发明解读

一种开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法及应用

授权公告号：CN109391183B

授权公告日：2020.05.08

专利权人：南京信息工程大学

发 明 人：蔡骏; 陆琳娜; 向程; 刘泽远; 赵兴强

位置信号是开关磁阻电机高性能控制的基本条件，传统的位置传感器受限于温度、油污等环境因素，在低温、高温等恶劣工作环境中通常无法正常运行。无位置传感器技术是利用开关磁阻电机的电磁特性来估计转子位置的方式，该方式可以在不增加硬件条件的情况下实现转子位置的估计或驱动信号的直接获取，从而取代传统的传感器。理想情况下无位置传感器可以降低系统的成本和体积，也可以增加系统的可靠性，能适合高温、高速、以及多种工况。但无位置传感器算法通常受限于复杂的数学模型、智能算法、观测器等复杂算法，对控制器要求非常高、占用控制其资源大，算法与电机控制耦合严重等问题，目前无位置传感器技术仍然是开关磁阻电机的热点和难点问题。尤其在起动阶段，如何实现带载运行时电感饱和模式下的精确初始定位和超低速阶段的连续位置估计，以及低速运行时的位置估计算法的容错控制，仍然是亟待解决的技术问题。本发明为解决上述问题，提出一种无位置传感器低速起动和容错控制方法，实现了精确初始定位和超低速位置连续估计，在低速运行阶段采用阀值脉冲方式实现各相位置检索脉冲的独立估计，从而具备容错功能。此外，通过将电机各相相对极绕组串联，形成每相两套独立的相绕组，采用两串两并的方式连接，采用一套功率变换器在每相两组绕组的独立注入和估计，从先实现位置估计算法的冗余备份。或者采用两套功率变换器将两组独立绕组分开而组成电机双通道控制形式，使得电机本体、功率变换器以及无位置传感器算法都能实现双余度备份。该方法的实施有助于提升开关磁阻电机驱动系统的系统容错能力，增强系统的可靠性，也进一步提升了开关磁阻电机在诸如电动汽车驱动电机、起动发电机、高端电动工具、压缩机、离心机电机等需要频繁起动的应用领域的控制性能。拓宽了开关磁阻电机的应用范围。

发明内容

一种具备冗余、容错能力的开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法，去除了传统的位置传感器，并提升开关磁阻电机的频繁可靠起动性能。

设计了一种开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法，包括非导通相高频信号注入与响应电流峰值抑制方法，当导通相关断、且续流电流低于预设阀值后，针对非导通相注入高频电压脉冲，在脉冲注入的同时，对脉冲响应电流进行斩波处理。

一种优选技术方案：包括脉冲注入区电感估计方法，通过计算相开通与关断时、所对应上升斜率和下降斜率的斜率差值，将相开通与关断的相电压方程连立，计算获得脉冲注入区的增量电感值，即为脉冲注入区的相电感。

一种优选技术方案：包括注入斩波区域关闭方法，将计算所获电感值与预设电感底部阀值L low 比较，若计算所获电感值L A 小于预设电感底部阀值L low 时，则关闭斩波区域，切换电感估计相，非导通区域进入无脉冲注入的无激励区。

一种优选技术方案：包括位置估计区确定方法，基于非导通相高频信号注入方法，当任意相进入高频注入或注入区斩波控制后，即计算该相相电感值，当计算所获该相相电感值大于L low ，且小于或等于预设电感顶部阀值L High 时，该相即作为估计相，依次类推，进而确定位置估计区。

一种优选技术方案：包括静止起动和低速连续位置估计方法，基于脉冲注入区电感估计方法，在初始位置估计和低转速区域，针对电感计算区、不饱和电感相对转子位置角曲线进行建模和查表处理，进而通过实时计算相电感，获得各相的转子估计位置，将各相的转子估计位置进行组合，获得得到整个电周期的转子位置信号。

一种优选技术方案：包括起动后中低速运行时具备容错能力的位置估计方法，当转速升高到200 转/分以上，将各相全周期不饱和电感上、下交点位置的电感值，分别作为上部阀值和下部阀值，将计算电感值与上部阀值和下部阀值比较，基于位置估计区确定方法，得到相应的位置脉冲信号。

