无位置传感器开关磁阻电机初始位置检测方法

　　0 引言

　　绕组电流的非正弦性以及铁心磁通密度的高饱和性使得开关磁阻电机具有多变量、强耦合的特点，磁链与电流之间的非线性关系使得难以用电流及转子位置来解析表示相电感或磁链，这些都给建模和仿真造成了困难[1]。经过大批国内外学者的深入研究，至今已涌现多种建模方法[2-6]。文献[7]利用 SRM 外部电路方程结合有限元法(finite elementmethod，FEM)做仿真，计算时间长，数据量大。文献[8]采用线性磁化曲线簇模型对开关磁阻电机进行了仿真，得到的仅是开关磁阻电机的近似解。文献[9]利用 Matlab/Simulink 中的某些模块和 M 文件建立了开关磁阻电机的非线性磁化曲线簇模型，类似于查询表建模方法，精度较高，但仿真速度较慢且不易工程实现。本文基于 5 个特殊角位置处的FEA 数据，利用傅里叶分解及多项式拟合方法得到了非线性电感的解析表达式，进而建立了开关磁阻电机的非线性仿真模型。

　　对于 开关磁 阻电机驱 动系统( s w i t c h edreluctance drives，SRD)而言，实时、准确的转子位置信息是其可靠运行的必要前提。目前实际应用中，一般都采用轴位置传感器或者其他类型的探测式位置检测器来获得位置信息，这不仅会提高系统成本和复杂程度，降低系统的坚固性，影响系统的可靠运行，还会在电机起动时引入迟滞甚至产生反转[10]，这在某些需要精确位置伺服以及不允许转子反转的应用场合是不允许发生的。为此，各国学者就这一问题从各种角度作了大量的研究[11]，目前已出现多种切实可行的位置预估方法[12-17]，但大多仅适用于电机已有初始转速的情况，不适用于低速甚至静止的情况。文献[18]将通信系统中常用的频率调制编码技术应用于位置检测，将瞬态相电感转化为频率值与其成正比的方波信号，再经过解码处理得到瞬态相电感信息，进而获得转子位置。文献[19]对[18]中提出的方法进行了改进，引入了 2 种新的调制方法：相调制及幅值调制。在非励磁相中注入高频正弦电压载波信号，经相电感调制后以相电流的形式输出，再对该相电流进行解码处理，根据所提取的幅值或相角信息，得到瞬态相电感的信息，进而指导换相。该方法的主要缺点是需要增加较多的额外检测设备，增加了系统的复杂度，同时，需要对载波频率及所用滤波器中各组件的参数进行细致的调节才能保证该方法的检测精度。文献[20]提出一种全导通斩波无位置传感器控制策略，该方法无需检测转子的位置信号，控制系统结构简单易行，但系统运行效率会因此大为降低，同时它也未能解决电机起动时迟滞的问题。文献[10]提出激励所有的定子相并持续一小段时间，根据电机的磁链–电流–位置特性曲线来估计初始转子位置，其不足之处在于需要较大的检测电流。当相电流较小时相邻相的特性曲线彼此靠得很近，所以在测量电流或估计磁链时出现的小误差会导致位置估计中产生较大的误差。另外，该方法在实现时需要将磁链–电流–位置特性曲线以查询表的形式进行存储，这需要额外的存储器件，增加了系统的成本，降低了系统的实时性。本文在文献[17]的基础之上，给出一种用于检测无位置传感器 SRM 起动时转子初始位置的方法。