阅读说明：本技术 一种适用于车辆重载特性的开关磁阻电机控制方法 (A kind of switch reluctance motor control method suitable for vehicle Heavy-load Characteristic ) 是由 李孟秋 蔡辉 沈仕其 于 2019-08-03 设计创作，主要内容包括：一种适用于车辆重载特性的开关磁阻电机控制方法,包括以下步骤：1)获得开关磁阻电机在整个电周期内各相电感信息；2)特殊位置点的选取；3)转子转速与位置的估计。本发明方法利用车辆重载特性下低电感区其交点位置对电流不敏感特性,对电机位置信息及转速信息进行精确估算,实现车辆重载下开关磁阻电机的无位置传感器控制。(A kind of switch reluctance motor control method suitable for vehicle Heavy-load Characteristic, comprising the following steps: 1) obtain switched reluctance machines each phase inductance information within the entire electric period；2) selection of special points；3) estimation of rotor speed and position.The method of the present invention utilizes its intersection position of low inductor section under vehicle Heavy-load Characteristic accurately to estimate motor position information and rotary speed information the insensitive characteristic of electric current, realizes the position Sensorless Control of vehicle heavy duty lower switch reluctance motor.)

一种适用于车辆重载特性的开关磁阻电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种适用于车辆重载特性的开关磁阻电机控制方法。

背景技术

开关磁阻电机具有结构简单、控制灵活、容错能力强等优点，现已在牵引运输，电动车辆，航空工业等领域得到应用。实时、准确地获取电机的转子位置信息是SRM可靠运行和高性能控制的必要前提，转子位置信息通常位置传感器获得。然而，位置传感器增加了电机系统的成本与复杂度，在一些较为恶劣的工况下会降低系统的可靠性。电机运行时三相电感之间交点因导通相电流变化而改变。当车辆重载时，负载电流较大，电感处于饱和状态，基于全周期不饱和电感方法来估计位置会出现较大误差。本发明提出一种适用于车辆重载特性的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，以解决车辆重载时电机位置估算精度问题。

发明内容

本发明是一种车辆重载是大电流电感饱和状态下的转子位置估算方法，通过估算电机转速，获取转子在任意时刻的位置，实现无位置传感器运行，从而解决当导通相电流较大时，基于全周期不饱和电感方法来估计位置会出现较大误差以及典型位置传感器所具有的高成本与高复杂度的问题。

本发明所采用的技术方案为：

一种适用于车辆重载特性的开关磁阻电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获得开关磁阻电机在整个电周期内各相电感信息；

2)选取低电感交点位置；

3)转子转速与位置的估计；

在所述步骤1)中，考虑开关磁阻电机导通相饱和因素的影响，相电感L_k(i_k,θ)是相电流i_k和转子位置角θ的函数。忽略互感影响，计算电机全周期电感的公式为：

其中i为绕组电流。当导通相为负载电流时，其余非导通相注入高频脉冲，任一时刻三相电流同时存在，因此上式适用于导通区间与非导通区间，统一了绕组饱和与非饱和电感计算，可获取电机全周期电感。

在所述步骤2)中，利用有限元仿真获得的A相、B相、C相非线性磁化曲线，并通过其交点确定特殊位置点。电感相交所对应位置误差较小，最大误差为2°左右，认为电感曲线相交于同一位置，满足不同相电流下位置估算的要求。

在所述步骤3)中，电机的实时转速n_est估算公式为：

其中Δθ为两个相邻位置点之间的角度差，且Δθ＝30°，ΔT_f为相邻位置点之间时间间隔。

在ΔT_f的时间内，认为转速n_est是恒定的。则估算所得电机转子位置角度θ_est为：

θ_est(k+1)＝θ_est(k)+6n_estΔt

其中Δt为两次位置估算之间的时间间隔，θ_est(k)为上一时刻估算位置角。

在所述步骤4)中，该系统有内、外环，外环是采用PI控制的速度环，内环用电流斩波控制的电流环。给定速度与估计速度之差经过PI控制器获得给定斩波电流I_ref，通过电流斩波控制完成转速闭环控制。运行时系统开通角与关断角是固定。根据估算角度实现对电机的换相控制，并根据固定位置点之间时间间隔计算转速。采用电流斩波控制方式。在相同转速下分别在相电流低于饱和电流的情况下和相电流高于饱和电流的情况下对比估算的转子位置和实际转子位置。

