基于全周期電流包絡(luò)線開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)

張磊 劉闖 韓守義

摘?要：針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在低速運(yùn)行狀況下位置估計(jì)困難的問(wèn)題，依據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)與電感曲線之間關(guān)系，提出一種全周期脈沖電流峰值包絡(luò)線的無(wú)位置傳感器技術(shù)。導(dǎo)通區(qū)域利用固定轉(zhuǎn)波時(shí)間的斬波控制方式，非導(dǎo)通區(qū)域進(jìn)行注入高頻脈沖，兩個(gè)區(qū)域里分別檢測(cè)出脈沖電流的峰值，通過(guò)數(shù)學(xué)擬合得到全周期脈沖電流包絡(luò)線與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角之間的數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)簡(jiǎn)易的邏輯比較模塊即可得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，再根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)之間的夾角估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角度。所提方法由于三相電流包絡(luò)線交接點(diǎn)在電感上升和下降過(guò)程中，電感變化率大，所以不同脈沖下的電流峰值變化大，從而提高了微處理器處理精度，且不需要預(yù)先設(shè)置脈沖電流閥值，算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：?開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī);全周期包絡(luò)線;位置估計(jì);斬波控制;脈沖注入

DOI：10.15938/j.emc.2019.11.014

中圖分類號(hào)：TM?351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）11-0109-09

收稿日期：?2017-08-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51377076）;江蘇省自然科學(xué)基金（BK20151574）

作者簡(jiǎn)介：張?磊（1974—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù);

劉?闖（1973—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及控制、新能源技術(shù);

韓守義（1982—），男，博士研究生，講師，研究方向?yàn)槎嘞嚅_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)及控制技術(shù)。

通信作者：張?磊

Sensorless?of?switched?reluctance?motor?drives?based?on?full?cycle?current?envelope

ZHANG?Lei1，?LIU?Chuang2?，?HAN?Shouyi2

（1.School?of?Electronic?Engineering，?Nanjing?Xiaozhuang?University，Nanjing?211171，China;

2.College?of?Automation?Engineering，?Nanjing?University?of?Aeronautics?and?Astronautics，?Nanjing?210016，China）

Abstract：

In?order?to?solve?the?difficulty?of?sensorless?low?speed?operation?of?switched?reluctance?motor，according?to?the?relationship?between?the?rotor?position?signal?and?the?inductance?curve?and?the?peak?value?of?the?pulse?current?for?the?switched?reluctance?motor，?a?new?sensorless?technique?was?presented?using?the?full?cycle?pulse?current?peak?envelope.?Using?the?chopper?control?mode?in?the?conducting?region，?and?using?the?high?frequency?pulse?injection?in?the?nonconducting?region，?and?the?peak?value?of?the?pulse?current?was?detected?in?the?two?regions，?the?mathematical?model?between?peak?envelope?of?pulse?current?and?rotor?position?was?obtained?by?fitting.?The?position?signal?was?estimated?by?means?of?using?a?simple?logic?comparison?module，?and?the?motor?speed?and?rotor?position?angle?were?estimated?.?Because?the?envelope?intersection?point?is?not?in?the?maximum?and?minimum?inductance?regions，?the?position?estimation?error?is?small，and?also?need?not?set?the?pulse?current?threshold.?The?algorithm?is?simple?and?easy?to?implement.?The?experiments?and?simulation?results?demonstrate?the?feasibility?and?the?practicality?of?the?proposed?method.

Keywords：switched?reluctance?motors;?full?cycle?envelope;?sensorless;?chopper?control;?pulse?injection

