（检测技术与自动化装置专业论文）开关磁阻电机间接检测技术的研究.pdf

论文题目：开关磁阻电机间接检测技术的研究 嘉士兰= 鳓雠置。益兰硕士生：宋景哲( 签名) 二i ：i ：! 指导教9 i l i 王勉华( 签名) 摘要 开关磁陬电机( s r m ) 驱动系统是2 0 世纪8 0 年代迅猛发展起来的一种新型电机 驱动系统。s r m 以其结构坚固，成本低廉、控制灵活等优点引起人们越来越多的关注， 在工业上的应用很有前景。但是s r m 物理转子位置传感器的存在影响了电枫控制系统 的高速性能、可靠性和成本，所以研究转子位置间接检测技术是开关磁阻电机系统研究 的重要课题之一。 本文分析了开关磁阻电祝的结构和运行原理，并对国内癸的s r m 转子位置阉接检 测技术的研究动态做了详细的整理和分析，同时对两种不同的s r m 转子位置闯接检测 方案进行了重点研究：基于人工神经网络和基于电感模型的间接位置检测方案。 本文首先研究了基于人工神经网络的s r m 转子位置推断方法，文中采用改进的b p 算法建立了s r 电机神经阙络转子位置8 ( i ，互) 模型，铁面推断出转子的焦位置。由于开 关磁阻电机相电感随转子位置变化的非线性，当采用一个神经网络模型时，在电机气隙 较大位置处在较大的误差，因此本文提出采用两个神经网络分段处理，仿真结果表明该 方法有效可行。 本文针对基于电感模型的s r m 转子位置检测方法也进行了详细的研究，酋先对基 于电感模型的间接位置检测技术进行了理论分析，通过实时从被激励相检测电压和电流 值，并将其代入动态数学模型，通过解算数学模型就可以获得转子位置信息。本文基于 m 胡a bs i m u l i n k 建立了基予电感模型的s r m 间接位嚣检测方案的双闭环s r d 调速系 统的仿真模型，仿真结果表明该方法是切实可行的。 文中最后介绍了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的控制电路、功率电路、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。 关键词：开关磁阻电机；转子位置间接检测；神经网络；电感模型；d s p ；仿真 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho np o s i t i o ns e n s o r l e s st e c h n i q u eo fs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r s p e c i a l t y ：d e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e ：s o n gj i n gz h e i n s t r u c t o r ：w a n gm i a nh u a a b s t r a c t s叮ji(signature) 门h i 一tt 一- ￥1ho ：立：过二一、 ( s i g n a t ur e ) t 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 em o r ea t t e n t i o n s b 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 ta n df l e x i b l ec o n t r o l ，i t s a p p l i c a t i o nh a sb e e nl i m i t e db yt 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 t h ep r e v i o u ss c h e m e so f s r da r ea l w a y se q u i p p e d 谢也r o t o rp o s i t i o ns e n s o r ，w h i c hd e t e r m i n e st h es y s t e m sh i 班 s p e e dp e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n dc o s t a sar e s u l t ，h o wt od e t e c tt h ep o s i t i o no f n o n - p o s i t i o n s e n s o rr o t o rh a sb e c o m eo n e m a j o rd i r e c t i o ni nt h es t u d yo fs r d t h ec o n f i g u r a t i o na n df u n d a m e n t a lo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fs r ma r ea n a l y z e di nt h e s u b j e c t 。