[發明專利]一種采用全維狀態觀測器的開關磁阻電機無位置傳感器速度計算方法

有效

• 申請號: 201710207283.0
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN106953554B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 辛永良;陳艷慶
• 申請（專利權）人: 浙江華豐電動工具有限公司
• 主分類號: H02P6/00
• 分類號: H02P6/00;H02P6/08;H02P6/16;H02P25/089;H02P23/06
• 代理公司: 杭州千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 童健

本發明是一種采用全維狀態觀測器的開關磁阻電機無位置傳感器速度觀測方法，該方法采用基于開關磁阻電機數學模型的全維狀態觀測器來計算電機的轉角和轉速，使控制系統省去了位置傳感器，在降低控制系統成本的同時提高系統的可靠性和抗干擾性。本發明根據開關磁阻電機數學模型和可測的電機相電壓、相電流構建全維狀態觀測器，并由該觀測器獲取電機轉子位置信息和轉速。在本方法所述的速度觀測器的基礎上，結合比例積分控制算法、角度位置控制算法，可構建完整的開關磁阻電機速度控制系統。本方法適用于開關磁阻電機運行在中高速范圍，簡單易實現、估算精度高、可靠性高，在多功能鋸斷機、斜切割機等電動工具中有很好的應用前景。

技術領域

本發明涉及高性能電機控制技術，具體為一種采用全維狀態觀測器的開關磁阻電機無位置傳感器速度控制方法，屬于電機無位置傳感器控制技術研究領域。

技術背景

開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，簡稱SRM)采用雙凸極結構，具備結構簡單、堅固優異、容錯能力高等特點，適于高速運行和惡劣的工作環境。SRM系統具有類似直流串激電動機的串激特性，控制器通過對相電流幅值、開通角、導通角等多個變量進行控制，可以滿足不同負載要求的機械特性，實現非常寬廣的速度和負載范圍內高效率運行，控制方便、靈活，易于實現四象限運行。與其他類型的電動機，特別是于已廣泛應用于電動工具行業的單相串激電機相比，具有啟動及低速時轉矩大、電流小，高速恒功率區范圍寬、性能好，在很寬的轉速及功率范圍內均有高效率的特點。

SRM驅動控制系統的運行一個關鍵前提是獲取轉子位置檢測信息。轉子位置信息是用于控制SRM各相繞組導通的時序和時間，以使SRM產生持續不斷的轉矩。目前普遍采用軸位置傳感器來檢測轉子的位置信號。軸位置傳感器的存在不僅增加了驅動控制系統體積和成本，而且降低了系統運行的可靠性，不適用于類似電動工具這種運行速度高、運行條件惡劣、電磁環境復雜的工作環境。無位置傳感器轉子位置信息檢測方案主要思想就是利用電機的電壓、電流可測電參數，來估算磁鏈、電感、反電勢等參數，并利用這些估算出來參數與位置信號、電流之間的關系來間接獲取轉子位置信息，從而實現電機運行和轉子轉速的計算。

目前SRM無位置傳感器檢測方法主要有：電流磁鏈法，電流波形監測法，信號調制法，附加電元件法和觀測器法。電流磁鏈法和電流波形監測發法低轉矩運行時受電機的性能影響大，驅動器開關損耗大，效率比較低，且動態響應慢。信號調制法會產生一定的負轉矩，從而降低降低電機的效率。附加電元件檢測法的需要在SRM內部的設置的電元件,使SRM制造工藝復雜化。根據由SRM電機本身固有參數所決定的數學模型建立狀態觀測器，然后由可測電參數，估算轉子位置信息的方法為觀測器檢測法。全維狀態觀測器可通過對觀測器方程的特征值的配置獲得快速的收斂速度，從而使SRM電機驅動控制系統具有快速的速度跟蹤性能和動態特性。

發明內容

本發明提供一種簡單易實現、估算精度高，可靠性高，適合在多功能鋸斷機、斜切割機等電動工具中使用的開關磁阻電機無位置傳感器速度與位置計算方法，該方法采用全維狀態觀測器算法，以可測的電機相電壓、相電流為觀測器輸入量，結合開關磁阻電機數學模型，構建開關磁阻電機驅動控制系統的位置和速度觀測器，從而實現對開關磁阻電動機無位置傳感器速度控制，具體技術方案如下。

一、建立開關磁阻電機的基本電壓方程:

式中為u電機相電壓，i電機相電流，R定子電阻，θ轉子位置角，L(θ)定子電感是θ的函數，K(θ)是電機反電勢系數是θ的函數，ωm轉子轉速。

二、由(1)式，建立開關磁阻電動機數學模型方程：

設電機相繞組通電開通時間ton，設電機相繞組通電關斷時間tc，則電機運行時，相繞組通電時段(tc-ton)的(2)式中磁通量ψ、電感L(Θ)、反電勢系數K(Θ)分別為: