阅读说明：本技术 一种开关磁阻电机无位置传感器低速运行控制方法 (Low-speed operation control method for switched reluctance motor without position sensor ) 是由 陈昊 桑永豪 尹正凯 周大林 渠苏东 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种开关磁阻电机无位置传感器低速运行控制方法，属于开关磁阻电机控制的技术领域。本发明对开关磁阻电机的导通相绕组的电流采用斩波控制方式，非导通相的绕组的电流采用脉冲注入控制方式，基于此方法可获得整个周期的电流信息，采用单电流阈值法，通过检测某一位置下的电流幅值估计出转子位置信息并进行换相运行，该方法也可以满足在不同电压下的转子位置估计和无位置传感器运行，同时，通过对误差的分析并进行一定的补偿，可以更加精确的控制电机的运行。该方法增强了开关磁阻电机驱动系统的可靠性，适用于开关磁阻电机的低速带载运行。(The invention discloses a position-sensorless low-speed operation control method for a switched reluctance motor, and belongs to the technical field of switched reluctance motor control. The invention adopts a chopping control mode for the current of a conducting phase winding of a switched reluctance motor, adopts a pulse injection control mode for the current of a non-conducting phase winding, can obtain the current information of the whole period based on the method, adopts a single current threshold value method, estimates the position information of a rotor by detecting the current amplitude value at a certain position and carries out phase-change operation, can also meet the requirements of the position estimation of the rotor and the operation without a position sensor under different voltages, and simultaneously can more accurately control the operation of the motor by analyzing errors and carrying out certain compensation. The method enhances the reliability of the driving system of the switched reluctance motor and is suitable for the low-speed on-load operation of the switched reluctance motor.)

一种开关磁阻电机无位置传感器低速运行控制方法

技术领域

本发明公开了一种开关磁阻电机无位置传感器低速运行控制方法，属于开关磁阻电机控制的技术领域。

背景技术

开关磁阻电机的结构是双凸极式，定子上分布集中式绕组，转子无绕组和永磁体，其具有结构简单，容错性强，效率高等特点。开关磁阻电机在电动汽车驱动电机、起动发电机、压缩机，纺织机械、飞轮储能等场合应用广泛。为了保证开关磁阻电机可靠和高性能运行，必须准确地获得转子位置信息。传统的开关磁阻电机驱动系统由于安装了转子位置传感器，对调速系统有一定的影响，加大了成本，增加了调试的难度，故研究开关磁阻电机无位置传感技术有助于拓宽开关磁阻电机的应用范围。

近些年来对于该领域国内外学者都做出了许多研究，提出了多种控制方法应用于不同的转速范围，其中主要包括导通相检测法，非导通相检测法，基于智能控制的检测方法，附加元件检测法等多种位置估计算法，其中导通相检测法包括的磁链法、相电流梯度法、观测器法以及非导通相检测法包括的激励脉冲法，曲线拟合法应用较多。

以上提出的无位置传感器控制技术都有各自的适用性和局限性，这些方法各有优缺点。磁链电流法是将磁链-电流-位置角数据存储于三维表中，实时估计绕组相电流和磁链数据，通过查表获得转子位置信息，这种方法计算复杂，硬软件被占用的资源多，运算时间长。随着神经网络法，模糊控制法，卡尔曼滤波法等智能控制检测方法开始应用于开关磁阻电机的无位置传感器技术中，这类方法无需精准的系统模型，只需足够的训练数据即可拟合得到转子位置-电流-磁链的关系，完成位置估计，然而该方法需要大量时间训练数据，算法复杂。外加反串测试线圈，采用电感特征值比较，获取转子位置，但需要附加硬件，增加了成本，以上无位置传感器控制技术大多依赖电机磁链模型，其通用性与实用性降低了。

基于电感线性模型的无位置传感器技术，采用电流斜率差值的计算方法识别电感信息，可以通过电感和位置的关系模型估计转子信息，但是相电流斜率过零点不易检测，限制了角度控制范围。

基于双电流阈值的无位置传感器技术，通过设置两个阈值分别对导通相和估计相进行控制，较好的分开了导通相和非导通相，但是该技术使用了两个电流阈值增加了计算量。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种适用于计算简便的开关磁阻电机无位置传感器转子位置估计方法，不需要预知开关磁阻电机的电磁特性数据和精确数学模型即可估计出转子位置，解决了传统的磁链电流法，电感模型法，双电流阈值法、智能控制等开关磁阻电机无位置方法依赖电机本体参数，计算复杂的技术问题。

为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种开关磁阻电机无位置传感器低速运行控制方法，包括如下步骤：

