（电机与电器专业论文）开关磁阻电机无位置传感器控制系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t ，n l es 谢t c h e dr e l u c t a i l c em o t o ri sg e t t i n gm o r ea n dm o r e 甜e n t i o nd u et oi t ss i r i l p l e s 仃u c t u r e ，r e l i a b l ep e r i o m a l l c e ，l l i 曲s 伽1 i 1 1 9t o r q u e ，w i d es p e e dr a i l g e 锄dh i 曲 e 伍c i e n c y a i l ds oo n s r mc o u l dw o r ku 1 1 d e rc e r t a mb a dc i r c u m s 伽1 c e ，s u c h 部： e x 句r e m e l yl l i g hs p e e d ，d u s 吼b j g l lt e m p e r a t u r e b u tt h ep o s i t i o ns e n s o r ，w i l i c hi s u s e dt op r o v i d ep o s i t i o nm e s s a g e ，i s l n e r a b l et om o s ef i a c t o r sa n de x p e l l s i v e t l l e s e i l s o 订e s sc o 曲的1o fs i t mc o u l dp r o m o t ei t sp e r f o n n 锄c e 蚰d e rb a dc i r c u m s t a l l c e ， a n dr e d u c et h ec o s ta n de n t i r ev o l u m e f o rs r m ，i t sn u x1 i i l l ( a g ei sd e t e n i 】【i n e db yp h a s ec u 玎e n ta 1 1 dr o t o rp o s i t i o n ，s ot 1 1 e p o s i t i o nc o u l db ed e d u c e d 劬mt h ef l u xa n dp h a s ec u r r e m t h ea n i 丘c i a ln e u r a l n e 铆o r k ( am 叼i sg o o da tn o n l i n e a r c t i o nf i t t i i l g ，s oi tc o u l db el l s e dt 0e s t h a t e 骶r o t o rp o s i t i o no nl 硫i i lo r d e rt 0r e d u c em ed s pc a l c u l a t i o nt i m eo fa n n ，w e s h o u l ds i m p l i 矽t h ea n n 埘t l lg o o da c c u r a c y 1 1 l en u xm e t h o dd e p e n d sg r e a t l yo n t ：h ea c c u r a c yo f f l u x h 1o r d e rt og e ta c c u r a t ef l u ) 【c u r v e s ，“sp 印e rl l s et t l ef “t e e l e m e n tm e t h o d ，d cp u l s em e t l l o da n da cm e t t l o dt 0a i l a l y z et l l ep r o t o t ) ，p e i i lt 1 1 i sp a p e r s o m e 缸菌n e dn e u r a ln e t w o r k sa r eu s e dt 0m o d e lm es i 己mi n m a t l 姬s i m u l i n k a r e rc o m p 疵gt h ep h a s ec u n e n tb e t w e e nt h es i i l l u l a t i o n r e s u l t 锄dm e a s u r e m e n tr e s u n ，l es 王洲m o d e l i n gh a sb e e np r 0 v e dt 0b ec o r r e c t o n t m sb a s i s ，w ec a i lm o d e lm es e n s o r l e s sc o n t r 0 1o f s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 赫v e a tl a s t ，0 nt l ：i eb a s i so