基于改進(jìn)脈沖注入開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器技術(shù)

邵 杰 鄧智泉 胡榮光 王 騁

(1．南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 210016 2．曲阜師范大學(xué)工學(xué)院日照 276826)

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)因具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，容錯(cuò)能力強(qiáng)，運(yùn)行效率高，機(jī)械特性硬，適于惡劣環(huán)境下運(yùn)行等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車、航空航天、紡織工業(yè)、家用電器、伺服與調(diào)速系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域［1，2］。要保證SRM 可靠運(yùn)行和高性能控制，就必須準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子位置信息。傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中由于采用了轉(zhuǎn)子位置傳感器，嚴(yán)重影響了調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，提高了成本，加大了安裝調(diào)試的難度。因此SRM 無位置傳感技術(shù)已成為開關(guān)磁阻電機(jī)及其相關(guān)課題研究的熱點(diǎn)之一［3］。近20年來國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域做了大量研究，針對不同轉(zhuǎn)速范圍提出多種控制方案。其中主要包括調(diào)制解調(diào)法、高頻脈沖注入法、相間互感檢測法、磁鏈/電流法、電感模型法、反電動(dòng)勢估計(jì)法、基于智能控制以及觀測器等多種位置估計(jì)算法［4-18］。

就SRM 靜止起動(dòng)和低速運(yùn)行而言，為獲取轉(zhuǎn)子位置信息，目前主要的無位置傳感器方法有相電流波形法、調(diào)制解調(diào)法和高頻脈沖注入法等。高頻脈沖注入方法無需外加激勵(lì)源，直接利用功率變換器給非導(dǎo)通相注入高頻檢測脈沖。因此，基于高頻注入脈沖的系列算法在SRM 的初始位置估計(jì)和低速運(yùn)行中的應(yīng)用具有一定優(yōu)勢。文獻(xiàn)［8］通過向各相繞組注入診斷信號，根據(jù)響應(yīng)電流計(jì)算各相繞組磁鏈，然后查詢磁鏈特性數(shù)據(jù)表格進(jìn)行靜止時(shí)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［9］利用響應(yīng)電流峰值與轉(zhuǎn)子位置角之間的解析關(guān)系求出轉(zhuǎn)子的初始角位置，并對方法的魯棒性進(jìn)行分析。以上方法雖然可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的初始定位，但都要依賴電機(jī)的電磁關(guān)系，算法復(fù)雜，通用性差。文獻(xiàn)［10］通過同時(shí)在電機(jī)兩相以上的繞組注入一定幅值的測試脈沖，利用測試電流與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系來檢測轉(zhuǎn)子初始位置和判斷起動(dòng)導(dǎo)通相，從而可實(shí)現(xiàn)任何位置時(shí)的無反轉(zhuǎn)起動(dòng)。文獻(xiàn)［11］提出結(jié)合電感分區(qū)的高頻脈沖注入方法，通過給各相注入短時(shí)脈沖，比較響應(yīng)電流的大小可以確定初始導(dǎo)通相。該方法易于實(shí)現(xiàn)，不依賴電機(jī)具體的電磁關(guān)系，實(shí)用性較好。文獻(xiàn)［12］提出了一種兩相電流比較法的起動(dòng)方法，這種方法無需預(yù)知電感信息，也無需任何建模和解算過程，易于實(shí)現(xiàn)。但該方法只能工作在輪流導(dǎo)通情況，且無法實(shí)現(xiàn)開通、關(guān)斷角的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)［13］提出了一種基于全周期電感分區(qū)策略與角度-電感模型相結(jié)合的無位置傳感器方法，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)靜止和帶初始轉(zhuǎn)速時(shí)的精確初始定位和無反轉(zhuǎn)起動(dòng)。文獻(xiàn)［14］提出一種基于電流斜率差值法的低速運(yùn)行方法，消除了反電動(dòng)勢的影響，擴(kuò)大了電機(jī)調(diào)速的范圍。

