周　芸　王　龙　王　磊　耿振科

(西安工业大学　西安　710021)



一种无位置传感器的SRM控制策略研究*

周芸王龙王磊耿振科

(西安工业大学西安710021)

摘要开关磁阻电机(SRM)有结构简单、效率高、鲁棒性好等优点,应用范围愈加广泛,但位置传感器的引入增加了结构的复杂性,降低了效率和鲁棒性,提高了系统成本,为了解决这个问题,论文研究了一种无位置传感器的控制策略——改进型简化磁链法控制。论文详细阐述了改进型简化磁链法的基本原理和实现方法,并对基于这种控制策略的开关磁阻电机的控制进行了Matlab仿真。仿真结果表明该种控制策略可以实现无位置传感器的开关磁阻电机的转速的调控。

关键词SRM; 改进型简化磁链法; 位置传感器; Matlab仿真

A SRM Control Strategy Without Position Sensor

ZHOU YunWANG LongWANG LeiGENG Zhenke

(Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractSwitched reluctance motor(SRM) has the advantages of simple structure, high efficiency and good robustness, it is applied more widely, but the introduction of the position sensor and increases the complexity of the structure, reduce the efficiency and robustness, and raise the cost of the system, in order to solve this problem, a kind of sensorless control strategy — the modified method of simplified flux control is studied in this article. The basic principle and implementation method of modified simplified flux method are introduced in detail, and based on this kind of control strategy of the switched reluctance motor control is simulated by Matlab. The simulation results show that this control strategy can achieve sensorless switched reluctance motor speed control.

Key Wordsswitched reluctance motor, the modified method of simplified flux, position sensor, Matlab simulation

Class NumberTP212

1引言

开关磁阻电动机(SRM)凭借其结构简单,控制效率高,系统有很高的可靠性,鲁棒性好,节能效果显著的优势,在许多领域都显示出了强大的竞争力。然而,开关磁阻电机调速系统(SRD)对位置传感器的依赖,不仅增加了系统的复杂性和成本,降低了系统结构的坚固性和鲁棒性,并且提高了系统对工作环境的要求。因此无位置传感器SRD的研究逐渐成为了研究的热点[1~2]。

本文针对无位置传感器的开关磁阻电机控制策略——改进型简化磁链法控制策略展开研究。改进型简化磁链法,凭借其独特的控制思想,实现形式简单,实现了无位置传感器的开关磁阻电机调速目的。

2开关磁阻电机的控制策略

图1是四相8/6结构开关磁阻电机的剖面图,电机是双凸极结构,只在定子极上有集中绕组,转子上既无绕组也无永磁体,A、B、C、D四相绕组由对应绕组串联而成。SRM的工作原理遵循“磁阻最小原理”[2,6]——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合。

开关性是开关磁阻电机最重要的特性之一,即电机转子的位置信息判断对电机入绕组的通电顺序,那么如何获得转子准确的位置信息就显得十分重要。目前常见的方法就是通过在电机定子和转子上加装相应的位置传感器,利用位置传感器发出的信号获得准确的定、转子相对位置。但位置传感器的引入也同时增加了系统的成本,降低了系统稳定性,限制了控制系统在某些特殊场合的应用。本文研究了无位置传感器的开关磁阻电机控制策略——基于改进型简化磁链法的控制策略。

图1　四相8/6开关磁阻电机剖面图

2.1传统磁链法

磁链法的最初思想如下:忽略SRM绕组互感的影响,则相绕组磁链与该相绕组的电流、转子位置的存在着非线性关系,即:

φ=φ(θ,i)

(1)

θ=(φ,i)

(2)

由于凸极效应对开关磁阻电机的影响,不同的转子位置对应着不同的磁链-电流曲线,若能测得如图2所示对应不同转子位置的磁链、电流曲线簇,就能建立关于磁链、电流及转子位置的三维表[4,9]并存储在内存中,那么通过计算每一时刻的绕组磁链,并将计算得到的磁链与当前的绕组采样电流一起查表即可得到当前的转子位置,并不需要在电机上加装位置传感器。

图2　四相8/6 SRM磁化特性曲线

这类方法存在着以下不足之处:

