無位置傳感器的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)_周素瑩

1、無位置傳感器的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)周素瑩林輝西北工業(yè)大學(xué)摘要:轉(zhuǎn)子位置檢測是開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),直接位置檢測技術(shù)能夠提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子位置信號,但需要增加附加的機(jī)械結(jié)構(gòu),從而限制了開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用范圍。目前,無位置傳感器檢測技術(shù)是開關(guān)磁阻電機(jī)研究領(lǐng)域的熱點之一。全面介紹了國內(nèi)外開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀,詳細(xì)闡述了每一典型檢測方法的原理,對其優(yōu)缺點及適用范圍進(jìn)行了詳細(xì)討論與客觀評述,并展望了其發(fā)展趨勢。對新型無位置傳感器檢測技術(shù)的研究具有重要的參考價值。關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻電機(jī)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測Rotor Position Detection Techniqu

2、es of Switched ReluctanceMotor without Position SensorZho u SuyingLin HuiAbstract:Ro to r position-detectio n is essential to th e timing system of SRM.Direct ro to r po sitio n senso rs prov ide stable ro tor po sitio n sig nals.Ho w ev er,the use of direct senso rs leads to additio nal mecha nical

3、 struc-tures,which g rea tly limits the a pplicatio n SRM.T oday,indirect ro to r-positio n de tec ting tech no lo gy is o ne of the mo st po pular pr ojec ts in SRM resea rch a rea.In this pa per,the sta tus o f researching on senso r less ro to r position detectio n is intro duced fir stly,then th

4、e principle of the r epresenta tiv e sch emes ar e par ticular ly de-sc ribed,the merits,flaw s and applica tion fields o f these schemes a re also discussed im per so nally,the future tr ends of the sensor less de tec tio n techniques fo r SRM a re giv en a t last.Keywords:switch ed r eluctance mot

5、o rpo sitio n sensorro to r position detectio n開關(guān)磁阻電機(jī)13(switched relucta nce mo-to r,簡稱SRM是一種新型的機(jī)電一體化調(diào)速電機(jī),具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固,易于調(diào)速,控制靈活,可靠性高、容錯性強等特點,已逐漸應(yīng)用于民用、機(jī)車和航天等領(lǐng)域,具有廣泛的應(yīng)用前景。位置檢測環(huán)節(jié)是開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(sw itched relucta nce driv e的重要組成部分,檢測到的位置信號既是繞組開通與關(guān)斷的依據(jù),也為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制提供了轉(zhuǎn)速信息。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置檢測是直接利用光電式、電磁式和磁敏式等位置傳感器實現(xiàn),隨著電機(jī)相數(shù)的

6、增加,所需的傳感器數(shù)量會增多。轉(zhuǎn)子位置傳感器的存在不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,又給安裝、調(diào)試帶來很大不便,嚴(yán)重削弱了SRM 結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢,降低了系統(tǒng)的可靠性,并難以實現(xiàn)電機(jī)的高速控制,限制了SRM的應(yīng)用領(lǐng)域。因此如何去掉位置檢測器,利用電機(jī)的固有信息間接確定轉(zhuǎn)子位置,無疑是一個很有潛力的研究方向。目前,SRM無位置傳感器技術(shù)已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)SRM研究領(lǐng)域的熱點之一,各國學(xué)者對這一問題從各種角度做了大量研究,提出了多種無位置傳感器檢測方案。本文對20年來國內(nèi)外SRM無位置傳感器技術(shù)進(jìn)行了綜述,詳細(xì)介紹了各類方法的優(yōu)缺點及適用范圍,對存在的問題及發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。8西北工業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金資

7、助項目(M0162141無位置傳感器檢測技術(shù)分類迄今為止,國內(nèi)外學(xué)者對無位置傳感器技術(shù)從各種角度做了大量研究,提出了多種無位置傳感器檢測方案,圖1詳細(xì)列出了無位置傳感器的檢測方法。大致可以分為以下4類36。1導(dǎo)通相檢測法。不需任何人為產(chǎn)生的電壓電流信息,直接以電機(jī)運行時的電流電壓信息為基礎(chǔ),根據(jù)電機(jī)的實際模型或特性曲線得到位置信息。如磁鏈/電流法、相電流梯度法、磁鏈法、電流波形檢測法、相間互感檢測法(感應(yīng)電勢法、基于模型的觀測器法、基于電流斬波波形的檢測法以及基于磁鏈法提出的改進(jìn)檢測方法等。2非導(dǎo)通相檢測法。充分利用空閑相,人為地注入檢測脈沖信號從而產(chǎn)生需要的電流等信息以得到位置信息。如單相脈

