位置传感器的情况下，如何实时获取准确的转子位置信息，受到国内外学者的关注。

在传统电感法估计转子位置时，利用相电感曲线的交点角度值，可计算相邻两个交点之间所经过的时间，计算平均转速，估计转子位置，在计算过程中电感交点值是固定的。然而，当相电流不断增大时，磁路将逐渐趋于饱和，电感曲线最大值会发生下移，电感曲线的形状发生变化。当利用传统的电感法估计转子位置时，不难发现电感曲线的部分交点位置角度会发生较大偏移，因而基于传统的电感模型法会导致估计转子位置具有较大误差，不利于精确的转子位置估计。因此，提出一种受磁饱和影响小，能够在磁饱和下实现转子位置高精度估计的方法具有重要意义。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种磁饱和下基于电感特征点的开关磁阻电机转子位置估计方法，以实现电机运行过程中进入磁路饱和情况下的转子位置高精度估计。

当电机运行过程中相电流不断增大时，磁路将逐渐进入饱和状态，当利用传统的电感法估计转子位置时，不难发现电感曲线的部分交点位置角度会发生较大偏移，因而基于传统的电感模型法会导致估计转子位置具有较大误差，不利于精确的转子位置估计。本发明解决了磁饱和下转子位置估计精度下降的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：同时考虑饱和以及电压变化两个因素对电感曲线偏移产生的影响，根据相电感计算模块通过实时监测相电流与母线电压，得到电流曲线的上升斜率与下降斜率，通过电流斜率差法计算得到高频脉冲注入区间电感值；致力于非导通相电感曲线的分析，使其不会受到导通相电感曲线变化的影响，同时也可简化计算过程。通过确定电感曲线下降区，避免在电感在上升区间由于达到电感阈值而带来的错误估计。拟合相电流、母线电压与电感阈值、区间起始位置角度的三维关系，当相电流或母线电压大小发生变化时电感阈值和区间角度会发生相应改变，通过计算区间转速估计位置角度，减小磁饱和带来的影响。

本发明的有益效果是：

非计算全周期电感信息，简化计算过程，由非饱和区相电感交点确定电感阈值及特征点，通，使开关磁阻电机工作在磁饱和状态下时，只计算注入区间电感信息，无需计算全周期电感信息，可简化计算，提高运行效率。本发明在不同的相电流和母线电压下，对应有不同的电感阈值和区间起始位置角度，相比于传统电感法中固定的电感阈值和固定的区间起始位置角度，本发明受磁路饱和影响小，具有更高的转子位置估计精度。控制方法简单可靠，通用性强，易于推广。

附图说明

图1是本发明实施例所用的系统仿真模型图；

图2是磁饱和下电感曲线变形图；

图3是母线电压变化时电感曲线变形图；

图4是进行电感下降区判断图；

图5是电感阈值随不同电流电压下的变化趋势图；

图6是电感阈值变化时的触发脉冲及区间起始角度变化图；

图7是区间起始时刻位置角度1在不同电流电压下的变化趋势图；

图8是本发明实施例1中母线电压为72V，运行过程中负载电流由8A突变为10A时的电流仿真波形图；

图9是本发明实施例1中母线电压为72V，运行过程中负载电流由8A突变为10A时的估计转子位置与实际转子位置仿真对比图；

图10是本发明实施例2中母线电压为120V，电流仿真波形图；

图11是本发明实施例2中母线电压为120V，估计转子位置与实际转子位置仿真对比图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对6/4电机基于磁饱和电感特征点的开关磁阻电机转子位置估计方法作进一步说明。

为了验证本发明，搭建了开关磁阻电机调速系统Simulink仿真模型，如图1所示，非导通区注入高频电压脉冲，绕组导通区间采取电流控制采用电流斩波控制方式，传统PI控制模块接收转速差信号，即电机给定转速与实际转速之差，输出参考电流大小。