本发明相比背景技术具有如下优点：

(1)在一个机械周期内可以检测到三个特殊的位置点，实际运行时，个别位置脉冲信号的丢失，电机也能正常运行，可以保证位置估算的精度与稳定性。

(2)该方法可在电流较小情况下实现电机中低速稳态运行时的位置估计。

(3)该方法受导通相饱和因素的影响较小。不同电流情况下，特殊点所对应的转子位置基本不变，视为同一转子位置。因此，在导通相电流较大时，利用电感交点可较为准确估计出位置信息与转速信息，实现无位置传感器运行

附图说明

图1考虑导通相饱和的全周期电感曲线图；

图2SRM磁化曲线；

图3电感曲线相交的15°区域；

图4无位置传感器开关磁阻电机系统框图；

图5电感辨识模型；

图6速度位置估计模型；

图7 500r/min，i＝20A时的波形；

图8 500r/min，i＝50A时的波形；

图9电流30A，转速为300r/min,700r/min波形；

图10转速为700r/min，电流分别为20A、50A、70A实验波形；

表1样机额定参数；

表2电感位置点选择的逻辑；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

本发明由步骤1获得开关磁阻电机在整个电周期内各相电感信息；步骤2选取低电感区电感位置交点；步骤3进行转子转速与位置的估计；

在步骤1获取电感信息中，考虑开关磁阻电机导通相饱和因素的影响，相电感L_k(i_k,θ)是相电流i_k和转子位置角θ的函数。忽略互感影响，电机的相电压方程为:

其中，Ψk为k相绕组的磁链，U_k为k相绕组的电压,该电压由安装在母线上的电压传感器获取(忽略电力电子器件的管压降)，R_k为k相绕组电阻，i_k为k相绕组电流。对式(1)两边积分可以得到一相磁链的表达：

式中，Ψ0为初始相绕组磁链，t为磁链积分时间。

在实际控制系统中，绕组磁链的计算通常采用数字积分的形式：

ψ(k+1)＝ψ(k)+(U_k-R_ki_k)ΔT (3)

其中Ψ(k+1)为第k个采样时刻磁链值,T为采样周期。因此，相电感表达式为：

其中i为绕组电流。当导通相为负载电流时，其余非导通相注入高频脉冲，任一时刻三相电流同时存在，因此(4)式适用于导通区间与非导通区间，统一了绕组饱和与非饱和电感计算，可获取电机电感。

在步骤2获取特殊位置点中，分析图1中A相电感La，在相电流较小时，电感曲线几乎重叠，电感值只与位置有关，由导通相和非导通相电感曲线交点可得到转子位置。但在导通相电流较大时，情况将有所不同：图2是利用有限元仿真获得的A相非线性磁化曲线。基于准线性模型，定子与转子凸极对齐时的磁化曲线开始弯曲所对应的电流即为饱和电流，结合图1和图2可知，该饱和电流为40A，即相电流从40A开始，电感曲线交点位置开始出现偏差。但A相电感曲线族与B相电感曲线的另一个相交点15°处，A相电感曲线重合度较高。将此区域放大如图3，m1至m11分别对应电流0A到100A时A相电感曲线族与B相相电感交的位置点。从图中可以看出电感相交所对应位置误差较小，最大误差为1°左右，认为电感曲线相交于同一位置，满足不同相电流下位置估算的要求。上述分析同样B相或C相作为导通相的情况。电机运行时，若A相绕组导通，在非导通相B、C相注入高频脉冲，则A、B两相电感曲线交点为15°；若B相绕组导通，在非导通相C、A相注入高频脉冲，则B、C两相电感曲线交点为45°，若C相绕组导通，在A、B相注入高频脉冲，则C、A两相电感曲线交点为75°。因此，在一个90°的机械周期中，存在三个符合要求的特殊位置点。(参见图1，图2，图3)。