A.驱动开关磁阻电机运行在连续的工作模式下，使得电机的绕组顺序导通；

B.根据不同位置下随母线电压变化的峰值电流波形图设定一电流阈值；

C.实时检测每个电周期内各非导通相相绕组的电流幅值，并在等于所设阈值的特殊转子位置参考点发出位置检索脉冲；

D.根据相邻的两个位置检索脉冲的角度差和时间间隔估计实时转速并估计转子位置。

E.根据估计位置和实际位置的差值进行误差分析，在实际控制系统中增加一个角度误差补偿环节来进一步提高开关磁阻电机的无位置传感器控制。

作为所述一种开关磁阻电机无位置传感器低速运行控制方法的进一步优化方案，步骤A驱动开关磁阻电机运行在连续的工作模式下，使得电机的绕组顺序导通的方法为：驱动开关磁阻电机连续运行，通过控制主电路器件的反复开通和关断以限制导通区间电流在给定的上下限之间，使绕组的导通相工作在电流斩波控制模式下，在绕组的非导通区间内采用高频低压的脉冲电流注入法。

进一步的，所述一种开关磁阻电机无位置传感器低速运行控制方法，步骤B中设定了某一电流阈值的方法为：根据各相绕组磁链与相电压以及相电流的关系在全周期内做积分运算确定各相绕组磁链，再由各相绕组磁链与相电流的比值确定各相绕组全周期电感值，最后根据电感，电压，脉冲时间和脉冲幅值的表达式得到不同位置下随母线电压变化的峰值电流波形图，根据该波形图在对应的位置取一电流阈值进行设定。其中，U为检测电压脉冲的幅值；Δt为相邻的两个位置检索脉冲的时间间隔；Δi为Δt时间内受检相绕组电流的增量。

进一步的，所述一种开关磁阻电机无位置传感器低速运行控制方法，步骤C采用了单电流阈值的控制方法，当导通相关断、且非导通相的脉冲电流幅值高于阈值时，发出位置检索脉冲，在这一位置脉冲处关断上一相，开通下一相，使得A、B、C三相能够按顺序导通。

进一步的，所述一种开关磁阻电机无位置传感器低速运行控制方法，步骤D中根据相邻两周期内位置检索脉冲的角度差和时间间隔估计转速的表达式是：

估计转子位置的表达式是：θ(k+1)＝θ(k)+ωΔT，ω为实时转速，Δθ、Δt分别为相邻的两个位置检索脉冲的角度差和时间间隔，θ(k+1)、θ(k)分别为第k+1电周期、第k电周期的转子位置估计值，ΔT为电周期。

再进一步的，所述一种开关磁阻电机无位置传感器低速运行控制方法，步骤E中根据估计位置和实际位置的差值的表达式是：Δθ_err＝ωt，电机转速的表达式是：θ＝6ωTx，θ：相邻检索脉冲的位置角度，T：脉冲周期，ω：电机实时转速，x：一个导通区间内的脉冲个数，t：为所设电流阈值位置I_TH到下一个脉冲上升沿之间的时间。

基于上述开关磁阻电机结构，在低速运行时，针对开关磁阻电机结构中的各相绕组，选取至少一条检测正常的支路，应用非导通相高频信号注入法，导通相电流斩波法，单电流阈值法，脉冲注入区电感估计方法，位置估计区确定方法，低速连续运行位置估计法和角度误差补偿法，实现了低速运行时的连续转子位置估计。

有益效果：

本发明采用上述技术方案，具有以下技术效果：本发明对开关磁阻电机的导通相绕组的电流采用斩波控制方式，非导通相的绕组的电流采用脉冲注入控制方式，基于此方法可获得整个周期的电流信息，采用单电流阈值法，通过检测某一位置下的电流幅值估计出转子位置信息并进行换相运行，该方法也可以满足在不同电压下的转子位置估计和无位置传感器运行，同时，通过对误差的分析并进行一定的补偿，可以更加精确的控制电机的运行。该方法增强了开关磁阻电机驱动系统的可靠性，适用于开关磁阻电机的低速带载运行。

附图说明

图1是基于单电流阈值法的开关磁阻电机无位置传感器低速运行原理示意图；

图2是不同位置下随母线电压变化的电流峰值图；

图3是全周期估计转子位置的流程图；

图4是估计位置和实际位置的误差分析示意图；

图5是开关磁阻电机调速控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明检测每个周期处于上升区的后一相相电感与处于下降区的前一相相电感的交点位置处，即开关磁阻电机后一相与前一相电感相等的位置，通过电感相等位置处获得的转子位置脉冲信号计算电机的实时转速，估计转子位置信息，具有较强的通用性和实用性。

