现场可编程门阵列在开关磁阻电机无传感器位置检测中的应用

    纪艳华¹，  陈亮²

(1江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013；

2上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海200063)

摘要：提出了一种将现场可编程门阵列用于无位置传感器的位置检测方法，将复杂算法通过一个简单的逻辑芯片实现，不仅提高了运算速度，而且简化了控制电路。对一个三相6／4极开关磁阻电机进行仿真，结果表明系统在位置检测和转速检测方面均有很好的可靠性。

    关键词：开关磁阻电机；现场可编程门阵列；无传感器位置检测；磁链法

    中圈分类号：TM 352文献标志码：A文章编号：1673-6540(2010)064)0424-03

0  引  言

    开关磁阻电机调速系统是由双凸极开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，SRM)、功率变换器、控制器及检测器等组成的一种新型电动机调速系统(见图1)。与传统的直流和交流调速系统相比，SRM不仅保持了异步电动机的全部优点，而且电机结构简单、控制方便、运行可靠、成低、效率高，正获得日益广泛的应用。SRM的转子位置检测足SRM正常运转的重要组成部分，其检测方案分为直接位置检测法和间接位置检测法两类。直接检测法引入了位置传感器，使得电机结构变得复杂，安装也不方便，还使得SRM调速系统的可靠性下降。因此，问接位置检测技术

正逐渐成为SRM调速系统研究的热门课题。

    无位置传感器检测方法很多，如电流波形监测法、状态观测器检测法、磁链法、利用相间互感与转子位置关系检测、电容式位置检测技术、加测试线圈检测等方案，这些方案各有优缺点，但综观其实际效果却有一个共同的不足之处就是这些算法往往比较复杂，对位置检测的实时性要较高，因此目前只局限在中低速领域。

    本文在6／4极SRM单相轮流导通和电流采用脉宽调制(Pulse width M0dulatlon，PwM)技术控制的条件下，利用现场可编程门阵列(neldProgmmmableGste Arrav，FPGA)实现磁链法的间接位置检测方案。将表示电流一磁链一位置角关系的励磁特性曲线放入查找表中，不仅节约了大量的运算时间，而目．在高速区仍能获得准确可靠的位置信号。

1  磁链法的基本原理及算法

1．1基本原理

    磁链法直接对激励相绕组的电流进行检测，从而得到转子位置信号。根据SRM的一相电压方程：

测量出电机激励相的电流I和电压U及定子电阻R，即可计算出某一时刻的定子磁链值。实际电机转子位置θ、定子磁链Ψ和电流i的关系如图2所示。

     SRM的励磁特性曲线可以通过实际测量或有限元分析的方法得到，制成表格，在电机运行时通过查表，实时地得到转子的位置。

1．2算法简述

    大多数位置估算算法并不考虑起动时的情况，本文为了实现SRM的无迟滞起动，需要在没有对转子初始校准和无干扰的情况下开始获得转子位置信息，因此算法中包括起动时的转子位置估算，具体算法如下(流程如图3所示)：

    (1)在短时间内(0 5 ms)给电机的所有相通电；

    (2)测量所有相的电压和电流；

    (3)获取****电流相(励磁相)；

    (4)计算该相的磁链值；

    (5)根据电流和磁链值查励磁特性表，估计转子位置；

    (6)再转到步骤(2)。

2基于FPGA的位置检测控制器

    FPGA芯片作为数字控制器用于实现无传感器位置检测时，其输入、输出信号如图4所示。由电流和电压传感器检测到的三相绕组电压、电流值信号需经过八选一的多路选择开关，开关的输出连接到八位A／D转换器，从而将模拟信号转变成数字信号传送给数字控制器。图5所示为数字控制器内部的结构框图。