（电机与电器专业论文）开关磁阻电机无位置传感器控制的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 方法，提出本论文的设计方案。 从相电感与转子位置之间关系开始分析，通过电感实时计 算的不可行分析，论证本设计的可行性，并说明系统的可能影 响因素忽略考虑的原因。提出方案的设计构思，具体阐述其原 理。介绍电机的自启动和检测电感的相选择，分析其实现的方 法，同时指出此设计方案的检测误差。 明确了系统的设计方案之后，在硬件设计中，首先介绍系 统的整体结构，确定控制电路中微处理器采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。 然后分别介绍系统硬件中主要电路的设计，包括d s p 最小系统、 f m 变换器、续流检测电路及相关辅助电路，论述了一些重要元 件及其参数的选择。在软件设计中，给出了控制系统主程序和 各个子程序的流程图。论述了部分软件的编制过程，给出了几 食主要子程序的设计思想和实现方法，系统的软件设计结构合 理，功能完善。并且说明了系统抗干扰的软硬件实现。 最后，将实验电机与设计的软硬件控制系统联合进行调试 实验，测得电路各个阶段波形，进行分析，验证所设计功能。 关键词：开关磁阻电机，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，间接位置检测，f m 变换器，调制 一2 一 北京交通大学硕士学位论文 s e n s o r l e s sc o n t r o lr e s e a r c hf o r s 、l t c h e dr e l u c t a n c em o t o r a b s t r a c t n es w i t c h e dr e l u c t 卸c e m o t o r ( s r m ) h a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nm i l i t a r y ，c o m m e r c i a l 柚dc i v i le q u i p m e n tb e c a u s eo ft h e a d v a n t a g e so f n e x i b l ec o n t r o ls t i a t e g y ； s i m p l es t l l l c t u r e ，h i g h r e l i a b i l i t y a n de x c e h e n t e l e c t r i cc h a r a c i e r i s t i c s b u tl h e p o s i t i o n s e n s o r c a u s e st h es r mp e f b f m a n c ct ot h e c e r t a i n 1 i m i c a t i o n ，t h e r e f o r e ，i tp a ym o f ea t t e n t i o nt ot h ep o s i t i o n s e n s o r l e s s c o n t r o ls t r a t e g ya n di t sr e a l i z a l i o nm e t h o dn o w a d a y s t l l i st b e s i s p r o p o s e sap o s i t i o n - s e n s o r l e s ss r mc 锄t r o ls y s t e mb a s e do nf m t e c h n o l o g y i nt h i ss y s t e m ，i n t e m a lc o m p u t a t i o ni se a s y ，e x t e r i o r e l e c t r i cc i r c u i ti ss i m p l e ，t h ee l e c t r i cc i r c u i te x a m i n a t i o ns e n s i t i v i t y i sh i g l l 柚dt h ev i b r a t i o nr e s i s t a n c ei ss t r o n g 皿et l l e s i sf i r s td e s c 曲e st h es r ma n di t sc 曲t r o l s y s t e m ， 一3 一 北京交通大学硕士学位论文 i n c l u d i n g t h es t m c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e o fs r m ， t h e c o m p o s i t i o n a n d p r i n c i p l e o ft h es i 己mc o n t r o l s y s t e m ， t h e c h a r a c t e r