开关磁阻电机无位置传感控制器研究

陈坤华， 孙玉坤， 李天博

（江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013）

开关磁阻电机无位置传感控制器研究

陈坤华， 孙玉坤， 李天博

（江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013）

针对机械式位置传感器增加控制系统复杂性和降低系统可靠性的问题，提出了开关磁阻电机一种新的无位置传感控制器。在建立开关磁阻电机电感模型基础上，推导无位置传感器数学模型，构建无位置传感器控制系统。通过测量激励相电压和电流，估算转子实际位置，采用电流斩波控制方法控制开关磁阻电机低速运行，采用角度位置控制方法控制开关磁阻电机高速运行。对该无位置传感系统进行仿真，并实现了对开关磁阻电机无位置传感器的控制。实验结果表明该方法能在较宽调速范围内准确地估计开关磁阻电机转子位置。

无位置传感器；开关磁阻电机；电感模型；功率变换器；电流斩波控制；角度位置控制

0　引言

开关磁阻电机（switched reluctance motor， SRM）具有结构简单，运行效率高，调速范围宽，低速启动转矩大等特点。其定转子为凸极结构，定子有集中绕组，转子无绕组，定子各相绕组轮流导通产生电磁转矩，其位置信号控制激励相绕组开通与关断，位置检测环节是开关磁阻电机调速系统的重要组成部分。

开关磁阻电机常用光电编码盘作为位置传感器来检测转子位置信号，但是位置传感器的使用增加了系统的复杂性，加大了电机的成本，减少了电机的功率体积比，降低了电机运行的可靠性，出于对电机高功率密度，减小安装尺寸等因素考虑，无位置传感器技术研究成为开关磁阻电机的一个热点。

目前国内外研究较多的开关磁阻电机无位置传感技术有相电流分析分析方法［1］，转矩电流位置特性分析法［2］，神经网络转子位置估计法［3］，基于状态观测器的无位置传感技术［4-6］，基于相磁链波形的无位置传感技术［7-9］，附加电容检测法［10］、反串线圈法［11-12］。

本文采用开关磁阻电机电感模型［13-16］，并考虑磁路饱和，提出了新的无位置检测方法，缩短了开关磁阻电机位置估算运算周期。实验表明该无位置检测运算简单，实时性强，系统稳定可靠。

1　电感模型

图1为开关磁阻电机相电感模型L（i，θ）。两相电感间的相位差等于步距角（其中m为电机相数，Nr为转子极数）。

图1　开关磁阻电机相电感模型Fig.1　Phase inductance model of SRM

在单相激励时，相间互感对导通相电感的影响很小［16］，可以忽略［12］，激励相电感可以用其自感模型表达式描述。

将式（1）展开并简化，可得

La（i）电感值最大，为定转子凸极处于完全重叠位置电感、Lu电感值最小，为定转子凸极处于不重叠位置电感、Lm（i）为中间位置电感。La（i）、Lm（i）大小与相绕组和相电流有关，并受磁路饱和的影响。k值是估计量，k=5。an、bn为多项式参数，通过曲线拟合法获得，使得式（6）、式（7）与实验或有限元分析得到的La（i）与Lm（i）曲线一致。Lu与相绕组有关。

2　无位置传感器设计

考虑开关磁阻电机铁心磁通密度高饱和性和涡流、磁滞效应等影响，其电压平衡方程为

将相电感表达式（5）代入式（9），并整理可得

简化为一元二次方程

参数a、b、c中i、U均为实际测量值，式中电感La（i）、Lu（i）和Lm（i）值可分别由式（6）、式（7）和式（8）获得，ω为前次转速估算值，这样可算得参数a、b、c的值。本方法考虑了转子极数在转子位置估计中的作用，适用于任何转子极数的开关磁阻电机。

3　系统仿真计算

图2（a）为n=500 r/min，θon=7.5°、θoff=22.5°时的电流波形，从图中可以看出，在恒转矩工作区，SRM有良好的电流斩波特性。图2（b）为n=1 500 r/min时的电流波形，从图中看出，在恒功率区，SRM由于转速较高，各相主开关导通时间短，因此在APC控制下的电流较CCC控制下的电流小。

