带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法

摘要

本发明涉及一种带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，通过实时采集开关磁阻电机当前时刻相绕组电流值、电压值，采用查找表模型、电压模型这两种方法估算磁链值，并利用PI调节器将这两种方法结合，构建单闭环磁链观测器。利用预估的磁链值和系统反馈回的预估的转子位置查表获得预估的电流值，结合实际电流值构建滑模误差函数，进一步构建滑模控制系统，以实现对开关磁阻电机转子位置和转速的精确估计。利用仿真验证了所述方法的有效性，所述方法逻辑简单、能够精确地对开关磁阻电机的磁链值进行预估，并输出精确的电机转速和转子位置预估值。其提高控制系统精度的效果明显及易于工程实现。

权利要求

1.一种带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：以开关磁阻电机电流、磁链和转子位置构建数据表Ψph(θ,iph)、iph(Ψph,θ)；其中θ为转子位置，iph为相电流值，Ψph为相磁链值；

步骤2：采集k‑1时刻的开关磁阻电机电流iph(k‑1)和滑模系统反馈回的估计的开关磁阻电机转子位置 的值并通过查找步骤1的数据表估计k‑1时刻开关磁阻电机的磁链值Ψes(k‑1)；

步骤3：根据下述电机的电压模型得到估计的k时刻的电机相绕组磁链值，并将其作为观测器的输出；

其中 uph(k)、iph(k)、Ts、R、iph(k‑1)、 eout为k时刻电压模型预估的电机相绕组磁链值、k时刻电机的相电压值、k时刻电机的相电流值、采样时间、电机绕组电阻值、k‑1时刻电机相电流值、k‑1时刻电压模型预估的相绕组的磁链值、PI调节器的输出；

步骤4：计算通过步骤2查找数据表法获得的磁链值和步骤3中的电压模型计算出两种方法估计的磁链值的差值：其中Ψes(k‑1)、 分别是步骤2的查找数据表法获得的磁链值和步骤3中的电压模型计算出的磁链值；

步骤5：根据下式构建PI调节器，ein将作为步骤5中PI调节器的输入，进行负反馈调节，构建单闭环磁链观测器以降低误差，输出精确的磁链估计值；

其中ein、eout、kp和ki为PI调节器的输入、输出、比例参数和积分参数；

步骤6：采集k时刻滑模系统反馈回的估计的开关磁阻电机转子位置 和步骤3计算得到的 进而通过查找步骤1得到的数据表获得开关磁阻电机在k时刻的估计相电流值步骤7：根据下式构建滑模观测器的误差函数

其中ef、iph(k)、 为滑模观测器的误差函数、开关磁阻电机在k时刻的实际相电流值、开关磁阻电机在k时刻的估计相电流值、估计的开关磁阻电机转子位置；

步骤8：构建滑模系统：

输出估计的开关磁阻电机转子位置和转速，其中估计的开关磁阻电机转子位置作为开关磁阻电机相绕组通断的控制信号，即当估计的开关磁阻电机转子位置在开通角和关断角之间时，相绕组导通，估计的开关磁阻电机转子位置小于开通角或大于关断角时，相绕组关断，从而实现对开关磁阻电机的控制，估计的开关磁阻电机转速与实际电机转速对比，可验证本发明的高精确性；

其中kw和kθ是合适的滑模观测器的增益值、 和sgn为估计的电机转子位置、估计的电机转速和符号函数。

2.根据权利要求1所述带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤5中kp和ki的值为10和7。

3.根据权利要求1所述带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤8中，系统通过在线积分运算公式 实现对开关磁阻电机转子位置的估计和电机转速的估计。

4.根据权利要求3所述带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤8中，kw和kθ的值为150000和1000。

说明书

带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电机控制领域，涉及一种带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。

背景技术

[0002] 开关磁阻电机结构简单，转子无永磁体及绕组，转矩由定、转子间气隙磁阻变化产生。其具有调速范围宽、可靠性高、适用于恶劣环境等优点，拥有广阔的应用前景。

[0003] 转子位置信息对于开关磁阻电机的调速控制非常重要，传统上，转子位置由位置传感器检测。但是位置传感器的精度易受温度、传感器安装位置等各种因素的影响。所以近年来无位置传感器的开关磁阻电动机调速控制系统成为研究热点。并且因为滑模控制有高鲁棒性、控制精度高、不受系统其他参数影响等优点、许多学者将滑模控制应用到无位置传感器的开关磁阻电动机调速控制系统中。