fn l es r ms e n o rc o n 缸o lp l a t f o 肌，也ea c t u a lp o s i t i o np r o v i d e d b yp o s i t i o ns e n s o ra i l da c t u a lt r i g g e rp u l s e sa r eu s e dt 0c o m p a r ew i mt h ed e d u c e d p o s i t i o na n dt r i g g e rp u l s e s ，t t l er e s u l t 印p r o v e st h em e t h o di sc o r r e c t k e y w o r d s ：s 、衍t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，s e n s o r l e s s ，f l u xl i i l l ( a g e ，a r t i f i c i a ln e u r a l n 龇r k i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年 月 日 识 m 么 午才知 名 期 签 日 师 字 导 签 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本文是在我的导师李兴根副教授的悉心指导下完成的。从选题到最终完稿， 先生都给予了耐心、细致、严格的指导。先生缜密的思维、严谨的治学态度、 渊博的学识以及丰富的理论联系实际的经验让我受益匪浅。从先生身上，我不 仅学到了如何做学问，更学到了如何为人处世。在浙大的两年多时间，我在先 生的教导下得到了非常大的进步。在此，对先生表示最大的敬意。 我还要感谢我的同学沈磊博士和邹乾硕士，与其合作的时间是非常愉快的。 在这期间他们给予了我很多帮助，共同解决问题的快乐是很值得回忆的。另外， 杭州日恒科技有限责任公司的纪铜钊师兄和朱奇师兄也给予了很多支持，在此 表示感谢。同时也得谢谢我的师弟刘瑾、王海伟及师妹王欢，与他们互相探讨 学术和生活问题的时候总能得到启发。 最后，还要感谢我的家人长期以来的理解与支持。我的成长，缺少不了他 们的关心 付龙飞 2 0 1 0 年1 月2 3 日于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 引言 第一章绪论 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a i l c em o t o r ，简称s r 电机或者s r m ) 与传 统的交直流电机有着很大的区别，其运行遵循“磁阻最小原理”，即：磁通总要 沿着磁阻最小的路径闭合，由于磁场扭曲而产生切向磁拉力。开关磁阻电机概 念的提出可以追溯到1 8 3 8 年，但当时采用的是机械开关，并且是利用极其笨重 的蓄电池给s i 泓供电，根本不可能把s r m 的特性发挥出来。从2 0 世纪6 0 年 代中期开始，有赖于现代电力电子器件和计算机辅助电磁设计的快速发展， s i 蝴的性能得以不断提升，人们对于s r m 的关注逐渐增多。s i 蝴也因此进入 了飞速发展的时期，现在其性能可与现有的传统交直流电机相媲美【1 】l 【2 】。目前， s r m 已经成功地应用在家用电器、煤矿采掘机、电动汽车、纺织机、及龙门刨 床等场合，并且取得了良好的效果 为了使s 州能够正常工作且更好地发挥性能，它必须与功率变换器、控 制器和检测器等共同构成开关磁阻电机驱动系统( s 晰t c h e dr e l u c t 舡l c ed r i v e ， 简称s i m ) 。s r d 结构原理图【1 删如下所示： 图1 1 通用的s r d 结构原理图 近些年来，电力电子技术、数字信号处理技术、自动控制理论及智能技术 的发展都非常迅速，进而促进了电机驱动技术的进步。尤其是对于s r d ，随着 数字信号处理器( d s p ) 的计算速度越来越快，功率开关器件的容量越来越大， 浙江大学硕士学位论文绪论 以及各种智能算法的不断改进，使得s r d 的性能得到极大的开发，其优越性也 逐渐地显示出来。与传统交直流电机驱动系统相比，s i m 具有许多特点，主要 如下【1 】【4 l ： ( 1 ) s i 洲本体结构简单，转子只由硅钢片叠压而成，上面没有绕组或者永磁体， 可以形成比较小的转动惯量，因此可以工作在极高速状态；定子线圈则为 集中绕组，制造与安装十分方便。 ( 2 ) 能够适用于粉尘、高温甚至强振动等恶劣的环境。 ( 3 ) 转矩与电流的极性无关，功率开关与绕组直接串连，因此功率变换器不会 出现直通故障，可靠性很高。 ( 4 ) 调速范围很宽，控制参数较多，因此易于实现各种特殊要求的转矩一速度 特性。 ( 5 ) 起动转矩大，低速运行时转子发热较小，并且在宽广的转速和功率范围内 都可以保持较高的效率。 ( 6 ) 容错性能好，在发生s l 蝴缺相或者某个功率管损坏的情况下依然可以工 作。 