開關磁阻電機特征點交截的轉子位置估計方法*

孫　剛,　張　磊

(南京信息職業技術學院,江蘇 南京　210023)

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開關磁阻電機特征點交截的轉子位置估計方法*

孫剛,張磊

(南京信息職業技術學院,江蘇 南京210023)

摘要：針對傳統的脈沖注入法需要脈沖電流閥值，而且只能實現單拍工作的缺點，在傳統的脈沖注入法基礎上，提出一種特征點交截的轉子位置估計方法。根據電感曲線、脈沖電流峰值、轉子位置三者之間關系，對開關磁阻電機各相同時注入高頻脈沖，提取相脈沖電流峰值的包絡線。因為包絡線的交點對應轉子位置信號的變化，所以只要通過簡單的邏輯比較，就可以間接獲得轉子的位置。通過仿真和試驗，驗證了該方法的可行性。

關鍵詞：開關磁阻電機； 無位置檢測； 特征點交截； 脈沖注入

0引言

開關磁阻電動機(Switched Reluctance Motor, SRM)具有結構簡單堅固、效率高、調速范圍寬等許多優點，在混合動力電動車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)、風能發電、家用電器、航空器等許多領域具有廣闊的應用前景。在目前的應用系統中，SRM都需要位置傳感器獲取轉子的位置，使得系統結構變得復雜、成本增大。在高溫、振動等惡劣運行環境下，位置傳感器有失效可能性，降低了系統的可靠性，故SRM無位置傳感器技術得到國內外很多學者的廣泛研究[1-2]，也取得了大量的研究成果。

SRM無位置檢測技術分為被動檢測法、主動檢測法及混合檢測法。被動檢測法分為磁鏈/電流法、互感法、狀態觀測器法和人工智能法，直接利用電機的相電壓、相電流以及磁鏈等電磁量，根據預先建立的電機模型來估計轉子位置。該方法的優點是無需外加檢測電路，缺點是算法復雜、計算量很大、對處理器的要求高。主動檢測法有脈沖注入法、調制解調法及附加電路法。混合檢測法需要同時使用激勵相和空閑相的電壓、電流等信息，并進行相應的解算得到轉子位置，典型的有互感電壓檢測法[3]和遞歸最小二乘法[4]等。

在脈沖注入法中[5-9]，對非導通相注入高頻脈沖信號，根據脈沖電流和電感的關系，通過脈沖電流與預定的電流閾值比較，得到轉子的換相信號。該方法邏輯簡單、容易實現、但精度低、可靠性差、閾值確定困難，當電源電壓波動或者負載發生變化時，電流閾值會隨之變化，若閾值不及時更新，就會產生很大的誤差。文獻[6]提出了同時向兩相非激勵相注入脈沖，比較其脈沖電流的大小來確定換相信號。該方法優點是不需要電流閾值，換相點的判斷與響應電流的相對變化有關，而與其值的大小無關，即無論電壓脈沖激勵的持續時間和幅值是否發生變化，都不會影響換相點的判斷，就大大增加了抗干擾性，但缺點是只能實現單相導通，不能進行雙拍工作，對提高電磁轉矩是不利的。

本文在基于脈沖注入法的基礎上提出一種新型的特征點交截的轉子位置估計方法。其依據三相的電感曲線與轉子位置的函數關系，利用簡單的比較電路獲得像光電式位置傳感器一樣的半周期轉子位置信號。

1特征點交截基本原理

本文樣機為12/8結構的三相開關磁阻電機，根據SRM電機的結構特點，在靜止和低速情況下，忽略互感和旋轉電動勢，脈沖電流峰值與電機電感成反比關系，如圖1所示。因為電感包含了轉子的位置信息，所以脈沖電流峰值包絡線也就反映了電機位置信號的變化。

