开关磁阻电机位置检测方法资料课件

开关磁阻电机的无位置传感器检测技术刘莹开关磁阻电机的无位置传感器检测技术1无位置传感器检测技术的作用01无位置传感器检测技术的优势02国内外对无位置传感器检测技术的研究03下一步工作计划04目录无位置传感器检测技术的作用01无位置传感器检测技术的优势022无位置传感器检测技术的作用当电机静止时，转子位置是不确定的，由于没有位置传感器，此时对电机定子哪一项通电的问题尤为突出。解决启动时候的转子初始位置和初始导通相的判断问题，以保证不出现转子反转。无位置传感器检测技术的作用当电机静止时，转子位置是不确定的，3无位置传感器检测技术的优势传统的SRM转子位置检测法采用诸如光电编码器、霍尔位置传感器等，称作直接位置检测法。由于机械位置传感器的存在，增加了SRM结构的复杂性，影响了SRM调速系统可靠性，也使得SRM调速系统的成本增加，另外，位置传感器的稳定性受环境影响很大，阻碍了SRM在生产和生活中的广泛应用。为了克服这一弊病，国内外学者开始着手研究开关磁阻电机无传感器控制技术。无位置传感器检测技术的优势传统的SRM转子位置检测法采用诸4国内对无位置传感器检测技术的研究

国内对无位置传感器检测技术的研究

5导通相检测法

导通相检测法是利用导通相导通时所表现出来的相绕组特性来检测转子位置。但是由于电机绕组所表现出来的非线性,必须采用非线性检测法,模型比较复杂,对芯片的运算速度要求也比较高。不需任何人为产生的电压电流信息,直接以电机运行时的电流电压信息为基础,根据电机的实际模型或特性曲线得到位置信息。导通相检测法

导通相检测法是利用导通相导通时所表现出来的相绕6

电流波形检测法：最早的无位置传感器检测方案

优点：原理简单,不需要外加电路。缺点：电感的计算时间较长,算法易受噪声信号的影响。

电流波形检测法：最早的无位置传感器检测方案

优点7磁链法

其基本思想是忽略绕组互感的影响，基于开关磁阻电机的磁链、电流和转子位置角之间的关系来检测转子位置。不同转子位置角曲线图优点：原理简单缺点：由于要建立并查找一个电流/磁链/位置的三维表,算法复杂,计算时间长,占用内存大,灵活性差等。针对磁链法的不足,提出了简化磁链法。磁链法

其基本思想是忽略绕组互感的影响，基于开关磁阻电机的磁8简化磁链法

线性模型下的绕组相电流波形图简化磁链法

线性模型下的绕组相电流波形图9简化磁链法

位置检测的目的就是提供换想逻辑，在电机单项轮流导通时，并不需要转子每一位置的信息，只要能够判断是否已达到换相的位置即可。因此只需将积分得到的估计磁链值与对应当前电流的换相位置的参考磁链值相比较，如果前者大于后者，则认为换相位置已到，管断当前相，导通下一相；反之，则认为换相位置未到，继续导通当前相。简化磁链法

位置检测的目的就是提供换想逻辑，在电机单项轮流导10参考磁链的获得

参考磁链的获得：换相位置一般都靠近电感最大位置，因此该算法只测试存储最大电感位置的磁链-电流曲线，然后再乘以一个小于1的系数k来得到对应换相位置的参考磁链值。优点：算法中只需要计算最大电感位置的磁链-电流曲线，然后查询二维表，所需内存小，算法简单快速，此时结果较为准确可靠。

参考磁链的获得

参考磁链的获得：11相电流梯度法

相电流梯度法

12相电流梯度法

比较与上一个之间的时间间隔，可求得电机的转速，这个时间间隔乘以极数即电机旋转一周的时间。结合与电机的转速可控制和，即下一相导通时间和该相关断时间，从而实现单拍和双拍控制。单拍：用于高速段，可减少转矩脉动双拍：起动和低速段，有利于产生有效转矩相电流梯度法