a n dt h el a t e s td e v e l o p m e n t so ft h es a m er e s e a r c hf i e l db o t ha th o m ea n da ta b r o a d a r ew e l la n a l y z e da tt h eb e g i n n i n go ft h ed i s s e r t a t i o n t h es a m e ，t h i ss u b j e c tp u t se m p h a s i so n t h et w od i f f e r e n td e t e c t i n gm e t h o d so fn o n - p o s i t i o ns e n s o rr o t o r , w h i c ha r eb a s e do na r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k ( a n n ) a n dn o n l i n e a ri n d u c t a n c em o d e lo fs r m t h ed e t e c t i n gm e t h o do fs r m sr o t o rp o s i t i o nb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) i sf i r s ts t u d i e di nt h i sp a p e r a na n nr o t o rp o s i t i o nm o d e l 毋瓴) o fs r mi sb u i l t 、i t h m o d i f i e db pn e u r a ln e t w o r k d u et ot h en o n - l i n e a ri n f l u e n c eb e t w e e np h a s ei n d u c t a n c ea n d r o t o rp o s i t i o n ，w h e nan e u r a ln e t w o r km o d e li su s e d t h e r ea r em o r ee r r o r sw h e r et h em o t o r s a i ri n t e r v a li sb i g g e r s ot h i sp a p e rs u g g e s t st oa p p l yt w on e u r a ln e t w o r k sc o n s i d e r i n gt h e d i f f e r e n ts i t u a t i o n e m u l a t i o nr e s u l ti m p l i e st h i sm e t h o di se f f e c t i v e i nt h ep a p e r , b ed i r e c t e da g a i n s to ft h em e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nn o n l i n e a ri n d u c t a n c e m o d e lo fs r m ，w h i c h sp r i n c i p l ef i r s tw e l li sa n a l y z e d 。t h em e t h o dn e e da c t i v ep h a s e c u r r e n t sa r em e a s u r e di nr e a l - t i m ea n du s i n gt h e s em e a s u r e m e n t s ，t h ed y n a m i ce q u a t i o n s r e p r e s e n t i n gt h ea c t i v ep h a s e sa r es o l v e du s i n gn u m e r i c a lt e c h n i q u e si no r d e rt oo b t a i nr o t o r p o s i t i o ni n f o r m a t i o n t h es a m e , i ti s b u i l d e dt h a tt h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li nt h e m a 畦a bs i m u l i n k , s i m u l a t i o nr e s u l ti se f f e c t i v e t h ee n d ，t h ed e s i g no ft h eh 毅d w a l ea n ds o f t w a r eo fs r md r i v es y s t e ma l ei n t r o d u c e d ， i n c l u d i n gt h et m s 3 2 0 f 2 8 12b 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 t , t h ed e