微型开关磁阻电机无位置传感器控制研究
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频率调制器可以工作在 0 Hz～100 kHz的宽调 制范围内 , 分辨率高 , 但是需要给每一个相加检 测脉冲 , 增加了控制线路的复杂性 , 尤其是工作 点不易稳定 , 易受干扰 , 而本文研究的微型磁悬 浮开关磁阻电机主要应用在检测流量等方面 , 所 以该方法并不适用 。
2 相间互感电压检测方法实现
收稿日期 : 2007207212 ·50 ·
较直接位置检测略低 。这是因为转子位置和电气 参数的函数关系往往非常复杂 , 要想由电气参数 来精确地计算转子的位置难度较大 , 而且存在解 算延时误差 。在博士点基金的支持下 , 本文对微 型磁悬浮开关磁阻电机无位置传感器检测方法做 出了比较研究和实验 。
Lm Ls
Vph
-
ir
-
ωi
dL s dθ
+ωi
dLm dθ
(6)
功率变换器的输入电压为 Vdc。当功率器件导
通时 , 定子绕组运行在导通模式 , 此时相电压等
于外加的输入电压 。由式 (6)可得到感应电压为 :
Vmc =
Lm Ls
V dc
-
ir
-
ωi
dL s dθ
+ωi
dLm dθ
(7)
Vmc为邻相运行在导通模式下的互感电压 。当邻近
转子位置 选择导通相
0 < S < 15
A
S = 15
A
15 < S < 30
A
S = 30
B
30 < S < 45
B
S = 45
B
45 < S < 60
B
S = 60
C
60 < S < 75
C
S = 75
C
75 < S < 90
C
S = 90
A
2008年第 41卷第 12期
设总摩擦转矩为 Tf , 为防止在位置检测过程 中转子运动 , 必须有 Te < Tf。由于在电感最小值 处 , 电流上升速度最快 , 对于同样的 U 和 △t, 可
Research on Sen sorless Con trol of M icro Sw itched Reluctance M otor XU Song, FAN Yu
( School of Electrical Engineering, Beijing J iaotong University, B eijing 100044, China) Abstract: In recent years, indirect rotor2position detecting technology was one of the most popular p ro2 jects in SRM research area. In this paper, the author compared several detected methods and chose de2 tected method of mutual2inductance voltage inter2phase. The experimental results verified the feasibility of this method used in m icro2sw itched2reluctance motor. Key W ords: Sw itched reluctance motor; Sensorless; Control; Position detect; Experim ent
以得到更大的 i, 所以设 △t = t0 ( t0 为施加电压脉冲
宽度 ) ,
有
△i
=U Lm in
t0
,
就有
t0
< Lm in U
2 Tf
dθ dL (θ)
本文研究的开关磁阻电机的功率变换器采用 H 型不对称半桥结构 , 如图 1所示 。
图 1 H型不对称半桥结构功率变换器
斩波方式为斩双管 。检测相为当前励磁相的 前一相 。例如当 A 相励磁的时候 , 检测 C 相的互 感电压来确定 A 相的关断和 B 相的开通 。因为只 需要检测邻近相的互感电压 , 该方法对于相之间 是否重叠 时 都 适 用 , 基 本 原 理 及 硬 件 组 成 结 构 如下 。
励磁相运行在续流模式时 , 功率器件 T1、 T2 关
