（机械电子工程专业论文）srm间接位置检测和转矩脉动抑制的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 开关磁阻电机( s r m ) 驱动系统以其结构坚固，成本低廉、控制灵活等优 良特性引起人们越来越多的关注，其在工业上的应用前景是非常诱人的。但是 s r m 的转矩脉动引发的噪声和物理位置传感器的存在使得s r m 驱动系统的应 用范围受到限制。 本文在基于前人研究的基础上，深入研究s r m 的间接位置检测，结合电机 控制专用的高速的数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，使得问接位置检测算法在中 低速s r m 驱动系统中能得以实现。此外，本文还首次提出了一种采用转矩分配 方案降低其转矩脉动的新方法，将各相转矩合成产生转矩输出从而减小转矩的 脉动。义 首先，本文通过实验检测获取磁链特性数据，建立了基于s r m 磁链特性曲 线的模糊模型。s r m 运行时，通过对模糊模型的推理获取转子位置，此外还增 加了模糊决策算法来消除反馈噪声的干扰。( 在分析连续两相电磁特性的基础上， 本文首次提出了转子处于静止和有初始转动两种状态下，转子初始位置检测及 初始导通相的确定方法。j 其次，本文提出了采用转矩分配方案，即采用多相导通的方法，各相分配 给定的转矩加以合成就是电机的转矩输出，最终达到了减小转矩脉动的目的。 最后，本文系统地介绍了包括基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的控制电路、主电路、检 测电路在内的s r m 驱动系统的硬件设计以及驱动系统的控制软件设计，详细讨 论了系统的初始化程序模块和运行程序模块，分析了算法执行的实时性。( 实验 结果反映了取消位置传感器的s r m 系统在中低速领域运行状态良好。心 多关键词：开关磁阻电机，间接位置检测j 模糊模型j 转矩脉动? 数字信号处理器j 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l t h o u g ht h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) d r i v es y s t e mh a sg o t t e nm o r ea n d m o r ea a e n t i o n sb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i r ms t r u c t u r e ，l o wc o s t a n df l e x i b l ec o n t r o l ，i t sa p p l i c a t i o nh a sb e e nl i m i t e db yt h en o i s e sc a u s e db yt h e t o r q u er i p p l ea n d t h ee x i s t e n c eo f s h a f tp o s i t i o ns e n s o r b a s e do ne a r l yr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，i nt h i st h e s i s ，t h ep o s i t i o ni n s p e c t i o no fs r m w i t h o u ts h a f tp o s i t i o ns e n s o rh a sb e e ns t u d i e dd e e p l y ，c o m b i n e dw i t has p e c i a l h i 曲- s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，s oa st ou s et h ea l g o r i t h m o ft h ei n d i r e c tp o s i t i o ns e n s i n gi nt h es r m d r i v es y s t e m i na d d i t i o n ，an e wm e t h o d o f t o r q u er i p p l er e d u c t i o nb yt o r q u ed i s t r i b u t i o ni sp r o p o s e d t h et o r q u eo f d i f f e r e n t p h a s e si sc o m p o s e d t of o r ma t o r q u eo u t p u ts oa s t or e d u c ei t sr i p p l e f i r s t l y ，af u z z ys r m m o d e lf o rp o s i t i o ns e n s i n gi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ed e t e c t e d d a t ap a i ro ft h er o t o rp o s i t i o n ，a n ds