t e c t i n g c i r c u i ta n dt h ec o n t r o ls o f t w a r e 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 a c h i n e i n d i r e c td e t e c t i n gr o t o rp o s i t i o n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) i n d u c t a n c em o d e ld s ps i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻柳技太拳 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 王p 卅 学位论文作者签名：q 每。孓日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 指导教师躲刁辫 妒3 年1 1 只fb 1 绪论 篇薯i i i ；i i _ i m_i i i l i l l l l l fl i l l 6 1 r i l t l l l l i = ir l m i ；i 罩 1 绪论 开关磁隰电动枧( s w i t c hr e l u c t a n c em o t o r , 简称s r m ) ，是在交流调速技术褥到迅猛 发震的趵年代，国外推溅的一种交流调速电动机新品种。困s r 电动机结构篱单、坚 固，工作可靠，效率高，由其构成的调速系统开关磁阻电动机调速系统( s r d ) 运行 性能和经济指标比普通的交流调速系统，甚至比晶闸管直流电动机系统都优良，具 有很大的应用潜力。嚣丽近些年来，它在交流调速领域异军突起，发展颇为迅速，成为 当代电气传动领域的热门课题之一。 1 1 开关磁阻电动机发展概述 开关磁阻电机基本原理最早提出在1 9 世纪4 0 年代，当时的研究人员认为，利用顺 序磁拉力使电动机旋转是简单可行的。1 8 4 2 年，英囡的a b e r d e e n 和d a v i d s o n 制造出了 最初的s r m 模型，但是因为当时的科技条件落后，电动机的运行特性很差。以后的1 0 0 多年闻，开关磁阻电机的发展缓慢。2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闻管的研制投产为s r m 的研究发展提供了重要的物质条件。1 9 6 7 年，英国的l e e d s 大学开始对s r m 进行深入 1 研究。到1 9 8 0 年左右，研究结果表明：s r m 可在单向电流下四象限运行，功率变换 器无论用晶体管还是用普通晶闸管，所需的开关数都是最少的，电动机成本也明显低于 同容量酶异步电动机。七十年代初，美匿福特公司也研制出最旱髂开关磁阻电动机调速 系统，其结构为轴向气隙电动机，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力， 适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。1 9 7 3 年英国的n o t t i n g h a m 大学也开始对s r m 攻 关。1 9 7 5 年，上述两所大学的研究小组联合参加了c h l o r i d a - t e c h n i c a l 有限公司发起的 制造蓄电池车辆驱动装置的研究工作，成功研钢出用于电动汽车5 0 k w 的s r m 装置， 其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置，这充分说明了s r m 大有前 途。1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授及其同事总结了自己的研究成果，发表了题 为变速开关型磁阻电动机的论文，标志着s r m 得到国际社会的承认。该论文系统 阐述了s r m 的基本原理及基本设计理论，研究了s r m 的特性及其控制方式。1 9 8 1 年 英国t a s c 公司获准制造s r m 系统，并于1 9 8 3 年推出了商品名为o u l t o n 的通用调速 系列产品，闯世不久便引起各国电气传动界的广泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫等匡 竞相发展，并在系统一体化设计、电动机电磁分析、微机应用、功率元侔应用、新型结 构开发等方面取得进展。 我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于1 9 8 4 年，新型电机车开关磁阻电 机调速系统，1 9 9 8 年己完成工厂实验，并于1 9 9 9 年完成现场实验。此套电机车开关磁 阻电机调速系统的研制成功，是我国酋例开关磁阻电机在电机车调速系统中应用，并具 西安科技大学硕士学位论文 有较大的经济效益。此套系统达到国内领先水平，一些关键技术达国际先进水平。s r m 系统的研究已被列入我国中小型电机“九五”和“十五”科研规划项目。