0?引?言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（switched?reluctance?motor，SRM）是定轉(zhuǎn)子為齒槽結(jié)構(gòu)，定子齒上饒通電線圈，轉(zhuǎn)子齒上無(wú)繞組，也無(wú)永磁材料，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、高容錯(cuò)性等特點(diǎn)，非常適合在礦井傳動(dòng)系統(tǒng)、航空、電動(dòng)汽車、紡織等領(lǐng)域[1-4]。但在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)需要有準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，而轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是要安裝位置傳感器，這樣會(huì)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果位置傳感器發(fā)生故障，系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)混亂，降低了系統(tǒng)的可靠性，因此SRM無(wú)位置傳感器技術(shù)得到國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的廣泛研究。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)位置估計(jì)主要脈沖注入、電流梯度、電感模型、簡(jiǎn)化磁鏈等方法，脈沖注入法是低速狀態(tài)下位置估計(jì)的常用方法，文獻(xiàn)[5]針對(duì)三相SRM傳動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)兩非導(dǎo)通相注入高頻電壓脈沖信號(hào)，比較脈沖電流峰值大小估計(jì)換相位置，該方法不需要增加硬件，但將電機(jī)電感理想為分段線性電感，所以換相點(diǎn)估計(jì)精度不高，也可能產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象。文獻(xiàn)[6]采用電流峰值與預(yù)設(shè)的電流閥值比較估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，對(duì)某一非工作相注入高頻脈沖，利用均值采樣數(shù)學(xué)方法計(jì)算出脈沖電流峰值，針對(duì)母線電壓波動(dòng)影響電流閥值的問(wèn)題，文獻(xiàn)通過(guò)增加修正模塊，提高了峰值的精度，該方法峰值計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]針對(duì)分塊SRM提出了一種改進(jìn)型脈沖注入方法，對(duì)非導(dǎo)通相注入脈沖電壓，與傳統(tǒng)的脈沖注入不同的是通入電壓時(shí)間是逐漸增大，這樣會(huì)減少脈沖電流峰值微小而影響到位置估計(jì)精度，但脈寬變大會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，降低起動(dòng)效率。文獻(xiàn)[8]在PWM控制方式下，比較相鄰PWM信號(hào)下的電流大小，計(jì)算其電流峰值和時(shí)間，根據(jù)微處理器記錄的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)值與開(kāi)通角、關(guān)斷角時(shí)刻的脈沖數(shù)比較，估計(jì)下一相的開(kāi)通角和關(guān)斷角。文獻(xiàn)[9]對(duì)非導(dǎo)通相注入高頻脈沖，計(jì)算出脈沖電流上升的斜率和脈沖電流下降的斜率，由于脈沖電流上升的斜率與下降斜率差的包絡(luò)線與相電感曲線相同，所以文獻(xiàn)通過(guò)比較三相斜率差的包絡(luò)線實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)，該方法避開(kāi)了反電動(dòng)勢(shì)的影響，提高了位置估計(jì)的精度。文獻(xiàn)[10]對(duì)非導(dǎo)通相注入高頻脈沖，導(dǎo)通相采用PWM控制，分別采集電流上升和下降脈沖電流斜率，由脈沖電流斜率差間接估算電機(jī)電感，再通過(guò)電感分區(qū)和預(yù)設(shè)電感閥值來(lái)估計(jì)起動(dòng)相，該方法脈沖電流峰值的提取比計(jì)算電感信息容易。文獻(xiàn)[11]根據(jù)電感與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，將電感分區(qū)，通過(guò)比較三相電感大小估計(jì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。文獻(xiàn)[12]將電機(jī)的電感模式和電壓平衡方程相結(jié)合，通過(guò)數(shù)學(xué)手段推到出位置估計(jì)數(shù)學(xué)模型，該方法雖然沒(méi)有增加硬件系統(tǒng)，但沒(méi)有考慮互感對(duì)電感的影響。文獻(xiàn)[13]基于非線性電感模型，分別針對(duì)單相勵(lì)磁和雙相勵(lì)磁兩種狀態(tài)下進(jìn)行位置估計(jì)，由于雙相勵(lì)磁產(chǎn)生互感，文獻(xiàn)采用了磁鏈差值計(jì)算，減小相間互感對(duì)位置估計(jì)的影響，提高了位置估計(jì)精度。文獻(xiàn)[14]將電機(jī)電感模型轉(zhuǎn)為復(fù)平面，利用電感向量合成規(guī)律，分析矢量角與轉(zhuǎn)子位置角度之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)了位置估計(jì)，該方法優(yōu)點(diǎn)是不需要增加硬件也不需要測(cè)量電機(jī)磁鏈。文獻(xiàn)[12]將電感曲線進(jìn)行分區(qū)，最大和最小電感獨(dú)立作為一個(gè)區(qū)域，根據(jù)分區(qū)規(guī)律預(yù)設(shè)高低兩個(gè)電流閥值，通過(guò)脈沖電流峰值與閥值比較獲取換相信號(hào)，該方法避免了因電感最大和最小區(qū)域電感變化微小而影響到位置估計(jì)精度的問(wèn)題，但雙電流閥值的選擇較復(fù)雜。

