| 1 引言
开关磁阻电动机驱动系统(SRD)是较为复杂的机电一体化装置，SRD的运行需要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。
从前面介绍的SRD工作原理中可看到，该系统的工作必须得到一个定转子相对位置的信息，即转子当时所处的位置以确定相应相绕组的通断，这个任务将由位置检测器来完成。SRD对位置检测器的一般要求是应具有精度高、电路简单、工作可靠、抗干扰能力强等特点。实现位置检测的方法有很多种，从大的方面分，可分为直接位置检测技术和间接检测技术两大类，下文将分别加以介绍。 2 直接位置检测技术
直接位置检测方案是在SRD中专门增设位置传感器的方法来实现位置检测功能。常见的直接位置检测器类型有:光电式、电磁式、磁敏式、接近开关式等。下面介绍SRD中用的最多的光电式位置传感器的工作原理。
光电式位置传感器一般由装在转子上的码盘与装在定子或机壳上的光电检测元件构成。码盘有与开关磁阻电机转子凸极、凹槽数相等的齿、槽，且均匀分布。按照所用光电元件个数与开关磁阻电机相数的关系，光电位置检测方案可以分为全数检测方案和半数检测方案两种。全数检测所用光电元件个数为电动机相数m;而半数检测方案所用的光电器的个数为相数的一半。两种检测方案相邻光电元件之间的夹角 θg与电机转子极距τr的关系均可由下式决定:
(1)
以8/6极四相开关磁阻电机的位置检测为例，如图1所示，码盘安装在转子轴上与转子同步旋转，其齿槽数与转子的凸极、凹槽数一样为6，而且均匀分布，所占角度均为30°，如果按照式(1)分布光电元件，则相邻夹角为75°的四个光电脉冲发生器P1、P2、P3、P4固定在定子上。
图1 光电式位置传感器位置检测原理图
图2 光电开关电路原理图
光电开关由发光二极管与光敏三极管组成，电路原理如图2所示。当码盘上的齿部挡住光电开关时，光电开关输出为高电平，在码盘的槽部位置，光敏三极管接收到发光二极管的信号而导通，输出为低。在转子匀速旋转时，转子每转过1转每个光电开关的输出信号都是占空比为50%的方波，P1、P2、P3、P4的信号的相位依次相差90°，但是这样P1和P3相位就相差180°，其中一个信号的上升沿和另外一个的下降沿重合，P2和P4之间也存在同样的问题。对这种布置方式，当码盘转过某个位置跳变沿时，会有2个开关同时动作，如果码盘制造有误差或光电开关安放有误差将使应该同时动作的光电开关的动作产生先后，这将引起错码及乱码。所以实际中使用全数检测方法时往往采用改进的方法将P3、P4调整移到7.5°到P3′、P4′，如图1所示。P1、P2、P3′、P4′的高低电平组成的码值也示意于图3中。可见，当采用改进的全数检测方法，按照图示的转向编码器可依次得到8个不同的码值1110→1100→1000→1001→0001→0011→0111→0110，这8个码值周期性的重复，将一个60°转子周期τr分成8个区域。这样不但避免了应该同时动作的光电开关的动作产生先后引起的错码及乱码，而且将原来是将τr分成4个区域，现在细分为8个区域，提高了位置检测的精度。对于电机转向的判断，可根据位置变化的规律来判别，若1110→1100→1000→1001→0001→0011→0111→0110为正转，若反序变化则为反转。也可根据P1、P2、P3′、P4′四个电平上跳沿的次序来判别转向。
如果是采用半数检测方法时，即采用P1、P2两个光电脉冲发生器检测转子位置，这时得到的码值为11→10→00→01，这4个码值周期性的重复，将一个60°转子周期τr分成四个区域。所以从理论上来看，采用半数检测方法完全可以实现位置检测的功能，P3、P4两个光电脉冲发生器并不是必需的，只用P1、P2两个光电脉冲发生器就可以简化硬件，降低成本。但是在实际情况中由于震动、安装等问题，光电脉冲发生器可能会受到干扰输出不正确的电平，就会发生错码的情况，这时就需要采用软件抗干扰技术，采用全数检测方法对抗干扰更加有利。一般的软件抗干扰技术是检测到跳变沿读取新的码值时，根据转向和前几个码值一起进行判断新的码值是否有误码。还是以图2中转向为例，当采用全数检测时1110、1100、1000、1001、0001、0011、0111、0110八个码是基本的有效码，而其他的0000、1111等八种编码为无效码，可视为干扰信号，增强了抗干扰能力。然后根据转向，得出码值循环的顺序，在转向一定的条件下，如果码出现的顺序不对，如码值从1110直接跳变到1000，也可做干扰码处理。转向可能突变的情况抗干扰技术比较复杂，就不在这里讨论了。而在半数检测方案有效码为11、10、00和01，没有无效码，只要有1个光电脉冲发生器受干扰输出电平有误，就有可能使干扰码值认做有效码，只能根据码值循环顺序进行误码判断，抗干扰有一定的难度。所以在一些运行条件比较恶劣、可靠性要求很高、电机转向经常变化或者光电脉冲发生器成本与整个系统成本相比可以忽略不计(如电机汽车用电机驱动系统)的应用情况下，可以采用全数检测方法，提高位置检测精度，增强系统的可靠性。
