[摘 要]：轉子位置檢測是開關磁阻電機調速系統的重要環節，直接位置檢測技術能夠提供穩定的轉子位置信號，但需要增加附加的機械結構，從而限制了開關磁阻電機的應用范圍。目前，無位置傳感器檢測技術是開關磁阻電機研究領域的熱點之一。全面介紹了國內外開關磁阻電機無位置傳感器檢測技術的研究現狀，詳細闡述了每一典型檢測方法的原理，對其優缺點及適用范圍進行了詳細討論與客觀評述，并展望了其發展趨勢。對新型五位置傳感器檢測技術的研究具有重要的參考價值。 開關磁阻電機（switched reluctance motor，簡稱SRM）是一種新型的機電一體化調速電機，具有結構簡單、堅固，易于調速，控制靈活，可靠性高、容錯性強等特點，已逐漸應用于民用、機車和航天等領域，具有廣泛的應用前景。 位置檢測環節是開關磁阻電動機驅動系統（switched reluctance drive）的重要組成部分，檢測到的位置信號既是繞組開通與關斷的依據，也為轉速閉環控制提供了轉速信息。傳統的轉子位置檢測是直接利用光電式、電磁式和磁敏式等位置傳感器實現，隨著電機相數的增加，所需的傳感器數量會增多。轉子位置傳感器的存在不僅增加了系統的復雜性，又給安裝、調試帶來很大不便，嚴重削弱了SRM結構簡單的優勢，降低了系統的可靠性，并難以實現電機的高速控制，限制了SRM的應用領域。因此如何去掉位置檢測器，利用電機的固有信息間接確定轉子位置，無疑是一個很有潛力的研究方向。 目前，SRM無位置傳感器技術已經成為世界范圍內SRM研究領域的熱點之一，各國學者對這一問題從各種角度做了大量研究，提出了多種無位置傳感器檢測方案。本文對20年來國內外SRM無位置傳感器技術進行了綜述，詳細介紹了各類方法的優缺點及適用范圍，對存在的問題及發展趨勢進行了分析。 1 無位置傳感器檢測技術分類 迄今為止，國內外學者對無位置傳感器技術從各種角度做了大量研究，提出了多種無位置傳感器檢測方案，圖1詳細列出了無位置傳感器的檢測方法。大致可以分為以下4類。 1）導通相檢測法。不需任何人為產生的電壓電流信息，直接以電機運行時的電流電壓信息為基礎，根據電機的實際模型或特性曲線得到位置信息。如磁鏈/電流法、相電流梯度法、磁鏈法、電流波形檢測法、相間互感檢測法（感應電勢法）、基于模型的觀測器法、基于電流斬波波形的檢測法以及基于磁鏈法提出的改進檢測方法等。 2）非導通相檢測法。充分利用空閑相，人為地注入檢測脈沖信號從而產生需要的電流等信息以得到位置信息。如單相脈沖激勵法、兩相脈沖激勵法以及基于脈沖激勵法而提出的改進檢測方法等。 3）基于智能控制的檢測方法。利用電機的磁特性關系，將智能控制引入到SRM五位置傳感器的研究當中。目前研究較多的是模糊控制法及神經網絡法。 4）附加元件檢測法。在SRM內部的適當位置附加某些電元件，利用這些電元件輸出的信息來檢測轉子的位置，所附加的電元件可以是電感線圈、電容板極等，稱其為附加線圈檢測法、附加電容檢測法等。 2 國內外無位置傳感器檢測技術的評述 2．1 導通相檢測法 導通相檢測法是利用導通相導通時所表現出來的相繞組特性來檢測轉子位置，所以不必像非導通相檢測法那樣需要切換電路和注入脈沖。但是由于電機繞組所表現出來的非線性，必須采用非線性檢測法，模型比較復雜，對芯片的運算速度要求也比較高。 2．1．1 電流波形檢測法 該方法由英國劍橋大學的Acarnley等人于1985年提出的，是最早的無位置傳感器檢測方案。由于SRM的相電流變化率取決于增量電感，而增量電感又是由轉子位置決定的，因此根據這一規律可解算出轉子的位置。解電機一相繞組的電壓簡化方程為 因此，由式（1）可解算出轉子位置角。 