电机中开关磁阻位置传感器的消除：现状与未来趋势外文翻译资料

 2022-08-25 09:08

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电机中开关磁阻位置传感器的消除：现状与未来趋势

Mehrdad Ehsani，院士，IEEE，和Babak Fahimi，成员，IEEE

摘要：本文包含了关于（SRM）电机驱动开关磁阻无传感器控制的基本原理到它们的局限性、研究现状和未来趋势。这将有助于读者对于无线传感技术过去20多年来发展的系统理解。与外部位置传感器如光学编码器、解析器和定制的霍尔效应传感器等相关的机械故障、额外成本和尺寸的固有弱点激发了许多研究人员去研发用于SRM驱动器的无线传感控制技术。理想情况下，要有一个无传感器方案，它只使用终端测量，不需要额外的设备和存储并且在整个速度和转矩范围内在高精度和高分辨率下可以运行一个可靠的操作。在低成本数字信号处理器的微型控制器相关的最新发展技术已为这一个目标的实现奠定了基础。此外，我们认为现在的趋势就是更多强大的处理器最终就会代替无传感器控制的概念，消除位置传感器的需要，这个概念将进一步改革电机驱动技术。

索引项：调速电机驱动器，电机控制，电机驱动器，磁阻电机，无传感器控制，开关磁阻电机，可变磁阻电机。

  1. 介绍

开关磁阻电机（SRM）驱动器开始进入不断增长的调速电机驱动市场。这主要由于它们独特的超高速、恶劣环境和目前密集应用中的操作能力，仅举几个例子。通过适当的控制，可以定制SRM驱动器的性能来适应不同的应用。文献表明，SRM驱动器已经被发现适用于汽车应用，家居用品，电动汽车（EVs）和混合动力汽车（HEVs），压缩机等。

由于磁阻转矩的产生，转子位置传感是SRM控制的重要组成部分。实际上，SRM相位的激励需要适当地与转子位置保持同步以便有效的速度控制、扭矩和扭矩脉动。

硬件密集

数据密集

图1 SRM驱动器的各种无传感器控制方案的分类

轴位置传感器通常被用来确定转子位置。但是，这些离散位置传感器不仅增加了驱动系统的复杂性和成本，而且还降低了系统的可靠性。此外，这儿还有一些某些特定的应用，如压缩机，环境条件不允许使用外部位置传感器。

在过去的二十年里，已经有好几种无传感器的控制方法被报道。[1]-[14]。文献中发表的各种传感器方法大致可以分为以下几种：（1）硬件密集型方法，需要外部电路进行信号输入[1]-[5];（2）数据密集型方法，如通量积分技术，需要大量的查找表来存储SRM的磁特性[11]，[19]；和（3）基于模型的方法，如状态观察器方法，[7]，[8]，[9]，[20]，信号功率测量方法[13]，基于模型技术介绍[15]，[21]，神经网络与模糊逻辑[22]，[23]等。这需要一个非常快的微处理器，如具有能够有数百万指令每秒（MIPS）的数字信号处理器（DSP）。图1描绘了这种分类的示意图。文献中的不同方法各有利弊，要视它们的工作原理来定。理想情况下，最好要有一个无传感器方案，它只使用终端测量，不需要额外的设备和存储并且在整个速度和转矩范围内在高精度和高分辨率下可以运行一个可靠的操作。然而，对于许多可用的无传感器方案来说，情况可能并非如此。

在这些技术的背后有一个这样的事实，那就是SRM驱动器的机械时间常数要比其电时间常数要长的多。更有甚者，由于它的突出的结构，SRM的磁状态是其转子位置的函数。因此，可以通过求解处于有源或空闲阶段的电压方程，恢复以磁链、电感、反电动势等形式存储的编码位置信息。

图2 电压方程中转子位置信息编码

图2显示了相电压方程以及那些包含位置信息的项。在这个图中，和分别表示由J阶段中的第K个相位磁链和电感。

在开发非常快速和经济有效的 DSP 控制器方面的最新进展开启了SRM电机驱动器无传感器控制的新时代。事实上，这些控制器的计算能力使我们能够开发新的无传感器方法，不需要外部硬件或内存。因此，可以有效地实现基于模型的无传感器技术，以降低成本并提高速度范围。