8、沖激勵法、兩相脈沖激勵法以及基于脈沖激勵法而提出的改進(jìn)檢測方法等 。圖1無位置傳感器的檢測方法3基于智能控制的檢測方法。利用電機(jī)的磁特性關(guān)系,將智能控制引入到SRM 無位置傳感器的研究當(dāng)中。目前研究較多的是模糊控制法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。4附加元件檢測法。在SRM 內(nèi)部的適當(dāng)位置附加某些電元件,利用這些電元件輸出的信息來檢測轉(zhuǎn)子的位置,所附加的電元件可以是電感線圈、電容板極等,稱其為附加線圈檢測法、附加電容檢測法等。2國內(nèi)外無位置傳感器檢測技術(shù)的評述2.1導(dǎo)通相檢測法導(dǎo)通相檢測法是利用導(dǎo)通相導(dǎo)通時所表現(xiàn)出來的相繞組特性來檢測轉(zhuǎn)子位置,所以不必像非導(dǎo)通相檢測法那樣需要切換電路和注入脈沖。但是由于電機(jī)繞組

9、所表現(xiàn)出來的非線性,必須采用非線性檢測法,模型比較復(fù)雜,對芯片的運算速度要求也比較高。2.1.1電流波形檢測法1,5,79該方法由英國劍橋大學(xué)的Acarnley 等人于1985年提出的,是最早的無位置傳感器檢測方案。由于SRM 的相電流變化率取決于增量電感,而增量電感又是由轉(zhuǎn)子位置決定的,因此根據(jù)這一規(guī)律可解算出轉(zhuǎn)子的位置。解電機(jī)一相繞組的電壓簡化方程為U =Ri +L (d i d t +id L (d t可得相繞組的瞬時電感為L (=-B +AL 0(e At +B A(1式中,A =(d i d t /i ,B =v i-R ,L 0(為L (前一刻的采樣值。因此,由式(1可解算出轉(zhuǎn)子位

10、置角。這一方案原理簡單,不需要外加電路。缺點是電感的計算時間較長,算法易受噪聲信號的影響,A /D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)存在延時等。針對上述方法人們提出了改進(jìn)方案:根據(jù)SRM 定子各相繞組依次獨立通過電流的特點,提出了非工作相施加檢測電壓脈沖法。2.1.2磁鏈法10磁鏈法于1991年由J.Lyo ns 等人首次提出,該方法是依據(jù)SRM 磁鏈、電流和轉(zhuǎn)子位置角之間的關(guān)系。忽略繞組互感的影響,則轉(zhuǎn)子位置角為繞組磁鏈和繞組電流的函數(shù),并且可以證明其為單值函數(shù),如果已知當(dāng)前時刻的繞組磁鏈和繞9組電流,則可以知道轉(zhuǎn)子位置。若能試驗得到對應(yīng)不同轉(zhuǎn)子位置的磁鏈-電流曲線,就可建立1個電流、磁鏈、位置角的三維表存儲在內(nèi)存

11、中,通過計算每一時刻的磁鏈,與采樣得到的電流一起通過查表法可得到當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置角。此方法原理簡單,但由于要建立并查找一個電流/磁鏈/位置的三維表,算法復(fù)雜,計算時間長,占用內(nèi)存大,靈活性差等。針對磁鏈法的不足,為提高實時性和使用范圍,減少所需內(nèi)存,2001年由華中理工大學(xué)的邱亦慧和詹瓊?cè)A教授等人提出了簡化磁鏈法。另外,其他學(xué)者也提出了如下改進(jìn)方法:基于參考位置角的磁鏈估計法和考慮起動狀態(tài)的磁鏈估計法。2.1.2.1簡化磁鏈法6,8,11 該方法是在電機(jī)單相輪流導(dǎo)通且電流PW M 控制的條件下提出的。在電機(jī)單相輪流導(dǎo)通時,并不需要轉(zhuǎn)子每一位置的信息,只要能夠判斷是否已達(dá)到換相位置即可。因此只需將

12、積分計算得到的估算磁鏈與換相位置磁鏈相比較,如果前者大于后者,則認(rèn)為換相位置還未到,繼續(xù)導(dǎo)通當(dāng)前相,反之則認(rèn)為換相位置已到,關(guān)斷當(dāng)前相,導(dǎo)通下一相。由于換相位置一般都靠近電感最大位置,因此換相位置磁鏈的獲得可通過測試最大電感時的磁鏈-電流曲線,從當(dāng)前電流查到對應(yīng)最大電感位置的磁鏈,然后再乘以一個小于1的系數(shù)來得到。該算法只需測試并存儲最大電感位置的磁鏈-電流曲線,然后查二維表。所需內(nèi)存小,算法簡單快速,無需附加硬件。缺點是無考慮繞組電阻隨溫度的變化,這將影響磁鏈估算值的準(zhǔn)確性。2.1.2.2基于參考位置角的磁鏈估計法3,12圖2位置角偏離參考位置時的磁鏈-電流曲線此方法也是基于磁鏈的一種估計法

