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        一種開關(guān)磁阻電動機無位置傳感器起動方法

        2012-02-22 08:22:00鄒東坡鄧智泉
        微特電機 2012年7期
        關(guān)鍵詞:閥值相電流導(dǎo)通

        鄒東坡,鄧智泉,蔡 駿

        (南京航空航天大學(xué),江蘇南京210016)

        0 引 言

        開關(guān)磁阻電動機(以下簡稱SRM)以其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點在許多領(lǐng)域內(nèi)得以廣泛應(yīng)用。對于開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)(以下簡稱SRD)而言,實時準確的位置信息是其可靠運行的重要保障。目前大多數(shù)SRM采用光電傳感器、磁敏傳感器等軸位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子的實時位置信息,不僅增加了電機結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性,在一些特殊工作條件下(如高溫、油污),其可靠性也不能得到較好的保障。因此直接利用繞組的電流、電壓獲取電機轉(zhuǎn)子位置信息,研究高效率、低成本、高可靠性的無位置傳感器技術(shù)已成為一大熱點問題。

        目前,各國學(xué)者針對SRM起動的問題,提出各種無位置檢測和控制方案。文獻[1]采用磁鏈-電流查表的方法,事先存儲磁鏈-電流-角度的三維數(shù)據(jù)表,根據(jù)檢測電流值和電壓值,計算磁鏈,然后實時查表獲得電機轉(zhuǎn)子的角度信息。這種方法的缺點是三維表的存儲將會占用控制芯片大量內(nèi)存。文獻[2]采用磁鏈電流法,起動前將一相繞組通電,使其定轉(zhuǎn)子對齊后,再完成起動。在轉(zhuǎn)子初始位置不確定的情況下,起動前可能會引起電機反轉(zhuǎn)。這在某些特殊的應(yīng)用場合是不允許的。文獻[3]在起動前向電機各繞組注入短時脈沖,通過響應(yīng)電流與設(shè)定的電流閥值大小相比,獲得各相繞組開通關(guān)斷信號。但電流閥值需要根據(jù)不同的電機本體參數(shù)設(shè)定,通用性不強。文獻[4]采用擬合電感模型的方法,實時解算出轉(zhuǎn)子位置角,從而控制電機各相的開通關(guān)斷。擬合電感模型的控制算法相對復(fù)雜,通過模型解算出的實時角度信息存在一定的計算誤差。文獻[5]在起動前對各繞組注入脈沖,根據(jù)響應(yīng)電流與電機電感曲線對應(yīng)的變化關(guān)系,對響應(yīng)電流幅值進行濾波,得到電流變化的包絡(luò)線,再通過設(shè)定閥值確定開通關(guān)斷信號。文獻[6-7]在一個電感周期內(nèi),根據(jù)各相電感的交疊,劃分為幾個區(qū)間。在每個區(qū)間內(nèi)根據(jù)各響應(yīng)電流的邏輯關(guān)系確定驅(qū)動信號。文獻[8-9]將電感曲線近似為正弦,合成空間旋轉(zhuǎn)矢量,通過矢量分解解算出轉(zhuǎn)子的實時位置。電感曲線作為正弦曲線處理,解算出的轉(zhuǎn)子位置存在一定的誤差。

        針對SRM現(xiàn)有的無位置起動方法及其存在的缺點,本文提出了一種新的起動方法。起動前對電機三相繞組注入脈沖,利用響應(yīng)電流的大小關(guān)系確定初始導(dǎo)通相。在一相導(dǎo)通時,利用非導(dǎo)通相電流的關(guān)系,確定換相點,實現(xiàn)電機的換相。換相后,續(xù)流相電流不進入算法比較,當電流降到一定數(shù)值等級以下,再進入比較判斷,因此需要在算法中設(shè)置電流閥值。該方法控制邏輯相對簡單,采用三相輪流導(dǎo)通的方法,迅速、有效地完成SRM的起動。仿真和試驗驗證了算法的可行性。

        1 非導(dǎo)通相電流法理論基礎(chǔ)