從現(xiàn)有的國內(nèi)外文獻(xiàn)可看出，高頻脈沖注入方法主要是應(yīng)用在開關(guān)磁阻電機(jī)的初始位置估計(jì)，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的研究較少。脈沖注入法不但可用于開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置檢測，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)也是一種比較可靠的位置檢測算法。開關(guān)磁阻電機(jī)高速時(shí)，電流幾乎在整個(gè)電氣周期內(nèi)都流過相繞組，因此僅存有很少的時(shí)間用于注入檢測脈沖。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，在一個(gè)電角度周期中注入的高頻脈沖數(shù)目減少，導(dǎo)致該方法位置估計(jì)的準(zhǔn)確度下降。因此，研究脈沖注入方法在開關(guān)磁阻電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)，并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，提高其高速時(shí)的檢測準(zhǔn)確度具有重要價(jià)值。

本文針對12/8分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)，提出了一種改進(jìn)的脈沖注入法，適用于開關(guān)磁阻電機(jī)的低速運(yùn)行。該方法僅對電機(jī)一相繞組的非導(dǎo)通區(qū)間注入電壓脈沖，采取在繞組非導(dǎo)通區(qū)間注入寬度逐漸增大的電壓脈沖的方法。通過比較非導(dǎo)通區(qū)間響應(yīng)電流峰值與所設(shè)電流閾值的大小，進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。因改進(jìn)的脈沖注入法與電流梯度法位置估計(jì)原理一致，兩種方法易于統(tǒng)一，有利于擴(kuò)大提出的無位置方法的適用范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的位置估計(jì)和無位置傳感器運(yùn)行。

1 改進(jìn)型脈沖注入方法

1.1 分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁特性

普通SRM 的定、轉(zhuǎn)子為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，在高速運(yùn)行時(shí)的風(fēng)(油)阻較大，為了減小風(fēng)(油)阻，可在轉(zhuǎn)子中加填充物或增加轉(zhuǎn)子槽楔，雖然降低風(fēng)(油)阻的效果明顯，但對工藝的要求較高。并且普通SRM 一般采用較長磁路結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電機(jī)的鐵心損耗較大，磁利用率較低。分塊轉(zhuǎn)子SRM 通過圓柱形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)減小了風(fēng)(油)阻，采用的較短磁路減小了鐵心損耗［19］。

圖1為三相12/8 結(jié)構(gòu)分塊轉(zhuǎn)子SRM 的截面圖。其轉(zhuǎn)子由若干個(gè)相同的呈扇形的轉(zhuǎn)子鐵心塊嵌入在不導(dǎo)磁的轉(zhuǎn)子套中組成，因此稱為分塊轉(zhuǎn)子［20］。定義定子槽軸線與轉(zhuǎn)子槽軸線之間的夾角為θ，當(dāng)定子槽軸線與轉(zhuǎn)子槽軸線重合時(shí)，定、轉(zhuǎn)子間氣隙最大，對應(yīng)相的磁阻最大，此時(shí)為不對齊位置θ=0°。各相磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置的變化而改變，對電機(jī)繞組以一定的順序通電，轉(zhuǎn)子即可連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度及轉(zhuǎn)向的改變可通過控制勵(lì)磁電流大小和通斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)。

圖1 12/8 結(jié)構(gòu)分塊轉(zhuǎn)子SRM 橫截面示意圖Fig．1 Cross section of 12/8 SRM with segmental rotors

1.2 改進(jìn)型脈沖注入方法

轉(zhuǎn)子分塊開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器采用三相不對稱半橋結(jié)構(gòu)。通過控制不同橋臂上開關(guān)管的開通與關(guān)斷，可同時(shí)或分時(shí)給各相注入一定頻率的檢測脈沖信號，而無需外加源等外圍硬件電路。開關(guān)磁阻電機(jī)電壓方程為

在靜止和低速狀態(tài)下，由于檢測脈沖的響應(yīng)電流幅值很小，運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢、電磁飽和效應(yīng)、繞組等效電阻壓降均可忽略。注入脈沖后響應(yīng)電流可表示為)

