阅读说明：本技术 一种故障容错的开关磁阻电机无位置传感器控制方法 (Fault-tolerant switched reluctance motor position-sensorless control method ) 是由 陈昊 崔思航 刘亮 董锋 张珂 巩士磊 阎明 张战 袁利 李祥阳 徐天宝 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种故障容错的开关磁阻电机无位置传感器控制方法,适用于不同控制策略的开关磁阻电机控制。该方法采用在开关磁阻电机非励磁相的退磁和闲置区间注入检测脉冲,通过比较脉冲响应电流的上升时间来估计转子的对齐位置。该方法在开关磁阻电机的各相都注入检测脉冲,对于四相开关磁阻电机而言,一个转子周期内将会检测到四相对齐位置,任何一相的对齐位置都可以用来估计其他时刻的转子位置。因此,当开关磁阻电机出现缺相故障时,只要存在一相正常运行,就可以保证转子位置估计的准确性,从而实现开关磁阻电机的故障容错运行。该方法降低了系统的成本,提高了系统的可靠性,具有良好的工程应用价值。(The invention provides a fault-tolerant switched reluctance motor position sensorless control method which is suitable for controlling switched reluctance motors with different control strategies. The method adopts the technical scheme that detection pulses are injected into a demagnetization and idle interval of a non-excitation phase of the switched reluctance motor, and the alignment position of a rotor is estimated by comparing the rise time of pulse response current. According to the method, detection pulses are injected into each phase of the switched reluctance motor, for the four-phase switched reluctance motor, four-phase alignment positions are detected in one rotor period, and the alignment position of any one phase can be used for estimating the rotor position at other moments. Therefore, when the switched reluctance motor has a phase-lack fault, the accuracy of rotor position estimation can be ensured as long as one phase of normal operation exists, and the fault-tolerant operation of the switched reluctance motor is realized. The method reduces the cost of the system, improves the reliability of the system and has good engineering application value.)

一种故障容错的开关磁阻电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及一种故障容错的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，尤其适用于的开关磁阻电机在缺相故障下的容错运行。

背景技术

开关磁阻电机是一种自同步电机，需要转子位置信息来保证电机的连续运转。位置传感器是提供转子位置信息的重要装置，它易受潮湿、粉尘等恶劣环境的干扰而失效，从而降低了开关磁阻电机系统的可靠性。因此，开关磁阻电机无位置传感器控制方法得到了广泛的研究。国内外学者提出的开关磁阻电机无位置传感器控制方法主要有：电流波形法、磁链法、脉冲注入法、电感梯度法、电感模型法。它们降低了系统的成本，提高了系统的可靠性。但是，以上各种无位置传感器控制方法都对故障容错方法缺乏研究。由于开关磁阻电机系统在恶劣环境下工作时极易发生缺相故障，因此以上所提出的无位置传感器控制方法无法满足开关磁阻电机系统在故障条件下的容错运行。因此，有必要提出一种故障容错的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有的开关磁阻电机无位置传感器控制方法存在的问题，提出一种故障容错的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。

本发明提出的无位置传感器控制方法为：

在电感不饱和条件下，相绕组的电压方程可以由下式表示：

式中，u_m,i_m,L_m,R_m,ω和m分别代表相电压、相电流、相电感、绕组阻抗、电机转子的角速度以及电机的相数；

假设在检测电流注入区间内一共有n个开通周期，那么在t_n-1和t_n时刻时的相电压方程可以分别表示为：

由于检测脉冲是由滞环电流控制而产生的的，并且电流环宽非常小，因此在t_n-1和t_n时刻时的瞬态电流近似等于检测电流的参考电流值I_ref,即i_m(t_n-1)≈i_m(t_n)≈I_ref，因此可以得到

i_m(t_n-1)R_m≈i_m(t_n)R_m (4)

由于电机工作于低速，检测电流的幅值很小并且相邻两时刻的电感梯度近似相等，因此式(2)和(3)的第三部分可以被认为是相等的，即

考虑到功率开关管的压降与直流母线电压相比可以忽略不计，因此绕组两端的相电压可以被认为与母线电压相等，因此有

u_m(t_n-1)＝u_m(t_n)＝U_DC (6)