图1是基于单电流阈值法的开关磁阻电机无位置传感器低速运行原理示意图。在开关磁阻电机低速运行时，通常导通相采用电流斩波的控制方式，当导通相关断时，进入续流模式，即为非导通区。本发明在绕组非导通区间注入高频低压脉冲，使得每一个电周期的电感连续。提取大于阈值的后一相的脉冲电流作为该相的导通判据，同时作为前一相关断判据。对后一相的脉冲电流取包络线可以消除误差脉冲，求取包络线的上升区间作为该项的导通区间，使得电机能够持续低速带载运行。为了进一步解析原理，选择C相作为研究对象，假定电机的运行方向以A-B-C为顺序循环导通，此时选取C相后一相A相的脉冲电流作为C相的导通判据，同时作为前一相B相的关断判据，即在A相脉冲幅值大于阈值时候，导通C相，关断B相，从而完成换相，进而实现电机的连续运行。图1所示分别为三相电流、三相非导通相脉冲电流、根据阈值提取的三相脉冲电流的包络线、C相开通关断时刻的位置检索脉冲、C相的导通区间以及转子位置估计。其中图1中的三相脉冲电流的包络线为提取后的脉冲电流，即大于阈值那部分的脉冲电流，求取各相相邻脉冲电流的差Δi即可得到各相的包络线，这样不仅可以用于判断导通区间，而且还可以消除脉冲电流和阈值比较时产生的误差。在电机C相的开通时刻和关断时刻分别会产生一个脉冲信号，即当A相脉冲电流的幅值大于所设阈值时，产生脉冲信号S1作为C相的开通信号，当B相脉冲电流的幅值大于所设阈值时，产生脉冲信号S2作为C相的关断信号，图中S1和S2对应区间处于电流脉冲包络线的上升区间，即包络线在单调递增区间，所以选择该区间作为C相的导通区间。同理，可求得A相,B相的导通区间，从而进行换相驱动电机的连续运行。

图2所示为不同位置下随母线电压变化的电流峰值图。通过电压、电流传感器实时采样各相电流、相电压，使用电流，电压的数据计算开关磁阻电机磁链，进一步计算相电感，最后得到相电感与母线电压的关系式，因为不同的相电感对应不同的位置，故可得到不同位置下随母线电压变化的电流峰值图，由此可以通过查表或者使用函数关系式来根据不同的电压设定不同的电流阈值，通过检测每个周期的电流阈值估计转子位置信息，即当脉冲电流大于该阈值时，导通后一相，关断前一相。

图3所示为全周期估计转子位置的流程图，开关磁阻电机第k相的电压方程如式(1)所示：

式(1)中，U_k为第k相的绕组端电压，i_k为第k相的绕组电流，R_k为第k相的绕组电阻，ψ_k为第k相的绕组磁链。

两边积分得到相绕组磁链的表达式如式(2)所示：

根据相绕组磁链ψ(i,θ)、电感L(i,θ)以及电流i，绕组电感可以根据式(3)计算得到：

当导通相关断时，在绕组非导通区间内注入高频低压脉冲信号，根据注入的高频低压脉冲，相电感、母线电压的关系可以根据式(4)计算得到：

根据式(5)得到电机的实时转速：

式(5)中，ω为实时转速，Δθ和Δt分别表示相邻两个位置检索脉冲之间的角度差和时间间隔。

根据所述特定转子位置和实时的转速估计出转子的任意位置如式(6)所示：

θ(k+1)＝θ(k)+ωΔT (6)

式(6)中，θ(k)为上次采样时间估算的位置角；θ(k+1)为本次采样时间估算的位置角，ΔT为采样时间

图4所示为估计位置和实际位置的误差分析示意图。根据单电流阈值无位置传感器方法可知，以A相作为参照相，在一个周期45°范围内15°，30°，45°位置分别为单电流阈值I_TH的位置，当脉冲电流的幅值大于15°，30°或者45°位置的单电流阈值I_TH的时候进行换相，但实际过程中，采集到的脉冲电流幅值并非刚好在15°，30°或45°位置，这样就产生了估值误差。此时使用C相开通时作为分析对象，根据单电流阈值的分析，由估计相A相判断C相的开通时刻应在点2处，即为A相的30°位置(如图4)，但是实际采集到的脉冲电流幅值大于所设电流阈值I_TH的位置是在点3处，从而估计出C相的开通位置在点1处，估计算法误认为点1位置是A相的30°位置，这样在控制系统中，每个判断点都会产生Δθ_err的误差角度。所以为了考虑算法易实现性，首先根据上述的分析方法，计算出不同转速下的角度误差，储存于处理器的内存中，在实际控制系统中增加一个角度误差补偿环节，通过查表实时调整位置角度。

图5所示为开关磁阻电机调速控制系统框图。该系统由速度外环和电流斩波内环构成，通过速度调节器将速度误差转化成给定电流I^*来实现调速。通过开通角、关断角、转子位置、旋转方向等信息综合判断实现各相电流给定，与实际反馈的电流滞环比较，产生电力电子器件控制信号。开关磁阻电机运行时检测到的注入脉冲电流幅值与参考电流阈值比较获得该时刻的位置信息，从而完成位置、速度估算。