1 引言
開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)，在國際電氣傳動界稱之為switched reluctance motor(drive)，簡稱srd。srd是一種變速傳動系統(tǒng)，它由sr控制器和sr電動機組成，是當(dāng)今世界上最新型、性價比最高的調(diào)速系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電機在調(diào)速應(yīng)用中引起了人們的高度重視。開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、轉(zhuǎn)矩慣量比大、效率高和成本較低等優(yōu)點脫穎而出，被認(rèn)為是未來有很強競爭力的一種變速驅(qū)動系統(tǒng)。它結(jié)構(gòu)簡單不需要永磁體，轉(zhuǎn)子上沒有繞組、沒有電刷，而且在很寬速度范圍內(nèi)具有很好的調(diào)速性能，因而比起永磁無刷直流電機和感應(yīng)電機具有很強的競爭力。因為位置閉環(huán)正是srd有別于步進電動機傳動系統(tǒng)的重要標(biāo)志之一，轉(zhuǎn)子位置信號是各相主開關(guān)器件正確進行邏輯切換的根據(jù)。準(zhǔn)確檢測出轉(zhuǎn)子位置信號對保證srd達到預(yù)定的性能指標(biāo)具有十分重要的意義。然而srd引入位置傳感器帶來的消極因素是:增加了sr電動機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性;增加了成本和潛在的不穩(wěn)定性;而且受傳感器分辨率的限制，使得開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)性能下降;需要傳感元件的數(shù)目也因相數(shù)的增加而增多，既增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，又給安裝、調(diào)試帶來不便，特別是大大降低了可靠性,因此有必要探索和研究新的無位置傳感器檢測方案以克服直接位置檢測技術(shù)所固有的不足。本文提出了一種新的無位置傳感器檢測方法:在電壓pwm控制方式下實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機無位置傳感受器的檢測方案[1]。
2 cgsm原理
開關(guān)磁阻電機通常采用閉環(huán)電流控制和開環(huán)電壓pwm控制。通常有三種電流控制:
(1)電流滯環(huán)控制，其開關(guān)頻率是不可控制的;
(2)bang-bang電流控制，受最大開關(guān)頻率的限制，電流被調(diào)節(jié)在參考電流附近;
(3)電壓pwm控制。
電壓pwm控制方式，電流為回定直流電源，在規(guī)定的開關(guān)頻率下，根據(jù)控制信號的大小去改變晶體管在一個脈沖周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短(即“脈寬”)，從而使直流電壓的“占空比”得到改變，占空比的變化可以改變相電壓的平均值:vph=d×vdc,vdc 表示直流側(cè)電壓，d表示pwm的每個周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通時所占時間百分比[4]。最簡單的方法，在θon和θoff區(qū)間開通q2，q4，q6，使q1，q3，q5在固定的頻率下通斷。
圖1 srm功率變換電路
圖2 電動方式相電流與轉(zhuǎn)子的位置對應(yīng)關(guān)系
電流斬波控制比電壓斬波控制的主要優(yōu)點是:相電流能夠被精確控制，能有效的減少轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲，但是電流斬波控制要求每相需要一個電流傳感器來檢測相電流的大小。相反電壓斬波控制只需在直流側(cè)加裝一個電流傳感器，用于過流保護。電壓斬波控制方式通過pwm方式來調(diào)節(jié)繞組電壓平均值，進而能間接限制和調(diào)節(jié)過大的繞組電流，即能用于高速運行，又適合于低速成運行。適合作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負載擾動的動態(tài)響應(yīng)較快，但低速運行時轉(zhuǎn)矩脈動較大。通過以上分析，電壓斬波控制適用于一些小功率的srm驅(qū)動系統(tǒng)，減少了電流傳感器的數(shù)目，減少了信號處理。關(guān)于電流斬波控制的cgsm(current gradient sensorless bbbbbb)原理解釋如下:相電壓平衡方程式為:
(1)
