一種適合高速的開關磁阻電機無位置傳感器控制方法
2023-05-18 11:15:11 1
專利名稱：一種適合高速的開關磁阻電機無位置傳感器控制方法
技術領域：
發明涉及一種適合高速的開關磁阻電機無位置傳感器控制方法，屬於開 關磁阻電機控制技術領域。
背景技術：
開關磁阻電機(SRM)結構簡單堅固，具有成本低，工作可靠，控制靈活， 運行效率高，容錯能力強等特點，在某些特殊應用領域具有獨特的應用優勢。 在民用、工業應用和航空航天等軍事應用場合，已逐步得到廣泛關注，應用前 景光明。
位置檢測環節是開關磁阻電機調速系統(SRD)的重要組成部分之一。傳 統的位置檢測方法是通過安裝位置傳感器，主要利用光電、電磁、磁敏等原 理來獲取轉子位置信息。位置傳感器的存在，增加了系統的複雜性，安裝和調 試方案複雜，削弱了電機結構簡單的優勢，可靠性降低，同時增加了系統成 本。另外，由於傳感器易受環境因素的影響，穩定性不高，在高溫高速等苛刻 工作環境下，位置傳感器無法正常工作，從而嚴重限制了 SRM的應用範圍。因 此，採用無位置傳感器技術對P爭低系統成本、提高系統可靠性具有重要的意 義。
SRM無位置傳感器技術已經成為國際上SRM研究領域的熱點。各國學 者提出了多種無位置方案。目前已提出的開關磁阻電機無位置或間接位置檢 測方案的主要思想都是基於SRM的機械時間常數O,)遠大於電時間常數 (U》的特點，SR電機內部的磁場狀態是關於其轉子相對位置的函數。通過 求解相電壓方程，就能獲得以磁鏈、電感、反電勢等形式隱藏起來的編碼的 轉子位置信息。典型無位置技術方案有基於磁鏈法、簡化磁鏈法、電流波形 監測法、互感電壓法、磁鏈/電流法和觀測器法，以及基於電感模型、探測線 圏技術和基於模糊神經網絡控制的方案等。
其中傳統的磁鏈法和簡化磁鏈法原理最為簡單，且4支易於實現。傳統的 磁鏈法需要建立並存儲一個三維表，數據獲取的工作量大,且佔內存大，計算 時間長。簡化磁鏈法為克服傳統磁鏈法的缺點，提高算法的實用性，進行了相 應的簡化。轉子位置檢測簡化為換相位置檢測，只需要將實時估計磁鏈與換 相位置的參考i茲鏈進行比較，就可以得到相應的換相信號。由於換相位置一 般靠近定轉子對齊位置，因此換相位置的》茲鏈-電流特性曲線與對齊位置的 磁鏈-電流特性曲線接近且形狀類似。只需要測試並存儲對齊位置的磁鏈-電 流曲線，與一個小於1的係數〖相乘就可以得到參考^茲鏈特性曲線。該算法 只需要測量並存儲一條磁鏈特性曲線，然後查尋二維表，故其儲量小，算法簡 單，且無需附加硬體。但是該算法的缺點是其只能對固定換相位置進行檢測，而不能根據電機運行特性優化選擇合理換相位置，不適合SRM高速運行時 角度位置控制，因此不利於電機的優化控制，限制了其適用範圍。
發明內容
本發明要解決的問題是克服簡化磁鏈法不能根據電機運行特性優化選 擇最佳換相位置而不適合電機高速運行角度位置控制方式的缺點，拓寬簡化 磁鏈法的適用範圍，得到 一種適合電機高速領域的無位置傳感器技術。即通 過改變簡化^茲鏈法中的f直選取的策略，實現換相位置可調的無位置傳感器 控制策略，使得電機高速運行角度位置控制模式下仍能夠精確的檢測換相位 置。
本發明為實現上述目的，採用如下技術方案 其特徵在於所述控制方法包含以下步驟
1) 利用控制系統分別檢測SRM定、轉子對齊位置以及給定的樣本換相位 置處的磁鏈-電流特性;同時計算在相同電流下換相位置磁鏈與定、轉子對齊 位置》茲鏈^。的比值為《，並存儲對齊位置的磁鏈-電流特性；
2) 利用模糊算法建立關於《值與換相位置角以及相電流之間的非線性模 糊控制器，其輸入分別為換相位置角和相電流，輸出為《值；