i s t i co fs r m ，a n d 扣j r l h e r l e a d st ot h eb a c k g r o u n da n d s i g n i f i c a n c eo fs e n s o r l e s sp o s i t i o nc o n t r o l ，a n dt h e nc o m p 甜e st h e i n d i r e c tp o s i t i o ne x a m i n a t i o nc o n 们1 彻dt h ed i r e c tp o s i t i o ns e n s o r c o n t r 0 1 b e s i d e s ，t h et h e s i s d e t a i li n t f o d u c e st h ei n d i r e c tp o s i t i o n d e t e c t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ht e n d e n c yr e l a t e ds r ms y s t e ma t h o m ea n di na b r o a da n da n a l y z e st h ew o r kp r i n d p l ea n dt h eu s e e 行e c to fe a c hs c h e m e 。 n r o u g l lt h ea n a l y s i s o ft l l er e l a t i o nb e 旧e e nt h e p h a s e i n d u c t a n c ea n dp o s i t i o n ，i ti s p f o v e d t h a tr e a l t i m ei n d u c t a n c e c a l 伽1 a t i o ni sn o tf e a s i b l e t l l l el h e s i si n t r o d u c e dt h em a i np r i n c i p l e a n dt h e d e s i l 驷m e n t a l i t yo ff mt e c h n o l o g y ，t h e na n a l y z e dt h e i n f l u e n c eb e t w e e nt b e m u t u a n yi n ( 1 u c t a n c e a n dt h e w i n d i n g r e s i s t a n c eo ft h ee x a m i n a t i o ne l e 硎cc i r c u i tc a nb en e 醇e c t e d ，a n d t h e np o i n t e do u tt h ee x a l l l i n a t i 咖e r r o r i nt h ep a no fh a r d w a r ed e s i g n ，t h ew h o l es c h e m eo ft h es y s t e m i sd i s s e r l a l e d t h e s y s t e m u s e st m s 3 2 0 u 毪4 0 7 ad s pa s m i c r o p r o c e s s o r t h eh a r d w a 陀d c s i g i io fs e v e r a lp r i m a f yc i 瑚i t s t 一 北京交通大学硕士学位论文 i sd i s c u s s e di n c l u d i n gt h ep r i m a f ys y s t e mo fd s p ，f mc o n v e n e r ， c u e n td e t e c t i o nc i f c u i ta n ds o m er e l a t e da s s i s t a n tc i r c u i t s t h e t h e s i sa l s og i v e st h ec b o i c em e t h o do fs o m ei m p o r t a n te l e c t r o n i c c o m p o n e n t sa n dt h e i rp a r a m e t e r s i nm ep a no fs o f t w a r ed e s i g n ， t h ed e s i g ni d e aa n dr e a l i z a t i o nm e t h o do ft h ep r o g r a ma r ep r e s e n t e d t h es y s t e ms o 矗w a r eh a sr e a s o n a b l es t n l d u r ea n dr e l a t i v e l yp e r f e c t p e r f