式中，l:相電感;
r:相電阻;
i:相電流;
ω:角速度;
θ:轉(zhuǎn)子位置。
定義θ0為轉(zhuǎn)子與定子開始重疊時的位置,也就是當(dāng)相電感開始增加時的位置?？梢园磧煞N情形考慮，一是在到達θ0前定義為θ-，另一個為轉(zhuǎn)過θ0后定義為θ+，那么兩種情形下在不考慮每相電阻電壓降時相電壓方 程為:
(2)
(3)
理想地認(rèn)為電感在轉(zhuǎn)子位置θ0處等于在未對齊位置電感l(wèi)u
(4)
進而導(dǎo)出
(5)
因此這兩個位置的電壓方程可寫為:
(6)
(7)
在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到θ0之前該相已接通電壓，且在一個步進角內(nèi)該電壓值為恒值，有
(8)
整理(7)-(9)式，得到:
(9)
由于上式右邊恒為正，可得到下不等式:
(10)
上式表明相電流對位置的變化率在θ<θ0大于θ>θ0變化率，這是cgsm原理的核心。圖2表明了在電壓斬波控制下的電流波形，說明相電感在θ0處開始上升,
開始下降直到降為0。
3 cgms在開關(guān)磁阻發(fā)電機上的應(yīng)用
3.1 發(fā)電方式相電流與轉(zhuǎn)子的位置對應(yīng)關(guān)系
定義θb為轉(zhuǎn)子極和定子極開始重疊時轉(zhuǎn)子位置角，作為發(fā)電機, 每相在定轉(zhuǎn)子對齊位置θa前導(dǎo)通，在θa之后切斷，但θa<θb，在電流正向通過二極時，相電壓保持不變，即
(11)
得到:
(12)
同理，由于等式(12)右邊恒為負，所以可以得到如下不等式:
(13)
發(fā)電機相電流對位置的變化率在θ<θb大于θ>θb變化率。
圖3 發(fā)電方式相電流與轉(zhuǎn)子的位置對應(yīng)關(guān)系
圖3是一個發(fā)電相相電流波形, 表明當(dāng)相電感在θb處開始下降直到最小值lu，也開始減小。
綜上可知，對于開關(guān)磁阻不論是電動機不是發(fā)電機，可以通過檢測相電流的變化來精確的估計轉(zhuǎn)子位置[3]。
3.2 cgsm的優(yōu)點
(1) 不需要相電感曲線，也無需建立磁鏈特性數(shù)據(jù)表格;
(2) 不需要預(yù)先存貯磁化曲線的數(shù)據(jù);
(3) 可適用于四象限運行;
(4) 不會降低電機的性能;
(5) 應(yīng)用簡單，額外增加的組件很少，電流的檢測只需一個電流傳感器，而不必每相裝都一個;
(6) 適用中高速范圍，實驗證實，在中高速度范圍內(nèi)，當(dāng)速度增加時，電流波形的峰值很明顯。
3.3 cgsm的不足之處
(1) 不適用于靜止情況下，需要額處的啟動程序;
(2) 電流調(diào)節(jié)不能減小轉(zhuǎn)距脈動和噪聲;
(3) 不適用于低速條件下;
(4) 帶負載能力差;
(5) 抗干擾能力差;
(6) 不實現(xiàn)自啟動。
4 應(yīng)用
圖4 位置解算電路圖
圖4方框圖完全類似于實際檢測電路。檢測電路組成:一個電流傳感器，兩個低通濾波器，一個微分器，一個過零檢測器。過零檢測器用來消除開關(guān)頻率和可能的噪聲;對于每一個濾波器，濾掉的頻率由pwm的開關(guān)頻率決定的。在樣機中pwm開關(guān)頻率為16khz，濾掉的頻率為8khz。微分器用來檢測電流的變化率;當(dāng)過零檢測器檢測到電流的變化率為零時產(chǎn)生一個脈沖。當(dāng)電路中檢測到電流變化率為零時，電流波形至少產(chǎn)生一個峰值。如果驅(qū)動系統(tǒng)是在單脈沖方式下運行，即pwm的占空比為1，可以省去低通濾波器，這時整個檢測電路的組成會明顯的減少。
圖5為無位置傳感器srm驅(qū)動系統(tǒng)。無位置傳感器位置估計脈沖可由每相相電流產(chǎn)生，或和相電流具有同樣信息的總電流來產(chǎn)生。為得到所需要的信息，通過一個檢測電路檢測總電流也可以通過或門合成來自每相的脈沖來檢測。cgsm方法優(yōu)點就是可能通過一個檢測電路來檢測每個相的電流。
圖5 無位置傳感器srm驅(qū)動系統(tǒng)
圖6 倍頻電路
在圖6中從檢測電路測得的相隔30°無傳感器脈沖(每個脈沖相隔30°)，被用來產(chǎn)生一個每30°包含有32個脈沖的脈沖序列，即無傳感器脈沖頻率乘以32(利用鎖相環(huán))。計數(shù)器ⅰ的工作頻率為f，計數(shù)器ⅱ的工作頻率為32×f。在脈沖到來之前，計數(shù)器ⅰ的值先保存在寄存器中，然后計數(shù)器ⅰ復(fù)位;當(dāng)計數(shù)器ⅱ的值增加到等于寄存器的值時，比較器產(chǎn)生一個脈沖，并使計數(shù)器ⅱ復(fù)位。每旋轉(zhuǎn)一圈就可產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖，產(chǎn)生清晰的換向脈沖。