這一方案原理簡單，不需要外加電路。缺點是電感的計算時間較長，算法易受噪聲信號的影響，A/D轉換環節存在延時等。 針對上述方法人們提出了改進方案：根據SRM定子各相繞組依次獨立通過電流的特點，提出了非工作相施加檢測電壓脈沖法。 2．1．2 磁鏈法 磁鏈法于1991年由J．Lyons等人首次提出，該方法是依據SRM磁鏈、電流和轉子位置角之間的關系。忽略繞組互感的影響，則轉子位置角為繞組磁鏈和繞組電流的函數，并且可以證明其為單值函數，如果已知當前時刻的繞組磁鏈和繞組電流，則可以知道轉子位置。 若能試驗得到對應不同轉子位置的磁鏈一電流曲線，就可建立1個電流、磁鏈、位置角的三維表存儲在內存中，通過計算每一時刻的磁鏈，與采樣得到的電流一起通過查表法可得到當前的轉子位置角。 此方法原理簡單，但由于要建立并查找一個電流/磁鏈/位置的三維表，算法復雜，計算時間長，占用內存大，靈活性差等。 針對磁鏈法的不足，為提高實時性和使用范圍，減少所需內存，2001年由華中理工大學的邱亦慧和詹瓊華教授等人提出了簡化磁鏈法：另外，其他學者也提出了如下改進方法：基于參考位置角的磁鏈估計法和考慮起動狀態的磁鏈估計法。 2．1．2．1 簡化磁鏈法 該方法是在電機單相輪流導通且電流PWM控制的條件下提出的。在電機單相輪流導通時，并不需要轉子每一位置的信息，只要能夠判斷是否已達到換相位置即可。因此只需將積分計算得到的估算磁鏈與換相位置磁鏈相比較，如果前者大于后者，則認為換相位置還未到，繼續導通當前相，反之則認為換相位置已到，關斷當前相，導通下一相。 由于換相位置一般都靠近電感最大位置，因此換相位置磁鏈的獲得可通過測試最大電感時的磁鏈一電流曲線，從當前電流查到對應最大電感位置的磁鏈，然后再乘以一個小于1的系數來得到。 該算法只需測試并存儲最大電感位置的磁鏈一電流曲線，然后查二維表。所需內存小，算法簡單快速，無需附加硬件。缺點是無考慮繞組電阻隨溫度的變化，這將影響磁鏈估算值的準確性。 這種方法需要選擇合適的參考位置，參考電流過大或過小都會給估計帶來較大誤差。 2．1．2．3 考慮起動狀態的磁鏈估計法 起動時，由于電機無位置傳感器，因此無法直接得到起動時轉子的初始位置和運行時的關斷、開通位置，需要通過一定的間接位置檢測技術來得到。這種方法充分考慮了電機起動的起動因素。 在電機靜止時，對每相電機繞組通低幅測試脈沖，得到一定的測試電流峰值，由于轉子靜止，可忽略繞組電阻影響，則測試電流峰值與繞組電感成反比，測試電流峰值分別代表各相繞組電感，因此轉子的初始位置即可確定。然后給電機施加具有一定持續周期的電壓脈沖，使電機能夠運行。 在電機運行時，選擇電流值最大的相進行判斷，其原因是對于高性能的控制系統來說，為得到電機的最大轉矩，需要在電感下降區域前建立相電流。 磁鏈可通過下述離散的關系式得到： 式中：λ（k），λ（k－1）分別為第k和k－1時刻的磁鏈；i（k），i（k－1）分別為第k和k－1時刻的電流值；v（k－1）為第k－1時刻的繞組電壓值；Ts為采樣時間。 對于式（6）來講，通過處理器可以很容易計算出每個采樣時刻的磁鏈。由此根據電機的電磁特性，轉子的位置即可確定。 這種方法能夠得到較好的總體性能和估計結果，并能應用于電機的4象限運行。缺點是需要電壓傳感器和電流傳感器，并在確定用于轉子位置估計的相時，對所有的繞組都必須施加電壓。 2．1．3 相電流梯度法 忽略相電阻壓降，由電機電壓方程可得 相電流梯度法優點是：方法簡單，使用附加器件較少，適合于電機的中速和高速運行；不需要電感的先驗知識，適用于任何SR電機，能夠適用于電機的4象限運行。