式中U_DC表示直流母线电压；

结合式(4)、(5)和(6)，采用式(2)减去式(3)可得

根据式(7)，相电流变化率和相电感之间存在如下关系：

如果L_m(t_n-1)＜L_m(t_n),则

如果L_m(t_n-1)＞L_m(t_n),则

假设在最后两个连续的开通周期内相应的电流上升时间分别为ΔT_n-1和ΔT_n，且检测电流的环宽为Δi，则一个开通周期内电流的变化量为2Δi，因此式(7)可以表示为

上式两边都除以2Δi，则式(10)可以被简化为

根据上式，相电感与检测电流的上升时间存在如下关系：

如果L_m(t_n-1)＜L_m(t_n),则ΔT_n-1＜ΔT_n (12)

如果L_m(t_n-1)＞L_m(t_n),则ΔT_n-1＞ΔT_n (13)

由此可知，检测电流的上升时间与相电感的值成正比，在转子的对齐位置之前，相电感的值是逐渐增加的，因此检测电流的上升时间也是逐渐增加的，所以存在ΔT₁<ΔT₂<…<ΔT_n-1；在转子的对齐位置之后，相电感的值开始减小，因此检测电流的上升时间也是逐渐减小的，所以存在ΔT_n-1>ΔT_n；综上可知，通过比较检测电流的两个相邻的上升时间即可确定转子的对齐位置。

当检测到任一相转子的对齐位置时，定时器2开始计数，直到下一相转子对齐位置检测到后将计数值存储到寄存器中，同时立即复位并开始重新计数。因此，两个连续对齐位置之间的时间间隔ΔT_{2_all}则为

ΔT_{2_all}＝N_{2_all}×T2 (14)

式中N_{2_all}表示定时器1的总计数值，T2表示定时器2的计数周期。因此，两个连续对齐位置之间的平均角速度ω可以由下式计算得到：

式中Δθ表示两个对齐位置之间的角度差。之后可以计算得到其他时刻的转子位置：

θ＝θ_o+ωN₂×T2 (16)

式中θ_o和N₂分别表示初始的转子位置和定时器2的实时计数值。

当四相8/6开关磁阻电机工作在正常状态时，每一相都会注入检测脉冲，一个转子周期内将会检测到四相对齐位置。因此将一个转子周期分成了4个区间，分别为RI、RII、RIII和RIV，RI代表着A相对齐位置与B相对齐位置之间的区间，RII代表着B相对齐位置与C相对齐位置之间的区间，RIII代表着C相对齐位置与D相对齐位置之间的区间，RIV代表着D相对齐位置与A相对齐位置之间的区间。

在正常状态时，RI、RII、RIII、RIV区间内的转子位置依靠式(16)进行计算得到，主要依靠当前区间内的初始转子位置和上一区间内的平均角速度计算得到；

当开关磁阻电机发生单相故障时，该相停止注入检测脉冲，其他三相继续注入检测脉冲用来估计转子位置；

当开关磁阻电机发生两相故障时，此两相停止注入检测脉冲，其他两相继续注入检测脉冲用来估计转子位置；

当开关磁阻电机发生三相故障时，此三相停止注入检测脉冲，最后剩余一相继续注入检测脉冲用来估计转子位置；

综上所述，本发明提出的无位置传感器控制方法可以有效的实现开关磁阻电机的故障容错运行。

有益效果：本发明提出的一种故障容错的无位置传感器控制方法，它不需要额外的硬件、复杂的计算以及开关磁阻电机电磁特性的先验知识。此外它不会产生负转矩且具有良好的故障容错能力。

附图说明

图1是本发明的无位置传感器控制方法的工作原理图。

图2是本发明的无位置传感器控制方法在正常状态时的转子位置估计原理图。

图3是本发明的无位置传感器控制方法在单相故障状态时的转子位置估计原理图。

图4是本发明的无位置传感器控制方法在两相故障状态时的转子位置估计原理图。

图5是本发明的无位置传感器控制方法在三相故障状态时的转子位置估计原理图。

图6是本发明的无位置传感器控制方法工作在正常状态时的实验图。

图7是本发明的无位置传感器控制方法工作在单相故障状态时的实验图。

图8是本发明的无位置传感器控制方法工作在两相故障状态时的实验图。

图9是本发明的无位置传感器控制方法工作在三相故障状态时的实验图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的无位置传感器控制方法作进一步的描述：