在借鉴国外经验的 基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较离，研制 强标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上，华中科技大学开关磁阻电机课题 组在“九五 项露中研制出使用s r m 的纯电动轿车，在“十五”项目中将s r m 应用到混合 动力城市公交车，均取得了较好的运彳予效果。北京纺织机械研究所将s r m 应用于印花 机、卷布机、煤矿牵引及电动车辆等方面，取得了显著的经济效益。近年来，国内己有 一大批高校、研究所和工厂投入开关磁隰电动枧调速系统的研究、开发和制造工作，至 今己有十余家单位推出不同性能、不同用途的几十个系列规格产品，应用于纺织、冶金、 机械、运输等行业。【l j l 。2 开关磁阻电动机调速系统的发晨概述 1 应用方面的发展 在应用方面，各国学者将s r d 与各类调速系统，特别是与已得到推广应用的异步 电动视交频调速系统的成本、性能、应用领域诸方面徽了大量的比较分析， | 导出的结论 是一致的，即s r d 主要性能指标可与异步变频系统竞争。表1 1 为l a w r e n s o n l 9 8 3 年公 布的研究成果【1 1 。 表l 。l 清楚地表明，s r d 这种机电一体化调速系统富有强大的生命力，打破了长期 以来双凸极磁阻电动机效率低、只能在小功率范围内应用的传统观点。美国将s r m 焉 作飞机涡轮发动机的起动电动机，考证了s r 电动机在恶劣环境下的工作能力和可靠性。 经过多年的努力，目前，s r d 的应用领域已从最初侧重于牵引运输发展到工业、航空工 业和家用电器等各个领域。 2 s r m 设计方面的发展 在s r m 设计方面，各国学者主要针对$ r m 内部磁场的非线性及由非线性开关电 源供电、相电流波形难以解析等有别子传统电动机的特点，探索s r m 电磁转矩的分析 与计算方法。 从s r m 线性模型出发，即忽略磁路饱和的影响，认为相电感与电流无关，有助于 分析的简化和使概念清楚。l a w p e r s o n 以线性化方法为基础讨论了s r 电动机的级数、 相数、极弧的设计准则等问题，为s 袋毫动机的设计奠定了初步的理论基础；c o r d a 借 助s r 电动机线性模型导出了“理想化”s r 电动机的转矩解析式，为优仡电动机设计提出 了依据；k r i s h n a n 等则用常规电动机的设计方法推出s r 电动机的输出方程。8 0 年代初， 趋于成熟的二维非线性有限元法，有力地支持了s r 电动机内部饱和磁场的分析及电磁 转矩酶准确计算和动态仿真。 2 1 绪论 表i i7 $ k w 、l $ 0 0 r l m i n 的几种瀵速系统性能比较 滑差电动机直流电动机异步电动机变频 s r d 调速调速调速 性能指标 效 1 0 0 t 彝1 0 0 n7 57 6 7 7 8 3 塞 1 0 0 t 和5 0 n3 86 56 58 0 价格 o 81 o1 51 o 单位体积功率 9 。81 o 。9 l 。0 可控性 o 3 1 oo 5o 9 控制复杂性 0 21 o1 81 2 可靠性及可维修性 1 61 oo 9l 。l 噪声( d b ) 6 9 6 5 7 47 4 备注： 这魑性能指标均以赢流电动机调速时为1 作为比较基准 3 功率变换器设计方面的发展 功率变换器设计的主要问题是功率器待的选择和电流定额的估算。8 0 年代初，主 开关器件选用的皆为普通晶闸管；8 0 年代中期，结合了普通晶闸管、g t r 两者优点的 可关断晶闸管( g t o ) 受到重视；近年来，考虑打算g t o 不断关断时要求相当大的反 向控制流，关断控制实现有难度，国外小功率s r d 中常采用m o s 场效应管( m o s f e t ) ， 较大功率的则采焉绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 。 确定主开关器件电流定额的关键是根据电流波形求其有效值或峰值，但困难在于电 流波形与s r d 的功率，控制方法、电动特性有关，很难准确预知。n o t t i n g h a m 大学的 r a y 等利用线性纯方法，导国有解析解的耀对电流波形简化方程，据此，可分桥电感蓝 线变化对主歼关器件定额的影响。1 9 8 5 年，m i l l e r 应用两段直线的理想饱和磁化曲线代 替实际磁化曲线的非线性代数分析方法，建立了一些影响功率变换器伏安要求和转矩 转速特性的各种因素的概念，如能量比率这一与传统交流电动机功率因数类似的重要概 念，并阐述电动机磁路饱和的主要效应有秀个方面，群导致一定转矩所需的电动机尺寸 增加和功率变换器伏安容量要求减小。 1 9 9 0 年，p o l l o c k 对s r 电动机功率变换器主电路的拓扑进行了研究，在原有不对 称半桥电路的基础上，开发出一种新的功率变换器电路结构，其全部电源电压施加于相 绕组，主开关器件的电压额定值与电源电压接近，而采用的主开关器件数每相平均分摊 却少于两个，从而构成一种“主开关器件数最少的s r 电动机功率变换器”。 4 控制器设计方面的发展 1 9 8 2 年，c o r d a 借助s r 电动机线性模型，导出用标称参数表示的转矩、电流有效 3 西安科技火学硕士学位论文 值公式，研究了调压下的恒转矩控制和调开关焦下的恒功率控制褥种s r 电动机的基本 控制策略。