        SRM的相電感隨著轉(zhuǎn)子角度不同而周期性地變化,因此電感的變化可以反映轉(zhuǎn)子角度信息,從而可以決定各相驅(qū)動信號的通斷。目前,國內(nèi)外研究較多的無位置起動方法是基于SRM電感的控制算法,而電感的計算需要響應(yīng)電流和相電壓。在一定的條件下,SRM相電感和響應(yīng)電流可以近似成反比,因此通過各相電流和電壓信號,也可以直接反映電機轉(zhuǎn)子的角度信息,從而確定換相驅(qū)動信號。

        非導(dǎo)通相電流法的實現(xiàn),是建立在以下理想假設(shè)的基礎(chǔ)上:

        (1)定子繞組完全對稱,各相電感理想對稱;

        (2)繞組電阻足夠小。

        在上述條件下,通過以下步驟完成初始導(dǎo)通相的判斷。

        (1)向電機各相繞組施加一個短時脈沖激勵;

        (2)將各相響應(yīng)電流的大小比較排序;

        (3)根據(jù)所得的邏輯關(guān)系對應(yīng)到電感關(guān)系,從而確定初始導(dǎo)通相。

        控制算法流程圖如圖1所示。

        圖1 初始導(dǎo)通相判斷流程

        SRM一相繞組的電壓方程可表示:

        而磁鏈方程:

        將式(2)代入式(1),可得:

        電機靜止時,ω=0,且忽略繞組電阻R的影響,

        式(6)中t0為可施加的最大脈沖時間,t0過大可能使電機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)動,過小可能無法檢測響應(yīng)電流。

        表1為初始導(dǎo)通相的選擇邏輯表,在電機起動前,向各相繞組同時注入脈沖電壓,根據(jù)響應(yīng)電流的邏輯關(guān)系,確定轉(zhuǎn)子位置所在的角度區(qū)間,從而確定初始導(dǎo)通相。

        表1 初始導(dǎo)通相選擇邏輯表

        由式(6)可知,給定等幅電壓脈沖U和注入時間Δt,檢測到的響應(yīng)電流Δi的包絡(luò)線和電機各相電感值L成反比變化,如圖2所示。由圖2可見,三相響應(yīng)電流的交疊點,對應(yīng)了電機三相電感的交疊點。低速運行時,忽略旋轉(zhuǎn)反電勢,在每相的0~22.5°范圍內(nèi),電感處于上升區(qū),均可以產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩。響應(yīng)電流幅值的包絡(luò)線,將一個電感區(qū)間分為6個小區(qū)間。每個區(qū)間內(nèi)的電流邏輯關(guān)系不同,從而確定不同相的導(dǎo)通關(guān)斷信號。控制邏輯如表2所示。在一相電感的上升區(qū)內(nèi),非導(dǎo)通相電流的交疊點對應(yīng)了 7.5°、15°和 22.5°三個特殊位置點,而導(dǎo)通相的電流,遠大于非導(dǎo)通相注入脈沖的響應(yīng)電流,無法確定換相點,對控制算法沒有意義。因此利用非導(dǎo)通相電流信號,可以確定導(dǎo)通相的開通與關(guān)斷,實現(xiàn)7.5°~22.5°的導(dǎo)通。

        以A相為例,A相的開通信號由A、C兩相電流大小關(guān)系決定。當ic>ia時,即 θa=7.5°時,A相開通。此時A相導(dǎo)通,電流迅速建立,B、C相繼續(xù)注入脈沖電壓。因此A相電流將不能作為比較信號,A相的關(guān)斷信號需要通過非導(dǎo)通相B、C相電流關(guān)系決定。當 ib> ic時,即 θa=22.5°,A 相關(guān)斷,同時C相導(dǎo)通,此時A相關(guān)斷,進入續(xù)流階段,其電流等級遠大于非導(dǎo)通相的響應(yīng)電流,此時續(xù)流相電流參與比較運算將會造成控制邏輯混亂,導(dǎo)致錯誤的換相信號,因此控制算法中需要設(shè)定電流閥值。續(xù)流相的電流要減小到脈沖響應(yīng)電流幅值以下的范圍內(nèi)才可參與比較運算,因此電流閥值可設(shè)定為響應(yīng)電流幅值以下的數(shù)值。閥值過大,在響應(yīng)電流幅值附近,則可能由于采樣誤差導(dǎo)致比較運算錯誤,從而產(chǎn)生錯誤的換相信號;閥值過小,則續(xù)流相進入比較運算較遲。因此可以取響應(yīng)電流幅值的一半,當續(xù)流電流值減小到閥值以下,再進入比較環(huán)節(jié),與B相電流比較,從而確定C相的關(guān)斷信號。由此產(chǎn)生A-C-B相序下的連續(xù)轉(zhuǎn)矩,使電機達到一定轉(zhuǎn)速。

