（电力电子与电力传动专业论文）1210开关磁阻电机间接位置检测技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h er e s e a r c ho fs w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ss y s t e m ( s r d ) h a v e g a i n e dm o r ea t t e n t i o nd u et oi t sf l e x i b l ec o n t r o lm e t h o d s ，c o m p a c t n e s s ， r o b u s t n e s sa n d g o o de l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c s p o s i t i o ni n f o r m a t i o ni s e s s e n t i a l f o rah i g hp e r f o r m a n c es w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r ( s r m ) m e c h a n i c a lp o s i t i o ns e n s o r sa r eo f t e nu s e dt o p r o v i d e r o t o rp o s i t i o n i n f o r m a t i o nf o rt h es r d h o w e v e r , t h e s em e c h a n i c a lp o s i t i o ns e n s o r sa d d t ot h ec o s ta n dd i m e n s i o na n dl o w e rt h er e l i a b i l i t yo ft h es r d a sa r e s u l t ，t h et e c h n i q u eo fi n d i r e c tr o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o nh 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 f i r s t ，t h i sd i s s e r t a t i o nb u i l dt h el i n e a rm o d e la n dn o n 1 i n e a rm o d e lo f s r m ，a n dg i v et h et h r e eo p e r m i o nm o d e l so fs r m 。a n dt h e np r o p o s e sa s e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o d sf o rt h es r db a s e do nt h el i n e a rm o d e lo f s r m t h a ti s ，w ei n je c tn a r r o wv o l t a g ep u l s e si n t ot w on o n c o n d u c t i n g p h a s e so fs r ma n dd e t e c tt h ec o r r e s p o n d i n gc u r r e n t s s ow ec a ng e tt h e p o s i t i o ni n f o r m a t i o nf r o mt h er e l a t i o n s h i po ft h er o t o rp o s i t i o n ，s t a t o r w i n d i n gi n d u c t a n c ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gc u r r e n t s i nt h i sp a p e rw ea l s o s t u d i e dt h ef r e q u e n c yo ft h ei n je c t e dv o l t a g ep u l s e sa n dt h em e t h o d so f m e a s u r i n gt h em o t o rs p e e d t h i sm e t h o d sg o tt h ep o s i t i o ni n f o r m a t i o nb y d e t e c t i n gt h ev a r i a t i o n t r e n d so ft h ec o r r e s p o n d i n gc u r r e n ti n s t e a do f m a n yac o m p l i c a t e dc a l c u l a t i o n ，w h i c hn o to n l ye l i m i n a t e