b 珊a n c e a l s o ，t h er c a l i z a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea b o u t a n t i - j a m m i n gi se x p l a i n e d a t l a s t ，t h ed e b u g g i n ge x p e r i m e n l a lr e s e a r c hi si m p l e m e n t e do n s r ma n dl i s t sl h ew a v e f o 姗si ne a c hs t a g eo ft h ec i r c t l i c a f t e r o b s e i n g a n d a n a l y z i n ge a c hw a v e f b 舯， t h e t h e s i sd r a w sa c o n c l u s i o nt h a tt h ec o n t r o ls c h e m ep r e s e n t e da n d d e s i g n e d i s f e a s i b l e 柚dt h ed e m a n d e d 如n c t i o ni sr e a l i z e d k e yw 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 ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，i n d i r e c t p o s i t i o nd e t e c t i o n ，f mc o n v e n e r ，m o d u l a t i o n 一5 一 北京交通大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电机作为一种机电能量转换装置，在国民经济各个领域占有重要的地 位，而开关磁阻电机( s w j t c h e dr e l u c t 柚c cm o t o r ，简称s r m 或s r 电机) 作为一种新型调速电动机，具有控制灵活、结构简单、可靠性高、电气性 能优良等众多优势，随着现代电力电子技术、计算机辅助设计的高速发展， 以及d s p 和a r m 等高性能微处理器的诞生和广泛应用，形成s r 电机应 用的新平台，大大促进开关磁阻电机调速控制系统( s w i t c b e dr e i u c t a n c c d i v e r ，简称s r d ) 的快速发展，使之成为现今科学领域的热门课题，并 使s r 电机广泛应用于军用、商用和民用设备中。 1 1 1s r 电机的特点 s r 电机作为一种新型调速电动机，有如下优点： l 、可控参数多，调速性能好，且可以四相限运行，能实现特定要求的 调速控制； 2 、转子没有绕组也没有永久磁铁，由硅钢片叠压而成，定子为集中绕 组，结构简单坚固。一般说来，中小功率的通用型s r 电机调速系统的成 本低于同功率的异步电机变频调速系统，特别是小功率s r 电机调速系统 具有较高的性能价格比： 3 、转子无绕组，励磁损耗主要产生在定子，电机易于冷却，且在很宽 的调速范围内效率和功率因数都较高； 4 、能够在非常高的转速下运行； 一9 一 北京交通大学硬士学位论文 5 、较小的起动电流，能取得较大的起动转矩，起动时没有冲击电流； 6 、坚固耐用，特适用于环境比较恶劣的场合，如高温和强振动环境； 7 、s r 电机由单相电流驱动，逆变器电路中每相可以只用一个开关器 件，因此线路简单，可靠性高，成本低。 s r 电机的主要不足之处在于：由于双凸极结构和磁路饱和的非线性影 响，使s r m 的合成转矩是含有一定谐波分量的脉动转矩，谐波的存在对 s r m 的低速运行性能有影响。因为功率变换器输出的是不规则电流脉冲， 一般导致振动噪声较大、低速转矩脉动较大，并且相数越多，主接线数越 多；需要根据定、转子的相对位置投励，不能像异步电动机那样可以直接 接入电网作稳速运行，而必须与控制器一同使用等。值得指出的是，对s r m 的最新研究表明，s r m 上述缺点通过对s r m 的优化设计和采取更为合理 的控制方案，是可以得到改进的。 1 1 2s r 电机及s r d 的研究发展方向 s r 电机系统涉及电机、徽电子、电力电子、微机控制、机械及工程 应用等多方面。虽然理论研究及应用己取得一些成果，但开发时f i 自j 尚短， 在许多方面还有待完善。 。 1 、进一步完善s r 电机的设计理论 虽然目前在s r 电机结构形式、电磁场分析、电磁设计、性能计算及 参数优化等方面已取得了大量的研究成果，但是存在诸多函待解决的问 题。s r 电机的非线性使其性能分析和计算较为困难。目前，采用二维非 线性有限元方法分析s r 电机内的饱和磁场具有局限性：第一，对以路为 基础的设计方法研究不够：第二，现有场的方法精度有待提高，应考虑端 部效应，开展s r 电机三维场的研究。