豳于s r 电动机在起动及低速运行时，旋转电动势较小，为限制主开关器件 的电流不超过规定的幅值，亦常用电流斩波控制方法控制相电流的幅值。 就整个s r d 的研究发展看，对其控制系统的分析与研究，比起对s r 电动机及其功 率变换器的研究、设计，相对地要不充分得多。由予s r d 具有严重非线性及交结构、 变参数、数学模型难以精确建立的特点，采用常规的线性系统控制方法难以取得理想的 动、静态性能。 综上所述，s r d 作为一项方兴未艾的新技术涉及电动机、微趣子、电力电子、微机 控制、机械及工程应用等众多学科领域。从目前发展水平看，无论是理论上还是应用上 都存在不少问题，有待进一步的研究与完善。 l 。3 间接检测技术 传统的s r 电动机转子位置检测方法是直接位置检测法，s r d 是位置闭环系统，但 位置传感器的存在不仅削弱了s r 电动机结构简单的优势，而且降低了系统高速运行的 可靠性。因此，无位置传感器检测转予位置的方案成为s r d 性能提高的一个重要途径。 当前，s r m 间接转子位置检测已经成为世界范围内s r m 研究领域的热点之一。 1 3 1 直接位置检测技术与间接位置检测技术的比较 位置检测的誉酶是确定定、转子的相对位置，却用检测到的位置信号爱馈至逻辑 控制电路，以确定对应相绕组的通断。通常，位置检测的输出信号为数字信号，转子每 转过一个步进角，位置检测的输出信号应对应变化，控制电路据此发出对应相绕组的接 通和断开的切换命令。常见的直接位置检测方案有光敏式、磁敏式及接近开关等含机械 的检测方案。然而，壹接位置检测器附加了过多的机械结构，使得电机的机械结构变得 复杂，有悖于于开关磁阻电机结构简单、工作可靠、能在恶劣环境下工作的特点。作为 降低s r d 成本，提高系统工作可靠性及高速性能指标的一种追求，无位置传感器间接 检测方案获得了广大的亲睐。无位置传感器间接检测技术与直接检测技术比较具备以下 优斛2 嗣： ( 1 ) 机械结构简单 ( 2 ) 不存在机械误差 3 ) 可靠性高、抗干扰能力强 1 3 2s r m 间接检测技术的分类 间接像翌检测技术获取转子位置信息是逯过开关磁阻电机的电气参数关予转子位 置的函数关系来实现的。s r m 各相绕组及附加电元件的电磁状态随着转角变化而变化。 4 1 绪论 因此，可以通过激励相、非激励褶或附加电元俘的电磁方程，求解出磁链、电感、反电 动势等，从中提取出转子的位置信息。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，大致可以分为以下四类【4 j ： ( 1 ) 导通相检测法 不需锰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力基础，利 用导通相导通时所表现出来的相绕组特性来检测转予位置，不需要切换电路和注入脉 冲。但是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。导逶相检测法包括：磁链，电流法、相电流梯度法、磁链 法、电流波形检测法、相问互感检测法( 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。以下对其中的几种方法进行 评述： 1 磁链法瑟o l 磁链法于1 9 9 1 年由j l y o n s 等人首次提出。该方法是依据s r m 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， 并且可以证明英单值函数，如果己知当前时刻的绕缀磁链和绕组电流，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，就可建立一个电流、磁链、位 置角的二维表存储在内存中，通过计算每一时刻的磁链，与采样得到的电流一起通过查 表法可缛到当蕾的转子位置焦。此方法原理简单，健建立并查找一个电流，磁链，位置的 二维表，算法复杂、计算时间长，片用内存大，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。2 0 0 1 年华中理工 大学的邱亦慧和詹琼华教授等人提出了篱化磁链法。另外，其他学者也提出了其他的改 进方法如：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 简化磁链法【6 】【8 】1 9 】【i l 】 该方法是在电机单相轮流导通且电流p w m 控制的条件下提出的。在电机单相轮流 导逶时，并不需要转子每一位置麴信号，只要能够判断是否己达到换相位置瑟可。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，继续导通期前相，反之则认为换相位鼹己到。关断獭前相，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，放当前电流查到对应最大电感位置的磁链，然后褥乘以一 个小于1 的系数来得到。 该算法只霈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，算法篱单快速，无需附加硬件。