李 根，徐建单，程昭竣，唐润恒

(中国矿业大学,徐州 221008)



基于外加线圈的开关磁阻电机无位置传感技术

李 根，徐建单，程昭竣，唐润恒

(中国矿业大学,徐州 221008)

针对开关磁阻电机在运行时需要知道准确的转子位置信息，提出一种基于外加检测线圈法的无位置传感器控制技术。该方法是在电机定子槽中加装检测线圈并在其中通入高频电压信号，随着转子在不同的位置时，检测线圈中的磁场会经过不同的磁路而使得其电感值发生变化，因此，可以通过检测线圈中的电感曲线或者电流包络线来判断转子的位置信息。利用Ansoft软件分析了电机的基本电磁特性并完成了基于外加检测线圈法的开关磁阻电机无位置传感器仿真。通过对仿真实验数据的分析可以看出，外加检测线圈法满足对转子位置信息的检测，并且加入的检测线圈对于电机本身的性能和电磁特性基本没有影响，验证了该方法的有效性和可行性。

开关磁阻电机；无位置传感器；检测线圈；包络线；特征值

0 引 言

开关磁阻电机(以下简称SRM)具有结构简单坚固、效率高和工作可靠等优点，成为各国研究和开发的热点之一[1-2]，其应用领域已经覆盖了电动车驱动、航空工业和伺服系统等各个行业。转子的位置信号是SRM控制各功率变换器开通和关断的依据，因此，快速准确地检测出转子的位置信息是电机正常可靠运行的基础。一般采用的外加传感器控制不仅增加了电机的成本和复杂度，而且也会影响其在恶劣环境下的运行。因此研究无位置传感器技术具有重要的工业应用价值。

从是否需要位置传感器来检测转子的位置信息角度，可以将检测方法分为直接检测方法和间接检测方法，两者都有各自的优缺点。有位置传感器的直接检测法是利用光电传感器、霍尔传感器、接近开关等位置传感器来检测转子的位置，该检测方法应用广泛、技术也比较成熟，但是唯一的缺点就是需要安装位置传感器，这在一定程度上削弱了SRM相对于其他电机结构简单的优势，并且外加的传感器容易受外界环境的干扰。无位置传感器的检测方法大致可以分为4大类[3-5]：导通相检测法、非导通相检测法、附加电元件检测法以及基于智能技术的检测法，具有结构简单、成本较低、更加可靠的优势，是SRM研究的热点问题之一。

本文提出一种基于外加检测线圈法的无位置传感器控制技术，该方法是在电机定子槽中加装检测线圈并在其中通入高频电压信号，随着转子在不同的位置时，检测线圈中的磁场会经过不同的磁路而使得其电感值发生变化，因此，可以通过检测线圈中的电感曲线或者电流包络线来判断转子的位置信息。

1 外加检测线圈的设计原理

图1 SRM无位置传感器结构图

功率绕组与检测绕组的基本电路如图2所示，对于检测绕组而言，Vs是高频低幅值的电压信号，加入高频信号是为了更精确的获得电感信息的变化，以此来准确的判断转子的位置，低幅值电压则是为了避免对功率绕组产生影响。电路中接入电阻是为了限制电流，同时也可以根据其两端的电压值来获得检测线圈的电流值。检测线圈下半部分不与主绕组同名，这是为了在电机运行时，消除功率绕组对检测绕组的互感，使得检测线圈中所测得数据不受功率绕组影响。

图2 功率绕组与检测绕组电路图原理

基于外加检测线圈确定转子位置的基本原理是：当一相(例如B相)定子铁心齿与转子铁心齿对齐时，检测线圈L1磁场对应的主要磁回路是非铁磁材料，检测绕组的电感值为最小值Lmin，设此时转子位置角θ=0°。当转子转过一定角度后，该转子铁心齿的部分铁心就成为检测线圈L1磁场的部分磁路，检测绕组的电感值会增加。当该转子铁心齿轴线与检测线圈L1的轴线对齐时，检测绕组的电感值达到最大值Lmax。通过不同位置检测绕组测量得到的电感值，就可以得到转子的位置信号[8]。电感值随着转子位置变化的关系如图3所示。

图3 检测线圈电感值与转子位置角的关系

2 电机转子位置信号的获取与自启动

在实际应用过程当中，检测线圈的实时电感值不易获得，可以通过电流包络线来获得转子的位置信息。电路如图2所示，向检测线圈中注入高频低压信号，线圈中的电感对检测得到的电流信号进行调制之后，电流信号就包含了转子的位置信息。假设向检测线圈中注入的高频电压为Vs=Vsin(ωst)，则检测线圈上的电流：

(1)

采用幅值调制法对电流信号进行解调，得到调制波的包络线信号is，如图4所示，调制信号的幅值变化：

(2)