在此基础上，开展计算机辅助设计， 向智能化方向发展。 2 、s r 电机的建模问题1 7 l s r 电机的非线性使其性能的精确分析和计算较为困难。因此如何建 立比较精确的s r 电机的数学模型，也是国内外广大学者一直研究的问题。 一1 0 一 北京交通大学硕士学位论文 最近几年，国内外关于s r d 系统的研究的一个主要方面是针对s r d 系统 的数学模型的建立及其稳态性能和动态性能的仿真计算。s r 电机的电感 在分析和设计s r d 的稳态性能和动态性能是非常重要的。由于s r 电动机 的定、转子采用双凸极结构，电机在运行时其定、转子极身存在着显著的 边缘效应和高度局部饱和，从而引起了整个磁路的高度非线性，其每相绕 组的电感是电流和电机转予位置角的非线性函数l ( o ，i ) ，因此很难准确 建立s r 电机的非线性电感模型。 目前，关于s r 电机电感建模的方法主要有理想线性模型、准线性模 型、非线性模型和数值方法。 3 、无位置传感器的s r 电机调速系统的研究 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 感器检测转予位置的方案成为提高s r d 性能的一个重要途径。 4 、加强对转矩脉动及振动、噪声的理论研究 s r 电机转矩脉动及振动、噪声是s r d 比较突出的缺点，这限制了s r 电机在更多场合下的应用。因此，研究减小s r 电机转矩脉动及振动、噪 声的方法也是改善s r d 性能的重要课题之一。 减小s r 电机的振动、噪声的关键在于如何减小作用在定子上的径向 力。减少s r 电机的转矩脉动主要从两个方面着手：从s r 电机自身的结 构设计上，主要是设计合理的极的形状，定子磁轭强度和电机刚度，合理 选择气隙、极弧参数及励磁方式，优化绕组的拓扑结构；从控制的角度看， 主要是优选导通角和关断角及调节脉冲宽度，尽可能调节好各相工作参数 的对称性。根据s r d 的动态性能，采取合适的控制技术。 5 、铁损耗分析与效率研究 s r 电机调速系统是高效调速系统，但s l 的铁损耗的计算却是难度 很大的课题，这是由于电机供电波形的复杂、电机局部磁路的深度饱和及 电机的步进运动状态以及双凸极结构的特点所导致的，这些因素导致电机 工作时定子铁芯损耗很难解析，转予铁芯损耗更难计算。而电机的损耗却 一l l 北京交通大学硕士学位论文 是影响效率的重要因素，所以如何建立铁损耗计算的数学模型、提高计算 实用性和精度、研究损耗分析测试手段也成为一个重要的研究方向。 6 、智能控制在s r d 中的应用研究“” s r 电机调速系统是一个多变量、强耦合的非线性系统。在不同的控 制方式下，其参数和结构都是变化的。如何将不依赖于被控对象数学模型 的智能控制( i n t e l h g c n c ec 佣t r o l ，l c ) 引入s r d 中，提高整个系统的性能 指标，这也是一个非常值得研究的课题。 7 、完善s r 电机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计，使整体 性能最优 目前的研究，尚停留在仅对特定类型的s r 电机系统分析核算的水平， 只能完成局部的综合设计和个别参数的优化 1 2 课题的研究背景和意义 与交流变频调速、直流无刷等系统经历了几个阶段的研究发展相比， s r 电机及其控制系统的开发时间尚短，在许多方面还有待于补充和完善。 如前文所述，无位置传感器控制的s r 电机调速系统的研究就是其中的一 个重要研究方向。 位置传感器的存在使s r 电机结构简单的优点变得逊色，并且所用传 感元件得数目也因相数的增加而增多，既增加了系统结构的复杂性，又给 安装、调试带来不便，降低了系统可靠性，且由于传感器分辨率的限制， 使得s r 电机调速系统高速性能下降。这些问题的存在限制了s r d 的应用 领域，如以尺寸和重量作为主要约束条件的航空应用和成本为重要指标的 消费产品领域等，同时也削弱了s r d 的实用价值。 因此，探索不采用位置传感器而利用电机的电气参数信息间接确定转 子位置的s r d 对提高系统结构的坚固、运行可靠高效以及降低成本有重 要意义，可推动s r 电机的应用向更多领域发展。 一1 2 北京交通大学硕士学位论文 本课题研究源于工程应用项目，属于课题组理论研究的延伸。本系统 是为取消s r 电机的位置传感器，通过问接位置检测技术实现无位置传感 器控制系统而设计的，而课题的重点就是间接位置检测的实现。 间接位置检测技术的研究工作开始于8 0 年代初，近年来各国专家、 学者在间接位置检测方案的研究方面儆了大量的卓有成效的工作，相继在 i e e e 及l e e 等杂志上发表了百余篇有关间接位置检测技术的论文，使间 接位旨检测技术成为s r d 研究领域的重要课题之一。因此，研究成果不 断涌现，提出了众多实现方法，但是都还处于理论研究和尝试阶段，极少 能够实际应用产品控制当中，因此，此课题还存在着很大的研究开发空间。 以期通过自己的尝试和努力，能使课题研究向前发展并为同后的后续 研究打下基础。 