圖1　電感-脈沖電流-位置關系

因為開關磁阻電機結構對稱，所以12/8結構SRM三相電感曲線相差15°。由圖2電感與轉子位置信號之間的關系可以看出，A相θ=0°位置對應B相和C相電感曲線交點M1，在θ=22.5°時對應B相和C相電感曲線的交點M2，M1和M2兩點正是A相位置信號變化的時刻，所以可以通過B相和C相的電感曲線的交點判斷A相的位置信號，點M1、M2相差半電感周期。同理，也可以通過A相和B相電感曲線交點判斷C相的位置信號，A相和C相電感曲線交點判斷B相的位置信號。

圖2　三相電感與轉子位置關系

根據圖1電感曲線與脈沖電流包絡線反比關系，三相脈沖電流包絡線兩兩交點也都對應另一相位置信號的變化時刻，所以可以同時向三相注入高頻脈沖，解算出脈沖電流峰值的包絡線，利用包絡線兩兩比較估計出轉子位置信號(P、Q、R)。

2仿真分析

為了驗證本文方法的可行性，在MATLAB/Simulink環境下搭建了12/8結構SRM位置估計的仿真模型。仿真條件： 母線電壓為270V，注入的高頻測試脈沖頻率fs=10kHz，占空比為10%，電流斬波限為8A。圖3(a)是電機運行中的相電流波形，圖3(b)是相電流中脈沖電流變化量波形，圖3(c)是A、B、C三相脈沖電流變化量波形。由于需要使用脈沖電流峰值包絡線，本文設計了一個低通濾波器，提取脈沖電流變化量的包絡線。圖4是在轉速為1000r/min下得到的三相脈沖電流變化量包絡線，每相包絡線出現了“駝峰”現象，是由互感和低通濾波所產生的，對特征點交截沒有影響。圖5是在轉速1000r/min下通過A相 和C相的包絡線，估計出來的B相轉子位置信號，虛線是估計的位置信號，實線是實際位置信號，從仿真結果可看出位置估計誤差很小，完全能滿足電機驅動的條件。

圖3　脈沖電流幅值變化曲線

圖4　三相脈沖電流幅值包絡線

圖5　轉速為1000r/min估計的B相位置信號

特征點交截法是通過注入脈沖實現的，隨著電機轉速提高，脈沖電流重疊也就越嚴重，估計出來的位置誤差就越大。本文通過仿真分析了轉速對位置估計誤差的影響程度。圖6是不同轉速情況下估計出來的開通角、關斷角與實際的開通角、關斷角的誤差曲線。從誤差變化曲線可知： 隨著轉速增加，誤差變大，到了轉速750r/min時，開通角的誤差發生突變，在轉速為0～750r/min內開通角誤差變化幾乎為0，關斷角誤差也不大，所以特征點交截法和脈沖注入方法一樣非常適合在低速運行狀態下。

圖6　不同轉速下開通角和關斷角誤差曲線

3試驗分析

試驗樣機為三相12/8結構的開關磁阻電機： 額定轉速為1500r/min、額定功率為1.5kW、工作電壓為270V，高頻脈沖頻率為2.5kHz，占空比為15%。

3.1初始位置的估計

根據電感與脈沖電流峰值反比關系，本文提出的特征點交截法也可適用電機初始位置的判斷。靜止時，給三相同時通入短時電壓脈沖，然后檢測其響應電流的峰值，通過比較響應電流峰值的大小可以推斷出初始起動相。表1是三相脈沖電流峰值與初始相判斷關系表，通過綜合邏輯判斷很容易得出初始相。圖7是隨機初始狀態下三相電流脈沖峰值試驗波形。由試驗波形看出：ia>ic>ib。表1為初始相與脈沖電流峰值關系，通過表1容易判斷B相為初始相。