当开关管开通时，电压方程可以表示为：

当开关管关断时，电压方程可以表示为：

式中，L(θ)为注入区间电感值，U_dc为直流母线电压，为电流的上升斜率，为电流的下降斜率。

由式(1)和式(2)可得，

通过电流斜率差法计算得到注入区间的电感值信息，无需计算全周期电感信息，间接消除了反电动势的影响，同时简化了计算范围。

判断电感曲线相邻采样点电感值的大小关系，确定此时电感曲线位于上升区间或下降区间，由于本发明无需电感上升区的数据，故将电感上升区的电感值均置为零值，即导通区以及注入区中上升区域的电感均为零值。

在实际运行过程中，当电流不断增大时，磁路逐渐趋于饱和，电感曲线形状发生变化。如图2所示，电感最大值发生下移，即产生“下凹”趋势，相电流增加时电感交点处发生较大偏移，如图中交点1和交点2，传统电感法不利于转子位置估计。

当电压发生变化时，会对电感曲线产生影响。图3(a)是响应电流图；图3(b)表明母线电压增加时，响应电流曲线上升更为缓慢，电流最大值处发生偏移；图3(c)是在电压大小分别为72V，100V，150V下的响应电流轮廓线，曲线变形程度与电压值大小呈正相关；图3(d)是电感曲线图，母线电压增加时非饱和区电感曲线下降更为缓慢，由最大值下降到最小值时间增加，电感曲线交点略有偏移，图中θ₁，θ₂和θ₃分别为72V，100V，150V下的电感曲线交点角度值，随电压增大而增加。本发明所提方法考虑这种变化因素，减小转子估计误差。

电感曲线获取及其交点确定是本文关键，将电感曲线交点定义为特征点。若不对电感曲线进行下降区判断，有时会产生两个特征点，即在电感上升区和电感下降区各检测到一个特征点，如图4中p₁所示，检测到多余的特征点。为防止在电感上升区检测到错误特征点，只利用电感最大值到最小值之间，即电感下降区的信息作为估计转子位置基础，只检测电感下降区的特征点，如图4中p₂所示，可避开上升区错误的特征点。

将特征点处的电感值定义为电感阈值。拟合不同相电流和母线电压下的电感交点阈值。如图5所示，可以看出，当母线电压相同时，增大相电流，电感交点阈值略微减小；当相电流相同时，增大母线电压，电感交点阈值略微增大。每达到电感阈值时，触发一个特征点脉冲信号，并实时记录脉冲发生位置的时间，以便于后续计算相邻两脉冲之间的转速信息。当相电流或母线电压发生变化时，根据查表法得到相应的电感阈值，电感阈值发生变化时，特征点脉冲信号也会发生相应改变，降低磁饱和对位置估计的影响，如6所示，图中Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃是电感阈值发生变化时对应三个区间角度的变化。

测试不同电流电压下一个机械周期内的三个区间起始位置角度。设两个相邻脉冲之间三个区间起始位置角度分别为θ₁、θ₂、θ₃，当电流电压大小发生变化时，其值亦会随电流电压发生变化。图7列出了θ₁在不同相电流和母线电压时的变化，可见当相电流相同时，角度会随母线电压的增大而减小，当母线电压相同时，角度会随相电流的增大而增大。θ₂和θ₃与θ₁变化规律相同，只是角度值不相同。当相电流或母线电压发生变化时，根据查表法得到相应的起始角度。

根据两相邻相电感定位点间的机械角度30°，再确定电机转子转过上述两定位点之间的时间，则可确定电机转子在第n个区间的平均转速，具体为：

式中，ω是电机转子在第n个区间的平均转速，Δθ＝π/6，Δt是相邻两个脉冲发生的时间差，通过实时测量脉冲发生的时间来获取。

转子从第n个区间旋转至第n+1个区间时，其转速可认为基本保持不变，为此可根据电机转子在第n个区间的平均转速，估算出电机转子在第n+1个区间任意时刻的位置角度θ(n+1)，具体为：

θ(n+1)＝θ(n)+ωΔT (12)