式中:ipk為響應(yīng)電流幅值;L(θ)為電機(jī)的電感值;U 為母線電壓。由式(2)可知，當(dāng)母線電壓和檢測脈沖頻率給定時(shí)，非導(dǎo)通相的脈沖響應(yīng)電流幅值與相電感呈反比關(guān)系。

開關(guān)磁阻電機(jī)各相繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化而周期性變化。當(dāng)向檢測相中注入一定脈寬的激勵(lì)脈沖時(shí)，在繞組中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)電流，根據(jù)不同電感位置處響應(yīng)電流峰值的變化特點(diǎn)可得到繞組的換相條件，從而判斷換相時(shí)刻的到來。由于轉(zhuǎn)子在電感下降至最小值的位置區(qū)域較大，響應(yīng)電流峰值達(dá)到最大值的這一變化過程將十分明顯。與普通的開關(guān)磁阻電機(jī)不同，本文所用12/8分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)相電感從最大值下降到最小值位置區(qū)域較小，在非導(dǎo)通相注入高頻脈沖信號后，響應(yīng)電流峰值變化不明顯，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的脈沖注入方法效果變差。由式(2)可知，增大注入脈沖的寬度也可增大響應(yīng)電流的幅值。但注入脈沖的寬度過大會(huì)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)的效率。針對以上問題本文提出改進(jìn)的脈沖注入方法，與傳統(tǒng)的脈沖注入方法不同，改進(jìn)的脈沖注入方法僅對電機(jī)一相繞組在非導(dǎo)通區(qū)間施加脈沖激勵(lì)，并采用逐漸增大的電壓脈沖。檢測脈沖激勵(lì)時(shí)間和檢測脈沖注入頻率的選取可參考文獻(xiàn)［16］。在傳統(tǒng)的脈沖注入方法的基礎(chǔ)上，保持脈沖注入的頻率不變，改變注入脈沖占空比，逐漸增加脈沖的寬度，通過DSP 軟件來實(shí)現(xiàn)。提出的改進(jìn)的脈沖注入方法原理如圖2所示。

圖2 脈沖注入與轉(zhuǎn)子位置估計(jì)原理圖Fig．2 Pulse injection and position estimation

為了提高位置估計(jì)的準(zhǔn)確度，對非導(dǎo)通相的響應(yīng)電流進(jìn)行提取及濾波處理。因采用對非導(dǎo)通相電流進(jìn)行比較的無位置方法，只提取注脈沖后響應(yīng)電流的波形。由于脈沖頻率較高和電流毛刺的存在，電流幅值的變化需要濾波整形，得到算法可利用的電流幅值包絡(luò)線。數(shù)字濾波是通過一定的計(jì)算程序，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行某種處理，從而消除或削弱干擾和噪聲的影響，提高測量的可靠性和準(zhǔn)確度。本文采用最大值濾波的方法得到響應(yīng)電流峰值的包絡(luò)線，在DSP 中編程實(shí)現(xiàn)，可靠性高，并且不存在模擬濾波中的阻抗匹配、特性波動(dòng)以及非一致性等問題。將響應(yīng)電流峰值與事先所設(shè)置電流閾值進(jìn)行比較，當(dāng)響應(yīng)電流峰值超過所設(shè)的閾值，發(fā)出轉(zhuǎn)子位置脈沖，估計(jì)轉(zhuǎn)子位置信息。以上轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法的流程圖如圖3所示。電流閾值需要提前設(shè)定，隨著母線電壓的升高，脈沖電流的幅值也會(huì)相應(yīng)升高，這樣就需要改變設(shè)定的閾值。