st h ed e t e c t i o n e r r o r s ，b u ta l s od e c r e a s e st h ee f f e c t so fv a l t a g ef l u c t u a t i o na n dl o a d i i 江苏大学硕士学位论文 v a r i a t i o n ，a n dt h e ns t r e n g t h e n st h es t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s h o w e v e r , w h e n t h em o t o rs p e e di sh i g h ，t h ef l u xw i l lb es a t u r a t e da n dt h ei n d u c t a n c e b e t w e e np h a s e sc a nn o tb en e g l e c t e d ，w h i c hl e e dt ot h ei n v a l i d a t i o no ft h i s m e t h o d s s o ，w ec a no n l yu s et h i ss e n s o r l e s sm e t h o d st od e t e c tt h er o t o r p o s i t i o ni ns t a r t - u ps t a g e a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d sad e s i g no fs o f t w a r e a n dh a r d w a r ei s p r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h ec o r r e s p o n d i n gc u r r e n t s e x c i t e db yt h ev o l t a g ep u l s e sw a sd e t e c t e dt o o t h et o r q u e - a n g l et r a i to f t h e12 10s r mw a sm e a s u r e d ，a n dt h e p o s i t i o ns i g n a l sf r o mt h e p h o t o e l e c t r i c i t ys e n s o ra n df r o mt h es e n s o r l e s sm e t h o d sw a sc o m p a r e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h a tt h ep r o p o s e ds e n s o r l e s sm e t h o d sh a s h i 曲r e l i a b i l i t ya n du t i l i t yi ns t a r t u ps t a g e 一 一 一 k e y w o r d s ：s r d ，s t a r t - u p ，i n d i r e c tr o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o n ，i n j e c t e d v o l t a g ep u l s e i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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。 保密团，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口 学位论文作孝签名：藉岿浓 劲p 6 年占月l 墨日 压穆姿 月z 歹日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：藉岿浓 2 0 吣年月【8 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 开关磁阻电动机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，以下简称s r m ) 驱动系统是7 0 年代问世的一种新型机电一体化的调速系统，由于其结构简单、调速范围广、运 行可靠、控制方式灵活及效率较高等优点，一直为世界各国电机工程界所关注， 被认为是未来具有较强竞争力的一种调速驱动系统。近年来，国内外关于s r m 的研究已取得很大的进展，其应用领域已经涉及家用电器、电动汽车( e v s ) 和混 合电动车辆( h e v s ) 等机电一体化产品中。在很多方面已显示出与其它调速驱动系 统在价格和可靠性等方面的潜在优势。 s r m 工作在自同步状态，为了有效地控制电机的转速和转矩，激励相必须 和转子位置角保持很好的同步关系【刀。位置闭环是s r m 驱动系统有别于步进电 机等驱动系统的重要标志之一，系统根据定转子相对位置对电机运行状态进行控 制，转子位置信号是各相开关器件进行正确逻辑切换的根据。 