无位置传感器的开关磁阻电机转子位置检测技术

[摘 要]：转子位置检测是开关磁阻电机调速系统的重要环节，直接位置检测技术能够提供稳定的转子位置信号，但需要增加附加的机械结构，从而限制了开关磁阻电机的应用范围。目前，无位置传感器检测技术是开关磁阻电机研究领域的热点之一。全面介绍了国内外开关磁阻电机无位置传感器检测技术的研究现状，详细阐述了每一典型检测方法的原理，对其优缺点及适用范围进行了详细讨论与客观评述，并展望了其发展趋势。对新型五位置传感器检测技术的研究具有重要的参考价值。 开关磁阻电机（switched reluctance motor，简称SRM）是一种新型的机电一体化调速电机，具有结构简单、坚固，易于调速，控制灵活，可靠性高、容错性强等特点，已逐渐应用于民用、机车和航天等领域，具有广泛的应用前景。 位置检测环节是开关磁阻电动机驱动系统（switched reluctance drive）的重要组成部分，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。传统的转子位置检测是直接利用光电式、电磁式和磁敏式等位置传感器实现，随着电机相数的增加，所需的传感器数量会增多。转子位置传感器的存在不仅增加了系统的复杂性，又给安装、调试带来很大不便，严重削弱了SRM结构简单的优势，降低了系统的可靠性，并难以实现电机的高速控制，限制了SRM的应用领域。因此如何去掉位置检测器，利用电机的固有信息间接确定转子位置，无疑是一个很有潜力的研究方向。 目前，SRM无位置传感器技术已经成为世界范围内SRM研究领域的热点之一，各国学者对这一问题从各种角度做了大量研究，提出了多种无位置传感器检测方案。本文对20年来国内外SRM无位置传感器技术进行了综述，详细介绍了各类方法的优缺点及适用范围，对存在的问题及发展趋势进行了分析。 1 无位置传感器检测技术分类 迄今为止，国内外学者对无位置传感器技术从各种角度做了大量研究，提出了多种无位置传感器检测方案，图1详细列出了无位置传感器的检测方法。大致可以分为以下4类。 1）导通相检测法。不需任何人为产生的电压电流信息，直接以电机运行时的电流电压信息为基础，根据电机的实际模型或特性曲线得到位置信息。如磁链/电流法、相电流梯度法、磁链法、电流波形检测法、相间互感检测法（感应电势法）、基于模型的观测器法、基于电流斩波波形的检测法以及基于磁链法提出的改进检测方法等。 2）非导通相检测法。充分利用空闲相，人为地注入检测脉冲信号从而产生需要的电流等信息以得到位置信息。如单相脉冲激励法、两相脉冲激励法以及基于脉冲激励法而提出的改进检测方法等。 3）基于智能控制的检测方法。利用电机的磁特性关系，将智能控制引入到SRM五位置传感器的研究当中。目前研究较多的是模糊控制法及神经网络法。 4）附加元件检测法。在SRM内部的适当位置附加某些电元件，利用这些电元件输出的信息来检测转子的位置，所附加的电元件可以是电感线圈、电容板极等，称其为附加线圈检测法、附加电容检测法等。 2 国内外无位置传感器检测技术的评述 2．1 导通相检测法 导通相检测法是利用导通相导通时所表现出来的相绕组特性来检测转子位置，所以不必像非导通相检测法那样需要切换电路和注入脉冲。但是由于电机绕组所表现出来的非线性，必须采用非线性检测法，模型比较复杂，对芯片的运算速度要求也比较高。 2．1．1 电流波形检测法 该方法由英国剑桥大学的Acarnley等人于1985年提出的，是最早的无位置传感器检测方案。由于SRM的相电流变化率取决于增量电感，而增量电感又是由转子位置决定的，因此根据这一规律可解算出转子的位置。解电机一相绕组的电压简化方程为 因此，由式（1）可解算出转子位置角。 这一方案原理简单，不需要外加电路。缺点是电感的计算时间较长，算法易受噪声信号的影响，A/D转换环节存在延时等。 针对上述方法人们提出了改进方案：根据SRM定子各相绕组依次独立通过电流的特点，提出了非工作相施加检测电压脉冲法。 2．1．2 磁链法 磁链法于1991年由J．Lyons等人首次提出，该方法是依据SRM磁链、电流和转子位置角之间的关系。