一种无位置传感器开关磁阻电机中转子位置的检测方法

摘要

一种无位置传感器开关磁阻电机中转子位置的检测方法，属于电机控制领域，本发明为了解决现有间接检测转子位置的方法使得电机转子中出现阻力矩和力矩谐波成分，降低了电机系统效率的问题，实现本发明的方法包括如下步骤：步骤一、对绕组电流i和母线电压U进行采样：步骤二、根据步骤一采样的绕组电流获得绕组的瞬时电感L，继而通过查绕组的瞬时电感L与转子角度关系表得到转子的位置。该方法降低开关磁阻电机制造工艺，在油田、煤矿、电梯及家用电器等具有良好应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无位置传感器的开关磁阻电机的转子位置检测方法，属于电机控制领域。

背景技术

已有的开关磁阻电机驱动系统(SRD)如图1所示，系统由具有功率管及其驱动模块的功率逆变器1、开关磁阻电机2、测量直流母线电压的电压传感器3、测量绕组电流的电流传感器4、控制器5和测量电机转子位置的位置传感器6组成。由于根据“磁阻最小原理”，通过对定子励磁绕组依次通电，定子极与转子极相互作用产生转矩，因此SRD结构简单、运行可靠。

SRD的运行需要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。现有检测SRD转子位置的技术是外置机械式的位置传感器6，这样增大了电机体积，加大了电机制造工艺难度，降低了系统可靠性，同时提高了电机系统的成本。

因此，人们研制间接检测转子位置的方法，制造无位置传感器的开关磁阻电机，已经研制出来的无位置传感器开关磁阻电机控制系统取消了外部的位置传感器6，通过向非工作绕组注入高频电流进行辨识非工作绕组的电感变化，从而确定电机转子位置，对电机进行控制。但是，由于工作绕组中的电流注入，使得电机转子中出现阻力矩和力矩谐波成分，降低了电机系统的效率，增大了电机输出的转矩波动。同时，工作绕组形成的磁链对注入电流形成影响，使得信号采集受到干扰，降低了转子位置的辨识精度。

发明内容

本发明目的是为了解决现有间接检测转子位置的方法使得电机转子中出现阻力矩和力矩谐波成分，降低了电机系统的效率，增大了电机输出的转矩波动。同时，工作绕组形成的磁链对注入电流形成影响，使得信号采集受到干扰，降低了转子位置的辨识精度的问题，提供了一种无位置传感器开关磁阻电机中转子位置的检测方法。

实现本发明方法的装置包括功率逆变器、开关磁阻电机、电压传感器、电流传感器和控制器，相绕组采用斩波电流闭环控制，该方法包括：

步骤一、对绕组电流i和母线电压U进行采样：控制器对电流传感器测量的开关磁阻电机的绕组电流i进行采样，同时，控制器对电压传感器测量的开关磁阻电机的母线电压U进行采样；

步骤二、根据步骤一采样的绕组电流i和母线电压U获得绕组的瞬时电感L，继而通过查绕组的瞬时电感L与转子角度关系表得到转子的位置。

本发明的优点：

本发明利用开关磁阻电机控制系统已有的硬件，检测工作绕组中的电流斩波信号，计算电机绕组的瞬时电感，查其与转子角度的关系表得到电机转子的实际角度位置。检测转子位置方便，降低了电机制造成本和工艺，而且解决了现有间接检测转子位置的方法使得电机转子中出现阻力矩和力矩谐波成分，降低了电机系统的效率，增大了电机输出的转矩波动。同时，工作绕组形成的磁链对注入电流形成影响，使得信号采集受到干扰，降低了转子位置的辨识精度的问题。

附图说明

图1是有位置传感器的开关磁阻电机驱动系统，图2是无位置传感器的开关磁阻电机驱动系统，图3是本发明方法的流程图，图4是相绕组等效电路图，图5是斩波控制的绕组电流波形图及相应的一路PWM脉冲波形图，图6是绕组的瞬时电感与转子角度关系图及电机的输出转矩与转子角度关系图。

具体实施方式

具体实施方式一、下面结合图2、图3说明本实施方式，实现本实施方式方法的装置包括功率逆变器1、开关磁阻电机2、电压传感器3、电流传感器4和控制器5，相绕组采用斩波电流闭环控制，该方法包括：

步骤一、对绕组电流i和母线电压U进行采样：控制器5对电流传感器4测量的开关磁阻电机2的绕组电流i进行采样，同时，控制器5对电压传感器3测量的开关磁阻电机2的母线电压U进行采样；

步骤二、根据步骤一采样的绕组电流i和母线电压U获得绕组的瞬时电感L，继而通过查绕组的瞬时电感L与转子角度关系表得到转子的位置。

本发明采用间接检测转子角度的方法，取消了外置的位置传感器6，更好的保证了SRD结构简单、运行可靠的优点，主要利用采样得到的绕组电流i和母线电压U计算得出绕组的瞬时电感L的数值，同时根据绕组的瞬时电感L与转子角度关系表得到转子的位置。

步骤一中不间断的对绕组电流i进行采样，得到斩波时的电流i上升、下降信息，同时得到母线电压U的信息，控制器5根据得到的这些信息生成PWM脉冲，用以驱动功率逆变器1，使功率逆变器1中的功率管导通或关断，既而控制对绕组的供电状态。

