基于外加線圈的開關磁阻電機無位置傳感技術

李 根，徐建單，程昭竣，唐潤恒

(中國礦業(yè)大學,徐州 221008)

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基于外加線圈的開關磁阻電機無位置傳感技術

李 根，徐建單，程昭竣，唐潤恒

(中國礦業(yè)大學,徐州 221008)

針對開關磁阻電機在運行時需要知道準確的轉(zhuǎn)子位置信息，提出一種基于外加檢測線圈法的無位置傳感器控制技術。該方法是在電機定子槽中加裝檢測線圈并在其中通入高頻電壓信號，隨著轉(zhuǎn)子在不同的位置時，檢測線圈中的磁場會經(jīng)過不同的磁路而使得其電感值發(fā)生變化，因此，可以通過檢測線圈中的電感曲線或者電流包絡線來判斷轉(zhuǎn)子的位置信息。利用Ansoft軟件分析了電機的基本電磁特性并完成了基于外加檢測線圈法的開關磁阻電機無位置傳感器仿真。通過對仿真實驗數(shù)據(jù)的分析可以看出，外加檢測線圈法滿足對轉(zhuǎn)子位置信息的檢測，并且加入的檢測線圈對于電機本身的性能和電磁特性基本沒有影響，驗證了該方法的有效性和可行性。

開關磁阻電機；無位置傳感器；檢測線圈；包絡線；特征值

0 引 言

開關磁阻電機(以下簡稱SRM)具有結(jié)構(gòu)簡單堅固、效率高和工作可靠等優(yōu)點，成為各國研究和開發(fā)的熱點之一[1-2]，其應用領域已經(jīng)覆蓋了電動車驅(qū)動、航空工業(yè)和伺服系統(tǒng)等各個行業(yè)。轉(zhuǎn)子的位置信號是SRM控制各功率變換器開通和關斷的依據(jù)，因此，快速準確地檢測出轉(zhuǎn)子的位置信息是電機正常可靠運行的基礎。一般采用的外加傳感器控制不僅增加了電機的成本和復雜度，而且也會影響其在惡劣環(huán)境下的運行。因此研究無位置傳感器技術具有重要的工業(yè)應用價值。

從是否需要位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置信息角度，可以將檢測方法分為直接檢測方法和間接檢測方法，兩者都有各自的優(yōu)缺點。有位置傳感器的直接檢測法是利用光電傳感器、霍爾傳感器、接近開關等位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置，該檢測方法應用廣泛、技術也比較成熟，但是唯一的缺點就是需要安裝位置傳感器，這在一定程度上削弱了SRM相對于其他電機結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，并且外加的傳感器容易受外界環(huán)境的干擾。無位置傳感器的檢測方法大致可以分為4大類[3-5]：導通相檢測法、非導通相檢測法、附加電元件檢測法以及基于智能技術的檢測法，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、更加可靠的優(yōu)勢，是SRM研究的熱點問題之一。

本文提出一種基于外加檢測線圈法的無位置傳感器控制技術，該方法是在電機定子槽中加裝檢測線圈并在其中通入高頻電壓信號，隨著轉(zhuǎn)子在不同的位置時，檢測線圈中的磁場會經(jīng)過不同的磁路而使得其電感值發(fā)生變化，因此，可以通過檢測線圈中的電感曲線或者電流包絡線來判斷轉(zhuǎn)子的位置信息。

1 外加檢測線圈的設計原理

圖1 SRM無位置傳感器結(jié)構(gòu)圖

功率繞組與檢測繞組的基本電路如圖2所示，對于檢測繞組而言，Vs是高頻低幅值的電壓信號，加入高頻信號是為了更精確的獲得電感信息的變化，以此來準確的判斷轉(zhuǎn)子的位置，低幅值電壓則是為了避免對功率繞組產(chǎn)生影響。電路中接入電阻是為了限制電流，同時也可以根據(jù)其兩端的電壓值來獲得檢測線圈的電流值。檢測線圈下半部分不與主繞組同名，這是為了在電機運行時，消除功率繞組對檢測繞組的互感，使得檢測線圈中所測得數(shù)據(jù)不受功率繞組影響。

圖2 功率繞組與檢測繞組電路圖原理

基于外加檢測線圈確定轉(zhuǎn)子位置的基本原理是：當一相(例如B相)定子鐵心齒與轉(zhuǎn)子鐵心齒對齊時，檢測線圈L1磁場對應的主要磁回路是非鐵磁材料，檢測繞組的電感值為最小值Lmin，設此時轉(zhuǎn)子位置角θ=0°。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度后，該轉(zhuǎn)子鐵心齒的部分鐵心就成為檢測線圈L1磁場的部分磁路，檢測繞組的電感值會增加。當該轉(zhuǎn)子鐵心齒軸線與檢測線圈L1的軸線對齊時，檢測繞組的電感值達到最大值Lmax。通過不同位置檢測繞組測量得到的電感值，就可以得到轉(zhuǎn)子的位置信號[8]。電感值隨著轉(zhuǎn)子位置變化的關系如圖3所示。