1 3s r 电机介绍 1 3 1s r 电机结构及工作原理m 从结构上说，s r 电机是最为简单的电机形式。采用凸极定子和凸极 转子的双凸极结构，转子上不设绕组，也没有永磁体，仅由硅钢片叠压而 成，定子上仅有简单的集中绕组，制作工艺简单，图1 1 中所示电机简图 即为1 2 ，8 结构s r 电机结构示意图。 从原理上讲，可以说s r 电机就是大步距角步迸电机的延拓嘲。s r 电机结 构上与步进电机相似，运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻 最小的路径闭合。 定义s r 电机的三相电路分别为a 相、b 相、c 相。图1 1 表示1 2 8 极三 相s r 电机的a 相电路，s l 、s 2 是电子开关，d 1 、d 2 是二极管，c d 是直流母 线支撑电容，每四极对称定子绕组采用并联的形式在相应的极上得到径向磁场 组成一相绕组。b 、c 相电路与a 相相同并联在直流母线上。 一1 3 一 北京交通大学硕士学位论文 圉卜1s r 电机 相电路 f i g 卜1s 瑚p h a s eac i r c u i t 电机运行时，相绕组气隙随着转子磁极与定子磁极的中心线之间的角度变 化而变化，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极 间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。电机稳定运行时相电感以 4 5 。为周期变化。 当定子a 相磁极轴线o a 与转子磁极轴线o a 不重合时，开关s 1 、s 2 合上， a 相绕组通电，电动机内建立起以o a 为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、 定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭含。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时 磁路的磁通小于定、转子磁极轴线重合时的磁通，因此，转子将受到气隙中弯 ，曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，在图中所示位鼍a 相定予通电将产 生逆时针方向的转矩，电机逆时针旋转。 使用位置检测器检测转子位置信息，确定相之间的开通顺序，进行定子绕 组通断电，便可以使电机连续地顺时针和逆时针运行。 1 3 2s r d 的组成及原理1 2 】 s r d 调速系统由s r 电机、功率变换电路、位置检测器和控制调节单 元等部分组成( 如图卜2 ) 。s r d 的基本工作原理阐述如下：根据设定的 转速和机械负责情况，控制器通过一定的算法给出相应的控制电流，根据 位置检测器提供的转子位置信号适时地给出定子线圈地换相控制信号，使 电机有序地运转。调速系统是一个闭环系统，需要实时地根据实际转速进 一1 4 北京交通大学硕士学位论文 行电流大小地数值计算和调整，以保证电机转速地稳定。 图】一2s r d 组成框图 f i 9 1 2 s r ds t r u c t u r e s r m 是s r d 中实现能量转换的部件，也是s r d 区别于其它电动机驱动 系统的主要标志。 功率变换器向s r 电机提供运转所需要的能量，由蓄电池或交流电整流 后得到的直流电提供电源。s r 电机绕组电流是单向的，使得其功率变换器 的主电路不仅简单，而且具有普通交流及无刷直流驱动系统所没有的优 点，即相绕组与主开关是串联的，可以预防短路故障。s r 电机的功率变换 器主电路的结构形式与供电电压、电机相数及主| 丌关器件的种类有关。目 前应用较广泛的主电路为不对称半桥电路，结构图如图卜3 所示。 控制器是调速系统的中枢。它综合处理输入的速度指令、速度反馈信 号及电流传感器、位置传感器的反馈信息。由它来控制功率变换器中主开 关器件的工作状态。对应如图卜2 所示的三相s r 电机，若控制器发出一系 列控制信号和使各相主开关器件按照b _ a c 顺序导通时，则电动机可以按 逆时针方向旋转；若将主开关器件导通顺序颠倒，电机则反方向旋转。 电流检测是s r 电机电流斩波控制方式运行的需要，也是过电流保护的 需要。位置检测的目的是确定、转子的相对位置，即要用绝对位置传感器 检测定、转予相对位置，然后位置信号反馈至逻辑控制电路，以确定对应 相绕组的通断。目前实际应用中，一般都采用轴位置传感器或者其它类型 的探测式位置检测器来获得位置信息。 一1 5 北京交通大学硕士学位论文 图1 3 不对称半桥功率变换器主电路 f i g 卜3u n b a l a n c e dh a l 卜b r i d 睇p o w e rt r a n s d u c e rm a i nc i r c u i t 1 4 论文主要工作 本课题主要研究和设计s r 电机无位黄传感器控制系统，在实现预期 设计的前提下，应预留足够的接口和扩展能力，使之能与原有的电机控制 系统兼容，在同后的研究中，实现功能的补充和一些保护的添加与完善， 达到控制系统更优化设计。