一種基于時(shí)間閥值的開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種基于時(shí)間閥值的開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)方法，屬于開關(guān)磁阻電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的方法包括初始化設(shè)定、電感周期的平均分區(qū)、相電流上升變化量的計(jì)算與判斷、相電流上升的時(shí)間變化量計(jì)算及判斷以及位置判斷等步驟。本發(fā)明的開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)方法能夠有效估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置，且不需要增加硬件，通用性強(qiáng)。
【專利說明】
一種基于時(shí)間閥值的開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)方法，尤其是一種基于時(shí)間閥值的開 關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在應(yīng)用領(lǐng)域中，開關(guān)磁阻電機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，目前轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的獲取主要 采用直接位置檢測(cè)方法，該方法是在電機(jī)中專門增設(shè)一個(gè)位置傳感器得到位置信號(hào)，典型 的有電磁式、光電式、磁敏式等，其中光電傳感器應(yīng)用最廣泛，但這些傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，安裝不方便，不僅增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的可靠性和增加了 成本，制約了開關(guān)磁阻電機(jī)的廣泛應(yīng)用，特別在高溫、灰塵等惡劣環(huán)境下，位置傳感器又容 易出現(xiàn)故障，這又限制了電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了克服開關(guān)磁阻電機(jī)這一弊端，探索一種算法 簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、又高可靠性的無位置傳感器技術(shù)具有十分重要的實(shí)際意義。
[0003] 為了實(shí)現(xiàn)無位置傳感器技術(shù)的應(yīng)用，初始位置的判斷是前提和條件，特別是在某 些特定場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車、精確伺服傳動(dòng)裝置等領(lǐng)域是不允許電機(jī)反轉(zhuǎn)，所以要在這些領(lǐng)域 使用無位置傳感器技術(shù)，就必需考慮初始位置角精確估算和初始導(dǎo)通相判斷問題，如果不 能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的初始位置估計(jì)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)反轉(zhuǎn)，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)開關(guān) 磁阻電機(jī)初始位置估算判斷研究了很多方法，如脈沖注入法、電感分區(qū)法等，脈沖注入法是 通過脈沖電流的幅值大小判斷電機(jī)的初始起動(dòng)相，但在電感相差不大的區(qū)域，因脈沖電流 的幅值相差也很小，而導(dǎo)致初始位置估計(jì)精度不高。電感分區(qū)法存在電感最大和最小區(qū)域 電感變化緩慢，所以該區(qū)域電機(jī)的相電流變化也很緩慢，這對(duì)電流傳感器采集相電流的精 度有很大影響，最終導(dǎo)致初始位置估計(jì)的精度不高，可能會(huì)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，總之，每種初始位置 的估計(jì)方法都有其優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，因此需要克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，解決精確估算轉(zhuǎn)子初始 位置角以及判斷初始啟動(dòng)相的問題，以提高無位置傳感器開關(guān)磁組電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的基于注入高頻脈沖的開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置 估計(jì)方法，在電感曲線相交的附近區(qū)域，電感值近乎相等，其脈沖電流峰值相差細(xì)微，所以 該區(qū)域通過脈沖電流峰值比較估計(jì)電機(jī)初始位置精度較低。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于時(shí)間閥值的開關(guān)磁阻電機(jī)初始位 置估計(jì)方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1，設(shè)定各相電流上升的變化量初始值ΔΙ，并按平均分區(qū)法對(duì)相電感曲線的 電周期進(jìn)行分區(qū)，使每個(gè)分區(qū)內(nèi)的相電感曲線為單調(diào)函數(shù)；
[0007] 步驟2,在to時(shí)刻同時(shí)向電機(jī)各相繞組上的開關(guān)管發(fā)送開通信號(hào)導(dǎo)通相繞組，使相 電流i由起始的i 〇開始上升；
