开关磁阻电机无位置传感器控制策略研究

第28卷㊀第4期2024年4月
㊀
电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control
㊀
Vol.28No.4Apr.2024
㊀㊀㊀㊀㊀㊀开关磁阻电机无位置传感器控制策略研究
王青1,㊀蒋宗文1,㊀王林强1,㊀徐鑫莹1,㊀丁家鑫1,㊀刘韬2
(1.南昌大学信息工程学院,江西南昌330031;2.南昌大学数学与计算机学院,江西南昌330031)
摘㊀要:针对开关磁阻电机无位置传感器下的转子位置还原,提出一种基于电流上升时间监测的无位置传感器控制策略,该策略包含初始位置检测㊁电机启动运行㊁转子位置重构和调速控制几个部分㊂首先离线测得电机在特殊位置时滞环带宽内的电流上升时间,作为初始阈值用于电机启动;接着分别对各相绕组注入小电流,比较各相电流在滞环带宽内的上升时间进行初始位置分区;然后将转子从电感下降区进入电感最小区起始点作为特征点,利用初始阈值启动电机并在电机运行过程中依据实时工况更新特征点处时间阈值作为下一周期的检测特征;最后通过检测特征点位置信号对转子进行位置重构和转速估算实现换相与调速㊂仿真与实验结果验证了所提出控制策略的有效性与准确性㊂
关键词:开关磁阻电机;无位置传感器控制;转子位置重构;特征点检测;电流注入DOI :10.15938/j.emc.2024.04.016
中图分类号:TM352
文献标志码:A
文章编号:1007-449X(2024)04-0149-09
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㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
收稿日期:2022-10-25
基金项目:国家自然科学基金(51967013);江西省自然科学基金(20212BAB214061)
作者简介:王㊀青(1990 ),男,博士,副教授,研究方向为新能源发电㊁电机及其驱动系统㊁电力电子系统的建模与优化;
蒋宗文(1998 ),男,硕士研究生,研究方向为电机及其控制;王林强(1999 ),男,硕士研究生,研究方向为电机及其控制;徐鑫莹(1998 ),女,硕士研究生,研究方向为电机及其控制;丁家鑫(1997 ),男,硕士研究生,研究方向为电机及其设计;刘㊀韬(1978 ),男,硕士,副教授,研究方向为系统建模与优化控制㊂
通信作者:王㊀青
Sensorless control strategy for switched reluctance machines
WANG Qing 1,㊀JIANG Zongwen 1,㊀WANG Linqiang 1,㊀XU Xinying 1,㊀DING Jiaxin 1,㊀LIU Tao 2
(1.College of Information Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China;
2.College of Mathematics and Computer Science,Nanchang University,Nanchang 330031,China)
Abstract :A sensorless control strategy was proposed for switched reluctance motor,which includes initial rotor position monitoring,start-up operation,position reconstruction and speed regulation.First,the cur-rent rise time of phase current within the hysteresis bandwidth at fixed position was measured off-line and stored as initial threshold for the start-up process;then the initial position was partitioned by comparing the current rise time of each phase within the hysteresis bandwidth by small current injection.The motor
