橫向磁通開關(guān)磁阻電機(jī)間接位置檢測(cè)方法

姜亞海，瞿遂春，邱愛兵，陳 飛

(南通大學(xué)，南通 226019)

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橫向磁通開關(guān)磁阻電機(jī)間接位置檢測(cè)方法

姜亞海，瞿遂春，邱愛兵，陳 飛

(南通大學(xué)，南通 226019)

提出一種橫向磁通開關(guān)磁阻電機(jī)間接位置檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)TFSRM起動(dòng)相的確定及低速運(yùn)行時(shí)正確換相。起動(dòng)時(shí)各相同時(shí)注入高頻脈沖電壓，計(jì)算出電感值，再由邏輯關(guān)系確定起動(dòng)相；在低速運(yùn)行時(shí)，對(duì)下一導(dǎo)通相注入高頻脈沖電壓，同時(shí)檢測(cè)該相電流，當(dāng)相電流達(dá)到換相閾值后即可執(zhí)行換相。該方法無(wú)需大量計(jì)算、算法簡(jiǎn)單。最后在MATLAB環(huán)境下建立了三相TFSRM系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。

橫向磁通開關(guān)磁阻電機(jī)；間接位置檢測(cè)；電感分區(qū)；脈沖注入

0 引 言

橫向磁通開關(guān)磁阻電機(jī)(Transverse Flux Switched Reluctance Motor，以下簡(jiǎn)稱TFSRM)。具有轉(zhuǎn)矩密度高、低速性能好、容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于大功率、低轉(zhuǎn)速、直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合[1]。對(duì)于TFSRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，位置檢測(cè)是保證電機(jī)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，通常采用外裝光電式或磁敏式位置檢測(cè)器[2]，實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。這種有位置傳感器的檢測(cè)方法限制了電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合，降低了系統(tǒng)的可靠性[3]，因此經(jīng)濟(jì)實(shí)用的無(wú)位置傳感器技術(shù)成為目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

很多學(xué)者在無(wú)位置檢測(cè)方面做了大量研究，并在中、高速場(chǎng)合取得了一些研究成果，但在起動(dòng)和低速區(qū)無(wú)位置傳感器研究較少。文獻(xiàn)[4]通過(guò)檢測(cè)自舉電容充電電流達(dá)到峰值的時(shí)間來(lái)確定起動(dòng)相，該方法對(duì)控制要求較高；文獻(xiàn)[5]通過(guò)擬合曲線的方法確定電流與角度位置關(guān)系，然而很難得到精確的電流與角度位置曲線，并且三次以上的擬合方法比較復(fù)雜。隨著研究的深入一些智能算法也被應(yīng)用到位置檢測(cè)中。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制該方法不需要具體模型[6]，只要有足夠的數(shù)據(jù)，通過(guò)不斷的訓(xùn)練可以逼近目標(biāo)函數(shù)，但該方法計(jì)算量大，訓(xùn)練需要大量時(shí)間。文獻(xiàn)[7]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波分析應(yīng)用到轉(zhuǎn)子位置估算策略中，也有局限性，收斂速度慢、隱含層數(shù)目難確定且系統(tǒng)復(fù)雜。本文采用低閾值電感分區(qū)結(jié)合注入高頻脈沖的方法確定起動(dòng)相以及實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行時(shí)準(zhǔn)確換相。該方法無(wú)需大量存取信息且算法簡(jiǎn)單。

1 TFSRM起動(dòng)相檢測(cè)方法

1.1 低閾值電感分區(qū)法原理

圖1所示為三相16極的TFSRM結(jié)構(gòu)圖，對(duì)其理想電感曲線進(jìn)行分區(qū)，在電感極值點(diǎn)與交差點(diǎn)處將一個(gè)機(jī)械周期22.5°分為6個(gè)區(qū)，每個(gè)分區(qū)3.75°，如圖2所示。由三相電感值可確定轉(zhuǎn)子所在區(qū)間。

圖1 三相16極 TFSRM結(jié)構(gòu)圖

圖2 低閾值電感分區(qū)圖

由電感分區(qū)圖可知在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ區(qū)只有一相電感處于上升趨勢(shì)，在該區(qū)段可將該相確定為起動(dòng)相。而在Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ區(qū)各有兩相電感處于上升趨勢(shì)，其中一相電感開始上升，另一相電感趨于飽和上升。在Ⅰ區(qū)若確定A相為起動(dòng)相可能會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)小導(dǎo)致無(wú)法起動(dòng)，若確定C相為起動(dòng)相可能會(huì)由于電感趨于飽和而導(dǎo)致誤導(dǎo)通。因此為了解決這一問(wèn)題，論文在電感分區(qū)的基礎(chǔ)上設(shè)置了低閾值電感TL如圖2所示。這樣可以避免根據(jù)圖2中A、B段確定起動(dòng)相，確保電機(jī)正確起動(dòng)。