图3 转子位置信号与绕组电感
上述的编码器用于开关磁阻电机的控制时，还有一个编码器的初始定位问题。若在电机A相通以适当的直流电流，在A相转矩的作用下，转子凸极将被吸合在磁极轴线对准A相轴线的位置上，对应LA最大电感位置，即图3中的编码从1001跳到0001的临界位置，这时转动装有光电开关的电路板，使光电检测信号从1001跳到0001的跳变沿恰好出现在该位置上。固定好装有光电开关的电路板，即定位完成。如图3所示，每一个码值则对应于图中①～⑧的某一个位置区域。
位置检测器与芯片(单片机或DSP)的软件相配合，可同时检测到电机的转速与转向。每个位置码占有的时间若为T1秒, 对上述的8个位置码为一个电周期的检测方式, 则电周期T＝8T1, 很容易得知, 对2P极电机，其转速n为:
3 间接位置检测技术
开关磁阻电机驱动系统发展到今天，不含轴位置传感器的间接位置检测技术已成为当前的一个重要课题。这是由于传统的轴位置传感器或者其他类型的探测式位置检测器不但会提高系统成本和复杂程度，更重要的是会降低SRD系统结构的坚固性，影响到整个系统的可靠运行，尤其是在某些应用环境比较恶劣的场合。因此如何让它扔掉笨重而琐碎的位置检测器，直接利用电机的电压和电流信息间接确定转子位置从而使系统结构更加坚固，运行更加可靠、高效, 成本更加低廉，无疑是一个很具潜力的研究方向。本课题组在SRD的间接位置检测上也做了一些研究工作，提出了一种简化的电流磁链法和极板电容检测法。
间接位置检测技术利用了SRD的某些电气参数关于转子位置的函数关系，并通过解算这种函数关系来获取转子位置信息。间接位置检测器的精度要比直接位置检测器低些，这是由于:
(1) 电气参数关于转子位置的函数关系往往很复杂,由电气参数精确解算转子位置信息是很难做到的。
(2) 存在一定解算延时误差等。但实际上对于位置检测并不要求绝对的精度很高，而是要求重复性好，对于检测精度略低所导致的影响可以通过控制策略或使用闭环控制来调整。
在SRD间接位置检测方法中，所选择的随转子位置变化而变化的被测物理量的种类很多，例如，电流磁链法、非导通相自感、导通相自感、相间互感、附件绕组自感、附加板级电容等。对众多的SRD间接位置检测方法，按照不同的原则可以有很多种分类方法。本文按照测量物理量的硬件对象将间接位置检测方法大致分为非导通相绕组检测法，导通相绕组检测法和附件硬件检测法。
3.1 非导通相检测法
非导通相检测法一般的方法是从外部向被非导通相注入激励信号，通过测量相应信号的幅值或者相位来解算转子位置信号，已发表文献中方波脉冲激励法，正弦电压激励法，应用频率调整法等都属于此类。限于篇幅，下面仅对正弦电压激励法作简要的介绍:
对某一非工作相施加频率为ω的正弦激励电压，如图4所示，得到的电流响应为:
图4 SRD某相简化电流模型
由上式可知, 响应电流幅值Im和φ都是绕组电感L(θ)的函数, 所以通过测量就可以解算出转子位置θ的信息。
为了避免影响SRD的正常运行，非导通相检测法从外部注入的检测脉冲信号一般很小，而且要求有相应的切换电路完成导通状态和检测(非导通)状态之间的切换，以避免SRD功率电路和检测电路之间的冲突。
3.2 导通相检测法
导通相检测法利用导通相导通时所表现出来的相绕组特性来检测转子位置，所以不需要象非导通相检测法那样切换电路和注入激励脉冲，简化了检测电路。但是由于电机绕组所体现出来非线性，必须采用非线性检测法，模型比较复杂，对芯片运输速度要求比较高。常见的导通相检测法有电流磁链法、导通相自感、相电流梯度法、状态观测器法等。下面简要介绍一下课题组的简化电流磁链法间接位置检测方案。
开关磁阻电机的一相绕组磁链表达式为
如果已知从时刻0到时刻t间每一时刻的电压u和电流值i以及时刻0的初始磁链值ψ0，就可以积分算出绕组当前时刻的估算磁链ψ。如果忽略绕组互感的影响, 则转子位置与绕组磁链和电流的关系可表示为:θ=θ(ψ,i)
图5 开关磁阻电机磁化曲线簇