断 , 而定子绕组的电感作用 , 二极管 D1、D2立刻
导通 , 来维持励磁相相电流为一常数 , 所以加在
定子绕组两端的电压等于 - Vdc , 由式 ( 6)可得感应 电压为 :
Vmf =
Lm Ls
- Vdc
-
ir
-
ωi
dL s dθ
+ωi
dLm dθ
1 无位置传感器检测方法
1)导通相检测法 。是直接以电机运行时的电 流电压信号为检测相 , 根据电机模型或其特性曲 线 , 结合平时大量实验所记录下来的各个位置的 电流电压数据制成的二维表得出当前电机转子的 位置信息 。如磁链 /电流法 、相电流梯度法 、磁链 法 、相间互感检测法 (感应电势法 ) 、基于模型的 观测器法 , 等等 。
可以估计转子位置 。于是在不同励磁电流和位置
角度下对滤波器输出电压进行精确地测量 , 以二
维表的形式存储在 DSP的程序存储器中 , 通过测
量滤波器的输出电压和当时的绕组电流就可以精
确地估计转子当前位置 。
213 起动位置信息与导通相的判定
静止状态的起动只有得到转子位置的准确信 息才能平滑稳定地起动 。采用依次向各相注入一 定电压和持续时间的检测脉冲 , 测量其电流的大 小 , 再通过查表的方法即可得到静止状态的位置 信息 。由于信号很小 , 可以假设 ( 1)任意两相之间 没有互感 ; (2 )忽略磁滞作用 ; ( 3)测试过程中转 子位置保持不变 ; ( 4 )磁路没有饱和 ; ( 5 )忽略绕 组压降 。本文采用三相检测电流比较的方案 , 触 发导通逻辑见表 1。
励磁电压可表示为 :
Vph
= ir +Ls
di dt
+ωe
id
dL s dθ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(4)
式中 , r为定子绕组电阻 ; Ls 为自感 。 由式 (4)可推导出下式 :
di = 1 dt Ls
Vph
-
ir
-
ωi
dL s dθ
(5)
将式 ( 5 ) 代入式 ( 3 ) 后 , 可得到感应电压的表达
式为 :
Vm =
微电机
2008年第 41卷第 12期
中图分类号 : TM352 文献标志码 : A 文章编号 : 100126848 (2008) 1220050203
微型开关磁阻电机无位置传感器控制研究
许 嵩 , 范 瑜
(北京交通大学 电气工程学院 , 北京 100044)
摘 要 : 无位置传感器检测技术是开关磁阻电机 ( SRM ) 研究领域的热点 。根据 SR 电机的特点 及 DSP的应用 , 比较了几种检测技术后 , 选择相间互感电压检测法 , 并对该方法在微型开关磁 阻电机上的应用可行性进行了实验研究 。 关键词 : 开关磁阻电机 ; 无位置传感器 ; 控制 ; 位置检测 ; 实验
微型开关磁阻电机无位置传感器控制研究 许 嵩 , 等
难应用 , 因为电机空间很小 。 5)频率调制法 。原理是采用调频 FM 编码技术
产生一系列频率与瞬时相电感成比例的方波信号 ; 通过电路将被测相电感转换成频率 (或周期 T) , 在 电路参数选择合适的情况下 ( T = KL ) , 可获得相电 感的频率编码信号 , 由微处理器利用 f /V 变换器芯 片 LM2907就可得到与频率成正比例的电压 , 与设 定的阀值比较从而获得转子位置的信息 。
2)非导通相检测法 。在空闲相加入检测脉冲 信号 , 以产生需要的电流电压信号来得到位置信 息 , 如单相或两相脉冲激励法等 。
3)智能控制检测方法 。将智能控制应用到电 机位置检测中 , 如模糊控制法和神经网络法 。
4)附加元件检测法 。是在开关磁阻电机的内 部附件某些机电元件 , 利用这些元件输出的信息 来检测转子的位置 。一般附件的机电元件是电感 线圈 、电容极板等 。不过该检测方法在本文中很
212 原理分析
当电机的某一相导通时 , 其邻近相的互感电
压为 :
Vm = dΨm / d t
(1)
Ψ m
=Lm i
(2)
式中 ,
Vm 为互感电压 ;
Ψ m
为互感磁链
;
Lm 为互
感 ; i为励磁电流 。
将式 (2)带入式 (1)可得 :
Vm
=
Lm d dt
i
+ωiddθLm
(3)