圖3 脈沖注入流程圖Fig．3 Flow chart of pulse injection

1.3 脈沖注入的時(shí)刻

導(dǎo)通相關(guān)斷時(shí)的電流并非瞬間降為零，而需經(jīng)續(xù)流衰減過程。傳統(tǒng)的脈沖注入方法在續(xù)流區(qū)間注入高頻脈沖，延長續(xù)流時(shí)間，產(chǎn)生較大的負(fù)轉(zhuǎn)矩，不利于電機(jī)的運(yùn)行。為避免電流續(xù)流區(qū)域的延長，必須要待續(xù)流電流下降到接近于零時(shí)才開始注入檢測脈沖。改進(jìn)的脈沖注入方法，通過設(shè)置一個(gè)接近零的電流閾值，比較續(xù)流電流與閾值的大小，當(dāng)續(xù)流電流小于電流閾值后才開始向該相注入脈沖。脈沖注入時(shí)刻的原理如圖4所示。通過對檢測脈沖的注入時(shí)刻進(jìn)行限定，設(shè)置電流閾值，一方面可避免在關(guān)斷續(xù)流區(qū)間，由于檢測脈沖的注入導(dǎo)致續(xù)流時(shí)間的延長從而產(chǎn)生較大的負(fù)轉(zhuǎn)矩;另一方面，可避免關(guān)斷續(xù)流區(qū)間由于非導(dǎo)通相電流比較而估計(jì)出錯(cuò)誤換相信號。

圖4 脈沖注入的時(shí)刻Fig．4 Determining method of Pulse injection

1.4 與電流梯度法結(jié)合

SRM 在起動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)反電動(dòng)勢很小，繞組電流的di/dt 很大，電流沖擊過大會(huì)損壞開關(guān)管，針對這種情況一般采用電流斬波控制策略。在斬波控制運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)電流斬波限來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。一般通過增大電流斬波限來提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，在一個(gè)電角度周期里注入的高頻脈沖數(shù)目會(huì)減少。開關(guān)磁阻電機(jī)高速時(shí)，電流幾乎在整個(gè)電氣周期內(nèi)都流過相繞組，因此僅存有很少的時(shí)間用于注入檢測脈沖。另外，高速情況不能忽略旋轉(zhuǎn)反電動(dòng)勢的影響，因而非飽和電感計(jì)算非常復(fù)雜?？梢?，脈沖注入方法隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高位置估計(jì)的準(zhǔn)確度會(huì)隨之下降。

當(dāng)電流斬波限調(diào)到最大值時(shí)，即不再進(jìn)行電流斬波控制，這時(shí)仍采取脈沖注入方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)，估計(jì)準(zhǔn)確度降低、效果變差，導(dǎo)致方法失效。此時(shí)，因?yàn)閿夭ㄏ拮銐虼螅⑽磳?dǎo)通相電流進(jìn)行斬波控制，可結(jié)合傳統(tǒng)電流梯度方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。通過提取電機(jī)繞組導(dǎo)通相的電流，即可檢測電流梯度的過零點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。提出的新的無位置電流梯度法估算轉(zhuǎn)子位置原理如圖5所示。以上兩種無位置方法都是對電流的檢測，低速時(shí)的脈沖注入單閾值方法是對非導(dǎo)通相脈沖響應(yīng)電流進(jìn)行比較控制，高速時(shí)的傳統(tǒng)電流梯度法是對導(dǎo)通相的電流進(jìn)行過零點(diǎn)檢測。脈沖注入單閾值的無位置方法在一個(gè)周期內(nèi)獲取一個(gè)檢索位置脈沖，與高速時(shí)電流梯度方法的單個(gè)周期中檢測單個(gè)特殊位置點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的原理一致。所以兩種方法本質(zhì)相同，在使用過程中易于統(tǒng)一。本文將以上兩種方法結(jié)合，在電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)結(jié)合電流梯度法擴(kuò)大提出的無位置方法的適用范圍。

圖5 提出的新的無位置方法電流波形Fig．5 Typical current waveform of the new sensorless control method

由相繞組電壓平衡方程(1)可知，相電流在最小電感末端達(dá)到峰值，利用此特征可在每個(gè)周期內(nèi)檢測一次轉(zhuǎn)子位置［16］，相鄰電周期內(nèi)的兩個(gè)檢索脈沖之間相差一個(gè)電周期，即45°，那么只要記錄它們之間相隔的時(shí)間t，便可由式(3)和式(4)分別估計(jì)出轉(zhuǎn)速信息和轉(zhuǎn)子位置信息

