小功率寬調(diào)速范圍開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付玉紅，韋忠朝

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率，使得其在家用電器、電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］.筆者設(shè)計(jì)開發(fā)一套500W三相（6／4極）結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī).根據(jù)SRM的工作原理和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)能量傳遞分析，設(shè)計(jì)了合理的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng).將這套開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)裝置應(yīng)用在料理機(jī)中，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，證明了該套開關(guān)磁阻電機(jī)在小功率，寬調(diào)速范圍內(nèi)的可行性和可靠性.

1 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹

開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器和檢測(cè)器組成（圖1）.

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

開關(guān)磁阻電機(jī)選用三相（6／4極）結(jié)構(gòu).它遵循磁通總是沿著磁導(dǎo)最大的路徑閉合的“磁導(dǎo)最大原理”，產(chǎn)生磁拉力形成磁阻性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng).它在結(jié)構(gòu)上的構(gòu)成原則是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁路的磁導(dǎo)要有盡可能大的變化［2］.因此，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)一般采用凸極定子和凸極轉(zhuǎn)子形式（圖2）.功率變換器是開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者，是連接電源和電動(dòng)機(jī)繞組的開關(guān)部件.功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)型式與供電電壓、電機(jī)相數(shù)及主開關(guān)器件的種類有關(guān).圖3所示為系統(tǒng)所采用的功率變換器主電路—不對(duì)稱半橋型電路.

位置變換器采用的是光電式，用三個(gè)光電開關(guān)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，并由此信號(hào)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速.控制芯片采用單片機(jī)C8051F360芯片［3］.它綜合位置傳感器、電流傳感器所提供的轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反饋信號(hào)及外部輸入的命令，然后通過(guò)分析處理，決定控制決策，向功率變換器發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制開關(guān)管導(dǎo)通和電機(jī)運(yùn)行［4］.

2 開關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略分析

2.1 開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行機(jī)分析

假定電動(dòng)機(jī)磁路不飽和，認(rèn)為相繞組電感L（θ）的大小與繞組電流無(wú)關(guān)，據(jù)此建立電動(dòng)機(jī)的線性化模型，然后分析開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本電磁關(guān)系.

對(duì)某一相分析，在繞組通電期間，相應(yīng)的電路方程為

定義繞組電感為L(zhǎng)，即有

代入（1）可得

在忽略電阻損耗假設(shè)條件下，將上式兩邊乘以電流i并進(jìn)行微分變換，得

由上式可以看出，當(dāng)相繞組開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從電源輸入的電能ui中，一部分用于增加磁場(chǎng)儲(chǔ)能，一部分轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出當(dāng)繞組開關(guān)S在電感增加區(qū)域內(nèi)關(guān)斷時(shí)，有機(jī)械能輸出，磁場(chǎng)儲(chǔ)能只有一部分返回給電源，另一部分轉(zhuǎn)換成機(jī)械能.若開關(guān)S在電感最大區(qū)關(guān)斷，此時(shí)磁場(chǎng)儲(chǔ)能全部返回電源，沒(méi)有機(jī)械能輸出，若S在電感下降去關(guān)斷，有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能反饋回電源.

由以上分析可得：可以通過(guò)控制開關(guān)管的導(dǎo)通，僅在電感上升區(qū)給對(duì)應(yīng)相繞組通電，使電機(jī)獲得最大的機(jī)械能輸出.結(jié)合三相繞組的電感變化曲線，再根據(jù)實(shí)際光電開關(guān)的安裝位置，可以得到6個(gè)開關(guān)碼所對(duì)應(yīng)的繞組的導(dǎo)通情況，以此來(lái)控制各相繞組開關(guān)管的導(dǎo)通順序.

2.2 系統(tǒng)具體軟件控制算法分析

開關(guān)磁阻電機(jī)有4個(gè)可控參數(shù)：開通角θon、關(guān)斷角θp、相電流幅值Imax和直流電源電壓U.改變主開關(guān)器件的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間可以改變對(duì)電流大小和波形的控制，從而有效地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向.光電開關(guān)的位置決定了主開關(guān)器件的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間，所以要合理安裝光電開關(guān)的位置.系統(tǒng)選擇光電開關(guān)H1位置為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到A相繞組下時(shí)H1剛好發(fā)生由高到低的跳變.三個(gè)光電開關(guān)分別相差15°，所以確定了H1的位置，另外兩個(gè)光電開關(guān)位置也就固定了，結(jié)合三相繞組電感的變化曲線，6個(gè)開關(guān)碼所對(duì)應(yīng)繞組導(dǎo)通相也就確定了.依次對(duì)定子A→AB→B→BC→C→CA→A相繞組通電，電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行，規(guī)定為正向運(yùn)行.依次對(duì)定子C→BC→B→AB→A→CA→C繞組通電，電機(jī)順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行，規(guī)定為反向運(yùn)行［6］.導(dǎo)通示意圖由圖4所示.

圖4 各相繞組導(dǎo)通示意圖

根據(jù)系統(tǒng)性能要求，開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速控制分起動(dòng)階段、低速段、高速段三部分.具體各階段下定轉(zhuǎn)子導(dǎo)通方式和導(dǎo)通角調(diào)節(jié)流程如圖5所示.