式中 , ω为电机的角速度 。
电路后的互感电压 。由式 ( 7)和式 ( 9 ) , 通过一个
平波电路可以抵消最后一项 。在实际的 PWM 控制
时 , 可以采用斩双管的方式使励磁相的端电压在
·51 ·
微电机
Vdc和 - Vdc之间变化 。若采用斩单管 , 则电压在 Vdc 到 0 V 之间变化 , 使得相电流变化率减少 , 减少斩 波次数 , 但是会导致换相间关断相电流的下降时 间迅速增加 , 产生一定的负转矩和很大的转矩脉 冲 , 还有可能导致电流波形 的畸 变 。本项 目中 , 采用了一个低通滤波器来消除斩双管 PWM 方式 下 , 控制器产生的高频功率器件开关信号的高频 谐波使 Vm r和 Vmc波形平滑 。经过滤波器后的输出电 压可表示为 :
(8)
式中 , Vmf为当前邻近励磁相运行在续流模式时产
生的互感电压 。式 (8)中最后一相的值比前一相的
值小 。Vmf为负值 。这样可以设计一个整流电路来 改变电压 Vmf的极性 , 之后互感电压变为正值 :
Vm r =
Lm Ls
Vdc
+
ir
+ωi
dL s dθ
-
ωi
dLm dθ
(9)
Vm r是邻近励 磁相 运 行在 续 流模 式 时 经 过 整 流
211 相间互感检测法 本文采用基于测量非导通相的互感和自感的
邻近励磁相的互感电压的方法 , 来实现无位置传 感器的方法 。 SRM 在工作过程中 , 由于非激励相 与激励相间的电磁耦合 , 会产生随转子位置变化 的感生电压 , 所以检测非激励相感生电压可实现 对转子位置角的间接检测 。之前通过实验的方法 预先得到校正好的互感电压和转子位置角间的对 应关系表 , 由互感电压值查询 θ= f二维表获得转 子的位置 。它不需要在非工作相之外加激励脉冲 , 检测电路仅由信号处理电路构成 。它适合于采用 电流 PWM 控制方式的低速到中速范围单相导通 , 非常适合本文的三相 6 /4 极的单相导通 SR 电机 ; 而且考虑到还在实验阶段 , 无法达到非常高的转 速 , 所以采用该方法 。
Vmo≈ 015 (Vmc + Vm r )≈
Lm Ls
Vdc
( 10 )
Vmo为滤波器的输出电压 , 因为整流的作用 ,
始终为正 。由上式可以看出滤波器输出的感应电
压只与变换器输入的直流电压 、 SRM 的自感和互
感有关 。由于自感和互感与转子位置有关 , 包含
位置信息 , 所以只要通过测量滤波器输出电压就
表 1 触发导通逻辑表
三相电流比较 Ia > Ib > Ic Ia = Ib > Ic Ib > Ia > Ic Ib > Ia = Ic Ib > Ic > Ia Ib = Ic > Ia Ic > Ib > Ia Ic > Ib = Ia Ic > Ib > Ia Ic = Ia > Ib Ia > Ic > Ib Ia > Ic = Ib
0 引 言
磁悬浮技术已经在许多领域得到应用 , 如磁 悬浮列车 、磁悬浮飞轮储能 、磁悬浮冶炼 、磁悬 浮轴承等 。抗磁性磁悬浮的研究和应用是近几年 在国外刚刚兴起的 , 其最大的优势在于常温无源 条件下永磁体的完全无接触悬浮 , 不需要任何的 外加辅助 , 被称为真正意义上的悬浮 。本文的开 关磁阻电机就是应用了抗磁性悬浮转子 。其特点 : (1)可容许转子达到很高的转速 ; (2) 功耗小 ; (3)转子外径 , 定子内径小 ; (4)体积小 、造价低 。 转子位置检测是开关磁阻电机调速系统的重要环 节 。检测到的位置信号既是绕组开通与关断的依 据 , 也为转速闭环控制提供了转速信息 。直接位 置检测技术虽然能够提供稳定的转子位置信息 , 但是需要附加机械结构 , 而且随着电机相数的增 加 , 所需传感器数量会增多 , 增加了系统的复杂 性 , 尤其是对于 微型 磁悬 浮开 关磁 阻电机 来说 , 由于转子外径和定子内径很小 , 使传感器的安装 极为不便 。目前 , 无位置传感器检测技术具有以 下特点 : (1)机械结构简单 ; (2)不存在机械误差 ; (3)可靠性高 , 抗环境干扰性能强 ; ( 4 )检测精度
2 相间互感电压检测方法实现
收稿日期 : 2007207212 ·50 ·