传统的s r m 转子位置检测法采用诸如光电编码器、霍尔位置传感器等，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，人们很自然地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， 也取得了一定的成果。本章回顾了几十年来国内外s r m 间接位置检测技术领域 所走过的历程，并展望了在未来一段时间内的发展方向。 1 2 国内外研究现状 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。因此，可以 通过激励相、非激励相或附加电元件的电磁方程，求解出磁链、电感、反电动势 江苏大学硕士学位论文 等，从中提取出转子的位置信息，在此基础上发展起来了很多间接位置检测方法。 1 2 1 非激励相自感检测法 非激励相自感检测法主要有脉冲注入法和调制法两大类m 】。 脉冲注入法利用功率变换器将检测脉冲输入非激励相，输出电流信号波形反 映了瞬态电感的信息，利用相电感与转子位置的对应关系可获得转子的位置角。 但是，如果较高的直流母线电压通过功率变换器直接施加于被检测相，必然导致 较大的检测电流，从而产生不希望的额外转矩分量，影响s i 洲正常稳定运行。 电机高速运行时，励磁电流将占据电流周期的大部分，导致检测相中仍有电流， 从而导致检测失败，因此，脉冲激励法一般使用在低速起动情况。 相电感随着转子位置的变化而变化，调制法的基本原理是利用外部振荡器向 非激励相输入频率比相电感的变化频率高得多的载波信号，经过相电感调制后的 输出信号就包含了转子的位置信息，若使用合适的解调技术，就可估计出转子的 位置角。根据所调制物理量的不同可分为频率调制法( f m ) 【4 9 5 0 1 、幅值调制法( a m ) 和相位调制法( p m ) 5 1 1 。 f m 法的基本思想是获得一个频率随相电感线性变化的信号，通常选择方波 信号。通常用一个简单的l - f 功率变换器，让输出信号的周期和相电感保持线性 关系。 p m 和a m 法则是分别对相电流的相位和幅值进行检测。当载波信号( 常用 正弦) 输人到非激励相绕组中时，输出电流的相位和幅值会随着相电感的变化而 变化( 调制) ，并且保持着一一对应的函数关系。对输出信号进行解调等相关处理， 就可获得相绕组电感的变化信息，再利用反函数或者是转换表格就可求取出转子 的位置角。通常p m 和a m 法的载波信号频率要比相电感的变化频率高得多，只 有这样才能保证调制后的输出信号包含电机绕组的动态信息。然而相绕组的电感 时刻在变化，是一个动态的过程，要对解调后的输出电流信号( 反映电感变化信 息) 进行精确的求导等一系列运算才能得出转子的位置角，然而，庞大计算很难 满足电机控制的实时性要求。但是，通过数学分析和仿真实验发现，在电感比较 小时，相位的变化要比幅值的变化剧烈：而在电感比较大时，幅值的变化要比相 位的变化明显。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p m 法；较大电感范围，用a m 法。 江苏大学硕士学位论文 非激励相检测法( 除了相间互感检测法外) 需要在被检测相处于非激励状态 时从外部注入激励信号。以避免s r m 功率电路和检测电路之间的冲突，必然要 求有相应的电路完成激励状态和检测( 非激励) 状态之间的切换，使得检测电路比 较复杂。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。 l 。2 2 激励相自感检测法 激励相自感检测法最典型的就是电流波形监测法1 2 ，矧。s r m 在运转过程中， 随着转子位置变化而产生的瞬间反电动势( e m f ) 会对激励相的电流波形有一个” 调制”作用，因此通过监测相电流的波形变化情况可以间接获得转子位置角的信 息。这种基于e m f 的电流波形监测法，其优点是成本低，实现容易，但是可靠 性不高，适用范围比较小。特别是在低速场合，由于反电动势几乎为零，e m f 对电流波形的影响很小，以致这种波形检测法难以实施。 另外，由于相电感是转子位置角的函数，而相电感的变化要通过相电流波形 变化表现出来，可见相电流的变化率与转子位置角是密切相关的，所以通过监测 相电流的波形，检测出相电流的变化率也能够获得转子的位置角。在相绕组电路 中串联一个阻值较小的检测电阻，则电阻两端的压降v ，就可以作为电流波形的 ”监视器”，时刻反映电流波形的变化情况，从中提取出绕组电感的变化信息，就 可估算出转子的位置角。该方法克服了基于e m f 波形检测法的不足，适用范围 宽，能够连续检测转子位置角，而且实现电路简单，成本低。 激励相检测法利用激励相导通时所表现出来的相绕组特性来检测转子位置， 所以，不必像非激励相检测法那样，需要从外部向被检测相注入激励信号，简化 了检测电路。但是，激励相检测法必须考虑电机本身的非线性特性影响，否则检 测精度难以提高，这主要是因为被检测相中的电流较大，使绕组磁路饱和。此外， 激励相检测法在检测s r m 初始位置时，必须从主电路中注入相应的检测脉冲， 当检测脉冲持续时问较长时将在相绕组中产生较大的电流，影响s r m 的起动， 这是我们不希望的。 