缺點是：低速運行時由于相電流上升較快，而且要限定在安全區，因而低速運行時檢測轉子位置偏差較大；電機的停止狀態下，需要編寫啟動程序；不適合在瞬時大負載情況下應用。 2．1．4 磁鏈/電流法 1988年英國Leeds大學的N．H．Mvungi等人提出利用某相磁鏈－轉子位置關系和相電流－轉子位置關系來測量轉子位置。在磁鏈很小時，磁路的非線性和磁通飽和可以忽略，因此轉子位置的變化可通過電流恒定時，磁鏈與位置角的變化曲線（圖5所示）和磁鏈恒定時，相電流與位置角的變化曲線（圖6所示）表征。 通過試驗可得到磁鏈為定值時的電流－位置角對應表或電流為定值時的磁鏈－位置角對應表，采用查表法可得到轉子位置角。 該方案較好地克服了電磁阻尼及其運動電勢的影響，不足之處在于數學模型過于簡單，未考慮渦流效應，檢測精度低，只適合于中、低速條件下使用。 2．1．5 基于電流斬波波形的檢測法 基于電流斬波控制的特點和電流斬波波形，利用電流的上升或下降時間判斷轉子的位置，可分為基于斬波波形的電流上升時間法和基于斬波波形的電流下降時間法。首先介紹電流上升時間法的原理。 根據估計得到的電感增量，即可間接得到轉子的位置。 這種方法的優點為：原理簡單，不需要外加測試信號，簡化了電路，降低了成本．提高了電機的可靠性和容錯能力；低速情況下，由于旋轉電動勢很小，可忽略，位置估計較為精確。缺點是：沒有考慮電阻受溫度的影響與相間的磁鏈耦合及電磁損失；受電機轉速、電壓波動以及斬波電流的影響較大；不適合在高速下使用。 電流下降時間法與電流上升時間法相似，同理可得電流下降時間法的電感增量為 其優缺點與電流上升法相同。不同之處在于它不需要電壓傳感器檢測電壓。 2．1．6 基于觀測器的檢測方法 1986年由Lumsdaine等人提出針對SRM相電感與轉子位置的函數關系引入一個狀態觀測器進行轉子位置估計的方法。假設電機參數已知，首先根據電機的電磁特性和機械特性建立電機的線性狀態方程，然后通過選擇適當的狀態變量（可以選擇轉速、位置角、磁鏈等）和輸入變量（電壓）及輸出變量（電流），建立由電機本身固有的一些物理參數所決定的狀態觀測器方程，通過檢測電機端口相電壓信號和相電流信號即可估計出轉子的位置角。 這種方法使用SRM的線性模型使得瞬態時觀測器性能較差，而且采用的降階擴展勒伯格型觀測器未包含系統所有的狀態量，觀測器對參數變化及噪聲很敏感，從而動態性能比較差。另外，此方法過于依賴所建SRM模型的精確程度，算法復雜，對CPU的處理速度要求較高。優點在于不需要另外的附加檢測電路，而且不用考慮探測電流所帶來的負面作用。 針對上述不足，其他學者又提出了全階擴展勒伯格型非線性觀測器，對系統所有狀態進行觀測并將負載轉矩作為未知狀態變量對待，使系統性能極大提升，消除了穩態誤差。 為了獲得更好的動態性能，考慮到SRM非線性、多變量強耦合的系統特點，魯棒性、實時性強的滑模觀測器、二階滑模變結構觀測器，自適應觀測器等被相繼提出。2004年華南理工大學的楊向宇、孫明等人提出采用滑模觀測器檢測轉子位置，首先建立觀測器模型、觀測器誤差模型以及二階滑模觀測器的微分方程，通過選擇合適的系數使觀測器的觀測位置角趨于實際的轉子位置角，達到位置檢測的目的。 2．1．7 相間互感檢測方法 相間互感法就是要通過檢測相間由于互感效應產生的感生電壓來檢測轉子位置角，這種方法1992年由M．Ehansi等學者提出。 SRM工作過程中，由于非激勵相與激勵相間的電磁耦合，會產生隨轉子位置變化的感生電壓，因此檢測非激勵相感生電壓可實現對轉子位置角的間接檢測。如果通過試驗的方法，預先得到校正好的互感電壓和轉子位置角之間的對應關系表，就能夠由互感電壓值查詢θ＝f/（互感電壓，電流）二維表獲得轉子位置角。