一种开关磁阻电机电流峰值位置的检测方法

摘要

本发明提供了一种开关磁阻电机电流峰值位置的检测方法，属于开关磁阻电机转子位置检测领域。本发明方法只需检测运行电机的相电流与相电压，不需外加位置传感器等设备。在控制过程中，当检测到电机相电流出现峰值时，通过电机电流与电压计算此时的电机相电感值，将相电感值乘以仿真得到的该转速下电机转子位置与电感值的比值系数，即可计算出电流峰值时刻的电机转子位置。该方法的特点是能够解决电机运行过程中电流尖峰位置波动的问题，检测灵敏；解决了采用传统查表法需要针对多种因素影响，占用内存大，数据不准确的问题；对电机不同运行参数变化更敏感，检测精度更高。

权利要求

1.一种开关磁阻电机电流峰值位置的检测方法，其特征在于，完成该检测方法的开关磁阻驱动系统包括微控制器(1)、三相整流与滤波电路及其母线电压检测电路(2)、功率变换器(3)、三相开关磁阻电机(4)和电流传感器及电流检测滤波电路(5)；开关磁阻驱动系统不附加位置传感器及其附加电路，只需利用电流传感器及电流检测滤波电路(5)对三相开关磁阻电机(4)的电流进行采样，经过滤波过滤后传递给微控制器(1)进行计算和判断，得到实时转子位置信息，三相整流与滤波电路及其母线电压检测电路(2)用于将交流电整流为直流电供给开关磁阻电机驱动系统，并检测三相开关磁阻电机(4)直流母线电压信号，功率变换器(3)采用三相不对称半桥结构，由微控制器(1)的PWM模块控制用于驱动电机；具体检测方法如下：

开关磁阻驱动系统通电运行后，采用不加制动的转速、电流双闭环控制，通过电流检测滤波电路和三相整流与滤波电路及其母线电压检测电路(2)进行绕组电流和母线电压信号采样，并将电流及电压经过滤波处理传递给微控制器(1)中，当转速满足一定要求后，根据公式(1)得知，在定、转子凸极重合处，在理想电感条件下，电感与位置导数由零转为正时，记为θ0位置处，电流将出现尖峰；

其中，i为电机绕组电流，θ为电机转子位置角，u为电机绕组端电压，R为绕组电阻值，ω为电机角速度，L为电机电感；

电流信号和母线电压信号在微控制器(1)中经过数模转换为模拟信号成为离散状态，通过比较几个时刻内电流信号的幅值，得到电流最大值出现的时刻，通过获得的电流信号和电压值由公式(2)、(3)计算处理得到电流峰值时刻的绕组磁链，再通过公式(4)计算出电流峰值处的电感值；由于在定、转子凸极刚重合位置，电感仍处于未饱和状态，所以该位置处的电感值与转子位置在同一转速下存在一定的比例关系，通过MATLAB仿真得到不同转速时电流峰值处电感值与转子位置对应的比例值kω，并整理为表；在该控制方法中，在电流峰值时刻通过查表法得到该转速对应的电感值与转子位置比例kω，利用公式(5)计算得到更精准的电流峰值时刻转子位置；

其中ψ为绕组磁链，ψ(0)为绕组磁链初始值，i为电机绕组电流，u为电机绕组端电压，R为绕组电阻值；t为到电流峰值的时刻；

在微控制器(1)的微处理中，磁链的计算采用数字积分形式：ψ(k+1)＝ψ(k)+[u(k)‑Ri(k)]×Ts    (3)其中：ψ(k)和ψ(k+1)分别为第k个和第k+1个采样时刻的磁链值；Ts为微控制器(1)的采样周期；i(k)和u(k)分别为第k个采样时刻的电流和电压；

式中，θimax为电流峰值处转子位置角，kw为电流尖峰时刻电感与转子位置角比例值，Limax为电流峰值时刻电感值。

说明书

一种开关磁阻电机电流峰值位置的检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于开关磁阻电机领域，涉及一种开关磁阻电机的精确转子位置检测和精准控制方法，是主要针对使用相电流梯度法检测电机转子位置时，提高电流峰值位置检测
精度的方法。