在步骤3进行转子转速与位置估计过程中，在电机运行过程中，可通过实时检测三相电感获得上述特殊位置点，再根据如表2所示的逻辑关系进一步判断，获得转子的确切角度，从而实现转子位置和转速估计。

电机的实时转速估算n_est为：

其中Δθ为两个相邻位置点之间的角度差，且Δθ＝30°，ΔT_f为相邻位置点之间时间间隔。

在ΔT_f的时间内，认为转速n_est是恒定的。则估算所得电机转子位置角度为

θ_est(k+1)＝θ_est(k)+6n_estΔt (6)

其中Δt为两次位置估算之间的时间间隔，θ_est(k)为上一时刻估算位置角。

每检测到一个典型位置点，同时进行一次角度同步，可将之前计算的误差消除，角度估算不存在积累误差。(参见表2)

该系统有内、外环，外环是采用PI控制的速度环，内环用电流斩波控制的电流环。给定速度与估计速度之差经过PI控制器获得给定斩波电流I_ref，通过电流斩波控制完成转速闭环控制。运行时系统开通角与关断角是固定。

该系统实现无位置传感器运行，最关键的是电感辨识、速度和位置估计。根据估算角度实现对电机的换相控制，并根据固定位置点之间时间间隔计算转速。图5、6分别是电感辨识模型和速度位置估计模型。

通过电压传感器和电流传感器测得母线电压值Udc和相电流Ia、Ib、Ic,经过一定的处理送入数字处理器DSP，根据电感辨识模型利用式(3)(4)依次获得磁链Ψ，三相电感La、Lb、Lc。得到的全周期电感值再根据表2的选择逻辑，经过比较选出典型的位置角度，在相邻位置点之间角度是固定的特点利用式(5)估算出转速，根据式(6)可估算出实时的转子位置。(参见图4，图5，图6)，电机参数如表1所示，采用电流斩波控制方式。图7为电机运行在500r/min,相电流为20A情况下，三相电感La、Lb、Lc及位置脉冲信号、A相电流ia、电机实际位置θ与估算位置θest的波形图。在电流为20A时，相电流小于饱和电流40A，电感处于非饱和区域，检测到的特殊位置点如图8(a)。估算的转子位置能较好跟踪实际转子位置，角度最大误差为1°。

图8为电机运行在500r/min，相电流为50A情况下的仿真波形图。相电流大于40A，导通相电感处于饱和区域，但非导通相的绕组电感仍处于非饱和区域，在特殊位置点时，检测到的特殊位置点如图7(a)。实际转子位置角与估算的位置角最大误差为1.5°。导通相电流的不同，电感及其交点发生了变化，但所选取的特殊位置点受导通相饱和影响小，电感交点基本对应于同一位置。(参见图7，图8)

图9(a)、9(b)所示的是相电流为30A,转速分别为300r/min，700r/min时，A相电流、转子实际位置与估计位置的波形图。转速为300r/min情况下，转子估算位置与实际位置的最大误差在1°左右，在转速700r/min情况下的最大误差在1.5°左右，估计精度均满足实际运行要求。考虑带载运行时导通相饱和因素影响条件下可实现电机无位置传感器运行，图10(a)、10(b)、10(c)所示的是在转速为700r/min，相电流分别为20A、50A、70A电机稳态运行时,A相电流、转子实际位置与估计位置波形图。

在图10中，在同一导通区间、转速，而导通相电流是从20A到70A，电机的导通相绕组电感将从非饱和状态到饱和状态，电感曲线会发生改变。估算位置与实际位置是能较好的重合，图10中不同导通相电流运行状态下，转子实际位置与估算位置最大误差分别为1.3°、2°、2.5°左右。