1 2 3 相间互感检测法 顾名思义，相间互感检测法就是要通过检测相间由于互感效应产生的感生电 压来检测转孑位置角的 。 s r m 在工作过程中，非激励相由于与激励相间的电磁耦合，会产生随转子 江苏大学硕士学位论文 位置变化的感生电压，因此检测非激励相感生电压可实现对转子位置角的间接检 测。绕组间的互感主要是由于激励相的漏磁通经由其他相闭合而产生。漏磁通的 大小取决于激励相磁链的大小和转子的位置角。如果通过实验的方法，预先得到 校正好的互感电压和转子位置角之间的对应关系表，就能够由互感电压值查此二 维表格获得转子位置角。s r m 任何一非激励相都可以被选为检测的对象，在转 子从完全非对齐位置到完全对齐位置过程中，被选定的非激励相中的互感电势会 发生一个由正向最大值到负向最大值之间的周期性变化。 该方法直接检测电机本身的内部感应电压信号，不需要从外部注入检测脉 冲；而且检测电路和信号处理电路实现起来也很简单，适用于中低速应用领域； 另外对于功率器件频繁开关产生的噪声的抗干扰能力也比较强。但是高速领域， 需要进行庞大的计算，无法保证实时性，而失去了使用价值。因此，互感电压检 测法只能用于电流值基本不变、转速较小的电流斩波控制应用场合。值得注意的 是，对于常规的s r m 电机而言，互感很小( 相对自感) ，加上漏磁、反电势等影 响，互感电压很小，难以检测出来，因此该方法在实际应用中难以实施。 1 2 4 附加电元件检测法 附加电元件检测法主要包括附加电容检测法和串连电感线圈检测法。 附加电容检测法是一种监测嵌入到s r m 中的电容板极随转子位置变化的电 特性的一种方法【3 】。金属平板被安装在定予槽里，并使平板的中心线与定子槽中 心线重合，这样平板就构成了电容器的定极板，而转子则成为动极板。当转子旋 转时，电容器的极板间距和相对面积都随着转子位置的变化而变化，所以其电容 大小是转子位置角0 的周期函数。若将电容量转化为可测的电量，经过适当处理 后就能得到对应的转子位置信息。 这种检测方法与传统的基于电感量的检测不同，它是通过电容与转子角的关 系确定实际运行时定、转子相对位置的检测方法，它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，而且它对电机的运行状态也没有影响。这种电 容式检测法灵敏度高，可获得较大的相对变化量，结构简单，适应性强。 附加电感线圈法将独立的测试线圈分别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置信息【4 _ 3 1 。采用r l c 串联谐振技术就可以 实现对转子位置的正确求解。定子主绕组线圈一般采用顺串接法，测试线圈既可 4 江苏大学硕士学位论文 顺串，也可反串。顺串接法电感幅值和灵敏度较高，但容易受主绕组工作电流的 干扰；反串接法则正好相反。 附加电元件检测法的缺点是需要在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，必须在每一线槽内 放置一电容板极，若这些电容板极放置得不一致，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。 1 2 5 非线性特性检测法 由于s r m 具有高度的非线性特性，仅仅采用基于线性化特性假设的各种间 接位置检测方法，难以满足要求精确检测转子位置的场合。在非线性特性检测法 中，相电流和相电压是被直接检测的量，其检测方法和检测电路都比较简单，不 是非线性检测法的研究重点；相反，如何通过检测到的相电流和相电压信息来估 计转子的位置角，是非线性检测法的重点，也是难点。围绕这一问题，许多学者 已经做了大量相关的探索工作，目前发展起来的非线性检测法主要有：状态观测 器法、查表法、基于模糊逻辑及神经网络的检测方法。 l 、状态观测器法5 1 状态观测器检测法，首先要根据电机的电磁特性建立相电压、电流、磁链、 电阻、电感等参量之间的关系方程；其次还要根据电机本身的机械特性建立转速、 位置角、粘性阻尼系数、转动惯量等机械参量之间的关系方程。然后从这些电磁 和机械参量关系方程中忽略一些次要的因素，进行适当简化( 结果可进行一定的 补偿) ，选取适当的状态变量( 如磁链，转速，位置角等) 和输入变量( 如电压) 及输 出变量( 如电流) ，建立由电机本身固有的一些物理参数所决定的模型方程和特征 状态观测器。最后检测出输入的相电压信号和输出的相电流信号，状态观测器即 可由此估计出转子的位置角【5 】。 状态观测器法可以很好地解决了s r m 的非线性问题，可进行连续的位置估 计；还可以很好地适应参数如电阻及转动惯量的变化。但是这种基于模型的方法 比较复杂，需要精确地知道电机和负载的有关参数；另外还需要进行复杂的数学 计算或者较大的查询表格。复杂的数学计算需要昂贵的高速微处理器来保证算法 江苏大学硕士学位论文 的实时性，而存储查询表需要较大的内存并且要求检测的输入信号比较精确，抗 噪声干扰的能力差。 2 、查表法 与其他方法相比，查表法原理上则显得十分简单和容易被人接受。预先用实 验数据建立特殊的二维数字表格来描述电机的转子位置角与磁链和电流之间的 关系。