現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列在開關(guān)磁阻電機(jī)無傳感器位置檢測(cè)中的應(yīng)用

紀(jì)艷華， 陳 亮

(1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;

2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是由雙凸極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)、功率變換器、控制器及檢測(cè)器等組成的一種新型電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(見圖1)。與傳統(tǒng)的直流和交流調(diào)速系統(tǒng)相比，SRM不僅保持了異步電動(dòng)機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而且電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、運(yùn)行可靠、成本低、效率高，正獲得日益廣泛的應(yīng)用。SRM的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是SRM正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分，其檢測(cè)方案分為直接位置檢測(cè)法和間接位置檢測(cè)法兩類。直接檢測(cè)法引入了位置傳感器，使得電機(jī)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，安裝也不方便，還使得SRM調(diào)速系統(tǒng)的可靠性下降。因此，間接位置檢測(cè)技術(shù)正逐漸成為SRM調(diào)速系統(tǒng)研究的熱門課題。

圖1 SRM調(diào)速系統(tǒng)的基本組成

無位置傳感器檢測(cè)方法很多，如電流波形監(jiān)測(cè)法、狀態(tài)觀測(cè)器檢測(cè)法、磁鏈法、利用相間互感與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系檢測(cè)、電容式位置檢測(cè)技術(shù)、加測(cè)試線圈檢測(cè)等方案，這些方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，但綜觀其實(shí)際效果卻有一個(gè)共同的不足之處就是這些算法往往比較復(fù)雜，對(duì)位置檢測(cè)的實(shí)時(shí)性要求較高，因此目前只局限在中低速領(lǐng)域。

本文在6/4極SRM單相輪流導(dǎo)通和電流采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)技術(shù)控制的條件下，利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)實(shí)現(xiàn)磁鏈法的間接位置檢測(cè)方案。將表示電流-磁鏈-位置角關(guān)系的勵(lì)磁特性曲線放入查找表中，不僅節(jié)約了大量的運(yùn)算時(shí)間，而且在高速區(qū)仍能獲得準(zhǔn)確可靠的位置信號(hào)。

1 磁鏈法的基本原理及算法

1.1 基本原理

磁鏈法直接對(duì)激勵(lì)相繞組的電流進(jìn)行檢測(cè)，從而得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。根據(jù)SRM的一相電壓方程:

得到一相繞組的磁鏈表達(dá)式:

測(cè)量出電機(jī)激勵(lì)相的電流I和電壓U及定子電阻R，即可計(jì)算出某一時(shí)刻的定子磁鏈值。實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)子位置θ、定子磁鏈Ψ和電流i的關(guān)系如圖2所示。

圖2 SRM勵(lì)磁特性曲線

SRM的勵(lì)磁特性曲線可以通過實(shí)際測(cè)量或有限元分析的方法得到，制成表格，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過查表，實(shí)時(shí)地得到轉(zhuǎn)子的位置。

1.2 算法簡(jiǎn)述

大多數(shù)位置估算算法并不考慮起動(dòng)時(shí)的情況，本文為了實(shí)現(xiàn)SRM的無遲滯起動(dòng)，需要在沒有對(duì)轉(zhuǎn)子初始校準(zhǔn)和無干擾的情況下開始獲得轉(zhuǎn)子位置信息，因此算法中包括起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子位置估算，具體算法如下(流程如圖3所示):

(1)在短時(shí)間內(nèi)(0.5 ms)給電機(jī)的所有相通電;

(2)測(cè)量所有相的電壓和電流;

(3)獲取最大電流相(勵(lì)磁相);

(4)計(jì)算該相的磁鏈值;

(5)根據(jù)電流和磁鏈值查勵(lì)磁特性表，估計(jì)轉(zhuǎn)子位置;

(6)再轉(zhuǎn)到步驟(2)。

圖3 磁鏈法估算轉(zhuǎn)子位置流程圖

2 基于FPGA的位置檢測(cè)控制器

FPGA芯片作為數(shù)字控制器用于實(shí)現(xiàn)無傳感器位置檢測(cè)時(shí)，其輸入、輸出信號(hào)如圖4所示。由電流和電壓傳感器檢測(cè)到的三相繞組電壓、電流值信號(hào)需經(jīng)過八選一的多路選擇開關(guān)，開關(guān)的輸出連接到八位A/D轉(zhuǎn)換器，從而將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)傳送給數(shù)字控制器。圖5所示為數(shù)字控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 控制器輸入輸出原理圖