圖3 檢測線圈電感值與轉(zhuǎn)子位置角的關系

2 電機轉(zhuǎn)子位置信號的獲取與自啟動

在實際應用過程當中，檢測線圈的實時電感值不易獲得，可以通過電流包絡線來獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。電路如圖2所示，向檢測線圈中注入高頻低壓信號，線圈中的電感對檢測得到的電流信號進行調(diào)制之后，電流信號就包含了轉(zhuǎn)子的位置信息。假設向檢測線圈中注入的高頻電壓為Vs=Vsin(ωst)，則檢測線圈上的電流：

(1)

采用幅值調(diào)制法對電流信號進行解調(diào)，得到調(diào)制波的包絡線信號is，如圖4所示，調(diào)制信號的幅值變化：

(2)

圖4 調(diào)制波及包絡線

由此可見，電流信號包絡線is與檢測線圈電感值的變化正好相反。對檢測線圈1,2,3和4中的電流進行解調(diào)處理后，可以得到4個線圈的包絡線信號,如圖5所示。

圖5 檢測線圈電流包絡線

分析一個周期不同的4個檢測線圈中的電感曲線，如圖6(a)所示，設檢測線圈1電感的最小值處對應θ=0°，由于4個檢測線圈完全相同，并且相鄰之間有15°的相位差，可以得出，線圈2和線圈4電感曲線的兩個交點分別對應轉(zhuǎn)子位置角θ=0°和θ=30°，電感值在最大處時，檢測線圈軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線對齊，此時θ=30°。類似地，線圈1和線圈3電感曲線的兩個交點分別對應轉(zhuǎn)子位置角θ=-15°和θ=15°；線圈2和線圈4電感曲線的兩個交點分別對應轉(zhuǎn)子位置角θ=0°和θ=30°；線圈3和線圈1電感曲線的兩個交點分別對應轉(zhuǎn)子位置角θ=15°和θ=45°。4個檢測線圈的電感曲線交截即可獲得轉(zhuǎn)子的位置信息，如圖6(b)所示。

(a) 檢測線圈電感曲線

(b) 交截得到的轉(zhuǎn)子位置信號

圖6 線圈電感與轉(zhuǎn)子位置

同樣的，由檢測線圈測得的電流包絡線與檢測線圈電感值的變化規(guī)律相反，如圖7中所示。

(a) 檢測線圈電流包絡線

(b) 交截得到的轉(zhuǎn)子位置信號

圖7 線圈電流與轉(zhuǎn)子位置

圖6和圖7中的P，Q，R，W分別表示轉(zhuǎn)子與檢測線圈1，2，3，4的關系，例如當P為低位信號時，檢測線圈1中的電感值增加，表示轉(zhuǎn)子靠近檢測線圈1，可以估計出轉(zhuǎn)子的位置信息，也可以集合4個檢測線圈中測得的電感值或者電流包絡線值，根據(jù)已知關系精確判斷轉(zhuǎn)子的位置信息。其實利用特征值交截得到的P，Q，R，W信號已經(jīng)暗含了控制電機時的導通相選擇，比如當轉(zhuǎn)子逐漸靠近檢測線圈1直到轉(zhuǎn)子軸與檢測線圈軸對齊的那一刻，我們可以選擇開通與檢測線圈1相鄰的A相功率繞組。以圖7檢測線圈電流包絡線為例，可以得到轉(zhuǎn)子在不同位置時，電機的起動相順序，如表1所示。

表1 起動相的選擇

3 仿真及結(jié)果分析

本文在仿真時設定一臺四相8/6極結(jié)構(gòu)的SRM，額定功率為10kW，電源電壓為交流380V，額定轉(zhuǎn)速為1 500r/min，額定效率為0.9[9]。在Ansoft/RMxprt中設定電機的尺寸數(shù)據(jù)后，得到仿真數(shù)據(jù)和電磁特性[10]，表2是仿真得到的主要數(shù)據(jù)。

表2 RMxprt中電機的主要參數(shù)

將RMxprt中的電機模型導入到Maxwell 2D中添加檢測線圈，圖8為外加檢測線圈的SRM，其中，通入10 V高頻信號,10 kHz信號，電阻為5 Ω，線圈匝數(shù)為10匝。