较直接位置检测略低 。这是因为转子位置和电气 参数的函数关系往往非常复杂 , 要想由电气参数 来精确地计算转子的位置难度较大 , 而且存在解 算延时误差 。在博士点基金的支持下 , 本文对微 型磁悬浮开关磁阻电机无位置传感器检测方法做 出了比较研究和实验 。
Lm Ls
Vph
-
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dL s dθ
+ωi
dLm dθ
(6)
功率变换器的输入电压为 Vdc。当功率器件导
通时 , 定子绕组运行在导通模式 , 此时相电压等
于外加的输入电压 。由式 (6)可得到感应电压为 :
Vmc =
Lm Ls
V dc
-
ir
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+ωi
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(7)
Vmc为邻相运行在导通模式下的互感电压 。当邻近
转子位置 选择导通相
0 < S < 15
A
S = 15
A
15 < S < 30
A
S = 30
B
30 < S < 45
B
S = 45
B
45 < S < 60
B
S = 60
C
60 < S < 75
C
S = 75
C
75 < S < 90
C
S = 90
A
2008年第 41卷第 12期
设总摩擦转矩为 Tf , 为防止在位置检测过程 中转子运动 , 必须有 Te < Tf。由于在电感最小值 处 , 电流上升速度最快 , 对于同样的 U 和 △t, 可
Research on Sen sorless Con trol of M icro Sw itched Reluctance M otor XU Song, FAN Yu
( School of Electrical Engineering, Beijing J iaotong University, B eijing 100044, China) Abstract: In recent years, indirect rotor2position detecting technology was one of the most popular p ro2 jects in SRM research area. In this paper, the author compared several detected methods and chose de2 tected method of mutual2inductance voltage inter2phase. The experimental results verified the feasibility of this method used in m icro2sw itched2reluctance motor. Key W ords: Sw itched reluctance motor; Sensorless; Control; Position detect; Experim ent
以得到更大的 i, 所以设 △t = t0 ( t0 为施加电压脉冲
宽度 ) ,
有
△i
=U Lm in
t0
,
就有
t0
< Lm in U
2 Tf
dθ dL (θ)
本文研究的开关磁阻电机的功率变换器采用 H 型不对称半桥结构 , 如图 1所示 。
图 1 H型不对称半桥结构功率变换器
斩波方式为斩双管 。检测相为当前励磁相的 前一相 。例如当 A 相励磁的时候 , 检测 C 相的互 感电压来确定 A 相的关断和 B 相的开通 。因为只 需要检测邻近相的互感电压 , 该方法对于相之间 是否重叠 时 都 适 用 , 基 本 原 理 及 硬 件 组 成 结 构 如下 。
励磁相运行在续流模式时 , 功率器件 T1、 T2 关
断 , 而定子绕组的电感作用 , 二极管 D1、D2立刻
导通 , 来维持励磁相相电流为一常数 , 所以加在
定子绕组两端的电压等于 - Vdc , 由式 ( 6)可得感应 电压为 :
Vmf =
Lm Ls
- Vdc
-
ir