t a t o rf l u xa n dc u r r e n t w h e nt h em o t o r i sr u n n i n g t h er o t o rp o s i t i o ni so b t a i n e dt h r o u g ht h er e a s o n i n gt h ef u z z ym o d e l s oa st or e d u c e t h ed i s t u r b a n c eo ft h ed e t e c t e dn o i s es i g n a lb yt h ea n a l y s i so f t h el i n e a ri n d u c t a n c e m o d e lo fs r m ，an e wm e t h o do ft h ei n i t i a lr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nw i t h o u tp o s i t i o n s e n s o ri sp r o p o s e d s e c o n d l y , an e wm e t h o do ft o r q u e d i s t r i b u t i o ni s p r o p o s e dt o s o l v et h et o r q u e s s m o o t ht r a n s i t i o nd u r i n gt h ec h a n g i n gp r o c e s so fe x c i t e dp h a s e s i t i s p r o v e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da l s od e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt h a tt h ec o n t r o l s y s t e mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e t h et o r q u er i p p l e f i n a l l y ，t h ed e s i g no f t h eh a r d w a r eo fas r md r i v es y s t e mi si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g t h et m s 3 2 0 f 2 4 0 一b a s e dc o n t r o lc i r c u i t ，t h ep o w e rd r i v ec i r c u i ta n dt h ed e t e c t i n g c i r c u i t i t sc o n t r o ls o f t w a r e ，e s p e c i a l l yi n i t i a l i z i n gm o d u l ea n dr u n n i n gm o d u l e ，i s d e s c r i b e da n di t sr e a l t i m eo p e r a t i o n sa r ed i s c u s s e d i ti sp r o v e db yt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t st h a ts u c had r i v es y s t e mb yu s i n ga b o v ea l g o r i t h m si sw e l lr u n n i n g k e y w o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) ，i n d i r e c tp o s i t i o ns e n s i n g ， f u z z ym o d e l ，t o r q u er i p p l e ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i i 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源 作为国家自然科学基金“两个基地”项目“面向数字制造的智能控制、 监控及诊断的理论及应用研究”( 项目资助号：5 9 9 1 0 7 6 8 6 1 ) 的重要组成部分之 一，本学位论文围绕无轴位置传感器的开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o m r ， 以下简称s 鼢v i ) 调速系统展开研究。 1 2 课题概述 1 2 1s r m 的基本结构、原理和特点 作为一种双凸极可变磁阻电机，s r m 的定子和转子均由硅钢片叠压而成的， 其中转子上既无绕组也没有永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个 绕组串联构成一个两极磁极，称之为“一相”。图1 1 为三相四极s i t m 内部结 构图。