1 2s i m 结构及转矩产生原理 1 2 1s r m 结构 s r m 的结构与反应式步进电机相类似，非常简单。其定转子均由硅钢片叠 压而成，定子采用集中式绕组，转子不包含永磁体或者绕组。s r m 可以设计成 单相至四相以上等各种不同相数的结构，并且每极可以是单齿也可以是多齿， 可以是内转子也可以是外转子结构。目前比较常见的s i 蝴有三相6 4 极和四相 8 6 极两种【l 】【2 】。以四相8 6 极s r m 为例，其结构如图1 2 所示 1 2 2 基于线性模型的转矩产生分析 s i 洲转矩的产生与其电感的变化相一致。由于s l 蝴的双凸极结构，使得 绕组电感随着转子位置变化而变化当转子处于非对齐( 极对槽) 位置时，此 时的气隙最大，因此磁路的磁阻最大，绕组电感值则最小；随着转子逐渐向对 齐( 极对极) 位置转动时，气隙逐渐减小，磁路的磁阻也逐渐减小，对应地， 绕组电感逐渐增加1 5 1 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 s i 蝴之所以可以产生转矩，是因为在转子运动的过程中，绕组电感和相电 流发生了变化，导致磁场能量产生了变化。假设绕组电感是线性的，以此作为 分析依据，可以得出s 蹦转矩为【4 】： r = 圭，2 嘉 ( 1 ，) 式中：丁一一s i 洲单相绕组产生的转矩，单位为n m ； f 一一相电流，单位为a ； 一一相电感，单位为h ； 9 一一转子位置角度，单位为d e g 。 从式1 1 中可以看出，转矩的大小取决于电流的大小和电感随角度变化率 的大小，其方向则只取决于电感对角度的变化率。即当电感处于上升阶段时， 此时电流产生正转矩，当电感处于下降阶段时，则产生负转矩，而转子处于对 齐位置或者非对齐位置时，此时电感可以认为是恒定值，所以产生的转矩为零。 图1 2 典型的四相8 6 极s 刚( 只给出一相) 结构原理图 1 2 3 基于非线性模型的转矩产生分析 在激励电流不大的情况下，s r m 的磁链曲线是线性的。此时的能量转换效 率不高，而且s i 洲驱动系统的性能体现也很不好实际上，s i 泓需要在磁场 饱和的情况下才能发挥出很好的性能，其效率也更高下面介绍在磁场饱和的 时候，s 蹦转矩产生的原理。为了更好地理解能量的转换，需要给出磁储能和 浙江大学硕士学位论文 绪论 磁共能【4 】【5 】的定义，其数学表达式如下： = 如 ( 1 2 ) 睨= p 访 ( 1 3 ) 式中： 哆一一磁储能，单位为j ； 睨一一磁共能，单位为j ； f 一一相电流，单位为a ； l f ，一一磁链，单位为啪。 磁储能与磁共能的关系如图1 3 所示 在s r m 没有饱和的时候，磁链曲线是直线，形= 由于饱和效应，使 得彤 孵转子位置改变时，磁共能变化如图1 4 所示： 图1 3 哆：磁储能；形：磁共能图1 4 磁共能变化示意图 从图1 4 中可以看出，在电流恒定，转子角度改变了p 时， 量变化为： 蜊。= 妒= l t 誓t = i i 却= s 雠d 式中，e 一一绕组反电势，单位为v ； 为a 、b 、c 、d 四点所包围面积，以下表达相同。 磁储能的变化为： 4 电源提供的能 ( 1 4 ) 一n一彤om望cj3一止 浙江大学硕士学位论文绪论 睨= 一 ( 1 5 ) 转化为机械能的能量为： 形乙= 彬一孵= 一( s & 一s & ) = s ：啪 ( 1 6 ) 设既= z 9 ，当l i i n 9 专o 时，可以得出转矩表达式： 纠等k ( 1 7 ) 1 3s r d 工作原理 1 3 1s r m 外围电路 s i m 的结构已在图1 1 中表示，现对s i 洲外围电路进行具体说明。 功率变换器：其作用主要是为s 1 w 提供电能以及为存储的磁场能量提供 回路。在尽量保持系统性能不变的前提下，目前已经开发出了多种功率开关拓 朴结构。比较典型和灵活的功率变换器是不对称半桥结构1 1 【3 】( 如图1 5 所示) 。 其每一相均由上、下两个功率开关与绕组串联，并且由两个二极管在开关管断 开后为续流能量提供回路。一般采用m o s f e t 或者i g b t 作为功率开关管。 图1 5 四相s 蹦典型的不对称半桥结构 图1 6 则为使用不对称半桥结构时，对于单相绕组来说，不同的导通策略 所对应的电流情况。当某一相的上下桥臂均开通时，直流母线电压直接加在绕 组两端，此时绕组端电压即等于母线电压在这个阶段，电流依次流过s ，绕 浙江大学硕士学位论文绪论 组，最再返回电源，如图1 6 ( a ) 所示当关断上桥臂时，绕组端电压为零， 此时相电流从是流至d 2 并返回绕组，该阶段称为自然换向阶段，如图1 6 ( b ) 所示。当上下桥臂均关断时，相电流只能由日回到母线，再由砬流回绕组一 直到电流衰减为零此时绕组端电压与母线电压正好相反该阶段即为强迫换 向阶段【5 1 。如图1 6 ( c ) 所示。 v d 1 v ( a )( b )( c ) 图1 6 单相绕组导通时，电流示意图 ( a ) ：上下桥臂同时导通；( b ) ：上桥臂关断；( c ) 上下桥臂同时关断 控制器：将返回的角度信号和电流信号进行处理，以确定导通角、关断角 和p w m 占空比等参数。 