[0004] 在基于滑模控制的开关磁阻电动机无位置传感器调速控制系统中，需要对电机的磁链值进行预估，传统上采用积分运算来对电机的磁链值进行实时估计，但在系统中磁链运算公式仅对应一个积分环节，是开环的，申请人在开关磁阻电机控制实验中发现其会使得估计的电机磁链值中存在的初始扰动误差不断积累，严重影响了控制系统的精确度。因此设计一种带有负反馈调节的闭环磁链观测器对开关磁阻电动机磁链值进行准确预估，对实现开关磁阻电机的高精度控制、提高开关磁阻电机的适用性意义重大。

[0005] 本发明带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制方法需要采集开关磁阻电机绕组的电流、电压值，通过闭环的磁链观测器模型，获得准确的电机磁链预估值，并将该预估值应用到滑模控制系统中，以实现开关磁阻电机的高精度调速控制。该方法不仅模型结构简单，而且控制精度高，有利于促进开关磁阻电机再实际中的应用。

发明内容

[0006] 要解决的技术问题

[0007] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，解决传统开关磁阻电动机无位置传感器调速控制系统因磁链估计不准确造成的控制精度差的问题，使磁链估计的精度更高，促进了开关磁阻电机的实际应用。

[0008] 技术方案

[0009] 一种带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，其特征在于步骤如下：

[0010] 步骤1：以开关磁阻电机电流、磁链和转子位置构建数据表Ψph(θ,iph)、iph(Ψph,θ)；其中θ为转子位置，iph为相电流值，Ψph为相磁链值；

[0011] 步骤2：采集k‑1时刻的开关磁阻电机电流iph(k‑1)和滑模系统反馈回的估计的开关磁阻电机转子位置 的值并通过查找步骤1的数据表估计k‑1时刻开关磁阻电机的磁链值Ψes(k‑1)；

[0012] 步骤3：根据下述电机的电压模型得到估计的k时刻的电机相绕组磁链值，并将其作为观测器的输出；

[0013]

[0014] 其中 uph(k)、iph(k)、Ts、R、iph(k‑1)、 eout为k时刻电压模型预估的电机相绕组磁链值、k时刻电机的相电压值、k时刻电机的相电流值、采样时间、电机绕组电阻值、k‑1时刻电机相电流值、k‑1时刻电压模型预估的相绕组的磁链值、PI调节器的输出；

[0015] 步骤4：计算通过步骤2查找数据表法获得的磁链值和步骤3中的电压模型计算出两种方法估计的磁链值的差值：

[0016]

[0017] 其中Ψes(k‑1)、 分别是步骤2的查找数据表法获得的磁链值和步骤3中的电压模型计算出的磁链值；

[0018] 步骤5：根据下式构建PI调节器，ein将作为步骤5中PI调节器的输入，进行负反馈调节，构建单闭环磁链观测器以降低误差，输出精确的磁链估计值；

[0019]

[0020] 其中ein、eout、kp和ki为PI调节器的输入、输出、比例参数和积分参数；

[0021] 步骤6：采集k时刻滑模系统反馈回的估计的开关磁阻电机转子位置 和步骤3 计算得到的 进而通过查找步骤1得到的数据表获得开关磁阻电机在k时刻的估计相电流值

[0022] 步骤7：根据下式构建滑模观测器的误差函数

[0023]

[0024] 其中ef、iph(k)、 为滑模观测器的误差函数、开关磁阻电机在k时刻的实际相电流值、开关磁阻电机在k时刻的估计相电流值、估计的开关磁阻电机转子位置；

[0025] 步骤8：构建滑模系统：

[0026]

[0027]

[0028] 输出估计的开关磁阻电机转子位置和转速，其中估计的开关磁阻电机转子位置作为开关磁阻电机相绕组通断的控制信号，即当估计的开关磁阻电机转子位置在开通角和关断角之间时，相绕组导通，估计的开关磁阻电机转子位置小于开通角或大于关断角时，相绕组关断，从而实现对开关磁阻电机的控制，估计的开关磁阻电机转速与实际电机转速对比，可验证本发明的高精确性；