图2　三相电流仿真结果Fig.2　Simulation results of three phase current

4　实验分析

图3为开关磁阻电机无位置传感器控制系统框图，图中开关磁阻电机的功率为1.5 kW，3相，6/4极；采用不对称半桥电路作为SRM功率变换器主电路，图4为SRM主电路框图。该电路有3种工作状态：①S1、S4开通，A相绕组加正电压，建立电流和磁链；②S1断开，A相电流在S4、D4构成的环路中续流，磁链缓慢下降；③S1、S4都断开，相电流通过D1、D4续流，磁链迅速下降，绕组能量回馈电源。从图中可以看出电机绕组与每相开关串联，相与相之间相互独立，这样避免了相电路上、下桥臂直通短路的问题。

图3　开关磁阻电机无位置传感器控制系统框图Fig.3　System diagram based sensorless control of SRM

图4　SRM不对称半桥电路框图Fig.4　H-bridge asymmetric converter of SRM

控制器选用DSP，实现开关磁阻电机位置估算、电流斩波控制、角度位置控制功能。转子位置估算模块输入量是实时检测到的SRM激励相电流i和相电压U，相电流i经过倍频细分模块与相电压经过位置估算模块，输出为转子位置估计值为转速估计。其中控制相开通与关断，与速度给定值ωref比较，通过PID调节器控制开关磁阻电机速度。

图5为系统主程序流程图，主要完成外围设备初始化；确定转子初始位置；触发相开通；检测激励相电流、相电压；估算转子位置；换相并选择控制策略等功能［18-20］。

图5　系统主程序流程图Fig.5　Flowchart illustrating the software structure

图6（a）为电流斩波控制n=500 r/min开通角、关断角固定θon=7.5°、θoff=22.5°时的电流波形，图6（b）为角度位置控制n=1 500 r/min时的电流波形。从其电流波形可以看出，无论是低速运行，还是高速运行时，使用该位置估计方法下的开关磁阻电机均有良好的稳态性能。

图6　电流实验波形Fig.6　Experiment wave of current

为进一步验证位置估算的准确程度，实验中还安装了霍尔元件，用于测量转子位置，获得转子位置测量值。估计值通过实时检测到的激励相电流由位置估算模块算得。图7（a）、图7（b）分别n=500 r/min 和n=1 500 r/min时的位置测量值与估计值的曲线，图中实线表示转子位置测量值，点画线表示转子位置估计值，图中的点表示转子位置测量值的采样点，图中的圈表示转子位置估计值的采样点。

图7　位置测量值与估计值的曲线Fig.7　Curve of position measurement and curve of position estimation

表1、表2分别列出了开关磁阻电机转速为n= 500 r/min和n=1 500 r/min时采样点处位置测量值与位置估计值，通过实际测量值跟估计值的对比，可以看出开关磁阻电机的转子位置估计结果与实际情况吻合，误差很小。

表1　n=500 r/min时的装置测量值与估计值Table 1　The value of position measurement and the value of position estimation at 500 r/min

表2　n=1 500 r/min时的装置测量值与估计值Table 2　Value of position measurement and the value of position estimation at 1 500 r/min

5　结论

开关磁阻电机调速系统由于其优良的动、静态调速性能，受到国内外众多专家、学者的关注，本方案提供了一种新的开关磁阻电机无位置传感技术。基于电感模型提出的无位置传感器能较好地检测开关磁阻电机转子位置，降低了系统成本，简化了位置估算的数学模型，增加了系统的可靠性，减少了系统运行时间，提高了系统的实时性。实验证明该系统运行稳定。

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（编辑：刘琳琳）

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

国家自然科学基金（51007031）；研究生创新计划项目（CX09B_11XZ）

陈坤华（1981—），男，博士研究生，讲师，研究方向为特种电机智能控制；

孙玉坤（1958—），男，教授，博士生导师，研究方向为电能质量与智能控制；

李天博（1969—），男，硕士，副教授，研究方向为特种电机、智能控制技术。

陈坤华