[0008] 步驟3,實(shí)時(shí)檢測(cè)各相的相電流i的大小，再計(jì)算相電流的變化量| i-iQ|，并判斷當(dāng) 前的變化量I i-io I與相電流上升的變化量初始值A(chǔ)I的大小，當(dāng)兩個(gè)值相等時(shí)記下當(dāng)前時(shí) 刻t1;
[0009] 步驟4,計(jì)算各相的相電流i上升Δ I的時(shí)間變化量Δ T= | ti-to |，設(shè)定各相的時(shí)間 變化量Δ T分別為Δ Τα、Δ TB和Δ Tc;
[0010] 步驟5，比較各相的相電流i上升的時(shí)間變化量Δ T的大小，利用各相的時(shí)間變化量 A Τ的大小與各相電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定電機(jī)轉(zhuǎn)子所在的分區(qū)，再根據(jù)確定的分區(qū)選擇電 感曲線單調(diào)上升的相為電機(jī)的初始起動(dòng)相。
[0011] 采用時(shí)間閥值比較來估計(jì)轉(zhuǎn)子初始位置信號(hào)，與現(xiàn)有注入高頻脈沖開關(guān)磁阻電機(jī) 初始位置估計(jì)技術(shù)相比，在電感曲線相交附近區(qū)域里，電感值近乎相等，其脈沖電流峰值相 差細(xì)微，所以脈沖電流峰值相差無幾，用脈沖電流峰值比較估計(jì)開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置精 度會(huì)很低，而在該區(qū)域，利用本發(fā)明方法，相電流上升時(shí)間的變化量相差很大，所以通過比 較時(shí)間變化量來估計(jì)電機(jī)的初始位置，具有較好為準(zhǔn)確的位置估計(jì)精度;采用的算法簡(jiǎn)單， 且不需要增加硬件便可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置的估計(jì)，通用性強(qiáng)。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定方案，步驟1中的平均分區(qū)法將各相電感曲線的電周期 平均分為I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)、V區(qū)和VI區(qū)這六個(gè)分區(qū)。采用將相電感曲線的電周期平均 分為六個(gè)分區(qū)，是根據(jù)電感的電周期的特性進(jìn)行劃分，有效確保在各個(gè)分區(qū)內(nèi)的相電感曲 線為單調(diào)函數(shù)。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定方案，步驟5中，利用各相的時(shí)間變化量△ T的大小與各 相電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定電機(jī)轉(zhuǎn)子所在的分區(qū)，再根據(jù)確定的分區(qū)選擇電感曲線單調(diào)上升 的相為電機(jī)的初始起動(dòng)相，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系為：
[0016] 上表中，LA、LB和LC分別為A、B和C三相對(duì)應(yīng)的電感值，Θ Α表示A相轉(zhuǎn)子位置角度。
[0017] 采用該表格對(duì)應(yīng)關(guān)系能夠方便快捷地進(jìn)行電機(jī)的初始起動(dòng)相判斷，不僅效率高， 而且準(zhǔn)確率也比較高。
[0018] 本發(fā)明的有益效果在于：（1)采用時(shí)間閥值相比較來估計(jì)轉(zhuǎn)子初始位置信號(hào)，與現(xiàn) 有注入高頻脈沖開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)技術(shù)相比，在電感曲線相交附近區(qū)域里，電感 值近乎相等，其脈沖電流峰值相差細(xì)微，所以脈沖電流峰值相差無幾，用脈沖電流峰值比較 估計(jì)開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置精度會(huì)很低，而在該區(qū)域，利用本發(fā)明方法，相電流上升時(shí)間的 變化量相差很大，所以通過比較時(shí)間變化量來估計(jì)電機(jī)的初始位置，具有較好為準(zhǔn)確的位 置估計(jì)精度；（2)采用的算法簡(jiǎn)單，且不需要增加硬件便可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估 計(jì)，通用性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的初始位置估計(jì)方法流程圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明的開關(guān)磁阻電機(jī)電感曲線與相電流上升的變化量示意圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明的電感曲線的平均分區(qū)示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明的第III分區(qū)里三相相電流上升的時(shí)間變化量大小關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示，本發(fā)明提供的基于時(shí)間閥值的開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)方法，包括 如下步驟：
[0024]步驟1，設(shè)定各相電流上升的變化量初始值△ I，此值為定值，保證各相電流上升的 變化量都相等，并按平均分區(qū)法對(duì)相電感曲線的電周期進(jìn)行分區(qū)，使每個(gè)分區(qū)內(nèi)的相電感 曲線為單調(diào)函數(shù)；