was then started with the initial threshold,which was updated according to actual operating process.The newly updated threshold was employed as the detection feature for the next period.Then,the rotor posi-tion was reconstructed and the speed was estimated according to detected threshold signal.And commuta-tion and speed regulation were achieved accordingly.In the end,simulation and experimental results
were conducted presented to demonstrate effectiveness and accuracy of the proposed sensorless strategy.Keywords :switched reluctance motor;sensorless control;rotor position reconstruction;fixed point detec-tion;current injection
0㊀引㊀言
开关磁阻电机(switched reluctance machine, SRM)因其具有结构简单坚固㊁制造成本低,控制方便㊁运行方式灵活等诸多优点,在矿场开发㊁电动汽车和风力发电等领域广泛应用[1]㊂传统控制方式下需要增设位置传感器用于监测电机当前转子位置信息,以实现电机的调速和换相㊂但是增设位置传感器将增加系统成本㊁体积以及复杂度,在特殊的工作环境下降低了系统可靠性与稳定性[2-3]㊂因此,开关磁阻电机无位置控制系统的研究具有重要的意义㊂
近年来,国内外对于开关磁阻电机无位置控制技术的研究比较广泛,主要研究方法可以分为相电流斜率差值法[4]㊁脉冲注入法[5]㊁特殊位置法[6]和新型智能算法[7]几类㊂但是以上无位置控制技术均需要提前建立电机电感模型才能实现角度位置估算,计算方式复杂,普适性低㊂
文献[8]提出一种基于全周期电感法的无位置控制技术,该方式首先通过测量相电流斜差率建立电感模型,然后在电机起动和运行过程中,通过对非导通相注入高频脉冲测量其实时的相电流斜率差值,最后根据该差值进行转子位置估算㊂该方式需要提前建立电感模型,计算方式比较复杂㊂文献[9-10]利用脉冲注入法对绕组进行高频脉冲注入,通过比较各相绕组的脉冲电流峰值来实现转子位置估算㊂该方式同样需要先建立脉冲响应电流与转子位置之间的关系模型,控制方式比较复杂㊂文献[11-12]均通过对特征点进行检测实现位置估算㊂文献[11]利用电感交点作为特征点进行无位置控制,通过测得不同转矩下的电感交点所对应的角度,拟合出转矩和角度的函数关系,对特征点偏移进行角度补偿,提高了角度估算的精度㊂但由于电机制作时往往会出现电感不对称的情况,利用交点作为特征点本身存在一定的误差㊂文献[12]利用电感最大点作为特征点进行位置估算,利用转子在跨越电感最大点时会出现电流斜率差值由正变负的特性,对电感最大点进行监测,该方式容易受到电感饱和的影响,且导通范围必须经过电感最大区,故关断角调制范围窄㊂文献[13]提出一种利用检测线圈和主线圈同时工作的无位置控制技术,利用检测线圈的斩波信息进行位置估算,检测线圈的使用使得该方法应用的转速范围更宽,但导致电机空间结构改变,电机绕组利用率下降㊂
分析现有文献,目前使用的位置重构方法存在电感模型依赖程度高㊁普适性低㊁计算复杂等共性问题㊂本文提出一种开关磁阻电机位置重构策略,通过对电机非导通相注入小幅值电流并检测滞环带宽内电流上升时间间接的获取转子位置信息并进行转子位置重构,一定程度弥补了以上缺陷㊂
1㊀SRM无位置起动控制方法
1.1㊀SRM电流特性