忽略绕组互感的影响，则转子位置角为绕组磁链和绕组电流的函数，并且可以证明其为单值函数，如果已知当前时刻的绕组磁链和绕组电流，则可以知道转子位置。 若能试验得到对应不同转子位置的磁链一电流曲线，就可建立1个电流、磁链、位置角的三维表存储在内存中，通过计算每一时刻的磁链，与采样得到的电流一起通过查表法可得到当前的转子位置角。 此方法原理简单，但由于要建立并查找一个电流/磁链/位置的三维表，算法复杂，计算时间长，占用内存大，灵活性差等。 针对磁链法的不足，为提高实时性和使用范围，减少所需内存，2001年由华中理工大学的邱亦慧和詹琼华教授等人提出了简化磁链法：另外，其他学者也提出了如下改进方法：基于参考位置角的磁链估计法和考虑起动状态的磁链估计法。 2．1．2．1 简化磁链法 该方法是在电机单相轮流导通且电流PWM控制的条件下提出的。在电机单相轮流导通时，并不需要转子每一位置的信息，只要能够判断是否已达到换相位置即可。因此只需将积分计算得到的估算磁链与换相位置磁链相比较，如果前者大于后者，则认为换相位置还未到，继续导通当前相，反之则认为换相位置已到，关断当前相，导通下一相。 由于换相位置一般都靠近电感最大位置，因此换相位置磁链的获得可通过测试最大电感时的磁链一电流曲线，从当前电流查到对应最大电感位置的磁链，然后再乘以一个小于1的系数来得到。 该算法只需测试并存储最大电感位置的磁链一电流曲线，然后查二维表。所需内存小，算法简单快速，无需附加硬件。缺点是无考虑绕组电阻随温度的变化，这将影响磁链估算值的准确性。 这种方法需要选择合适的参考位置，参考电流过大或过小都会给估计带来较大误差。 2．1．2．3 考虑起动状态的磁链估计法 起动时，由于电机无位置传感器，因此无法直接得到起动时转子的初始位置和运行时的关断、开通位置，需要通过一定的间接位置检测技术来得到。这种方法充分考虑了电机起动的起动因素。 在电机静止时，对每相电机绕组通低幅测试脉冲，得到一定的测试电流峰值，由于转子静止，可忽略绕组电阻影响，则测试电流峰值与绕组电感成反比，测试电流峰值分别代表各相绕组电感，因此转子的初始位置即可确定。然后给电机施加具有一定持续周期的电压脉冲，使电机能够运行。 在电机运行时，选择电流值最大的相进行判断，其原因是对于高性能的控制系统来说，为得到电机的最大转矩，需要在电感下降区域前建立相电流。 磁链可通过下述离散的关系式得到： 式中：λ（k），λ（k－1）分别为第k和k－1时刻的磁链；i（k），i（k－1）分别为第k和k－1时刻的电流值；v（k－1）为第k－1时刻的绕组电压值；Ts为采样时间。 对于式（6）来讲，通过处理器可以很容易计算出每个采样时刻的磁链。由此根据电机的电磁特性，转子的位置即可确定。 这种方法能够得到较好的总体性能和估计结果，并能应用于电机的4象限运行。缺点是需要电压传感器和电流传感器，并在确定用于转子位置估计的相时，对所有的绕组都必须施加电压。 2．1．3 相电流梯度法 忽略相电阻压降，由电机电压方程可得 相电流梯度法优点是：方法简单，使用附加器件较少，适合于电机的中速和高速运行；不需要电感的先验知识，适用于任何SR电机，能够适用于电机的4象限运行。缺点是：低速运行时由于相电流上升较快，而且要限定在安全区，因而低速运行时检测转子位置偏差较大；电机的停止状态下，需要编写启动程序；不适合在瞬时大负载情况下应用。 2．1．4 磁链/电流法 1988年英国Leeds大学的N．H．Mvungi等人提出利用某相磁链－转子位置关系和相电流－转子位置关系来测量转子位置。在磁链很小时，磁路的非线性和磁通饱和可以忽略，因此转子位置的变化可通过电流恒定时，磁链与位置角的变化曲线（图5所示）和磁链恒定时，相电流与位置角的变化曲线（图6所示）表征。 通过试验可得到磁链为定值时的电流－位置角对应表或电流为定值时的磁链－位置角对应表，采用查表法可得到转子位置角。 该方案较好地克服了电磁阻尼及其运动电势的影响，不足之处在于数学模型过于简单，未考虑涡流效应，检测精度低，只适合于中、低速条件下使用。 2．1．5 基于电流斩波波形的检测法 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，可分为基于斩波波形的电流上升时间法和基于斩波波形的电<