13、。其原理為:首先測量電機(jī)一相繞組從通電運行到參考位置rf 的參考相電流i m ,計算可得到參考磁鏈e 。如圖2所示,假定在相電流為i m 時實際的轉(zhuǎn)子位置偏離參考位置一個很小的角度W ,由此可得磁鏈的偏差為W =W W |i =i m W(2一般情況下,轉(zhuǎn)子位置偏差W 與磁鏈偏差W 的關(guān)系可表示為W =k (,W (3當(dāng)相電流為i m 時,式(3可表示為W =k m (,W (4式中,k m (,=W W |i =i m,W =m -e ,W =m -rf 。由此可得到相電流為i m 時的轉(zhuǎn)子位置角為m =rf +k m (,(m -e (5式中,k m (,為電流為i m 時轉(zhuǎn)子位置偏差W

14、與磁鏈偏差W 的比值。k (,與勵磁電流的關(guān)系可通過實驗或靜態(tài)測試得到,曲線如圖3所示,因此通過計算即可得到轉(zhuǎn)子位置角。圖3k (,與電流的關(guān)系曲線這種方法需要選擇合適的參考位置,參考電流過大或過小都會給估計帶來較大誤差。2.1.2.3考慮起動狀態(tài)的磁鏈估計法2,1316起動時,由于電機(jī)無位置傳感器,因此無法直接得到起動時轉(zhuǎn)子的初始位置和運行時的關(guān)斷、開通位置,需要通過一定的間接位置檢測技術(shù)來得到。這種方法充分考慮了電機(jī)起動的起動因素。在電機(jī)靜止時,對每相電機(jī)繞組通低幅測試脈沖,得到一定的測試電流峰值,由于轉(zhuǎn)子靜止,可忽略繞組電阻影響,則測試電流峰值與繞組電感成反比,測試電流峰值分別代表各相繞

15、組電感,因此轉(zhuǎn)子的初始位置即可確定。然后給電機(jī)施加具有一定持續(xù)周期的電壓脈沖,使電機(jī)能夠運行。在電機(jī)運行時,選擇電流值最大的相進(jìn)行判斷,其原因是對于高性能的控制系統(tǒng)來說,為得到電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩,需要在電感下降區(qū)域前建立相電流。磁鏈可通過下述離散的關(guān)系式得到:(k =(k -1+v (k -1-R s2i (k +i (k -1T s(6式中:(k ,(k -1分別為第k 和k -1時刻的磁鏈;i (k ,i (k -1分別為第k 和k -1時刻的電流值;v (k -1為第k -1時刻的繞組電壓值;T s 為采10樣時間。對于式(6來講,通過處理器可以很容易計算出每個采樣時刻的磁鏈。由此根據(jù)電機(jī)的

16、電磁特性,轉(zhuǎn)子的位置即可確定。 這種方法能夠得到較好的總體性能和估計結(jié)果,并能應(yīng)用于電機(jī)的4象限運行。缺點是需要電壓傳感器和電流傳感器,并在確定用于轉(zhuǎn)子位置估計的相時,對所有的繞組都必須施加電壓。2.1.3相電流梯度法3,12,17該方法基于PWM 調(diào)壓控制,平均相電壓V ph =DV dc ,其中D 為占空比,V d c 為直流側(cè)電壓。圖4為PWM 電壓控制的典型相電流波形。 圖4PW M 電壓控制的典型相電流波形忽略相電阻壓降,由電機(jī)電壓方程可得v 0-=k L 0-d i 0-d +k i 0-d L 0-d v 0+=k L 0+d i 0+d +k i 0+d L 0+d 式中,0-

17、為轉(zhuǎn)子剛到達(dá)0的時刻,0+為轉(zhuǎn)子剛通過0時刻,因為L 0-L L ,L 0+L L ,d L 0-/d =0,則:v 0-=L L kd i 0-d ,v 0+=L L k d i 0+d +i 0+k d L 0+d 。為了獲得一定幅值的電流以保證足夠的轉(zhuǎn)矩,通常在位置0以前的低電感區(qū)使相應(yīng)相繞組導(dǎo)通,因此在0處,電壓不會發(fā)生跳變,即v 0+=v 0-,所以d i 0-d -d i 0+d =i 0+L L ·d L 0+d >0。也就是說,在0處相電流的梯度將下降。根據(jù)SRM 這一特征,通過檢測相電流梯度變化可以間接檢測出電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。相電流梯度法優(yōu)點是:方法簡單,使用附