检测器：包括电流传感器和位置传感器。位置信号对于s i 来说非常重要， 是决定s i 湖能否启动以及s r d 整体运行性能的重要依据。一般说来，按照精 度和价格的不同，位置传感器有光电位置传感器、增量位置编码器和绝对位置 编码器三种。同样，电流传感器也包括低廉、简单但精度较低的采样电阻，以 及昂贵且复杂但精度较高的霍尔电流传感器。 1 3 2s i m 控制方式 控制方式一般取决于s r m 的转速。低速时，反电动势很小，为了限制电 流的幅值，一般采用电流p w m 斩波或者电压p w m 斩波方式控制( 如图1 7 所示) ；当速度较高时，反电动势比较大，可以采用角度脉宽控制【3 1 ( 如图1 8 所示) 在s i 中，分为两种情况：当s 刚电动运行时，应尽可能产生正转矩； 6 浙江大学硕士学位论文绪论 相反，当s r m 发电运行时，应尽可能产生负转矩。这就需要对开通角和关断 角进行精确的判断。但实际上，由于电感对于电流的延迟作用，要想只产生正 转矩或者只产生负转矩是相当困难的。 以s i 蝴电动运行为例，为了尽量减少此时产生的负转矩，相电流的关断 角一般设置在对齐位置( 此时电感值最大) 之前。这样，电流可以在电感下降 的阶段迅速地减小。诚然，这样并不能完全地消除负转矩，同时也因为提前关 断而减少了正转矩，但这可以通过同时触发下一相，使得两相同时工作来控制 总转矩的变化幅度。 另外，为了尽可能增加转矩的最大值，可以从s i 洲的设计与控制两方面 入手。在设计阶段，尽量使得对齐位置和非对齐位置电感之间的差值最大。在 控制方面，则应该尽量减小开通角，这样使得电流在电感处于恒定最小值的阶 段可以上升得更快，从而积聚更多的能量【2 】【6 】。 厶 电感 电流 气吃 图1 7 低速时，电流斩波控制方式 口 秒 耋：篦； 磁链毒车罕l 秒 电流撵| 一 图1 8 高速时，角度脉宽控制方式 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 4s r m 无位置传感器控制 目前，s r m 的控制系统绝大多数都是使用位置编码器或者光电位置传感器 来进行速度控制，前者的精度比较高，但成本也比较高，而且不太适合高速运 行的场合；后者相对比较廉价，但使得系统比较复杂，而且容易因为安装精度 的问题而造成运行不稳定。无论哪种位置传感器，在极端严酷的环境下，比如 高温，高压或者粉尘比较严重的情况下，都容易导致可靠性降低的问题。使用 无位置传感器技术( 也叫间接位置测量技术) 则可以不必在电机转轴上安装检 测位置的装置，大大减少系统的复杂程度，缩小了整个系统体积，也提高了系 统的可靠性，同时也降低了成本，是非常有实用价值的方法【2 】【4 】 1 4 1s 蹦基本电压方程 s r m 无位置传感器控制的基本方法是通过测量定子绕组或者其相关衍生 参数以提取转子位置信息，然后再根据估算的角度值产生触发脉冲。由s i w 基本电压方程可以推导出非常具体的，包含位置信息参数的方程式川，如图1 9 所示。 巧啦+ 丢鼽 1 r 巧= r + 丢善岛( t ，9 k 土 。+ 善q 甏卺+ 岛老i 斋害， ttt 位置信息 图1 9s i 湖基本电压方程及其推衍过程 式中，巧一一第j 相绕组端电压，单位为v ； ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 浙江大学硕士学位论文绪论 r 一一相绕组直流电阻，单位为q ； 厶一一第k 相和第j 相绕组之间的互感，单位为h 。 1 4 2 无位置传感器控制方法 一般说来，现有的无位置传感器控制方法可以分为三大类：开环法、非激 励相法和激励相法。 ( 1 ) 开环法( o p e nl 0 0 pm e m o d ) s i 洲可以认为是大步距角的步进电机，因此也可以用一系列的方波电压脉 冲来实现开环驱动而无需反馈位置信息。为了确保转子速度与定子绕组触发频 率保持同步，导通角由可以反映出负载转矩的大小的反馈电流来控制，文献【8 】 最早提出了这种控制方法。当负载转矩增加时，为了保持系统的稳定性，将导 通角增大以增加相电流。同时，也考虑到了效率的最大值。该方法简单且成本 低廉，但是系统的鲁棒性不好，而且运行也不是很稳定。 ( 2 ) 非激励相法( u n e n e 唱i z e dp h a s em e t l l o d s ) 该方法又可以具体分为：探测脉冲法，调制信号注入法及感应电势法等。 探测脉冲法( a c t i v ep r o b 迦m e t h o d ) ：该方法由a c 锄l e y 等人于1 9 8 5 年提 出【9 】。利用母线对非激励相注入低幅值高频率的脉冲，此时的绕组电流为一系 列幅值依次变化的尖顶脉冲。通过对脉冲的幅值进行比较，可以得知当前的转 子位置。但当转速较高时，没有足够的时间注入探测脉冲。另外，由于高速时 产生的感应电动势较大，此时得出的结果往往不准确。因此，该方法只能使用 在s r m 启动及低速的时候。 