開關磁阻電動機轉子間接位置檢測技術的研究

  曾文禹，劉  闖，周  強

(南京航空航天大學，江蘇南京：210016)

摘要：提出一種基于改進型磁鏈法的轉子位置檢測新方案。該方案在原有磁鏈法基礎上進一步提高了位置解算速度與精度；同時，基于maⅱah／simulink對算法進行了仿真，最后結合一臺350 w小功率開關磁阻電動機對該方案進行驗證。仿真分析和試驗結果驗證了該檢測方案的可行性。

    關鍵詞：開關磁阻電動機；簡化磁鏈法；位置檢測

    中圖分類號：tm352  文獻標識碼：a  文章編號：1004一7018(2010)04—0062一04

0引  言

    開關磁阻電動機驅動系統是20世紀80年中期興起的一種新型調速系統，具有結構簡單、調速方便、可靠性高等優點，在電力傳動領域具有廣闊的發展前景。

    對于開關磁阻電動機驅動系統而言，實時而準確的轉子位置信息是其可靠運行的必要前提。傳統的位置檢測方案有光電式、電磁式、霍爾式等機械檢測方案[1-2]，這些直接檢測轉子位置的傳感器結比較復雜，安裝也不方便，不僅增加了系統結構的復雜性，也增加了系統成本和潛在的不穩定性。在某些應用場合如航空航天設備、電動車輛等，去除傳統的位置傳感器尤為重要。

    迄今為止，各國學者對這一問題從各個角度做了大量研究，提出了多種間接位置檢測方案，大致可分為兩類[3]：

    (1)被動探測法(n0n—intmsive methods)

依據實際電機特性，通過直接測量系統端電壓、電流及相關計算來獲得轉子位置信息，模型觀測器法[4]、磁鏈／電流法[5]和互感電壓法[6]等都屬于此類。被動探測法沒有內在固有的轉速應用限制，但算法復雜，計算量大，需要高性能的數字處理芯片。(2)主動探測法(active probing meethods)

    通過向非激勵相注入低幅值高頻測試信號來得到相電感變化信息，而相電感的變化與轉子位置的變化是一一對應的。電流監測法[7]、調制編碼技術[8]和磁鏈檢測法[9]都屬于主動探測法。這些方法實現簡單，但其有固有的轉速應用限制，且可能在檢測相產生負轉矩。幅度調制編碼技術中需要附加檢測電阻與相繞組串聯以方便信號檢測，但不得不增加開關器件使檢測電路與功率電路隔離[8]。

    邱亦慧和詹瓊華等人提出了一種簡化磁鏈法[10]的方案，該方案不需要轉子每一位置的信息，只要能夠判斷是否已達到換相位置，由于換相位置一般都靠近電感****位置，而且磁鏈一電流曲線形狀類似，因此算法中只測試存儲****電感位置的磁鏈一電流曲線。實驗中先從當前電流查到對應****電感位置的參考磁鏈，然后乘以一個小于1的系數k來得到對應換相位置的參考磁鏈值。此算法簡單快速，但由于磁鏈簇在****電感位置分布密集、區分度不好，因此k的取值誤差較大，這在一定程度上影晌系統位置解算的精度，限制了電機的****轉速。

    本文提出了一種基于上述針對單相輪流導通運行方式的磁鏈法的間接位置檢測的改進方案，方案中未采用檢測****電感位置磁鏈，而是利用開關磁阻電動機的位置信號特征以及結構的對稱性，利用測試兩個特定位置的磁鏈一電流曲線結算出位置信號，對無位置傳感器開關磁阻電動機在高速領域的研究提供了理論基礎。

1簡化磁鏈法的基本原理及算法改進

l 1基本原理

    磁鏈法于1991年由j．lyons等人首次提出[11]其最初的算法思想如下：

   如果已知從時刻0到時亥t間每一時刻的電壓u和電流值i以及時刻0的初始磁鏈值ψ(o)，就可以積分算出繞組當前時刻t的實際磁鏈值。圖1為基于有限元軟件anasys得到的12／8電機的磁化曲線簇。由圖1可知，不同的電感對應不同的磁鏈一電流藍線，如果測出圖1的磁鏈電流血線簇，作為三維表儲存，再測量電流和估算磁鏈，查表即可知電感，也就知道了當前轉子位置。

    此方法原理簡單，但由于要建立并查找一個電流／磁鏈／位置的三維表，數據量大，算法復雜，計算時間長，并占用大量內存，靈活性差。

    針對磁鏈法的不足，為提高實時性和試用范圍，減少所需內存，2001年華中的邱亦慧和詹瓊華教授等人提出了簡化磁鏈法[10]。該方法是在電機單相輪流導通且電流pwm控制的條件下提出的。在電機單相輪流導通時，并不需要知道轉子每一個位置信號的信息，只要能夠判斷是