表1　初始相與脈沖電流峰值關系

圖7　初始位置脈沖電流峰值

3.2起動過程位置估計

在低速運行狀態中，通過特征點交截方法估計轉子的位置信號。圖8是注入的脈沖信號和對應的脈沖電流峰值試驗波形；圖9是轉速為800r/min時，電機的相電流與脈沖電流幅值信號試驗波形。從試驗波形圖可以看出： 與仿真圖3(a)、圖3(b)一致，通過低通濾器提取出三相電流幅值變化的包絡線，利用前面所說的特征點交截方法獲取三相位置信號。本文對該方法估算出來的位置信號與樣機上安裝的光電式位置傳感器檢測的三相位置信號進行了對比。實際位置信號P與估計的位置信號P*如圖10所示。從試驗波形看出： 實際位置信號P與特征點交截方法得到的位置信號P*基本一致，完全能滿足工程需要。

圖8　脈沖信號與脈沖電流

圖9　相電流與脈沖電流幅值波形

圖10　實際位置信號P與估計的位置信號P*

4結語

本文是在脈沖注入法的基礎上，利用電機電感曲線與轉子位置的函數關系，提出一種特征點交截的轉子位置估計的方法。該方法不需要脈沖電流閾值，算法簡單，只需簡單的邏輯比較電路就可以得到與光電傳感器得到的一樣的半周期位置信號，能實現雙拍工作。試驗結果表明了本文提出的無位置傳感器檢測方法簡單、實用。

【參 考 文 獻】

[1]劉迪吉.開關磁阻調速電動機[M].北京： 機械工業出版社，1994.

[2]王宏華.開關型磁阻電動機調速控制技術[M].北京： 機械工業出版社，1995.

[3]陳東升,張淼,張矛盾.基于互感電壓的無位置傳感器SRM初始位置檢測[J].電氣傳動，2010，40(6)： 75-77.

[4]夏長亮，王明超，史婷娜.基于神經網絡的開關磁阻電機無位置傳感器控制[J].中國電機工程學報,2005,25(13)： 123-128.

[5]辛凱.開關磁阻電機滑模觀測器間接位置檢測研究[D].武漢： 華中科技大學,2007.

[6]李景男,王旭東,周永琴.基于兩相脈沖激勵的開關磁阻電動機無位置傳感器轉子位置檢測[J].電機與控制學報,2002,6(1)： 6-9.

[7]馮雷,劉闖,周強.SRD反串測試線圈的轉子位置特征值檢測[J].電工技術學報,2008,23(3)： 24-29.

[8]ZHANG L, LIU C, ZHU SS, et al. Eigenvalue detection method for SRM rotor position estimation[C]∥In Proc ICEMS’11,2011： 1-5.

[9]毛宇陽，鄧智泉，蔡駿，等.基于電流斜率差值法的開關磁阻電機無位置傳感器技術[J].電工技術學報，2011，26(9)： 91-97.

*基金項目：江蘇省自然科學基金項目“開關磁阻電機全速范圍無位置傳感器及其容錯機理研究”(BK20151574)；江蘇省“六大人才高等”高層次人才選拔對象C類資助項目“面向微網應用的T型三相三電平PWM變換器研究”(2014-ZNDW-003)

作者簡介：孫剛(1973—)，男，碩士研究生，副教授，高級工程師，研究方向為變換器及電機控制。

中圖分類號：TM 352

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)06- 0013- 04

收稿日期：2015-11-24

Sensorless Strategy of Switched Reluctance Motor Based on the Eigenvalue Detection Method*

SUNGang,ZHANGLei

(Nanjing College of information Technology, Nanjing 210023， China)

Abstract：The method of injected high frequency pulse for switched reluctance motor was ordinary for sensorless operation of switched reluctance machine. However, the reference current was required, and no double rhythm operating characteristic. The method of eigenvalve detection was proposed , Based on the analysis of the relationship among phase inductance and the rotor position and flux linkage, The high frequency pulse was injected for three phase simultaneity, the envelope of the three pulse current were obtained by low-pass filter. The rotor position were obtained by the cross dot of the three phase current envelope. Finally, the experimental and Simulation results has verified the validity of the method.

Key words：switched reluctance motor； sensorless； eigenvalve detection； injected frequency pulse