s p d v 可以设计成不同相数结构，且定转子的极数有多种不同的搭配。研 究表明，低于三相的s r _ m 没有自启动的能力，对于有自启动、四象限运行要求 的驱动场合，常见定转子级数组合方 案有6 4 和8 6 。由于三相( 6 4 ) 结构 性能并不比四相逊色，但经济性却明 显提高，故对三相( 6 4 ) s r m 的研究与 开发正目益受到重视。 结构上与步进电机相似的s r m 的运行原理也遵循“磁阻最小原理” 磁通总要沿着磁阻最小的路径闭 合，而具有一定形状的铁心在移动到 最小磁阻位置时，必使自己的主轴线 与磁场的轴线重合a 图1 2 示出了三相 图1 1 三相开关磁阻电机结构图 ( 6 4 ) s r m 结构原理图，为简单计，图 中只画出a 相绕组及其供电电路。图1 2 中，当定子b - b 极励磁时，所产生 的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线2 2 与定子极轴线b b 轴线重合的位 置，并使b 相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起 始位置，则依次给b c a 相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连 续旋转；反之，若依次给c b a 相通电，则电机即会沿着顺时针方向转动。由 华中科技大学硕士学位论文 此可见，s r m 的转动方向与绕组电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。 另外，从图1 2 中可以看出，当主开关器件s 。、s 2 导通时，a 相绕组从直流电 源u s 吸收电能，而当s l 、s 2 关断时，绕组电流经续流二极管d l 、d 2 继续流通， 并回馈给电源u s 。因 此，s r m 传动的共性 特点是具有再生作 用，系统效率高。 由此可以看出， s r m 和步进电机很相 似，二者的运行机理 些许相似，而又都同 属双凸极结构，但它 们还是存在很大的区 别：首先，s 砌v i 驱动 系统多用于功率驱动 系统中，其评价指标 图1 2 三相6 4 极s r m 截面图 主要有电机的出力及效率等。而步进电机多用于小功率的位置系统中，对电机 的定位精度要求较高。其次，s r m 步距角很大，必须借助于位置检测器运行于 自同步状态。特别在低速运行时，随着转子位置的改变，通过频繁开通和关断 励磁相绕组以控制电流的大小和波形。所以s r m 驱动系统中位置反馈是一个必 不可少的环节。 因此，s r m 驱动系统具有以下主要特点1 37 j ： 1 、s r m 结构简单，转予上没有任何形式的绕组，转子转动惯量小，易加、 减速，电动机可高速旋转而不致变形。定子上只有简单的绕组，没有相间跨接 线。定子线圈嵌装容易，端部短而牢固，热耗大部分在定子，易于冷却；而转 子无永磁体，可有较高的最大允许温升。因此，s r m 具有坚固可靠、维修量小、 成本低廉的优点。 2 、s r m 的转矩方向和和电流方向无关，只需要单向的电流激励。通过控 制主开关器件的导通和关断，即可使电机工作于不同的工作状态，只要控制住 转子在不同位置时的相绕组的瞬时电流，就能实现四象限运行。 3 、s r m 电结构设计独特、控制方法灵活多变使得这种电机的单位出力完 全可以和异步电机一争高下，由它组成的驱动系统的效率和出力在宽广的速度 和负载范围内都可维持较高的水平。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2s r m 的发展历史及现状1 磁阻式电动机诞生于1 6 0 年前。当时，人们利用顺序通电的两个u 形电磁 铁带动镶嵌有铁条的木制转鼓，并尝试性地用在机车驱动中。但是，由于当时 的科学技术水平的限制，无法解决s r m 在设计、控制等方面的一系列关键问题， 因此，它一直被认为是一种性能( 效率、功率因数、利用系数等) 不高的电动 机，故仅应用于少数小功率场所。直到2 0 世纪6 0 年代，电力电子、计算机、 微电子等领域中的研究进展，促使s r m 的研究再次受到人们的重视。通过最近 约2 0 年间的研究和改进设计工作，使磁阻式电动机的性能不断提高，目前已能 在较大的功率范围内使其性能不低于其它型式的电动机。 2 0 世纪7 0 年代初，美国福特电动机( f o r dm o t o r ) 公司研制出最早的s r m 调速系统。其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机 运行状态和较宽范围调速的能力，特别适用作蓄电池供电的电动车辆传动。2 0 世纪7 0 年代中期，在工业部门的促进下，英国里兹( l e e d s ) 大学和诺丁汉 f n o t t i n g h a m ) 大学组成一个研究小组，共同研制以传动电动车辆为目标的s r m 调速系统。小组在该系统的理论研究和实践方面做了大量工作，他们研制的样 机容量从1 0 w 至5 0 k w ，转速从7 5 0 r p m 至1 0 ，0 0 0 r p m ，其系统效率和电动机利 用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。