3) 結合開關磁阻電機轉矩和輸出效率，利用數字仿真得到合理的換相位 置作為位置檢測的參考位置；
4) 將電流檢測及調理電路檢測得到的開關磁阻電機實時相電流和步驟3 所述的參考位置經過步驟2所述的模糊控制器得到優化的f直，將優化的《值 乘以步驟l所述的已存儲的定、轉子對齊位置磁鏈^得到實時的參考位置磁
鏈('
5) 採用電壓檢測及調理電路檢測得到的開關磁阻電機實時相電壓和步 驟4所述的實時相電流經控制系統計算得到實時i茲鏈w,:
當實時i茲鏈^小於參考^茲《連^ ，則返回步驟4;
當實時石茲鏈w,大於或等於參4^茲鏈^,則經控制系統關斷當前相，開通 下一相，同時下一相作為檢測相。根據以上算法得到的SRM各相換相信號脈 衝數可以計算出電機當前轉速"。
本發明不但具備簡化磁鏈法的所需內存小、算法簡單快速、無需附加硬 件等優點，而且可以根據電機運行特性優化選4奪合理換相位置，非常適合高 速運4於時的4立置4企測。
圖1為傳統的位置傳感器安裝示意圖。
P、 Q、 R為三個位置傳感器，安裝的位置相差120。機械角度。圖2為開關磁阻電機調速系統框圖。 圖3為開關磁阻電枳J茲鏈計算流程圖。
圖4為一 12/8結構開關石茲阻電機樣機K值與換相位置和電流關係曲線。
圖5為樣機尺值與電流關係曲線。
圖6為樣機《值與換相位置角關係曲線。
圖7為〖值樣本的獲取過程框圖。
其中Wa為定轉子對齊位置的磁鏈,^為換相位置磁鏈值。 圖8為本發明無位置傳感器算法框圖。
其中^為實時磁《連，y。為定轉子對齊位置的^茲4連,^為換相位置》茲鏈值。 圖9為模糊控制器框圖。
具體實施例方式
本發明通過改變傳統的簡化磁鏈法中的《值選取策略，可以實現開關磁 阻電機換相位置可調的無位置傳感器控制，從而使得電機高速時角度位置控 制才莫式下仍能夠精確的4全測到換相位置。
下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明
圖1為傳統的位置傳感器安裝示意圖。位置傳感器通常和電機是一體的， 主要功能是提供轉子相對於定子位置信息，這些信息是電機數字控制的基礎， 經過控制器綜合各種控制策略後形成功率變換器的驅動信號，從而決定導通 相，並計算電機實時轉速。位置檢測器有電磁式、光電式、磁敏式等多種類 型，SR電機位置傳感器一般要求定位精確、安裝調節方便、工作可靠、抗幹 擾能力強、能在惡劣環境下工作等，位置檢測器的檢測精度對SR電機調速系 統的效率等運行性能有著直接影響。在開關磁阻電機中最常見的是選擇採用 光電式位置檢測器。位置檢測器的轉盤與電機的轉子同軸，以12/8結構電機 為例，轉盤為8齒槽結構，齒槽等寬均為22.5度,三隻光電傳感器固定在電機 機殼上，它們之間相隔120度。這樣當轉子翼片進入檢測點時，傳感器光路被 阻斷，光敏三極體截止，輸出為高電平，當沒有翼片通過檢測點時，輸出為低 電平，由此得到轉子位置信號。將位置傳感器信號經過整形電路處理，輸出相 差15度的方波信號P、Q、R。可以通過DSP的捕獲口三個引腳CAP1、CAP2、 CAP3分別來捕獲這3路信號。位置傳感器的存在,增加了系統的複雜性，安 裝和調試方案複雜，削弱了電機結構簡單的優勢,可靠性P條低，同時增加了系
統成本。因此需要研究高性能的無位置傳感器技術。
圖2為開關磁阻電機調速系統框圖。開關磁阻電機調速系統主要由開關 磁阻電機(SRM)、功率變換器、控制系統(DSP+CPLD)、位置傳感器以及電 壓電流檢測和保護電路等組成。其中控制器是系統的核心,對檢測信號進行採 集、計算和處理,完成相關的控制算法，從而輸出相應的控制信號。本發明中的磁鏈計算和無位置傳感器技術的算法均由控制器來完成,無需添加額外硬