以四相开关磁阻电机为对象，当本发明提出的无位置传感器控制方法运用于电流斩波控制策略时，本发明提出的无位置传感器控制策略的工作原理如图1所示。

在电感不饱和条件下，相绕组的电压方程可以由下式表示：

式中，u_m,i_m,L_m,R_m,ω和m分别代表相电压、相电流、相电感、绕组阻抗、电机转子的角速度以及电机的相数。

假设在检测电流注入区间内一共有n个开通周期，那么在t_n-1和t_n时刻时的相电压方程可以分别表示为：

由于检测脉冲是由滞环电流控制而产生的的，并且电流环宽非常小，因此在t_n-1和t_n时刻时的瞬态电流近似等于检测电流的参考电流值I_ref,即i_m(t_n-1)≈i_m(t_n)≈I_ref，因此可以得到

i_m(t_n-1)R_m≈i_m(t_n)R_m (4)

由于电机工作于低速，检测电流的幅值很小并且相邻两时刻的电感梯度近似相等，因此式(2)和(3)的第三部分可以被认为是相等的，即

考虑到功率开关管的压降与直流母线电压相比可以忽略不计，因此绕组两端的相电压可以被认为与母线电压相等，因此有

u_m(t_n-1)＝u_m(t_n)＝U_DC (6)

式中U_DC表示直流母线电压。

结合式(4)、(5)和(6)，采用式(2)减去式(3)可得

根据式(7)，相电流变化率和相电感之间存在如下关系：

如果L_m(t_n-1)＜L_m(t_n),则

如果L_m(t_n-1)＞L_m(t_n),则

假设在最后两个连续的开通周期内相应的电流上升时间分别为ΔT_n-1和ΔT_n，且检测电流的环宽为Δi，则一个开通周期内电流的变化量为2Δi，因此式(7)可以表示为

上式两边都除以2Δi，则式(10)可以被简化为

根据上式，相电感与检测电流的上升时间存在如下关系：

如果L_m(t_n-1)＜L_m(t_n),则ΔT_n-1＜ΔT_n (12)

如果L_m(t_n-1)＞L_m(t_n),则ΔT_n-1＞ΔT_n (13)

由此可知，检测电流的上升时间与相电感的值成正比，在转子的对齐位置之前，相电感的值是逐渐增加的，因此检测电流的上升时间也是逐渐增加的，所以存在ΔT₁<ΔT₂<…<ΔT_n-1。在转子的对齐位置之后，相电感的值开始减小，因此检测电流的上升时间也是逐渐减小的，所以存在ΔT_n-1>ΔT_n。综上可知，通过比较检测电流的两个相邻的上升时间即可确定转子的对齐位置。

转子的对齐位置可以通过比较检测脉冲两个相邻的的电流上升时间来得到，而每个检测脉冲产生的响应电流的上升时间可以由定时器1来测量计数，而定时器1的计数周期为5微妙，记为T1.当检测到转子位置之后需要计算两个连续的对齐位置之间的平均转速，利用这个平均转速可以计算任意时刻的转子位置。而平均转速的计算需要得到两个连续对齐位置之间的时间间隔，定时器2可以用来测量这个时间间隔，且定时器2的计数周期为10微妙，记为T2。在脉冲注入区间内，当续流电流下降至检测电流的下限值时，开关磁阻电机的主开关管开始开通，检测电流开始上升，同时定时器1开始计数，当检测电流上升至上限值时，开关磁阻电机的主开关管立即关断，检测电流开始下降，同时定时器1停止计数，将此时的计数值存储到寄存器中，等待与下一个开通周期的计数值进行比较。当检测电流再次下降至下限值时，开关磁阻电机的主开关管重新开通，检测电流开始上升，同时定时器1立即复位重新开始计数，自此进入了第二个开通周期。每个开通周期的电流上升时间ΔT可以由下式计算：

ΔT＝N_{1_all}×T1 (14)

式中N_{1_all}表示一个开通周期内定时器1的总计数值。

通过将当前周期的计数值与上一个周期的计数值进行比较，如果大于上一周期的计数值，则继续注入检测脉冲，如果小于上一周期的计数值，则停止注入检测脉冲，同时表明此刻即为转子的对齐位置，定时器2需要立刻开始计数，当检测到一个转子的对齐位置时，定时器2则将计数值存储到寄存器中，同时立即复位并开始重新计数。因此，两个连续对齐位置之间的时间间隔ΔT_{2_all}则为

ΔT_{2_all}＝N_{2_all}×T2 (15)