背景技术

[0002] 开关磁阻电机因具有结构简单、功率因数高、起动电流小、起动转矩大、调速范围宽、运行效率高和可频繁启停等一系列优点而被广泛的应用到众多行业和工业领域之中
去。在电机控制运行过程中需要知道转子位置信息，传统的机械位置传感器如旋转变压器，
光电编码器等虽然能得到较为精准的电机转子位置，但却增加了电机运行成本，且检测精
度受运行环境等影响较大，降低了电机驱动系统的可靠性。对比于机械传感器检测方法，无
位置传感器控制方法降低了整体成本和机械尺寸，且受环境影响也较小。其中针对开关磁
阻电机高速运行时的相电流梯度法，其通用性强，操控简单，且无需进行磁链和电感的存
储、查表、复杂的模型计算等操作，通过检测相电流峰值位置就能得到电机运行的转子位置
信息。但是在实际控制中电流峰值位置受到很多因素的影响，导致电流峰值不出现在电机
定、转子凸极刚重合位置，使检测结果不精确，产生的位置检测误差大大降低了电机的控制
性能，导致电机运行可能出现振动，转矩脉动等问题。

[0003] 由于开关磁阻电机电流峰值位置受转速、电流、开通角、直流母线电压等因素影响较大，并且在实际控制过程中，由于电机结构、摩擦、以及双闭环PI控制存在的延迟性等很
多因素，导致电机即使在稳定运行时，转速仍然会出现波动，致使电流峰值位置出现明显波
动，无法精准检测，因此需要发明一种针对开关磁阻电机不同运行状态下，都能精准检测电
流峰值位置，使电机稳定运行的控制方法。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术难题是发明一种准确检测开关磁阻电机在相电流峰值位置波动下的电机位置信息的控制方法，达到电机运行稳定、精准的目的。

[0005] 本发明的技术方案：

[0006] 一种开关磁阻电机电流峰值位置的检测方法，完成该检测方法的开关磁阻驱动系统包括微控制器1、三相整流与滤波电路及其母线电压检测电路2、功率变换器3、三相开关
磁阻电机4和电流传感器及电流检测滤波电路5；开关磁阻驱动系统不附加位置传感器及其
附加电路，只需利用电流传感器及电流检测滤波电路5对三相开关磁阻电机4的电流进行采
样，经过滤波过滤后传递给微控制器1进行计算和判断，得到实时转子位置信息，三相整流
与滤波电路及其母线电压检测电路2用于将交流电整流为直流电供给开关磁阻电机驱动系
统，并检测三相开关磁阻电机4直流母线电压信号，功率变换器3采用三相不对称半桥结构，
由微控制器1的PWM模块控制用于驱动电机。具体检测方法如下：

[0007] 开关磁阻驱动系统通电运行后，采用不加制动的传统转速、电流双闭环控制，通过电流检测滤波电路和三相整流与滤波电路及其母线电压检测电路2进行绕组电流和母线电
压信号采样，并将电流及电压经过滤波处理传递给微控制器1中，当转速满足一定要求后，
根据公式(1)得知，在定、转子凸极重合处，在理想电感条件下，电感与位置导数由零转为正
时，记为θ0位置处，电流将出现尖峰；

[0008]

[0009] 其中，i为电机绕组电流，θ为电机转子位置角，u为电机绕组端电压，R为绕组电阻值，ω为电机角速度，L为电机电感；

[0010] 电流信号和母线电压信号在微控制器1中经过数模转换为数字信号成为离散状态，通过比较几个时刻内电流信号的幅值，得到电流最大值出现的时刻，通过获得的电流信
号和电压值由公式(2)、(3)计算处理得到电流峰值时刻的绕组磁链，再通过公式(4)计算出
电流峰值处的电感值。由于在定、转子凸极刚重合位置，电感仍处于未饱和状态，所以该位
置处的电感值与转子位置在同一转速下存在一定的比例关系，通过仿真得到不同转速时电
流峰值处电感值与转子位置对应的比例值kω，并整理为表。在该控制方法中，在电流峰值时
刻通过查表法得到该转速对应的电感值与转子位置比例kω，利用公式(5)计算得到更精准
的电流峰值时刻转子位置。

[0011]

[0012] 其中ψ为绕组磁链，ψ(0)为绕组磁链初始值，i为电机绕组电流，u为电机绕组端电压，R为绕组电阻值。t为到电流峰值的时刻；

[0013] 在微控制器1的微处理中，磁链的计算采用数字积分形式：

[0014] ψ(k+1)＝ψ(k)+[u(k)‑Ri(k)]×Ts   (3)

[0015] 其中：ψ(k)和ψ(k+1)分别为第k个和第k+1个采样时刻的磁链值；Ts为微控制器1的采样周期；i(k)和u(k)分别为第k个采样时刻的电流和电压；