式中Δθ 和Δt分別為相鄰電周期的位置檢索脈沖之間的角度差和時(shí)間間隔。

式中:θ(k+1)和θ(k)分別為相鄰采樣周期的位置信號值;ΔT 為DSP 中斷周期。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證控制策略的可行性，本文以TI 公司的TMS320F2812 芯片為數(shù)字控制器，在一臺(tái)三相12/8 極分塊轉(zhuǎn)子SRM 上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。所用分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的參數(shù)可參見文獻(xiàn)［20］。負(fù)載電機(jī)采用一臺(tái)永磁無刷伺服電動(dòng)機(jī)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。其中，功率電路部分采用傳統(tǒng)的三相不對稱半橋結(jié)構(gòu)，通過3 個(gè)電流傳感器實(shí)時(shí)采集三相繞組電流，經(jīng)過調(diào)理電路和A-D 轉(zhuǎn)換后在DSP 中進(jìn)行處理。另外在電機(jī)端部安裝了3 個(gè)光電傳感器，方便將估算位置與電機(jī)實(shí)際位置進(jìn)行比較。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig．6 Experimental platform

圖7為注入的高頻脈沖電壓信號與對應(yīng)的相電流之間的關(guān)系波形，從實(shí)驗(yàn)波形可看出，在注入高頻脈沖的時(shí)刻，相電流已經(jīng)續(xù)流到接近于零的閾值，這樣就不會(huì)存在續(xù)流電流與脈沖電流的重疊現(xiàn)象，提高了位置估計(jì)的準(zhǔn)確度，減少了負(fù)轉(zhuǎn)矩影響。在非導(dǎo)通區(qū)間注入寬度逐漸增大的電壓脈沖，響應(yīng)電流峰值隨脈沖寬度逐漸增大而增加。提取非導(dǎo)通相注入高頻電壓信號后的響應(yīng)電流，在DSP 中進(jìn)行數(shù)字濾波處理，與預(yù)先設(shè)置的電流閾值進(jìn)行比較，即可估計(jì)出轉(zhuǎn)子位置信息。

圖7 電流波形與電壓脈沖Fig．7 Phase current and the injected pulse waveforms

圖8為電機(jī)轉(zhuǎn)速為250 r/min，在θon=0°及θoff=18°情況下A 相電流與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系波形。開關(guān)磁阻電機(jī)低速運(yùn)行，采取斬波控制方式，非導(dǎo)通區(qū)間注入寬度逐漸增大的電壓脈沖，提取非導(dǎo)通相電流，進(jìn)行濾波處理。當(dāng)電壓固定時(shí)，電流閾值提前確定，濾波電流與閾值比較，進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。從實(shí)驗(yàn)波形可看出，電機(jī)低速時(shí)采用脈沖注入的單閾值方法，能正確給出A 相對應(yīng)的位置脈沖信號，并實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置角的準(zhǔn)確估計(jì)，誤差較小。

圖8 脈沖注入相電流及位置估計(jì)波形Fig．8 Phase current and position estimation waveforms of the pulse injection sensorless method

圖9為當(dāng)母線電壓為30 V，電流斬波限為4 A時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，此時(shí)轉(zhuǎn)速為650 r/min。因?yàn)閿夭ㄏ拮銐虼螅姍C(jī)不再進(jìn)行斬波控制，但在非導(dǎo)通區(qū)間仍注入電壓脈沖，仍利用非導(dǎo)通區(qū)間的響應(yīng)電流峰值與電流閾值進(jìn)行比較，估計(jì)轉(zhuǎn)子位置信息的方法。從波形可看出，由于單閾值方法易受到電壓波動(dòng)的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)可看出轉(zhuǎn)子誤差明顯，方法已經(jīng)失效。

圖9 脈沖注入無位置方法相電流及位置估計(jì)波形Fig．9 Phase current and position estimation waveforms of the pulse injection sensorless method