本文提出一種基于全周期脈沖電流包絡(luò)線的無(wú)位置傳感器方法。在導(dǎo)通區(qū)域利用斬波控制方式，非導(dǎo)通區(qū)域進(jìn)行注入高頻脈沖，在兩個(gè)區(qū)域里分別檢測(cè)出脈沖電流的峰值，通過(guò)數(shù)學(xué)方法處理，整合為全電感周期的脈沖電流包絡(luò)線，再通過(guò)邏輯比較即可估計(jì)出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，該算法簡(jiǎn)單、實(shí)用，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1?脈沖注入原理

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)不對(duì)稱半橋功率變換器，非常方便脈沖注入方法的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)給電機(jī)的相繞組注入高頻電壓信號(hào)時(shí)，由于注入的電壓很小，所以可以忽略電機(jī)飽和相間互感，電機(jī)的電壓平衡方程式為

uk=Rkik+Lk（θ）dikdt+ikωdLk（θ）dθ。（1）

式中：uk為第k相繞組的端電壓;Rk為第k相繞組的電阻;ik為第k相繞組的相電流;Lk為第k相相電感;ω為電機(jī)的轉(zhuǎn)速;θ為電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角;k=1，2，…，m，m為電機(jī)相數(shù)。

在電機(jī)低速情況下，相電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速都很小，式（1）中相繞組電壓和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)Rkik、ikωdLk（θ）dθ可以忽略，則式（1）可簡(jiǎn)化為

uk≈Lk（θ）dikdt。（2）

即

Lk（θ）≈UkΔTipeak。（3）

式中：ipeak為脈沖響應(yīng)電流，從式（3）可以看出，當(dāng)端電壓Uk和注入的高頻脈沖開(kāi)通時(shí)間ΔT固定時(shí)，電機(jī)的相電感Lk（θ）和脈沖電流峰值ipeak成反比（圖1所示），電機(jī)的相電感Lk（θ）包含了轉(zhuǎn)子位置角θ信息，因此可以通過(guò)檢測(cè)脈沖響應(yīng)電流，解算出轉(zhuǎn)子的位置信息。

2?全周期包絡(luò)線位置估計(jì)策略

傳統(tǒng)的脈沖注入方法是對(duì)非導(dǎo)通相注入高頻脈沖信號(hào)，需要預(yù)設(shè)電流閥值，僅適合于單拍運(yùn)行控制，本文在其基礎(chǔ)上對(duì)電流峰值包絡(luò)線的提取進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合脈沖注入和斬波控制，提出了全周期脈沖包絡(luò)線的無(wú)位置傳感器技術(shù)。

2.1?全周期脈沖電流包絡(luò)線提取

一個(gè)電感周期分2個(gè)過(guò)程，第一個(gè)過(guò)程為電感下降區(qū)域，其過(guò)程為非導(dǎo)通區(qū)域，在此區(qū)域注入高頻脈沖信號(hào)，第二個(gè)過(guò)程為電感上升區(qū)域，其過(guò)程為導(dǎo)通區(qū)域，其區(qū)域采用固定斬波時(shí)間Δt的斬波控制方式，如圖2所示。

1）脈沖注入過(guò)程：PWM1為注入的高頻脈沖，Δton為開(kāi)通時(shí)間，脈沖電流從零開(kāi)始上升，i1為脈沖電流峰值，即脈沖電流的變化量為i1，所以式（3）變?yōu)?/p>