圖8 外加檢測線圈的SRM

通過得到的電流曲線濾波后所得的包絡線進行轉(zhuǎn)子位置的判斷。利用電流包絡線判斷時，將圖9和圖10中的電流數(shù)據(jù)導入到MATLAB中，并求解每一個周期的最大值，可以近似得到電流值的包絡線，如圖11所示。

電流包絡線與電感曲線有著相反的變化規(guī)律，即電流包絡線上升區(qū)對應電感曲線下降區(qū)，同樣也可得出轉(zhuǎn)子位置信息和功率繞組導通順序。由以上仿真結(jié)果可以看出，電機無論在靜止還是運行時，都可以通過外加檢測線圈法來獲取轉(zhuǎn)子的位置信息。

圖9 電機靜止時檢測線圈的瞬時電流值

圖10 電機高速運行時檢測線圈的瞬時電流值

(a)電機靜止時(b)電機運行時

圖11 電流包絡線判斷轉(zhuǎn)子位置

最后分析添加的檢測線圈對電機性能的影響。圖12是有無檢測線圈時電磁轉(zhuǎn)矩曲線。

圖12 有無檢測繞組時的電磁轉(zhuǎn)矩曲線

可以看出，添加檢測線圈后對電機的性能幾乎沒有影響。以上現(xiàn)象是因為所添加的檢測繞組本身電流很小，線圈匝數(shù)也很少，而且檢測線圈所添加的位置盡量避開了主磁路回路，這就使得其對電機本身的性能影響較小，幾乎可以忽略。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于外加檢測線圈法的無傳感器控制方法。通過實驗數(shù)據(jù)分析可以得出，外加檢測線圈法無論在電機靜止還是運行時都能夠精確檢測轉(zhuǎn)子的位置信息，在分析檢測繞組對功率繞組的影響時，從數(shù)據(jù)中可以看出影響較小，說明添加檢測繞組不會破壞電機原有的電磁特性，說明該方案可行。

[1] 毛良明，經(jīng)亞枝，樊小明，等．反串線圈法間接位置檢測技術在開關磁阻發(fā)電機系統(tǒng)中的應用研究[J]．中國電機工程學報，2000，20(10)：27-30.

[2] 趙博，張洪亮．Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M]．北京：中國水利水電出版社，2010.

[3] 蔡駿，鄧志泉，胡榮光．開關磁阻電機在位置檢測中的應用[J]．電工技術學報，2014，29(3):150-158.

[4] CAI Jun,DENG Zhiquan.Sensorless control of switched reluctance motor based on phase inductance vector [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(7):3410-3423.

[5] YU C H,CHEN T C.Novel sensorless driving method of SRM with external rotor using impressed voltage pulse [J].IEE Proceedings on Electric Power Applications,2006,153(5):632-641.

[6] 劉闖，馮雷，周強，等．SRD反串測試線圈的轉(zhuǎn)子位置特征值檢測[J]．電工技術學報，2008，23(3)：24-29.

[7] 中國礦業(yè)大學．自檢測轉(zhuǎn)子位置的開關磁阻電機：CN102447369B [P].2012-05-09.

[8] 周竟成，王曉琳，鄧智泉，等．開關磁阻電機的電感區(qū)分式無位置傳感器技術[J]．電工技術學報，2012，27(7)：34-40.

[9] 吳建華．開關磁阻電機設計與應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[10] 江華．基于RMxprt與Maxwell2D的開關磁阻電機特性仿真[J]．防爆電機，2014，49(6)：24-28.

Position Sensorless Based on the Added Coil for Switched Reluctance Motor

LIGen，XUJian-dan，CHENGZhao-jun,TANGRun-heng

(China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

Aimed at the problem that the rotor position information was needed while the switched reluctance motor is running, a position sensorless control based on the added detecting coils for switched reluctance motor was proposed. The motor stator slots were equipped with the detecting coils which were injected the high frequency voltage signal. The magnetic fields of the detecting coils pass through different magnetic circuits with the rotor in different locations, leading to the inductance values' change of the detecting coils. Therefore, the position information of the rotor can be estimated by the inductance curve or current envelope of the detecting coils. Finally, with the basic electromagnetic characteristics of the motor analyzed, the simulation of position sensorless control based on the added detecting coils for switched reluctance motor was completed. The analysis of the simulation data shows that the detecting coils can meet the detection of the rotor position, the added detecting coils have almost no effect on the operating performance and the electromagnetic characteristic of the motor as well, verifying the proposed method's effective and feasible.

switched reluctance motor(SRM); position sensorless; sensing coils; envelope curve; eigenvalue

2016-01-06

TM352

A

1004-7018(2016)06-0051-04

李根(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為電氣工程。