功率變換器中每相有兩個晶體管和兩個二極管，其中兩個功率開關(guān)分別與直流功率電源的兩極連接，其另一端分別與相繞組串聯(lián)以滿足對電機激磁的要求，而兩個二極管起續(xù)流的作用，這樣通過整流晶體管的總電流能被觀測到[2]。通過分別采用一個檢測電路檢測總電流和每相一個檢測電路檢測相電流進行實驗，實驗表明采用檢測總電流的方法不會影響驅(qū)動系統(tǒng)的性能。
應(yīng)用一個可調(diào)節(jié)pwm占空比的pi閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器以適應(yīng)負載的變化。開通角是可編程的并且控制轉(zhuǎn)距它是容易的，本文在動態(tài)實驗測試過程中保持固定不變。在調(diào)節(jié)速度和轉(zhuǎn)矩的過程中滿足θon<θ0這一約束條件是很容易的。
5 實驗結(jié)果
為了研究這種新方法的性能和局限性,采用一個四相 8/6的srd樣機。試驗電機與負載電機通過橡膠連接器連接在一起，負載電機是一臺永磁電機。在θon=50°,θoff=80°，轉(zhuǎn)速為1763r/min，測得單相相電流iph，總電流ibus。
斜率位置估計脈沖cgpe(current gradient bbbbbbbb estimation)，解碼脈沖dp(decoded pulses)，如圖7所示，可以得到轉(zhuǎn)子的正確位置。
圖7 θon=50°，θoff=80°時的相電流和總電流
圖8(a) 轉(zhuǎn)速為2304r/min,θon =45°，θoff=80 °時cgsm位置估計
圖8(b) 穩(wěn)態(tài)測量時cgsm的精度
圖8(a)為在θon=45°,θoff=80°, 轉(zhuǎn)速為2034r/min的估計位置，應(yīng)用1024線性編碼器檢測的位置θ，可以看出，估計位置與傳感器檢測的位置是一致的。在圖8(b)δθg=-θog，δθm=-θog=28.07 定義為定轉(zhuǎn)子開始重疊時的位置，是由定轉(zhuǎn)子極弧計算出來的。θom定義為定轉(zhuǎn)子極磁開始重疊時的位置，是由實驗檢測出來的。由圖可以看到，在轉(zhuǎn)速高于800r/min時， δθg為一個約為3°常數(shù)。這個差異說明磁重疊要落后于機械重疊即θom=θog+3°=31.07°，這里的θom代表的是實際的位置。由圖也可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速大于800r/min時，δθm接近于零，也就說明了估計位置與實際位置非常接近。但對于低速時，估計位置與真實位置有一定的偏差。估計位置的偏差是由在檢測=0時引起的;最主要的是微分器的增益對頻率太過于敏感;比較放大器可能被偏移或是抵消。另一方面在高速形成時，可能是由低通濾波器的相滯后引起的脈沖延遲。總的來說，估計位置的偏移可以通過速度的開關(guān)角函數(shù)調(diào)整過來。
6 啟動
應(yīng)用cgsm方法的前提是相中要通過非零電流。為此，就像步進電機那樣采用開環(huán)前反饋控制法。一序列初始頻率的脈沖，按電機的旋轉(zhuǎn)順序加到電機繞組上[3]。頻率是線性增加的，這樣電機就能夠從靜止加速到cgpe所檢測到的速度，因此，無位置脈沖也就能被檢測出來。電路結(jié)構(gòu)簡單而且需要的電流傳感器的數(shù)量也少。使用前反饋算法就是為了使電機能夠由靜止?fàn)顟B(tài)加速到cgpe能夠被檢測的速度，給定的速度是指電機由開始啟動到無傳感器模式能起檢測作用時的速度。這種前反饋法能夠可靠平穩(wěn)的啟動電機，甚至在負載下亦可。脈沖順序地加到導(dǎo)通角為30°的每一個相上，每相脈沖相差30°。為了快速啟動電機，頻率需線性的增加到由給定速度對應(yīng)的頻率，同時占空比為100%的pwm線性的減少到由負載對應(yīng)的值。
從靜止到轉(zhuǎn)速為500，750，1000r/min的仿真結(jié)果如圖9(a)相應(yīng)的pwm占空比被分別減少到33%，50%，67%。對于給定轉(zhuǎn)速為1000r/min情況，有三個加速度不同的曲線。根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩的不同，轉(zhuǎn)距脈動時間是可以調(diào)整的。需要注意的是當(dāng)速度小于200r/min時，cgsm法就不再適用。圖9(b)描述電機從靜止到給定轉(zhuǎn)速為1000r/min時θon和θoff變化曲線，開始2s為波動階段。波動表明電機在啟動時，為了適應(yīng)負載轉(zhuǎn)矩開關(guān)角的變化。它表明θon發(fā)生在θa之前,θoff發(fā)生在θa之后。
圖9(a) 不同加速下的速度曲線a:500r/min，1s;b:750r/min，1.5s
