一種無位置傳感器的SRM控制策略研究*

周　蕓　王　龍　王　磊　耿振科

(西安工業大學　西安　710021)

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一種無位置傳感器的SRM控制策略研究*

周蕓王龍王磊耿振科

(西安工業大學西安710021)

摘要開關磁阻電機(SRM)有結構簡單、效率高、魯棒性好等優點,應用范圍愈加廣泛,但位置傳感器的引入增加了結構的復雜性,降低了效率和魯棒性,提高了系統成本,為了解決這個問題,論文研究了一種無位置傳感器的控制策略——改進型簡化磁鏈法控制。論文詳細闡述了改進型簡化磁鏈法的基本原理和實現方法,并對基于這種控制策略的開關磁阻電機的控制進行了Matlab仿真。仿真結果表明該種控制策略可以實現無位置傳感器的開關磁阻電機的轉速的調控。

關鍵詞SRM; 改進型簡化磁鏈法; 位置傳感器; Matlab仿真

A SRM Control Strategy Without Position Sensor

ZHOU YunWANG LongWANG LeiGENG Zhenke

(Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractSwitched reluctance motor(SRM) has the advantages of simple structure, high efficiency and good robustness, it is applied more widely, but the introduction of the position sensor and increases the complexity of the structure, reduce the efficiency and robustness, and raise the cost of the system, in order to solve this problem, a kind of sensorless control strategy — the modified method of simplified flux control is studied in this article. The basic principle and implementation method of modified simplified flux method are introduced in detail, and based on this kind of control strategy of the switched reluctance motor control is simulated by Matlab. The simulation results show that this control strategy can achieve sensorless switched reluctance motor speed control.

Key Wordsswitched reluctance motor, the modified method of simplified flux, position sensor, Matlab simulation

Class NumberTP212

1引言

開關磁阻電動機(SRM)憑借其結構簡單,控制效率高,系統有很高的可靠性,魯棒性好,節能效果顯著的優勢,在許多領域都顯示出了強大的競爭力。然而,開關磁阻電機調速系統(SRD)對位置傳感器的依賴,不僅增加了系統的復雜性和成本,降低了系統結構的堅固性和魯棒性,并且提高了系統對工作環境的要求。因此無位置傳感器SRD的研究逐漸成為了研究的熱點[1~2]。

本文針對無位置傳感器的開關磁阻電機控制策略——改進型簡化磁鏈法控制策略展開研究。改進型簡化磁鏈法,憑借其獨特的控制思想,實現形式簡單,實現了無位置傳感器的開關磁阻電機調速目的。

2開關磁阻電機的控制策略

圖1是四相8/6結構開關磁阻電機的剖面圖,電機是雙凸極結構,只在定子極上有集中繞組,轉子上既無繞組也無永磁體,A、B、C、D四相繞組由對應繞組串聯而成。SRM的工作原理遵循“磁阻最小原理”[2,6]——磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合。

開關性是開關磁阻電機最重要的特性之一,即電機轉子的位置信息判斷對電機入繞組的通電順序,那么如何獲得轉子準確的位置信息就顯得十分重要。目前常見的方法就是通過在電機定子和轉子上加裝相應的位置傳感器,利用位置傳感器發出的信號獲得準確的定、轉子相對位置。但位置傳感器的引入也同時增加了系統的成本,降低了系統穩定性,限制了控制系統在某些特殊場合的應用。本文研究了無位置傳感器的開關磁阻電機控制策略——基于改進型簡化磁鏈法的控制策略。

圖1　四相8/6開關磁阻電機剖面圖

2.1傳統磁鏈法

磁鏈法的最初思想如下:忽略SRM繞組互感的影響,則相繞組磁鏈與該相繞組的電流、轉子位置的存在著非線性關系,即:

φ=φ(θ,i)

(1)

θ=(φ,i)

(2)

由于凸極效應對開關磁阻電機的影響,不同的轉子位置對應著不同的磁鏈-電流曲線,若能測得如圖2所示對應不同轉子位置的磁鏈、電流曲線簇,就能建立關于磁鏈、電流及轉子位置的三維表[4,9]并存儲在內存中,那么通過計算每一時刻的繞組磁鏈,并將計算得到的磁鏈與當前的繞組采樣電流一起查表即可得到當前的轉子位置,并不需要在電機上加裝位置傳感器。

圖2　四相8/6 SRM磁化特性曲線

這類方法存在著以下不足之處:

1) 需要離線測量大量的SRM靜態磁鏈特性數據,以建立三維表格,測量方法繁瑣,且工作量大;