比较与上一个之间的时间间隔，可求得电13基于电流斩波波形的检测法（适用于低速）

电流上升时间法

利用电流的上升或下降时间判断转子的位置，分别为基于斩波波形的电流上升时间法和基于斩波波形的电流下降时间法。基于电流斩波波形的检测法（适用于低速）

电流上升时间法

利用14电流下降时间法

优点：原理简单，成本较低，不需要外加测试信号，提高了电机的可靠性和容错能力;低速运行情况下，由于旋转电动势很小，可忽略，位置估计较为精确。缺点：该方法受电机转速、电压波动以及斩波电流的影响，不适合在高速下使用。与电流上升时间法相比，不同之处在于它不需要电压传感器检测电压。电流下降时间法

优点：原理简单，成本较低，不需要外加测试信号15非导通相检测法

非导通相检测法通过控制向非激励相注入高频低幅的测试信号，测量出电流或其它信息，通过计算和分析得到转子位置信息。此类方法算法比较简单，适合于电机启动和较低转速时的转子位置估计，但由于测量过程需要注入高频激励信号，易引起负转矩，影响整个系统出力和效率，另外使控制电路复杂。非导通相检测法

16注入脉冲法

初始位置检测：电机静止时，同时向三相注入高频电压脉冲低速运行时的位置检测：同时向非导通相注入电压脉冲注入脉冲法

初始位置检测：电机静止时，同时向三相注入高频电压17初始位置检测

1、电机静止时，2、忽略绕组的电阻压降3、电机静止时，电感保持不变向绕组中注入幅值一定的电压脉冲，其响应电流的幅值大小：初始位置检测

1、电机静止时，向绕组中注入幅值一18一相响应电流的峰值与转子位置关系三相响应电流的峰值与转子位置关系一相响应电流的峰值与转子位置关系三相响应电流的峰值与转子位置19低速运行时的位置检测

当SRM的一相正在工作时，对另外两个相邻的非工作相同时施加脉冲激励，得到相应的响应电流，比较其响应电流的大小来决定下一相何时导通。优点：换相点的判断只与响应电流的相对变化有关，而与其值的大小无关，因此抗干扰性较强，采用两个非工作相进行判断，不仅提高了判断的精度，而且还可以减小电压波动和负载波动的影响，从而减小了检测误差。缺点：需要外加检测电路，成本高，增加了系统的复杂性。低速运行时的位置检测

当SRM的一相正在工作时，对另外两20

附加元件法

附加元件法是在电机内部的适当位置上增加一些元件，在电机运行时这些元件的输出信息也随转子周期性地发生变化，利用这种特性可以估算出转子的位置。根据附加的元件不同，可分为极板电容检测法和附加电感线圈法。

附加元件法

附加元件法是在电机内部的适当位置上增加一些元件21极板电容检测法

在电机定子槽中插入一个金属平板，该平板与转子之间就相当于构成了电容器，当转子转动时，该电容器的极板面积和间距也随之发生变化，也就是说电容的容值大小是转子位置的函数，只需增加简单的电路检测出电容的容值，就能够估算出转子的位置。优点：算法简单，适用性强，与电机所带负载的大小无关。缺点：由于放置元件，使SRM的制造工艺变得复杂。另外，若定子槽内金属板放置位置不一致，就会使金属极板相对与转子位置的变化特性不一致，产生较大的检测误差。极板电容检测法

在电机定子槽中插入一个金属平板，该平板与转子22国外一些研究(基于注入脉冲法)

电感分区法（起动）思想：将各项电感的相位关系做以分区，利用各区域内绕组的相电流逻辑关系，确定初始导通相。起动前对各项绕组注入电压脉冲U，各相电感曲线与电流曲线成倒置的关系。国外一些研究(基于注入脉冲法)

电感分区法（起动）思想：将各23开关磁阻电机位置检测方法资料课件24电感分区法（低速）

思想：低速运行时，忽略旋转反电势，在每相的0~22.5°范围内，电感处于上升区，均可以产生正转矩。响应电流幅值的包络线，将一个电感区间分为6个小区间。每个区间内的电流逻辑关系不同，从而确定不同相的导通关断信号。在一相电感的上升区内，非导通相电流的交叠点对应了7.5°，15°和22.5°三个特殊位置点，而导通相的电流，远大于非导通相注入脉冲的响应电流，无法确定换相点，对控制算法没有意义。因此利用非导通相电流信号，可以确定导通相的开通与关断，实现导通。电感分区法（低速）