随后以该研究小组为基础成立 了开关磁阻电动机调速系统公司( s w i t c h e d r e l u c t a n c e d r i v e s l t d ) ，以经营其研 究成果。 1 9 8 1 年，英国t a s c 公司( 1 a s cd r i v e sl t d ) 获准制造该系统，并于1 9 8 3 年推出商品名为o u l t o n 的通用调速系列产品，其容量范围为4 2 2 k w 。该产品 的出现在电气传动界引起不小的反响。因为其确实在很多性能指标上达到出人 意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应 用的一些变速传动系统。 s r m 调速系统的出现不仅为工业、交通、国防及家用电器等部门提供了一 种极其优越的调速系统，而且也因其具有的典型机电体化结果丰富了“机械 电子学”的成功实例。因此，自1 9 8 3 年以来，在国际范围内迅速掀起s r m 研 究开发热，并持续至今不断发展，其产品应用领域也在不断扩大。在国外主要 有：矿山机械( 采煤机、输送带等) 、航空发动机、电梯、电动汽车、洗衣机、 食品加工机、火车空调机、织布机等1 3 ”。在国内，近年已有许多高校、研究所 和工厂投入s r m 调速系统的研究、开发和制造工作。s r m 调速系统在一些机 械中发挥出独有的优势，已难以为其它类变速传动系统所代替。可以预言，该 系统的异军突起，必将在世界的变速传动领域中占有重要的一席之地。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 3 课题研究的目的及意义 虽然s r m 系统工业运用前景一片看好，但是s r m 也有其弱点，诸如噪声 和转矩脉动的固有特性，系统设计的非体系化，转子位置传感器的不稳定性等 等。其中，转子位置检测技术不完善和转矩脉动引起的噪声是影响s r m 的工业 应用极大障碍。 由于s r m 工作在自同步状态，系统根据定转子相对位置对电机运行状态进 行控制，位置闭环是s r m 驱动系统有别于步进电机传动系统的重要标志之一， 转子位置信号是各项开关器件正确进行逻辑切换的根据。开关磁阻电动机驱动 系统发展到今天，不含轴位置传感器的间接位置检测技术己成为当前的一个重 要课题。这是由于轴位置传感器或者其它类型的探测式位置检测 器不但会提高系统的成本和复杂程度，更重要的是会降低系统结构的坚固性， 影响整个系统的可靠运行，尤其是在某些应用环境比较恶劣的场合。因此如何 让它丢掉笨重而琐碎的位置检测器，直接利用电机的其它信息间接确定转子位 置从而使系统结构更加坚固，运行更加可靠、高效，成本更加低廉，无疑是 个很有潜力的研究方向。 转矩脉动是s r m 输出转矩波动较大的一种现象，电机转矩输出在电机驱动 系统中扮演着至关重要的角色。即使对于不是直接以转矩输出为目的调速和位 置控制系统而言，转矩输出也起着决定性的作用，因为无论是调速还是控制转 子位置，最终都可归结为电动机电磁转矩的调整。电磁转矩脉动的大小，直接 影响驱动系统的输出特性。因此，s r m 转矩脉动抑制的研究一直得到人们的高 度重视。 因此，本课题通过对间接检测和转矩脉动抑制两项关键技术的研究，建立 一套可靠的s r m 位置检测系统，墀弃物理的轴位置传感器，为s r m 驱动系统 实时提供精确的位置信息：通过对s r m 转矩脉动的抑制，减小甚至消除电机噪 声，使s r m 驱动系统运用范围更加广泛。 1 4 本人所作的工作 在s r m 驱动系统的研究方向中，目前最为迫切的是间接位置检测和转矩脉 动产生的噪声等两个问题。因此，作者在广泛吸收f j 人经验的基础上，研制了 无轴位置传感器的s r m 调速系统，为减小噪声提出了转矩分配来抑制转矩脉动 的新方法。具体工作包括以下几个方面： 1 、在分析s r m 磁链特性的基础上，建立了间接位置检测的电机模糊模型， 将采样的相绕组的磁链和电流输入到模糊模型，通过模糊推理和解模糊化就可 华中科技大学硕士学位论文 计算得到转子位置。采用模糊检测模型计算速度快，结合高速d s p 处理器，这 种检测方法不仅能实时地为换相逻辑提供换相信号，还能够检测出转子任一时 刻的位置。 2 、提出了解决转子初始位置检测方法。在分析连续两相电磁特性的基础上， 探讨了转子处于静止和有初始转动两种状态下，转子初始位置检测及初始导通 相的确定方法。该方法还可以判定转子的转动方向，故不必限制转子的初始转 动的方向，从而增强了初始位置检测的适应性。 3 、在对s r i v l 非线性模型进行了深入分析的基础上，发现转矩脉动是因电 机换相引起的，换相期间相电流和电感变化率的同时减小而引起转矩相应减小。 为了增大换相时的转矩输出，保证电机运行过程中转矩保持相应的稳定，采用 了转矩分配方案，即采用多相导通的方法，对各相分配给定的转矩并加以合成 以形成电机的转矩输出，最终达到了减小转矩脉动的目的。 4 、完成了s r i v l 调速系统的硬件电路设计。其中包括：基于高性能d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 的控制电路：基于i r 2 1 1 0 的驱动s r m 的功率变换器电路；为了 实现电流环控制的电流检测电路：为了达到间接位置检测的目的而设计的相绕 组磁链检测电路；系统输入输出的外围接口电路等。 