件。相電流和相繞組電壓由電壓、電流傳感器(LEM)來^r測。位置信號可以 採用位置傳感器來檢測或無位置傳感器技術。系統框圖中的轉矩測試儀可以 測量電機的轉矩特性,制動器和旋轉分度儀用來為磁鏈特性的測量固定電機 轉子的位置。
圖3為開關磁阻電機磁鏈計算流程圖。測量磁鏈所需要的實騶^殳備有 開關磁阻電機及其功率系統和控制系統，電流電壓檢測和調理電路，以及機 械分度儀。在SR電機的轉軸上同軸安裝機械分度儀，並將SR電機固定在給 定的轉子位置上。基於DSP的》茲鏈測量和計算流程如下
1. SR電機的待測繞組施加短時的低壓直流脈沖，使電機旋轉到其平衡 位置，並用分度儀使之固定在該位置，作為測試的起點；
2. 才交準電流和電壓傳感器；
3. 短時間開通待測相開關管，使SRM的待測繞組預熱，接近正常運行時 繞組的溫度狀態；
4. 開通4企測相開關管，在DSP中啟動A/D採樣程序，測量電機的繞組端 電壓和相電 流;
5. 根據積分式計算》茲鏈大小。其中一相繞組的磁鍊表達式為
其中^為第A:相繞組》茲鏈，、為第A相繞組端電壓，i 為第A:相繞組等效電 阻，4第A相繞組電流。應用數值積分法，可以將上式離散化為
^ (")=i; K (")—及A (")F+(0)
其中r為採樣周期，w為測量的點個數，w為第"測量點。
6. 存儲得到的磁鏈數據
7. 改變電機轉子位置並重新固定，重複以上步驟。
圖4為一 12/8結構開關磁阻電機樣機尺值與換相位置和電流關係曲線； 圖5為樣機尺值與電流關係曲線;圖6為樣機K值與換相位置角關係曲線。 其中尺值為換相位置》茲鏈值^與定轉子對齊位置的》茲鏈^/。的比值。如圖所 示，K值與相電流以及換相位置角呈非線性關係，^值隨相電流的增大而增大 趨近於1;當換相位置越接近定轉子對齊位置，K值越接近於1。
圖7為《值樣本的獲取過程框圖。根據電機運行特性優化選擇幾組合理 的換相位置，利用圖3所示的i茲鏈計算流程計算出換相位置以及對齊位置的 磁鏈-電流特性曲線。然後得到換相位置磁鏈值與定轉子對齊位置磁鏈值在 相同電流下的比值《,並存儲對齊位置的磁鏈-電流特性曲線。
圖8為本發明無位置傳感器算法框圖。其特徵在於該算法主要由以下幾 個步驟組成
1)利用控制系統分別檢測SRM定、轉子對齊位置以及給定的樣本換相位置處的磁鏈-電流特性;同時計算在相同電流下換相位置磁鏈與定、轉子對齊 位置磁鏈^z。的比值為尺,並存儲對齊位置的磁鏈-電流特性；
2) 利用模糊算法建立關於尺值與換相位置角以及相電流之間的非線性模 糊控制器，其輸入分別為換相位置角和相電流,輸出為f直；
3) 結合開關磁阻電機轉矩和輸出效率，利用數字仿真得到合理的換相位 置作為位置檢測的參考位置；
4) 將電流檢測及調理電路檢測得到的開關磁阻電機實時相電流和步驟3 所述的參考位置經過步驟2所述的模糊控制器得到優化的《值，將優化的f直 乘以步驟1所述的已存儲的定、轉子對齊位置^茲鏈^得到實時的參考位置》茲
鏈^;
5) 採用電壓檢測及調理電路檢測得到的開關磁阻電機實時相電壓和步 驟4所述的實時相電流經控制系統計算得到實時;茲鏈y,:
當實時;茲鏈A小於參考^茲鏈^ ，則返回步驟4;
當實時石茲鏈^大於或等於參考》茲鏈^，則經控制系統關斷當前相、開通 下一相，同時下一相作為#企測相。根據以上算法得到的SRM各相換相信號脈 衝數可以計算出電機當前轉速仏
其中步驟1可根據圖3和圖7的所示的流程框圖來完成。
步驟2中運用模糊算法來描述尺值與換相位置角以及電流之間的非線性 關係，從而得到相應的模糊控制器對X值進行估計。