[0029] 其中kw和kθ是合适的滑模观测器的增益值、 和sgn为估计的电机转子位置、估计的电机转速和符号函数。

[0030] 所述步骤5中kp和ki的值为10和7。

[0031] 所述步骤8中，系统通过在线积分运算公式 实现对开关磁阻电机转子位置的估计和电机转速的估计。

[0032] 所述步骤8中，kw和kθ的值为150000和1000。

[0033] 有益效果

[0034] 本发明提出的一种带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器控制方法，通过离线测量并构建开关磁阻电机的磁链‑电流‑位置和电流‑磁链‑位置数据表，通过实时采集开关磁阻电机当前时刻相绕组电流值、电压值，采用查找表模型、电压模型这两种方法估算磁链值，并利用PI调节器将这两种方法结合，构建单闭环磁链观测器。利用预估的磁链值和系统反馈回的预估的转子位置查表获得预估的电流值，结合实际电流值构建滑模误差函数，进一步构建滑模控制系统，以实现对开关磁阻电机转子位置和转速的精确估计。利用仿真验证了所述方法的有效性，所述方法逻辑简单、能够精确地对开关磁阻电机的磁链值进行预估，并输出精确的电机转速和转子位置预估值。其提高控制系统精度的效果明显及易于工程实现。

[0035] 本发明首先克服了本领域在进行开关磁阻电机无位置传感器调速控制中，对电机的磁链值采用开环积分计算的常规认知，提出通过一个单闭环磁链观测器对电机的相绕组的磁链值进行观测，为控制系统提供精确的电机磁链值，因此提出了一种带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制方法，该方法能够获得实时、精确的开关磁阻电机的磁链值，并输出高精度的电机的转子位置信息和转速信息，其提高控制精度效果明显及易于工程实现。

附图说明

[0036] 图1为带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制方法原理图。

[0037] 图2是利用磁链观测器得到的预估的电机相绕组磁链图。

[0038] 图3是为带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统流程图。

[0039] 图4是带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转速与传统的使用开环积分法计算磁链值的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转速与实际电机转速局部放大对比图。

[0040] 图5是带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转子位置与传统的使用开环积分法计算磁链值的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转子位置与实际电机转子位置局部放大对比图。

[0041] 图6是带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转子位置与实际电机转子位置图。

[0042] 图7是带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转速与实际电机转速图。

具体实施方式

[0043] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

[0044] 针对传统的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统存在因磁链预估不准确导致的系统控制精度差等缺陷，本发明提出了一种带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统，其具体实施方式如下：

[0045] 步骤1：测量开关磁阻电机电流特性、磁链特性和转子位置特性并构建数据表Ψph(θ,iph)、iph(Ψph,θ)；其中θ为转子位置，iph为相电流值，Ψph为相磁链值；

[0046] 步骤2：采集开关磁阻电机在k‑1时刻的相电流iph(k‑1)和滑模系统反馈回的预估的转子位置 的值并通过查找步骤1得到的数据表预估k‑1时刻开关磁阻电机的磁链值Ψes(k‑1)；

[0047] 步骤3：将电机磁链值积分公式

[0048]

[0049] 离散化可以得到

[0050]

[0051] 为了提高精确度，对相电流采用梯形积分公式

[0052]

[0053] 引入负反馈误差可以得到磁链预估的电压模型

[0054]

[0055] 其中 uph(k)、iph(k)、Ts、R、iph(k‑1)、 eout为k时刻电压模型预估的电机相绕组磁链值、k时刻电机的相电压值、k时刻电机的相电流值、采样时间、电机绕组电阻值、k‑1时刻电机相电流值、k‑1时刻电压模型预估的相绕组的磁链值、 PI调节器的输出；

[0056] 步骤4：通过公式

[0057]

[0058] 计算通过步骤2的数据表模型计算出的磁链值和步骤3中的电压模型计算出的磁链值的误差值；其中Ψes(k‑1)、 分别是步骤2的查找表法获得的磁链值和步骤3中的电压模型计算出的磁链值；

[0059] 步骤5：通过公式

[0060]

[0061] 构建PI调节器，将步骤2的数据表模型和步骤3的电压模型结合，构建单闭环磁链观测器以降低误差，输出精确的磁链估计值，PI调节器的输入为ein，输出为eout，eout将参与到步骤3电压模型的计算中，进行负反馈调节，保证磁链计算的精确度；

[0062] 其中kp、ki为多次仿真调试获得的PI调节器的比例参数和积分参数，其值分别为10、7；

[0063] 步骤6：通过滑模系统反馈的电机转速值估计值 和计算得到的 利用步骤1的数据表获得开关磁阻电机在k时刻的估计相电流值

[0064] 步骤7：根据公式

[0065]