5 、编制了基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 的系统控制软件并调试成功。软件包括主程序 模块和中断程序模块。 6 、以三相( 6 4 极) s r m 为对象，建立s r m 调速实验系统。完成了间接 位置检测实验，通过与光电编码器的反馈比较，取得了满意的实验结果，调速 系统工作状态良好。 华中科技大学硕士学位论文 第二章s r m 系统的间接位置检测 传统的s r m 转子位置检测法采用诸如光电码盘等位置传感器，称作直接位 置检测法。由于位置传感器的存在，增加了s r m 结构的复杂性，影响了s r m 调速系统可靠性，也使得s r m 调速系统的成本增加，阻碍了s r m 在生产和生 活中的广泛应用。为了克服这一弊病，人们很自然她想到了采用间接位置检测 的方法来检测转子的位置。所谓s r m 间接位置检测法就是在s r m 运转过程中， 利用s r m 本身具有的相绕组或者s r m 内部增加的电容、电感等附加电元件的 电特性随转子位置而变化的规律来间接检测转子位置的一种方法。s r m 间接位 置检测并不是取消所有的传感器，而是用简单可靠的电流、电压传感器代替复 杂而昂贵的位置传感器，通过相应的转子位置求取逻辑来估计转子的位置所在。 当前，s r m 间接位置检测已经成为世界范围内s r m 研究领域内的热点之一。 2 1 几种常见的无位置传感器位置检测方法 2 1 1 间接位置检测方法的分类 图2 1 间接位置检测方法示意图 在s r m 间接位置检测法中，所选择的随转子位置变化而变化的被测物理量 的种类很多，例如，非导通相自感、导通相自感、相间互感、附加绕组自感、 6 华中科技大学硕士学位论文 附加扳极电容等【2 0 ，1 0 ，3 0 9 ，4 ，2 鄂，如图2 1 所示。对于众多的s r m 间接位置检测方 法，可以从不同的侧面可将其分成不同的类别。首先根据有无附加相应的检测 电元件，可将s r m 间接位置检测法分为附加电元件检测法 6 , 3 2 1 和相绕组检测法 f j 。相绕组检测法通过检测相绕组输出的某些信息来估计转子的位置。所采用 的相绕组可以是导通相和非导通相，它们分别对应于导通相检测法【2 2 】和非导通 相检测法p “。而附加电元件检测法在s r m 内部的适当位置附加了某些电元件， 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，可将其称为附加线圈检测法、附加电容检测法等。另外，根 据位置检测中所依据的随转子位置变化而变化的特性的性质，可将s r m 间接位 置检测法分成线性特性检测法和非线性特性检测法，在线性特性检测法中，假 设相绕组或者附加的电元件具有线性特性，通过跟踪某一电物理量( 自感、互感 或电容) 随转子位置变化而变化的过程来检测转子的位置。而非线性特性检测法 考虑了相绕组或者附加电元件的非线性特性，这一点在某些相绕组检测法中尤 为重要，因为般地为了提高s r m 的力矩质量比，将s r m 设计成具有高度饱 和的电磁特性，如果不考虑这些非线性特性必然造成比较大的误差1 8 j 。 2 1 2 相绕组检测法和附加电元件检测法比较 目前，大多数文献 1 2 , 9 l 都采用了相绕组检测法。与附加电元件检测法比较， 相绕组检测法的优点是无需附加其它电元件，可以避免因附加电元件而带来的 s r m 的结构复杂等缺点。但是，当相绕组检测法采用非导通相检测时，必须外 加切换电路，在相绕组导通时切断与检测电路的连接，使得检测电路比较复杂。 附加电元件检测法要求在s r m 内部的某些部位设置相应的电元件，使得 s r m 制造工艺较为复杂。例如，在电容检测法中，必须在每一线槽均放置一电 容板极，若这些电容板极放置位子不一致，使得这些电容板极相对于转子位置 的变化特性不一致，在检测时就会产生比较大的误差。另外，附加电元件检测 法中，s r m 除了在其内部需附加某些电元件外，还必须将这些电元件的信号线 引出s r m ，增加了s r m 的引线端子。 2 1 3 线性特性检测法和非线性特- 性检测法比较 线性特性检测法采用某一随转子位置变化而变化的线性物理量来检测转子 位置，若所选取的物理量本身的非线性特性并不显著，或者某非线性物理量 在检测范围内可以近似线性化，那么该检测方法就可以避免因线性化而带来的 误差问题。但是，如果所选取的物理量在检测范围内具有较强的非线性特性， 华中科技大学硕士学位论文 那么，线性物理量只是实际情况的一个比较粗略的近似，检测结果将包含比较 大的因物理量线性化而带来的误差。 与线性特性检测法将某一物理量的数值映射成转子位置不同，非线性特性 检测法t l7 】是将某一组物理量之间的非线性关系映射成转子的位置。例如，从 某一时刻每一相磁链关于相电流的非线性关系，求出转子的位置所在。诚然， 这种方法由于考虑了被测对象的非线性特性，具有比较高的检测精度。但是， 非线性特性检测法在求取转子位置问题上存在比较大的困难，要从一组物理量 之间的非线性特性来求出转子的位置。 2 1 4 导通相检测法和非导通相检测法比较 导通相检测法和非导通相检测法都是属于相绕组检测法。大多数的非导通 相检测法( 除了相间互感检测法外) 均需要在被检测相处于非导通状态时从外 部注入激励信号。必然要求有相应的切换电路完成导通状态和检测( 非导通) 状态之间的切换，以避免s r m 功率电路和检测电路之间的冲突。