一種開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，特別是涉及一種適合高速超高速的開關(guān)磁阻 電機(jī)無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，屬于開關(guān)磁阻電機(jī)檢測(cè)控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)磁阻電機(jī)因其具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固等特點(diǎn)，適于高速運(yùn)行和惡劣的工作環(huán)境， 在航空航天、電動(dòng)汽車、船舶、分布式電源系統(tǒng)等諸多場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用前景。然而，要保 證電機(jī)高性能控制，獲取準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息是前提。但傳統(tǒng)的光電式、電磁式以及磁敏式 等位置或轉(zhuǎn)速傳感器的引入不僅會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，而且降低了系統(tǒng)的可靠性和 環(huán)境適應(yīng)性，也就限制了開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用范圍。
[0003] 就開關(guān)磁阻電機(jī)的中、高速運(yùn)行而言，磁鏈/電流法、電感模型法、電流梯度法、觀 測(cè)器法等無位置傳感器方法一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者最為關(guān)注的方法。
[0004] 其中，磁鏈/電流法和電感模型法的研究最為廣泛，它們的基本思想都是基于電 機(jī)的相磁鏈或相電感與相電流、轉(zhuǎn)子位置角呈非線性關(guān)系的特點(diǎn)，通過檢測(cè)導(dǎo)通相的相電 流和相電壓來間接估計(jì)轉(zhuǎn)子位置信息；該方法將磁鏈-電流-位置角數(shù)據(jù)以三維表的形式 存儲(chǔ)，通過實(shí)時(shí)估計(jì)繞組磁鏈與相電流一起查表得到轉(zhuǎn)子位置信息。另一方面，也可以利用 繞組電流查表得到換相位置下對(duì)應(yīng)的參考磁鏈，比較實(shí)時(shí)磁鏈與換相參考磁鏈的大小即可 判斷換相位置；該方法雖然不需要額外添加硬件，但由于要存儲(chǔ)并查詢復(fù)雜的三維表，使得 算法較為復(fù)雜，占用軟硬件資源大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，必然會(huì)限制位置估計(jì)適用的轉(zhuǎn)速范圍。另 外，三維表的建立局限于離線測(cè)量或有限元計(jì)算，建表過程復(fù)雜，無法考慮電機(jī)動(dòng)態(tài)性能， 因此該算法通用性較差。
[0005] 根據(jù)磁鏈/電流法的基本思想，利用磁鏈特性來獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的問題，可以 等效于一個(gè)雙輸入單輸出的非線性逼近問題，近十年來，許多學(xué)者對(duì)模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在 開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究。這些智能算法的引入雖然可 以有效解決開關(guān)磁阻電機(jī)非線性建模問題，但是模糊規(guī)則的準(zhǔn)確建立要受到實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的限 制，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練時(shí)間，因此算法實(shí)時(shí)運(yùn)行性能要求較高。
[0006] 為避免三維查表，在磁鏈電流法基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出了一種簡(jiǎn)化磁鏈法，但該方法 只能工作在單相輪流導(dǎo)通模式，因此具有一定的局限性。在簡(jiǎn)化磁鏈法的基礎(chǔ)上又提出了 一種開關(guān)角可調(diào)的無位置傳感器控制方法，該方法拓寬了簡(jiǎn)化磁鏈法的應(yīng)用范圍，但由于 對(duì)參考磁鏈系數(shù)的選擇并不精確，因此并不能保證高精度的位置檢測(cè)要求。為避免查表等 內(nèi)存占用環(huán)節(jié)，有學(xué)者提出了一種基于二階傅立葉級(jí)數(shù)的電感模型，利用電壓方程便可解 算出轉(zhuǎn)子位置信息；該方法無需外加硬件，也無需建立復(fù)雜表格，但位置估計(jì)的精度仍然依 賴于建模的精度。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)電機(jī)高速運(yùn)行G. Gallegos-Lopez等人提出了一種基于相電流梯度法的開 關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器技術(shù)；該方法通過檢測(cè)相電流梯度的過零信號(hào)來估計(jì)定轉(zhuǎn)子齒極 開始重合的位置點(diǎn)信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)在于無需預(yù)知電機(jī)的電磁特性數(shù)據(jù)和精確開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù) 學(xué)模型。但研究結(jié)果表明，相電流梯度法必須滿足導(dǎo)通相電感上升區(qū)的反電勢(shì)大于繞組兩 端電壓這一條件，同時(shí)由于增加了一些信號(hào)調(diào)理電路，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。采用相電感斜 率過零與相電流斜率過零相結(jié)合的方法可以有效避免電流梯度法存在的問題，但是前提必 須滿足繞組電流是嚴(yán)格的單脈沖波形，電流波形的抖動(dòng)或者電流斜率計(jì)算的不穩(wěn)定，都可 能估計(jì)出錯(cuò)誤的位置檢測(cè)脈沖，因此限制了電流梯度法的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種開關(guān)磁阻電機(jī)無位置 傳感器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，特別適用于高速、超高速運(yùn)行狀態(tài)下的開關(guān)磁阻電機(jī)無位置 傳感器快速、高精度估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。