与上述相对应，解决技术问题是提供一种开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法的应用，针对双通道开关磁阻电机，实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计，以及低速运行时的冗余、容错控制，提升无位置传感器位置估计的冗余和容错能力，增强开关磁阻电机驱动系统的可靠性。

为解决上述技术问题采用以下技术方案：设计了一种开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法的应用，包括针对单通道开关磁阻电机，用于实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计；单通道开关磁阻电机为A、B、C三相单通道开关磁阻电机，其中，开关磁阻电机各相中，两对相对定子极绕组分别彼此串联，分别形成两套独立串联绕组，并将两套独立串联绕组相互并联，构成所对应相的绕组；功率变换器母线端接直流母线电压源Um，与滤波电解电容Cm 并联后接入功率变换器第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一桥臂第一开关管T1 的集电极接至直流母线电压源正极，发射极接C 相绕组，C 相绕组另一端接至第二开关管T2 的集电极，第二开关管T2 的发射极接至直流母线电压源负极，第二开关管T2 的集电极接至第一二极管D1 的阳极，第一二极管的阴极接至直流电压源的正极，第二二极管D2 的阳极接至直流电压源的负极，第二二极管D2 的阴极接至第一开关管的发射极，第二桥臂和第三桥臂的接法与第一桥臂接法一致；每相绕组的两个并联支路分别通过电流传感器进行电流检测；

基于上述开关磁阻电机结构，在静止起动和低速运行时，针对开关磁阻电机结构中的各相绕组，选取至少一条检测信号正常的支路，应用非导通相高频信号注入与响应电流峰值抑制方法、脉冲注入区电感估计方法、注入斩波区域关闭方法、位置估计区确定方法、静止起动和低速连续位置估计方法、以及起动后中低速运行时具备容错能力的位置估计方法，实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计。

同时，提供一种开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法的应用，针对双通道开关磁阻电机，实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计，以及低速运行时的冗余、容错控制，提升无位置传感器位置估计的冗余和容错能力，增强开关磁阻电机驱动系统的可靠性。

设计了一种开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法的应用，包括针对双通道开关磁阻电机，实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计；双通道开关磁阻电机为A、B、C 三相双通道开关磁阻电机，其中，开关磁阻电机为A、B、C 三相开关磁阻电机，其中，开关磁阻电机各相中，两对相对定子极绕组分别彼此串联，分别形成两套独立串联绕组；针对各相中的其中一套独立串联绕组，通过功率变换器1 组成开关磁阻电机的驱动控制通道1；以及针对各相中另一套独立串联绕组，通过功率变换器2 组成开关磁阻电机的驱动控制通道2；并通过共用控制器实现驱动控制通道1 和驱动控制通道2 的独立控制；驱动控制通道1 和驱动控制通道2 的电路拓扑一致，驱动控制通道1 和驱动控制通道2 并联接入公共的直流母线电压源Um，与滤波电解电容Cm 并联后接入功率变换器第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一桥臂第一开关管T1 的集电极接至直流母线电压源正极，发射极接C 相绕组，C 相绕组另一端接至第二开关管T2 的集电极，第二开关管T2 的发射极接至直流母线电压源负极，第二开关管T2 的集电极接至第一二极管D1 的阳极，第一二极管的阴极接至直流电压源的正极，第二二极管D2 的阳极接至直流电压源的负极，第二二极管D2 的阴极接至第一开关管的发射极，第二桥臂和第三桥臂的接法与第一桥臂接法一致；每相绕组的两个并联支路分别通过电流传感器进行电流检测；

基于上述开关磁阻电机结构，在静止起动和低速运行时，针对开关磁阻电机结构中的各相绕组，选取至少一条检测信号正常的支路，应用非导通相高频信号注入与响应电流峰值抑制方法、脉冲注入区电感估计方法、注入斩波区域关闭方法、位置估计区确定方法、静止起动和低速连续位置估计方法、以及起动后中低速运行时具备容错能力的位置估计方法，实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计。

一种开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法及应用，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