应用过程中只需要检测电机的一些相关特征参数值( 如磁链、电流等) ，查 询标准表格，用线性插值的方法就可得到所对应的转子位置角，该方法操作简单， 速度快，但是需要较大的内存空间来存储标准表格，而且精度要求越高时，标准 表格就必须做得越大，内存需求也越大，不适合嵌入式系统应用场合。 3 、人工智能法川1 2 1 近来，基于人工智能的运动控制技术正掀起了世界范围内的研究热潮。国内 外许多学者专家也开始致力于将人工智能技术引入到s r m 的转子位置检测中。 基于模糊逻辑及神经网络的s r m 检测方法也得到了极大的发展。 模糊逻辑位置估计的重点是建立s r m 的模糊模型( 模糊规则库) 。要根据电 机的电磁特性建立相应的模糊规则，必须检测收集一些特征信息，主要包括两个 方面：第一，磁链、电流及转子位置角之间的静态关系曲线，它反映了s r m 相 绕组的本身所固有的非常重要的电磁特性；第二，电机动态过程中的波形特性， 它反映了绕组电磁耦合( 如互感等特性) 、温度变化、涡流等效应的影响。定义磁 链和电流为输入，相应的位置角为输出，以这些数据对系列训练，建立模糊模型。 经过训练后，利用产生的模糊逻辑规则库就可以定义从输入磁链和电流到输出转 子位置角的映射函数。 基于模糊逻辑的检测方法因其适用范围宽，不需要附加外部检测电路或者外 部检测信号，不需要建立电机的数学模型，不需要复杂的数学计算，实时性较好， 同时也不需预存很大的表格，对内存要求不高，具有抗噪声干扰能力强，鲁棒性 好等突出优点。 智能检测技术另一个典型应用就是基于神经网络( a n n ) s r m 间接检测技术。 神经网络( a n n ) 理论上能够逼近任意的非线性有理函数，而且比其他的逼近方法 更加容易建立模型，给非线性控制领域问题的解决提供了有力的工具，也给解决 非线性比较严重的s r m 相关问题带来的新的方法。a n n 需要面向s r m 建立一 6 江苏大学硕士学位论文 个有效的映射结构，要求该网络结构根据相磁链和相电流准确地估计出转子位 置。在a n n 网络进行位置估计之前，需要对其进行有效的训练。a n n 训练的数 据一般由实测得出，测量时，将转子固定于一系列不同的位置，在绕组中通人不 同数值的相电流，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、相电流值和磁链值是神经网络学习的样本数据。只要给定的数据点足 够多，a n n 就能建立起一个合适的关于磁链a 、相电流i 、转子位置角0 之间相 互关联的网络结构，从而实现转子的位置估计。将前馈型( f e e d f o r w a r d ) 人工神经 网络用于s r m 运行过程中的转子位置间接检测，神经网络的输出为转子的位置 和转子速度。 这两种智能检测技术有很多相似之处，两者都是在磁链和电流数据的基础上 进行估计的。它们都不需要反映s r m 电磁特性的精确模型。在实际运行时只要 实时检测出一些相关的物理量，再运用各自的算法进行判断或求取即可。从这一 点上看，可以说基于模糊逻辑和神经网络的方法是无模型位置检测方案。两种方 法的整个检测过程都只依赖于磁链数据，因此，系统的其他参量，比如转矩、惯 量、阻尼系数等都不会对估计过程产生影响，使他们成功地避免了由s r m 本身 固有的非线性导致的一些麻烦，从而成为一种较普遍的位置估计方法。此外，这 两种方法在控制最小误差方面都很成功，在其他方面也各有特色。 1 3 课题来源和项目简介 本课题是“汽车开关磁阻起动助力发电机一体化系统的研究( i s a d 系统) ” 项目的一部分，该项目是江苏省高新技术产业推广项目，同时获得了无锡柴油机 厂的资助。 传统的燃油汽车电气系统中，起动、发电功能分别由直流起动电动机和交流 发电机两个独立的子系统完成，两套机组须要独立地研制、优化、装配和维护。 实际上，起动电动机只在起动汽车发动机时工作，发动机运转至怠速后就和发动 机脱离并停止工作，而交流发电机在发动机运转之后才开始工作，这两套机组工 作时间并不重叠。 起动助力发电一体化系统( i n t e r g r a t e ds t a r t e da l t e r n a t o rd a m p e rs y s t e r ， 简称i s a d 系统) ，是近年来应用于汽车架构中的一种新技术。i s a d 系统使用开 关磁阻电机，该电机能融合起动机和发电机功能于一身，直接替代了传统汽车内 7 江苏大学硕士学位论文 起动机和发电机两套机组，省去了原系统中飞轮、皮带、滑轮和动力传动系统中 的振荡阻尼器、皮带张力等部件，能够明显减轻汽车重量、节省空间、降低制造 成本，系统除了使再生制动成为可能，还能提供附加的起动停止功能、并在需 要的时候对于发动机扭矩进行助力。使得系统效率更高，输出( 电能) 更大，明 显地减少了汽车能量的消耗、尾气排放和噪音的生成。实际上，也是混合动力汽 车( h v h e v ) 的一种形式，它迎合了未来对环保汽车标准的需要，正以其优越的 性能受到人们重视。 开关磁阻电机分时工作在起动、助力、发电、阻尼状态，在不同的工作状态 下，其性能需求不同，控制方式也不同。且转速不同时，开关磁阻电机的数学模 型也不尽相同，这些导致了在不同工作状态下必须采用不同的间接位置检测方 法。本课题主要研究了开关磁阻电机起动阶段间接位置检测技术，并分析了基于 间接位置检测的s r d 起动性能。 