开关磁阻电机转子位置检测技术综述_一_

3期
吴红星等: 开关磁阻电机转子位置检测技术
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吴红星等: 开关磁阻电机转子位置检测技术
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· 82 · 即 θ0 处 相 电 流梯 度 会 发生 变 化， 由 正 变 为 负。 根据 SRM 相电流的这一特 征，通过 检 测相 电 流梯 度 即可准确获得 θ0 ，进而估算转速和其他位置。 ( 7 ) 电流斩波波形法 10］ 文献［ 介绍 了基于电 流 斩 波 控 制的 特点和 电 流斩波波形，利用 电 流 的 上 升 或 下 降 时 间 判 断 转子 的位置，分别为 基于 斩 波波 形 的电 流 上 升 时 间 法 和 基于斩波波形的电流下降时间法。 电流斩波波形如图 11 所 示，斩 波 电 流 的最大 值 为 I max ，最小值为 I min ， 最大 值 与最 小 值 的电 流 差 为 Δi，将电流从最小 值 I min 上 升 到 最大 值 I max 的 上 升 时 间记为 t r 。 式中 L0 ( i ) = 1 1 ( L a + L u ) + L m 2 2 1 L1 ( i ) = 2 ( L a － L u ) L ( i) = 1 1 ( L a + L u ) － L m 2 2 2
图 12 SRM 相电感模型
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阻电机相电感模型图。
激励相电感可以用其自感模型表达式描述: L( θ，i) = L0 ( i) + L1 ( i) cosN r θ + L2 ( i) cos2 N r θ ( 20 )
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( 21 )
图 11
电流斩波波形图
]Βιβλιοθήκη Baidu
相电压方程为 uk = Rk ik + dψ k = dt ( 17 )
围广等优点，在工业应用中受到青睐。该文根据开关磁阻电机控制特点，分析了 开 关 磁 阻 电机 转特点、 工作原 理及 传统转子位置检测方法，结合国内外基于开关磁阻电机转子位置检测的相关文 献， 综 述 了 开 关 磁 阻 电机 转子位 置 检 测技术发展概况，并分析了每种检测技术的优缺点。 关键词: 开关磁阻电机; 转子位置; 检测技术 中图分类号: TM352 文献标志码: A 文章编号: 1001-6848 ( 2011 ) 03-0078-06
Δi 为连续两次采样电流差值，ω 为前次转速估 算值， 这样可 算 得 a、 b、 c、 α、 β 的 值， 再 由上 式 可 以 估 算出转子的实时位置。 ( 9 ) 状态观测器检测法 1986 年由 Lumsdaine 等 人 在 文 献［ 12］中 提出针 对 SRM 相电感与转子位置的 函 数 关 系 引 入 一个 状态 观测器进行转子位 置 估 计 的方 法， 原 理 框 图如图 13 所示。首先根据 电机的电 磁特 性 和 机械 特 性 建 立 电 机的线性 状态 方 程， 然后 选择 适 当 的 状态 变 量 ( 转 速、位置 角、 磁 链 等 ) 、 输 入 变 量 ( 电 压 ) 及输出变 量( 电 流 ) ， 建 立 由 SRM 本 身 固 有 的 状态 观 测 器 方 程，通过 检 测 电机 端 口 相 电 压 信 号 和 相 电 流 信 号， 就可以估计出转子的位置角。
0
引
言
开关磁阻电机 ( Switched Reluctance Motor， 简称 为 SRM 或 SR 电机) 是一种基于变磁阻原理工作的电 机，其定子和转子 都 是 凸 极 式 齿槽 结构， 均 由 普 通 硅钢片叠压而成。 转子中 既 无 绕组 也 无 永 磁体; 而 定子极上有集 中 绕组， 空 间上 径 向 相 对的定 子 齿 上 两个绕组串联 或 并 联 构 成一 相 的 两 个磁 极。 开 关 磁 阻电机 具有 结构 简单、 可 靠 性高、 成 本 低 廉、 鲁棒
L a 是对齐位置 电 感， L u 是 非 对 齐 位 置 电 感， L m 是中间位置 电 感， 它 们 是 相 电 流 的 函 数， 可 以 分别 利用多项式对 各 个 函 数 进 行 拟 合， 可 以 达 到一 定精 度的近似值。
k
ψ k di k ψ k dθ + ) i k d t θ dt 一个斩波周期内，电流的上升率为 Rk ik + ( di k I max － I min Δi = = tr dt tr 代入上式得电感变化量 ψ k ω θ
ψ k = tr · ΔL k = i k
uk － Rk ik －
根据 SRM 电压平衡方程，可推导得: a + L1 bsin( α － N r θ) + L2 csin( β － 2 N r θ) = 0 ( 23 ) 式中 a = Ri + L0 di － U dt di 2 2 b = ( dt ) + ( iωNr r ) c = ( di ) 2 + ( 2 iωNr r ) 2 dt
槡
( 24 )
槡
sinα = di / dt b iωN r cosα = b sinβ = di / dt c cosβ = 2 iωN r c
( 25 )
式中，对于激励相 i、U 均为实际测量值，当采样时
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吴红星等: 开关磁阻电机转子位置检测技术
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Summary of Detecting Rotor Position Technique for Switched Reluctance Motors