电机静止状态下注入电流上升时间计算示意图如图1所示,设置斩波带宽为ʃΔi,当电流低于斩波下限时,开关管导通,当电流高于斩波上限时,开关管关断
㊂
图1㊀电流上升时间获取示意图
Fig.1㊀Schematic diagram of current rise time
忽略绕组互感影响,静止状态下,开关管导通时电机电压方程为
U ph=R ph i ph+L ph(θ)d i ph d t㊂(1)式中:U ph为电机相电压;R ph为绕组电阻;i ph为相电流;L ph为相电感㊂从式(1)可知,电流上升斜率受到相电压㊁绕组内阻和电感的影响㊂根据电压方程可以得出电流斜率关系表达式为
d i ph
d t=(U ph-R ph i ph)
1
L ph(θ)㊂(2)因此,滞环带宽内每次电流上升的时间Δt r为
Δt r=L ph(θ)㊃2Δi ph
U ph-R ph i ph㊂(3) 1.2㊀特殊位置电流上升时间检测
依据文献[14]的特殊位置检测方法,将转子齿与A相定子齿不对齐位置设置为0ʎ,转子静止时,首先向A相通入恒定电流,C相处于0ʎ,D相处于45ʎ位置,如图2(a)所示㊂关断A相,对D相注入小电流,如图2(b)所示,注入小电流后,转子可能会发
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生微小的位置变化,记该角度变化为Δθn ㊂此时转子相对于D 相的角度为45ʎ-Δθn ,转子相对于C 相的角度为-Δθn ,将测得的D 相斩波电流上升时间记为Δt d0㊂采用同样的方式,可以测得Δt a0㊁Δt b0㊁
Δt c0㊂此处测得时间信息将作为电机启动时特殊位置判断的初始依据
㊂
图2㊀特殊位置电流上升时间测量示意图
Fig.2㊀Example of current rise time measurement at
special positions
1.3㊀初始位置检测
由式(3)可知,滞环带宽内电流上升时间与相电感存在映射关系,故可以通过监测滞环带宽内电流上升时间判断转子位置㊂
静止时,同时对四相绕组进行小电流注入,通过比较四相电流上升时间可以得到如图3所示的转子初始位置分区结果
㊂
图3㊀初始位置分区示意图
Fig.3㊀Schematic diagram of initial location zoning
图中以四相电机为例,转子初始位置可分成
4个区间,每个区间各占15ʎ㊂以两相电流上升时间交点进行区间划分,可得表1所示的初始位置
区间㊂
在该种分区方式下,每个区间将对应不同的初始导通相,初始导通相通电后,转子旋转到与该相对齐位置㊂以区间1为例,当转子初始位置处于区
间1时,此时导通D 相,转子开始往D 相电感增大的方向运行,最终旋转至与D 相定子齿对齐位置㊂需要指出的是受电机加工工艺限制,各相的电感之间可能存在差异但差异一般较小,该差异使分区交点可能存在少量角度偏移,但不影响电机正常启动㊂
表1㊀电机转子初始位置分区Table 1㊀Rotor initial position partition
角度区间电流上升时间初始分区
初始导通相
(0ʎ,15ʎ]Δt ra <Δt rc ,Δt rb <Δt rd 1D (15ʎ,30ʎ]Δt rc <Δt ra ,Δt rb <Δt rd 2A (30ʎ,45ʎ]Δt rc <Δt ra ,Δt rd <Δt rb 3B (45ʎ,60ʎ]
Δt ra <Δt rc ,Δt rd <Δt rb
4
C
1.4㊀电机启动控制
电机启动状态作为转子从静止到正常运行的过渡状态,该过程利用本文1.3节所述初始位置分区方法确定初始导通相,利用本文1.2节离线测得的特殊位置时间指导电机换相,具体控制流程如图4所示㊂以C 相为例,在电感下降区,Δt r 不断减小,趋势如图1所示㊂当Δt rc <Δt c0时表示此时转子经过了15ʎ-Δθn 位置,此时关断A 相,导通B 相,并利用D 相进行特殊位置检测㊂在检测到Δt rd <Δt d0时,切换到下一个导通状态依次循环,换相逻辑如表2所示
㊂
图4㊀电机启动流程Fig.4㊀Motor starting process 表2㊀电机启动状态换相逻辑
Table 2㊀Initial operating state commutation logic