        表2 低速運行下控制邏輯表

        由表2可見,提出算法的控制邏輯簡單,在初始導(dǎo)通相確定以后,僅需要對非導(dǎo)通相的電流實時檢測比較,即可獲得換相信號。

        2 仿真分析

        為了驗證本文提出算法的可行性,利用MATLAB中的Simulink模塊搭建三相12/8 SRM模型。母線電壓30 V,起動后低速運行未采用電流斬波控制方式。

        圖3為非導(dǎo)通相電流起動方法無閥值時的起動電流波形。由于控制算法中缺少閥值,使得B相續(xù)流時,導(dǎo)通相判斷錯誤,導(dǎo)致相序由B-A-C變?yōu)锽-C-A。三相電流波形混亂,A相在22.5°~45°電感下降區(qū)導(dǎo)通,B、C相也存在類似情況,電機不能正常運轉(zhuǎn)。

        圖4為非導(dǎo)通相電流起動方法附加閥值修正的起動電流波形。電機按照B-A-C相序運行良好,三相輪流導(dǎo)通,各相導(dǎo)通區(qū)間均為 7.5°~22.5°,導(dǎo)通區(qū)間對稱,實現(xiàn)了非導(dǎo)通相電流法的正確換相。仿真驗證了所提出算法的可行性。

        3 實驗驗證

        對于本文提出的控制算法,我們在三相12/8 SRM樣機上進行實驗驗證。圖5為不增設(shè)電流閥值的實驗波形,B-A-C三相輪流導(dǎo)通,但是導(dǎo)通區(qū)間不對稱,電流波形不規(guī)則,在每相電感下降區(qū)都有導(dǎo)通時段,從而產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩,影響電機起動性能。

        圖5 無閥值控制的三相電流波形

        圖6為增設(shè)電流閥值后的三相電流波形。導(dǎo)通區(qū)間對稱,實現(xiàn)B-A-C三相輪流導(dǎo)通,避免了在電感下降區(qū)導(dǎo)通所產(chǎn)生的負轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)無位置算法建立在導(dǎo)通相電流的基礎(chǔ)上,其算法通常忽略電流過大引起的電感飽和。本文提出的控制算法相對簡單,利用非導(dǎo)通相電流獲得換相信號,導(dǎo)通相電流不作比較運算,避免了電流過大造成電感飽和所導(dǎo)致算法的精確性降低,因此算法也適用于電機的帶載起動。

        圖6 有閥值控制的三相電流波形

        4 結(jié) 語

        本文提出了一種利用非導(dǎo)通相電流的三相12/8SRM無位置起動的方法,并通過仿真和實驗予以驗證。在提出算法的基礎(chǔ)上又做以算法改進,增設(shè)閥值比較環(huán)節(jié),消除了誤導(dǎo)通信號,從而避免了負轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生??刂扑惴ㄞ饤壛藗鹘y(tǒng)無位置方法通過電流、電壓信號計算電感的理念,拓寬了SRM無位置算法在起動問題上的應(yīng)用,在實踐中對SRM的起動控制具有相當?shù)囊饬x。由于利用非導(dǎo)通相電流邏輯比較,獲得的換相信號僅對應(yīng)于轉(zhuǎn)子的幾個特殊位置角,因此導(dǎo)通區(qū)間局限于 7.5°~22.5°,不能在 0°位置處換相,起動電流建立較慢是提出算法所需要進一步解決的問題。

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