1 4 本论文的主要工作 1 、s r 电机数学模型的建立 本文第二章分析了开关磁阻电机的数学模型，建立了s r 电机的线性模型、 准线性模型及非线性模型，这是研究间接位置检测的理论基础。然后讨论了s r 的运行方式和总体控制策略。 2 、 分析了s r 电机光电式位置传感器技术 本文第三章以光电式位置传感器为例分析了常见的有传感器的位置检测原 理，并给出了换相逻辑和硬件实现电路。 3 、 基于两相脉冲激励法的转子位置间接检测方法研究 本文第四章在s r 电机线性模型的基础上，通过分析各相电感曲线的相互关 系，提出了基于两相脉冲激励的间接位置检测方法，即给s r 电机非工作相通入 短时电压脉冲，检测其响应电流，根据响应电流之间的内在关系，推断出转子换 相位置。该方法实现简单，无需精确的电机模型，抗干扰强。然后讨论了脉冲频 率和激励电压持续时间，并对初始导通相进行了讨论。由于电机高速旋转时，相 间互感不能忽略，且励磁电流将占据电流周期的大半。本检测方法的误差将增大。 为了保证检测精度，本方法适合在低速起动时结合c c c 控制方式使用。 4 、 转子位置间接检测的软硬件设计 8 江苏大学硕士学位论文 本文第五章分析了间接位置检测的软硬件设计，设计了功率变换器、电流检 测单元、电压检测单元，和主开关管的驱动电路、缓冲电路、电流保护电路。并 分析了检测误差。最后对软件流程进行了分析。 5 、实验分析 本文第六章已一台2 5 k w 的六相1 2 1 0s r 电机为例，测量了静态矩角特性，。 进行了起动性能分析，并检测了脉冲电压激励下的响应电流波形，并比较了不同 转速下间接检测得到的换相信号和由光电式位置传感器得到的换相信号，实验说 明了间接位置检测有着实时性好，误差低等优点，在低速下可以替代传统的转子 位置检测器。 1 5 本章小结 i s a d 系统是混合动力汽车( h v h e v ) 的一种形式，它迎合了未来对环保汽 车标准的需要，正以其优越的性能受到人们重视。开关磁阻电机是i s a d 系统的 核心部件，集起动机和发电机于一体，间接位置检测技术是其关键技术之一。本 章简要介绍了国内外各种开关磁阻电机间接位置检测技术，分析了他们的工作原 理并比较了优缺点。最后介绍了本论文的主要工作。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章s r 电机的数学模型和调速理论 与传统的交流电机不同，s r 电机采用双凸极铁心结构，并且只在定子上安装 各相励磁绕组。绕组电流的非正弦与铁心磁通密度的高饱和是s r 电机运行的两 个特点；另外，s r 电机控制参数多，控制方案灵活，相电流波形随着电机工作 状态的不同而变化，无法得到简单、统一的数学模型及解析式。因此，传统电机 的性能分析方法对s r 电机不尽适用。 建立s r 电机数学模型的主要困难在于电机的磁路饱和、涡流、磁滞效应等 产生的非线性，这些非线性影响着电机的性能，但却很难进行数学模拟，考虑了 非线性的所有因素，虽然可以列出一个精确的数学模型，但计算相当繁琐。因此， 在建立s r 电机数学模型时，应当在实用和理论之间折衷处理。本章对s r 电机的 线性、准线性、非线性数学模型进行了分析。 2 1s r 电机的基本方程 为了弄清s r 电机的基本电磁关系和特性，以理想线性模型为例进行分析。 通常，s r 电机的理想线性模型是指： 1 ) 主电源的直流电压不变： 2 ) 功率器件的开关动作是理想的； 3 ) 忽略铁心的磁滞和涡流效应，即忽略铁耗； 4 ) 电机各相参数对称，每相的两个线圈正向串联，忽略相间互感； 5 ) 在一个电流脉冲周期内认为转速恒定。 如果把s r 电机看成是一对电端口和一对机械端口的二端口装置，不计磁滞、 涡流和相间的互感，则对于m 相的s r 电机，整个系统的微分方程可由电路方程、 机械方程和机电联系方程三部分组成h 6 刮1 。 2 1 1 电路方程 根据电路基本定理，s r 电机第k 相的电压平衡方程式为： 以= 也丘+ 孥 ( 2 1 ) “l 式中以第k 相绕组两端电压 也k 相绕组的电阻 1 0 江苏大学硕士学位论文 t k 相绕组的电流 k 相绕组的磁链 为关于绕组电流t 和转子位置角0 的函数，即： = 帆( 丘，0 ) ( 2 2 ) 电机的磁链可用电感和电流的乘积表示： = 三( 缸，9 ) ( 2 3 ) 将式( 2 - 3 ) 代入式( 2 - 1 ) 即可以得到： u k - - r 丘+ 等，鲁+ 喾警2r t + c 厶+ 鲁，鲁+ 象。警c 2 划 式( 2 - 4 ) 表明，电源电压与电路中的三部分电压降平衡。等式右边第一项是第k 相回路中的电阻压降，第二项是由电流变化引起磁链变化所感应的电动势，叫做 变压器电动势，第三项是由转子位置改变引起磁链变化所感应的电动势，叫做运 动电动势，它与电磁机械能量转换直接有关。 2 1 2 机械方程 按照力学定律可列出电机电磁转矩乃和负载转矩乃作用下的转子机械运动 方程： 疋= j 窘+ 。鲁+ 瓦 ( 2 - 5 ) 其中，和刀分别为转动惯量和粘滞系数。 2 1 3 机电联系方程 电端口和机械端口是通过电磁转矩耦合在一起的，所以反映机电能量转换的 转矩表达式即为机电联系方程。 