本文将对现有的SRM驱动无传感器技术进行系统调查。此外，每个类别的优点和缺点将根据速度、准确性和复杂性加以解决。为了说明无传感器控制方法的现状和未来趋势，将给出一个无传感器控制技术的实验室实例。

  1. 现有无传感器技术的基础

SRM 的基本工作原理是基于磁链相对于转子角位置的变化。每相的基本电压方程由下式给出：

其中m是相位的总数，是施加到相位j的电压，是相位j的电流，R是每相的绕组电阻，Psi;代表定子磁链，t是时间。了解SRM的磁特性在间接确定无传感器控制操作的转子位置方面起着重要作用。

图3 (a) 横截面和(b) 磁链/电流/转子8/6位置曲线

图3 上展示了8/6的横截面图及其磁特性，显示了磁链与相电流之间的关系和在不同转子位置的相电流。通过引入SRM相电压（1）的磁通特性，可以直接或根据与转子位置一一对应的函数来求解转子位置。无论哪种情况，都可以实现机器的成功换向。总之，所有现有的无传感器技术都使用这个基本原理来获取位置信息。

典型的可测量变量包括电压、电流、斩波电流上升时间和下降时间。导出的变量包括电感、增量电感、磁链和反电动势。根据电机的几何形状和工作点，选择合适的方法，从而获得非常好的分辨率。

图4 SRM 无传感器控制中的各种操作模式

如图4所示，转矩速度平面可分为五个区域。低于基准转速时，扭矩保持不变。基本速度是可以提取最大功率的最低速度。该区域提供了电流控制的灵活性，以从电机获得所需的性能。必须注意的是，在非常低的速度下（区域 I 和区域 II），运动反向电动势比直流母线电压小得多，可以忽略。随着速度的增加，运动反电动势相当大（区域 III），需要推进电流关断角以获得最大平均转矩。

当速度进一步增加时，运动电动势超过直流母线电压，电机工作在单脉冲模式（区域 IV）。在这种模式下，电流受到运动电动势的限制，永远达不到额定电流。因此，电流控制是不可能的，并且通过控制开启和关闭角度将转矩保持在最佳值。在这个区域里，扭矩与转速成反比，因此称为恒功率区。

通过进一步提高恒功率区域的速度，转子位置在线计算的可用时间将受到限制。反过来，这将需要更高的 MIP 或更节省时间的算法。此外，在这个区域内同时传导定子相，将导致后面的铁不正常的磁分布，这主要是由于相互的磁通造成的。我们称这种操作模式为超高速（区域V）。必须要注意的是，一旦所有阶段发生连续传导，这种操作模式将会结束。另外，由于离散位置传感器中的误差快速积累，因此在该区域使用无线传感器控制是必要的。

为了开发对于各种不同无传感器控制方法的系统分类，需要探索不同操作区域和测量技术下的相电压方程的不同版本。相反，这将导致每个区域无传感器控制策略系列的通用公式。图5描述了无传感器SRM驱动器中各种操作模式的现有方法的总结。每个系列的详细解释将在下面的章节中给出。

图5 SRM驱动器无传感器方法分类

  1. 静止状态下无传感器控制

在SRM无传感器驱动[16]操作中，启动延迟是一个具有挑战性的问题。当使用光学编码器时，也会出现同样的问题。事实上，只有得到有关绝对转子位置的信息时，才能实现平稳可靠的启动。这导致研究人员开发了一种在初始转子位置就开始检测的算法。Xu et al在[17]中已经介绍了一种方法即在短持续时间内将诊断脉冲发送到定子相。通过测量合成电流，可以计算出相应的磁链。然后用将测量的磁链以及包含 SRM 的磁特性的查找器来获得初始转子位置。在没有运动反电动势和饱和的情况下，相电压方程可以表示如下：

所以，

其中T代表诊断电压脉冲的持续时间。具有初始位置和所需的旋转方向，也可以容易地得出激励序列。虽然这种方法似乎在 SRM 驱动器中提供了一个可靠的起始点，但它需要一个用于存储磁通信息的综合查找表。此外，使用磁通积分法的 SRM无传感器操作在极低速会受到积分误差的影响。因此，在启动过程中，该启动算法必须与更可靠的技术集成。

调幅技术[1]是获得可靠起动的另一个选择。这是由于该方法中测量特征与转子位置具有一一对应关系。这种独特的位置信息可用于检测最适合激发的相位。但是，必须注意的是，调幅技术需要外部硬件电路，这增加了系统的成本和复杂性。