思想：低速运行时，忽略旋转反电势，在每25开关磁阻电机位置检测方法资料课件26注入脉冲法缺点：1）该方法的相开通位置在7.5°，已经偏离了相电感底部区域，处在电感上升区，因此相电流上升缓慢，起动电流偏小，起动转矩偏小；2）相关断位置位于SRM定转子对齐位置，关断相的续流电流会产生较大的负转矩；3）只能单相轮流导通，开通、关断角无法调节；4）该方法直接忽略了运动反电势和绕组电阻压降对响应电流峰值的影响，因此只适用于转速较低的情况。注入脉冲法缺点：27综合矢量法

思想：在电感分区的基础上，把相电感对应的转子机械角对应到相应的电角度。机械角度与电角度有如下关系：初始位置的电角度可由下式解算初始位置的机械角度可求得综合矢量法

思想：在电感分区的基础上，把相电感对应的转子机28下一步工作计划

学习开关磁阻电机无位置传感器起动控制方法学习开关磁阻电机无位置传感器在低速运行时的控制方法下一步工作计划

学习开关磁阻电机无位置传感器起动控制方法29THANKSEVERYBODYTHANKSEVERYBODY30开关磁阻电机的无位置传感器检测技术刘莹开关磁阻电机的无位置传感器检测技术31无位置传感器检测技术的作用01无位置传感器检测技术的优势02国内外对无位置传感器检测技术的研究03下一步工作计划04目录无位置传感器检测技术的作用01无位置传感器检测技术的优势0232无位置传感器检测技术的作用当电机静止时，转子位置是不确定的，由于没有位置传感器，此时对电机定子哪一项通电的问题尤为突出。解决启动时候的转子初始位置和初始导通相的判断问题，以保证不出现转子反转。无位置传感器检测技术的作用当电机静止时，转子位置是不确定的，33无位置传感器检测技术的优势传统的SRM转子位置检测法采用诸如光电编码器、霍尔位置传感器等，称作直接位置检测法。由于机械位置传感器的存在，增加了SRM结构的复杂性，影响了SRM调速系统可靠性，也使得SRM调速系统的成本增加，另外，位置传感器的稳定性受环境影响很大，阻碍了SRM在生产和生活中的广泛应用。为了克服这一弊病，国内外学者开始着手研究开关磁阻电机无传感器控制技术。无位置传感器检测技术的优势传统的SRM转子位置检测法采用诸34国内对无位置传感器检测技术的研究

国内对无位置传感器检测技术的研究

35导通相检测法

导通相检测法是利用导通相导通时所表现出来的相绕组特性来检测转子位置。但是由于电机绕组所表现出来的非线性,必须采用非线性检测法,模型比较复杂,对芯片的运算速度要求也比较高。不需任何人为产生的电压电流信息,直接以电机运行时的电流电压信息为基础,根据电机的实际模型或特性曲线得到位置信息。导通相检测法

导通相检测法是利用导通相导通时所表现出来的相绕36

电流波形检测法：最早的无位置传感器检测方案

优点：原理简单,不需要外加电路。缺点：电感的计算时间较长,算法易受噪声信号的影响。

电流波形检测法：最早的无位置传感器检测方案

优点37磁链法

其基本思想是忽略绕组互感的影响，基于开关磁阻电机的磁链、电流和转子位置角之间的关系来检测转子位置。不同转子位置角曲线图优点：原理简单缺点：由于要建立并查找一个电流/磁链/位置的三维表,算法复杂,计算时间长,占用内存大,灵活性差等。针对磁链法的不足,提出了简化磁链法。磁链法

其基本思想是忽略绕组互感的影响，基于开关磁阻电机的磁38简化磁链法

线性模型下的绕组相电流波形图简化磁链法

线性模型下的绕组相电流波形图39简化磁链法

位置检测的目的就是提供换想逻辑，在电机单项轮流导通时，并不需要转子每一位置的信息，只要能够判断是否已达到换相的位置即可。因此只需将积分得到的估计磁链值与对应当前电流的换相位置的参考磁链值相比较，如果前者大于后者，则认为换相位置已到，管断当前相，导通下一相；反之，则认为换相位置未到，继续导通当前相。简化磁链法

位置检测的目的就是提供换想逻辑，在电机单项轮流导40参考磁链的获得

参考磁链的获得：换相位置一般都靠近电感最大位置，因此该算法只测试存储最大电感位置的磁链-电流曲线，然后再乘以一个小于1的系数k来得到对应换相位置的参考磁链值。优点：算法中只需要计算最大电感位置的磁链-电流曲线，然后查询二维表，所需内存小，算法简单快速，此时结果较为准确可靠。