Lk（θ）≈UkΔtoni1。（4）

2）斬波控制過(guò)程：在固定斬波時(shí)間Δt的斬波控制方式下，設(shè)置一個(gè)斬波限i，當(dāng)斬波限電流i大于相電流i，斬波PWM2信號(hào)為1，開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，相電流繼續(xù)上升，當(dāng)i

Lk（θ）≈UkΔtoffi-i2。（5）

對(duì)比式（4）和式（5），如果PWM1中的Δton與PWM2中的Δtoff相等，則兩個(gè)過(guò)程中的電流變化量相等，在PWM1下降沿時(shí)刻采集脈沖電流峰值，再經(jīng)過(guò)擬合處理，得到脈沖電流包絡(luò)線i1，在PWM1上升沿時(shí)刻采集斬波控制期間的脈沖電流，同樣經(jīng)過(guò)擬合處理，得到脈沖電流包絡(luò)線i2。

根據(jù)脈沖注入法原理，在相等的時(shí)間里，脈沖電流的峰值與電感成發(fā)比，所以只要保證Δton和Δtoff相等，i1和i2電流的峰值反應(yīng)電感的變化情況，與電感成反比。按照數(shù)學(xué)幾何知識(shí)，包絡(luò)線i2關(guān)于1/2i對(duì)稱可得到包絡(luò)線i3，再將i1與i3包絡(luò)線通過(guò)“異或”邏輯組合，即可得到與全周期電感曲線成反比的全周期電流峰值包路線ipeak曲線。

2.2?全周期脈沖電流包絡(luò)線形成

全周期電流峰值包路線由脈沖電流峰值包路線和斬波電流峰值包路線兩部分組成，根據(jù)全周期脈沖電流包絡(luò)線提取過(guò)程，在脈沖注入和斬波控制兩個(gè)狀態(tài)切換過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)脈沖電流采集點(diǎn)較少，得到的包絡(luò)線精度不高。

1）當(dāng)導(dǎo)通相開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，相電流通過(guò)二極管開(kāi)始續(xù)流，在此期間，如果注入脈沖，會(huì)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，并且延長(zhǎng)相電流續(xù)流時(shí)間?所以要在相電流變?yōu)榱銜r(shí)，開(kāi)始注入脈沖，這樣就會(huì)形成續(xù)流I區(qū)域沒(méi)有采集到相電流峰值，圖3所示。

2）當(dāng)導(dǎo)通相開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，相電流開(kāi)始上升，上升的時(shí)間大小受電流斬波限i影響，并且此上升時(shí)間比固定斬波時(shí)間Δt大，所以，也會(huì)形成II區(qū)域沒(méi)有采集到相電流峰值，圖3所示。

對(duì)于以上兩種情況，I和II區(qū)域大小隨著開(kāi)關(guān)角變化而變化，如果I和II區(qū)域大，得到的包絡(luò)線就不能很好的體現(xiàn)電感變化規(guī)律，最終會(huì)影響到位置估計(jì)精度。針對(duì)這種現(xiàn)象，為了提高該方法的通用性，采用擬合的方法，將I和II區(qū)域包絡(luò)線補(bǔ)全，這樣，就不受開(kāi)通角和關(guān)斷角的影響，適合于變角度控制方式。

為了定量分析全周期脈沖電流包絡(luò)線的可行性，本文對(duì)[0，45°]一個(gè)電感周期脈沖電流峰值包路線和斬波電流峰值包路線進(jìn)行實(shí)測(cè)，圖4為0～45°之間的全周期包絡(luò)線與轉(zhuǎn)子位置角關(guān)系曲線。

為了建立全周期包絡(luò)線與位置角之間的關(guān)系模型，采用曲線擬合的方法，考慮便于微處理器計(jì)算和算法的簡(jiǎn)單，本文選擇多相式擬合方法求得θ-ipeak的數(shù)學(xué)模型為

θ=∑nm=0amimpeak。（6）

將圖4實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，利用Matlab對(duì)式（6）進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，圖5為3階到7階式（6）多項(xiàng)式函數(shù)擬合的誤差曲線，由圖5可以看出，當(dāng)階數(shù)是5時(shí)，擬合誤差平均最小，所以本文選擇階數(shù)n=5來(lái)擬合全周期電流包絡(luò)線與位置角之間的數(shù)學(xué)模型。