18、加器件較少,適合于電機(jī)的中速和高速運行;不需要電感的先驗知識,適用于任何SR 電機(jī),能夠適用于電機(jī)的4象限運行。缺點是:低速運行時由于相電流上升較快,而且要限定在安全區(qū),因而低速運行時檢測轉(zhuǎn)子位置偏差較大;電機(jī)的停止?fàn)顟B(tài)下,需要編寫啟動程序;不適合在瞬時大負(fù)載情況下應(yīng)用。2.1.4磁鏈/電流法10 1988年英國Leeds 大學(xué)的N.H .Mvung i 等人提出利用某相磁鏈-轉(zhuǎn)子位置關(guān)系和相電流-轉(zhuǎn)子位置關(guān)系來測量轉(zhuǎn)子位置。在磁鏈很小時,磁路的非線性和磁通飽和可以忽略,因此轉(zhuǎn)子位置的變化可通過電流恒定時,磁鏈與位置角的變化曲線(圖5所示和磁鏈恒定時,相電流與位置角的變化曲線(圖6所示表征。圖

19、5電流恒定時的磁鏈-位置角曲線圖6磁鏈恒定時的電流-位置角曲線通過試驗可得到磁鏈為定值時的電流-位置角對應(yīng)表或電流為定值時的磁鏈-位置角對應(yīng)表,采用查表法可得到轉(zhuǎn)子位置角。該方案較好地克服了電磁阻尼及其運動電勢的影響,不足之處在于數(shù)學(xué)模型過于簡單,未考慮渦流效應(yīng),檢測精度低,只適合于中、低速條件下使用。2.1.5基于電流斬波波形的檢測法7,8,11基于電流斬波控制的特點和電流斬波波形,利用電流的上升或下降時間判斷轉(zhuǎn)子的位置,可分為基于斬波波形的電流上升時間法和基于斬波波形的電流下降時間法。首先介紹電流上升時間法的原理。電流斬波波形如圖7所示,斬波電流的最大值為i 1,最小值為i 0,最大值與最

20、小值的差值為i ,電流從最小值i 0上升到最大值i 1的上升時間記為t r ,以a 相為例進(jìn)行分析,電壓方程為V a =R s i a +d J ad t =R s i a +W J a W ·d d t +W J a W i a ·d i ad t(7一個斬波周期內(nèi),電流的上升率為d i a d t =i 1-i 0t 3-t 2=i t r (8由式(7、式(8可得電感增量W L a =W J aW i a=V a -R s i a -eit r其中e =W J a W k -(911根據(jù)估計得到的電感增量,即可間接得到轉(zhuǎn)子的位置。 圖7電流斬波波形這種方法的優(yōu)點為:原

21、理簡單,不需要外加測試信號,簡化了電路,降低了成本,提高了電機(jī)的可靠性和容錯能力;低速情況下,由于旋轉(zhuǎn)電動勢很小,可忽略,位置估計較為精確。缺點是:沒有考慮電阻受溫度的影響與相間的磁鏈耦合及電磁損失;受電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓波動以及斬波電流的影響較大;不適合在高速下使用。電流下降時間法與電流上升時間法相似,同理可得電流下降時間法的電感增量為W J aW i a =WL a =-R s i a -e-it f(10其優(yōu)缺點與電流上升法相同。不同之處在于它不需要電壓傳感器檢測電壓。2.1.6基于觀測器的檢測方法1986年由Lumsdaine 等人提出針對SRM 相電感與轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)關(guān)系引入一個狀態(tài)觀測器

22、進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計的方法18。假設(shè)電機(jī)參數(shù)已知,首先根據(jù)電機(jī)的電磁特性和機(jī)械特性建立電機(jī)的線性狀態(tài)方程,然后通過選擇適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)變量(可以選擇轉(zhuǎn)速、位置角、磁鏈等和輸入變量(電壓及輸出變量(電流,建立由電機(jī)本身固有的一些物理參數(shù)所決定的狀態(tài)觀測器方程,通過檢測電機(jī)端口相電壓信號和相電流信號即可估計出轉(zhuǎn)子的位置角。這種方法使用SRM 的線性模型使得瞬態(tài)時觀測器性能較差,而且采用的降階擴(kuò)展勒伯格型觀測器未包含系統(tǒng)所有的狀態(tài)量,觀測器對參數(shù)變化及噪聲很敏感,從而動態(tài)性能比較差。另外,此方法過于依賴所建SRM 模型的精確程度,算法復(fù)雜,對CPU 的處理速度要求較高。優(yōu)點在于不需要另外的附加檢測電路,而且不

