陳坤華， 孫玉坤， 李天博

（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感控制器研究

陳坤華， 孫玉坤， 李天博

（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

針對(duì)機(jī)械式位置傳感器增加控制系統(tǒng)復(fù)雜性和降低系統(tǒng)可靠性的問題，提出了開關(guān)磁阻電機(jī)一種新的無位置傳感控制器。在建立開關(guān)磁阻電機(jī)電感模型基礎(chǔ)上，推導(dǎo)無位置傳感器數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建無位置傳感器控制系統(tǒng)。通過測(cè)量激勵(lì)相電壓和電流，估算轉(zhuǎn)子實(shí)際位置，采用電流斬波控制方法控制開關(guān)磁阻電機(jī)低速運(yùn)行，采用角度位置控制方法控制開關(guān)磁阻電機(jī)高速運(yùn)行。對(duì)該無位置傳感系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能在較寬調(diào)速范圍內(nèi)準(zhǔn)確地估計(jì)開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

無位置傳感器；開關(guān)磁阻電機(jī)；電感模型；功率變換器；電流斬波控制；角度位置控制

0　引言

開關(guān)磁阻電機(jī)（switched reluctance motor， SRM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高，調(diào)速范圍寬，低速啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。其定轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，定子有集中繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，定子各相繞組輪流導(dǎo)通產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其位置信號(hào)控制激勵(lì)相繞組開通與關(guān)斷，位置檢測(cè)環(huán)節(jié)是開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分。

開關(guān)磁阻電機(jī)常用光電編碼盤作為位置傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，但是位置傳感器的使用增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，加大了電機(jī)的成本，減少了電機(jī)的功率體積比，降低了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，出于對(duì)電機(jī)高功率密度，減小安裝尺寸等因素考慮，無位置傳感器技術(shù)研究成為開關(guān)磁阻電機(jī)的一個(gè)熱點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外研究較多的開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感技術(shù)有相電流分析分析方法［1］，轉(zhuǎn)矩電流位置特性分析法［2］，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)法［3］，基于狀態(tài)觀測(cè)器的無位置傳感技術(shù)［4-6］，基于相磁鏈波形的無位置傳感技術(shù)［7-9］，附加電容檢測(cè)法［10］、反串線圈法［11-12］。

本文采用開關(guān)磁阻電機(jī)電感模型［13-16］，并考慮磁路飽和，提出了新的無位置檢測(cè)方法，縮短了開關(guān)磁阻電機(jī)位置估算運(yùn)算周期。實(shí)驗(yàn)表明該無位置檢測(cè)運(yùn)算簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

1　電感模型

圖1為開關(guān)磁阻電機(jī)相電感模型L（i，θ）。兩相電感間的相位差等于步距角（其中m為電機(jī)相數(shù)，Nr為轉(zhuǎn)子極數(shù)）。

圖1　開關(guān)磁阻電機(jī)相電感模型Fig.1　Phase inductance model of SRM

在單相激勵(lì)時(shí)，相間互感對(duì)導(dǎo)通相電感的影響很?。?6］，可以忽略［12］，激勵(lì)相電感可以用其自感模型表達(dá)式描述。

將式（1）展開并簡(jiǎn)化，可得

La（i）電感值最大，為定轉(zhuǎn)子凸極處于完全重疊位置電感、Lu電感值最小，為定轉(zhuǎn)子凸極處于不重疊位置電感、Lm（i）為中間位置電感。La（i）、Lm（i）大小與相繞組和相電流有關(guān)，并受磁路飽和的影響。k值是估計(jì)量，k=5。an、bn為多項(xiàng)式參數(shù)，通過曲線擬合法獲得，使得式（6）、式（7）與實(shí)驗(yàn)或有限元分析得到的La（i）與Lm（i）曲線一致。Lu與相繞組有關(guān)。

2　無位置傳感器設(shè)計(jì)

考慮開關(guān)磁阻電機(jī)鐵心磁通密度高飽和性和渦流、磁滯效應(yīng)等影響，其電壓平衡方程為

將相電感表達(dá)式（5）代入式（9），并整理可得

簡(jiǎn)化為一元二次方程

參數(shù)a、b、c中i、U均為實(shí)際測(cè)量值，式中電感La（i）、Lu（i）和Lm（i）值可分別由式（6）、式（7）和式（8）獲得，ω為前次轉(zhuǎn)速估算值，這樣可算得參數(shù)a、b、c的值。本方法考慮了轉(zhuǎn)子極數(shù)在轉(zhuǎn)子位置估計(jì)中的作用，適用于任何轉(zhuǎn)子極數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)。

3　系統(tǒng)仿真計(jì)算

圖2（a）為n=500 r/min，θon=7.5°、θoff=22.5°時(shí)的電流波形，從圖中可以看出，在恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)，SRM有良好的電流斬波特性。圖2（b）為n=1 500 r/min時(shí)的電流波形，從圖中看出，在恒功率區(qū)，SRM由于轉(zhuǎn)速較高，各相主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間短，因此在APC控制下的電流較CCC控制下的電流小。

