电气工程 应用电子 外文翻译 外文文献 英文文献 基于三相全桥控制器驱动的开关磁阻电动机的无位置传感器的控制.doc

附录4附录4 基于三相全桥控制器驱动的开关磁阻电动机的无位置传感器的控制Suebsuang Kachapornkul, Pakasit Somsiri, Nattapon Chayopitak,Kanokvate Tungpimolrut, Ruchao Pupadubsin and Prapon JitkreeyanNational Electronics and Computer Technology Center, Pathumthani 12120, Thailand 摘要 一种新型的开关磁阻电机（SRM）传感器控制三个阶段的驱动全桥逆变器是被广泛提及的。开关磁阻电机驱动器是最常用的是不对称半桥逆变器，但其主要缺点是需要较多的开关和二极管来实现该驱动器，更便宜和更容易实现的三相全桥逆变器模块与之比较时。开关磁阻电机驱动器的总成本可显着降低。一个标准的3相全桥逆变器功率模块可有效地结合无位置传感器控制技术，以进一步降低编程的成本。无位置传感器控制技术在电压脉冲触发技术已成功实现低成本的电压微控制器的PWM控制1.5千瓦，6 / 4额定转速1500转/分的SRM。 I引言近年来开关磁阻电机（SRM）已被广泛地研究，由于其许多优点，如坚固耐用，结构简单，造价低，没有永久磁铁，高可靠性和良好的性能比，宽调速范围，这些优势使SRM在其他电机技术的各种应用具有强有力的竞争地位，包括电动车和消费类电子产品1。位置检测是开关磁阻电机的基本运行所必需的，但是位置传感器，如光电编码器是脆弱的一部分，可能会影响系统的整体可靠性。此外，昂贵的位置传感器安装应避免在低成本领域的应用，如鼓风机，总体目标价格是很低的。在过去的十年，已经对几个无位置传感器RSM驱动系统的开发，正如在文献2中回顾的，大部分这些方法都是基于复杂和实时的这需要一些系统参数的测量和昂贵的高性能控制电路的fluxobserver系统。对于低成本费用如鼓风机，电机转速无须不断调整，而三至四个速度水平是足够的，这些速度的水平大致可实现低精度的调速。有了这些规范，首先在文献3中提出的在无转矩产生阶段电压脉冲注入发送探测信号被认为是最适用于低成本应用，由于其简单和鲁棒性，这仍然是一个当前公众无传感器技术研究课题。SRM需要一个逆变器来实现运行，不能直接由AC或DC电流源如感应或直流电机供电来运行。几个最常用的RSM驱动逆变器拓扑结构是不对称半桥逆变器，如图.1所示，虽然这拓扑结构简单并在控制上提供了最大程度的自由，其主要缺点是实现驱动系统的开关和二极管数目将大大影响整体成本。事实上，由于缺乏标准三相RSM作为单一模块逆变器，三相RSM机驱动器的价格比其它传统交流传动电机要贵很多。几个通过对单相和两相开关磁阻电机拓扑进行的研究来解决这一问题，但与传统的三相RSM驱动相比这样的驱动器在控制上缺乏有效的双向驱动能力并且增加了复杂度。在RSM具有相同的额定功率条件下，许多简单一相和两相RSM驱动器还需要电源开关承受高电压驱动能力。尽管如此，由于高性能的电源开关和二极管通常较为昂贵，通过减少元件数量获得的优势可能被相对较高的驱动器的成本所抵消。另一方面，一些研究人员已经成功研究了可能应用，一个标准三相全桥逆变器（如图2所示）来驱动如7中的三角形接线法和8、9、10中的星形接线法的RSM。由于三相全桥逆变器成为三相交流电机驱动器的标准解决方案，许多制造商都以具有竞争力的价格提供品种齐全的三相全桥逆变器驱动电源模块和保护电路。当这些标准的电源模快可有效地结合无传感器控制技术时RSM驱动器的整体成本可显着降低。在此提出了一种新颖的基于电压脉冲注入法的无位置传感器控制由三相全桥驱动的星形连接的RSM。建议的无传感器算法已成功实施在低成本微处理器的证明。 II开关磁阻电机传动原理在这部分中，对使用传统的三相不对称半桥逆变器和三相全桥逆变器的RSM的工作原理进行了讨论。一以逆时针方向为正方向的三相，6 /4开关磁阻电机在对齐位置如图.3所示。当磁饱和忽略，而每个阶段转矩由下式给出 这里是转子位置，Lj是相电感和ij是相对于j= 1，2，3的相电流。在RSM工作在电动模式下时，在转子磁极与定子磁极的相对位置当dLd0时产生正的扭矩，在RSM工作在制动模式下时，在转子磁极与定子磁极的相对位置当dLd 0时同时导通和关断，在“开”的阶段相电流只会由一个方向通过开关，在开关关断时通过单向导通的二极管。为了更有效地控制RSM在电动模式下的高速运行，每相应提前触发使开关先导通以克服反电动势和使每相更快关断而使在转子转到平衡位置产生制动转矩前降为零。开关周期为90度机械角度。B. 三相全桥逆变器驱动器 三相开关磁阻电动机采用星形连接的三相全桥逆变器如图.2所示。许多开关战略已经在8， 9，10中被提及；忽略开关战略，这个逆变器拓扑结构的使用要求双向电流的流动。 8中提出，电机绕组必须倒带在对面相反方向对极上，这使得这个切换策略大多数现有的SRM不可行；在9中一种新的切换策略，需要4有源电力机械开关每30度（即两个开关“开”和两个“关”）。