[0016]

[0017] θi max＝kw×Li max   (5)

[0018] 式中，θi max为电流峰值处转子位置角，kw为电流尖峰时刻电感与转子位置角比例值，Li max为电流峰值时刻电感值。

[0019] 本发明具有以下显著效果：

[0020] 1)只需检测运行电机相电流，不需外加位置传感器等设备。

[0021] 2)解决了采用传统查表法需要针对多种因素影响，占用内存大，数据不准确。

[0022] 3)对电机不同运行参数变化更敏感，检测精度更高。

附图说明

[0023] 图1为开关磁阻驱动系统示意图。

[0024] 图2为电机理想电感图与相电流波形。

[0025] 图1中：1微控制器；2三相整流与滤波电路及其母线电压检测电路；3功率变换器；4三相开关磁阻电机；5电流传感器及电流检测滤波电路。

[0026] 在图2中，θ0为电机定转子凸极刚重合位置，θ1‑θ3为定转子完全重合位置。在理想条件下，相电流在θ0处出现幅值最大点。

具体实施方式

[0027] 本发明的具体实施方式如图1所示，微控制器1为TI公司的DSP芯片TMS320F28069，三相整流与滤波电路及其母线电压检测电路2检测功率变换器3的直流母线电压U，经调理
后将其输入到微控制器1的ADC0口，功率变换器3采用三相不对称半桥结构。开关磁阻电机4
为12/8极的三相开关磁阻电机，额定功率为5kW，额定转速为2000r/min，它由功率变换器3
供电，并由电流检测电路5检测其三相绕组的电流，分别输入到微控制器1的ADC1口、ADC2
口、ADC3口。

[0028] 开关磁阻电机系统在开始通电运行后的一段时间内，采用不加制动的传统转速、电流双闭环控制，母线电压检测电路2检测功率变换器3的电机直流母线电压，电流检测电
路5的霍尔电流传感器检测电机三相绕组电流，经电路滤波处理后分别输入到微控制器
1DSP芯片的ADC口，微控制器经过数模转换将数字信号转为离散的模拟信号。微处理器分别
对三相电流幅值进行比较，求出电流峰值时刻，同时微处理器通过每相电流值和绕组端电
压计算出电流尖峰时刻的电感值大小，通过仿真得到的三相电流峰值时刻电感值与转子位
置的比例值，制作成表，利用查表法找出该转速下三相电感与转子位置的比例值，计算出电
流峰值处转子位置值。

[0029] 搭建仿真模型，在仿真中，给定转速为1500r/min‑1700r/min，负载转矩为3N·m。通过目标转速与实际转速做差，由转速环、电流环PI控制模块将转速差值进行比例、积分运
算得到开关磁阻电机三相电流控制值，PWM模块由PI控制产生的电流控制值和三相开通角、
关断角信息，产生控制三相不对称半桥结构的功率电路的驱动信号，控制功率电路中IGBT
的通断，驱动电机转动。转速计算模块利用电机电磁转矩和负载转矩关系计算得到电机角
速度和电机转速。通过角度计算模块得到电机转子角度，进行开通角、关断角的控制。三相
电流峰值检测模块通过比较电流幅值得到电流峰值点，记录峰值时刻电感值和转子位置
值，最终计算得到峰值时刻电机三相转子位置与电感比例值并整理为表。

[0030] 对电机转速从1500r/min到1700r/min之间进行实验，由仿真得不同转速下，电流峰值时刻电机三相转子位置与电感比例值如表1所示：

[0031] 表1不同转速电流峰值位置转子位置与电感值比值

[0032]  A相 B相 C相
1500r/min 9047.55 9210.56 9264.56
1600r/min 9156.23 9361.48 9432.10
1700r/min 9553.76 9544.93 9639.10

[0033] 由结果分析对比传统的相电流梯度法，在相同转速以及开通角相同的情况下，使用该方法电流峰值处三相转子位置误差分别下降如下表所示：

[0034] 表2与传统检测电流峰值位置方法对比误差下降值

[0035]   A相 B相 C相1500r/min 24.90％ 27.92％ 30.05％
1600r/min 25.08％ 29.14％ 30.43％
1700r/min 29.08％ 27.98％ 28.26％

[0036] 本发明的开关磁阻电机相电流峰值位置检测方法能够提高无位置传感器的相电流梯度法检测精度，增强电机运行的稳定性。