三相電感曲線呈周期性對(duì)稱，且兩兩相隔15°，由此可以得到12/8三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)三相全周期包絡(luò)線與位置角之間的數(shù)學(xué)模型為

θA=∑5m=0amiA_peak，

θB=∑5m=0amiB_peak+15°，

θC=∑5m=0amiC_peak+30°。（7）

2.3?全周期包絡(luò)線位置估計(jì)

圖6為12/8結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)全周期三相脈沖電流峰值包絡(luò)線與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系圖，其中，iA-peak、iB-peak、iC-peak分別為A、B、C三相脈沖電流包絡(luò)線，與三相電感成反比，PA、PB、PC為三相轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，圖中橫坐標(biāo)角度為A相位置角度，0°對(duì)應(yīng)A相脈沖電流峰值的最大值，即A相電感最小處，由圖可以看出，三相脈沖電流包絡(luò)線交點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的邊沿，如圖中A相和C相脈沖電流包絡(luò)線的兩個(gè)交點(diǎn)P1、P2分別對(duì)應(yīng)B相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)PB的下降沿和上升沿時(shí)刻，所以只要比較A相和C相脈沖電流峰值即可估計(jì)出B相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的邊沿時(shí)刻，從而可以得到B相半周期導(dǎo)通的位置信號(hào)，同理，也可以比較其他兩相的脈沖電流包絡(luò)線得到A、C兩相的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的邊沿時(shí)刻以及半周期導(dǎo)通的位置信號(hào)。

根據(jù)圖6位置信號(hào)估計(jì)的原理，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的邏輯比較電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖7所示，iA_peak、iB_peak、iC_peak三相脈沖電流峰值通過(guò)三個(gè)邏輯門(mén)電路比較得到PA、PB、PC三相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，例如當(dāng)iC_peak大于iB_peak時(shí)，PA為1，即邏輯電路發(fā)出PA上升沿信號(hào)，iC_peak小于iB_peak時(shí)，PA為0，即邏輯電路發(fā)出PA下降沿信號(hào)，由于三相電流包絡(luò)線交接點(diǎn)在電感上升和下降過(guò)程中，電感變化率大，所以不同脈沖下的脈沖電流峰值變化大，從而提高了微處理器處理精度。

3?轉(zhuǎn)速估算

利用上述的全周期電流包絡(luò)線交截比較方法得到包絡(luò)線交點(diǎn)的位置檢索脈沖信號(hào)，如圖8所示。A相和B相的脈沖電流包絡(luò)線的交點(diǎn)為P1、P2、P3，其中P1和P3對(duì)應(yīng)C相電感最大位置，P2對(duì)應(yīng)C相電感最小位置，相鄰的兩個(gè)交點(diǎn)的位置檢索脈沖信號(hào)隔角為Δθ?=22.5°，因此記錄兩個(gè)相鄰的檢索脈沖信號(hào)上升沿時(shí)間間隔為Δt，即可通過(guò)式（8）、式（9）估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速和C相位置信號(hào)。

n=ΔθΔt（deg/s）=60×Δθ360×Δt（r/min），（8）

θ（k+1）=θ（k）+ωΔt。（9）

其中：θ（k）為上次采樣時(shí)間估算的位置角;θ（k+1）為本次采樣時(shí)間估算的位置角;Δt為采樣時(shí)間。

4?仿真分析

為驗(yàn)證理論的正確性，在Matlab/SIMULINK環(huán)境下搭建了三相12/8結(jié)構(gòu)SRM全周期電流包絡(luò)線無(wú)位置傳感器仿真模型，主電路采用不對(duì)稱半橋，固定關(guān)斷時(shí)間Δt斬雙管方式，仿真參數(shù)：電機(jī)的額定功率為1.5?kW、額定轉(zhuǎn)速為1?500?r/min，Δt為1×10-5?s，注入的脈沖周期為0.000?1?s，占空比為10%。