SRM任何一非激勵相都可以被選為檢測的對象，在轉子從完全非對齊位置到完全對齊位置過程中，被選定的非激勵相中的互感電勢會發 生一個由正向最大值到負向最大值之間的周期性變化。 該方案考慮了電機轉速和相電流對互感電壓的影響，優點是不需要在非工作相之外加激勵脈沖，檢測電路僅由信號處理電路構成，因而系統工作效率較高；缺點是方案實現較為困難。 2．2 非導通相檢測法 非導通相檢測法一般是從外部向被非導通相注入激勵信號，通過檢測相應信號的幅值或者相位來解算轉子位置信號。 2．2．1 單相激勵脈沖法 針對上節提到的電流波形檢測法，人們提出了改進方案：根據SRM定子各相繞組依次獨立通過電流的特點，在很短的時間內對非工作相施加一檢測電壓脈沖。假設所加脈沖持續時間為△t，產生的測試電流很小，不產生附加轉矩，并且磁路不飽和，電機的電壓方程可簡化為 2．2．1．2 頻率調制法 頻率調制法于1990年由EhsaniM等學者提出，其基本思想是：采用調頻FM編碼技術產生一系列頻率與瞬時相電感成比例的方波信號。通過設計電路將被測相電感大小轉換為頻率（或周期T）的大小，如果電路參數選擇合適，則L和周期T之間有如下的關系：T＝kL（k為比例常數）。由此可獲得相b電感的頻率編碼信號，將此信號送給微處理器，利用f/V變換器就可得到與頻率成正比例的電壓，將此電壓與設定的閥值比較從而獲得轉子位置信息。 此方法的優點為：頻率調制器可以工作在0～100kHz的寬調制范圍內，分辨率高；缺點為：需要給每一相加檢測脈沖，增加了控制線路的復雜性，工作點不易穩定，易受干擾。 2．2．2 兩相脈沖激勵方法 針對單相脈沖法判別邏輯簡單、精度低、可靠性差的缺點，2001年由哈爾濱理工大學的王旭東教授等人提出了兩相激勵脈沖的檢測方法。其原理是：當SRM的一相正在工作時，對另外兩個相鄰的非工作相同時施加脈沖激勵，得到相應的響應電流，比較其響應電流的大小來決定下一相何時導通。 該方法的優點是：由于換相點的判斷只與響應電流的相對變化有關，而與其值的大小無關，因此這種方法的抗干擾性較強。采用兩個非工作相進行判斷，不僅提高了判斷的精度，而且還可以減小電壓波動和負載波動的影響，從而減小了檢測誤差。缺點是：需要外加檢測電路，成本高，增加了系統的復雜性。 2．2．3 曲線擬合的方法 計算施加第n次脈沖后需延時多長時間期望的關斷或開通位置才能到達。 這種方法的優缺點為：可提高系統的抗干擾性，同時也更能精確地預測轉子為位置信息。但實際的擬合計算時間及擬合誤差對控制精度具有影響，拐點位置處的擬合誤差較大。 2．3 基于智能控制的檢測方法 隨著智能控制理論的飛速發展，國內外的許多專家學者將智能控制的方法引入到SRM無位置傳感器的研究當中。目前研究較多的是模糊控制法及神經網絡法，文獻[26]還提出了基于卡爾曼濾波器的檢測方法。 2．3．1 模糊控制法 模糊控制提供了一個不需要數學模型的建模方法，非常適合于未知的、難以定義的系統。這種方法是基于SRM的繞組磁鏈、位置角以及電流之間的非線性關系，首先根據電機的電磁特性建立合理的模糊規則庫，定義磁鏈、電流為輸入，位置角為輸出，建立一個雙輸入、單輸出的模糊控制模型，檢測得到的磁鏈、電流通過模糊控制模型就可推理得到位置角的模糊輸出。 這種方法的優點是：不需要建立電機精確的數學模型，實時性好?？垢蓴_能力強，魯棒性好，不需要附加檢測電路。不足之處在于：模糊規則不易調節，自適應能力差。 2．3．2 神經網絡法 神經網絡是一種模擬人直觀性思維的非線性動力學系統，對于任意非線性對象的逼近和建模，以及對不確定性模型的控制均有很好的效果。