[0066] 构建滑模观测器的误差函数；其中 iph(k)是滑模观测器估计出的转子位置、估计的相电流值和实际的相电流值；

[0067] 步骤8：根据公式

[0068]

[0069]

[0070] 构建滑模控制系统，从而通过在线积分运算

[0071]

[0072]

[0073] 获得估计的转子位置和估计的电机转速 和 以实现开关磁阻电机转子位置和速度的估计；

[0074] 其中kω、kθ为多次仿真调试获得的滑模增益值，分别为150000、1000，和 sgn是估计的转子位置、估计的电机转速和符号函数。

[0075] 实例所用电机为一个1kW三相12/8极开关磁阻电机。

[0076] 步骤1：测量开关磁阻电机电流特性、磁链特性和转子位置特性并构建数据表Ψph(θ,iph)、iph(Ψph,θ)；其中θ为转子位置，iph为相电流值，Ψph为相磁链值；

[0077] 步骤2：采集开关磁阻电机在k‑1时刻的相电流iph(k‑1)和滑模系统反馈回的预估的转子位置 的值并通过查找数据表法预估k‑1时刻开关磁阻电机的磁链值Ψes(k‑1)；

[0078] 步骤3：将电机磁链值积分公式

[0079]

[0080] 离散化可以得到

[0081]

[0082] 为了提高精确度，对相电流采用梯形积分公式

[0083]

[0084] 引入负反馈误差可以得到磁链预估的电压模型

[0085]

[0086] 式中 uph(k)、iph(k)、Ts、R、iph(k‑1)、 eout为k时刻电压模型预估的电机相绕组磁链值、k时刻电机的相电压值、k时刻电机的相电流值、采样时间、电机绕组电阻值、k‑1时刻电机相电流值、k‑1时刻电压模型预估的相绕组的磁链值、PI调节器的输出；

[0087] 步骤4：通过公式

[0088]

[0089] 计算通过步骤2的数据表模型计算出的磁链值和步骤3中的电压模型计算出的磁链值的误差值；其中Ψph(k)、 分别是步骤2的查找数据表法获得的磁链值和步骤3中的电压模型计算出的磁链值；

[0090] 步骤5：通过公式

[0091]

[0092] 构建PI调节器，将步骤2的数据表模型和步骤3的电压模型结合，构建单闭环磁链观测器以降低误差，输出精确的磁链估计值，PI调节器的输入为ein，输出为eout，eout将参与到步骤3电压模型的计算中，进行负反馈调节，保证磁链计算的精确度；其中kr， kp为多次调试仿真获得的PI调节器的比例参数和积分参数，其值分别为10、7；

[0093] 步骤6：通过滑模系统反馈的电机转速值估计值 和计算得到的 利用查找表获得开关磁阻电机在k时刻的估计相电流值

[0094] 步骤7：根据公式

[0095]

[0096] 构建滑模观测器的误差函数；其中 iph(k)是滑模观测器估计出的转子位置、估计的相电流值和实际的相电流值；

[0097] 步骤8：根据公式

[0098]

[0099]

[0100] 构建滑模控制系统，从而通过在线积分运算

[0101]

[0102]

[0103] 获得估计的转子位置和估计的电机转速 和 以实现开关磁阻电机转子位置和速度的估计；

[0104] 其中kw和kθ是多次仿真实验的滑模观测器的增益值，其值分别为150000、1000，和sgn是估计的转子位置、估计的电机转速和符号函数。

[0105] 图4是带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转速与传统的使用开环积分法计算磁链值的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转速与实际电机转速局部放大对比图。可以看出，相较于传统的使用开环积分法计算磁链值的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统，本发明估计出的电机转速波动与误差更小。图5是是带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转子位置与传统的使用开环积分法计算磁链值的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转子位置与实际电机转子位置局部放大对比图。可以看出传统的使用开环积分法计算磁链值的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的转子位置与实际转子位置有一定的偏差而本发明提出的方法预估的转子位置与实际转子位置几乎重合，其提高控制系统精度的效果明显。图6和图7分别是带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制系统预估的电机转子位置与实际电机转子位置图和预估的电机转速与实际电机转速图。仿真表明本发明提出的一种带有磁链观测器的开关磁阻电机无位置传感器调速控制方法能够更为精确地预估电机转子位置和电机转速，其具有很高的精确性和鲁棒性，提高了开关磁阻电机的适用性。

[0106] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。