[发明专利]一种采用全维状态观测器的开关磁阻电机无位置传感器速度计算方法

说明书

本发明是一种采用全维状态观测器的开关磁阻电机无位置传感器速度观测方法，该方法采用基于开关磁阻电机数学模型的全维状态观测器来计算电机的转角和转速，使控制系统省去了位置传感器，在降低控制系统成本的同时提高系统的可靠性和抗干扰性。本发明根据开关磁阻电机数学模型和可测的电机相电压、相电流构建全维状态观测器，并由该观测器获取电机转子位置信息和转速。在本方法所述的速度观测器的基础上，结合比例积分控制算法、角度位置控制算法，可构建完整的开关磁阻电机速度控制系统。本方法适用于开关磁阻电机运行在中高速范围，简单易实现、估算精度高、可靠性高，在多功能锯断机、斜切割机等电动工具中有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及高性能电机控制技术，具体为一种采用全维状态观测器的开关磁阻电机无位置传感器速度控制方法，属于电机无位置传感器控制技术研究领域。

技术背景

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，简称SRM)采用双凸极结构，具备结构简单、坚固优异、容错能力高等特点，适于高速运行和恶劣的工作环境。SRM系统具有类似直流串激电动机的串激特性，控制器通过对相电流幅值、开通角、导通角等多个变量进行控制，可以满足不同负载要求的机械特性，实现非常宽广的速度和负载范围内高效率运行，控制方便、灵活，易于实现四象限运行。与其他类型的电动机，特别是于已广泛应用于电动工具行业的单相串激电机相比，具有启动及低速时转矩大、电流小，高速恒功率区范围宽、性能好，在很宽的转速及功率范围内均有高效率的特点。

SRM驱动控制系统的运行一个关键前提是获取转子位置检测信息。转子位置信息是用于控制SRM各相绕组导通的时序和时间，以使SRM产生持续不断的转矩。目前普遍采用轴位置传感器来检测转子的位置信号。轴位置传感器的存在不仅增加了驱动控制系统体积和成本，而且降低了系统运行的可靠性，不适用于类似电动工具这种运行速度高、运行条件恶劣、电磁环境复杂的工作环境。无位置传感器转子位置信息检测方案主要思想就是利用电机的电压、电流可测电参数，来估算磁链、电感、反电势等参数，并利用这些估算出来参数与位置信号、电流之间的关系来间接获取转子位置信息，从而实现电机运行和转子转速的计算。

目前SRM无位置传感器检测方法主要有：电流磁链法，电流波形监测法，信号调制法，附加电元件法和观测器法。电流磁链法和电流波形监测发法低转矩运行时受电机的性能影响大，驱动器开关损耗大，效率比较低，且动态响应慢。信号调制法会产生一定的负转矩，从而降低降低电机的效率。附加电元件检测法的需要在SRM内部的设置的电元件,使SRM制造工艺复杂化。根据由SRM电机本身固有参数所决定的数学模型建立状态观测器，然后由可测电参数，估算转子位置信息的方法为观测器检测法。全维状态观测器可通过对观测器方程的特征值的配置获得快速的收敛速度，从而使SRM电机驱动控制系统具有快速的速度跟踪性能和动态特性。

发明内容

本发明提供一种简单易实现、估算精度高，可靠性高，适合在多功能锯断机、斜切割机等电动工具中使用的开关磁阻电机无位置传感器速度与位置计算方法，该方法采用全维状态观测器算法，以可测的电机相电压、相电流为观测器输入量，结合开关磁阻电机数学模型，构建开关磁阻电机驱动控制系统的位置和速度观测器，从而实现对开关磁阻电动机无位置传感器速度控制，具体技术方案如下。

一、建立开关磁阻电机的基本电压方程:

式中为u电机相电压，i电机相电流，R定子电阻，θ转子位置角，L(θ)定子电感是θ的函数，K(θ)是电机反电势系数是θ的函数，ωm转子转速。

二、由(1)式，建立开关磁阻电动机数学模型方程：

设电机相绕组通电开通时间ton，设电机相绕组通电关断时间tc，则电机运行时，相绕组通电时段(tc-ton)的(2)式中磁通量ψ、电感L(Θ)、反电势系数K(Θ)分别为: