（电力电子与电力传动专业论文）开关磁阻电机转子装置间接检测技术的研究.pdf

独创性声明 ji4 7 澜 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 论文不包含任何其它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：韩交弗 日期：l f 年6 月ll ，日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权 中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库 并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论 文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名：崭建叠 2 。l1 年易月 1 e t 笈 日 参 庇幽 名 y 搿 z d y导 江苏大学硕士学位论文 摘要 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s r m 或s r 电 机) 具有结构简单坚固、工作可靠制造成本低等优点，由其构成的 调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e s ，简称s i m ) 在电气传动领域 具有广阔的发展前景。转子位置检测是s r d 必不可少的组成部分， 但位置传感器的存在会降低系统结构的可靠性，影响系统的总体性 能，因此转子位置间接检测技术成为开关磁阻电机研究领域的重要内 容。 本文首先介绍了s r d 的发展概况和研究方向，分析了无位置传 感器s r d 的研究现状，对无位置传感器检测方法进行了综述，通过 分析s r 电机的结构和工作原理，研究了s r 电机的理想线性模型、 准线性模型和非线性模型，并讨论了s r 电机的三种运行方式。其次， 提出一种基于模糊推理规则的无位置传感器检测方案，利用电机的固 有信息间接确定转子位置，给出了提高估算精度的方法，并针对转子 位置估算中的估算误差和鲁棒性进行了分析，利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台对转子位置估算方法进行了仿真研究，仿真结果表明该方法 具有很好的鲁棒性和精度。最后，完成了以d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为 控制核心的开关磁阻电机实验系统的硬件设计，为进一步的研究奠定 了基础。 关键词：开关磁阻电机，转子位置估计，模糊模型，无位置传感器 a bs t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) t a k e so nt h em e r i t ss u c h a s s i m p l ea n d t i g h t n e s ss t r u c t u r e ，h i g hs t a b i l i z a t i o n ，l o wc o s t ，e t c s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v es v s t e m ( s r d ) h a sb r o a dp r o s p e c ti nt h ef i e l do fe l e c t r i c t h er o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o ni sa n i n t e g r a lp a r to ft h es r d ，b u tt h es y s t e mo v e r a l lp e r f o r m a n c ei si o w e dw i t hr o t o r p 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 ss t a b i l i z a t i o n t h e r e f o r e ，a ni n d i r e c t p o s i t i o nd e t e c t i o nm e t h o db e c o m e sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ef i e l do fs r m f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dr e s e a r c ha c t u a l i t vo f s r d s y s t e m ，a n a l y z e st h er e s e a r c hs t a t u so fn o n p o s i t i o ns e n s o r , a n ds u m m 撕e st h e n o n - p o s i t i o ns e n s o rd e t e c t i o nm e t h o d t h es t r u c t u r eo fs rm o t o ra n di t s o p e r a t i n g p r i n c i p l ea r ea n a l y z e d ；s o m es t u d yo fi d e a ll i n e a rm o d e l ，q u a s i 1 i n e a rm o d e la n d n o n l i n e a rm o d e la r ep r e s e n t e d ，a n dt h r e e o p e r a t i o nm o d e sa r ea l s od i s c u s s e d s e c o n d l y , i tp u t sf o r w a r dar o t o rn o n - p o s i t i o ne s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nt h ef u z z y l o g i cm o d e l t h ep a p e rc o n f i r m sr o t o rp o s i t i o ni n d i r e c t l yu s i n gt h ei 1 1 l l e r e n tm o t o r i n f o r m a t i o n t h ea u t h o ri n t r o d u c e sm e t h o d so fi m p r o v i n gt h e p o s i t i o ne s t i m a t i o n p r e c i s i o n ，a n da n a l y z e se r r o ra n dr o b u s t n e s si nt h ep r o c e s so fr o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o n b a s e do np l a t f o r mo fm a t l a b s i m u l i n k ，t h er o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o na i g o r i t h m i s s i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h em e t h o dh a s g o o dr o b u s t n e s sa n d p r e c i s i o n l a s t l y , i td e s i g n st h es r m e x p e r i m e n t a ls y s t e mw i t hd s pt m s 3 2 0 f 2 812 a sac o r e w h i c hi sab a s i sf o rf u t u r ew o r k k e y w o r d s ：s r m ，r o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o n ，f u z z ym o d e l ，s e n s o d e s s u 江苏大学硕士学位论文 目录 摘j ；晕i a b s t r a c t j i i 目录i l i 第1 章绪论。1 1 1s r d 的发展概况及研究方向一1 1 1 1s r d 的发展概况1 1 1 2s r d 的研究方向2 1 2 无位置传感器s r d 的研究现状3 1 2 1 无位置传感器s r d 的研究意义3 1 2 2 无位置传感器s r d 的国内外研究现状一4 1 3 本文主要研究内容6 第2 章开关磁阻电机的基本理论1 l 2 1 开关磁阻电机的基本结构和工作原理1 1 2 2 开关磁阻电机的数学模型1 2 2 2 1 开关磁阻电机的基本方程式1 2 2 2 2 开关磁阻电机理想线性模型分析1 4 2 2 3 开关磁阻电机准线性模型分析1 9 2 2 4 开关磁阻电机非线性模型分析一2 0 2 3 开关磁阻电机的控制方式2 3 2 3 1 电流斩波控制( c c c ) 方式2 4 2 3 2 角度位置控制( a p c ) 方式2 5 2 3 3 脉宽调制控制( p w m ) 方式2 6 2 4 本章小结一2 6 第3 章基于模糊模型的开关磁阻电机转子位置间接检测方法的研究2 7 3 1 无位置传感器技术的理论基础2 7 3 2 基于模糊推理规则的转子位置估算方法2 8 开关磁阻电机转子位置间接检测技术的研究 3 2 1 采用模糊算法的优势2 8 3 2 2 转子位置模糊推理估算方法一2 8 3 2 3 转子位置估算中的噪声和误差分析。3 4 3 2 4 估算模型的鲁棒性3 5 3 3 基于模糊模型的转子位置检测算法原理3 6 3 4 本章小结4 l 第4 章无位置传感器s r d 系统的仿真研究4 2 4 1 仿真工具介绍4 2 4 2s r d 控制系统仿真研究4 2 4 3 基于模糊模型的转子位置估计方法仿真5 0 4 4 本章小结5 2 第5 章开关磁阻电机实验系统5 3 5 1 实验系统硬件设计5 3 5 1 1 系统构成5 3 5 1 2 开关磁阻电机一5 3 5 1 3 功率变换器。5 3 5 1 4 数字控制器5 4 5 1 5 电流信号检测5 5 5 1 6 电压信号检测5 5 5 1 7 位置信号检测5 6 5 2 实验结果分析5 7 5 3 本章小结5 8 第6 章总结与展望5 9 参考文献。6 l 致谢6 5 论文发表及科研工作6 6 i v 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ，简称s r d ) 是继直流 电动机调速系统和异步电动机变频调速系统之后，又一极具发展潜力的新型调速 系统。它融现代电力电子技术、微计算机技术和电机控制技术为一体，是种典 型的机电一体化产品。又因其具有结构简单坚固，控制灵活，易于调速，可靠性 高，容错性强等特点，即使在恶劣的环境下也能保持高性能运行，且在宽广的调 速范围内均具有较高的效率。开关磁阻电机调速系统是现代传动系统中强有力的 竞争者，有着广阔的发展前景，是当代电气传动的热门课题i l 吲。 1 1s r d 的发展概况及研究方向 1 1 1s l m 的发展概况 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s r m ) 的雏形最早可追溯到 1 9 世纪4 0 年代，当时的电机研究人员已认识到利用顺序磁拉力使电机旋转是简 单易行的，但直到2 0 世纪6 0 年代，随着电力电子技术和微处理器技术的发展， 开关磁阻电机才真正得以实现，并重新获得了重视。1 9 6 9 年美国学者s a n a s a r 撰写的论文中描述了这种电机的两个基本特性：开关特性和磁阻性。早期双凸极 结构磁阻电机无法解决换相问题，直到1 9 8 0 年，英国l e e d s 大学e j l a w r e n s o n 教授等人在著名论文( ( v a r i a b l e s p e e ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( 变速开关磁阻 电动机) 1 4 】中创造性地提出了容电力电子技术和电机设计于一体的设计观点， 才彻底解决了这一问题，并且使得新型磁阻电机的单位出力可以与交流异步电机 的单位出力相媲美，甚至还略占优势。从而( ( v a r i a b l e s p e e ds w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r ) ) 这篇文章也成为现代开关磁阻电机理论的奠基之作1 5 j 。 由于开关磁阻电机具有结构简单坚固，成本低廉，调速性能独特等优点，一 问世，各国相关领域研究人员就对其表现出了浓厚兴趣。近三十年来，国内外对 开关磁阻电机的研究非常活跃，国际上研究的热点课题包括：开关磁阻电机的非 线性建模与仿真，电机本体设计，功率变换器拓扑，调速系统控制方法，转矩脉 开关磁阻电机转子位置检测技术的研究 动抑制，无位置传感器控制等。开关磁阻电机在家用电器、电动汽车驱动、伺服 系统和执行部件、风机水泵、牵引电机、高速电机、航空发电机等场合已得到成 功应用，显示出了强大的市场竞争力，成为调速系统中发展较快的新型电机。 我国早在1 9 8 4 年就展开了对开关磁阻电机的研究，是国际上对开关磁阻电 机研究起步较早的国家之一。目前己经有许多院校和企业投入了力量，并逐步从 实验室走向生产和实际应用。 1 1 2s r d 的研究方向 由于开关磁阻电动机的发展历史短，涉及面广，在理论和应用上仍存在诸多 值得研究探讨的课题，目前，s r d 的研究方向主要集中在以下几个方面【6 ，7 1 ： ( 1 ) s r 电机建模的研究 s r 电机数学模型的精确建立与描述是电机高性能控制的基础，它直接决定 和影响电机的优化设计、电机的效率评估、电机的动态性能分析等，但是由于 s r 电机的非线性使其较为困难。因此国内外广大学者对如何建立比较精确的s r 电机数学模型的研究一直没有停止过。目前对s r 电机建模的研究己经取得了一 定的成果，它们包括线性法、准线性法、表格法、函数解析法、神经网络法和有 限元分析法等。 ( 2 ) 对转矩脉动及噪声的理论研究 s r 电机的转矩脉动及其引起的噪声是s r 电机一个颇为突出的缺点，这限 制了其在更多场合下的应用。因此，研究抑制s r 电机的转矩脉动和噪声也是改 善s r 电机性能的重要课题之一o 】。减少s r 电机的转矩脉动、噪声的关键在于 如何减小作用在定子上的径向力。可以从s r 电机自身的结构设计和控制角度两 个方面对转矩脉动和噪声进行抑制。 ( 3 ) 功率变换器方案的确定和主开关元器件的选择 功率变换器主电路的结构形式在很大程度上决定s r d 的性能和制造成本。 功率变换器是根据控制器的指令输出直流脉冲电压分配给电机各相绕组工作的， 方案类型很多。随着电力电子技术的发展，如何合理地选择主开关元器件的类型、 数量及容量也是十分重要的课题。 ( 4 ) 电机铁耗及效率分析 2 江苏大学硕士学位论文 铁耗是影响电机效率的主要因素之一，s r 电机的双凸极结构使得铁心损耗 的计算十分困难。由于s r d 的供电波形复杂，局部磁路饱和以及步进运动状态， 定子铁心损耗很难得到精确的解析式，转子铁心损耗就更难精确计算了。又因为 s r 的铁耗直接影响计算机仿真结果和对电磁计算的准确与否，因此有必要对它 进一步分析探讨。 ( 5 ) 无位置传感器检测转子位置方案的研究 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 电机结构简单的 优势，而且降低了系统高速运行时的可靠性。因此，研究无位置传感器检测转子 位置的方案成为众多科研人员十分关注的课题。 1 2 无位置传感器s r d 的研究现状 1 2 1 无位置传感器s r d 的研究意义 位置检测环节是s r d 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转速信息。转子位置检测的方案有很多种， 一般可以分成：有位置传感器转子位置检测和无位置传感器转子位置检测两大 类。 有位置传感器转子位置检测是指通过使用光电式、电磁式、磁敏式等角度位 置传感器直接获得转子位置信息的检测方法。这类方法易于实现，但同时也面临 着许多问题。首先，位置传感器的存在增加了s r d 结构的复杂性，提高了制造 成本；其次，位置传感器受环境因素影响很大，从而大大降低了s r d 运行的可 靠性；最后，由于需要额外的空间安放位置传感器，增加了电机结构的复杂性， 增加了控制的变量和难度，使维修很不方便【l 。 无位置传感器转子位置检测是指在s r 电机运转过程中，利用s r 电机本身 具有的相绕组或者s r 电机内部增加的电容、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 电机无位置传感器转子 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，利用s r d 的某些电气参数来解算或估算转子位置。无 位置传感器转子位置检测技术与有位置传感器转子位置检测技术相比有如下一 开关磁阻电机转子位置检测技术的研究 些优点： ( 1 ) 因为取消了位置传感器，使得电机结构简单， ( 2 ) 实现方法是利用s r d 的电气参数与转子位置的函数关系解算出来的； ( 3 ) 能得到连续的转子位置信息以利于优化控制； ( 4 ) 抗环境干扰能力强； ( 5 ) 可靠性高。 但也存在以下不足： ( 1 ) 需要研究电机的静态、动态特性，且对控制器的运算速度有较高要求； ( 2 ) 精度略低。 总之，无位置传感器s r d 提高了系统的运行性能，拓宽了系统的应用领域， 具有重要的实际意义。 1 2 2 无位置传感器s r d 的国内外研究现状 迄今为止，各国学者对s r d 的转子位置无位置传感器检测技术从各种角度 作了大量研究，提出了多种无位置传感器检测方案，这些研究方法大致可以分为 非激励相自感检测法、激励相自感检测法、相间互感检测法、附加电元件检测法 以及磁链法这几类。 ( 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【1 2 】。 脉冲注入法 脉冲注入法是利用功率变换器向非激励相输入检测脉冲，瞬态电感的信息可 以由输出电流信号波形反映出来，从而利用相电感与转子位置的对应关系获得转 子的位置角。但是，如较高的直流母线电压直接通过功率变换器输入到被检测相， 必然导致较大的检测电流，产生不希望的额外转矩分量，从而影响s r 电机正常 稳定运行。当电机高速运行时，励磁电流将会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，脉冲激励法一般在低速起动情况下使 用【1 3 1 。 调制法 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 4 江苏大学硕士学位论文 频率高得多的载波信号。因为相电感随着转子位置的变化而变化，所以经过相电 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，就能估 算出转子的位置角。根据所调制物理量的不同调制法可分为频率调制法 ( f m ) 【1 4 , 1 5 】、幅值调制法( a m ) 和相位调制法( p m ) 【1 6 1 。 f m 法的基本思想是获得一系列频率随着相电感线性变化的信号，载波信号 通常选择方波信号。用一个简单的l f 功率变换器，使输出信号的周期和相电感 保持线性关系。 a m 法和p m 法则是分别对相电流的幅值和相位进行检测。当载波信号( 常 用正弦信号) 输入到非激励相时，输出电流的幅值和相位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。首先对输出信号进行解调等相关 处理，就可获得相电感的变化信息，再利用转换表格或者是反函数等方法就可得 到转子的位置角。通常a m 法和p m 法的载波信号频率要比相电感的变化频率高 得多，因为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 相绕组的电感在时刻变化，这是一个动态的过程，要想得到转子的位置角就必须 先对反映电感变化信息的输出电流信号进行解调，然后再进行精确的求导等一系 列运算。然而，庞大的计算很难满足电机实时控制的要求。通过数学分析和仿真 实验发现，在电感比较大时，幅值的变化要比相位的变化剧烈；而在电感比较小 时，相位的变化要比幅值的变化明显。因此为了提高检测精度和灵敏性，可以将 两者结合起来，较大电感范围，用a m 法；较小电感范围，用p m 法。 非激励相检测法需要在被检测相处于非激励状态时从外部注入检测信号，为 了避免s r 电机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，这就增加了控制线路的复杂性。另外， 如果从外界输入的信号过大，还将会影响s r 电机的正常运行。 ( 2 ) 激励相自感检测法 电流波形检测法是激励相自感检测法中最典型的检测方法【1 2 , 1 6 ，该方法由英 国剑桥大学的a c a m l e y 等人于1 9 8 5 年提出，是最早的无位置传感器检测方案。 s r 电机在运转过程中，随着转子得位置变化会产生瞬间反电动势( ( e m f ) ，而e m f 又会对激励相的电流波形有一个“调制 作用，因此通过检测相电流的波形变化 情况就可以间接获得转子位置角的信息。这种基于e m f 的电流波形检测法，具 开关磁阻电机转子位置检测技术的研究 有成本低，易于实现的优点，但是可靠性不高，适用范围也比较小。特别是在 s r 电机低速运行时，由于瞬间反电动势几乎为零，因此e m f 对电流波形的影响 很小，以致这种检测法难以实现。 相电感的变化要通过相电流波形的变化表现出来，又因为相电感是转子位置 角的函数，所以相电流的变化率与转子位置角密切相关。因此通过检测相电流的 波形可以得出相电感的变化率，从而间接获得转子的位置角。选择一个阻值较小 的检测电阻串联在相绕组电路中，从而电阻两端的压降为v ，这就可以作为电流 波形的“监视器 ，反映电流波形的实时变化情况，于是转子的位置角就可以根 据提取出的绕组电感的变化信息估算出来。该方法和基于e m f 波形的检测法相 比，适用范围宽，实现电路简单，成本低，并且能够实现转子位置角的连续检测。 激励相检测法的原理是通过激励相导通时表现出来的相绕组特性来检测转 子位置，不需要像非激励相检测法那样从外部注入激励信号到被检测相，因此简 化了检测电路。但是，因为被检测相中的电流比较大，从而使绕组磁路饱和，所 以激励相检测法就必须考虑电机本身非线性特性的影响，否则检测精度将很难提 高。另外，当使用激励相检测法检测s r 电机的初始位置时，相应的检测脉冲必 须从主电路中注入，而当检测脉冲持续时间较长时，相绕组中就会产生较大的电 流，这将会影响s r 电机的起动，我们不希望看到这样的结果。 ( 3 ) 相间互感检测法 所谓相问互感检测法即是通过检测相间因为互感效应而产生的感生电压来 检测转子位置角方法【l l 。 s r m 工作过程中，非激励相因与激励相间的电磁耦合，产生随转子位置而 变化的感生电压，检测非激励相的感生电压即可实现对转子位置角的间接检测。 绕组间互感主要是由激励相的漏磁通经其它相闭合产生。激励相磁链的大小和转 子的位置角决定了漏磁通的大小。如能通过实验的方法，得到已校正好的互感电 压与转子位置角的对应关系表，就能通过互感电压值查到此二维表格，从而获得 转子的位置角。s r m 任一非激励相均可被选为检测对象，转子从完全非对齐的 位置到完全对齐的位置的转动过程中，选定的非激励相的互感电压会产生由正最 大值到负最大值的周期性变化。 此方法可直接检测出电机本身内部的感应电压信号，无需从外部输入检测脉 6 江苏大学硕士学位论文 冲；且此方法的信号处理电路和检测电路实现也简单，特别适用于中、低速的应 用领域；此法对功率器件因频繁开关而产生噪声的抗干扰能力也较强。但应用于 高速领域时，需要庞大的计算，实时性无法保证，因而失去了使用价值。所以， 互感电压检测法仅用于转速小、电流值基本不变的电流斩波控制的应用场合。特 别值得注意的是：常规的s r m ，其互感值相对自感来说很小，再加上反电势、 漏磁等因素的影响，互感电压会很小，并不容易检测出，使得此方法在实际的应 用中难以实施。 ( 4 ) 附加电元件检测法 附加电元件检测法主要包括附加电感线圈检测法和附加电容检测法。 附加电感线圈法 此法是将独立的测试线圈与相应的定子绕组线圈绕一起，转子位置信息从测 试线圈中的电感变化规律得到【1 8 】。可通过r l c 串联谐振技术对转子位置进行正 确求解。一般定子主绕组线圈采用顺串接法，线圈可顺串，也可以反串。顺串时， 优点是灵敏度和电感幅值较高，缺点是容易受到主绕组的工作电流干扰；反串时 的情况则正好相反。 附加电容检测法 此法是检测嵌入到s r m 中的电容极板的电特性随着转子位置变化而变化的 值【1 7 l 。将金属平板安装在定子的槽中，注意要保证平板的中心线与定子的槽中心 线重合，这样转子成为动极板，平板成为电容器的定极板。转子旋转时，电容器 的极板间距与相对面积都会随着转子位置变化而变化，因此其电容大小是一个关 于转子位置角秒的周期函数。若能将电容量转为可测的电量，适当的处理后，即 可得到相应的转子位置信息。 此法与传统的基于电感量检测很不同，它是通过转子位置角与电容的关系来 确定在实际运行时定、转子的相对位置的；它无需考虑电机负载、相绕组中的运 动电势及电流的影响，且对电机运行状态亦没有影响。此电容式检测法结构简单、 灵敏度高、适应性强。 附加电元件检测法的缺点是需要在s r m 内部某些部位添置相应的电元件， 会增加s r m 的制造工艺复杂程度。要使用电容检测法，须在每个线槽内放置一 个电容极板，若是这些电容极板放置不一致，那么这些电容极板相对转子位置变 7 开关磁阻电机转子位置检测技术的研究 化的特性就会不一致，检测时必然会产生较大的误差。此外，附加电元件检测法 中，s r m 不但要在其内部附加特点的电元件，还须将这些电元件的信号线引出 s r m ，这样就增加了s r m 的引线端子。 ( 5 ) 磁链法 磁链法首先是由h e d l a n d 提出的。此法最初算法思想是：由于s r m 的凸极 效应，不同转子位置有不同的磁链一电流曲线，若能测得对应着不同转子位置的 磁链电流曲线簇，即能建立出关于位置、电流和磁链的三维表，并将其存在内 存中，计算出每一时刻的绕组磁链，由计算得到的磁链值和当前绕组的采样电流 值，即可查表得到当前转子的位置。s r m 具有高度的非线性特性，仅采用各种 基于线性化特性假设的间接位置检测方法，无法应用于需要精确检测转子位置的 场合。用磁链法检测，其直接检测的量是相电压和相电流，检测电路和检测方法 均比较简单。磁链检测法的重点和难点是如何通过检测到的相电压和相电流的信 息来估计出转子的位置角。许多学者已围绕这问题做了大量的相关探索工作。 目前已发展起来的磁链检测法主要有：查表法、状态观测器法、基于模糊逻辑及 神经网络检测法。 查表法 与其他检测法相比，查表法原理简单，最容易被人接受。检测前先用实验数 据建立出描述电机转子的位置角与电流和磁链间的特殊关系的二维数字表。检测 时，只需检测出电机的相关特征参数值( 如电流、磁链等) ，然后查询标准表，用 线性插值法即可得到对应的转子位置角。此法速度快且操作简单，但需较大的内 存空间用来存储标准表，精度要求越高，标准表格就要做得越大，内存需求也相 应越大，因此不适合于嵌入式系统的应用场合。 状态观测器法 状态观测器检测法，首先要根据电机的电磁特性建立相电流、电压、电阻、 电感、磁链等参量间的关系方程式；其次要根据电机本身的机械特性建立位置角、 转速、转动惯量及粘性阻尼系数等机械参量间的关系方程式。通过忽略一些次要 的因素，对方程式进行适当的简化( 对结果可进行一定的补偿) ，选取适当的输入 变量( 如电压) 、输出变量( 如电流) 和状态变量( 如位置角，转速，磁链等) ，建立由 电机本身一些固有的物理参数决定的模型方程及特征状态观测器；最后由状态观 8 江苏大学硕士学位论文 测器通过检测得到的输出相电流信号和输入相电压信号估算出相应的转子位置 角1 1 9 1 。 此法可很好地适应参数如转动惯量及电阻的变化；可很好地解决s r m 的非 线性问题，进行连续的位置估计。但这种方法基于模型，比较复杂，不但需要精 确知道电机及负载的相关参数，还需要较大的查询表格和复杂的数学计算。存储 查询表需要较大的内存，复杂的数学计算需昂贵的高速微处理器以保证算法的实 时性，且要求输入信号较精确，此法的抗噪声干扰能力差。 人工智能法 基于人工智能的运动控制技术近年来掀起了世界范围内的研究热潮。许多国 内外学者专家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【2 0 2 。 使得基于模糊逻辑及神经网络的s r m 转子位置检测方法得到了极大的发展。 此法的重点是建立s r m 的模糊模型( 模糊规则库) 。根据电机的电磁特性建 立出相应的模糊规则，须检测收集的特征信息主要包括两个方面：第一，电流、 转子位置角及磁链之间的静态关系曲线，曲线反映了s r m 相绕组本身所固有的 电磁特性；第二，电机动态过程中的波形特性，此特性反映了涡流、温度变化及 绕组电磁耦合( 如互感等特性) 等效应的影响。定义电流和磁链为输入，对应的转 子位置角为输出，通过这些数据对系列训练，从而建立模糊模型。经过训练后， 通过产生的模糊逻辑规则库即可定义从输入电流和磁链到输出转子位置角的映 射函数。 这种基于模糊逻辑的检测方法适用范围宽，无需附加外部检测信号或外部检 测电路，无需复杂的数学计算，无需建立电机数学模型，实时性好，无需预存很 大的表格，因而对内存的要求不高，鲁棒性好，抗噪声干扰能力强。 智能检测技术的另一个典型应用是基于神经网络( a n n ) 的s r m 转子位置的 间接检测技术。a n n 理论上能逼近任意非线性有理函数，且比其他的逼近方法 更加地容易建立出模型，为解决非线性的控制领域问题提供了有力的工具，也为 解决非线性比较严重的s r m 相关问题提供了新的方法。a n n 需面向s r m 建立 出一个有效映射结构，要该网络结构能根据相电流和相磁链准确估算出转子位 置。利用a n n 网络进行位置估计之前，需对其进行有效的训练。训练的数据一 般是由实测得出的，测量时，将转子固定在一系列不同的位置，给绕组添加不同 9 开关磁阻电机转子位置检测技术的研究 数值的相电流，记下不同相电流值下对应的磁链值。这些有对应关系的相电流值、 转子位置角和磁链值都是神经网络的样本数据。如果给定的数据点足够，a n n 就能建立起合适的关于磁链沙、转子位置角0 和相电流i 的相互关联的网络结构， 实现对转子位置的估计。 上面两种基于智能的检测技术有很多的相似处，都是在电流和磁链数据的基 础上进行估计；都无需建立反映s r m 电磁特性的精确模型，实际运行时只需实 时检测的一些相关物理量，运用各自的算法进行判断求取即可，可以说基于模糊 逻辑和神经网络的方法都是采用无模型位置的检测方案。整个检测过程两种方法 都只依赖于磁链数据，因而，系统的其他参量，比如惯量、阻尼系数和转矩等都 不会对估计产生影响，成功地避免了因s r m 本身所固有的非线性而导致的一些 麻烦，成为一种较为普遍的位置估计方法。缺点是对软硬件的要求高，运算复杂。 1 3 本文主要研究内容 本文各章的主要内容为： 第一章为绪论，介绍了s r d 的发展概况和研究方向，分析了无位置传感器 s r d 的研究现状，对无位置传感器检测方法进行了综述。 第二章为开关磁阻电机的基本理论，阐述了开关磁阻电机的基本结构和工作 原理，分析了开关磁阻电机的理想线性、准线性和非线性数学模型，并讨论了开 关磁阻电机的三种控制方式。 第三章为基于模糊模型的开关磁阻电机转子位置间接检测方法的研究，介绍 了基于模糊推理规则的转子位置估算方法，分析了转子位置估算中的估算误差和 鲁棒性，讨论了基于模糊模型的转子位置检测方法原理，这其中给出了提高估算 精度的方法。 第四章为无位置传感器s r d 系统的仿真研究，本章应用仿真软件 m a 【l a b s i m u l i n k 建立了s r d 的仿真模型，分别对s r d 两种基本控制方式 及基于模糊模型的转子位置估计方法进行了仿真研究。 第五章为开关磁阻电机实验系统，主要介绍了开关磁阻电机控制系统的硬件 设计。 第六章为总结与展望。 l o 江苏大学硕士学位论文 第2 章开关磁阻电机的基本理论 2 1 开关磁阻电机的基本结构和工作原理 开关磁阻电机2 2 】是一种双凸极( 即凸极定子和凸极转子) 的无刷变磁阻电 机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子上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级磁极，被称为“一 相。 开关磁阻电动机可以设计成很多种不同的相数结构，而且定、转子的极数也 有很多种不同的搭配。相数越多，步距角越小，这有利于减小电机的转矩脉动， 但是结构复杂，并且主开关器件会相应增多，从而增加功率电路的成本。目前应 用比较多的是三相以及三相以上的开关磁阻电机，这是因为三相以下的开关磁阻 电机没有自起动能力。定转子要不断形成偏离最小磁阻位置的磁路，这是开关磁 阻电机转矩形成的原理，所以需要不同的定转子极数，一般定子极数要大于转子 极数。定转子极数的差值即为一相所对应的磁极数。因此8 6 结构的开关磁阻电 机定子有8 个齿极，转子有6 个齿极，每相对应两个励磁极，共四相。图2 1 为 四相s r 电机结构原理图。为简单计，图中只画出了a 相绕组及其供电电路，其 它各相绕组及其供电电路与a 相相同。 u s 图2 1 四相s r 电机结构原理图 开关磁阻电机转子位置检测技术的研究 s r 电机结构上与步进电动机相似，而其运行原理遵循“磁阻最小原理”一 一磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻 位置时，必须使自己的主轴线和磁场的轴线重合。图2 1 中，当定子d d 极励 磁时，所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线l 一1 与定子极轴线啪 重合的位置，并且使d 相励磁绕组的电感最大。如果以图中定、转子所处的相 对位置作为起始位置，依次给d a b c 相绕组通电，转子就会逆着励磁顺 序沿逆时针方向转动；反之，如果依次给b a d c 相通电，则转子就会以 顺时针方向连续旋转。由此可见，s r 电机的转向仅仅取决于相绕组的通电顺序， 而与相绕组的电流方向无关。另外，从图2 1 可以看出，当主开关器件s l 、s 2 导通时，a 相绕组从直流电源玑中吸收电t h - * 匕l ；而当主开关器件s 1 、s 2 关断时， 经过续流二极管v d l 、v d 2 ，绕组电流继续流通，并且回馈给电源玑。因此， s r 电机传动的共性特点是具有再生作用，系统效率甜1 ，3 】。 2 2 开关磁阻电机的数学模型 开关磁阻电机的数学模型有多种形式，通常可将它们分为线性模型、准线性 模型( 分段线性模型) 和非线性模型这三类。其中线性模型忽略了电动机的磁路饱 和以及磁场的边缘扩散效应，认为绕组电感和绕组电流无关；而准线性模型则是 将实际的非线性磁化曲线分段线性化，近似地考虑磁路的饱和效应。以上这两种 模型，电感参数均有解析表达式，在求解电机性能时，转矩和电流有解析解，因 此一般在定性分析时使用。事实上，由于电机的双凸极结构以及磁路的饱和、磁 滞效应和涡流所产生的非线性，再加上电机运行期间的开关性和可控性，在电机 运行时绕组电感不是常数，而是转子位置角和电流的函数。 2 2 1 开关磁阻电机的基本方程式 s r 电机的动态过程方程由电路方程、运动方程和机电联系方程这三部分组 成【1 1 。 ( 1 ) 电路方程： 根据电磁感应定律和能量守恒定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻压 1 2 般可以忽略相间互感，不需要考虑两相以上电流导通时定、转子轭部饱和在各相 之间产生的相互影响，此时磁链方程可近似表示为： = ( ：幺) = 厶( 幺，) ( 2 3 ) ( 2 ) 运动方程： 根据力学定律可以列出在电机负载转矩五和电磁转矩r e 作用下的转子机械 运动方程： c = ，警+ 。鲁+ 瓦 其中j 和d 分别为转动惯量和粘滞系数。 ( 3 ) 机电联系方程： ( 2 4 ) 根据机电能量转换原理，s r 电机的电磁转矩可以表示为磁共能对转子位置 增加的速率 瓦= 鼍产咧a l l 御) jl 一 一l 、l v ， 其中，仅k 相供电时的绕组的磁共能w 表示为： 形= f y ( 朋脚 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成： l = 瓦( 瓦；秒) 于是，由以上式子，就组成了s r 电机的基本平衡方程组。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 开关磁阻电机转子位置检测技术的研究 2 2 2 开关磁阻电机理想线性模型分析 为了弄清s r 电机基本特性和内部的基本电磁关系，可从简化线性模型入手 进行分析，假设： 忽略磁路非线性和磁通边缘效应，且磁导率= o o ，因此绕组电感l 是转子 位置的分段函数； 忽略所有功率损耗； 电机恒速运转； 功率管开关动作瞬间完成。 ( 1 ) 相电感分析 根据理想线性假设，在一个转子极距f ，内绕组电感l 与转子位置角乡的关系 曲线如图2 2 所示 2 3 , 2 4 1 。 厂 l 厂 ；厂、定子 ： i 转子 j下 l ( 0 )jr l m a x ： i ：l l m j 小 0 图2 2 绕组电感l 与转子位置角e 的关系 图2 2 中横坐标为转子位置角( 机械角) ，它的基准点为坐标原点口= o 的位 置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小值k i 。 在最砬区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值k 妯不变，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，便有一段最小 电感常数区，此时定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并且不随转子位置变化； 当转子转过0 2 后，相电感就开始线性地上升直到转到0 3 为止，0 3 是转子磁极前 沿与定子磁极前沿重叠的开始，此时定转子磁极全部重叠，相电感变为最大值 k ；同样，在b 幺区域内，定转子磁极一直保持全部重叠，相应地定、转子 1 4 ( 2 ) 绕组磁链分机 s r 电机一相电压的方程为： 虮= 氓+ 警 协9 ) 虬前取“+ 时代表绕组励磁阶段的外加电压，取“一 时则代表主开关 管关断后续流阶段所加的电压。由于电阻压降氓与d l d l 相l i , l b 4