神經網絡法也是基于電機的磁鏈、電流基礎之上的，在神經網絡進行位置估計之前，首先通過實測得到樣本數據，樣本數據的獲得是將轉子固定于一系列不同的位置，向繞組通入不同數值的相電流，記錄下不同相電流值所對應的磁鏈值。這些具有對應關系的轉子位置角、電流、磁鏈是神經網絡學習的樣本。選擇合適的網絡模型結構，通過對大量樣本數據進行訓練，就能建立能準確反映位置角、磁鏈及電流的非線性關系的神經網絡模型，從而可實現轉子位置的檢測。 這種方法的優點是：不需要建立電機的數學模型，魯棒性好，適應性強，不需要附加檢測電路。不足之處在于：需要大量的訓練數據，學習時間較長。 2．4 附加元件檢測法 目前，附加元件法主要有附加極板電容法和外加測試線圈法兩大類。其中，基于外加測試線圈法的求解轉子位置的方法有：阻抗法測量電感法、阻抗法測量電流法、相位調制法、幅值調制法等。 2．4．1 附加極板電容法 1999年，華中理工大學的詹瓊華教授等人提出通過電容與轉子轉角的關系確定實際運行時定、轉子相對位置的轉子位置檢測方法。 基本原理為：在SR電機定子槽中插入一金屬平板，并使金屬平板的中心線與定子槽中心線重合，則金屬平板與轉子構成一電容器，金屬平板為定極板，轉子為動極板。當轉子旋轉時，電容器的極板間距和面積隨著轉子轉動而變化，其電容大小是轉子位置角的函數。通過將電容量轉化為可測的電量，進行處理后就能得到對應的轉子位置信息。 這種方法的優點為：不需考慮相繞組中電流及運動電勢的影響，與電機負載無關，而且它對電機的運行狀態也沒有影響，靈敏度高，可獲得較大的相對變化量，結構簡單，適應性強。缺點為：由于要在電機內部放置元件，使SRM的制造工藝變得復雜。另外，若定子槽內的金屬極板放置位置不一致，就會使金屬極板相對于轉子位置的變化特性不一致，產生加大的檢測誤差。 2．4．2 外加測試線圈法 該方法是由南京航空航天大學的樊小明等人于1995年提出，外加測試線圈法是將獨立的測試線圈與定子繞組線圈繞在一起，通過檢測測試線圈電感變化規律得到轉子位置信息。定子繞組線圈一般采用順串接法，測試線圈既可順串，也可反串。順串接法電感幅值和靈敏度較高，但容易受主繞組工作電流的干擾；反串接法則正好相反。文獻[30，31，36]采用RLC串聯諧振技術實現了對轉子位置的正確求解，另外，還有如下幾種求解的方法。 阻抗法測量電感：將反串線圈作為測試對象，通過測量固定頻率下測試線圈電感呈現的復阻抗特征來實現。 阻抗法測量電流：用阻抗法測量測試線圈電流的原理較為簡單，通常是在測試線圈上加一個固定頻率為ω的交流信號源，然后用一個采樣電阻檢測電感上的電流即可。 這種方法的優點是：便于實現，適合于任何類型的電機。缺點是需要額外的硬件電路，增加了成本和復雜性。 3 總結與展望 本文對SRM無位置傳感器的檢測方法作了全面的介紹，詳細分析了各種典型檢測方法的原理，客觀評價了各種方法的優缺點及適用范圍。這將對新型無位置傳感器的研究具有重要的借鑒意義。采用無位置傳感器的方法檢測轉子位置，既簡化了SRM驅動系統的結構，提高了系統的可靠性，又可避免位置傳感器受環境因素的影響，是很有潛力的發展方向。 智能控制技術的不斷成熟，電力電子技術、數字信號處理技術的飛速發展，將為無位置傳感器技術的研究注入新的活力。比較各種控制方法的優缺點，以神經網絡為代表的智能控制技術在SRM無位置傳感器的檢測中具有廣闊的發展前景。采用高性能的數字信號處理芯片（DSP）開發各種復雜算法，進行位置檢測，無需附加外部硬件電路，可大大提高檢測的可靠性和快速性，為各種控制理論在無位置傳感器SRM的實現提供了良好的硬件平臺。將智能控制技術及高速高效低價格的DSP應用于SRM的位置檢測和控制當中將是未來的發展趨勢。