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ωi
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+ωi
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1 无位置传感器检测方法
1)导通相检测法 。是直接以电机运行时的电 流电压信号为检测相 , 根据电机模型或其特性曲 线 , 结合平时大量实验所记录下来的各个位置的 电流电压数据制成的二维表得出当前电机转子的 位置信息 。如磁链 /电流法 、相电流梯度法 、磁链 法 、相间互感检测法 (感应电势法 ) 、基于模型的 观测器法 , 等等 。
可以估计转子位置 。于是在不同励磁电流和位置
角度下对滤波器输出电压进行精确地测量 , 以二
维表的形式存储在 DSP的程序存储器中 , 通过测
量滤波器的输出电压和当时的绕组电流就可以精
确地估计转子当前位置 。
213 起动位置信息与导通相的判定
静止状态的起动只有得到转子位置的准确信 息才能平滑稳定地起动 。采用依次向各相注入一 定电压和持续时间的检测脉冲 , 测量其电流的大 小 , 再通过查表的方法即可得到静止状态的位置 信息 。由于信号很小 , 可以假设 ( 1)任意两相之间 没有互感 ; (2 )忽略磁滞作用 ; ( 3)测试过程中转 子位置保持不变 ; ( 4 )磁路没有饱和 ; ( 5 )忽略绕 组压降 。本文采用三相检测电流比较的方案 , 触 发导通逻辑见表 1。
励磁电压可表示为 :
Vph
= ir +Ls
di dt
+ωe
id
dL s dθ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(4)
式中 , r为定子绕组电阻 ; Ls 为自感 。 由式 (4)可推导出下式 :
di = 1 dt Ls
Vph
-
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-
ωi
dL s dθ
(5)
将式 ( 5 ) 代入式 ( 3 ) 后 , 可得到感应电压的表达
式为 :
Vm =
微电机
2008年第 41卷第 12期
中图分类号 : TM352 文献标志码 : A 文章编号 : 100126848 (2008) 1220050203
微型开关磁阻电机无位置传感器控制研究
许 嵩 , 范 瑜
(北京交通大学 电气工程学院 , 北京 100044)
摘 要 : 无位置传感器检测技术是开关磁阻电机 ( SRM ) 研究领域的热点 。根据 SR 电机的特点 及 DSP的应用 , 比较了几种检测技术后 , 选择相间互感电压检测法 , 并对该方法在微型开关磁 阻电机上的应用可行性进行了实验研究 。 关键词 : 开关磁阻电机 ; 无位置传感器 ; 控制 ; 位置检测 ; 实验
微型开关磁阻电机无位置传感器控制研究 许 嵩 , 等
难应用 , 因为电机空间很小 。 5)频率调制法 。原理是采用调频 FM 编码技术
产生一系列频率与瞬时相电感成比例的方波信号 ; 通过电路将被测相电感转换成频率 (或周期 T) , 在 电路参数选择合适的情况下 ( T = KL ) , 可获得相电 感的频率编码信号 , 由微处理器利用 f /V 变换器芯 片 LM2907就可得到与频率成正比例的电压 , 与设 定的阀值比较从而获得转子位置的信息 。
2)非导通相检测法 。在空闲相加入检测脉冲 信号 , 以产生需要的电流电压信号来得到位置信 息 , 如单相或两相脉冲激励法等 。
3)智能控制检测方法 。将智能控制应用到电 机位置检测中 , 如模糊控制法和神经网络法 。
4)附加元件检测法 。是在开关磁阻电机的内 部附件某些机电元件 , 利用这些元件输出的信息 来检测转子的位置 。一般附件的机电元件是电感 线圈 、电容极板等 。不过该检测方法在本文中很
212 原理分析
当电机的某一相导通时 , 其邻近相的互感电
压为 :
Vm = dΨm / d t
(1)
Ψ m
=Lm i
(2)
式中 ,
Vm 为互感电压 ;
Ψ m
为互感磁链
;
Lm 为互
感 ; i为励磁电流 。