23、用考慮探測電流所帶來的負(fù)面作用。針對上述不足,其他學(xué)者又提出了全階擴(kuò)展勒伯格型非線性觀測器,對系統(tǒng)所有狀態(tài)進(jìn)行觀測并將負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為未知狀態(tài)變量對待,使系統(tǒng)性能極大提升,消除了穩(wěn)態(tài)誤差。為了獲得更好的動態(tài)性能,考慮到SRM 非線性、多變量強耦合的系統(tǒng)特點,魯棒性好、實時性強的滑模觀測器19,20、二階滑模變結(jié)構(gòu)觀測器16,自適應(yīng)觀測器20等被相繼提出。2004年華南理工大學(xué)的楊向宇、孫明等人提出采用滑模觀測器檢測轉(zhuǎn)子位置21,首先建立觀測器模型、觀測器誤差模型以及二階滑模觀測器的微分方程,通過選擇合適的系數(shù)使觀測器的觀測位置角趨于實際的轉(zhuǎn)子位置角,達(dá)到位置檢測的目的。2.1.7相間互感檢測方法5

24、,9,22相間互感法就是要通過檢測相間由于互感效應(yīng)產(chǎn)生的感生電壓來檢測轉(zhuǎn)子位置角,這種方法1992年由M.Ehansi 等學(xué)者提出。SRM 工作過程中,由于非激勵相與激勵相間的電磁耦合,會產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)子位置變化的感生電壓,因此檢測非激勵相感生電壓可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置角的間接檢測。如果通過試驗的方法,預(yù)先得到校正好的互感電壓和轉(zhuǎn)子位置角之間的對應(yīng)關(guān)系表,就能夠由互感電壓值查詢=f (互感電壓,電流二維表獲得轉(zhuǎn)子位置角。SRM 任何一非激勵相都可以被選為檢測的對象,在轉(zhuǎn)子從完全非對齊位置到完全對齊位置過程中,被選定的非激勵相中的互感電勢會發(fā)生一個由正向最大值到負(fù)向最大值之間的周期性變化。該方案考慮了電機(jī)轉(zhuǎn)

25、速和相電流對互感電壓的影響,優(yōu)點是不需要在非工作相之外加激勵脈沖,檢測電路僅由信號處理電路構(gòu)成,因而系統(tǒng)工作效率較高;缺點是方案實現(xiàn)較為困難。2.2非導(dǎo)通相檢測法非導(dǎo)通相檢測法一般是從外部向被非導(dǎo)通相注入激勵信號,通過檢測相應(yīng)信號的幅值或者相位來解算轉(zhuǎn)子位置信號。2.2.1單相激勵脈沖法針對上節(jié)提到的電流波形檢測法,人們提出了改進(jìn)方案:根據(jù)SRM 定子各相繞組依次獨立通過電流的特點,在很短的時間內(nèi)對非工作相施加一檢測電壓脈沖。假設(shè)所加脈沖持續(xù)時間為t ,產(chǎn)生的測試電流很小,不產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩,并且磁路不飽和,電機(jī)的電壓方程可簡化為12 無位置傳感器的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位 置檢測技術(shù) 電氣傳動 200

26、6年 第 36 卷 第 2 期 i U k = Lk ( t 或 ( 11 教授等人提出了兩相激勵脈沖的檢測方法 。 其原 理是: 當(dāng) SRM 的一相正在工作時 , 對另外兩個相 鄰的非工作相同時施加脈沖激勵 , 得到相應(yīng)的響 應(yīng)電流 , 比較其響應(yīng)電流的大小來決定下一相何 時導(dǎo)通 。 該方法的優(yōu)點是: 由于換相點的判斷只與響 應(yīng)電流的相對變化有關(guān) , 而與其值的大小無關(guān) , 因 此這種方法的抗干擾性較強 。 采用兩個非工作相 進(jìn)行判斷 ,不僅提高了判斷的精度 ,而且還可以減 小電壓波動和負(fù)載波動的影響 , 從而減小了檢測 誤差。 缺點是 : 需要外加檢測電路 , 成本高 , 增加了 系統(tǒng)的復(fù)

27、雜性。 2. 2. 3 曲線擬合的方法 24, 25 = F - 1 L k ( ( 12 對于式 ( 12有兩種不同的方法來獲得轉(zhuǎn)子位 1 置信息 : 阻抗法和頻率法。 2. 2. 1. 1 阻抗法 阻抗法的思想是: 使所加檢測脈沖的電壓 U k和 時間 t 為某一定值 , 由式 ( 11可知 , 檢測脈沖的相 電流與相電感的瞬時值即 i 與 L k ( 成反比例 , 因 而電流變化率 i /t 反映了轉(zhuǎn)子的不同位置。 從而 由 i 與給定閥值比較獲得位置信息 , 并可通過改變 給定閥值的大小來控制相激勵的開通角。 由于轉(zhuǎn)子位置檢測精度取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速和激勵 脈沖頻率 , 假設(shè)對受檢相施加頻率