1) 需要离线测量大量的SRM静态磁链特性数据,以建立三维表格,测量方法繁琐,且工作量大;

2) 需要大量的存储空间用以存储建立的三维表格;

3) 该方法在控制时的查表运算时间较长,对控制芯片的运行速度有较高要求。

2.1.1简化磁链法

针对传统磁链法的不足,提出了基于简化磁链法的控制策略是在简化磁链的基础上同电流斩波控制相结合,即在电机单相轮流导通时,并不需要任一时刻的转子位置信息,只要能够对转子是否到达换相位置进行判断即可,因此转子位置检测就可以简化为转子换相位置检测[5~6]。即只需将对应当前电流的换相位置磁链作为参考磁链并与估算得到的磁链比较大小,若前者大于后者,则判断还未到换相位置,应继续导通当前相,反之则认为已到达换相位置,应关断当前相,同时导通下一相。

2.1.2改进型简化磁链法

简化磁链法的控制策略是只判断电机运行磁链同关断处磁链的大小,以确定电机的开通相,这样就会存在两相甚至多相同时导通的情况,多于一相电流同时存在会降低电机的调速效率。本文在简化磁链法的基础上,通过离线得到不同电流下关断角处的磁链作为参考磁链,并进行当前相磁链与参考磁链的比较,确定关断位置,并以关断位置为基准估算出速度和转子位置[10],进而和开通角进行比较,以进一步确定当前相的开通与否。这样可以避免多相电流同时存在,提高了调速系统的运行稳定性和效率。如图3所示为基于改进型简化磁链法的SRM控制系统框图。

图3　改进型简化磁链法控制框图

2.1.3转速估算

由于本文中关断角固定,SRM电动机相邻两相绕组关断时刻之间的转子转过角度Δθ一定,对8/6结构的SRM电机而言,设定开通角、关断角分别为30°、45°,因此Δθ=15°;而两相绕组关断时刻的时间差可由两个关断时刻之间定时计数器中断服务程序执行数N决定,则SRM转子角速度可由下式估算:

(3)

式中ω为转速估计值(rad/s),fclk为定时器中断服务程序执行的频率(Hz)。

2.2基于改进型简化磁链法的Matlab仿真分析

在Matlab/Simulink中建立一个四相开关磁阻电机的模型,整个系统包括SRM电机本体、功率变换器、简化磁链控制器等[3,7~8]。然后利用该模型对基于改进型简化磁链法控制系统进行仿真研究,为对比也对基于简化磁链法控制系统进行了仿真。模型图如图4所示。

图4　改进型简化磁链法控制器仿真建模

图5　基于改进型简化磁链法SRM控制仿真建模

3仿真结果分析

从图6、图7对比可以看到,简化磁链法有两相电流同时存在的情况,改进型简化磁链法只有单相电流存在,没有出现多相电流同时存在的情况。

由图8~图11比较分析可以看出,改进型简化磁链法可将电机迅速调至期望转速,并且相比较于传统的简化磁链法,调速效率较高。由于简化磁链法调速过程中有两相电流同时存在,则会导致负转矩产生,致使电机转速出现下降的过程,使整个调速系统的效率降低。改进型磁链法只存在单相电流,则转矩不会出现负转矩,电机转速迅速平稳上升至期望转速。

图6　简化磁链法电流图

图7　改进型简化磁链法电流图

图8　简化磁链法转矩图

图9　改进型简化磁链法

图10　简化磁链法转速图

图11　改进型简化磁链法转速

4结语

基于改进型简化磁链法的开关磁阻控制策略,实现了在无位置传感器的前提下,对电机转速的估计,对电机通电换相位置的检测,达到了电机调速的目的。并改进了简化磁链法控制策略仅对换相位置的检测未对开通位置加以限制的弊端,避免了多相电流同时存在的情况,改善了调速性能,使调速过程更加平稳、有效。

参 考 文 献

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中图分类号TP212

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.028

作者简介:周芸,女,教授,硕士生导师,研究方向:信息处理与智能控制。王龙,男,硕士研究生,研究方向:电子与通信工程。王磊,男,硕士研究生,研究方向:控制工程。耿振科,男,硕士研究生,研究方向:控制工程。

收稿日期:2015年9月8日,修回日期:2015年10月23日