另外，如果从 外界输入的信号太大，将会影响s r m 的正常运行。 导通相检测法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，不必像大多数非导通相检测法( 除了相间互感检测法) 那样，需要 从外部向被检测相注入检测激励信号，简化了检测电路。而且还可以避免非导 通相检测法中切换电路。但是，导通相检测法由于相绕组本身的非线性特性， 必须采用非线性检测法，如前所述，非线性检测法在转子位置求取问题上比较 复杂。此外，导通相检测法在检测s r m 初始位置时，必须从主电路中注入相应 的检测脉冲，若通入的检测脉冲时间较长将在相绕组中产生比较大的相电流， 影响s r m 的启动，这是所不希望的。 本章所采用间接位置检测方法是基于s r m 的模糊模型的位置检测方法，它 属于上述的导通相非线性检测法，既省去了附加脉冲注入电路又能很精确地反 映转子的位置信息。 2 2 运行状态转子位置检测 2 2 1s r m 运行状态时的位置检测模糊模型 为了能精确地检测出s r m 运行时转予位置，很多文献【1 2 “，m 川使用了基于 s r m 模型的解算方法。这些算法由于使用简化的线性电机模型，复杂的计算或 者需要很大数字查询表，不太适合一般的s r m 驱动系统。s r m 通常运行于磁 链饱和状态，其磁链特性非线性严重，很难用一个精确的数学公式来表达。此 华中科技大学硕士学位论文 外，对于实时的s r m 位置检测，复杂的数学计算需要快速的实时处理器，而这 对于很多一般的驱动系统是不大可能的。虽然采用状态表查询的方法能解决实 时性问题，但是如果要精确检测转子位置，减小误差，就要建立一个精确的状 态表，需要占用很大的存储空间。s r m 驱动系统通常工作于高电磁噪声环境， 实际的测量系统很容易产生误差和不精确性。如果位置估计算法的可靠性和鲁 棒性得不到保证的话，间接位置检测在实际运用中很难实现，去掉位置传感器 所带来各种优点也失去了意义。 因此，本文提出了个新型的s r m 驱动系统位置估计器，它能实时精确地 检测出转子的位置。它用模糊逻辑建模、估计和预测来获耿转子位置。由于不 需要s r m 的数学模型，位置估计算法不需要复杂的计算，非常适合于实际的 s r m 控制器。然而，它并没有忽视电机的非线性特性和电机的磁链饱和效应。 除此之外，该方法不仅反映了电机的饱和效应，而且反映了其它动态操作的非 理想效应( 诸如互感、涡流、温度效应等) 。而且，电机模型不需要一个状态表， 所以也不需要很大存储器空间。模糊逻辑检测提供了一个抗噪声、容错性能好 的高鲁棒性的检测器，使得取消s r m 的位置传感器成为可能。 2 21 1 模糊模型的构成 模糊模型是间接位置检测算法的一个最重要环节。转子位置检测模糊模型 是建立在s r m 磁链特性曲线基础上的。其基本原理就是：转子角度0 是绕组磁 链v 和电流i 的非线性函数，s r m 的位置检测模型就是要反映三者间的对应关 系。角度是电流与磁链的非线性函数，表达式如2 1 式： 0 = f ( p ，f ) ( 2 1 ) 因此如果己知当前时刻t 绕组磁链v 和电流i ，就可以求得当前转子位置。 由此可知模糊模型的基本原理就是利用s r m 的凸极效应，不同的转子位置对应 着不同的磁链一电流曲线。如果能够测得如图2 2 所示对应不同转子位置的磁链 一电流曲线簇，就能建立一个电流i ，磁链甲和电流0 的关系表。 s r m 的模糊模型是转子位置估计算法关键一环，直接影响检测的转子位置 精度。其结构如图2 3 所示，从图中可以看出它是个两输入、单输出模糊模型。 输入是磁链和电流，输出是转子位置，两输入通过规则库的模糊推理得到转子 位置的模糊输出。采用s r m 模糊位置检测模型主要有如下优点： 9 华中科技大学硕士学位论文 图2 2s r m 磁链一电流一转子位置曲线图 图2 3 付詈榆河l 模糊樽犁图 1 、不需要数学模型 模糊逻辑系统辨识提供了一个不需要数学模型的建模方法。因此，模糊逻 辑非常适合于未知的、难以定义的系统，非常适合于由于系统存在的非线性和 其他因素造成建模困难的场合。用通常的数学公式很难精确表达s r m 的特性， 这是由于电机具有非线性的磁链特性和由于相间交互造成的复杂的磁链耦合造 成的。因此，模糊技术是最有资格提供一个s i b y l 模型的方法。 神经网络也能够为驱动系统提供一个s r m 的位置检测模型，它也不需要精 确的数学公式【3 “。但由于它通常需要很长的学习时间，而且还不能允许检查模 型的内部结构。而模糊模型采用通俗的语言规则，很容易改变和调整，因此， 模糊建模是最适合s r _ m 的建模方法。 2 、模糊模型具有通用近似性 尽管模糊建模不需要任何数学模型，但其己被证明是通用近似器【o j 。模糊 1 0 -i 华中科技大学硕士学位论文 模型能够逼近任何连续函数到最小的程度。对于任何连续的函数 f ( x 。，x 2 ，x n ) ，误差s 0 ，一定存在一个模糊模型f ( x ，x 。x n ) 近似于 f ( x 。，x ：，x 。) ，并且通常s 近似于精度f 。s r m 电机模型是一个非线性函数， 因此它可以不需要数学公式，而用模糊集合来建立电机模型。 3 、不需要大型状态查询表 在以前的电机位置估计方案中眦”】，用一个静态数学状态表来描述电机的 模型。测量的电机数据提供了转子角度相对于磁链和电流特性的数学模型。