式中N_{2_all}表示定时器2的总计数值。因此，两个连续对齐位置之间的平均角速度ω可以由下式计算得到：

式中Δθ表示两个对齐位置之间的角度差。之后可以计算得到其他时刻的转子位置：

θ＝θ_o+ωN₂×T2 (17)

式中θ_o和N₂分别表示初始的转子位置和定时器2的实时计数值。

当四相8/6开关磁阻电机工作在正常状态时，它的每一相都会被注入检测脉冲用来检测各相对齐位置，因此一个转子周期内可以检测到四个对齐位置，为无位置传感器控制方法的故障容错提供了保证。图2所示为开关磁阻电机工作在正常状态时的转子位置估计原理，其中i_a、i_b、i_c和i_d分别为四相电流，L_a、L_b、L_c和L_d分别为四相电感。此外，每一个转子周期还被分成了4个区间，分别为RI、RII、RIII和RIV，RI代表着A相对齐位置与B相对齐位置之间的区间，RII代表着B相对齐位置与C相对齐位置之间的区间，RIII代表着C相对齐位置与D相对齐位置之间的区间，RIV代表着D相对齐位置与A相对齐位置之间的区间。这些区间主要是为了方便说明开关磁阻电机在正常和故障状态下转子位置的计算方法。在正常状态时，以RII区间为例，这个区间内的转子位置计算可以参考式(17)，其中初始的转子位置为B相的对齐位置,即45°，平均角速度则需要用到RI区间内的平均角速度，它可以由式(16)进行计算，其中转子位置角度差为15度，总的时间为RI区间内定时器2所记录的总时间，因此RII区间内任意时刻的转子位置都可以计算得到。同理，RI、RIII和RIV区间内的转子位置都可以以同样的计算方式得到，并且RI、RIII和RIV区间内初始的转子位置分别为30°、60°和75°，它们都分别代表着A、C、D相的对齐位置。同时需要注意的是每一个区间内平均角速度是用来计算下一个区间的转子位置。

当开关磁阻电机发生单相故障时，在线故障诊断方法可以立即确定故障相，该相停止注入检测脉冲，其他三相继续注入检测脉冲用来估计转子位置。以D相为例，当D相发生开路故障时如图3所示，ABC三相保持正常工作，RII和RIII区间内的转子位置和正常状态时转子位置的计算方式相同，但是RIV区间内的转子位置需要依靠RIII区间内的初始转子位置以及RII区间内的平均角速度进行计算，此外RI区间内的转子位置计算是以A相的对齐位置作为初始转子位置，但是所用到的平均角速度是RIII和RIV两个区间内的平均角速度。

当开关磁阻电机发生两相故障时，以C和D两相为例，图4所示为C、D两相发生开路故障时的转子位置计算原理图，此时A、B两相正常工作可以估计转子位置，RI区间内的转子位置计算可以依靠RI区间内的初始转子位置以及RII、RIII和RIV区间内的平均角速度进行计算，而RII、RIII和RIV区间内的转子位置则需要依靠RII区间内的初始转子位置和RI区间内的平均转速进行计算。

当开关磁阻电机出现三相故障时，以B、C、D三相为例，图5所示为B、C、D三相发生开路故障时的转子位置计算原理图，此时只有A相可以正常工作，转子位置的估计只能依靠A相检测的对齐位置，整个转子周期的转子位置计算是以A相的对齐位置作为初始转子位置，所用的平均角速度为一个转子周期的平均角速度。

图6所示为本发明提出的无位置传感器控制方法工作在正常状态时的实验波形图，图中θ_e、θ_r和θ_er分别为开关磁阻电机四相的绕组电流、估计的转子位置、实际的转子位置以及转子位置估计误差。从图中可知，θ_e和θ_r保持重合，θ_er在零附近波动，从而说明了无位置传感器控制方法转子位置估计的准确性。

图7、图8和图9所示分别为本发明提出的无位置传感器控制方法工作在单相故障状态、两相故障状态和三相故障状态时的实验波形图，其中flag表示故障发生标志。从图中可以看出，θ_e和θ_r始终保持一致，说明了无位置传感器控制方法在故障条件下仍然能够保证转子位置估计的准确性，具有良好的故障容错能力。

综上所述，本发明提出的一种故障容错的无位置传感器控制方法保证了转子位置估计的准确性，实现了开关磁阻电机的故障容错运行。