28、為 f 的激勵脈沖 , 若不考慮其它的檢測誤差 , 則采樣得到的第 n+ 1個 位置信息 n+ 1與第 n 個位置信息 n之間的位置間隔 = k/f 。 因而當(dāng) k 恒定時 , 若激勵脈沖頻率 f 較 低 ,得到 則較大 ,位置檢測精度較低 , 很可能理想 的開通或關(guān)斷位置是在某個 區(qū)間內(nèi) ,而實際并不 能檢測到該位置 , 因而無法在準(zhǔn)確位置開通或關(guān)斷 SRM 的相繞組 , 從而影響了控制精度。 提高激勵脈 沖頻率有利于提高檢測精度 , 但由此帶來的功率損 耗也增加 , 而且對于特定的電感位置 , 當(dāng)頻率高于某 一值時就會出現(xiàn)后 1次激勵脈沖到來時前 1次激勵 產(chǎn)生的繞組電流還未降為零 , 從

29、而造成電流疊加現(xiàn) 象 ,無法正常檢測。 2. 2. 1. 2 頻率調(diào)制法 13, 23 2000 年哈爾濱理工大學(xué)的王旭東教授等人 基于非通電相加激勵脈沖判斷 SRM 轉(zhuǎn)子位置的 方法 ,提出建立最高激勵脈沖頻率的數(shù)學(xué)模型 , 利 用曲線擬合算法來預(yù)報轉(zhuǎn)子位置的改進(jìn)方法。 為 減小計算量 , 擬合時僅取包括當(dāng)前采樣點以前的 3個激勵脈沖響應(yīng)所對應(yīng)的電感值 , 依據(jù)使殘差 最小的原理 , 計算出用于擬合曲線的系數(shù) 。 根據(jù)擬 合的曲線 , 可預(yù)測 出下一采樣點的電感 Ln+ 1 , 根 據(jù)電感與位置的關(guān)系即可預(yù)算出下一次的位置信 息 n+ 1。 然后判斷繞組開通或關(guān)斷的期望位置 x 是否落 在區(qū)

30、間 n與 n+ 1之內(nèi) , 若 不是 , 則繼續(xù) 采 樣 、預(yù)測 , 若是則可利用預(yù)報模型 t ( x- n td = n+ 1 - n 式中: t 為激勵脈沖的時間間隔 , t= 1 /f ; n為第 x 為期望的 開通角或 n 次采樣解算出的位置角 ; 關(guān)斷角 ; td為預(yù)測達(dá)到期望位置的延時值 。 頻率調(diào)制法于 1990 年由 Ehsani M 等學(xué)者提 出 , 其基本思想是 : 采用調(diào)頻 FM 編碼技術(shù)產(chǎn)生一 系列頻率與瞬時相電感成比例的方波信號 。 通過 設(shè)計電路將被測相電感大小轉(zhuǎn)換為頻率 (或周期 T 的大小 , 如果電路參數(shù)選擇合適 , 則 L 和周期 T 之間有如下的關(guān)系: T

31、= kL ( k 為比例常數(shù) 。 由 此可獲得相電感的頻率編碼信號 , 將此信號送給 微處理器 , 利用 f /V 變換器就可得到與頻率成正 比例的電壓 , 將此電壓與設(shè)定的閥值比較從而獲 得轉(zhuǎn)子位置信息。 此 方法的 優(yōu)點 為: 頻 率調(diào) 制器 可以 工作 在 0 100 k Hz的寬調(diào)制范圍內(nèi) , 分辨率高 ; 缺點為 : 需要給每一相加檢測脈沖 , 增加了控制線路的復(fù) 雜性 ,工作點不易穩(wěn)定 , 易受干擾 。 2. 2. 2 兩相脈沖激勵方法 24, 25 計算施加第 n 次脈沖后需延時多長時間期望 的關(guān)斷或開通位置才能到達(dá) 。 這種方法的優(yōu)缺點為 : 可提高系統(tǒng)的抗干擾 性 , 同時也

32、更能精確地預(yù)測轉(zhuǎn)子為位置信息。 但實 際的擬合計算時間及擬合誤差對控制精度具有影 響 , 拐點位置處的擬合誤差較大 。 2. 3 基于智能控制的檢測方法 隨著智能控制理論的飛速發(fā)展 , 國內(nèi)外的許 多專家學(xué)者將智能控制的方法引入到 SRM 無位 置傳感器的研究當(dāng)中。 目前研究較多的是模糊控 制法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 , 文獻(xiàn) 26 還 提出了基于卡爾 曼濾波器的檢測方法。 2. 3. 1 模糊控制法 模糊控制提供了一個不需要數(shù)學(xué)模型的建模 13 5, 27 29 針對單相脈沖法判別邏輯簡單、 精度低 、可靠 性差的缺點 , 2001年由哈爾濱理工大學(xué)的王旭東 電氣傳動 2006 年 第 36卷 第 2