1.2 電感值估算方法

由上文分析可知只要能得到三相電感值，就能確定起動(dòng)相。TFSRM繞組電壓方程如式(1)所示:

(1)

式中：Uk為K相電壓；ik為K相電流；Rk為K相電阻；Lk為K相電感；ω為角速度。

在靜止?fàn)顟B(tài)下ω=0，忽略電磁飽和效應(yīng)和電阻壓降，相繞組方程可以簡(jiǎn)化為式(2)：

(2)

將式(2)離散化后得到：

(3)

由式(3)可知，當(dāng)相電壓和注入脈沖電壓時(shí)間確定時(shí)，通過(guò)檢測(cè)相電流即可得到相電感值。

1.3 低閾值電感選取

為了能正確地設(shè)定出低閾值電感，需對(duì)理想電感曲線及位置角進(jìn)行分析，圖3為TFSRM理想電感曲線。圖3中0°為不對(duì)齊位置處，11.25°為定、轉(zhuǎn)子齒極中心線對(duì)齊處。(0°-θ1)之間磁阻較大電感接近于一個(gè)恒定的值；在(θ1-θ2)之間定、轉(zhuǎn)子齒極逐漸重合，電感上升較快。結(jié)合本文提出的低閾值電感分區(qū)法，論文將θ′處對(duì)應(yīng)的電感值設(shè)置為低閾值電感(TL)。通常來(lái)說(shuō)θ′位置不宜過(guò)小也不宜過(guò)大，否則可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法起動(dòng)或誤導(dǎo)通現(xiàn)象。θ′計(jì)算公式:

圖3 TFSRM理想電感曲線

(4)

1.4 起動(dòng)相確定

由圖2低閾值電感分區(qū)圖可知，在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ區(qū)可直接由電感關(guān)系確定起動(dòng)相。當(dāng)電感關(guān)系為L(zhǎng)c≥La>Lb時(shí)確定轉(zhuǎn)子在Ⅱ區(qū)，可確定A相為起動(dòng)相，同樣當(dāng)轉(zhuǎn)子在Ⅳ、Ⅵ區(qū)時(shí)起動(dòng)相分別為B、C相。在Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ區(qū)時(shí)結(jié)合低閾值電感確定起動(dòng)相。例如，當(dāng)?shù)玫诫姼嘘P(guān)系為L(zhǎng)c≥Lb>La時(shí)確定轉(zhuǎn)子處于Ⅰ區(qū)，再將La與低電感閾值比較，當(dāng)La>TL時(shí)確定A為起動(dòng)相，否則C為起動(dòng)相。在Ⅲ、Ⅴ區(qū)時(shí)用同樣的方法可以確定具體起動(dòng)相。表1為起動(dòng)相邏輯關(guān)系。

表1 起動(dòng)相邏輯

2 運(yùn)行換相方法

在一般應(yīng)用場(chǎng)合不需要計(jì)算轉(zhuǎn)子每一時(shí)刻具體角度信息，只要能檢測(cè)到換相信息即可實(shí)現(xiàn)換相操作。在任意時(shí)刻只有一相導(dǎo)通的情況下，論文采用對(duì)下一導(dǎo)通相注入脈沖電壓的方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)行換相。對(duì)下一相注入高頻脈沖檢測(cè)信號(hào)時(shí)，該相磁路不飽和，電流響應(yīng)較大，通過(guò)檢測(cè)該相電流是否達(dá)到設(shè)定換相閾值即可實(shí)現(xiàn)換相。

例如，當(dāng)A相為當(dāng)前導(dǎo)通相時(shí)，對(duì)下一導(dǎo)通相B相注入高頻脈沖電壓，同時(shí)對(duì)B相電流進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)B相電流達(dá)到換相閾值時(shí)，將A相關(guān)斷，開通B相，繼續(xù)對(duì)C注入高頻脈沖電壓，如此循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相運(yùn)行。圖4為電流斬波控制方式下對(duì)B相注入高頻脈沖電壓及導(dǎo)通后的理想電流波形圖。

通過(guò)以上方法即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相運(yùn)行，該方法不需要大量計(jì)算，也不需要額外硬件電路。另外該算法對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的精度要求也不高，降低了系統(tǒng)的成本。

(a)CCC方式下B相電流(b)高頻脈沖檢測(cè)