  1. 超低速状态下的无传感器控制

在这个区域，运动后向电动势很低并且几乎可以忽略。因此，相电压方程可以表述如下：

其中代表k相到j相之间的互感。（k=1,2，hellip;hellip;m）。如果选择一个有源相位进行测量，就可以忽略互感的影响。这就形成了以下（1）的简化形式：

随着终端量的测量，分析模型的可将（5）转换成代数方程式，可以求解转子位置[15]。但是，由于电流测量中有噪声存在，可能需要特殊的滤波技术。这反过来又需要一个非常快的具有足够计算能力的处理器。

另一方面，通过选择空闲相位，可以施加一个振幅非常小的感测电压（以避免产生负扭矩）。这种情况下的相电压方程将采用以下形式：

在这种情况下，诊断感测电压的幅度可以选择为使得影响不明显的相互通量[5]。又会有以下方程：

通过施加正弦电压，如：

处于空闲阶段的电流将具有以下形式：

（9）

公式（9）是调制技术的基本思想。由式可以看出，感应电流的幅度和相位包含以非线性但一对一的方式编码显示转子位置信息。图6显示了作为转子位置函数的感应电流的调制幅度。

图6 调幅方法中的包络和调制载波

这些信息可以被提取并用于换向。尽管简易，我们仍需记住，这个方法的实现将需要额外的硬件。图7描述了调幅方法中使用的传感电路。

图7 调幅编码器技术的基本电路配置

此外，可以使用没有任何外部感应电压的（5）。这就有了以下方程：

在这个等式中，测量的终端电压表示由相互通量产生的感应电压。由于 srm 中的互磁通包含编码的位置信息，测量的感应电压可用于整流定子相位。必须指出的是，该技术的成功实施依赖于机器的磁性结构来提供显著的相互电压。而且，连续阶段之间的相当大的重叠会降低这种方法的准确性。

  1. 无传感器恒转矩控制

随着速度的增加，运动反电动势对 SRM 磁性能的贡献增强。这将导致我们使用原始形式的相电压方程：

由于使用无传感器操作的空闲阶段遵循与前一节所述相同的原理，因此本文的这一部分将讨论有源相位技术。但是，必须注意的是，随着速度的增加，诊断技术的范围和准确性会受到一些限制。感兴趣的读者可以参考[5]进行详细的解释。

该区域无传感器控制常用的一种方法是使用（8）的宏观变形。这可以通过从这个方程的两边进行积分来实现，通过这个方程可以得到以下简化的方程：

（12）

等式（12）可以与包含SRM磁特性的查找表一起使用，以直接实现基于转子位置或磁链的换向方案。然而，这种技术的高精度需要相当多的内存。为了克服这个缺点，建议将磁通测量与磁通或电感的分析模型相结合。还必须指出的是，这种技术不适合在积分误差很大的极低速下应用。

考虑到机械量（转速和转子位置）的变化比机器的电量慢得多，人们可以利用系统的刚度在一个斩波周期内求解（8），正如图8所示：

图8 磁滞控制电流波形

忽略互感的影响，假设机械量在连续的上升和下降时间内不变，(11) 可以改写如下：

虽然这种方法的速度变化范围有限，但它具有简单的优点并且不需要任何额外的硬件[9]。

  1. 高速状态下的无传感器控制

在恒定功率区，电流脉冲有明显的形状，并因为过强的反电动势而受到限制，空闲相位的缺少将减少无传感器操作的选择。但是，可以成功使用通量积分法。而且，提高速度将减少相应的计算时间。这样带来的影响就是又会减少样本的数量，因此需要一个具有小的A/D转换时间和高 MIPS的快速处理器。另外，相位之间的明显重叠会增加互感的影响，这就会降低经典通量积分方法的准确性。因此，应该包含（11）中的互感效应。通过引入自感和互感的分析模型以及估计的在线速度，可以将（11）转换为代数方程并求解其位置[14][15]。必须考虑到的是由于电流有限，饱和的影响很小，在这个区域可以忽略。这样带来的影响就是可以简化无传感器方案中使用的分析模型。

  1. 超高速状态下的无传感器控制

SRM驱动器无传感器控制的必要条件是驱动系统的机械、电气和控制时间常数之间有足够的间隔，即：

事实上，第一个条件是大多数实际案例的有效假设形式。但是，随着速度的增加，控制器

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