时间检测转子角度导通相关断相Δt ra <Δt a045ʎ-Δθn D C
Δt rb <Δt b0-Δθn
A D Δt rc <Δt c0
15ʎ-Δθn B A Δt rd <Δt d0
30ʎ-Δθn
C
B
1
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1.5㊀特征点频率信息获取
在电机启动过程中,监测其注入电流在滞环带
宽内上升时间,更新特征点阈值信息㊂如图5所示,在导通区间,对该相进行电流斩波控制,在非导通区间,对该相注入小电流
㊂
图5㊀电流㊁电感和上升时间对应关系
Fig.5㊀Relationship among current ,inductance and
rise time
启动过程中,电机电压方程为U ph =R ph i ph +L ph (θ)d i ph d t +ωi ph d L ph (θ)
d θ
㊂(4)式中ωi ph
d L ph (θ)
d θ
为电机反电动势㊂当转子处于电感上升区和电感下降区时,绕组电感受转子位置变化的影响较大,此时电机反电动势不可忽略,考虑反电动势的影响时,电流上升时间可表示为
Δt r =
L ph (θ)㊃2Δi ph
U ph
-R ph i ph -ωi ph
d L ph (θ)
d θ
㊂
(5)
电机启动阶段转速较低,电机反电动势可视为常数㊂用C 1表示U -Ri ,C 2表示电机反电动势,则电感下降区电流上升时间为
Δt r =
L ph (θ)㊃2Δi ph
C 1-C 2
㊂
(6)
转子进入电感最小区以后,绕组电感变化较小,电机反电动势可以忽略,电感近似等于最小电感L min ,此时电流上升时间为
Δt r =
L min ㊃2Δi ph U ph -R ph i ph =L min ㊃2Δi ph
C 1
㊂
(7)
由式(6)和式(7)可知,在转子从电感下降区进
入电感最小区时会出现一个特征点θx ㊂在特征点之前,电流上升时间Δt r 不断减小,在特征点以后,
Δt r 接近最小值且不再出现明显变化㊂在电机运行中,通过在线对电流上升时间进行收集和计算,可获取特征点处电流上升时间记为Δt rz ,该时间将作为阈值时间用于下一周期特征点位置检测㊂1.6㊀转速估算和转子位置重构
电机运行过程中,当对应相的电流上升时间达到阈值时间Δt rz 时,视为转子开始进入电感最小区,并产生如图6所示的位置索引信号对应进入电感最小区的时刻㊂t rr1㊁t rr2分别表示前后两次上升沿产生的时间;Δt rr 表示两次上升沿之间经过的时间,每一次检测到特征点时计算一次转速并将计时器清零㊂
故电机转速为
n t =
ΔθΔt rr =θ0ˑ60ʎΔt rr ˑ360ʎ
㊂(8)
利用该特征点进行转子位置重构时,Δθn 不再
对位置重构结果产生影响,故相应的转子位置重构结果为
θt =n t Δt rr ˑ360ʎ-θx ㊂
(9)
式中:θ0为一个电周期内转子转过的机械角度;θx 为特征点与实际0ʎ位置的角度差;θt 为转子位置重构角度㊂
需要指出的是由于电机制造工艺的限制,不同相的电感之间可能存在差异,会导致特征点出现较小的偏移但一般影响不会太大㊂若不同相的电感之间存在较大差异,特征点的偏移会比较明显,可以通过对各相单独进行角度调节以弥补特征点漂移带来的误差㊂但由于特征点处的电感特性不会丢失,在发生特征点偏移的情况下仍然可以通过检测该特征实现转速估算和转子位置重构,本文提出的位置重构方法仍然适用
㊂
图6㊀位置重构示意图Fig.6㊀Location estimation diagram
2
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综上,本文提出的策略具有以下几个特点:1)借助开关磁阻电机具有的电感对称特性和
滞环带宽内电流上升时间与相电感存在的映射关系,利用电流上升时间交点进行初始位置分区,分区方式简单㊁普适性高㊂
2)利用离线测得的初始特殊位置电流上升时间信息指导电机进行启动,特殊位置电流上升时间信息获取方便㊁实用性强㊂
3)利用电感由下降区进入最小区位置作为特征点,该特征点是开关磁阻电机固有的特性,特征明显㊁可适用的电机结构范围广㊂
2㊀仿真分析
