橫向磁通開關磁阻電機間接位置檢測方法

姜亞海，瞿遂春，邱愛兵，陳 飛

(南通大學，南通 226019)

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橫向磁通開關磁阻電機間接位置檢測方法

姜亞海，瞿遂春，邱愛兵，陳 飛

(南通大學，南通 226019)

提出一種橫向磁通開關磁阻電機間接位置檢測方法，實現TFSRM起動相的確定及低速運行時正確換相。起動時各相同時注入高頻脈沖電壓，計算出電感值，再由邏輯關系確定起動相；在低速運行時，對下一導通相注入高頻脈沖電壓，同時檢測該相電流，當相電流達到換相閾值后即可執行換相。該方法無需大量計算、算法簡單。最后在MATLAB環境下建立了三相TFSRM系統的仿真模型，并進行了仿真，仿真結果驗證了該方法的可行性。

橫向磁通開關磁阻電機；間接位置檢測；電感分區；脈沖注入

0 引 言

橫向磁通開關磁阻電機(Transverse Flux Switched Reluctance Motor，以下簡稱TFSRM)。具有轉矩密度高、低速性能好、容錯能力強等優點，適用于大功率、低轉速、直接驅動場合[1]。對于TFSRM驅動系統，位置檢測是保證電機正常運行的基礎，通常采用外裝光電式或磁敏式位置檢測器[2]，實現位置檢測。這種有位置傳感器的檢測方法限制了電機的應用場合，降低了系統的可靠性[3]，因此經濟實用的無位置傳感器技術成為目前研究的熱點問題之一。

很多學者在無位置檢測方面做了大量研究，并在中、高速場合取得了一些研究成果，但在起動和低速區無位置傳感器研究較少。文獻[4]通過檢測自舉電容充電電流達到峰值的時間來確定起動相，該方法對控制要求較高；文獻[5]通過擬合曲線的方法確定電流與角度位置關系，然而很難得到精確的電流與角度位置曲線，并且三次以上的擬合方法比較復雜。隨著研究的深入一些智能算法也被應用到位置檢測中。例如，神經網絡控制該方法不需要具體模型[6]，只要有足夠的數據，通過不斷的訓練可以逼近目標函數，但該方法計算量大，訓練需要大量時間。文獻[7]將神經網絡和小波分析應用到轉子位置估算策略中，也有局限性，收斂速度慢、隱含層數目難確定且系統復雜。本文采用低閾值電感分區結合注入高頻脈沖的方法確定起動相以及實現低速運行時準確換相。該方法無需大量存取信息且算法簡單。

1 TFSRM起動相檢測方法

1.1 低閾值電感分區法原理

圖1所示為三相16極的TFSRM結構圖，對其理想電感曲線進行分區，在電感極值點與交差點處將一個機械周期22.5°分為6個區，每個分區3.75°，如圖2所示。由三相電感值可確定轉子所在區間。

圖1 三相16極 TFSRM結構圖

圖2 低閾值電感分區圖

由電感分區圖可知在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ區只有一相電感處于上升趨勢，在該區段可將該相確定為起動相。而在Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ區各有兩相電感處于上升趨勢，其中一相電感開始上升，另一相電感趨于飽和上升。在Ⅰ區若確定A相為起動相可能會出現起動轉矩過小導致無法起動，若確定C相為起動相可能會由于電感趨于飽和而導致誤導通。因此為了解決這一問題，論文在電感分區的基礎上設置了低閾值電感TL如圖2所示。這樣可以避免根據圖2中A、B段確定起動相，確保電機正確起動。

1.2 電感值估算方法

由上文分析可知只要能得到三相電感值，就能確定起動相。TFSRM繞組電壓方程如式(1)所示:

(1)

式中：Uk為K相電壓；ik為K相電流；Rk為K相電阻；Lk為K相電感；ω為角速度。

在靜止狀態下ω=0，忽略電磁飽和效應和電阻壓降，相繞組方程可以簡化為式(2)：

(2)

將式(2)離散化后得到：

(3)

由式(3)可知，當相電壓和注入脈沖電壓時間確定時，通過檢測相電流即可得到相電感值。

1.3 低閾值電感選取

為了能正確地設定出低閾值電感，需對理想電感曲線及位置角進行分析，圖3為TFSRM理想電感曲線。圖3中0°為不對齊位置處，11.25°為定、轉子齒極中心線對齊處。(0°-θ1)之間磁阻較大電感接近于一個恒定的值；在(θ1-θ2)之間定、轉子齒極逐漸重合，電感上升較快。結合本文提出的低閾值電感分區法，論文將θ′處對應的電感值設置為低閾值電感(TL)。通常來說θ′位置不宜過小也不宜過大，否則可能會出現無法起動或誤導通現象。θ′計算公式:

圖3 TFSRM理想電感曲線

(4)

1.4 起動相確定

由圖2低閾值電感分區圖可知，在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ區可直接由電感關系確定起動相。當電感關系為Lc≥La>Lb時確定轉子在Ⅱ區，可確定A相為起動相，同樣當轉子在Ⅳ、Ⅵ區時起動相分別為B、C相。在Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ區時結合低閾值電感確定起動相。例如，當得到電感關系為Lc≥Lb>La時確定轉子處于Ⅰ區，再將La與低電感閾值比較，當La>TL時確定A為起動相，否則C為起動相。在Ⅲ、Ⅴ區時用同樣的方法可以確定具體起動相。表1為起動相邏輯關系。

表1 起動相邏輯

2 運行換相方法

在一般應用場合不需要計算轉子每一時刻具體角度信息，只要能檢測到換相信息即可實現換相操作。在任意時刻只有一相導通的情況下，論文采用對下一導通相注入脈沖電壓的方法實現運行換相。對下一相注入高頻脈沖檢測信號時，該相磁路不飽和，電流響應較大，通過檢測該相電流是否達到設定換相閾值即可實現換相。