s r 电机一相绕组在一个工作周期中的机电能量转换过程可通过其在磁链一 电流( - i ) 坐标平面的轨迹加以完整描述，所以s r 电机的静态性能可以通过 一簇磁化曲线，即用随转子的位置和相电流周期性变化的磁链曲线来表征。 如图2 一l 所示，两条极限磁化曲线分别对应于最小磁阻位置。和最大磁阻 江苏大学硕士学位论文 位置6 l n 缸。图中每相在一个工作周期内输出的总机械能为= q i d ，即为运行 轨迹所包围的面积( 图中有斜线的区域) 。= f y 讲为绕组的磁共能； = r f ( ，臼) d 为绕组的贮能。 。0：omin | l l t v s ) o 2 0 o 1 5 0 1 0 o 0 5 图2 - 1s r 电机甲一i 曲线 在甲一f 平面上，任一点处绕组的贮能大小即为运行点对应转子位置处的磁化 曲线以左的区域面积。图2 - 1 中打点区域即为运行点c 处绕组的储能。c 点为换 相点，此时绕组的主开关器件关断，绕组电流开始下降。 图2 - 1 表明：在磁路饱和状态下运行的s r 电机是一种非线性严重的机电装 置，贮能w 和共能w7 的积分很难解析计算。 因忽略相绕组间的互感，可通过研究一相绕组来考察s r 电机的电磁转矩。 根据机电能量转换原理，s r 电机的电磁转矩表示为磁共能对转子位置增加的速 率： 丁：坌塑塑 ( 2 6 ) a 口 其中，绕组的磁共能w7 表示为： w = 互( f ，秒冲= i ( 口，f ) 胁( 2 - 7 ) 把式( 2 - 7 ) 代入( 2 - 6 ) ，得： 丁= 呈兰等! ! 竺= 南d l d ( o p , i ) 臃 ( 2 8 ) a 8电d e 由上式可以看出，电磁转矩丁完全取决于电流f 的大小和电感t ( o ，f ) 对于转子位 置角0 的变化率。但是由于s r 电机的双凸极结构，磁场存在着较强的边缘效应， 江苏大学硕士学位论文 所以电感是转子位置角的非线性函数。另外，s r 电机在运行的时候，常为了 获得较大的出力而工作在磁场饱和区，所以电感又是电流f 的非线性函数。因 此，很难得到电磁转矩的精确值，实际运行中需要对电机的结构和所要求的精确 程度加以简化。 因电动机及其负载都有一定的转动惯量，决定电动机出力及动态特性的往往 是平均转矩，因此计算平均转矩比计算瞬时转矩更有意义。 对式( 2 8 ) 在一个周期内积分并取平均，且考虑到m 相绕组的对称性，则 s r 电动机的输出平均转矩为： r ：一r a n , 【确 t d a ：一m l 矿弘r 幽善d 纠9 ( 2 9 ) 2 r e 南2 r ：如如88 ： 式中，f 相电流的中间变量 m s r 电动机的相数 ，s r 电动机的转子齿数 2 2 s r 电机的理想线性模型 s r 电机的数学模型，通常有理想线性模型、准线性模型( 分段线性) 和非线 性模型三种。本节讨论了s r 电机理想线性模型的电磁特性。 2 2 1 电感特性 不计电机磁路饱和的影响，假定相电感和电流的大小无关，且不考虑边缘效 应，则相电感随转子位置角p 周期性变化的曲线如图2 2 所示。 l后面一1 叠r 7 匕啊饵 ； if 厂 ： ： l ： - ： 角度 t 图2 2 相绕组电感与转子位移角0 关系曲线 令屈为定子磁极弧度，屏为转子磁极弧度，f ，为转子极距，图中横坐标为 转子位置角，纵坐标是相电感三，q = 0 对应于定子齿和转子槽中心线重合的位 江苏大学硕士学位论文 置，这时相电感为最小值k i 。岛：垒丢盈，是转子磁极的前沿和定子磁极的后 沿相遇的位置。在q 一岛区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值三而。不 变，这是因为s r 电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以当定子齿对着转子槽 时，便有一段定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并不随转子位置变化的最小电 感常数区；转子转过岛后，相电感便开始线性地上升直到岛为止，岛：垦妄盈， 是转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重叠，相电感 变为最大值k 。；幺：。一垦姜盈，是转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的 位置，在岛一只区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子齿间磁阻恒为 最小值，相电感保持在最大值。；从眈相电感开始线性地下降，直到岛处降为 k i n ，只、q 均为转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。如此周而复始，往复循 环。 由此，可以得到线性s r 电机相电感与转子位置角之间的函数关系： 三( 秒) = k i | l岛秒岛 k ( o 一岛) + k i 。岛秒岛 ( 2 - l o ) k 。岛秒只 k 越一k ( o 一包)幺秒包 舯k = 锗= 芋( 屈为定子磁极极弧) 2 2 2 磁链特性 由式( 2 - 1 ) 可以得到一相的电压方程式： 玑：识+ 坐 ( 2 1 1 ) 。 