为验证理论的正确性,本文以四相8/6结构开关磁阻电机作为研究对象,利用MATLAB /Simulink 建立仿真模型,对本文所提方法进行仿真验证㊂
设置开通角和关断角均为0ʎ,小电流滞环带宽0~1A,给电机一个正转矩使其拖动电机低速旋转时,仿真得出的全周期电流上升时间与位置㊁电感之
间的变化关系和位置分区结果如图7所示
㊂图7㊀基于全周期小电流斩波的初始位置分区仿真示意Fig.7㊀Schematic simulation of initial position partitio-ning based on full-cycle small current chopper
从图7中的仿真波形可以看出,相电感随转子位置变化出现周期性的变化㊂电流上升时间受电感变化影响同样出现周期性变化㊂在每一个周期之内(转子旋转60ʎ)四相电流上升时间会出现8个交点,利用这些交点将转子位置进行分区㊂以0ʎ~
15ʎ范围为例,此时Δt ra <Δt rc ,Δt rb <Δt rd ,分区结果
为区间1,初始位置分区结果准确可靠㊂
设置开通角为0ʎ㊁关断角为15ʎ,正常斩波滞环带宽5.5~6.5A,小电流滞环带宽0~1A㊂电机进入启动状态下的相电流㊁电流上升时间㊁特殊位置索引信号和转子实际位置仿真波形如图8所示
㊂
图8㊀0~330r /min 启动仿真示意Fig.8㊀0~330r /min start simulation diagram
从图8可以看出,在电机启动过程中,各非导通相始终保持小电流注入并对电流上升时间进行监测,当非导通相的电流上升时间达到特殊位置测得的时间阈值时,产生一个位置检索信号,该信号直接作为换相依据㊂以C 相为例,在0ʎ到15ʎ范围内C 相进行正常斩波,此时不对其进行电流监测;在15ʎ到60ʎ范围内C 相进行小电流注入,电流上升时间随电感的变化先增大后减小,在45ʎ附近位置,C 相电流上升时间达到阈值并产生一个特殊位置索引信号,检测到该信号后A 相关断,B 相开始正常斩波㊂通过检测A㊁B㊁D 相小电流上升时间同样可获得其
特殊位置索引信号并作为其他相导通依据㊂该运行过程与理论分析一致㊂
设置电机正常斩波滞环带宽5.5~6.5A,小电流滞环带宽0~1A,开通角0ʎ㊁关断角15ʎ㊁转速330r /min 下的相电流㊁相电感㊁电流上升时间㊁特征点位置信号和估算转速㊁实际转速㊁重构位置㊁实际位置对比仿真波形如图9所示㊂
从图9中可以看出,在转子进入电感最小区附近时电流上升时间变化趋势发生变化,进入电感最
3
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小区之前电流上升时间随着电感减小而不断减小,进入电感最小区以后,电流上升时间不再随转子位置改变而出现明显变化,当电流上升时间达到阈值时,特征点索引信号上升为高电平,该相进入正常导通区间后索引信号恢复为低电平㊂利用两次上升沿之间的间隔时间和转子固定机械角度进行转速估算和位置重构,最终估算转速与实际转速接近,重构位置信息与实际位置信息误差范围在1.5ʎ内,可以实现电机的平稳运行
㊂
图9㊀330r /min 正常运行仿真示意
Fig.9㊀330r /min normal operation simulation schematic
3㊀实验分析
3.1㊀实验平台
为进一步验证本文所提出的技术的可行性,采用一台8/6结构开关磁阻电机进行了实验㊂实验平台如图10所示,电机参数见表
3㊂
图10㊀实验平台Fig.10㊀Experiment platform
表3㊀样机参数Table 3㊀Motor parameters
㊀㊀参数数值定子齿距/mm 11.6转子齿距/mm 12.8额定转速/(r /min)1500定/转子级数8/6每一极绕组匝数/匝
35
3.2㊀初始位置分区
为验证转子处于任意静止位置时本文提出的初始位置分区方法均能有效工作,本文利用步进电机以低转速带动开关磁阻电机旋转并对每个位置进行分区效果检测㊂图11为脉冲滞环带宽为0~0.5A 时,测得的C 相响应电流㊁判断的初始位置分区信号㊁位置传感器检测的实际位置信号㊂从图中可以看出,转子处于不同位置时,电流上升时间具有很明显的差别㊂通过对四相电流上升时间进行对比分析,将转子所处位置合理的划分为了4个区间,该区间与实际位置区间相符㊂故电机静止时,转子处于任意位置均可对其进行区间判断,确定初始位置区间
