同步磁阻电机无位置传感器控制的自起动方法

福州大学电气工程与自动化学院的研究人员林卫鹏、汤宁平、章金晶，在2018年第2期《电气技术》杂志上撰文，为了解决在基于滑模观测器的无位置传感器控制下，同步磁阻电机无法实现自起动及低速运行的问题，本文对I-f流频法自起动控制进行了研究。

通过利用电机的“转矩-功角自平衡”特性，实现了电机的单电流环闭环起动以及由流频法控制向基于滑模观测器的无位置传感器控制的平稳切换。同时分析了电流下降率对切换过程的影响，通过采用变斜率的方法，保证了切换过程的平稳性和快速性。仿真结果表明了该方法对于解决上述存在的问题是有效可行的。

同步磁阻电机相比于其它电机具有成本低、无铜耗、效率高、转矩脉动小且不存在高温失磁及弱磁扩速难等一系列优点，是一种十分高效的电机。

对于高性能的电机调速系统而言，通常需要在转子同轴上安装机械式传感器以用于检测转子位置角及转速信息，从而实现转速、电流双闭环控制，但是这也给控制系统带来了一系列的弊端[1]。诸如其增加了硬件系统的成本和复杂性；检测信号也易受外界环境干扰从而降低了系统的可靠性；同时在恶劣环境下，硬件容易受损，进一步增加了系统的维护成本和不稳定性。

为此，近年来，无位置传感器控制的研究成为了一个热点。许多学者提出了诸如基于电机凸极效应、反电动势、状态观测器、滑模观测器以及卡尔曼滤波器等一些估算方法[2]。但是由于电机在起动及低速运行下，信噪比较低，从而使得上述方法并不能很好地适用于电机自起动及低速运行中。

因此，文献[3-5]提出了升压升频起动方法，但该方法使电机运行于速度、电流均开环的状态下，故电流是不可控的，容易产生过流问题。文献[6-7]提出了高频信号注入法，这种方法需要向系统中持续注入一个高频电流,从而容易引起谐波和转矩脉动，同时实现过程较为复杂困难，故动态性能并不理想。

针对上述问题，本文采用了I-f流频法自起动控制策略，该方法在电机起动及低速运行阶段采用单电流环的闭环控制，而在中高速时平稳地切换到基于滑模观测器的无位置传感器控制，从而实现同步磁阻电机在全速范围内的无位置传感器控制。

图2  流频法起动控制系统框图

结论

本文利用电机的“转矩-功角自平衡”特性，通过采用I-f流频法，实现同步磁阻电机无位置传感器控制的自起动；同时在定子电流下降的过程中采取了变斜率的方法，使得流频法控制能够平稳地过渡到基于滑模观测器的无位置传感器控制，从而实现同步磁阻电机在全速范围内的无位置传感器控制。仿真结果可以得到以下结论：

1）采用I-f流频法控制，不仅可以实现同步磁阻电机无位置传感器控制的自起动，同时由于对定子电流进行了闭环控制，因此可有效地防止在起动及切换过程中电流发生过流。

2）在不同的负载下，只需调整适当的给定加速度及定子电流大小，便可实现电机平稳地起动，同时可有效地防止在起动过程中电机发生失步。

3）恒速降流阶段，定子电流采取变斜率的下降方式，可有效地保证切换过程的快速性与平稳性。