将式 (2)带入式 (1)可得 :
Vm
=
Lm d dt
i
+ωiddθLm
(3)
式中 , ω为电机的角速度 。
电路后的互感电压 。由式 ( 7)和式 ( 9 ) , 通过一个
平波电路可以抵消最后一项 。在实际的 PWM 控制
时 , 可以采用斩双管的方式使励磁相的端电压在
·51 ·
微电机
Vdc和 - Vdc之间变化 。若采用斩单管 , 则电压在 Vdc 到 0 V 之间变化 , 使得相电流变化率减少 , 减少斩 波次数 , 但是会导致换相间关断相电流的下降时 间迅速增加 , 产生一定的负转矩和很大的转矩脉 冲 , 还有可能导致电流波形 的畸 变 。本项 目中 , 采用了一个低通滤波器来消除斩双管 PWM 方式 下 , 控制器产生的高频功率器件开关信号的高频 谐波使 Vm r和 Vmc波形平滑 。经过滤波器后的输出电 压可表示为 :
(8)
式中 , Vmf为当前邻近励磁相运行在续流模式时产
生的互感电压 。式 (8)中最后一相的值比前一相的
值小 。Vmf为负值 。这样可以设计一个整流电路来 改变电压 Vmf的极性 , 之后互感电压变为正值 :
Vm r =
Lm Ls
Vdc
+
ir
+ωi
dL s dθ
-
ωi
dLm dθ
(9)
Vm r是邻近励 磁相 运 行在 续 流模 式 时 经 过 整 流
211 相间互感检测法 本文采用基于测量非导通相的互感和自感的
邻近励磁相的互感电压的方法 , 来实现无位置传 感器的方法 。 SRM 在工作过程中 , 由于非激励相 与激励相间的电磁耦合 , 会产生随转子位置变化 的感生电压 , 所以检测非激励相感生电压可实现 对转子位置角的间接检测 。之前通过实验的方法 预先得到校正好的互感电压和转子位置角间的对 应关系表 , 由互感电压值查询 θ= f二维表获得转 子的位置 。它不需要在非工作相之外加激励脉冲 , 检测电路仅由信号处理电路构成 。它适合于采用 电流 PWM 控制方式的低速到中速范围单相导通 , 非常适合本文的三相 6 /4 极的单相导通 SR 电机 ; 而且考虑到还在实验阶段 , 无法达到非常高的转 速 , 所以采用该方法 。
Vmo≈ 015 (Vmc + Vm r )≈
Lm Ls
Vdc
( 10 )
Vmo为滤波器的输出电压 , 因为整流的作用 ,
始终为正 。由上式可以看出滤波器输出的感应电
压只与变换器输入的直流电压 、 SRM 的自感和互
感有关 。由于自感和互感与转子位置有关 , 包含
位置信息 , 所以只要通过测量滤波器输出电压就
表 1 触发导通逻辑表
三相电流比较 Ia > Ib > Ic Ia = Ib > Ic Ib > Ia > Ic Ib > Ia = Ic Ib > Ic > Ia Ib = Ic > Ia Ic > Ib > Ia Ic > Ib = Ia Ic > Ib > Ia Ic = Ia > Ib Ia > Ic > Ib Ia > Ic = Ib
0 引 言
磁悬浮技术已经在许多领域得到应用 , 如磁 悬浮列车 、磁悬浮飞轮储能 、磁悬浮冶炼 、磁悬 浮轴承等 。抗磁性磁悬浮的研究和应用是近几年 在国外刚刚兴起的 , 其最大的优势在于常温无源 条件下永磁体的完全无接触悬浮 , 不需要任何的 外加辅助 , 被称为真正意义上的悬浮 。本文的开 关磁阻电机就是应用了抗磁性悬浮转子 。其特点 : (1)可容许转子达到很高的转速 ; (2) 功耗小 ; (3)转子外径 , 定子内径小 ; (4)体积小 、造价低 。 转子位置检测是开关磁阻电机调速系统的重要环 节 。检测到的位置信号既是绕组开通与关断的依 据 , 也为转速闭环控制提供了转速信息 。直接位 置检测技术虽然能够提供稳定的转子位置信息 , 但是需要附加机械结构 , 而且随着电机相数的增 加 , 所需传感器数量会增多 , 增加了系统的复杂 性 , 尤其是对于 微型 磁悬 浮开 关磁 阻电机 来说 , 由于转子外径和定子内径很小 , 使传感器的安装 极为不便 。目前 , 无位置传感器检测技术具有以 下特点 : (1)机械结构简单 ; (2)不存在机械误差 ; (3)可靠性高 , 抗环境干扰性能强 ; ( 4 )检测精度