设计一种开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法及应用，实现精确初始定位和超低速位置连续估计，以及低速运行时的冗余、容错控制。同时通过开关磁阻电机绕组组合方式和双通道功率控制方式进一步提升无位置传感器控制所需要绕组电流信息的检测余度，从而提升无位置传感器位置估计的冗余和容错能力，增强开关磁阻电机驱动系统的可靠性。适合可靠性要求极高、恶劣工作环境和频繁大扭矩起停的特殊应用场合，在诸如航空航天起动发电机、电动燃油泵、新能源汽车驱动电机、高端装备主轴电机、电动工具驱动电机等领域具有良好的应用前景。

实施方式：

一种开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法，如图1 所示，实际应用中，包括非导通相高频信号注入与响应电流峰值抑制方法、脉冲注入区电感估计方法、注入斩波区域关闭方法、位置估计区确定方法、静止起动和低速连续位置估计方法、起动后中低速运行时具备容错能力的位置估计方法。

其中，为避开起动阶段导通区电流大使得相电感饱和非线性强的问题，提出非导通相高频信号注入与响应电流峰值抑制方法，当导通相关断、且续流电流低于预设阀值后，针对非导通相注入高频电压脉冲，在脉冲注入的同时，对脉冲响应电流进行斩波处理。以A 相为例，当A 相非导通区脉冲电流超过初设斩波限值时，进行电流斩波控制限值脉冲电流大小，从而避开高压起动阶段脉冲电流过大而产生的负转矩影响，也可以避免当相绕组电阻非常小时，注入频率的选取不当而造成响应电流过大烧毁功率系统的问题。该方式可以使得非导通区注入频率不至于过高，从而减小开关损耗和电磁干扰，有利于非导通区电感估计。在非导通相高频信号注入的区域，由于响应电流为脉冲电流或者斩波电流，开关管维持较高频率的通断控制，相开通和关断的切换的时间可以忽略不计。因此在开通与关断的切换瞬间电流和转速可以视为不变，那么通过计算相开通与关断时的上升斜率和下降斜率的斜率差值，将开通和关断的相电压方程连立，即可计算出该点位置的增量电感值。由于非导通区脉冲电流得以限制于饱和电流以下，那么所得到的增量电感可以近似等于相电感。

脉冲注入区电感估计方法，由于响应电流为脉冲电流或者斩波电流，开关管维持较高频率的通断控制，相开通和关断的切换的时间可以忽略不计，因此在开通与关断的切换瞬间，电流和转速可以看做不变，通过计算相开通与关断时、所对应上升斜率和下降斜率的斜率差值，将相开通与关断的相电压方程连立，计算获得脉冲注入区的增量电感值，由于非导通区脉冲电流得以限制于饱和电流以下，那么所得到的增量电感值可以近似等于相电感，即为脉冲注入区的相电感。

注入斩波区域关闭方法，将计算所获电感值与预设电感底部阀值L low 比较，若计算所获电感值L A 小于预设电感底部阀值L low 时，则关闭斩波区域，切换电感估计相，非导通区域进入无脉冲注入的无激励区。

为利用各相非导通区所计算的相电感来进行位置估计，需要确定各相进行位置估计所在的区间，为此提出位置估计区确定方法，以电机运行控制相序为A-B-C 为例，A 相电感等于所预设底部电感阀值L low 时刻，所对应的B 相电感值大小为顶部电感阀值L High，基于非导通相高频信号注入方法，当任意相进入高频注入或注入区斩波控制后，即计算该相相电感值，当计算所获该相相电感值大于L low，且小于或等于预设电感顶部阀值L High 时，该相即作为估计相，依次类推，进而确定位置估计区。此外，当判断到当计算电感LA 小于底部电感阀值L low 时，则可以关闭斩波区域，切换电感估计相，非导通区域进入无脉冲注入的无激励区，该方式可以进一步避开脉冲注入的负转矩影响。

在确定估计区间后，即可实施静止起动和低速运行时的连续位置估计，即静止起动和低速连续位置估计方法，基于脉冲注入区电感估计方法，在初始位置估计和低转速区域，针对电感计算区、不饱和电感相对转子位置角曲线进行傅里叶级数拟合、查表或神经网络模型进行建模和查表处理，进而通过实时计算相电感，获得各相的转子估计位置，将各相的转子估计位置进行组合，获得得到整个电周期的转子位置信号。