调制信号注入法( m o d u l a _ t e ds i g n a l i n j e c t i o n m e t l l o d ) ：该方法最早由跏a f l i 等人于1 9 9 2 年提出【1 0 】，具体是运用通信系统中常用的频率调制电路对s 剐m 非 工作相绕组注入信号，电感瞬态值即与信号频率值成反比之后，e h s a i l i 等人 又对其进行了改进，将高频正弦电压载波信号注入到非工作相中，经相电感调 制后以相电流的形式输出，然后再对该相电流进行解码处理和分析，通过提取 幅值和相角信息来得出瞬态电感值，然后确定换相顺序【2 1 。该方法需要增加许 多检测装置，大大增加了系统的复杂程度，而且需要对载波频率和滤波器中各 参数进行细调以确保精度，工作量较大【1 1 】 感应电势法( m u t 面i l l d u c e d v 0 1 t a g em e t l l o d ) ：由于在激励相与非激励相之 9 浙江大学硕士学位论文绪论 间存在互感，从而在非激励相产生随着转子位置变化而变化的感应电动势。根 据这一现象，文献 1 2 】提出可以利用感应电动势法来提取转子位置信息。该方 法的缺点在于：由互感产生的电动势幅值很小，要准确地测量并不容易，这需 要利用精度很高的电压传感器。而且，电压信号放大器在对某激励相测量时， 其倍数应该足够大以便提高精度。但在该相作为激励相导通时，为了不对数据 采集设备造成损坏，电压放大倍数则应该尽可能的小由于该种方法操作相当 麻烦，而且成本也较高，所以其实用价值不是很高。 ( 3 ) 激励相法( e n e 唱i z e dp h a s em e t h o d s ) 该方法可以分为状态观测器法，磁链观测法以及由磁链法衍生而得的电感 法和神经网络法等。 状态观测器法( s t a t eo b s e r v e rm e m o d ) ：最早由l 眦s d a i n e 和l a n g 于1 9 9 0 年提出【1 3 1 ，他们将实际系统的完整数学模型与系统同时运行，在该系统中，电 压和电流分别看作输入与输出，状态变量则包括：磁链、速度和转子位置，然 后通过估算的电流值与实测电流值的差值来调节各个状态变量。显然，该方法 比较复杂。胍a 谊等人在1 9 9 4 年提出滑模观测器法( s l i d i n gm o d eo b s e r v e r ) ， 仿真结果表明该方法对于位置估算的效果良好【1 4 】。但该方法在高速运行的时候 误差比较大于是，文献【1 5 】中，利用所谓混合观测器法( h y b r i dp o s i t i o n e s t i m a t i o nm 如o d ) ，即增加一个低分辨率的位置传感器来较正滑模观测器的结 果。该方法在起动、低速和高速阶段均可以较好地运行，但这实际上并没有彻 底地实现无位置传感器控制，也增加了系统的复杂程度和成本。文献 1 6 】在1 9 9 8 年提出利用k a l m a i l 滤波估算器( k a l m a l lf 1 1 t e re s t i m a t o r ) 来进行转子绝对位置 的估测。总体来讲，状态观测器法的转子位置预测是比较准确的，而且可以运 行在全速度范围内。但该方法需要依靠准确的数学模型和强大的运算能力，这 也对数学模型的准确性和d s p 的运算速度提出了很高的要求，增加了复杂程度 和硬件成本。 磁链观测法( f l u ) 【l i n k a g eo b s e n ，e r sm e t l l o d ) ：该方法是由g 2 l l l e g o s l6p e z 等人于1 9 9 8 年提出的【2 1 【17 1 ，利用磁链l f ，( f ，p ) 是相电流与转子角度的函数，通过 测量相电流和相电压，然后进行积分计算得出磁链，从而获取角度值。由式1 8 可以得出： l o 浙江大学硕士学位论文绪论 = j ( 巧一只渺 ( 1 1 1 ) 当第k 相导通时，其端电压矿与母线电压相等；当第k 相断开并处于继流 状态时，则为母线电压的负值；当第k 相断开且续流结束时，为零。相电 流f ，则可以用电流传感器来测量。通过磁链和电流推导出角度以后，可以制成 9 一l f ，一甥曼格并将其存储。该表格的数据可以通过有限元分析或者进行实测获 得。文献【1 8 】对该方法进行改进，即不需要s i m 转子位置的精确连续检测，而 是利用简化磁链特性，得出比较准确的换相信号磁链法的不足在于：对磁链 值的依赖度很高，必须事先精确测量并存储磁链曲线簇；而且绕组的直流电阻 在工作时是随温度变化的，事先测量的磁链曲线簇必须考虑绕组的直流电阻值 温度变化的情况。 电感法( h l d u c t a i l c eb a u s e dm e m o d ) ：与磁链法相类似，其原理为：绕组电 感或者增量电感是相电流和转子角度的函数【1 9 】【2 0 】如前所述，通过测量绕组电 流和端电压可以得出磁链，而相电感可以由磁链除以相电流得出。同样，由电 感和相电流f 推导出角度位置p 以后，可以将9 一三一f 制成表格，通过查表的 方法在线得出转子位置。