图4 调制波及包络线

由此可见，电流信号包络线is与检测线圈电感值的变化正好相反。对检测线圈1,2,3和4中的电流进行解调处理后，可以得到4个线圈的包络线信号,如图5所示。

图5 检测线圈电流包络线

分析一个周期不同的4个检测线圈中的电感曲线，如图6(a)所示，设检测线圈1电感的最小值处对应θ=0°，由于4个检测线圈完全相同，并且相邻之间有15°的相位差，可以得出，线圈2和线圈4电感曲线的两个交点分别对应转子位置角θ=0°和θ=30°，电感值在最大处时，检测线圈轴线与转子齿轴线对齐，此时θ=30°。类似地，线圈1和线圈3电感曲线的两个交点分别对应转子位置角θ=-15°和θ=15°；线圈2和线圈4电感曲线的两个交点分别对应转子位置角θ=0°和θ=30°；线圈3和线圈1电感曲线的两个交点分别对应转子位置角θ=15°和θ=45°。4个检测线圈的电感曲线交截即可获得转子的位置信息，如图6(b)所示。

(a) 检测线圈电感曲线

(b) 交截得到的转子位置信号

图6 线圈电感与转子位置

同样的，由检测线圈测得的电流包络线与检测线圈电感值的变化规律相反，如图7中所示。

(a) 检测线圈电流包络线

(b) 交截得到的转子位置信号

图7 线圈电流与转子位置

图6和图7中的P，Q，R，W分别表示转子与检测线圈1，2，3，4的关系，例如当P为低位信号时，检测线圈1中的电感值增加，表示转子靠近检测线圈1，可以估计出转子的位置信息，也可以集合4个检测线圈中测得的电感值或者电流包络线值，根据已知关系精确判断转子的位置信息。其实利用特征值交截得到的P，Q，R，W信号已经暗含了控制电机时的导通相选择，比如当转子逐渐靠近检测线圈1直到转子轴与检测线圈轴对齐的那一刻，我们可以选择开通与检测线圈1相邻的A相功率绕组。以图7检测线圈电流包络线为例，可以得到转子在不同位置时，电机的起动相顺序，如表1所示。

表1 起动相的选择

3 仿真及结果分析

本文在仿真时设定一台四相8/6极结构的SRM，额定功率为10kW，电源电压为交流380V，额定转速为1 500r/min，额定效率为0.9[9]。在Ansoft/RMxprt中设定电机的尺寸数据后，得到仿真数据和电磁特性[10]，表2是仿真得到的主要数据。

表2 RMxprt中电机的主要参数

将RMxprt中的电机模型导入到Maxwell 2D中添加检测线圈，图8为外加检测线圈的SRM，其中，通入10 V高频信号,10 kHz信号，电阻为5 Ω，线圈匝数为10匝。

图8 外加检测线圈的SRM

通过得到的电流曲线滤波后所得的包络线进行转子位置的判断。利用电流包络线判断时，将图9和图10中的电流数据导入到MATLAB中，并求解每一个周期的最大值，可以近似得到电流值的包络线，如图11所示。

电流包络线与电感曲线有着相反的变化规律，即电流包络线上升区对应电感曲线下降区，同样也可得出转子位置信息和功率绕组导通顺序。由以上仿真结果可以看出，电机无论在静止还是运行时，都可以通过外加检测线圈法来获取转子的位置信息。

图9 电机静止时检测线圈的瞬时电流值

图10 电机高速运行时检测线圈的瞬时电流值

(a)电机静止时(b)电机运行时

图11 电流包络线判断转子位置

最后分析添加的检测线圈对电机性能的影响。图12是有无检测线圈时电磁转矩曲线。

图12 有无检测绕组时的电磁转矩曲线

可以看出，添加检测线圈后对电机的性能几乎没有影响。以上现象是因为所添加的检测绕组本身电流很小，线圈匝数也很少，而且检测线圈所添加的位置尽量避开了主磁路回路，这就使得其对电机本身的性能影响较小，几乎可以忽略。

4 结 语

本文提出了一种基于外加检测线圈法的无传感器控制方法。通过实验数据分析可以得出，外加检测线圈法无论在电机静止还是运行时都能够精确检测转子的位置信息，在分析检测绕组对功率绕组的影响时，从数据中可以看出影响较小，说明添加检测绕组不会破坏电机原有的电磁特性，说明该方案可行。

[1] 毛良明，经亚枝，樊小明，等．反串线圈法间接位置检测技术在开关磁阻发电机系统中的应用研究[J]．中国电机工程学报，2000，20(10)：27-30.

[2] 赵博，张洪亮．Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2010.

[3] 蔡骏，邓志泉，胡荣光．开关磁阻电机在位置检测中的应用[J]．电工技术学报，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] 刘闯，冯雷，周强，等．SRD反串测试线圈的转子位置特征值检测[J]．电工技术学报，2008，23(3)：24-29.

[7] 中国矿业大学．自检测转子位置的开关磁阻电机：CN102447369B [P].2012-05-09.

[8] 周竟成，王晓琳，邓智泉，等．开关磁阻电机的电感区分式无位置传感器技术[J]．电工技术学报，2012，27(7)：34-40.

[9] 吴建华．开关磁阻电机设计与应用[M]．北京：机械工业出版社，2000.

[10] 江华．基于RMxprt与Maxwell2D的开关磁阻电机特性仿真[J]．防爆电机，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，硕士研究生，研究方向为电气工程。