式中，θ(n+1)是转子在第n+1个区间中任意时刻的位置角度，θ(n)是第n+1个区间初始时刻转子位置角，ΔT是第n+1个区间任意时刻与该区间初始时刻之差。

本发明的发明点：只利用非导通区间相电感曲线的数据，无需计算全周期电感信息，简化计算过程。确定电感曲线下降区，避免了在电感在上升区间由于达到设定的电感阈值而带来的错误估计；进而确定电感曲线的线性区域，减小了计算误差。当相电流和母线电压发生变化时，电感阈值、脉冲信号和三个区间起始位置角度均会发生相应改变，大大减小了磁饱和带来的影响。

基于图1所示开关磁阻电机调速系统MATLAB/Simulink仿真模型，该仿真模型主要由7个模块组成，分别为开关磁阻电机、功率变换器、转速控制和电流控制、相电感计算、确定下降区、特征点脉冲信号、导通和注入模块。其中，开关磁阻电机采用Simulink元件库自带的6/4电机仿真模型，功率变换器采用不对称半桥电路，转速控制器采用PI控制器，电流控制采用电流斩波控制方式。取开通角为45°，关断角为75°。测试磁饱和下不同电流电压对转子位置估计的影响。

实施例1：

给定参考转速500r/min，母线电压为72V，运行过程中负载电流由8A突变为10A时，根据当前相电流和母线电压，选取对应的电感阈值以及区间起始角度，电流波形如图8所示，实际转子位置与转子位置估计角度如图9所示，可知转子位置在磁路饱和时具有较好的估计精度，同时在电流突变的情况下基本不会对转子位置的估计结果产生影响。

实施例2：

给定参考转速500r/min，母线电压为120V，电流波形如图10所示，实际转子位置与转子位置估计角度如图11所示。可见电压变化未对位置估计造成明显影响，仍具有较高的估计精度。

Claims (6)

1.磁饱和下基于电感特征点的开关磁阻电机转子位置估计方法，其特征在于：同时考虑饱和以及电压变化两个因素对电感曲线偏移产生的影响，利用电感特征点估计转转子位置；三相电感信息根据电流斜率差法得到，通过判定电感曲线下降区，选定正确的电感阈值及特征点；在不同相电流和母线电压下具有不同的电感阈值和区间初始时刻位置角度，传统PI控制模块接收转速差信号，即电机给定转速与实际转速之差，输出参考电流大小。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：考虑母线电压的变化对电感曲线偏移量产生的影响，分析电压由小增大时电感曲线以及交点的偏移。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在电机运行过程中实时监测电流值与电压值，得到实时响应电流上升与下降的斜率，利用电流斜率差法计算高频脉冲注入区的电感值，而非计算全周期电感信息，简化计算范围，并且在非导通相注入高频脉冲时考虑了电流的过零检测，避免续流时间过长。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：将电感交点和此处电感值分别定义为特征点和电感阈值，当处于电感阈值时触发一个特征点脉冲；若不进行电感曲线下降区判断，可能会产p₁、p₂两种电感交点，将对阈值和特征点的触发造成干扰；通过判断电感下降区，使得p₁类交点无法被检测，只保留p₂类交点，避免了两种交点的混合出现，避免了错误的特征点脉冲输出，特征点可以均匀地被检测，从而避免角度计算错误。

5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：拟合不同相电流、母线电压与非饱和区电感交点阈值、区间初始位置角度的关系，不同的相电流和母线电压对应不同的电感交点阈值和三个区间初始时刻位置角度θ₁、θ₂、θ₃，根据电机转子在第n个区间的平均转速，估算出电机转子在第n+1个区间任意时刻的位置角度。

6.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于：电感曲线变形程度与母线电压值大小呈正相关，母线电压增加时非饱和区电流上升到最大值的时间变长，电感曲线下降到最小值过程更为缓慢，由最大值下降到最小值时间增加，因此电感曲线交点位置角度略有增加，本发明考虑这种角度变化。