由于该方法是磁链法的衍生，因此电感法也不适合用 在s i 泓启动以及低速的时候。 综上所述，开环法简单但精度不高；调制脉冲法和感应电势法的操作较复 杂，且成本较高；探测脉冲法无法工作在中高速的情况下，而电机一般是工作 在额定状态下的由于磁链法可以在中高速的情况下使用，并且是针对激励相 进行观测，十分方便，也无需复杂的外围设备，成本较低。但传统的磁链法需 要事先制成a i f ，一f 表格，这需要占用大量的存储空间，而且在计算的时候是 采用局部线性化处理的方式，精度不高。因此，本文选用由磁链法衍生出的神 经网络法进行无位置传感器控制 神经网络法( n e u r a ln 咖o r km e t l l o d ) ：该方法可以看成是磁链观测法的衍 生其本质依然是通过测量相电压与相电流并计算得出磁链，然后由磁链与电 流得出转子位置。由于神经网络有着很强的非线性函数逼近和系统辨识能力， 可以代替传统的查表法进行位置估测，进而对s 蹦进行控制【4 1 【2 1 1 浙江大学硕士学位论文绪论 国外对该方法的研究比较早。文献 2 2 】较早地将人工神经网络应用于s r m 转子位置估测，但精度不是很高。文献【2 3 】利用在线得出的数据对神经网络进 行训练，但依然需要利用有限元法对数据进行调整，比较繁琐。目前，国内进 行该方法应用的主要是天津大学，夏长亮等将多种复杂神经网络应用到s i m 无位置传感器的控制当中，效果较好。但在文献【2 4 】中，r b f 神经网络需要进 行离线训练与在线训练两个阶段的操作，增加了系统的复杂程度和工作量。文 献 2 5 】利用两个不同的小波神经网络分别获取开通信号和关断信号，综合分析 后输出触发脉冲。该方法只能确定导通阶段，并不能提供完整的位置信息，且 当开通角或关断角改变后必须再次对神经网络进行训练。 复杂的神经网络需要很深的理论基础，其推导过程也非常繁杂，而且在提 高精度的同时，对于硬件的要求也相应地提高了。由于神经网络采用浮点计算， 运算时间较长，并且可能由于权值或阈值过大而造成运算溢出的错误为了尽 量减少对d s p 计算资源的占用，提高位置估测的实时性，本文在保证精度的前 提下，采用结构较简单并且权值及阈值均非常小的b p 神经网络进行位置在线 估测。这样避免了d s p 运行过程中产生计算溢出，而且也提高了运算速度同 时，为了保证神经网络的精度，训练样本应该足够多，对样本的准确度要求也 很高。本文利用直流脉冲法对s r m 样机进行检测，所获得的样本数量大而且 精度高，避免了因为训练样本不够准确而造成估测角度不准的问题。 1 5 本文章节安排 论文章节内容安排如下： 第一章：简单介绍了s r m 的结构及其转矩产生原理，对s r m 驱动系统 ( s r d ) 的组成及控制方式进行了简单描述。然后，针对s l w 无位置传感器 控制技术的意义、原理以及目前国内外的研究方法进行了归纳与分析 第二章：首先运用a n s y s 软件对s i 蝴样机进行有限元电磁分析，得出其 磁链、电感和转矩曲线簇。然后用直流脉冲法得出该样机磁链曲线簇，并由此 推导出电感和转矩曲线簇。为了进一步验证直流脉冲法所得磁链的准确性，用 交流法测量样机电感并进行对比，用扭矩仪测量转矩并与磁链推导的转矩结果 进行对比。 第三章：简要介绍了b p 神经网络及小波神经网络的结构与算法。分别利 1 2 浙江大学硕士学位论文绪论 用实测的电流一磁链一角度值，转矩一电流一角度值作为样本，来训练小波神 经网络。然后利用实测的角度一电流一磁链值作为样本，结合改进的b p 算法 来训练b p 神经网络。 第四章：利用训练好的小波神经网络构建s i 洲本体模型，并将仿真结果 与实测值进行比较以验证模型的准确性。在这基础上，利用训练好的b p 神经 网络对s 蹦进行位置估测，据此构建s i 蝴无位置传感器控制系统仿真模型。 第五章：在已经搭建好的s i m 有位置传感器平台的基础上，利用神经网 络法进行s i 洲无位置传感器控制。将绝对位置编码器提供的实际位置信号和 由此产生的触发脉冲，与估测的位置值和由此产生的触发脉冲进行对比，验证 所采用方法的正确性。 最后，对全文工作进行了总结，分析了不足之处，并提出了有利于继续深 入研究该课题的建议。 浙江大学硕士学位论文磁链检测及其分析与比较 第二章磁链检测及其分析与比较 虽然s 蹦的结构很简单，但由于其定子、转子的双凸极结构，工作时绕 组电流的非正弦特性以及铁芯磁通密度的深度饱和，使得其内部电磁关系相当 复杂。因此，s r m 不可能像传统交、直流电机那样用一条磁化曲线y = 厂( f ) 来 分析，而是通过一组不同转子位置，不同电流时的磁链曲线簇y = 厂( i ，p ) 来分 析1 1 。 当利用磁链或者电感推导s i 蝴转子位置时，需要查询事先制好的表格或 者利用训练好的神经网络进行估算。两者都是以精确的磁链一电流一角度曲线 簇为前提。因此，磁链曲线的测量精度对于最终结果的准确性有着至关重要的 作用。 