4.1?全周期包絡(luò)線提取仿真

圖9為一相固定關(guān)斷時(shí)間斬波仿真模型，電流上限為10?A，固定關(guān)斷時(shí)間為1×10-5?s，下降沿觸發(fā)模塊完成時(shí)間相加，即當(dāng)觸發(fā)模塊受到下降沿時(shí)輸出一個(gè)時(shí)間信號(hào)，該時(shí)間等于觸發(fā)時(shí)刻的時(shí)間加上一個(gè)延時(shí)時(shí)間，也就是固定關(guān)斷時(shí)間Δt，將系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間與觸發(fā)模塊輸出的時(shí)間比較，當(dāng)觸發(fā)模塊輸出的時(shí)間小于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，比較器輸出信號(hào)將變?yōu)?，反之，比較器輸出信號(hào)為0，形成斬波控制PWM2，其他兩相的分析方法也一樣。

圖10為全周期電流峰值包絡(luò)線的提取過(guò)程仿真圖，從仿真波形可以看出，相電流仿真波形與圖2和圖3理論分析一致，非導(dǎo)通區(qū)域注入高頻脈沖，得到脈沖電流峰值電流波形，導(dǎo)通區(qū)域采用固定關(guān)斷時(shí)間斬波控制方式，導(dǎo)通區(qū)域相電流進(jìn)行對(duì)稱數(shù)學(xué)處理后得到如圖10所示的斬波電流峰值電流波cc形，將脈沖電流峰值電流與斬波電流峰值電流進(jìn)行異或邏輯處理即可得到全周期電流峰值包絡(luò)線。

4.2?位置估計(jì)仿真

圖11為電機(jī)運(yùn)行在仿真條件為θon=0°，θoff=20°，斬波限i為2?A，轉(zhuǎn)速為400?r/min下的仿真結(jié)果，通過(guò)全周期電流峰值包絡(luò)線提取過(guò)程，得到三相全周期電流峰值包絡(luò)線，三相包絡(luò)線通過(guò)邏輯比較模塊，由B和C相包絡(luò)線比較估計(jì)A相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，從仿真結(jié)果圖可以看出，A相估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的邊沿時(shí)刻正好對(duì)應(yīng)B和C相包絡(luò)線的交點(diǎn)，而且位置估計(jì)誤差也很小。

圖12為開(kāi)通角θon=-2°，θoff=18°，斬波限i為2?A，轉(zhuǎn)速為600?r/min的位置估計(jì)仿真波形，從仿真圖看出，在變角度控制（APC）下，通過(guò)全周期電流峰值包絡(luò)線位置估計(jì)策略，仍能得到較高精度的A相估計(jì)位置信號(hào)。以上仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提的位置估計(jì)方法能在不同開(kāi)關(guān)角下，都能得到全周電流包絡(luò)線，并能完成位置估計(jì)。

5?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述提出的位置估計(jì)策略的可行性，本文在一臺(tái)12/8結(jié)構(gòu)SRM樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，圖13為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，功率電路采用三相不對(duì)稱半橋結(jié)構(gòu)。SRM樣機(jī)額定功率1.5?kW、額定額定轉(zhuǎn)速1?500?r/min。

硬件平臺(tái)如圖14所示，其中A為dSPACE主控系統(tǒng)、B信號(hào)調(diào)理電路、C為功率電路、D為SRM?？刂破鞑捎胐SPACE1104+CPLD。

圖15為電機(jī)轉(zhuǎn)速420?r/min情況下的全周期電流包絡(luò)線提取實(shí)驗(yàn)波形，其中，圖15（a）為非導(dǎo)通過(guò)程中脈沖電流峰值包絡(luò)線提取波形，通道1為脈沖電流波形，通道2是在PWM1下降沿采集的脈沖電流峰值，再通過(guò)擬合得到脈沖電流包絡(luò)線，圖15（b）是在開(kāi)通角為0°和關(guān)斷角為20°下得到的全周期電流包絡(luò)線波形，通道1是脈沖注入和斬波控制兩個(gè)過(guò)程的相電流波形，通道2對(duì)應(yīng)的全周期電流包絡(luò)線波形，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果一致。

