开关磁阻电机无位置传感器技术的研究现状和发展趋势_邓智泉

第44卷第5期南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Vol.44No.5

　　　　　　　　2012年10月　Oct.2012JournalofNanjingUniversityofAeronautics&Astronautics

开关磁阻电机无位置传感器技术的研究现状和发展趋势

邓智泉　蔡　骏

(南京航空航天大学自动化学院,南京,210016)

摘要:无位置传感器技术是开关磁阻电机(Switchedreluctancemotor,SRM)系统研究的一个重要方向。该技术的研究可以进一步提高SRM的系统集成度,增强系统的高速性和环境适应性,充分发挥SRM的强容错能力和高可靠性。本文针对启动和低速运行以及中、高速运行等不同运行状态对目前国内外所研究的无位置传感器方法进行了分类讨论,并评述各种方法的优缺点;最后对该技术所亟需解决的关键技术和未来发展趋势进行了分析和展望,以期对未来开关磁阻电机系统的深入研究和拓宽应用提供参考。关键词:开关磁阻电机;无位置传感器技术;关键技术;发展趋势

中图分类号:TM352　　　文献标识码:A　　　文章编号:1005-2615(2012)05-0611-10

ResearchStatusandDevelopmentTrendsofSensorless

TechniquesofSwitchedReluctanceMotor

DengZhiquan,CaiJun

(CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing,210016,China)

Abstract:Thesensorlesstechniqueisanimportantresearchbranchinswitchedreluctancemotor(SRM)drivessystem.Theresearchofthehighperformancesensorlesstechniquecanfurtherimprovethesystemintegration,enhancethehighspeedcapabilityandharshenvironmentadaptability,andmakefulluseofthestrongfault-tolerantcapabilityandhighreliabilityofSRM.Aimingatthestarting-lowspeedoperation,andthemedium-highspeedoperationconditions,thispaperclassifiesanddiscussestheresearchstatusofthesensorlessschemes,andreviewstheiradvantagesanddisadvantages.Finally,thekeytechnologiesandfuturedevelopmenttrendsofthesensorlesstechniqueareanalyzed,whichwillprovideimportantreferenceforthein-depthstudyandbroadeningtheapplicationoftheSRMdrivesystem.

Keywords:switchedreluctancemotor;sensorlsstechnique;keytechnologies;developmenttrends　　开关磁阻电机(Switchedreluctancemotor,SRM)采用双凸极结构,定子上绕有集中式绕组,转子无永磁材料和绕组,因而具备结构简单、坚固等特点,适于高速运行和恶劣的工作环境。同时,SRM优异的容错运行能力也拓宽了其应用领域,在航空航天、电动汽车、船舶、分布式电源系统以及精密加工、纺织机械、飞轮储能、半导体加工等诸多场合具有良好的应用特色,尤其在一些诸如航空发动机、核电站等需要工作在高温、高速、高污染、强

　基金项目:国家自然科学基金(51277094)资助项目。　修订日期:2012-07-05

.电磁干扰和核辐射等极端条件下的应用场合具有独特的应用优势。然而,与经典的异步电机不同,SRM则必须借助转子位置信息才能可靠运行。但

传统的光电式、电磁式以及磁敏式等位置或转速传感器的引入不仅会增加系统的成本和复杂度,而且降低了系统的可靠性和环境适应性,从而限制了

因此,无位置传感器技术的研究SRM的应用范围。

可以进一步提高SRM的系统集成度,增强系统的高速性和适应性,充分发挥SRM的强容错能力和

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高可靠性,为其在高速、高温、核辐射等极端工况下的机电能量转换领域中的应用奠定基础。