上式表明转子位置θ为绕组磁链ψ和绕组电流i的函数，并且可以证明其为单值函数。如果已知当前时刻t的绕组磁链ψ和绕组电流i，则可以知道转子位置θ。由此可以得到磁链法的基本思想，即由于开关磁阻电机的凸极效应，不同的转子位置对应着不同的磁链-电流曲线，如果能够测得如图5所示对应不同转子位置的磁链-电流曲线簇，就能建立1个电流、磁链、位置的三维表并存储在内存中，那么计算每一时刻的绕组磁链，将计算得到的磁链值与当前的绕组采样电流一起查表可即得到当前转子位置。
磁链法于1991年由J.Lyons 等人首次提出,其最初的算法思想如上节中所述，但有不少不足之处:由于要建立并查找一个电流、磁链、位置的三维表，因此算法复杂、计算时间长，存储将占用大量内存，工作量很大而且无法灵活地随实际运行工况的不同而进行修正。
为了提高算法实时性和适用的速度范围，并减少所需内存，文献[5]提出一种简化的磁链法。在电机单相轮流导通时，并不需要转子每一位置的信息，只要能够判断是否已达到换相位置，因此转子位置检测就可以简化为换相位置检测。换言之，只需将对应当前电流的换相位置磁链(下文称为参考磁链)与积分计算得到的估算磁链相比较，如果前者大于后者，则认为换相位置还未到，继续导通当前相，反之则认为换相位置已到，关断当前相，导通下一相。这就是简化后的磁链法思想。至于参考磁链的获得，由于换相位置一般都靠近电感最大位置，而且磁链-电流曲线形状类似，因此算法中只测试存储最大电感位置的磁链-电流曲线，首先从当前电流查到对应最大电感位置的参考磁链，然后再乘以一个小于1的系数k来得到对应换相位置的参考磁链值。因此该算法只需测试学习并存储最大电感位置的磁链-电流曲线，然后查寻二维表，所需内存小，算法简单快速，测试结果较为准确可靠。
3.3 附件硬件检测法
附件硬件检测法在开关磁阻电机的内部的适当位置附加了某些元件，利用这些元件的输出的信息来检测转子的位置，附加的硬件可以是电感线圈、电容极板等，这种方法因需要附加的硬件使得开关磁阻电机的制作工艺变得复杂，并对安装的精度要求很高。
图6 检测电容安装示意图
文献[6]提出了一种开关磁阻电机极板电容检测法。图6表示一台8/6极SR电机的铁心冲片图，若在SR电机定子槽中插入一金属平板S，使平板S的中心线与定子槽中心线重合，则平板S构成电容器的定极板，转子作为动极板。当转子旋转时，电容器的极板间距和面积随着转子转动而变化，其电容大小是转子位置角θ的函数。当转子槽中心线与定子极板中心线重合时，电容器的电容值C为最小，当转子齿中心线与极板S中心线重合时，电容值为最大。这种通过电容与转子转角的关系确定实际运行时定、转子相对位置的转子位置检测方法不需考虑相绕组中电流及运动电势的影响，与电机负载无关，而且它对电机的运行状态也没有影响。这种电容式检测器灵敏度高，可获得较大的相对变化量，结构简单，适应性强。
4 结束语
SRD已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中,是一种很有前途的电机。位置检测技术是SRD的关键技术之一，本文将其分成直接位置检测和间接位置检测两大类进行了介绍。目前由于间接位置检测在精度和可靠性等方面的不足，应用于实际产品的还不多。近年来功率电子技术,数字信号处理技术和控制技术的快速发展将使得间接位置检测的SRD的商业化成为可能。随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片(DSP)的出现，利用高性能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术,无需附加外部硬件电路，大大提高了检测的可靠性和适用性,必将更大限度地显示SRD的优越性。
参考文献
[1] 詹琼华. 开关磁阻电动机[M]. 武汉:华中理工大学出版社,1992.
[2] 王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技术[M]. 北京:机械工业出版社,1995.
[3] 马志源. 电力拖动控制系统[M]. 北京:科学出版社,2004.
[4] 毛良明. 开关磁阻电机间接位置检测技术的理论研究与实践[D]. 南京:南京航空航天大学博士论文,2000.
[5] 邱亦慧,詹琼华,马志源,郭 伟. 基于简化磁链法的开关磁阻电机间接位置检测[J]. 中国电机工程学报,2001(10).
[6] 詹琼华,王双红,肖楚成. 开关磁阻电动机电容式位置检测技术[J]. 电工技术学报,1999.3.
| 
IP卡
狗仔卡
发表于 2006-9-25 15:53:34
QQ好友和群
QQ空间
腾讯微博
腾讯朋友
收藏
分享
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
显身卡