[0025]步驟2,在to時(shí)刻同時(shí)向電機(jī)各相繞組上的開關(guān)管發(fā)送開通信號(hào)導(dǎo)通相繞組，使相 電流i由起始的i 〇開始上升，起始的i 〇大小為零；
[0026] 步驟3,利用信號(hào)采集單元實(shí)時(shí)檢測(cè)各相的相電流i的大小，再由微處理器計(jì)算計(jì) 算相電流的變化量I i-i〇 I，并判斷當(dāng)前的變化量I i-i〇 I與相電流上升的變化量初始值A(chǔ) I的 大小(各相電流的變化量初始值都為A I)，當(dāng)兩個(gè)值相等時(shí)由微處理器記下當(dāng)前時(shí)刻t1;
[0027] 步驟4,計(jì)算各相的相電流i上升ΔΙ的時(shí)間變化量ATiltrtol，設(shè)定各相(三相開 關(guān)磁阻電機(jī)各相為A相、B相和C相)的時(shí)間變化量△ T分別為△ TA、△ TB和Δ Tc;
[0028] 步驟5,由于平均分區(qū)后的每個(gè)分區(qū)電感為單調(diào)函數(shù)，所以在分區(qū)里各相在相同的 相電流上升的變化量下，因?yàn)楦飨嗟碾姼胁煌?，?duì)應(yīng)的相電流上升的時(shí)間變化量（A Ta、△ Tb 和ATC)是不相等的，于是比較各相的相電流i上升的時(shí)間變化量ΔΤ的大小，利用各相的時(shí) 間變化量A Τ的大小與各相電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定電機(jī)轉(zhuǎn)子所在的分區(qū)，再根據(jù)確定的分 區(qū)選擇電感曲線單調(diào)上升的相為電機(jī)的初始起動(dòng)相。
[0029] 采用時(shí)間閥值比較來估計(jì)轉(zhuǎn)子初始位置信號(hào)，與現(xiàn)有注入高頻脈沖開關(guān)磁阻電機(jī) 初始位置估計(jì)技術(shù)相比，在電感曲線相交附近區(qū)域里，電感值近乎相等，其脈沖電流峰值相 差細(xì)微，所以脈沖電流峰值相差無幾，用脈沖電流峰值比較估計(jì)開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置精 度會(huì)很低，而在該區(qū)域，利用本發(fā)明方法，相電流上升時(shí)間的變化量相差很大，所以通過比 較時(shí)間變化量來估計(jì)電機(jī)的初始位置，具有較好為準(zhǔn)確的位置估計(jì)精度;采用的算法簡(jiǎn)單， 且不需要增加硬件便可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置的估計(jì)，通用性強(qiáng)。
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理進(jìn)行介紹（以三相開關(guān)磁阻電機(jī)為對(duì)象）：
[0031] 如圖2所示，設(shè)定相電流變化量初始值ΔΙ，電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，微處理器向開關(guān)管發(fā) 送開通信號(hào)，相電流開始上升，如果開通時(shí)間長，相電流上升較大，當(dāng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大于 摩擦力等阻力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而破壞了電機(jī)的初始狀態(tài)，甚至引起電機(jī)的反轉(zhuǎn)，因 此必須合理的選擇相電流上升的變化量初始值，以保證電機(jī)處在靜止?fàn)顟B(tài)。
[0032]由于產(chǎn)生的相脈沖電流較小，忽略電機(jī)的飽和效應(yīng)，近似認(rèn)為電機(jī)的磁路是線性 的，貝U開關(guān)磁阻電機(jī)一相通電時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩為：
[0034] 式（1)中，i表示相電流，Te表示電磁轉(zhuǎn)矩，
表示電感變化率；由于近似設(shè)定電機(jī) 的磁路是線性的，那么電機(jī)的相電感同樣可以用線性模型計(jì)算，相電感變化率
可以表示
[0036] 式(2)中，Lmax是最大電感值，L_是最小電感值，&是定子磁極極弧;假設(shè)此時(shí)電機(jī) 的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為II，電機(jī)的上升電流最大值為i max，最小值為零，則有：
[0037] Δ I = imax (3)
[0038] 又有：
[0039] Te<TL (4)
[0040] 式(4)中，??表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩，將式(4)代入式(1)、（2)和(3)可得：
[0042]電感包含了電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，由于開關(guān)磁阻電機(jī)電感曲線是周期變化的，一 個(gè)電周期里，電感曲線不是單調(diào)函數(shù)，很難從電感和電流變化量、時(shí)間變化量、轉(zhuǎn)子位置四 者關(guān)系確定轉(zhuǎn)子初始位置，所以要對(duì)電感周期進(jìn)行平均分區(qū)，針對(duì)三相開關(guān)磁阻電機(jī)電感 周期均分為6個(gè)分區(qū)（1、11、111、1￥，、￥1)，每個(gè)分區(qū)里電感曲線成單調(diào)函數(shù)變化，這樣在每 個(gè)分區(qū)里轉(zhuǎn)子的位置與電感一一對(duì)應(yīng)了，如圖3所示。
[0043]因?yàn)橄嚯娏魃仙淖兓糠逯迪鄬?duì)小，所以可以忽略電機(jī)電磁飽和、相間互感，如 果不考慮鐵心的磁滯損耗和渦流損耗和繞組等效電阻壓降等，開關(guān)磁阻電機(jī)相電壓方程可 以簡(jiǎn)化為：