和绕组电阻压降的影响,随着转速的升高,反电势的影响趋于明显使得电流无法斩波,因此该方法仅适合于低速运行。

1　开关磁阻电机无位置传感器技术

研究概况

　　无位置传感器技术一直是开关磁阻电机研究中的热点问题,目前主要的国外研究机构有美国德克萨斯大学、艾克朗大学、俄亥俄州立大学、威斯康辛麦迪逊大学和弗吉尼亚理工大学,英国的剑桥大学和利兹大学,日本的明治大学、东京理工学院,新加坡国立大学,印度科学院;国内主要研究机构有浙江大学,天津大学,西北工业大学和南京航空航天大学等;另外,一些著名的公司如GE、Emerson、SwitchedReluctanceDrivesLtd等也都开展了相关的研究。但目前的研究仍处于原理验证阶段,并没有相关的产品问世。

SRM由于其特殊的双凸极结构、磁路高度饱和以及涡流和磁滞效应明显等特点,使得其电磁特性与绕组电流、转子位置角呈高度非线性关系。而无位置传感器技术是利用电机的相电流、相电压等可测电信号,来估计磁链、自感、增量电感以及反电势等电磁特性参数,并利用这些电磁特性参数与位置角、相电流之间的非线性关系来间接获取转子位置信息,从而实现转子位置估计和无位置传感器运行。关于SRM无位置传感器技术的研究自20世纪80年代中期就有持续的相关报道。自1985年由相电流波形法”以来,Acarnley教授等人提出“

SRM无位置传感器技术就开始引起高度重视,诸如调制解调法、高频脉冲注入法、互感检测法、磁链/电流法、电流梯度法、电感模型法、反电势估计法、智能拟合法以及观测器系列算法等多种位置估计算法被相继提出。从现有文献来看,目前所提出的各种算法都各有特色,但尚未建立一套完整的适合全转速范围的无位置传感器技术。

1.1　启动和低速运行的无位置传感器技术开关磁阻电机的无位置传感器初始位置检测、无反转启动和低速运行控制一直是无位置传感器技术研究的一个难点问题。就SRM静止启动和低速运行而言,目前主要的无位置传感器方法有相电流波形法、调制解调法和高频脉冲注入法。

导通相电流波形法是由英国剑桥大学Acarnley教授等于1985年提出的[1],该方法的基本思想是在电流斩波模式下,增量电感取决于电流上升和下降时间,根据增量电感与转子位置的关系

图1　调制法原理图

调制解调法最早由美国德克萨斯大学Ehsani教授等提出[2-4],通过向非导通相外加正弦激励,采用频率调制(Frequencymodulation,FM)、相位调制(Phasemodulation,PM)以及幅度调制

(Amplitudemodulation,AM)等方法可以间接地获取转子位置信息,其原理框图如图1所示。这类方法都需要外加激励源、调制解调电路和信号切换电路,系统电路较为复杂,检测信号易受干扰,因此该方法的检测精度和适用范围有限。

与调制解调法不同,高频脉冲注入法无需外加激励源,而直接利用功率变换器给非导通相注入高频检测脉冲。由于检测脉冲的响应电流幅值很小,在转速很低时运动电动势、电磁饱和效应以及绕组等效电阻压降均可忽略。此时,当母线电压Udc和检测脉冲频率给定时,非导通相的脉冲响应电流幅值与相电感呈反比关系。

基于上述特点,近十年来,国内外学者利用脉冲注入法对SRM的无位置传感器静止启动进行了相关的研究。美国德克萨斯大学Gao等于2001年提出了一种启动相估计方法[5],该方法通过同时给各相注入短时脉冲,如图2所示,根据响应电流与相电感之间的反比关系,比较响应电流的大小即可判断转子所处位置区域,通过选择处于电感上升区的相作为开通相即可实现电机的初始启动相估计。该方法实施简单便于实现,但它无法精确确定转子初始位置,且必须结合其他低速运行算法才能实现电机的连续启动运行。

文献[6]在文献[5]方法的基础上提出了一种建立响应电流峰值与转子位置的关系的3次样条模型的方法。在固定母线电压的模式下,给各相同时注入高频检测脉冲,并测量在不 …… 此处隐藏：20794字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……