d l 取“+ 则是励磁阶段绕组两端所加的电压，取“一 则是主开关管关断之后续 流阶段所加的电压。由于电阻压降氓相对于掣很小，可以忽略，这样造成的误 差不会超过线性模型的假设带来的误差。这样上式可以简化如下： u = 警= 等警= 业d o 缈( 2 - 1 2 ) 由此得到： 1 4 江苏大学硕士学位论文 d ：丝d 6 彩 国一为转子的角速度 主开关管开通瞬间( t = 0 ) 为电路的初始状态，岛= ，= 0 ，式( 2 一i l ) 左端取 + ，求沙积分并代入初始条件，可以得到导通期间的磁链表达式： ( p ) = 告( 护一巳) ( 2 - 1 3 ) 主开关管关断的时候，= ，为式( 2 1 3 ) 的最大值。= 等( 一如) ， 式( 2 - 1 2 ) 左端取一，求取关断时刻为初始时刻的磁链表达式： 缈( 秒) = 二字 ( 目一) 一( 一如) = 警( 2 一巳一p ) ( 2 - 1 4 ) 由式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 可以得到一相绕组在通电、断电的一个变化周期内的磁链 表达式： ( 口) = 秒一气) o o 口 一如目如，2 一巳秒等 ( 2 _ 1 5 ) 2 一气一目)秒2 一气 2 2 3 转矩特性 根据能量守恒定律，在不考虑电路中电阻损耗、铁芯损耗和转子旋转产生机 械损耗的情况下，绕组输入的电能耽应等于结构中磁储能与输出机械能既 之和，即为： d w e = d w + d w ( 2 1 6 ) 如果把电压和感应电势p 的参考方向选为一致，根据电磁感应定律，绕组 电路的电压方程为： 甜：一p ：业( 2 一1 7 )甜= 一p = 厶一l i ， 。dl 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为： +dwe：材idt( 2 - 1 8 ) 将式( 2 - 1 7 ) 代入式( 2 - 1 8 ) ，得： d w e = 耐缈 ( 2 1 9 ) 江苏大学硕士学位论文 机械能可由电磁转矩丁和角位移矽计算，即为： d w m = t d 秒 将式( 2 1 9 ) 和式( 2 - 2 0 ) 代入式( 2 - 1 6 ) ，则得 ( 2 - 2 0 ) d 哆( j 矿，口) = i d a , 一t d o ( 2 2 1 ) 式( 2 2 1 ) 表明，对于无损系统，磁储能是由独立变量缈和秒表示的状态变量，磁 储能由和0 所决定。当y 为恒定值时，由式( 2 2 1 ) 得到一般转矩计算式，为 ，a 孵( 妙，口) r = 一! 二二二 a 9 ( 2 - 2 2 ) 在考虑转子处于任意位置时的电磁转矩时，可以假设转子无机械转动，则由 式( 2 - 1 6 ) 得 d i v e = d r 将式( 2 1 9 ) 代入式( 2 2 3 ) ，得 ( 2 - 2 3 ) = f 耐 ( 2 2 4 ) 设磁路中没有磁滞损耗，再假设磁路为线性磁路( 这在气隙不太小，磁路不太饱 和时近似成立) ，则磁链杪可由电感三表示为 沙=li(2-25) 将式( 2 2 5 ) 代入式( 2 2 4 ) ，得到磁储能的计算式 昕= - - l i 2 ( 2 - 2 6 ) 将式( 2 2 6 ) 代入式( 2 2 2 ) ，得 丁：垮罢 ( 2 _ 2 7 ) 2a 乡 根据以上推断可以看出： ( 1 ) 电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的，当磁导对转角的变化率 大时，转矩也大。 ( 2 ) 电磁转矩的大小同绕组电流的平方成, - fb p , ，即使考虑到电流增大后铁芯 饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随电流的增大而增大，因此可以 通过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕组电流得到恒转矩输出的特 1 6 江苏大学硕士学位论文 性。 ( 3 ) 电磁转矩的方向由相电流所对应的相电感的变化率兰决定：如果相电 d 流处于丝a o 0 区间，则产生正转矩，s l ；c 电机工作在电动状态；如果相电流处于 嚣j000000 一 一 一 江苏大学硕士学位论文 瓦( f 占) = o 土足f ： 2 k ( i i ，2 ) i ， o 一1 r i 2 2 - r ( i i , 2 ) i , q 秒岛 。；至乏) ： 岛秒b 。2 3 4 ， 岛秒幺 只秒岛 由于电动机及负载都有一定的惯性，决定电动机出力及动态特性往往是平均 转矩，因此这里计算平均转矩，这里假定相电流为按理想斩波控制得到的平顶电 流。 _ 等等c 螂) i 8 2 - 8 0 , 一1 2 盟l _ - l u ( 2 - 3 5 ) 2 4s r 电机的非线性模型 实际s r 电机的电感曲线包含两种非线性，一种是关于转子位置角秒的，一 种是关于定子相绕组电流i 的n 训，我们先分析电感与秒的空间非线性关系 l = 厂( 9 ) 。 式( 2 1 0 ) 给出了理想化s r 电动机绕组电感的分段线性表达式，利用傅立 叶级数分解，且忽略高次谐波，得k