本课题研究内容如下： 1 ) 对s r 电机及控制系统进行原理性研究，对已有间接检测技术进行分 析、总结，提出本设计方案及理论依据，并加以证明。 2 ) 基于d s p 的控制系统的硬件配置和实现：包括d s p 最小系统设计、电 源转换设计、相电感谐振电路、带通滤波、波形调理电路、f y v 转换电 路、续流检测实现，以及隔离电路设计与电平转换等。最终完成方案 设计、原理图、电路板设计和硬件测试等。 3 ) 控制软件的开发：控制软件运行于微处理器d s p 上，以硬件电路为基 础，实现控制系统的各项功能。控制软件需要完成的任务包括：a d 采 样、波形的采集与处理、逻辑关系实现、控制算法和驱动控制信号输 出等。 4 ) 对控制系统进行联机调试。 5 ) 积累经验、打下基础，为课题以后的研究搭好平台。 一1 6 北京交通大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章简述了开关磁阻电机及其控制系统的基本情况，包括电机的结构 和工作原理、s r d 的组成及原理、s r 电机的特点，使对整个系统有个大 体的了解。然后通过电机发展方向的阐述，其中一个研究方向就是s r 电 机无位置传感器控制的研究，从而引出课题的研究背景和意义，最后描述 本论文的主要工作。 一1 7 北京交通大学硕士学位论文 第二章s r 电机位置检测技术 2 1 直接位置检测技术 实时位置检测是s r d 实施位置闭环控制的基础。有关位置检测的方 案有很多种，从大的方面来概括，可咀分为直接位置检测技术和间接位蠢 检测技术两大类。其中直接位置检溺技术是通过在s r 电机中增设位置传 感器来实现位置检测功能的，在相对已经成熟的s r d 中多采用直接位置 检测技术。典型的应用有：光电式、电磁式( 霍尔效应) 、磁敏式等。 1 、光电式传感器 光电式位置检测技术是目前在工程实践中应用最广泛的一种直接位 置检测技术。图2 一】为三相】2 8 结构s r d 的光电式位置检测器模型。光 电式位置检测器由齿盘和光敏管组成，图中p 】、p 2 、p 3 均为光敏管，位置 信息包含在这些光敏管的输出波形序列中，经过逻辑处理后就可以得到基 本的转子位置信号，如图2 - 2 所示。 卜| 一4 5 _ 叫 n 厂 厂 厂 ” 厂 厂 厂 s s 一。_ l 厂 厂 ，一1 s h 一 图2 一l 光电式检测器示意图 图2 一l 光电式捡测器示意图 f i 9 2 一lp h o t o e l e c t r i cc 眦kt r a y 图2 2s 曲的基本位置信号 图2 2s 曲的基奉位置信号 f j 9 2 吨s r d 如s i cp 。s j t i 伽s i g n a i s 二1 8 北京交通大学硕士学位论文 2 、电磁式( 霍尔效应) 传感器 电磁式直接位置检测器是基于霍尔效应原理而工作，由一个磁敏元 件( 霍尔元件) 实现磁场探测，为实现这一功能需要附加个与转予刚性 固定的圆盘，同时在圆盘的设定位置贴上磁钢，工艺和结构较为复杂，成 本也相对较高。图2 3 示出了霍尔式位置检测器的机械安装示意图。 o j 。一- ，。“、 =) - ，。j o o j ， 一j ， 。八n 八、 、 eo ) 、v 1 ；、 图2 3 霍尔式位置捡澍器安装示意圆圈2 4 电感式位置检淤器安装示意匮 f i 9 2 3h a p o s j t i o nd e t e c t o r f i 9 2 4i n d u c t a n c ep o s i t i o n d e t e c t o r 3 、电感式传感器 电感式位置检测器由电感线圈和固联在转子轴上的传感器编码盘组 成，其测试机理与光电式相类似，采用电感式可以提高抗环境干扰能力， 这一点要比光电式的优越，但是其机械结构和后续的处理电路都比光电式 的复杂。图2 4 示出了电感式位置检测器的机械安装示意图。 4 、分析结论 通过三种直接位置传感器的分析，可以得出如下结论： 直接位置检测器增加了s r d 机械结构的复杂性，并明显地加大了 s r 电机的体积，增大了工艺制造难度： 由于光敏管易受环境因素的干扰，会导致s r d 的工作可靠性下降； 增加了s i 系统的成本。 鉴于直接位置检测技术的上述缺点，有必要探索和研究新的位置检测 方案以克服直接位置检澳4 技术所固有的弊端，这便促使了间接位置检测技 术的诞生和发展。 一1 9 北京交通大学硕士学位论文 2 2 间接位置检测技术特点 同直接位置检测技术相比较，间接位跫检测技术具有下述特点： 1 、机械结构简单 使用位置传感器实现转子位置信息的检测，采用了一些机械结构( 如 光电式位置传感器的齿盘) 来配合角位移传感器实现位置检测功能，从而 使电机的机械结构变得复杂。而无位置传感器的位置检测方案“1 则是利用 s r d 的一些电机参数( 主要是s r d 的相电感) 是转子位置e 的函数关系来 解算转子位置信息的。所以，能省去因位置检测目的面设置的机械结构， 从而大大简化了电机的机械结构。 