例如，當A相為當前導通相時，對下一導通相B相注入高頻脈沖電壓，同時對B相電流進行檢測，當B相電流達到換相閾值時，將A相關斷，開通B相，繼續對C注入高頻脈沖電壓，如此循環即可實現電機換相運行。圖4為電流斬波控制方式下對B相注入高頻脈沖電壓及導通后的理想電流波形圖。

通過以上方法即可實現電機換相運行，該方法不需要大量計算，也不需要額外硬件電路。另外該算法對A/D轉換的精度要求也不高，降低了系統的成本。

(a)CCC方式下B相電流(b)高頻脈沖檢測

圖4 B相電流響應及檢測信號波形

3 仿真實驗

3.1 TFSRM模型建立

為了驗證論文所采用的間接位置檢測方法，論文基于MATLAB系統環境對提出的方法進行了驗證。首先對三相16極TFSRM本體進行建模。電機一相模型如圖5所示，其他兩相與該相電磁參數相差120°電角度，圖6為系統模型。 仿真參數設定：母線電壓為100 V、額定轉速為600 r/min、采用電流斬波方式控制、導通相序為A-B-C-A、開通角設置為0°,關斷角設置為7.5°。起動時施加高頻脈沖電壓激勵時間為50 μs。

圖5 TFSRM一相模型

圖6 整體仿真模型

3.2 低閾值電感仿真

在建立的仿真系統中將初始角度設置為θ′=2°，同時將電機速度設置為0以確保得到的電感值為一恒定值。圖7為仿真結果，在θ′處電感值為0.7 mH，即對應的低閾值電感TL=0.7 mH。

圖7 低閥值電感仿真圖

3.3 起動相驗證

在仿真系統中分別預設初始角度為5°和10°，可知起動相分別為A相和B相。為了保證仿真結果的準確性，將電機速度設置為0，注入脈沖較短時間內電感值為恒定值。圖8、圖9分別為5°和10°時三相電感值仿真結果，由電感分區圖可以判定轉子分別處于Ⅱ區和Ⅲ區，由表一可以確定起動相分別為A相和B相。其結果與預設結果相同，說明該起動相判斷方法是可行的。

圖8 5°時三相電感估計值

圖9 10°時三相電感估計值

3.4 運行換相驗證

圖10為采用脈沖注入法的B相電流及電壓信號波形，圖10(a)為電流波形、圖10(b)為運行驅動信號，圖10(c)為高頻脈沖電壓檢測信號。圖11為三相電流波形，圖10(a)為A相電流波形、圖10(b)為B相電流波形、圖10(c)為C相電流波形,可以看到在各相導通前響應電流峰值大小變化明顯，適合用于檢測換相信號，進行換相操作，從三相電流波形可以看出該方法可以實現電機正確運行換相。仿真結果說明論文采用的無位置傳感器位置檢測方法是可行的。

圖10 B相電流及電壓信號波形

圖11 三相電流波形

4 結 語

本文對TFSRM間接位置檢測方法進行研究。采用低閥值電感分區結合脈沖注入法實現了電機正常起動及換相運行。并在MATLAB系統環境中進行仿真，驗證了該方法的可行性。總結有以下結論：

(1)不需要大量的磁鏈-電流-角度信息，直接由電感關系結合邏輯表確定起動相，計算量小，算法上易于實現。

(2)不需要在電感接近飽和區時確定起動相，避免了誤導通現象。

(3)換相運行時對下一導通相注入高頻脈沖，響應電流大便于檢測。

[1] 蘇士斌,史儀凱,袁小慶，等.橫向磁通電機研究綜述[J].電子學報,2013,41(11):2290-2296.

[2] 蔡駿,鄧智泉.基于全周期電感法的開關磁阻電機無位置傳感器控制技術[J].電工技術學報,2013,28(2):145-154.

[3] 張廣明,孫心岑,王德明，等.無位置傳感器開關磁阻電動機的研究現狀和發展趨勢[J].微特電機,2013,41(10):73-75.

[4] 沈磊,吳建華,楊仕友.基于自舉電路的開關磁阻電機初始位置估計方法[J].中國電機工程學報,2011,31(6):98-102.

[5] TRAKRANCHAROUNGSOOK K,KITTIRATSATCHA S.Position estimation technique of a switched reluctance motor at standstill[C]//Power Conversion Conference.IEEE,2007:238-244.

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[7] 夏長亮,謝細明,史婷娜，等.小波神經網絡無位置傳感器控制[J].電工技術學報,2008,23(7):33-38.

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Indirect Position Estimation Method of Transverse Flux Switched Reluctance Motor

JIANGYa-hai，QUSui-chun，QIUAi-bing，CHENFei

(Nantong University，Nantong 226019，China)

A transverse flux switched reluctance motor indirect position detection method was proposed, and TFSRM starting phase determination and correct phase switching during low speed running were realized.High frequency pulse voltages were injected to each phase at the same time when starting, the inductance value was calculated, and the starting phase was determined by the logical.When running at low speed, high-frequency pulse voltage was injected to the next phase, and detecting the phase current at the same time, when the phase current arrived to the reversing valve, switching phase was executed.This method needs not a lot of calculation with simple algorithm.Finally the TFSRM three-phase system model was established in MATLAB environment.The simulation results show that the method is feasible.

transverse flux switched reluctance motor (TFSRM); indirect position detection; inductance partition; injection pulse voltage

2016-03-31

國家自然科學基金項目(61473159)

TM352

A

1004-7018(2016)09-0061-04

姜亞海(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為新型電機及其控制。