起动后中低速运行时具备容错能力的位置估计方法，当转速升高到200 转/分以上，将各相全周期不饱和电感上、下交点位置的电感值，分别作为上部阀值和下部阀值，将计算电感值与上部阀值和下部阀值比较，基于位置估计区确定方法，得到相应的位置脉冲信号；由于脉冲上升沿和下降沿均为特殊位置点，通过记录相邻检索脉冲边沿时刻，即可实现转速和位置信号的估计，该方式具备各相估计完全独立的特点，可以实现一相或两相检测信号丢失故障时的无位置传感器容错控制，因此该无位置传感器方法具备多冗余和强容错能力。

基于上述所设计的各个方法，只需要分别检测各相绕组电流即可实现，而与各相绕组采用该相各定子极绕组全串联、两串两并联、全并联的方式无关，该位置估计方法在电机起动后的中低速运行模式已经具备三相冗余和容错估计能力；因此，基于上述所设计的各个方法，本发明还设计了一种开关磁阻电机无位置传感器低速起动冗余容错控制方法的应用，包括针对单通道开关磁阻电机，用于实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计；以及针对双通道开关磁阻电机，实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计。

如图2 所示单通道开关磁阻电机的控制系统框图，其由控制器，一套功率变换器连接开关磁阻电机绕组而构成，开关磁阻电机绕组可以采用全串联、两串联后再并联、以及全并联三种连接模式。绕组全串联的功率变换器拓扑如图3 所示，绕组两串联后再并联的功率变换器拓扑如图4 所示，绕组全并联的功率变换器拓扑如图5 所示。功率变换器采用传统的不对称半桥拓扑，有三个桥臂构成，每个桥臂连接一相绕组。图3 ～图5 三种拓扑结构中，每相绕组电流采用一个电流传感器进行相电流检测。由于图1 所示的位置估计方法只需要分别检测各相绕组电流即可实现，而与各相绕组采用该相各定子极绕组全串联、两串两并联、全并联的方式无关，该位置估计方法在电机起动后的中低速运行模式已具备三相冗余和容错估计能力。

针对单通道开关磁阻电机，实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计中，单通道开关磁阻电机为A、B、C 三相单通道开关磁阻电机，其中，开关磁阻电机各相中，两对相对定子极绕组分别彼此串联，分别形成两套独立串联绕组，并将两套独立串联绕组相互并联，构成所对应相的绕组；如图6 所示，即将开关磁阻电机A 相两对相对定子极绕组a1 和a3 串联，a2 和a4 串联，从而形成两套独立的绕组，将两对绕组并联后作为A 相绕组，B 相两对相对定子极绕组b1 和b3 串联，b2 和b4 串联，从而形成两套独立的绕组，将两对绕组并联后作为B 相绕组，C 相两对相对定子极绕组c1 和c3 串联，c2 和c4 串联，从而形成两套独立的绕组，将两对绕组并联后作为C 相绕组，A、B、C三相均构成两串两并形式；功率变换器母线端接直流母线电压源Um，与滤波电解电容Cm 并联后接入功率变换器第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一桥臂第一开关管T1 的集电极接至直流母线电压源正极，发射极接C 相绕组，C 相绕组另一端接至第二开关管T2 的集电极，第二开关管T2 的发射极接至直流母线电压源负极，第二开关管T2 的集电极接至第一二极管D1 的阳极，第一二极管的阴极接至直流电压源的正极，第二二极管D2 的阳极接至直流电压源的负极，第二二极管D2 的阴极接至第一开关管的发射极，第二桥臂和第三桥臂的接法与第一桥臂接法一致；每相绕组的两个并联支路分别通过电流传感器进行电流检测；即每相绕组的两个并联支路分别通过电流传感器进行电流检测，S1 和S2 电流传感器分别检测a1 和a3 的串联支路与a2 和a4 的串联支路，S3 和S4 电流传感器分别检测b1 和b3 的串联支路与b2 和b4 的串联支路，S5 和S6 电流传感器分别检测c1 和c3 的串联支路与c2 和c4 的串联支路；采用功率变换器和相绕组连接结构，每相绕组均具备冗余支路。