缺点是未考虑绕组电阻随温度的变纯，这将影响磁 链估算值的准确性。 5 西安科技太学硕士学位论文 3 基于参考位置角的磁链 考计法f 习【1 2 l 此方法也是基于磁链的一种估计法，其原理为：首先测量电机一相绕组从通电运 行到参考位鼹劬的参考相电流，计算可得到参考磁链以。如图1 1 所示，假定在相电 流为磊时实际的转子位置偏离参考位置一个很小的楚度绋可得磁链的偏差为 8 2 = 胁 韶 ( 1 1 ) 9 嫒囝e 铅 9 一a e 图1 1 位置角偏爵参考位置时静磁链一电流瞳线 一般情况下，转子位鼹偏差硼与磁链偏差融的关系可表示为： 掰一七( 幺五) 暇 当相电流为乇时，式( 1 - 2 ) 可表示为： 龆鬈k ( 口，五) 觑 式中， 郴力= 拳。 觑= 厶一t 8 0 = 吃一铅 由此可得到相电流为时的转子位鼹角为： 免= ( 毋，孟纛一曩) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 毒) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 。7 ) 式中，k ( 口，a ) 为电流为i m 时转子位置偏差阳与磁链偏差戳的比值。七( 矽，a ) 与励磁 电流的关系可通过实验或静态测试得到。曲线如图1 2 所示，因此通过计算可得到转子 位置角。 6 k ( p ，五) = k ( 秒 图1 2 ( 轨的与电流的关系曲线 这种方法需要选择合适静参考位置，参考电流过大或过小都会给估计带来较大误 差。还有一种考虑电机起动因素的起动状态的磁链估计法1 1 4 】1 1 5 1 ，在此不作赘述。 4 基予状态观测器的检测方法 1 9 8 6 年由l s d a i n e 等入提出针对s r m 相电感与转子位置的爨数关系引入一个状态 观测器进行转子位置估计的方法【1 7 】 1 羽。假设电机参数己知，先根据电机的电磁特性和 机械特性建立电机的线性状态方程。然后通过选择适当的状态变量( 可以选择转速、位 置角、磁链等) 和输入变量( 电压) 及输出变量( 电流) ，建立电机本身固有的一些物 理参数所决定的状态观测器方程，逶过检测电机端翻楣电压信号和相电流信号即可估计 出转子的位置角。 这种方法使用s r m 的线性模型使得瞬态时观测器性能较差，而且采用的降阶扩展 勒伯格型观测器未包含系统所有的状态量，观测器对参数变化及噪声缀敏感，从而动态 性能比较差。另外，此方法过于依赖所建s r m 模型的精确程度，算法复杂，c p u 的处 理速度要求较高。优点在于不需要另外的附加检测电路，而且不用考虑探测电流所带来 的负作用。 针对上述不足，其他学者又提出了全阶扩展勒德格型菲线性蕊测器，对系统所有 状态进行观测并将负载作为未知状态变量对待，使系统性能极大提升，消除了稳态误差。 为了获得更好的动态性能，考虑到s r m 非线性、多变量强藕合的系统特点。鲁棒 性好、实时性强的滑模观测器、二阶滑模变结构观测器【1 6 1 ，自适应观测器等被相继提出。 2 0 0 4 年华南理工大学的杨向字、孙明等入提出采用滑模观测器检测转子位置! j g l ，首先 建立观测器模型、观测器误差模型以及一阶滑模观测器的微分方程，通过选择合适的系 数使观测器的观测位置角趋于实际的转子位置角达到位置检测的目的。 ( 2 ) j 导通相检测法 非导通相检测法一般是从外部向被非导通相注入激励信号，通过检测相应信号的 7 西安科技火学硕士学位论文 幅值或者褶健来解算转子位置信号。 1 频率调制法f 1 3 1 2 0 频率调制法与1 9 9 0 年由e h s a n im 等学者提出，其基本思想是：采用调频f m 编码 技术产生一系列频率与瞬时相电感成比例的方波信号。通过设计电路将被测相电感大小 转换为频率( 或周期t ) 的大小，如栗电路参数选择合适，则相电感l 和周期t 之闻有 如下的关系：t = k l ( k 为比例常数) 。e l j 此可获得相电感的频率编码信号，将此信号送 给微处理器，利用f 变换器就可得到与频率成正比例的电压，将此电压与设定的阀值 毖较苁瑟获褥转子位置信息。 此方法的优点为：频率调制器可以工作在江l o ok h z 的宽调制范围内，分辨率高； 缺点为：需要给每一相加检测脉冲，增加了控制线路的复杂性，工作点不易稳定，易受 干扰。 2 两相脉冲激励方法溺 针对单相脉冲法判别逻辑简单、精度低、可靠性差的缺点，2 0 0 1 年由哈尔滨理工 大学的王旭东教授等人提出了两相激励脉冲的检测方法。其原理是：当s r m 的一相正 在工作时，对另外两个相邻的非工作相网时施加脉冲激励，得到相应的响应电流，比较 其响应电流的大小来决定下一相何时导遥。 该方法的优点是：由于换相点的判断只与响应电流的相对变化有关，而与其值的大 小无关，因此这种方法的抗干扰性较强。采用两个非工作相进行判断，不仅提高了判断 的精度，丽噩还可以减小电压波动和负载波动的影响，从面减小? 检测误差。缺点是： 需要外加检测电路，成本高，增加了系统的复杂性。 3 曲线拟合的方法陬j 2 0 0 0 年哈尔滨理工大学的王旭东教授等人基于非通电相加激励脉冲判断s r m 转子 位置的方法，提出建立最高激励脉冲频率的数学模型，利用睦线拟合算法来预报转子位 置的改进方法。