33、期 無位置傳感器的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù) 方法 ,非常適合于未知的、難以定義的系統(tǒng) 。 這種 方法是基于 SRM 的繞組磁鏈、 位置角以及電流 之間的非線性關(guān)系 , 首先根據(jù)電機(jī)的電磁特性建 立合理的模糊規(guī)則庫 , 定義磁鏈、 電流為輸入 , 位 置角為輸出 , 建立一個雙輸入、單輸出的模糊控制 模型 ,檢測得到的磁鏈 、電流通過模糊控制模型就 可推理得到位置角的模糊輸出。 這種方法的優(yōu)點是: 不需要建立電機(jī)精確的數(shù) 學(xué)模型 , 實時性好 , 抗干擾能力強 , 魯棒性好 , 不需要 附加檢測電路。 不足之處在于: 模糊規(guī)則不易調(diào)節(jié) , 自適應(yīng)能力差。 2. 3. 2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 5, 2

34、9 31 置信息 。 這種方法的優(yōu)點為 : 不需考慮相繞組中電流 及運動電勢的影響 , 與電機(jī)負(fù)載無關(guān) , 而且它對電 機(jī)的運行狀態(tài)也沒有影響 , 靈敏度高 , 可獲得較大 的相對變化量 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,適應(yīng)性強。缺點為: 由于 要在電機(jī)內(nèi)部放置元件 , 使 SRM 的制造工藝變 得復(fù)雜 。 另外 , 若定子槽內(nèi)的金屬極板放置位置不 一致 , 就會使金屬極板相對于轉(zhuǎn)子位置的變化特 性不一致 ,產(chǎn)生加大的檢測誤差 。 2. 4. 2 外加測試線圈法 5, 32 35 該方法是由南京航空航天大學(xué)的樊小明等人于 1995 年提出 , 外加測試線圈法是將獨立的測試線圈 與定子繞組線圈繞在一起 , 通過檢

35、測測試線圈電感 變化規(guī)律得到轉(zhuǎn)子位置信息。 定子繞組線圈一般采 用順串接法 , 測試線圈既可順串 , 也可反串。 順串接 法電感幅值和靈敏度較高 , 但容易受主繞組工作電 流的干擾 ; 反串接法則正好相反。 文獻(xiàn) 30, 31, 36 采用 RLC 串聯(lián)諧振技術(shù)實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子位置的正確 求解 , 另外 , 還有如下幾種求解的方法。 阻抗法測量電感: 將反串線圈作為測試對象 , 通過測量固定頻率下測試線圈電感呈現(xiàn)的復(fù)阻抗 特征來實現(xiàn) 。 阻抗法測量電流: 用阻抗法測量測試線圈電 流的原理較為簡單 , 通常是在測試線圈上加一個 固定頻率為 k的交流信號源 , 然后用一個采樣電 阻檢測電感上的電流即可

36、。 假設(shè) L 為某相兩極下反串的測試 線圈的總 電感 , 回路等效電阻為 R , 采樣電阻值為 R ( R R , 則采樣電阻 R 上壓降的幅值 | UR | = R · Us / R2+ k + 2· L 2 ( ,相角為 h = - arctan k / L ( R , 采樣電阻上的壓降幅值及相角都隱含有轉(zhuǎn)子 的位置信息 。 為此可通過相位解調(diào)技術(shù)、幅值解調(diào) 技術(shù)進(jìn)行位置的檢測。由于電感比較小時 , 相位的 變化要比幅值的變化劇烈 ; 而在電感比較大時 , 幅 值的變化要比相位的變化明顯。 因此為了提高檢 測精度和靈敏性 , 可以將兩者結(jié)合起來 ,小電感范 圍 用 相位

37、 解 調(diào)法; 較 大 電 感 范圍 用 幅 值 解 調(diào)法 。 這種方法的優(yōu)點是 : 便于實現(xiàn) ,適合于任何類 型的電機(jī)。 缺點是需要額外的硬件電路 ,增加了成 本和復(fù)雜性 。 22 · · 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人直觀性思維的非線性 動力學(xué)系統(tǒng) , 對于任意非線性對象的逼近和建模 , 以及對不確定性模型的控制均有很好的效果。 神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法也是基于電機(jī)的磁鏈、 電流基礎(chǔ)之上的 , 在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行位置估計之前 , 首先通過實測得 到樣本數(shù)據(jù) , 樣本數(shù)據(jù)的獲得是將轉(zhuǎn)子固定于一 系列不同的位置 , 向繞組通入不同數(shù)值的相電流 , 記錄下不同相電流值所對應(yīng)的磁鏈值 。 這些具有 對應(yīng)關(guān)