圖16（a）為開(kāi)通角為-2°和關(guān)斷角為-18°下電機(jī)三相全周期脈沖電流包絡(luò)線的實(shí)驗(yàn)波形，在PWM1的下降沿和PWM2的上升沿時(shí)刻采集電流值，通過(guò)擬合得到三相全周期包絡(luò)線，分別為iA_peak、iB_peak、iC_peak，然后將iA_peak、iB_peak、iC_peak通過(guò)比較邏輯運(yùn)算電路估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，圖16（b）為三相相電流波形和全周期包絡(luò)線比較得到的B相位置估計(jì)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形，得到的三相脈沖電流峰值由式（7）估計(jì)出各相轉(zhuǎn)子位置角。由為了驗(yàn)證該位置估計(jì)算法精度，實(shí)驗(yàn)中將位置傳感器的位置信號(hào)與本文所提位置估計(jì)算法得到的位置信號(hào)進(jìn)行比較，得到如圖17所示的位置估計(jì)誤差，從誤差比較可以看出，位置誤差都不超過(guò)0.3°之內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該算法的正確性。

為了驗(yàn)證本算法的優(yōu)越性，與文獻(xiàn)[12]雙電流閥值的位置估計(jì)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，圖18分別為轉(zhuǎn)速為100?r/min、350?r/min下雙電流閥值位置估計(jì)實(shí)驗(yàn)波形圖，可以看出，轉(zhuǎn)速為100?r/min時(shí)，位置估計(jì)誤差Δθ達(dá)到0.67°，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到350?r/min時(shí)，位置估計(jì)誤差Δθ達(dá)到1.6°，對(duì)比圖17本文所提算法的位置估計(jì)誤差，可以看出本文位置估計(jì)算法具有更高的位置估計(jì)精度。

6?結(jié)?論

針對(duì)脈沖電流注入方法需要預(yù)設(shè)電流閥值問(wèn)題，本文在脈沖注入的理論基礎(chǔ)上，提出了一種全周期電流包絡(luò)線無(wú)位置傳感器技術(shù)，通過(guò)脈沖注入和斬波控制方式，分別提取電流包絡(luò)線，通過(guò)擬合等數(shù)學(xué)手段，得到與轉(zhuǎn)子位置關(guān)聯(lián)的全周期電流包絡(luò)線，該方法簡(jiǎn)單、沒(méi)有增加硬件，可以實(shí)現(xiàn)多拍工作方式，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。

參?考?文?獻(xiàn)：

[1]?FAHIMI?B，?EMADI?A，S?EPE?R?B?J.A?switched?reluctance?machinebased?starter/alternator?for?more?electric?car[J].IEEE?Transactions?on?Energy?Conversion，?2004，19（1）：116-124.

[2]?SADEGHI?S，?SADEGHI?R.?SADEGHI?M.Dynamic?performance?of?a?switched?reluctance?motor?for?propulsion?systems[C]//International?Symposium?on?Power?CElectronics，?Electrical?Drivers，?Automation?and?Motion.?Taormina?，?Italy：Nagasaki?University，2006：1419-1424.

[3]?Ravichandran?M?H，Sadasivan?Achari?V?T，Joseph?C?C，et?al.?Asimplified?design?methodology?for?switched?reluctance?motor?using?analytical?and?finite?element?method[C]//International?Conference?on?Power?Electronics?，Drives?and?Energy?Systems.New?Delhi，India：IEEE，2006：1-4.

[4]?SCHUZ?S?E，RAHMAN?K?M.?Highperformance?digital?PI?current?regulator?for?EV?switched?reluctance?motor?drives[J].IEEE?Transactions?on?Industry?Applications，2003，39（4）：1118-1126.

[5]?李景男，?王旭東，?周永琴.?基于兩相脈沖激勵(lì)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)[J].?電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，?2002，?6（1）：?6-9.

LI?Jingnan，?WANG?Xudong，?ZHOU?Yongqin.?Sensorless?rotor?position?detection?of?SRM?based?on?voltage?pulses?to?two?phase[J]?.Electric?Machines?and?Control，?2002，?6（1）：?6-9.