圖2　三相電流仿真結(jié)果Fig.2　Simulation results of three phase current

4　實(shí)驗(yàn)分析

圖3為開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖，圖中開關(guān)磁阻電機(jī)的功率為1.5 kW，3相，6/4極；采用不對(duì)稱半橋電路作為SRM功率變換器主電路，圖4為SRM主電路框圖。該電路有3種工作狀態(tài)：①S1、S4開通，A相繞組加正電壓，建立電流和磁鏈；②S1斷開，A相電流在S4、D4構(gòu)成的環(huán)路中續(xù)流，磁鏈緩慢下降；③S1、S4都斷開，相電流通過D1、D4續(xù)流，磁鏈迅速下降，繞組能量回饋電源。從圖中可以看出電機(jī)繞組與每相開關(guān)串聯(lián)，相與相之間相互獨(dú)立，這樣避免了相電路上、下橋臂直通短路的問題。

圖3　開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖Fig.3　System diagram based sensorless control of SRM

圖4　SRM不對(duì)稱半橋電路框圖Fig.4　H-bridge asymmetric converter of SRM

控制器選用DSP，實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)位置估算、電流斬波控制、角度位置控制功能。轉(zhuǎn)子位置估算模塊輸入量是實(shí)時(shí)檢測(cè)到的SRM激勵(lì)相電流i和相電壓U，相電流i經(jīng)過倍頻細(xì)分模塊與相電壓經(jīng)過位置估算模塊，輸出為轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值為轉(zhuǎn)速估計(jì)。其中控制相開通與關(guān)斷，與速度給定值ωref比較，通過PID調(diào)節(jié)器控制開關(guān)磁阻電機(jī)速度。

圖5為系統(tǒng)主程序流程圖，主要完成外圍設(shè)備初始化；確定轉(zhuǎn)子初始位置；觸發(fā)相開通；檢測(cè)激勵(lì)相電流、相電壓；估算轉(zhuǎn)子位置；換相并選擇控制策略等功能［18-20］。

圖5　系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5　Flowchart illustrating the software structure

圖6（a）為電流斬波控制n=500 r/min開通角、關(guān)斷角固定θon=7.5°、θoff=22.5°時(shí)的電流波形，圖6（b）為角度位置控制n=1 500 r/min時(shí)的電流波形。從其電流波形可以看出，無論是低速運(yùn)行，還是高速運(yùn)行時(shí)，使用該位置估計(jì)方法下的開關(guān)磁阻電機(jī)均有良好的穩(wěn)態(tài)性能。

圖6　電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.6　Experiment wave of current

為進(jìn)一步驗(yàn)證位置估算的準(zhǔn)確程度，實(shí)驗(yàn)中還安裝了霍爾元件，用于測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，獲得轉(zhuǎn)子位置測(cè)量值。估計(jì)值通過實(shí)時(shí)檢測(cè)到的激勵(lì)相電流由位置估算模塊算得。圖7（a）、圖7（b）分別n=500 r/min 和n=1 500 r/min時(shí)的位置測(cè)量值與估計(jì)值的曲線，圖中實(shí)線表示轉(zhuǎn)子位置測(cè)量值，點(diǎn)畫線表示轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值，圖中的點(diǎn)表示轉(zhuǎn)子位置測(cè)量值的采樣點(diǎn)，圖中的圈表示轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值的采樣點(diǎn)。

圖7　位置測(cè)量值與估計(jì)值的曲線Fig.7　Curve of position measurement and curve of position estimation

表1、表2分別列出了開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速為n= 500 r/min和n=1 500 r/min時(shí)采樣點(diǎn)處位置測(cè)量值與位置估計(jì)值，通過實(shí)際測(cè)量值跟估計(jì)值的對(duì)比，可以看出開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況吻合，誤差很小。

表1　n=500 r/min時(shí)的裝置測(cè)量值與估計(jì)值Table 1　The value of position measurement and the value of position estimation at 500 r/min

表2　n=1 500 r/min時(shí)的裝置測(cè)量值與估計(jì)值Table 2　Value of position measurement and the value of position estimation at 1 500 r/min

5　結(jié)論

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由于其優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速性能，受到國(guó)內(nèi)外眾多專家、學(xué)者的關(guān)注，本方案提供了一種新的開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感技術(shù)?；陔姼心Ｐ吞岢龅臒o位置傳感器能較好地檢測(cè)開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，降低了系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化了位置估算的數(shù)學(xué)模型，增加了系統(tǒng)的可靠性，減少了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

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（編輯：劉琳琳）

Sensorless control of switched reluctance motor

CHEN Kun-hua， SUN Yu-kun， LI Tian-bo
（School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

The mechanical position sensor increase the complexity of control system and decrease the system reliability.In order to solve this problem，a new sensorless control scheme for switched reluctance motor（SRM）was presented.Based on the inductance model of the SRM，the theoretical aspects of the proposed sensorless scheme model were first described.By the measurement of the active phase current and phase voltage，the actual rotor position was estimated.The current chopping control（CCC）was used to control the low speed of the SRM，and the angle position control（APC）was used to control the high speed of the SRM.Simulation is demonstrated the feasibility of this scheme in detail.The control of switched reluctance motor was actualized.The experiment results have shown that the proposed position sensorless method estimate the rotor position of SRM in a wide adjustable speed range.

position sensorless；switched reluctance motor；inductance model；power converter；current chopping control；angle position control

10.15938/j.emc.2016.03.013

TM 352

A

1007-449X（2016）03-0085-05

2012-09-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（51007031）；研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CX09B_11XZ）

陳坤華（1981—），男，博士研究生，講師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)智能控制；

孫玉坤（1958—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量與智能控制；

李天博（1969—），男，碩士，副教授，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)、智能控制技術(shù)。

陳坤華