2 、不存在机械误差 使用位置传感器附加了一套机械结构，在加工、安装的过程中引入的 误差会影响位置信号的准确性，而无位置传感器无须机械结构，故不存在 机械加工、安装引起的误差。 3 、可靠性高、抗环境干扰能力强 光电式位置检测器是传统的位置传感器，它易受电磁干扰、粉尘、潮 湿等环境因素的影响，使可靠性大为降低，从而影响整体工作性能。而无 位景传感器位置检测技术是由电气参数关于转子位置的函数关系解算出 来的，所以它不易受外界环境因素的影响。从而保证了位置检测的可靠性， 提高了s r d 的整体工作可靠性。 4 、通过s 脚的电气参数特性实现位置判断 f 司接位置检测技术利用了s r d 的某些电气参数关于转子位置e 的函数 关系，并通过解算这种函数关系来获取转予位置信息。目前最为常用的方 案是利用相电感与转子位置之间的函数关系。 5 、精度要比使用位置传感器的略低 一2 0 北京交通大学硕士学位论文 间接位置检测器的精度要比直接位置检测器的略低，主要原因如下： 、电气参数关于转子位置的函数关系往往很复杂，由电气参数精确地解 算转子位置信息是不可能的；、存在着一定解算延时误差等。但实际上 对于位置检测并不要求绝对的精度很高，而是要求重复性好，对于检测精 度略低所导致的影响实际上可以通过控制策略或使用闭环控割来调整。 2 3 间接位置检测方法分类 对于众多的s r 电机间接位置检测方法，可以从不同的侧面将其分成 不同的类别。不过各种检测技术本来就是相互关联的，不能绝然分开的。 首先根据所选择的随转子位置变化而变化的被测物理量的不同，可分 为非激励相( u n e x c i t e d p h a s e ) ，自感检测法、激励相( e x c i t e dp h a s e ) 自 感检测法、相问互感检测法、附加绕组自感检测法、附加板极电容检测法 等。根据有无附加检测电元件，可将s r 电机闻接位置检测法分为附加电 元件检测法和相绕组检测法。 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激励相也可以是非激励相，它们分别对应于激励相检 测法和非激励相检测法。而附加电元件检测法在s r 电机内部的适当位置 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参量的特 性，可将s r 电机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，这一点在某些要求精确检测转子连续位置的场合( 不只是单 一2 1 北京交通大学硕士学位论文 纯测量出导通角和关断角) 中尤为重要，因为一般地为了提高s r 电机的力 矩质量比，将s r 电机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。 2 4 间接位置检测方法介绍 s r 电机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 很多的间接位置检测方法，分别阐述如下： 2 4 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。 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，利用裙电感与转子位置的对应关系可获得转 子的位箴角。但是，由于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 r 电机正常稳定运行。而且被检测相中的检测脉冲电流需要较长时 间才能衰减到可以忽略的程度，影响了位置检测的频率，降低了检测精度。 当然也可以另外专门设计一个电路给非激励相提供小幅值捡测脉冲，但是 附加外部硬件电路，增加了系统的复杂性和成本。上述两种方法均存在一 个激励相对检测精度影响的问题。特别是对于低压大电流的s r 电机，高 频切换的激励相大电流，对检测脉冲产生的干扰特别显著，因此脉冲注入 法不太适合低速大电流的电流斩波控制场合。 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转子位置 信息，若使用合适的解调技术，就可估计出转予的位置角。根据所调制物 理量的不同可分为频率调制法( 刚) 、幅值调制法( a 1 1 ) 和相位调制法( p m ) 。 一2 2 北京交通大学硕士学位论文 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。1 9 9 0 年以美国t e x a s 大学m e h s a n i 教授为首的学者们 提出的f m 技术检测位置方案，工作框图如图2 5 所示： 位 置 信 号 图2 5f l l 位置检测方案的整体工作框图 f i g z 一5 青o r kf r a m eo f 两p o s i t i o nd e t e c t i o nm e t h o d p m 和心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) 输入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；般大电感范围，用a m 法。 