c:1000r/min，2s; d:1000r/min，1.5s; e:1000r/min，1s
圖9(b) 開關(guān)角變化曲線
圖9(c) 瞬時轉(zhuǎn)距
圖9(c)給出了啟動時，瞬時轉(zhuǎn)矩變化曲線。在開始時，轉(zhuǎn)矩有很明顯的脈動，但最終達到穩(wěn)定。
圖10(a)給出了帶位置傳感器時檢測啟動過程的實驗結(jié)果。開始時應(yīng)用頻率為76hz，然后頻率線性的增加到230hz，使轉(zhuǎn)速達到1150r/min。整個啟動過程所用的pwm占空比為100%。一旦達到給定速度，在閉環(huán)下cgpe脈沖就能檢測相位置。
圖10(a) cgsm前饋啟動(1024線性編碼器)
圖10(b)θon=50°，θoff=84° 給定速度為1339r/min
圖10(b)給出了在給定轉(zhuǎn)速為1339r/min，θon=50°和θoff=80°時，從開環(huán)轉(zhuǎn)換到閉環(huán)無傳感器模式，相電流iph，總電流ibus和檢測的cgpe脈沖波形。
圖11(a) 在啟動過程中測得的相電流波形
圖11(b)θon=50°和θoff=80°，在速度閉環(huán)控制下從轉(zhuǎn)速為1339r/min過渡到轉(zhuǎn)速為1092r/min的電流波形
圖11(a)給出相電流iph，總電流ibus波形。在開始時電流受斬波控制，隨著速度的增加電流峰值開逐漸減小。為了實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，采用一個pi控制器來調(diào)節(jié)pwm的占空比。開關(guān)角固定為θon=48°和θoff=78°。圖11(b)，從開環(huán)控制轉(zhuǎn)換到給定轉(zhuǎn)速為1092r/min速度閉環(huán)控制方式下，檢測的相電流iph，總電流ibus波形。
圖12(a) 無位置傳感器cgsm(θon=48°和θoff =78°)
圖12(b) 帶有位置傳感器(θon=42°, θoff=72°)
圖12(a)和圖12(b)分別表示在無傳感器和有位置傳感器(1024線性編碼器)條件下對應(yīng)的瞬時速度特性曲線。可清楚的看出兩者的性能沒有多大差異。
圖13(a) 無位置傳感器的瞬時轉(zhuǎn)速
圖13(b) 突加0.42n·m負載轉(zhuǎn)距時的響應(yīng)曲線
圖13(a)給出了瞬時速度曲線。圖13(b)為在θon=50°和θoff=79°給無傳感器系統(tǒng)施加一個0.42n·m瞬時負載。表明閉環(huán)cgsm法可應(yīng)用于小功率的調(diào)速系統(tǒng)。
圖14 有和無位置傳感器轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線
圖14給出4相srm轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線，曲線表明了可應(yīng)用cgsm法的速度范圍，在0到200r/min范圍內(nèi)，估計轉(zhuǎn)子位置是不可能的。但在更高點的速度范圍內(nèi)該方法的應(yīng)用是可行的。
7 結(jié)束語
通過實驗證明了在電壓pwm控制方式下一種新的sr電機轉(zhuǎn)子位置估計方法的實用性。該方法可以檢測每相的相電流，也可以檢測總電流，后者只需要一個檢測電路，這樣大大減少電路的組成。
在滿足θon<θ0的條件下，開通角可以任意選取，因為在該條件下才能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩。在無位置傳感器方式中應(yīng)用了一個閉環(huán)速度pi控制器，瞬時轉(zhuǎn)矩和瞬時速度曲線表明了通過調(diào)節(jié)pwm的占空比來實現(xiàn)速度閉環(huán)控制是可行的。
總的來說，cgpe可以估計出每個步進角內(nèi)轉(zhuǎn)子位置，而不需要預(yù)先知道電機的參數(shù)，只要知道電機的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)就可以了。因此可適用于大多數(shù)的srm電機。可以通過控制開關(guān)角或pwm占空比來實現(xiàn)這種檢測方法，并且這種方法可以實現(xiàn)四象限運行或應(yīng)用于磁阻發(fā)電機。這種策略主要適用于中高速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單低成本的檢測技術(shù)使srm電機可以推廣到航空、汽車、家電等領(lǐng)域。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
|
|
|
|
|
|
|
|