此時(shí)，因?yàn)閿夭ㄏ拮銐虼螅⑽磳?dǎo)通相電流進(jìn)行斬波控制，可結(jié)合傳統(tǒng)電流梯度方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。通過提取電機(jī)繞組導(dǎo)通相的電流，即可檢測電流梯度的過零點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。圖10為電機(jī)轉(zhuǎn)速為650 r/min，在θon=0°及θoff=18°情況下A 相電流及電流梯度過零點(diǎn)的位置脈沖與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系波形。從實(shí)驗(yàn)波形可看出，采用電流梯度方法，通過提取導(dǎo)通時(shí)的電流，檢測該電流的電流梯度過零點(diǎn)信號，即為定轉(zhuǎn)子齒極開始重合的位置點(diǎn)信號。該方法能正確給出A相對應(yīng)的位置脈沖信號并實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置角的準(zhǔn)確估計(jì)，在轉(zhuǎn)速升高時(shí)位置檢測準(zhǔn)確度提高，誤脈沖減少。

圖10 電流梯度無位置方法相電流及位置角度估計(jì)波形Fig.10 Phase current and position estimation waveforms of the current gradient sensorless method

圖11為電機(jī)在切除位置傳感器的情況下A 相電流、電流斜率與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系波形。從實(shí)驗(yàn)波形可看出，當(dāng)位置傳感器切除后，采用電流梯度方法，可正確估計(jì)轉(zhuǎn)子位置角度，電機(jī)可正常運(yùn)行。

圖11 電流梯度無位置方法切除傳感器實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Waveforms of the current gradient sensorless method

圖12為電機(jī)轉(zhuǎn)速為650 r/min，在θon=0°及θoff=18°情況下A 相電流、切換信號、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置誤差之間的關(guān)系波形。由于單閾值方法易受到電壓波動(dòng)的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)可看出轉(zhuǎn)子誤差明顯。此時(shí)進(jìn)行無位置方法的切換，當(dāng)切換信號變?yōu)?時(shí)，由脈沖注入法切換至電流梯度法。提取繞組導(dǎo)通區(qū)間的電流，采取電流梯度過零的檢測方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)。從實(shí)驗(yàn)波形也可看出，高低速方法的切換過程轉(zhuǎn)速平滑，在高速時(shí)采用電流梯度法角度誤差減小。

圖12 切換過程轉(zhuǎn)速和角度誤差波形Fig.12 Position and angle estimation error during the switch-over area

3 結(jié)論

本文針對12/8分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)，提出了一種改進(jìn)的脈沖注入法。僅對電機(jī)一相繞組的非導(dǎo)通區(qū)間注入寬度逐漸增大的電壓脈沖，通過響應(yīng)電流與設(shè)定電流閾值的比較，進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。得到如下結(jié)論:

1)提出的改進(jìn)的脈沖注入方法易實(shí)現(xiàn)，不需要附加硬件，算法簡單。僅對電機(jī)一相繞組的非導(dǎo)通區(qū)間注入電壓脈沖，各相獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)缺相容錯(cuò)控制。

2)該方法對脈沖注入的時(shí)刻進(jìn)行研究，消除負(fù)轉(zhuǎn)矩的影響。

3)將傳統(tǒng)的脈沖注入方法進(jìn)行改進(jìn)，使之與電流梯度法結(jié)合，擴(kuò)大無位置傳感器方法適用的轉(zhuǎn)速范圍，為下一步實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)、低速、高速全速范圍內(nèi)的無位置方法打下基礎(chǔ)。

［1］ 王宏華．開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995．

［2］ 吳建華．開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［3］ Ehsani M，F(xiàn)ahimi B．Elimination of position sensors in switched reluctance motor drives:state of the art and future trends［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2002，49(1):40-47．

［4］ Ehsani M，Husain I，Kulkarni A B．Elimination of discrete position sensor and current sensor in switched reluctance motor drives［J］．IEEE Transactions on Industrial Application，1992，28(1):128-135．

［5］ Acarnley P P，Hill R J，Hooper C W．Detection ofrotor position in stepping and switched motors by monitoring of current waveforms［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，1985，32(3):215-222．