参考磁链的获得

参考磁链的获得：41相电流梯度法

相电流梯度法

42相电流梯度法

比较与上一个之间的时间间隔，可求得电机的转速，这个时间间隔乘以极数即电机旋转一周的时间。结合与电机的转速可控制和，即下一相导通时间和该相关断时间，从而实现单拍和双拍控制。单拍：用于高速段，可减少转矩脉动双拍：起动和低速段，有利于产生有效转矩相电流梯度法

比较与上一个之间的时间间隔，可求得电43基于电流斩波波形的检测法（适用于低速）

电流上升时间法

利用电流的上升或下降时间判断转子的位置，分别为基于斩波波形的电流上升时间法和基于斩波波形的电流下降时间法。基于电流斩波波形的检测法（适用于低速）

电流上升时间法

利用44电流下降时间法

优点：原理简单，成本较低，不需要外加测试信号，提高了电机的可靠性和容错能力;低速运行情况下，由于旋转电动势很小，可忽略，位置估计较为精确。缺点：该方法受电机转速、电压波动以及斩波电流的影响，不适合在高速下使用。与电流上升时间法相比，不同之处在于它不需要电压传感器检测电压。电流下降时间法

优点：原理简单，成本较低，不需要外加测试信号45非导通相检测法

非导通相检测法通过控制向非激励相注入高频低幅的测试信号，测量出电流或其它信息，通过计算和分析得到转子位置信息。此类方法算法比较简单，适合于电机启动和较低转速时的转子位置估计，但由于测量过程需要注入高频激励信号，易引起负转矩，影响整个系统出力和效率，另外使控制电路复杂。非导通相检测法

46注入脉冲法

初始位置检测：电机静止时，同时向三相注入高频电压脉冲低速运行时的位置检测：同时向非导通相注入电压脉冲注入脉冲法

初始位置检测：电机静止时，同时向三相注入高频电压47初始位置检测

1、电机静止时，2、忽略绕组的电阻压降3、电机静止时，电感保持不变向绕组中注入幅值一定的电压脉冲，其响应电流的幅值大小：初始位置检测

1、电机静止时，向绕组中注入幅值一48一相响应电流的峰值与转子位置关系三相响应电流的峰值与转子位置关系一相响应电流的峰值与转子位置关系三相响应电流的峰值与转子位置49低速运行时的位置检测

当SRM的一相正在工作时，对另外两个相邻的非工作相同时施加脉冲激励，得到相应的响应电流，比较其响应电流的大小来决定下一相何时导通。优点：换相点的判断只与响应电流的相对变化有关，而与其值的大小无关，因此抗干扰性较强，采用两个非工作相进行判断，不仅提高了判断的精度，而且还可以减小电压波动和负载波动的影响，从而减小了检测误差。缺点：需要外加检测电路，成本高，增加了系统的复杂性。低速运行时的位置检测

当SRM的一相正在工作时，对另外两50

附加元件法

附加元件法是在电机内部的适当位置上增加一些元件，在电机运行时这些元件的输出信息也随转子周期性地发生变化，利用这种特性可以估算出转子的位置。根据附加的元件不同，可分为极板电容检测法和附加电感线圈法。

附加元件法

附加元件法是在电机内部的适当位置上增加一些元件51极板电容检测法

在电机定子槽中插入一个金属平板，该平板与转子之间就相当于构成了电容器，当转子转动时，该电容器的极板面积和间距也随之发生变化，也就是说电容的容值大小是转子位置的函数，只需增加简单的电路检测出电容的容值，就能够估算出转子的位置。优点：算法简单，适用性强，与电机所带负载的大小无关。缺点：由于放置元件，使SRM的制造工艺变得复杂。另外，若定子槽内金属板放置位置不一致，就会使金属极板相对与转子位置的变化特性不一致，产生较大的检测误差。极板电容检测法

在电机定子槽中插入一个金属平板，该平板与转子52国外一些研究(基于注入脉冲法)

电感分区法（起动）思想：将各项电感的相位关系做以分区，利用各区域内绕组的相电流逻辑关系，确定初始导通相。起动前对各项绕组注入电压脉冲U，各相电