2 1 有限元分析 a n s y s 软件是目前世界上最有影响力的有限元软件之一，该软件常用的 模块包括通用前处理模块( p r 印7 ) 、求解模块( s o l u ) 、通用后处理模块( p o s t l ) 、 时程后处理模块( p o s t 2 6 ) 及优化模块( o p t i i l l ) 等口6 1 。虽然a n s y s 软件有着很强的 仿真能力，但同时也对于计算机的处理数据能力提出了很高的要求。利用 a n s y s 进行三维电磁分析非常耗费时间，而且对于网格剖分的精度要求也较 高。但利用a n s y s 进行二维模拟却十分方便、快速，而且精度也较高，完全 符合一般的运算要求 利用a n s y s 软件对样机( 样机参数如附录中所示) 进行电磁分析，可以 比较方便地获取磁链、电磁及转矩等信息，对于后续的实际测量有着很重要的 指导意义【2 刀。主要步骤包括：建模、剖分、运算及后处理等，如图2 1 至图2 3 所示。 a n s y s 软件有专门的命令流语言a p d l 。在a n s y s 的计算过程中，所有 的g u i 操作都可以用一条指令来代替。通过命令流的方式，可以进行循环运算， 避免繁琐的流程操作，大大减少工作量。 1 4 浙江大学硕士学位论文磁链检测及其分析与比较 船t 3l o o j n82 0 i o 1 ：q 3 1 2 3 h l5 0 l 盯i _ s t e p - 2 s - l t l i 匝- 2 z l 曙t s o s 啊一0 0 2 5 ， s l 疆- 0 0 2 s 7 一0 0 2 m - 0 0 2 2 一0 0 2 0 9 ， 一0 0 i 7 l 一0 0 i s 2 5 一o o l 3 3 5 9 5 3 e 一 一7 6 3 e 0 3 一5 住t 0 3 一1 9 l e 0 3 一1 2 7 e 0 8 3 日1 e 一 s 7 2 z 0 3 6 3 一 o o l l t 0 0 1 3 3 5 0 0 1 5 2 5 0 0 i 9 0 6 0 0 2 0 9 7 0 0 2 设定转子从非对齐位置( o o ) 开始向对齐位置( 3 0 0 ) 转动，每次间隔1 0 1 5 浙江大学硕士学位论文磁链检测及其分析与比较 电流从0 1 a 至4 a ，依次间隔o 1 a 。利用a n s y s 进行二维分析得出的磁链曲 线簇、电感曲线簇及转矩曲线簇分别如图2 4 至图2 6 所示： c u r r e n t ( a ) 图2 4 磁链曲线簇有限元计算结果 r o t o rp o s i t i o n ( d e g r e e ) 图2 5 电感曲线簇有限元计算结果 1 6 一n一q砑仍icj3一u 一芑co工一muc弼一03dc 浙江大学硕士学位论文磁链检测及其分析与比较 e z m 3 c r l o 卜- 2 2 直流脉冲法 2 2 1 具体步骤 r o t o rp o s i t i o n ( d e g r e e ) 图2 6 转矩曲线簇有限元计算结果 直流脉冲法是目前普遍运用于磁链测量且效果较好的方法。其具体步骤2 8 】 如下： ( 1 ) 先将s i w 及分度头的轴心对齐并牢牢固定住底座 ( 2 ) 将s i 州任意一相通直流电，转子静止后，用分度头将转子一端固定，则 当前转子处于极对极位置( 3 0 0 ) 。 ( 3 ) 如图2 7 所示电路图搭建好磁链检测电路，由电流传感器和电压传感器【2 9 】 输出的信号连至d s p 或者数据采集卡。考虑到方便观察的原因，本文使用n i 的p c i 一6 1 4 3 同步采样数据采集卡对数据进行处理 ( 4 ) 分别测量该相在堵转状态下的电压及电流的零状态响应曲线( 如图2 8 和 图2 9 所示) ，并记录数据。 ( 5 ) 通过步骤( 4 ) 所得曲线，可以由式2 1 得出s i 州该位置下的磁链曲线鲫： i f ，( 刀) = 1 】f ，( 刀一2 ) + 等 【“( 刀) 一尺f ( 以) 】+ 4 【材( 力一1 ) r f ( 阼一1 ) 】+ 阻( 拧一2 ) 一尺f ( 一2 ) 】) 疗= 2 ，4 ，6 ，1 f ，( 0 ) = 0 ( 2 1 ) 式中，瓦一一每两次采样间隔时间，单位为s ； 1 7 浙江大学硕士学位论文磁链检测及其分析与比较 r 一一电机绕组的阻值，单位为q ； “( ，z ) 一一第，z 次采样的电压值； f ( ，2 ) 一一第，2 次采样的电流值； y ( 玎) 一一第，z 个磁链推导值。 ( 6 ) 转动分度头，使s i 蝴转子从极对极位置( 3 0 0 ) 依次到极对槽位置( o o ) ，每 次间隔一度，然后重复步骤( 4 ) 和( 5 ) ，便可获取整个磁链曲线簇( 如图2 1 0 所示) 。 i g b t 恪 吲 l 妄l s 摹 9 i 罟 兰 墨 图2 7 磁链检测电路图 ， 7 v o l t a g e ， u re n t ， 图2 8 对齐位置( 3 0 0 ) 零状态响应曲线 = c o 匕 ： c ) 5 式申：t 一一电流采样阚隔。 1 9 浙江大学硕士学位论文磁链检测及其分析与比较 所得结果如图2 1 l 所示 - _ 、 3 o 、- 一， 、 o k - n j c m o o 图2 1 1 由实测磁链值推导出的磁共能曲线 2 2 3 计算转矩 由式( 1 7 ) 可以推知第七相绕组输出的电磁转矩计算公式： = 等k 。