步骤二所述为计算绕组的瞬时电感L的过程，根据计算得到的瞬时电感值，及查瞬时电感L与转子角度对应关系表得到转子的角度位置。转子的角度位置信息是本发明要得到的结果，转子的位置是对电机进行控制的重要信息。

具体实施方式二、下面结合图4、图5说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，获得绕组的瞬时电感L的方法为：

功率逆变器1的功率管开通，使得绕组电流i处于上升阶段时，根据公式

$i\left(t\right)=\frac{U-U1}{R}+(i_0-\frac{U-U1}{R})e^{-\frac{R}{L}t}$

求得绕组的瞬时电感L，其中i为绕组电流，t为绕组电流采样时间，U为母线电压，U1为等效功率管的管压降，R为绕组的等效电阻，i₀为绕组电流初始值；

功率逆变器1的功率管关断，使得绕组电流i处于下降阶段时，根据公式

$i\left(t\right)=i_0{e}^{-\frac{R}{L}t}$

求得绕组的瞬时电感L，其中i为绕组电流，t为绕组电流采样时间，R为绕组的等效电阻，i₀为绕组电流初始值。

其它步骤与实施方式一相同。

功率逆变器1中的功率管开通时，对绕组进行电流斩波控制，具有感性负载性质的绕组中通过的绕组电流i不会马上达到最大值，而是按一定的曲线上升，功率逆变器1中的功率管关断时，具有感性负载性质的绕组中通过的绕组电流i不会马上消失，而是按一定的曲线下降，形成的绕组电流的波形如图5所示，根据绕组电流i的这个特点，绕组的瞬时电感L的计算分两种情况进行，一种情况是在绕组电流i的上升阶段，另一种情况是在绕组电流i的下降阶段，下面具体分析：

开关磁阻电机2的绕组的工作原理等效电路图如图4所示。绕组可以等效为一个RL电路，电阻R可以通过静态测量得到，工作时通过温度补偿得到实际电阻。U为直流母线电压，可以通过控制器5中具有的AD模块采样得到实际母线电压。D1为等效功率管，D2为续流二极管，U1为等效功率管D1的管压降，U1的数值由功率管的选型决定，为已知参数，U2等效为续流二极管D2的管压降，该参数为已知参数，主要取决于续流二极管的选型，一般为0.7V。开关K的动作等效为对电机绕组的电流斩波控制。

当开关K合上，等效为功率逆变器1中的功率管导通，此时对应的图5中绕组电流i处于上升阶段，如t₀—t₁，此时绕组电流i与电机系统参数可以用如下公式表示：

$U-U1-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{iR}$

可以解得绕组电流：$i\left(t\right)=\frac{U-U1}{R}+(i_0-\frac{U-U1}{R})e^{-\frac{R}{L}t}$

其中i为绕组电流，t为绕组电流采样时间，U为母线电压，U1为等效功率管的管压降，R为绕组的等效电阻，i₀为绕组电流初始值。

因此，只要采样得到绕组电流i和母线电压U就可以计算出绕组的瞬时电感L。

当断开开关K，等效为功率逆变器1中的功率管关断，此时绕组通过D2进行放电，对应的图5中绕组电流i处于下降阶段，如t₁—t₂，此时绕组电流i与电机系统参数可以用如下公式表示：

$-U2-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{iR}$

因为续流二极管D2的管压降U2一般为0.7V左右，数值很小，本实施方式中将其忽略，将公式$-U2-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{iR}$简化为$-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{iR}.$。

可以解得绕组电流：$i\left(t\right)=i_0{e}^{-\frac{R}{L}t}$

其中i为绕组电流，t为绕组电流采样时间，R为绕组的等效电阻，i₀为绕组电流初始值。

根据处于斩波控制的绕组电流波形(图5)可知，由控制器5生成的PWM脉冲图如图5所示，电压为驱动功率逆变器1中功率管的触发电压，按照实际情况确定输出PWM脉冲的路数，可以是三路或六路，取决于设计电路的实际情况。

具体实施方式三、下面结合图6说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，获得绕组的瞬时电感L与转子角度关系表的方法为：将电机转子固定在设定角度，向绕组通入50Hz交流电，测量绕组电压U₂和电流I₂，利用公式

$2\pi \times 50\times L=\sqrt{{\left(\frac{U_2}{I_2}\right)}^2-R^2}$

计算该转子角度位置的绕组的瞬时电感L，其中R为绕组等效电阻；不断改变电机转子的角度位置，重复上述方法计算，得到多组不同转子角度位置的绕组的瞬时电感值，获得绕组的瞬时电感L与转子角度关系表。

其它步骤与实施方式一相同。

开关磁阻电机2一旦制成，那么，转子角度与绕组的瞬时电感L的关系就已经确立了，本实施方式是确定二者关系的一种简便方法，将电机的转子轴固定在某一角度位置，如1度，此时向绕组中通入50Hz交流电，此时能测量出绕组电压U₂和电流I₂，根据公式

$2\pi \times 50\times L=\sqrt{{\left(\frac{U_2}{I_2}\right)}^2-R^2}$

即可计算出该转子角度位置的绕组的瞬时电感L，通过固定转子在不同的角度位置，计算出多组对应的瞬时电感值，即可制得绕组的瞬时电感L与转子角度关系表。

图6为绕组的瞬时电感与转子角度关系图及电机的输出转矩与转子角度关系图。