为了更有效实现此方法，需要一些死区时间来避在由于当前流动突然逆转的运作方向对开关电源引起的损坏。 另一个切换策略，无刷直流电动机的启发驱动建议是两台交换机，每30机械度（即一个开关“开”和一个开关“关闭”）交互一次10。该开关损耗与9中的使用比较可减少一半。此外，死时间保护电源开关不再需要并且可以避免当前的电流方向的突然逆转。因此，10采用了这项策略。 理想化的相电感和开关模式如图4b所示。一个开关 “打开”（另一个开关也处于打开状态）和一个开关 “关闭”，每30度的机械，结果使电流在两个开关磁阻电机相绕组。电流路径（S1，S2）的交互在图.5中作为例子说明了。对应于图4b的150-180度和330-360度期间。由于两个开关每30度机械程度交互一次，整个切换序列是每180机械角度重复一次。 一个固有限制使用这种操作开关磁阻电机在高开关速度战略应引起注意。正如以前讨论的，工作在高速开关磁阻电机的每相导通期间需要提前。但是，这种相提前技术不能在三相全桥逆变器的驱动器应用而不产生显着负扭矩。然而，由于采用三相全桥逆变器主要的动机是降低驱动器本身成本，这个驱动器拓扑结构在当电动机不须运行在非常高的速度时仍然是有吸引力。 a 三相不对称板桥开关磁阻电机驱动器 b 三相全桥开关磁阻电机驱动器 图.4 . 开关磁阻电机的两个切换策略的比较III. 传感器控制方法概述由于RSM的相有一段时间使得不是充分利用产生扭矩的（即当dLdL-()）并且L-()在最小值附近的时式5可以简化为如下所示因此，当使用不对称半桥逆变器时可类似的通过检测相电流的变化来检测想电感。RSM的整流是通过为探测电流设置一些阀门值实现的，如图.6b所示。 以图.5为例，当（S1，S4）工作在150-180区间时，S5作为探测开关来控制。一旦第3相的检测电流达到阈值值时，S5做为驱动开关打开，（S4仍然保持开通状态），然后S1关闭，作为探测开关工作。由于SRM是星形连接的，所以探索电流信号也影响到附近电感值较低的相电流，这在图.6b中也说明了，当第3相探测电流信号注入时影响了第2相电流。 （a）三相不对称半桥开关磁阻电机驱动器 （b）三相全桥开关磁阻电机驱动器 图.6 RSM的两个基于电压脉冲注入法的无位置传感器控制该开关模式的简要概述已在表I中总结，电压脉冲的持续时间为足够小的几百微秒以致不会 产生严重的阻挠转矩和影响转子的整体运动。一些离线实验需要确定一个合适的阈值来实现高效率的折算。转子初始位置也必须知道以使RSM能从待机位置正确启动，这可通过如11中的确定转子初始位置检测的算法。 IV实验结果 如图.7为用来验证提出方案的而实验装置。被提及的传感器算法已为 6 / 4，3千瓦，额定转速1500转/分的RSM的16位的RSM在低成本的Microchip的dsPIC30F4011微控制器实施验证。在电压PWM模式与直流母线电压48 V和开关频率20千赫可以通过调整占空比来控制转子转速。探测开关注入宽度为300微妙间隔为一毫秒的短电压脉冲，以此来克服传感器噪声和不产生显着破坏转矩。增量编码器也安装用来为无位置传感器算法的初始设置和阈值电流调整。电流的正方向是关与在所有相的普通节点。 图.8中所示为RSM在500转/分的稳定转速与0.55占空比状态下的每一相稳态相电流波形和相应的栅极驱动信号。为实现无位置传感器控制的探测电流信号应在相电流波形的两个换向区间内。探测电流信号也会影响附近相电感低于预期电感的相电流。第1相的探测电流信号会对i2造成0-10毫秒的干扰，这对应于图.4b中的90-120时期。如图.9所示为开关频率为20kHz的相应的总线驱动电压波形。 图.10中所示为RSM在1500转/分的稳定转速与0.58占空比状态下的每一相稳态相电流波形和相应的栅极驱动信号。在这样的速度下几乎没有探测电流信号是显而易见的，因为每个换相时间间隔是很短的。通过增加电压PWM占空比而使其高速运转，如果使用相同的电压脉冲频率，几乎没有探测电流信号可以被检测到。在这一点上，在提高转速时同时提高探测信号频率和占空比是必须的。 理想情况下，人们可能预期探测时间在换相之间，如图.10中如标注的 “A”和“B”的时间间隔是相同的长度。然而，实验结果表明，他们并不完全相等，因为在区间B的探测电流对应与相应相的正电流而在目前的区间A的探测电流对应同伴相的负电流（正电流是指向共同节点）。这实际上允许在A时间段内探测电流更迅速的到达阈值，最终造成A区间比B区间短。V结论 一种新型的基上的电压脉冲注入方法的三相驱动全桥RSM逆变器的无位置传感器控制已提出并在电压PWM控制模式下成功实施。被提及的无位置传感器控制在相折之间注入短脉冲电压来间接检测转子位置。被提及的无位置传感器驱动系统结构简单，用途广泛，包括低成本的消费电子产品，其目标是价格低，而且不需要高速运转。该未来可能的改善方向是建立一个基于电压脉冲注入法的速度估算的速度闭环控制。VI感谢 这项工作受到泰国国家电子和计算机技术中心支持的嵌入式系统研发计划under grant E44901的支持。 参考文献1 T. 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