[0045] 式（5)中，U為相繞組的端電壓，R為相繞組的電阻，i為相繞組的相電流，L為相電 感，ω為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，Θ為電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角。
[0046] 電機(jī)處于靜止或低速狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)近似為零，由于脈沖電流相對(duì)小，忽略繞 組壓降，式(5)化簡(jiǎn)為：
[0050] 由式(7)可以看出，在母線電壓和相電流上升的變化量△ I恒定的情況下，相電感 值與相電流上升的時(shí)間變化量△ T成正比，且在每個(gè)分區(qū)里是 對(duì)應(yīng)的，這樣電感中包含 的轉(zhuǎn)子位置信息就可以通過相電流上升的時(shí)間變化量A T反映出來。
[0051] 如圖4所示，例如假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置在第III分區(qū)里，在to時(shí)刻同時(shí)向電機(jī)各 相繞組上的開關(guān)管發(fā)送開通信號(hào)，相繞組導(dǎo)通，相電流i上升，信號(hào)采集單元檢測(cè)各相相電 流i值并送入微處理器，由微處理器計(jì)算相電流的變化值I i-i〇 I，并判斷其與相電流變化量 初始值A(chǔ) I的大小，判斷兩值相等時(shí)刻微處理器記下時(shí)間t1;計(jì)算各相的Δ ΤΑ、Δ ΤΒ、Δ Tc( Δ 丁 =乜_切），由于第III分區(qū)里L(fēng)a>Lb>U，所以有Δ ΤΑ> Δ ΤΒ> Δ TC，這樣通過判斷三相電流 上升的時(shí)間變化量AT的大小，就可以判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前所在的分區(qū)，分區(qū)確定下來，就可 以選電感上升的相為初始起動(dòng)相。
[0052]根據(jù)以上分析原理，其他分區(qū)里判斷初始起動(dòng)相的原理相同，表1為不同分區(qū)里三 相電流上升的時(shí)間變化量A T的大小關(guān)系以及初始起動(dòng)相。
[0053]表1相電流上升時(shí)間與初始起動(dòng)相關(guān)系
[0055] 表1中，LA、LB和LC分別表示A、B和C三相對(duì)應(yīng)的電感值，Θ Α表示A相轉(zhuǎn)子位置角度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于時(shí)間閥值的開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，設(shè)定各相電流上升的變化量初始值A(chǔ)I，并按平均分區(qū)法對(duì)相電感曲線的電周 期進(jìn)行分區(qū)，使每個(gè)分區(qū)內(nèi)的相電感曲線為單調(diào)函數(shù)； 步驟2,在to時(shí)刻同時(shí)向電機(jī)各相繞組上的開關(guān)管發(fā)送開通信號(hào)導(dǎo)通相繞組，使相電流i 由起始的i Q開始上升； 步驟3，實(shí)時(shí)檢測(cè)各相的相電流i的大小，再計(jì)算相電流的變化量I i - i ο I，并判斷當(dāng)前的 變化量I i-i〇 I與相電流上升的變化量初始值A(chǔ) I的大小，當(dāng)兩個(gè)值相等時(shí)記下當(dāng)前時(shí)刻t; 步驟4,計(jì)算各相的相電流i上升△ I的時(shí)間變化量△ T= I ti-to I，設(shè)定各相的時(shí)間變化 量A T分別為Δ Τα、Δ Tb和Δ Tc; 步驟5，比較各相的相電流i上升的時(shí)間變化量△ T的大小，利用各相的時(shí)間變化量△ T 的大小與各相電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定電機(jī)轉(zhuǎn)子所在的分區(qū)，再根據(jù)確定的分區(qū)選擇電感曲 線單調(diào)上升的相為電機(jī)的初始起動(dòng)相。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)間閥值的開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)方法，其特征在 于，步驟1中的平均分區(qū)法將各相電感曲線的電周期平均分為I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)、V區(qū)和 VI區(qū)這六個(gè)分區(qū)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于時(shí)間閥值的開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置估計(jì)方法，其特征 在于，步驟5中，利用各相的時(shí)間變化量△ T的大小與各相電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定電機(jī)轉(zhuǎn)子 所在的分區(qū)，再根據(jù)確定的分區(qū)選擇電感曲線單調(diào)上升的相為電機(jī)的初始起動(dòng)相，具體對(duì) 應(yīng)關(guān)系為：上表中，La、Lb和U分別為A、B和C三相對(duì)應(yīng)的電感值，ΘΑ表示A相轉(zhuǎn)子位置角度。
【文檔編號(hào)】H02P25/08GK106026843SQ201610424318
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】張磊, 俞躍
【申請(qǐng)人】南京曉莊學(xué)院