［6］ Husain I，Ehsani M．Rotor position sensing in switched reluctance motor drives by measuring mutually induced voltages［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，1994，30(3):665-672．

［7］ Suresh G，F(xiàn)ahimi B，Rahman K M，et al．Inductance based position encoding for sensorless SRM drives［C］．30th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference，Charleston，SC，1999，2:832-837．

［8］ Bu Jianrong，Xu Longya．Eliminating starting hesitation for reliable sensorless control of switched reluctance motors［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(1):59-66．

［9］ 劉衛(wèi)國，宋受俊，Uwe Sch?fer．無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)初始位置檢測方法［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(24):91-97．

Liu Weiguo，Song Shoujun，Uwe Sch?fer．Initial position estimation of sensorless switched reluctance motor［J］．Proceedings of the CSEE，2009，29(24):91-97．

［10］ 邱亦慧，馬志源，詹瓊?cè)A．無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)的無反轉(zhuǎn)起動(dòng)研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，16(2):18-22．

Qiu Yihui，Ma Zhiyuan，Zhan Qionghua．Start exploration of position sensorless SRM without rotor reversing［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2001，16(2):18-22．

［11］ Gao H，Salmasi F R，Ehsani M．Sensorless control of SRM at standstill［C］．Sixteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，Anaheim，CA，2001:850-856．

［12］ 李景男，王旭東．基于兩相脈沖激勵(lì)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測［J］．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2002，6(1):6-9．

Li Jingnan，Wang Xudong．Sensorless rotor position detection of SRM based on voltage pulses to two phases［J］．Electric Machines and Control，2002，6(1):6-9．

［13］ 蔡駿，鄧智泉．基于全周期電感法的開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(2):145-154．

Cai Jun，Deng Zhiquan．Sensorless control of switched reluctance motors based on full-cycle inductance method［J］．Transations of China Electrotechnical Society，2013，28(2):145-154．

［14］ 毛宇陽，鄧智泉，蔡駿．基于電流斜率差值法的開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感器技術(shù)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(9):91-97．

Mao Yuyang，Deng Zhiquan，Cai Jun．Sensorless control of switched reluctance motor based on current slope difference method［J］．Transations of China Electrotechnical Society，2011，26(9):91-97．

［15］ Gallegos-Lopez G，Kjaer P C，Miller T J E．A new sensorless method for switched reluctance motor drives［J］．IEEE Transactions on Industrial Application，1998，34(4):832-840．

［16］ Cai Jun，Deng Zhiquan．Sensorless control of switched reluctance motor based on phase inductance vectors［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(7):3410-3423．

［17］ 夏長亮，謝細(xì)明，史婷娜，等．開關(guān)磁阻電機(jī)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無位置傳感器控制［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(7):33-38．

Xia Changliang，Xie Ximing，Shi Tingna，et al．Position sensorless control of switched reluctance motor using waveletneural networks［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23(7):33-38．

［18］ 張旭隆，譚國俊，蒯松巖，等．在線建模的開關(guān)磁阻電機(jī)四象限運(yùn)行無位置傳感器控制［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(7):26-33．

Zhang Xulong，Tan Guojun，Kuai Songyan，et al．Four-quadrant position sensorless control of switched reluctance motors based on on-line modeling［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(7):26-33．

［19］ 陳小元，鄧智泉，王曉琳，等．分塊開關(guān)磁阻電機(jī)的研究現(xiàn)狀及其新結(jié)構(gòu)構(gòu)想［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(3):20-28．

Chen Xiaoyuan，Deng Zhiquan，Wang Xiaolin，et al．Current status and new configurations of segmented switched reluctance machines［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(3):20-28．

［20］ 陳小元，鄧智泉，許培林，等．整距繞組分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(36):109-115．

Chen Xiaoyuan，Deng Zhiquan，Xu Peilin，et al．Electromagnetic design of a switched reluctance motor with segmental rotors and full-pitch windings［J］．Proceedings of the CSEE，2011，31(36):109-115．