[6]?羅德榮，李亞雄，李孟秋.等.基于單閾值的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)[J]?湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2017.44（2）：94-100

LUO?Derong，?LI?Yaxiong，?LI?Mengqiu，?et?al.?Sensorless?technology?in?switched?reluctance?motor?based?on?the?single?threshold[J].?Journal?of?Hunan?University?（Natural?Sciences），2017，44（2）：94-100.

[7]?邵杰，?鄧智泉，?胡榮光.?基于改進(jìn)脈沖注入開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（21）：147-153

SHAO?Jie，?DENG?Zhiquan?，HU?Rongguang?.An?improved?sensorless?driving?method?of?switched?reluctance?motors?using?impressed?voltage?pulse[J].?Transactions?of?China?Electrotechnical?Society，?2015，30（21）：147-153.

[8]?李珍國(guó)，王紅斌，王江浩，等.基于電流波形檢測(cè)法的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制[J]?電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（11）：97-104

LI?Zhenguo，?WANG?Hongbin，?WANG?Jianghao，?et?al.?Sensorless?control?of?switched?reluctance?motor?based?on?current?waveform?detection?method?[J].Transactions?of?China?Electrotechnical?Society，?2016，31（11）：97-104.

[9]?毛宇陽(yáng)，?鄧智泉，?蔡駿，等.基于電流斜率差值法的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)[J]?電工技術(shù)學(xué)報(bào)，?2011，21（9）：87-93.

MAO?Yuyang，?DENG?Zhiquan，?CAI?Jun，?et?al.?Sensorless?control?of?switched?reluctance?motor?based?on?current?slope?difference?method[J]?Transactions?of?China?Electrotechnical?Society?，?2011，21（9）：?87-93.

[10]?蔡駿，鄧智泉.?基于全周期電感法的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，?2013，28（2）：145-153.

CAIJun，?DENG?Zhiquan.?Sensorless?control?of?switched?reluctance?motor?based?on?fullcycle?inductance?method[J].?Transation?of?China?Electrotechnical?Society，?2013，?28（2）：?145-153?.

[11]?周竟成，?王曉琳，?鄧智泉，?等，?鄒東坡.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電感分區(qū)式無(wú)位置傳感器技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，?2012，27（7）：35-40.

ZHOU?Jingcheng，?WANG?Xiaolin，?DENG?Zhiquan，?et?al.The?position?sensorless?technology?of?switched?reluctance?motor?based?on?the?regional?comparison?of?threephase?inductance[J].?Transaction?of?China?Electrotechnical?Society，?2012，27（7）：35-40.

[12]?陳坤華，?孫玉坤，?李天博??開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感控制器研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2016，20?（3）：85-89.

CHEN?Kunhua，SUN?Yukun，LI?Tianbo.?Sensorless?control?of?switched?reluctance?motor[J].?Electric?Machines?and?Control，?2016，20（3）：85-89.

[13]?蒯松巖，李奎，衡鳳平，等.?考慮互感影響的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32?（8）：178-186.

KUAISongyan，?LI?Kui?，?HENG?Fengping?，?et?al.Position?sensorless?technology?of?switched?reluctance?motor?considering?mutual?inductances[J].?Transaction?of?China?Electrotechnical?Society，?2017，32?32（8）：178-186.

[14]?蒯松巖，李興紅，馬金洋，等.??復(fù)平面電感模型開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中低速無(wú)位置傳感器技術(shù)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2015，19?（8）：1-8.

KUAI?Songyan，?LI?Xinghong，?MA?Jinang，et?al.Sensorless?control?of?switched?reluctance?motor?at?lowmedium?speed?based?on?complex?plane?modern?of?phase?inductance[J].?Electric?Machines?and?Control，?2015，19?（8）：1-8.

[15]?張磊，?劉闖，?王云林，等.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)變雙電流閥值的無(wú)位置傳感器技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，27?（34）：4683-4690.

ZHANG?Lei，?LIU?Chuang，?WANG?Yunlin，?et?al.?The?position?sensorless?technology?of?switched?reluctance?machines?based?on?double?variable?current?thresholds[J].?Proceedings?of?the?CSEE，2014.27（34）4683-4690.

（編輯：劉素菊）