[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式下精確快速地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位 置實(shí)時(shí)估計(jì)的開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，不僅能滿足開關(guān)磁阻電機(jī) 高速、超高速運(yùn)行時(shí)對(duì)無位置傳感器位置估計(jì)速度、精度以及適應(yīng)多控制方式的要求，而且 可提高開關(guān)磁阻電機(jī)的系統(tǒng)可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，能適應(yīng)高溫、高速及油污等惡劣運(yùn)行環(huán) 境，非常適合航空起動(dòng)發(fā)電機(jī)、高速主軸電機(jī)等對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行可靠性要求特別高、且 需要工作在高溫高轉(zhuǎn)速條件下的應(yīng)用場(chǎng)合。
[0010] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0011] -種開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，包括以下步驟：
[0012] 1)得到相電感斜率過零脈沖；
[0013] 實(shí)時(shí)檢測(cè)導(dǎo)通相電感值，并在控制器中實(shí)時(shí)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電感斜率值而獲得相電 感斜率；對(duì)大于零的電感斜率值、則輸出位置脈沖為高電平，對(duì)等于零和負(fù)向過零的電感斜 率值、則將位置脈沖高電平拉低為低電平，從而得到一組相電感斜率過零脈沖；
[0014] 2)得到變壓器電動(dòng)勢(shì)；
[0015] 實(shí)時(shí)檢測(cè)導(dǎo)通相電流值，并在控制器中實(shí)時(shí)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電流斜率值；再將電感 值與電流斜率值進(jìn)行相乘計(jì)算得到變壓器電動(dòng)勢(shì)值而獲得變壓器電動(dòng)勢(shì)；
[0016] 3)得到變壓器電動(dòng)勢(shì)與運(yùn)動(dòng)反電勢(shì)交點(diǎn)估計(jì)脈沖；
[0017] 基于導(dǎo)通相繞組端電壓值與二倍變壓器電動(dòng)勢(shì)值相等的點(diǎn)即為變壓器電動(dòng)勢(shì)與 運(yùn)動(dòng)反電勢(shì)的交點(diǎn)，在交點(diǎn)到達(dá)之前、將交點(diǎn)估計(jì)位置脈沖置為低電平，當(dāng)檢測(cè)到交點(diǎn)到達(dá) 時(shí)、將交點(diǎn)估計(jì)位置脈沖電平拉高為高電平，當(dāng)電流續(xù)流到零時(shí)、再將交點(diǎn)估計(jì)位置脈沖置 為低電平，從而得到一組變壓器電動(dòng)勢(shì)與運(yùn)動(dòng)反電勢(shì)交點(diǎn)估計(jì)脈沖；
[0018] 4)得到估計(jì)位置脈沖；
[0019] 將步驟1)所得到的相電感斜率過零脈沖和步驟3)所得到的變壓器電動(dòng)勢(shì)與運(yùn)動(dòng) 反電勢(shì)交點(diǎn)估計(jì)脈沖做與門邏輯處理，從而得到一組估計(jì)位置脈沖；在每個(gè)電周期中，每組 估計(jì)位置脈沖的脈沖信號(hào)下降沿有且只有一個(gè)、且即為定轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置；
[0020] 5)估計(jì)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置；
[0021] 由步驟4)所得到的估計(jì)位置脈沖得到在相鄰電周期內(nèi)每個(gè)相鄰的下降沿相差一 個(gè)電角度，通過記錄相鄰下降沿間隔的時(shí)間差，從而估計(jì)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；同時(shí)利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估 計(jì)出轉(zhuǎn)子位置，為開關(guān)磁阻電機(jī)高速、超高速時(shí)的無位置傳感器控制提供轉(zhuǎn)子位置信息。
[0022] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述控制器為DSP控制器。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：
[0024] 1、可有效避開同時(shí)對(duì)變壓器電動(dòng)勢(shì)和運(yùn)動(dòng)反電勢(shì)進(jìn)行計(jì)算，而是僅通過計(jì)算相電 感和電流斜率即可診斷變壓器電動(dòng)勢(shì)和運(yùn)動(dòng)反電勢(shì)的交點(diǎn)位置到達(dá)位置，實(shí)現(xiàn)不受電流斜 率正負(fù)波動(dòng)的影響，擺脫了電流斜率過零法中必須滿足電流斜率在過零前嚴(yán)格為正的問 題，從而大幅提高位置估計(jì)的可靠性。
[0025] 2、本發(fā)明提供的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法并不需要增設(shè)額外硬件資源，同時(shí)避開了復(fù)雜 的數(shù)學(xué)模型處理、復(fù)雜的三維表格、復(fù)雜的智能擬合算法、以及其他復(fù)雜的運(yùn)算過程等，從 而大大降低了控制器在無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)的負(fù)擔(dān)，有利于提高算法的實(shí) 時(shí)性和開關(guān)磁阻電機(jī)控制的穩(wěn)定性，尤其在開關(guān)磁阻電機(jī)高速或超高速運(yùn)行控制的狀態(tài) 下，確?？刂扑惴ǖ膶?shí)時(shí)性和可靠性。而且控制算法的簡(jiǎn)化及其實(shí)時(shí)性的提高也有利于降 低算法對(duì)高性能控制器的依賴，使得控制器資源得到充分的發(fā)揮。
[0026] 上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)手段，下 面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
【附圖說明】
[0027] 圖1為開關(guān)磁阻電機(jī)相電流、相電感、變壓器電動(dòng)勢(shì)、運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系示意 圖；
[0028] 圖2為開關(guān)磁阻電機(jī)相電感斜率和相電感斜率過零脈沖的原理示意圖；
[0029] 圖3為開關(guān)磁阻電機(jī)變壓器電動(dòng)勢(shì)與運(yùn)動(dòng)反電勢(shì)交點(diǎn)估計(jì)脈沖的原理示意圖；
[0030] 圖4為開關(guān)磁阻電機(jī)相電感斜率過零脈沖和變壓器電動(dòng)勢(shì)與運(yùn)動(dòng)反電勢(shì)交點(diǎn)估 計(jì)脈沖相結(jié)合的估計(jì)位置脈沖的原理示意圖。
【具體實(shí)施方