採用模糊算法的主要優勢體現在它不需要數學模型，模糊算法提供了 一種不用數學模型來進行估計和建模的途徑；非常適合未知系統和因非線性 或其它原因難於建模的系統；不需要大的查詢表,存儲需求低;模糊模型不需 要複雜的數學模型，只需要進行相對簡單的規則處理的數學計算。從實時性 的角度，模糊算法也是一種理想的選擇。
由圖4、 5、 6可知〖值是關於換相位置角^和相電流/的非線性函數， 採用常規的數學建模的方法難以得到簡便而精確的數學模型，然而模糊算法 能夠非常精確的對K值進行建模。圖9為本發明算法中模糊控制器框圖。
步驟1為建立i^'-《的模糊推理關係提供了訓練樣本數據。該訓練數據 被定義為兩個輸入和一個輸出的數據對,輸入分別為換相位置角和電流，輸出 為《值。
訓練步驟可為
1. 對輸入、輸出變量進行才莫糊化。換相位置角《和電流/作為輸入變量， K值作為輸出變量,根據各變量的取值範圍分別進行模糊分割。
2. 建立以/-&關係為勤出的模糊推理規則。
3. 獲得模糊規則的試用度。
4. 根據經驗建立模糊規則庫。
經過以上步驟,可以建立起關於關係的非線性模糊模型。不斷調整 模糊規則,可以對該模型進行適當的優化。利用該模糊模型,對於任意給定的經綜合考慮轉矩、輸出效率而選擇的合理換相位置《和實時的相電流/都可
以得到優化的《值。之後經步驟4和5即可實現本發明的無位置傳感器算法。 該算法不但具備簡化磁鏈法的所需內存小、算法簡單快速、無需附加硬體等 優點，而且可以根據電機運行特性優化選擇合理換相位置，非常適合高速運 行時的位置檢測。
權利要求
1、一種適合高速的開關磁阻電機無位置傳感器控制方法，其特徵在於所述控制方法包含以下步驟1)利用控制系統分別檢測SRM定、轉子對齊位置以及給定的樣本換相位置處的磁鏈-電流特性；同時計算在相同電流下換相位置磁鏈與定、轉子對齊位置磁鏈ψa的比值為K，並存儲對齊位置的磁鏈-電流特性；2)利用模糊算法建立關於K值與換相位置角以及相電流之間的非線性模糊控制器，其輸入分別為換相位置角和相電流，輸出為K值；3)結合開關磁阻電機轉矩和輸出效率，利用數字仿真得到合理的換相位置作為位置檢測的參考位置；4)將電流檢測及調理電路檢測得到的開關磁阻電機實時相電流和步驟3所述的參考位置經過步驟2所述的模糊控制器得到優化的K值，將優化的K值乘以步驟1所述的已存儲的定、轉子對齊位置磁鏈ψa得到實時的參考位置磁鏈ψh；5)採用電壓檢測及調理電路檢測得到的開關磁阻電機實時相電壓和步驟4所述的實時相電流經控制系統計算得到實時磁鏈ψi當實時磁鏈ψi小於參考磁鏈ψh，則返回步驟4；當實時磁鏈ψi大於或等於參考磁鏈ψh，則經控制系統關斷當前相，開通下一相，同時下一相作為檢測相。
全文摘要
本發明公布了一種適合高速的開關磁阻電機無位置傳感器控制方法，屬開關磁阻電機控制技術領域。本發明根據開關磁阻電機控制的特點，轉子位置檢測可以簡化為換相位置的檢測。通過建立關於換相位置的磁鏈(參考磁鏈)與定、轉子對齊位置磁鏈的非線性關係的模糊模型，只要存儲定、轉子對齊位置的磁鏈-電流特性曲線，就可得到任意給定的經綜合考慮轉矩、輸出效率而選擇的合理換相位置θh處的參考磁鏈。將實時檢測的磁鏈與優化的參考磁鏈進行比較，就可以得到相應的換相信號。本發明不但具備簡化磁鏈法的所需內存小、算法簡單快速、無需附加硬體等優點，而且可以根據電機運行特性優化選擇合理的換相位置，非常適合高速運行時的位置檢測。
文檔編號G01D5/12GK101604946SQ20091003177
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月9日 優先權日2009年7月9日
發明者劉澤遠, 鑫 曹, 毛宇陽, 駿 蔡, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學