圖5 基于FPGA的數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)框圖

2.1 勵(lì)磁相檢測(cè)電路

勵(lì)磁相檢測(cè)電路用于確定電機(jī)起動(dòng)時(shí)給哪一相繞組通電。因?yàn)閯?lì)磁相的氣隙阻抗相對(duì)較大，電感較小，所以當(dāng)短時(shí)間激發(fā)所有相時(shí)，檢測(cè)到的勵(lì)磁相電流應(yīng)該最大。勵(lì)磁相檢測(cè)電路的原理是利用一個(gè)簡(jiǎn)單的電流比較器，比較輸入的三相電流的大小，并輸出最大電流相的電流值，輸出的電流值再作為磁鏈估算電路的輸入。

2.2 磁鏈估算電路

本文中磁鏈的估算采用遞歸算法，即根據(jù)第n個(gè)周期的電流和電壓值以及第n-1周期的磁鏈，計(jì)算出第n個(gè)周期的磁鏈。

將式(2)離散化可得:

式中:Δt——離散積分磁鏈的計(jì)算周期;

Un、In——第n個(gè)離散周期里繞組的電壓、電流值;

R——相繞組電阻，可假設(shè)為常數(shù);

Ψn-1——第n-1周期的磁鏈，在電機(jī)剛剛起動(dòng)時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)的Ψn-1為零。

2.3 查找表

查找表中存放的是磁鏈、電流和轉(zhuǎn)子位置的值，也就是電機(jī)的勵(lì)磁特性曲線所反映的內(nèi)容。通過試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量或者通過仿真軟件Ansoft/Maxwell 2D用有限元分析的方法可以得到6/4極SRM在不同轉(zhuǎn)子位置時(shí)的磁鏈和電流值，從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置θ、定子磁鏈Ψ和電流i的關(guān)系，將其制成表格，即得到查找表。

由于試驗(yàn)和仿真軟件得到的磁鏈值都是小數(shù)的形式，為了能夠在FPGA中用十六進(jìn)制的形式表示這些小數(shù)，還必須將這些小數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)某叨茸儞Q。

2.4 轉(zhuǎn)子位置估算電路

根據(jù)式(3)計(jì)算得到的磁鏈值與當(dāng)前的繞組采樣電流一起，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過查找表可以及時(shí)準(zhǔn)確地得到當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置。通過查表獲得的轉(zhuǎn)子位置信息可以有效地用于控制SRM相繞組電流的開通與關(guān)斷。

2.5 轉(zhuǎn)速估算電路

第n個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速ωn可由式(4)計(jì)算得到:

式中:θn，θn-1——從轉(zhuǎn)子位置估算電路獲得的第n個(gè)周期和第n-1個(gè)周期的轉(zhuǎn)子位置角度值。

3 仿真與結(jié)果分析

本文選用一臺(tái)三相6/4極SRM為對(duì)象，其中R=0.5 Ω，Lmin=8 mH，Lmax=60 mH。對(duì)電機(jī)電流采用PWM控制，轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊控制策略，使用MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的無位置傳感器的SRM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

圖6給出了基于電流PWM控制下的瞬時(shí)一相電流波形，圖7為系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線。

圖6 瞬時(shí)電流跟蹤下的一相電流波形

圖7 速度響應(yīng)曲線

圖6、7表明所設(shè)計(jì)的基于FPGA的數(shù)字控制器，不僅可以實(shí)現(xiàn)電流斬波控制，而且整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)可以取得超調(diào)小、響應(yīng)速度快、無靜差這樣比較好的調(diào)速性能。

4 結(jié)語

本文提出了一種借助VHDL語言將FPGA用于無位置傳感器的位置檢測(cè)方法，詳細(xì)闡述了控制器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)思想，并通過仿真證實(shí)了該算法可以實(shí)現(xiàn)SRM任何位置下的無遲滯起動(dòng)，并準(zhǔn)確估算了轉(zhuǎn)子位置。

如何借助VHDL語言用一片F(xiàn)PGA芯片實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字控制器的功能，將是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不僅可以使控制器節(jié)省空間，更可以提高控制的速度和精度，從而拓寬無位置傳感器SRM的實(shí)用領(lǐng)域。

［1］王宏華.開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］王宏華，許大中.開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)［J］.電工電能新技術(shù)，1996(3):48-53.

［3］劉劍，劉素娟.開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感技術(shù)研究［J］.中小型電機(jī)，1998，25(4):16-19.

［4］王大方，謝依順.無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)與啟動(dòng)［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(3):36-39.

［5］Fahimi B，Suresh G，Ehsani M.Review of sensorless control methods in switched reluctance motor［C］∥Industry Applications Conference，2000:1850-1857.

［6］Gao H，Salmasi F R，Ehsani M.Sensorless control of SRM at standstill［C］∥Applied Power Electronics Conference and Exposition，2001:850-856.