为减小计算量，拟合时仅取包括当前采样点以前的3 个激励脉冲响应所 对应的电感值，依据使残差最小的原理，计算出用于拟合曲线的系数。根据拟合的曲线， 可预测出下个采样点豹电感厶鸭根据电感与位置的关系辈可预算出下一次的位置信 息巩+ ，。然后判断绕组开通或关断的期望位置是否落在区间巩与巩+ j 之内，若不是， 则继续采样、预测，若是则可利用预报模型 a t t 叠= = i 绶- o o ) ( 1 。8 ) + l 一 式中，f 为激励脉冲的时间间隔，= j f ；巩为第糟次采样解算出的位置角：秽为期望 的开通角或关断角；t d 为预测达到期望位置的延时值。计算施加第脬次脉冲后需延时多 长时瓣期望豹关断或开逶位置才能到达。 这种方法的优缺点t 可提高系统的抗干扰性，闻时也更能精确地预测转子为位置信 8 1 绪论 息。僵实际的拟合计算时阍及拟合误差对控制精度舆有影响，拐点位置处的拟合误差较 大。 ( 3 ) 基于智能控制的检测方法 随着智能控制理论的飞速发展，阑内外的许多专家学者将智能控制的方法引入到 s r m 无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霹络法。瞵】 1 模糊控制检测法【5 j 模糊控制提供了一个不需要数学模型的建模方法，非常适合于未知的、难以定义的 系统。这种方法是基于s r m 的绕组磁链、位置角以及电流之间的非线性关系，首先根 据电机的电磁特性建立合理的模糊规则库，定义磁链、电流为输入，位置角为输出，建 立一个双输入、单输出的模糊控制模型，检测得到的磁链、电流通过模糊控制模型就可 推理得到位置角的模糊输出。 这种方法的优点是：不需要建立电机精确的数学模型，实时性好，抗干扰能力强， 鲁棒性好，不需要附加检测电路。不足之处在于：模糊规则不易调节，自适应能力差。 2 神经网络法【5 j 神经网络是一种模拟入直观性愚维的非线性动力学系统，对于任意菲线性对象的逼 近和建模，以及对不确定性模型的控制均有很好的效果。神经网络法也是基予电机的磁 链、电流基础之上的，在神经网络进行位置估计之前，首先通过实测得到样本数据，样 本数据的获得是将转子固定在一系列不同的位置，向绕组通入不网数值的相电流，记录 下不同相电流值所对应的磁链值。这些具有对应关系的转子位置角、电流、磁链是神经 网络学习的样本。选择合适的网络模型结构，通过对大量样本数据进行训练，就能建立 能准确反映位置角、磁链及电流的非线性关系的神经网络模型，从而可实现转予位置的 检测。 这种方法的优点是：不需要建立电机的数学模型，鲁棒性好，适应性强，不需要附 加检测电路。不足之处在于：需要大量的训练数据，学习时间较长。本文中将重点说明 这种方法。 ( 4 ) 附加元待检测法 目前，附加元件法主要有附加极板电容法和外加测试线圈法两大类。其中，基于外 加测试线圈法的求解转子位置的方法有：阻抗法测量电感法、阻抗法测量电流法、相位 调制法、幅值调制法等。 1 附加极板电容法l 矧 1 9 9 9 年华中理工大学的詹琼华教授等人提出通过电容与转予转角的关系确定实际 运行时定、转子相对位置的转子位置检测方法。 基本原理为：在s r 电视定子槽中插入一金属平板，并使金属平叛的中心线与定子 槽中心线重合，则金属平板与转子构成一电容器，金属平板为定极板，转子为动极板。 9 西安科技大学硕士学位论文 当转子旋转时，电容器的极板闽距和巅积随着转子转动瑟变化，其电容大小是转子位萋 角的函数。通过将电容量转化为可测的电量进行处理后就能得到对应的转子位置信息。 这种方法的优点为：不需考虑相绕组中电流及运动电势的影响，与电机负载无关， 丽且它对电机的运行状态也没有影响，灵敏度高，可获得较大的相对变化量，结构篱单， 适应性强。缺点为：由于要在电机内部放置元件，使s 脚酶制造互艺变得复杂。另终， 若定子槽内的金属极板放置位置不一致，就会使金属极板相对于转子位置的变化特性不 一致，产生加大的检测误差。 2 。外加测试线圈法玲l 该方法是由南京航空航天大学的樊小明等人子1 9 9 5 年提出，外加测试线圈法是将 独立的测试线圈与定子绕组线圈绕在一起。通过检测测试线圈电感变化规律得到转子位 嚣信息。定予绕组线圈一般采用顺串接法，测试线圈既可顺串，也可反串。顺串接法电 感幅值和灵敏度较高，僵容易受圭绕组工作电流昀干扰：反串接法雯| j 正好相反。r l c 串联谐振技术实现了对转予位置的正确求解。另外，还有如下几种求解的方法。 阻抗法测量电感：将反串线圈作为测试对象，通过测量固定频率下测试线圈电感 呈现的复阻抗特钲来实现。 阻抗法测量电流：用阻抗法测量测试线圈电流的原理较为简单，通常是在测试线圈 上加一个固定频率为的交流信号源，然后用一个采样电阻检测电感上的电流即可。 假设五为某相两极下反串的测试线圈的总电感，回路等效电阻为足，采样电阻值 ll 一 为霆陋 到。则采样电阻r 上压降酶幅值| 掰一| = r 。u ；, r 2 + 国2 三2 ( 回，相角为 |“l 妒= 一a r c t a n c o l ( o ) r 1 。采样电阻上的压降幅值及相角都隐含有转子的位置信息。为此 可通过相位解调技术、幅值解调技术进彳亍位置的检测。由于电感比较小时，相位的变化 要毙幅值的变纯剧烈；而在电感比较大时，幅值的变化要比相位的变化暖显。