2) 需要大量的存儲空間用以存儲建立的三維表格;

3) 該方法在控制時的查表運算時間較長,對控制芯片的運行速度有較高要求。

2.1.1簡化磁鏈法

針對傳統磁鏈法的不足,提出了基于簡化磁鏈法的控制策略是在簡化磁鏈的基礎上同電流斬波控制相結合,即在電機單相輪流導通時,并不需要任一時刻的轉子位置信息,只要能夠對轉子是否到達換相位置進行判斷即可,因此轉子位置檢測就可以簡化為轉子換相位置檢測[5~6]。即只需將對應當前電流的換相位置磁鏈作為參考磁鏈并與估算得到的磁鏈比較大小,若前者大于后者,則判斷還未到換相位置,應繼續導通當前相,反之則認為已到達換相位置,應關斷當前相,同時導通下一相。

2.1.2改進型簡化磁鏈法

簡化磁鏈法的控制策略是只判斷電機運行磁鏈同關斷處磁鏈的大小,以確定電機的開通相,這樣就會存在兩相甚至多相同時導通的情況,多于一相電流同時存在會降低電機的調速效率。本文在簡化磁鏈法的基礎上,通過離線得到不同電流下關斷角處的磁鏈作為參考磁鏈,并進行當前相磁鏈與參考磁鏈的比較,確定關斷位置,并以關斷位置為基準估算出速度和轉子位置[10],進而和開通角進行比較,以進一步確定當前相的開通與否。這樣可以避免多相電流同時存在,提高了調速系統的運行穩定性和效率。如圖3所示為基于改進型簡化磁鏈法的SRM控制系統框圖。

圖3　改進型簡化磁鏈法控制框圖

2.1.3轉速估算

由于本文中關斷角固定,SRM電動機相鄰兩相繞組關斷時刻之間的轉子轉過角度Δθ一定,對8/6結構的SRM電機而言,設定開通角、關斷角分別為30°、45°,因此Δθ=15°;而兩相繞組關斷時刻的時間差可由兩個關斷時刻之間定時計數器中斷服務程序執行數N決定,則SRM轉子角速度可由下式估算:

(3)

式中ω為轉速估計值(rad/s),fclk為定時器中斷服務程序執行的頻率(Hz)。

2.2基于改進型簡化磁鏈法的Matlab仿真分析

在Matlab/Simulink中建立一個四相開關磁阻電機的模型,整個系統包括SRM電機本體、功率變換器、簡化磁鏈控制器等[3,7~8]。然后利用該模型對基于改進型簡化磁鏈法控制系統進行仿真研究,為對比也對基于簡化磁鏈法控制系統進行了仿真。模型圖如圖4所示。

圖4　改進型簡化磁鏈法控制器仿真建模

圖5　基于改進型簡化磁鏈法SRM控制仿真建模

3仿真結果分析

從圖6、圖7對比可以看到,簡化磁鏈法有兩相電流同時存在的情況,改進型簡化磁鏈法只有單相電流存在,沒有出現多相電流同時存在的情況。

由圖8~圖11比較分析可以看出,改進型簡化磁鏈法可將電機迅速調至期望轉速,并且相比較于傳統的簡化磁鏈法,調速效率較高。由于簡化磁鏈法調速過程中有兩相電流同時存在,則會導致負轉矩產生,致使電機轉速出現下降的過程,使整個調速系統的效率降低。改進型磁鏈法只存在單相電流,則轉矩不會出現負轉矩,電機轉速迅速平穩上升至期望轉速。

圖6　簡化磁鏈法電流圖

圖7　改進型簡化磁鏈法電流圖

圖8　簡化磁鏈法轉矩圖

圖9　改進型簡化磁鏈法

圖10　簡化磁鏈法轉速圖

圖11　改進型簡化磁鏈法轉速

4結語

基于改進型簡化磁鏈法的開關磁阻控制策略,實現了在無位置傳感器的前提下,對電機轉速的估計,對電機通電換相位置的檢測,達到了電機調速的目的。并改進了簡化磁鏈法控制策略僅對換相位置的檢測未對開通位置加以限制的弊端,避免了多相電流同時存在的情況,改善了調速性能,使調速過程更加平穩、有效。

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中圖分類號TP212

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.028

作者簡介:周蕓,女,教授,碩士生導師,研究方向:信息處理與智能控制。王龍,男,碩士研究生,研究方向:電子與通信工程。王磊,男,碩士研究生,研究方向:控制工程。耿振科,男,碩士研究生,研究方向:控制工程。

收稿日期:2015年9月8日,修回日期:2015年10月23日