38、系的轉(zhuǎn)子位置角 、電流、磁鏈?zhǔn)巧窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué) 習(xí)的樣本。 選擇合適的網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu) , 通過對大量 樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練 , 就能建立能準(zhǔn)確反映位置角 、 磁鏈及電流的非線性關(guān)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 , 從而 可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的檢測 。 這種方法的優(yōu)點是: 不需要建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模 型 ,魯棒性好 , 適應(yīng)性強 , 不需要附加檢測電路。不足 之處在于: 需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù) ,學(xué)習(xí)時間較長。 2. 4 附加元件檢測法 目前 , 附加元件法主要有附加極板電容法和 外加測試線圈法兩大類 。 其中 ,基于外加測試線圈 法的求解轉(zhuǎn)子位置的方法有 : 阻抗法測量電感法 、 阻抗法測量電流法 、相位調(diào)制法 、幅值調(diào)制法等 。

39、2. 4. 1 附加極板電容法 25 1999 年 , 華中理工大學(xué)的詹瓊?cè)A教授等人提 出通過電容與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系確定實 際運行時 定 、轉(zhuǎn)子相對位置的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。 基本原理為: 在 SR電機(jī)定子槽中插入一金 屬平板 , 并使金屬平板的中心線與定子槽中心線 重合 ,則金屬平板與轉(zhuǎn)子構(gòu)成一電容器 ,金屬平板 為定極板 ,轉(zhuǎn)子為動極板。 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時 , 電容器 的極板間距和面積隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而變化 , 其電容 大小是轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。 通過將電容量轉(zhuǎn)化為 可測的電量 , 進(jìn)行處理后就能得到對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位 14 3 總結(jié)與展望 本文對 SRM 無位置傳感器的檢測方法作了 無位置傳感器的開關(guān)磁阻電

40、機(jī)轉(zhuǎn)子位 置檢測技術(shù) 電氣傳動 2006年 第 36 卷 第 2 期 9 張蓮 , 陳鴻雁 . 開關(guān)磁 阻電動機(jī) 調(diào)速系 統(tǒng)位置 檢測技 術(shù)評述 . 重慶工學(xué)院學(xué)報 , 2002, 16( 3: 65 68 10 L yo ns J P, M acM inn S R, Presto n M A. Flux / cur rent M etho ds fo r Ro to r Po sition Estima tion. Co nf. Rec. IEEE Ind Appl So c, 1991 : 482 487 11 Eg an M G, Ha rring to n M B, M urphy J

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48、種典型檢測方法的原 理 , 客觀評價了各種方法的優(yōu)缺點及適用范圍。這 將對新型無位置傳感器的研究具有重要的借鑒意 義。 采用無位置傳感器的方法檢測轉(zhuǎn)子位置 , 既簡 化了 SRM 驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) , 提高了系統(tǒng)的可靠 性 , 又可避免位置傳感器受環(huán)境因素的影響 , 是很 有潛力的發(fā)展方向 。 智能控制技術(shù)的不斷成熟 , 電力電子技術(shù)、 數(shù) 字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展 , 將為無位置傳感器 技術(shù)的研究注入新的活力 5, 37 。 比較各種控制方 法的優(yōu)缺點 , 以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的智能控制技術(shù) 在 SRM 無位置傳感器的檢測中具有廣闊的發(fā)展 前景。 采用高性能的數(shù)字信號處理芯片 ( DSP開 發(fā)各種

49、復(fù)雜算法 , 進(jìn)行位置檢測 , 無需附加外部硬 件電路 , 可大大提高檢測的可靠性和快速性 , 為各 種控制理論在無位置傳感器 SRM 的實現(xiàn)提供了 良好的硬件平臺。 將智能控制技術(shù)及高速高效低 價格的 DSP應(yīng)用于 SRM 的位置檢測和控制當(dāng)中 將是未來的發(fā)展趨勢。 參考文獻(xiàn) 1 詹瓊 華編著 . 開 關(guān)磁阻電 動機(jī) . 武漢 : 華 中理工 大學(xué) 出版社 , 1991 2 王宏 華編 著 . 開關(guān) 型磁 阻電 動機(jī) 調(diào) 速控 制技 術(shù) . 北 京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 , 1995 3 Krish nan R. Senso rless Opera tio n of SRM Driv es:

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