WU Hongxing，NI Tian，GUO Qingbo，YE Yujiao ( Harbin Institute of Technology，Harbin 150001 ，China) Abstract: Switched reluctance motor ( SRM ) drives is an advanced mechanical electronic devices，and it has been widely used in industrial applications because of its simple structure，low cost，strong body，high reliability and wide speed range． The article presented analysis of characteristics，working principle and traditional detecting rotor position means of the switched reluctance motor according to the characteristics of switched reluctance motor control． It also discussed the overview of kinds of detecting rotor position for SRM overview based on the relevant literature home and abroad about detecting position technique of switched reluctance motor ． At the same time it described the advantages and disadvantages of various detecting rotor position technique of switched reluctance motors． Key words: switched reluctance motor; rotor position; detecting technique 位置检 测 技术， 就 是利用 开 关 磁 阻 电机 绕组 电 压、 电流特性以及 内部 附 加 检 测 元件 进 行 检 测 电机 转子 位置。目前，开 关 磁 阻 电机 新 型 转子位 置 检 测 技术 或无传感器位 置 检 测 技术 已 经 成为 世 界 范围 内 开 关 磁阻电机研究 领域 的 热 点。 本文 分析了 开 关 磁 阻 电 机工作原理，结 合 国 内外 基于 开 关 磁 阻 电机的 相 关 文献，综述了开关磁阻电机转子位 置 检 测 技术 概 况。 除传统采用光 电 位 置 检 测 方 法 外， 把 开 关 磁 阻 电机 位置检测技术 分 为 四 大 类， 通过 导 通 相 点特 征 进 行 检测、非导通 相 特 征 进 行 检 测、 附 加 电元件 进 行 检 测以及利用了 现 代控 制理 论 检 测 技术， 通 知 阐 述 了 各种位置检测技术的优缺点。
［1 ］ 性好、调速性能优异等诸多特点 。 传统的 SRM 转子位置检测 法 采 用 诸 如 光 电 编码
器、霍尔位 置 传 感 器 等， 称 作 直 接位 置 检 测 法。 由 于机械位置传感器的存 在，增 加 了 SRM 结构的 复 杂 性，影响了 SRM 调 速系统可 靠 性， 也 使 得 SRM 调 速系统的成本增加，阻碍了 SRM 在生产和生 活 中 的 广泛应用。为 了 克 服 这一 弊病， 国 内外 学 者开 始着 手研究开关磁 阻 电机 无 传 感 器 控 制 技术 及 其 他 转子
( 18 )
L a ( i) = L ( i) = m Lu = L
an in ∑ n =0
k
bn in ∑ n =0
( 22 )
( 19 ) Δi 根据估计 得到 的电 感 增 量 ΔL k ， 即 可 间 接 估 算 转子的位置。 这种方 法 的 原 理 简单， 成 本 较 低， 不 需 要 外加 测试信号，提高了电机的 可 靠 性 和 容 错 能力; 低速 运行情况下， 由 于 旋 转 电动 势 很 小， 可 忽略， 位 置 估计较为精 确。 但 是 该 方 法 受 电机 转速、 电 压 波 动 以及斩波电流的影响，不适合在高速下使用。 ( 8 ) 导通绕组电感法 11］ 文献［ 在开关磁阻电机的电感模型的基础上， 提出一种新 的 转子位 置 估 算 方 法， 该 方 法 能 准确 估 算转子位置。 SRM 自感 L( i k ，θ) 是一个 关 于 相 电 流 i k 和转子 位置角 θ 的复合 函 数， 转子 每 转 过 一个 步距， L ( i k ， θ) 重复一个周期。其余相电 感 在 SRM 结构对 称 的 情 况下，波形相 同 位 置 相 差 2 π / mN r 。 图 12 为 开 关 磁
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开关磁阻电机工作特点
( 1 ) 开关磁阻电机工作原理
， 开关磁阻 电机 运 行 原 理 遵循“磁 阻 最 小原 理 ” ［2 ］ 即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合 。根据磁共
1124 收稿日期: 2010mail: whx0422@ sina．com 作者简介: 吴红星( 1975 ) ，男，副教授，主要从事特种电机设计及其控制技术。E-
间很短时 有
d i Δi ≈ ， Δt 为连 续 两次 采 样时 间间 隔， d t Δt
L( θ，i) = L0 ( i) + L1 ( i) cosN r θ + L2 ( i) cos2 N r θ ( 26 ) 式中: L0 ( i ) = 1 1 ( L a + L u ) + L m 2 2 1 L1 ( i ) = 2 ( L a － L u ) L ( i) = 1 1 ( L a + L u ) － L m 2 2 2
第 44 卷 2011 年
第3 期 3月
M ICROM OTORS
Vol. 44． No. 3 Mar. 2011
开 关 磁阻 电机转 子 位置检 测 技术综述 ( 一 )
吴红星，倪
摘
天，郭庆波，叶宇骄
( 哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001 ) 要: 开关磁阻电机是一种先进的机电一体化装置，它具有结构 简单、 造 价 低 廉、 机 体 坚 固、 可 靠 性高、 调 速 范