= 掣k 。= 手嘉 汜3 ， 利用式( 2 3 ) 推导出转矩的s i m u l i n k 模型【3 0 】如图2 1 2 所示： t 图2 1 2 求取转矩的s i m u l i n k 模型 图2 1 2 中，c u r r e n t 模块是指某一幅值的相电流，它与角度值一起输入磁 共能一角度一电流二维表格以得出对应的磁共能值。最后得出的转矩值保存到 2 0 浙江大学硕士学位论文磁链检测及其分析与比较 f i l e 文件。 得出的转矩曲线与实测值的比较如图2 1 3 所示： r o t o rp o s i t i o n ( d e g ) 图2 1 3 计算结果与实测转矩比较 从图2 1 3 中可以看出，由磁共能计算出的转矩结果与实测转矩曲线比较接 近。两者之间的误差，是因为以下几点造成： ( 1 ) 磁链曲线是从o o 到3 0 0 依次间隔1 0 测量的，比较稀疏，因此进行积分计 算时可提供的数据样本比较少，导致磁共能的数据较少。 ( 2 ) 由于磁链值是通过测取相电压和相电流曲线进行计算得出的，因此相电压 和相电流的测量也会对最后结果产生影响。 ( 3 ) 转矩的测量是由扭矩仪测出，因此转矩实测值的准确度也取决于扭矩仪的 精度。 2 2 4 计算电感 电感可以由磁链除以对应的电流值来获得。根据图2 1 0 中数据得出的电感 曲线簇如图2 1 4 所示 从图2 1 4 可以看出，在电流比较小的时候，由实测磁链值计算出的电感曲 线并不光滑，甚至有重叠的现象。这是以下几个原因造成的： ( 1 ) s i 洲的气隙比较小，由于加工精度的问题，造成转子的偏心。当电流比 较小的时候，对于结果的影响比较大 浙江大学硕士学位论文 磁链检测及其分析与比较 ( 2 ) 电流传感器和电压传感器产生的温漂而导致误差，当电流比较小的时候这 种误差比较明显 ( 3 ) 分度头并不能百分百地卡住转子轴，而是会在绕组加上脉冲以后产生很轻 微的偏移，同样，电流值比较小的时候对结果的影响就比较明显。 r o t o rp o s i t i o n ( d e g r e e ) 图2 1 4 磁链值推导出的电感曲线 2 2 5 交流法测量绕组电感 利用交流法测量绕组电感时，其主回路如图2 1 5 所示 图2 1 5 交流法电路图 电源采用普通5 0 h z 的家用电即可，由于需要测量交流电的有效值，所以 将交流电流表与绕组串联，电压也采用测量有效值的电压表。与直流脉冲法一 样，s r m 转子依次固定在所需要的角度，然后记录当前角度下，不同电压下的 一芑co工一ooc-03c一 浙江大学硕士学位论文磁链检测及其分析与比较 电流值。由于测量设备的限制，不能依靠d s p 或者计算机进行自动记录数据， 必须手动记录。因此考虑到工作量，本文对样机所采数据是在角度为o o 到3 0 0 ， 依次间隔5 0 ；电流有效值为0 1 a 到3 9 a ，依次间隔0 2 a 的情况下测量的。 该方法的缺陷在于：当电流比较大时，测量的电感值是不准确的。为了能够 在磁路饱和的情况下应用交流法测量绕组电感，文献 3 0 】中利用不同幅值的直 流电流作为偏置量，然后在此基础上叠加幅值很小的交流电，这样测量出来的 结果与直流脉冲法较为接近。但是该方法比较难实现，而且也没有考虑到s 砌 的铁损与铜损。 最后，根据式2 4 计算电感，结果如图2 1 6 所示。 三( 加) 2 刍( 吃乞) 2 一尺2 ( 2 4 ) 式中：厂一一交流电压频率，单位为h z ； r 0 t o rp o s i t i o n ( d e g r e e ) 图2 1 6 实测电感值( 0 0 3 0 0 ，依次间隔5 0 ) 2 3 电感值对比分析 为了间接验证直流脉冲法所测磁链的准确性，同时也为了对样机性能有更 深的了解，本文将各种方法所得出的电感曲线进行对比，按电流从小到大，如 图2 1 7 ( a ) 一( d ) 所示。 一己co工一ooc弼_03dl|一 浙江大学硕士学位论文磁链检测及其分析与比较 o 一：丫r i ：挝蠹 f 箩# 乡，i 烬 一：r l ；_ j j j 水列- 影i f l j l 0 l 宝。譬架 一：变浙l 洲洌0 ：l e 乡诛 芳 劳矿 o 5 a z 夕 矽 奄套7 r o t o rp o s i t i o n ( d e g r e e ) 图2 1 7 ( a ) i = 0 5 a 时电感对比结果 r o t o rp o s i t i o n ( d e g r e e ) 图2 1 7 ( b ) i = 1 5 a 时电感对比结果 r o t o rp o s i t i o n ( d e g r e e ) 图2 1 7 ( c ) i = 2 5 a 时电感对比结果 一jcm工一oqc啊一q1可c一 一jco工一oc彤苍3口c一 一jco工一moc佰苍f1dc 浙江大学硕士学位论文 磁链检测及其分析与比较 r o t o rp o s o