这 些方法通常叫做状态表查询方法。尽管它们具有计算速度快的优点，但是需要 一定的存储空间来存储状态表。如果要求转子位置估计精度高，就需要大的存 储空间，不太适宜于一些低价格、嵌入式运用。在达到相同的转子位置估计精 度条件下，采用模糊模型所需要的存储空间远小于状态表所需要的空间。 4 、模糊模型允许快速运算 在实际s r m 调速系统中，转子位置估测算法的一个重要的评判标准是算法 的实时性必须得到保证。因此，转子位置估计算法的计算复杂度在实际系统中 是一个主要的考虑因素。计算量大，对系统执行有不良影响。这是因为程序执 行的延迟使得检测出的转子位置远滞后于实际位置。此外，计算量大的算法， 需要高速的实时处理器，这无疑加大了驱动系统的成本，对于将成本作为一个 重要指标的驱动系统是没有竞争力的。 在理论上，近似的数学模型，诸如：多项式模型、渐开线模型等，虽然反 映了电机的非线性特性，但是由于算法的精度与复杂度成正比，为了获得高精 度的检测算法，一定要增加算法的复杂度。s r m 驱动系统和其它功率电子设备 和电机驱动系统一样，非线性模型的复杂度不可避免地导致计算量大、响应慢 等缺点。因此，为了保证s r m 运行的实时性，以前提出的许多间接位置检测模 型都是线性的、时变的、简化的模型。 然而，模糊逻辑并不需要复杂的数学模型，它是基于对规则处理等简单数 学计算，因此其实时性好。而且如果使用最大最小推理运算法则能使模糊逻辑 的解算速度达到最快。 因此，对于实时性要求很高的间接位置检测算法，可以说模糊逻辑模型在 某种程度上是一个理想的选择。 2 21 2 模糊模型初始数据获职 从以上分析可知，s r m 模糊位置检测模型是基于电流一磁链一转子角度三 者关系上建立的两输入、单输出的模糊模型，模糊模型是在对初始数据的训练 华中科技大学硕士学位论文 而获得的。获取训练数据有两种方法： ( 1 ) 静态测量。就是静态地人为改变转子位置，对相绕组通电，采样对应不同转 子位置的电流和磁链数据。 ( 2 ) 动态测量。就是在电机运行过程中，通过编码器检测转子位置，采样不同位 置的电流和磁链数据。 在这两种情况下，测量的数据形成两输入和一输出的数据对，两输入是磁 链_ i l r 和电流i ，一输出是转子位置角度0 。相对于静态测量的数据而言，动态测 量的数据包含了相间互感效应的影响，因此其数据更具有代表性。 数据对的三个参数0 、i 、v 都是通过硬件检测得来的： ( a ) 电流和磁链数据获取 电流采样和磁链采样电路可以检测出绕组磁链和电流值，具体电路在第四 章介绍。 ( b ) 光电编码器获取转子位置 采用增量式光电编码器( l e c 2 0 0 0 b m c 0 5 e ，长春第一光学仪器厂生产) ，它的 每转输出脉冲数是2 0 0 0 p r ，采用电压输出方式。其使用+ 5 v 电源，输出有三 路信号a 、b 、z ，其中a 、b 是相位差为9 0 度的方波信号，其脉冲数是一转为 2 0 0 0 脉冲，而z 信号是一转产生一个脉冲。f 2 4 0 内部有一个q e p 电路，a 、b 信号被直接输入到t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片的q e p 接口引脚q e p l 、q e p 2 ，由于芯片 内部有一个四倍频电路，a 、b 信号输入后不仅能产生8 0 0 0 p r 的方波信号c l k ， 还能产生方向信号d i r ，采用t 2 定时器计数，计数器是增减双相计数模式：如 果d i r = i ，计数器增计数；如果d i r = 0 ，计数器减计数，通过计数器计数值可以获 取转予角度。图2 4 是q e p 电路信号逻辑图，从图中可以看出，c l k 的频率是 q e p l 和q e p 2 频率的四倍。当q e p l 超前于q e p 2 时，方向信号d i r 亍l ：反之， 方向信号d i r = 0 。由于增量式光电 编码器不能检测绝对位置，为了方 便获取检测的位置角度，在s r m 初始数据获取的程序中，可以将某 相通电一定长的时间，使转子和定 子吸合，此时将t 2 计数器清零， 这样就可以获取转子的绝对位置。 2 2 1 3 模糊区域分割 一ln 厂 几n 几厂 f 1 1 厂 o e p 2 几几n 厂 几几几r ：瓣n 0 0 朋咖0 0 0 肌朋i 腿1 8 8 舳仰0 a 一厂一 图2 4q e p 信号逻辑关系图 模糊控制规则中的前提的语言变量构成模糊输入空间，结论的语言变量构 华中科技大学硕士学位论文 成模糊输出空间。每个语言变量的取值为一组模糊语言名称，它们构成了语言 名称的集合。每个模糊的语言名称对应一个模糊集合。对于每个语言变量，其 取值的模糊集合具有相同的论域。 模糊分割是要确定每个语言变量取值的模糊语言名称的个数。根据检测的 数据磁链1 l r 、电流i 、角度0 ，确定三个模糊变量的论域e 。e i 、e 。从检测 到的实验数据，可以确定各变量的论域，其中磁链1 1 的论域e 为 0 ，8 0 ( w e b ) 】， 电流论域为 o ，8 ( a m p ) ，角度论域为 0 ，3 0 ( d e g ) ，s r m 运行状态各变量的参数值 是不会超过这些论域范围的。 