㊂
图11㊀初始位置分区实验
Fig.11㊀Initial location partitioning experiment
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3.3㊀运行实验
图12为电机在启动状态下,开通角0ʎ㊁关断角
15ʎ时相电流㊁特殊位置索引信号㊁实际位置信号波形㊂从图中可以看出,各相在导通区间进行正常斩波,在非导通区间进行小电流注入并进行电流监测㊂以其中C 相为例,当非导通区间电流上升时间达到离线测定的时间后,特殊位置索引信号发出一个脉冲,表示检测到一个特殊位置,此时B 相开始导通
㊂
图12㊀启动状态实验波形
Fig.12㊀Experimental waveform in initial running
state
图13为电机正常运行过程中相电流㊁斩波
PWM 信号㊁位置索引信号和实际位置信号波形㊂从波形可以看出,在小电流注入区间,随着转子位置变化电流上升时间也发生变化,在转子处于某个位置区间时电流上升时间明显较小,PWM 斩波信号密集㊂该区间即电感最小区间㊂在到达电感最小区附近时,位置检测信号会产生一个上升沿,代表此处检测到特征点,转子开始进入电感最小区
㊂
图13㊀斩波PWM 及相电流波形
Fig.13㊀Chopping PWM and phase current waveform
图14给出了电机转速为660r /min 运行状态下的相电流㊁位置索引信号㊁重构位置和实际位置波形㊂从图中可以看出,每一个小电流注入区间位置索引信号均会产生一个上升沿信号,表示成功检测
到特征点位置㊂每一次检测到特征点后位置信息均会进行一次校正,以避免出现大的角度误差㊂最终重构位置波形和实际位置波形接近
㊂
图14㊀转速为660r /min 下的位置重构波形Fig.14㊀Position estimation waveform at speed 500r /min
图15为电机空载状态下转速由400r /min 加速至700r /min 的电流㊁转速㊁重构位置㊁实际位置波
形㊂图15(a)为整个加速过程波形,从图中可以看出,在加速阶段电流明显增大,在PI 调节的作用下转速成功从400r /min 加速至700r /min 并保持稳定,加速前后电机均能够保持稳定运行㊂图15(b)为加速阶段波形,该过程中相电流明显高于稳定状态并逐渐减小,转速平稳上升,重构位置和实际位置接近,没有出现较大角度误差
㊂
图15㊀加速运行波形
Fig.15㊀Accelerated running waveform
5
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图16为不同目标转速下电机稳定运行状态波
形㊂图16(a)㊁(b)㊁(c)分为电机目标转速分别设
置在400㊁700和1100r /min 时的实验效果,可以看出,电机在不同的转速下均能实现有效的控制
㊂
图16㊀不同目标转速下运行波形
Fig.16㊀Running waveforms at different target speeds
4㊀结㊀论
本文提出一种基于非导通相小电流上升时间监测的位置重构策略,研究结果表明:
1)该方式不受电机结构和参数的限制,可用于其他相数或者参数的开关磁阻电机㊂
2)该方式利用小电流上升时间作为位置重构依据,通过在线寻找更新特征点时间阈值,无需离线测量电感模型,实用性更高㊂
3)该方式利用转子进入电感最小区的位置为
特征点,减小了反电动势对电流信息监测的影响,减
小了位置重构误差㊂
4)该方式利用非导通相作为检测相,弥补了中
高速运行下由于斩波次数不足而无法实现位置判断的不足,使得该控制方式在高转速情况下仍然适用㊂5)该方式需要在非导通相保持低幅值脉冲以
实现特征点检测,该脉冲会产生较小的转矩,对电机的影响相对较小,本文作者后期将继续针对该影响开展改进工作㊂
参考文献:
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(编辑:刘琳琳)
751
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