基于相电感综合矢量法的开关磁阻电机初始位置估计
0引言
开关磁阻电机(switchedreluctancemotor，SRM)以其独特的优点，在航空航天、电动汽车、船舶、分布式电源系统以及精密加工等诸多场合具有良好的应用前景。无位置传感器技术的研究将进一步拓宽SRM的应用范围，充分发挥其高速性、环境适应性、以及强容错能力等特性[1]。
为满足电机高性能起动的要求，电机的初始定位技术一直是需要解决的关键技术。实现电机静止状态时的精确初始定位，可以确保电机的无反转、无磁滞起动，这对于诸如伺服系统等一些控制精度要求很高的应用场合是非常关键的。而对于诸如起动/发电机、车用驱动电机等需要频繁起动和制动的应用场合，电机通常需要在惯性运行状态下重新起动，因此仍需精确估计出电机实时的位置信息，从而避免起动迟滞，确保电机稳定起动。
近10年，关于开关磁阻电机初始位置估计和无反转起动技术的研究受到了国内外学者的广泛关注。文献[2]提出了一种静止起动的方法。该方法通过比较各相脉冲响应电流的大小而实现电感位置分区，从而通过选择可以产生正转矩的相作为初始起动相，实现电机的无反转起动。但该方法无法实现电机的初始位置估计。文献[3]继续对上述方法进行了研究，并通过理论分析了该算法在无反转起动中的鲁棒性。文献[4]提出了一种基于两相电流比较法的起动方法，文献[5]提出了一种非导通相电流双阀值起动方法，这些方法可以实现SRM的起动和低速运行，但是没有对初始位置估计进行研究。
文献[6-7]提出了一种基于调制解调法的位置估计方法。该方法通过外接信号电路向非导通相注入高频激励电压，通过对激励响应电流幅值和相位进行调制解调而获得电感信息，并利用电感信息与转子位置周期性变化的关系来获取位置信号。该方法虽然可实现初始定位，但却需要增加较多的外围电路。文献[8]利用角度与电流、磁链之间的非线性关系，通过查表的方式获取转子初始位置。该方法需要测量不同位置和电流下的磁链曲线，并基于该曲线建立复杂的三维表格，因此算法的初始准备工作复杂，而且在硬件实现过程中需要占用较大的内存资源。此外，磁链计算在低速时的不精确性也会使得该方法的位置估计精度受到限制。文献[9]提出了一种建立响应电流峰值与转子位置的关系的三次样条模型的方法。在固定母线电压的模式下，给各相同时注入高频检测脉冲，并测量在不同转子位置下的脉冲电流峰值，可以得到转子位置与峰值电流的关系曲线。利用三次样条函数可以实现对上述关系的拟合，从而通过检测响应电流峰值来估计转子初始位置。该方法可以实现电机静止时的初始定位，但是该方法需要借助一定的初始参数测量，同时还需建立转子位置与峰值电流的数学模型，因此处理过程相对复杂。文献[10-11]也基于峰值电流与位置角的关系研究了静止初始位置估计的策略，并进行了鲁棒性分析。文献[12-13]采用1阶傅里叶级数实现不饱和电感与位置角关系的拟合，并通过检测相电感值来估计转子初始位置。与峰值电流法类似，该方法同样需要参数初始测量和建模过程。文献[14]提出了一种将电感向量与正交分解相结合的方法，该方法利用电压方程估计三相电感，通过正交分解得到位置角的正切函数值，从而求反正切得到转子初始位置角。该方法实现比较简单，但该文献没有深入研究这种方法对电机惯性运行时的初始位置估计的可行性。文献[15]提出利用1阶傅里叶级数来拟合相电感，并利用电感矢量分解法来求取转子初始位置的方法。该方法直接忽略了电感高次谐波的影响，理论上讲是存在一定缺陷的。此外，该方法同样只研究了静止初始位置估计策略。文献[16]提出了一种利用到达检测电流给定阀值的时间来判断最佳位置估计相的方法，从而在确定的估计相实现位置角的计算。该方法实现了静止和有初始转动的位置估计，可以实现无反转起动，方法简单、易于实现，但该方法由于受到电感计算方法的限制，无法满足初始转速较高时的初始位置估计要求。文献[17-18]研究了一种基于不对称半桥的上桥臂开关管驱动的自举电路的初始位置估计方法。该方法通过给自举电路中的电容充电，向各相绕组中注入脉冲电流，通过测量自举电路中电容充电到达最大电流的时间来计算相电感，根据电感曲线几何关系确定转子初始位置，但该方法只适用于静止时的转子初始位置估计。文献[19]提出了一种基于电感线性区模型的无位置传感器方法。该方法利用电流斜率差值法计算相电感，间接消除了运动反电势的影响，拓宽了电感计算的转速适应范围。该方法中电感模型简单，利用电感估计值可以实现静止和惯性运行时的初始定位。但该方法需要预先测量各相不饱和电感曲线交点位置处的电感值，该电感值一旦确定后则不再改变。因此，所得到的电感线性区模型不具备动态适应性，一定程度上会影响到位置估计的精度，尤其是转速较高的情况。文献[20]提出了一种基于电感矢量法的无位置传感器方法。