基于上述开关磁阻电机结构，此外由于各相绕组均存在冗余支路，因此可以满足在出现检测信号故障时位置估计算法的冗余备份和容错运行，在起动后的低速运行时，则在静止起动和低速运行时，针对开关磁阻电机结构中的各相绕组，选取至少一条检测信号正常的支路，应用非导通相高频信号注入与响应电流峰值抑制方法、脉冲注入区电感估计方法、注入斩波区域关闭方法、位置估计区确定方法、静止起动和低速连续位置估计方法、以及起动后中低速运行时具备容错能力的位置估计方法，实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计，无位置传感器位置估计算法存在6 倍的冗余度，可维持开关磁阻电机的高可靠的无位置传感器冗余和容错控制。

如图7 所示双通道开关磁阻电机的控制系统框图，相较于传统单通道的方式，双通道采用两套功率变换器和一套公共的控制器，并将开关磁阻电机各相绕组分成两套独立的相绕组，分别通过两套功率变换器进行独立控制。

针对双通道开关磁阻电机，实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计中；双通道开关磁阻电机为A、B、C 三相双通道开关磁阻电机，其中，开关磁阻电机为A、B、C 三相开关磁阻电机，其中，开关磁阻电机各相中，两对相对定子极绕组分别彼此串联，分别形成两套独立串联绕组；即如图8 所示，将开关磁阻电机A 相两对相对定子极绕组a1 和a3 串联，a2和a4 串联，从而形成两套独立的绕组，B 相两对相对定子极绕组b1 和b3 串联，b2和b4 串联，从而形成两套独立的绕组，C相两对相对定子极绕组c1 和c3 串联，c2 和c4 串联，从而形成两套独立的绕组；针对各相中的其中一套独立串联绕组，通过功率变换器1 组成开关磁阻电机的驱动控制通道1，即将A 相a1-a3 绕组、B 相b1-b3 绕组和C 相c1-c3 绕组通过功率变换器1 组成开关磁阻电机的驱动控制通道1；以及针对各相中另一套独立串联绕组，通过功率变换器2 组成开关磁阻电机的驱动控制通道2，即将A相a2-a4 绕组、B 相b2-b4 绕组和C 相c2-c4 绕组通过功率变换器2 组成开关磁阻电机的驱动控制通道2；并通过共用控制器实现驱动控制通道1 和驱动控制通道2 的独立控制；功率变换器通道1 和功率变换器通道2 并联接入公共的直流母线电压源Um；驱动控制通道1 和驱动控制通道2 的电路拓扑一致，驱动控制通道1 和驱动控制通道2 并联接入公共的直流母线电压源Um，与滤波电解电容Cm 并联后接入功率变换器第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一桥臂第一开关管T1 的集电极接至直流母线电压源正极，发射极接C 相绕组，C 相绕组另一端接至第二开关管T2 的集电极，第二开关管T2 的发射极接至直流母线电压源负极，第二开关管T2 的集电极接至第一二极管D1 的阳极，第一二极管的阴极接至直流电压源的正极，第二二极管D2 的阳极接至直流电压源的负极，第二二极管D2 的阴极接至第一开关管的发射极，第二桥臂和第三桥臂的接法与第一桥臂接法一致；每相绕组的两个并联支路分别通过电流传感器进行电流检测。

驱动控制通道1 和驱动控制通道2 完全独立，任意通道都可以实现电机的独立运行控制，从电机控制角度具备两个通道控制的冗余；从无位置传感器位置估计的角度，A 相a1-a3 绕组、B 相b1-b3 绕组和C 相c1-c3 绕组以及A 相a2-a4绕组、B 相b2-b4 绕组和C 相c2-c4 绕组是两套完全独立的三相绕组。

基于上述开关磁阻电机结构，在静止起动和低速运行时，针对开关磁阻电机结构中的各相绕组，选取至少一条检测信号正常的支路，应用非导通相高频信号注入与响应电流峰值抑制方法、脉冲注入区电感估计方法、注入斩波区域关闭方法、位置估计区确定方法、静止起动和低速连续位置估计方法、以及起动后中低速运行时具备容错能力的位置估计方法，实现初始定位和低速运行时的连续转子位置估计。

发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。