圖4 B相電流響應(yīng)及檢測(cè)信號(hào)波形

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 TFSRM模型建立

為了驗(yàn)證論文所采用的間接位置檢測(cè)方法，論文基于MATLAB系統(tǒng)環(huán)境對(duì)提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。首先對(duì)三相16極TFSRM本體進(jìn)行建模。電機(jī)一相模型如圖5所示，其他兩相與該相電磁參數(shù)相差120°電角度，圖6為系統(tǒng)模型。 仿真參數(shù)設(shè)定：母線電壓為100 V、額定轉(zhuǎn)速為600 r/min、采用電流斬波方式控制、導(dǎo)通相序?yàn)锳-B-C-A、開通角設(shè)置為0°,關(guān)斷角設(shè)置為7.5°。起動(dòng)時(shí)施加高頻脈沖電壓激勵(lì)時(shí)間為50 μs。

圖5 TFSRM一相模型

圖6 整體仿真模型

3.2 低閾值電感仿真

在建立的仿真系統(tǒng)中將初始角度設(shè)置為θ′=2°，同時(shí)將電機(jī)速度設(shè)置為0以確保得到的電感值為一恒定值。圖7為仿真結(jié)果，在θ′處電感值為0.7 mH，即對(duì)應(yīng)的低閾值電感TL=0.7 mH。

圖7 低閥值電感仿真圖

3.3 起動(dòng)相驗(yàn)證

在仿真系統(tǒng)中分別預(yù)設(shè)初始角度為5°和10°，可知起動(dòng)相分別為A相和B相。為了保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將電機(jī)速度設(shè)置為0，注入脈沖較短時(shí)間內(nèi)電感值為恒定值。圖8、圖9分別為5°和10°時(shí)三相電感值仿真結(jié)果，由電感分區(qū)圖可以判定轉(zhuǎn)子分別處于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，由表一可以確定起動(dòng)相分別為A相和B相。其結(jié)果與預(yù)設(shè)結(jié)果相同，說(shuō)明該起動(dòng)相判斷方法是可行的。

圖8 5°時(shí)三相電感估計(jì)值

圖9 10°時(shí)三相電感估計(jì)值

3.4 運(yùn)行換相驗(yàn)證

圖10為采用脈沖注入法的B相電流及電壓信號(hào)波形，圖10(a)為電流波形、圖10(b)為運(yùn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)，圖10(c)為高頻脈沖電壓檢測(cè)信號(hào)。圖11為三相電流波形，圖10(a)為A相電流波形、圖10(b)為B相電流波形、圖10(c)為C相電流波形,可以看到在各相導(dǎo)通前響應(yīng)電流峰值大小變化明顯，適合用于檢測(cè)換相信號(hào)，進(jìn)行換相操作，從三相電流波形可以看出該方法可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正確運(yùn)行換相。仿真結(jié)果說(shuō)明論文采用的無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)方法是可行的。

圖10 B相電流及電壓信號(hào)波形

圖11 三相電流波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)TFSRM間接位置檢測(cè)方法進(jìn)行研究。采用低閥值電感分區(qū)結(jié)合脈沖注入法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)正常起動(dòng)及換相運(yùn)行。并在MATLAB系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該方法的可行性?？偨Y(jié)有以下結(jié)論：

(1)不需要大量的磁鏈-電流-角度信息，直接由電感關(guān)系結(jié)合邏輯表確定起動(dòng)相，計(jì)算量小，算法上易于實(shí)現(xiàn)。

(2)不需要在電感接近飽和區(qū)時(shí)確定起動(dòng)相，避免了誤導(dǎo)通現(xiàn)象。

(3)換相運(yùn)行時(shí)對(duì)下一導(dǎo)通相注入高頻脈沖，響應(yīng)電流大便于檢測(cè)。

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Indirect Position Estimation Method of Transverse Flux Switched Reluctance Motor

JIANGYa-hai，QUSui-chun，QIUAi-bing，CHENFei

(Nantong University，Nantong 226019，China)

A transverse flux switched reluctance motor indirect position detection method was proposed, and TFSRM starting phase determination and correct phase switching during low speed running were realized.High frequency pulse voltages were injected to each phase at the same time when starting, the inductance value was calculated, and the starting phase was determined by the logical.When running at low speed, high-frequency pulse voltage was injected to the next phase, and detecting the phase current at the same time, when the phase current arrived to the reversing valve, switching phase was executed.This method needs not a lot of calculation with simple algorithm.Finally the TFSRM three-phase system model was established in MATLAB environment.The simulation results show that the method is feasible.

transverse flux switched reluctance motor (TFSRM); indirect position detection; inductance partition; injection pulse voltage

2016-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61473159)

TM352

A

1004-7018(2016)09-0061-04

姜亞海(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾滦碗姍C(jī)及其控制。