因此，为 了提高检测精度和灵敏性，可以将两者结合起来，小电感范围用相位解调法；较大电感 范围用幅值解调法。 这种方法的优点是：便于实现，适合予任何类型的电枫。缺点是：需要额终的硬件 电路，增加了成本和复杂性。 1 4 本文主要研究内容 在s r m 驱动系统的研究方向中，阆接位置检测是曩前最力迫切需要解决的问题之 一。因此，本文在广泛吸收前人经验的基础上，详细设计了无位簧传感器的s r m 间接 位置检测方案。具体工作包括以下方面： 1 针对s r 电机磁路j 线性的特点，采用改进的b p 算法建立了其神经隔络转子位置 护( i ，三) 模型。由于s r 电机相电感随转予位置变化非线性的影响，当采用一个神经网络 1 0 1 绪论 模型时，在电机气隙较大使萋处存在较大的误差，因此本文提出采用两个神经网络分段 处理，仿真结果表明该方法是有效可行的。 2 本文同时对基于电感模型的间接位置检测技术进行了理论分析，建立了非线性解 算模型，通过解算数学模型可以获得转子位置信息。完成了s 蹦间接位置检测系统的 仿真，验证了该方法的可行性。 3 基于d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，对整体硬件电路进行了设计与软件编程。 西安科技大学硕士学位论文 2 开关磁阻电动机的基本结构及工作原理 2 。l 孳| 言 开关型磁阻电动机调速系统是一新型的机电一体化交流调速系统，它融新的电动机 结构一s r 电动机与现代电力电子技术、控制技术为一体。目前，与技术日趋成熟并得 到广泛应用的交流变频调速系统相比，s 如这一新型运动控制系统己显示出与传统调速 系统强大的竞争力。然而，由于s i 姆v l 电动机定、转予双凸极结构以及特殊的供电方式， s i b y l 电机调速系统还存在着不足。 2 。2 开关磁阻电动机的基本结构及工作原理 s r 电动机系双凸极可变磁阻电动机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。 转子既无绕组也无永磁体，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，称先“一相”。图示2 。l 为常见的四相( 躺) s r 电动机结构原理图。 开关磁隰电动机的工作原理遵循“磁阻最小原理，_ 磁通总是要沿着磁阻最小的 路径闭合。因磁场扭曲而产生切向磁拉力，此时转子上将产生一个磁阻转矩t ( i ，秒) ： t ( i 。们：坌兰! 堡! ! ( 2 1 ) 8 移 式( 2 1 ) 中：秽转子位置角， 形国，f ，) 磁功能 f 绕组电流 图2 1s r m 结构原理圈 这一转矩使一定形状的铁心移动到最小磁阻位置，使自己的主轴线与磁场的轴线重 含。同时，磁共能形( 9 ，i ) 的改变既取决于转子位置，亦取决于绕组电流的瞬时值。 具体过程如- f ：当定子d 一d 极励磁时，所产生的磁力则力圈使转子旋转到转子摄轴线 与定子极轴线d d 重合的位置，并使d 相励磁绕组的电感最大。顺序给d a b - c 相绕 1 2 2 开关磁阻电动机的基本结构及工作原理 组通电，转予帮会逆着励磁颁序以逆时针方向连续旋转；反之，依次给b a p e 相通 电，则电动机即会沿顺时针方向转动。可知，s r 电动机的转向与相绕组的电流方向无 关，而取决于相绕组通电的顺序。而当s l 、s 2 断开时，绕组电流通过续流二极管v d l 、 v d 2 将剩余能量回馈给电源u 。因此，开关磁阻电动机具有再生的熊力，系统效率高f n 。 2 3 开关磁阻电动机的基本方程 s r 电动机运行的理论与任何电磁式机电装置运行理论在本质上没有区别，其电磁 过程也是建立在电磁感应定律、全电流定律、能量守恒定律等基本的电磁关系上，由此 写出s r m 的基本平衡方程式。 2 3 1 电动势平衡方程 如图2 2 所示，一台m 相开关磁隰电视，假设备相结构和电磁参数对称，根据匣路 定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的 感应电动势作用之和，可以写出s r m 第k 相的电动势平衡方程式： u k = 磁毛+ 警 ( 2 2 ) “l 式中，( 仁“相的端电压； 卜k 相绕组的相电流； 泼 u k 震r k 相绕组的电阻； 毁一k 相绕组磁链； 兄 卜叫卜一 d 甄d t无损耗磁场系统 一一芒刍一 毁( 矗，d卜二= 卜一 d d t瓦 l 二 l ( 酝d 上 _ f 一 l d 澎m d t 蚝( 蟊酗国 图2 2m 相开关磁阻电机 在s r m 中，各相绕组的磁链是转子位移焦8 和各相绕组电流的爱数，故磁链毁为： 帆= 妒穰之，乇，0 ) ( 2 3 ) 由于s r m 各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在s r m 的计算中 一般忽略磁滞、涡流和绕相间互感，不考虑两相以上电流同时导通时定、转子在各相之 闻产生的相互影响。这时磁链方程可近似写为： 帆= 矽( 攻， ( 2 4 ) 1 3 西安科披火学硕士学位论史 电视的磁链也可以翔电感和电流的乘积表示，即； 帆= k ( 屯，秽) t ( 2 5 ) 应该注意，每相的电感是相电流和转子位移角的函数。电感之所以和电流有关是 因失s r m