r a 、电流模糊分割隶属函数图 m 、磁链模糊分割隶属函数图 r c ) 角度模糊分割隶属函数图 图2 5 输入输出变量模糊分割图 对三个论域模糊划分来构成各个模糊区间，磁链1 l f 、电流i 、角度0 的模糊 分割数分别设计为2 9 、2 7 、3 1 ，模糊化等级分割数不宜划分得过细、过密，否 则它不仅会失去某些信息，体现不出模糊量的长处，而且还会大大增加运算与 推理过程的工作量。特别是对实时性要求很高的转子位置检测系统来说，如果 输入模糊变量1 i r 、i 分割数过大的话，模糊规则会成倍增长，这样会占据太多的 存储空间。但是，模糊分割数过少，模糊区间跨度很大，会造成模糊系统的不 华中科技大学硕士学位论文 精确，对于实际数值相差较大的精确量，模糊化后模糊变量却一样，模糊系统 的输出也存同样的问题。因此，模糊分割数只能在折中两种情况之间选择。 还要确定的是隶属函数的种类。隶属函数的确定应该反映客观模糊现象的 具体特点，要符合客观规律，而不是主观臆想的。但是，由于模糊现象本身存 在差异，模糊隶属函数的确定带有很大的主观性。确定隶属函数的方法大致有 模糊统计法、二元对比排序法、专家经验法和借助常见模糊分布来确定隶属函 数方法。这里采用的是最后一种方法，常见的模糊函数都是经前人经验积淀下 来的函数，具有很强的经验性和统 计性。 常用的隶属度函数一般有钟型 函数、梯形函数和三角函数等几种 分布情况。采用三角函数能很好反 映三个模糊变量的特性，而且计算 简单，对于使用定点运算的d s p 来 说是一个合理的选择。三变量的模 糊区域分割如图2 , 5 所示。 2 2 1 4 模糊决策规则建立 对每一数据对( v ( ，i ( ，e ( ”) ( n 代表第n 个数据对) 进行训练，训练 完成后，产生一个模糊规则库，它 是一个从两输入( 磁链1 l r 、电流i ) 到 一输出( 角度0 ) 的映射的集合f ， f ：( 妒，f ) 口 。从被测数据训练 模糊模型有很多方法，诸如：神经 网络法，基因算法，经典自适应控 制算法等。而表查询法由于其快速、 简单、精确的特性，非常适合实际 运用。 要产生模糊模型，首先要找出 数据对( 1 l ，i 忡) ，0 ( 哪) 各个采样数掘 在各自对应模糊区的隶属度，从图 2 5 可以看到，对于任一具体变量精 确值，一般情况下在两个模糊区间f 幽2 6 规则训练流料幽 4 华中科技大学硕士学位论文 里的隶属度是非零的，此时二者隶属度之和为1 ，特殊情况是只在一个区间的隶 属度为i ，其余区间为零。对于采样数据找出它们各自的隶属度最大的模糊区间 f m ( m 、f m i ( n ) 、f m 。，该数据对产生的模糊规则如下： i f1 l r i sf m ( n ) a n dii sf m l ( n ) ，t h e n0i sf m * ( n ) f 2 2 ) 该条模糊规则不能直接加载到规则库中，这是因为对于每一数据对，都会 产生一条模糊规则，有些规则是重复的。而且，对于一些前件( f m 、f m i ( n ) ) 相同而后件( f ( n ) 不同的规则，违反了规则唯一性。所以，在产生规则同时， 要给出该条规则的可信度d e gr u l e ，根据可信度的大小决定规则的取舍。规则 可信度可以定义为数据在各自模糊区间f m , 、f m i ( n ) 、f m ( n 的隶属度u ( f m 州) ) 、u ( f m t ( n ) 和u ( f ( n ) 的乘积。 d e g ( f m ( n ) + u ( f m ( n ) + u ( f m 。)(23)ruie=u e q ) 因此每产生一个规则时，都将会计算规则的可信度。程序将四个变量f ( n ) 、 fm i ( 、f ( 、d e g 存储到一个临时规则库中，如果新规则添加到表中，rule 首先检验规则库中是否有相同前件( f 、f m i ( n ) ) ，不管后件( f ( n ) ) 相同与否， 检验规则可信度d e g，如果新规则可信度大的话，则直接覆盖原规则；否rule 则，新规则被丢弃。整个规则库产生程序如图2 6 所示。通过对静态数据和动态 数据训练就可以产生一个用于位置检测的模糊规则状态表。其存储可用一个二 维数组表示，维数表示前件，存储的数据是后件输出。模糊规则库的建立完成 后，电机的模糊模型得以完整建立。 2 2 2 运行时单相位置检测算法 2 2 2 1 运行时单相位置检测算法构成 在s r m 运行过程中，位置检测系统必须实时地提供转子的精确位置，采用 模糊位置检测模型有助于方案的实 施。根据s r m 的模型，通过检测绕 组的磁链、电流信息，通过模糊模型 推理就可以得到转子位置，为了提高 系统的抗干扰能力，还设计了位置模 糊决策单元，根据转速模糊估计出转 子的位置。系统算法构成框图如图2 7 所示。 2 2 2 2 模糊模型推理 图2 7 运行状态单相位置检测算法构成 运行时位置检测系统是建立于s r m 模糊模型基础上的，它主要是从测量的 华中科技大学硕士学位论文 磁链和电流通过模糊模型推理求解转子的精确位置。在这里，模糊模型基本上 用作一个非线性的磁链、电流到角度的个映射。 采样磁链值和电流值输入到位置检测模糊模型，经过模糊化一模糊推理一 解模糊化三个步骤求得转子精确值。首先将输入精确量解模糊化，也即求解数 值在各个模糊区间的隶属函数。从上节我们知道一个数值的隶属函数不为零的 模糊区间一般有两个，所以对于一组磁链和电流输入，最多可能触发四条规则， 为了简化模糊推