非激励相检测法( 除了相问互感检测法外) 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 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 一2 3 北京交通大学硕士学位论文 切换。另外，如果从外界输入的信号太大，将会影响s r 电机的正常运行。 2 4 2 激励相自感检测法 激励相自感检测法最典型的要数电流波形监测法。s r 电机在运转过程 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 转予位置角的信息。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，删f 对电流波形的影响小，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及，则电阻两端的压 降v ，就可以作为电流波形的。监视器。，时刻反映电流的波形变化，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。1 9 9 8 年，英国g l a s g o w 大学学者g a b r i e lg a l l e g o s 提出了电流监测法陋，原理框图如图2 6 所示。 匿榷豇僵 圆懂丑图徊 图2 6 电流检测法原理框图 f i 9 2 6p r j n c i p l ef r a 蹭o fc u r r e n td e t e c t i o n 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，是绕组磁路饱和所致。此外。激励相检测法在检测s r 电机初始位 一2 4 北京交通大学硕士学位论文 置时，必须从主电路中注入相应的检测脉冲，当检测脉冲持续时间较长时 将在相绕组中产生较大的电流，影响s r 电机的启动，这是所不希望的。 2 4 3 相间互感检测法【删 顾名思义，相闻互感检测法就是要通过检测相间由于互感效应产生的 感生电压来检测转子位置角的。 s r 电机在工作过程中，非激励相由于与激励相问的电磁耦合，会产生 随转子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。绕组问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 通过试验的方法，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询o = f ( u m u t a l ，i r e f ) 二维表格获得转予位置 角。s r 电机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( u n a l i g n e d p o s it i o n ) 位置到完全对齐位置( a l i g n e d p o s it io n ) 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。1 9 9 2 年e h s a n i 教授等人提出的利用测量s r d 相间互 感效应来检测转子位置的方案“”，原理框图如下图2 7 所示。 开 关 控 制 信 号 图2 7 相同互感位置检测技术原理框图 f i 9 2 7p r i n c i p l ef r 鲫eo fp o s i t i o nd e t e c t i o nb a s e do nm u t u a 】1 yi n d u c t a n c e 该方法赢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 一2 s 一 | | 雕翠彗净 净 北京交通大学硕士学位论文 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 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。 2 4 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 电机中的电容板极随转子位置 变化的电特性的一种法。金属平板被安装在定子槽里，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，电容器的极板问距和相对面积都随着转子位置变 化而变化，其电容大小是转子位置角。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予位置信息。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， 测试线圈即可顺串，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