开关磁阻电机宽转速无位置传感器及其容错技术研究

摘要

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor简称SRM）为双凸极结构，转子上无永磁材料，由硅钢片重压而成，没有绕组，只有定子上有线圈，结构简单、坚固，电机加工工序少，成本低，易于冷却，特别适合高速运行和高温、恶劣等工作环境。但位置闭环系统需要转子位置传感器的，位置传感器提高了系统的成本、增加了系统的复杂性，同时降低了系统的可靠性和坚固性，因此SRM无位置传感器技术成为研究热点。
　　本文针对初始位置、低速起动运行、中高速运行状态下分别提出了相应的位置估计算法，以满足SRM宽转速无位置传感器的控制运行，并对缺相和电流/电压传感器故障下位置估计容错方案进行了系统的研究。
　　针对初始位置判断，提出了线性三角形模型和双电流阀值两种初始位置估计方法，线性三角形模型通过电感分区、脉冲电流峰值包络线线性化，利用三角形的数学知识估算转子初始位置角；双电流阀值是通过设置双电流阀值对电感分区进行改进，建立了转子初始分区判断和脉冲电流峰值与位置角之间关系模型选择的策略，通过理论分析和实验比较，线性三角形模型算法简单、直观，双电流阀值法虽然算法较之复杂，但是具有更高的位置估算精度，确保电机无反转起动，并对SRM双电流阀值惯性运行和缺相故障进行了容错实验。
　　针对低速运行位置估计，本文将初始位置判断的双电流阀值法应用到低速起动运行状态，实现了电机两种状态下位置估计算法平稳切换，同时考虑母线电压的波动对电流阀值的影响，提出了变双电流阀值的策略，提高了电流阀值对母线电压的鲁棒性，该算法还避免了电感最大和最小区域因电感变化缓慢而带来的位置估计误差，因此具有较高位置估计精度，实验验证该算法具有很好的动态性能。
　　为了开展电机磁链特性实测，搭建了基于dsPACE和机械分度仪定位系统的磁链实测平台，利用阶跃电压法，通过ControlDesk建立磁链检测所需的虚拟仪表，系统方便对数据进行实时、准确地捕获、存储和参数在线寻优，方法简单可靠。
　　针对SRM中、高速运行状态位置估计，提出了五点法磁链优化模型和改进型指数函数模型两种特征位置磁链自动生成的改进型简化磁链无位置传感器方案。通过理论分析和仿真对比，表明了这两种磁链模型都具有很高的磁链特性精度。实验结果表明，与传统的简化磁链位置估计方法相比，所提的特征位置磁链自动生成的位置估计算法，更能实时动态的反应电机运行特征，并且系统无需实测磁链特性曲线、无需存储、无需查表等繁琐的过程，提高了微处理器的实时性和位置估计的精度。
　　为了实现缺相和电流/电压传感器故障位置估计，分别提出了适合各自方法的位置估计容错方案，利用电机各相独立性解决缺相故障下无位置传感器容错运行；通过分析电流/电压传感器的故障对电流阀值和磁链特性影响的不同，利用正常相的电磁特性间接估计出故障相的转子位置，并通过实验验证了故障下的位置估计容错方案的可行性。
　　传统的电流梯形法不适应变角度控制，降低了电机调速范围，为此本文提出了基于电流滞环斩波PWM控制方式的无位置传感器技术，推导和分析了滞环斩波PWM开通时间与转子位置的关系，通过滞环PWM开通时间的比较，建立极对极对齐特征位置的估计模型，并结合时间阀值的比较方法，解决了开通角对位置估计的影响，使其能适合变角度控制方式下的位置估计，拓宽了该方案的应用范围。另外，针对SRM斩波控制方式，还提出了一种全周期电流峰值包络线提取方法，通过特征值交截实现转子位置的估计，并通过理论分析和仿真，验证了该算法的可行性。

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注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 开关磁阻电机无位置传感器研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第二章 SRM无位置传感器初始位置估计

2.1 引言

2.2 脉冲注入初始位置判断机理

2.3 线性三角形初始位置估计方法

2.4 双电流阀值初始位置估计

2.5 本章小结

第三章 低速运行双电流阀值无位置传感器技术

3.1 引言

3.2 双电流阀值位置估计方法

3.3 缺相容错分析

3.4 本章小结

第四章 低速运行斩波控制无位置传感器技术

4.1引言

4.2 单特征点位置估计方法

4.3特征值交截法位置估计方法

4.4本章小结

第五章 SRM磁链模型优化设计

5.1引言

5.2五点法简化磁链模型优化设计

5.3 改进型指数函数磁链模型

5.4 SRM磁链特性检测

5.5 本章小结

第六章 中、高速运行简化磁链无位置传感器技术

6.1 引言

6.2 特征位置简化磁链方法

6.3特征位置磁链自动生成位置估计方法

6.4缺相容错分析

6.5本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1本文的主要工作与创新点

7.2需进一步研究的工作

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文