圖5 定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通方式與導(dǎo)通角調(diào)節(jié)的流程圖

2.2.1 開關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行程序分析 為了保證開關(guān)磁阻電機(jī)的可靠運(yùn)行，一般在低速（包括起動(dòng)）時(shí)，采用電流斬波控制，確保磁鏈和電流不超過(guò)允許值.但在本系統(tǒng)中，實(shí)際測(cè)得電流為1A左右，而選用的開關(guān)管為16A，所以低速段不采用電流斬波控制，而采用步進(jìn)程序控制，這樣降低了程序的復(fù)雜性.位置信號(hào)用于電流的給定判斷，同時(shí)用于負(fù)載的大小判斷，而電流控制方式為標(biāo)量方式，電流閉環(huán)為滯環(huán)控制.

根據(jù)光電開關(guān)反饋回來(lái)的轉(zhuǎn)子位置，確定了起始導(dǎo)通相，然后進(jìn)入步進(jìn)程序，不再根據(jù)光電開關(guān)反饋信號(hào)改變導(dǎo)通相，而是每隔32ms換一次相，正向旋轉(zhuǎn)式按照正向繞組通電順序A→AB→B→BC→C→CA→A進(jìn)行換相.反向式按照反向繞組通電順序C→BC→B→AB→A→CA→C進(jìn)行換相.在轉(zhuǎn)速達(dá)到200r后結(jié)束步進(jìn)程序，進(jìn)入正常運(yùn)行程序.

2.2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)低速（200～2 600 r／min）運(yùn)行程序分析 低速段和高速段均采用脈寬調(diào)制的斬波控制和閉環(huán)控制.通過(guò)對(duì)直流電源電壓U 的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié).根據(jù)相鄰兩個(gè)光電開關(guān)反饋信號(hào)的間隔時(shí)間來(lái)求得電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)比較來(lái)確定實(shí)際輸出PWM波占空比.系統(tǒng)閉環(huán)采用查表法，繞組為導(dǎo)通方式為單、雙拍六拍導(dǎo)通方式.

2.2.3 開關(guān)磁阻電機(jī)高速（2 600 r／min以上）運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)測(cè)得在2 600r／min轉(zhuǎn)速下時(shí)采用六拍導(dǎo)通可以獲得良好的轉(zhuǎn)速特性，在2 600r／min以上采用六拍導(dǎo)通控制，會(huì)出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩.六拍導(dǎo)通情況下，每個(gè)導(dǎo)通周期中每相繞組導(dǎo)通45°的機(jī)械角度，在轉(zhuǎn)速比較高之后，電流下降比較慢，導(dǎo)致在對(duì)應(yīng)相電感已經(jīng)處于下降區(qū)時(shí)該相仍有電流，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，影響高速性能.

根據(jù)圖4所示繞組導(dǎo)通圖，可看出每相繞組在每個(gè)導(dǎo)通周期中導(dǎo)通45°機(jī)械角度.為了避免高速時(shí)出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，可改變系統(tǒng)程序，使得開關(guān)管提前關(guān)斷15°，如圖4所示尾部的15°區(qū)間，這樣每相繞組在每個(gè)導(dǎo)通周期中導(dǎo)通30°機(jī)械角度，繞組正向旋轉(zhuǎn)時(shí)按A→B→C通電順序給繞組通電，反向旋轉(zhuǎn)時(shí)按C→B→A通電順序給繞組通電.實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到11 000r／min.

2.2.4 開關(guān)磁阻電機(jī)制動(dòng)運(yùn)行 由開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行機(jī)理分析可知，若每相繞組的電流主要在電感下降區(qū)存在，將產(chǎn)生負(fù)的磁阻轉(zhuǎn)矩，即制動(dòng)轉(zhuǎn)矩.它與軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向相反，可以達(dá)到限制或降速的目的.在電源供電時(shí)，則電源輸入的電能和外界輸入的機(jī)械能均轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)儲(chǔ)能；在續(xù)流時(shí)，則磁場(chǎng)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換為電能通過(guò)外接制動(dòng)電阻消耗掉，電機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài).

系統(tǒng)在有任何錯(cuò)誤產(chǎn)生的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)信號(hào)，程序在檢測(cè)到制動(dòng)信號(hào)后啟動(dòng)制動(dòng)程序，在電感下降區(qū)給對(duì)應(yīng)相繞組通電，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)由于電源輸入的電能和外界輸入的機(jī)械能均轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)儲(chǔ)能，當(dāng)電壓升高，程序檢測(cè)到母線電壓升高30V后，接通制動(dòng)電阻將磁場(chǎng)儲(chǔ)能消耗掉，降低轉(zhuǎn)速.實(shí)驗(yàn)證明，電機(jī)可以在2.5s內(nèi)迅速停機(jī)，滿足項(xiàng)目要求.

3 控制系統(tǒng)應(yīng)用在料理機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)波形及分析

電機(jī)是料理機(jī)的心臟，因此，料理機(jī)對(duì)電機(jī)的要求很高，一般要求電機(jī)具有運(yùn)行平穩(wěn)、很寬的調(diào)速范圍、操作簡(jiǎn)單、噪聲低等特點(diǎn).而開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)使得其在料理機(jī)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用.本文將控制系統(tǒng)應(yīng)用于料理機(jī)中并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

實(shí)驗(yàn)記錄了步進(jìn)狀態(tài)、2 000r／min、5 000r／min、10 000r／min轉(zhuǎn)速下電機(jī)U相的電壓、電流波形（圖6），其中紅色線條代表相電壓波形，綠色的為相電流波形.

1）起動(dòng)階段相電壓、相電流波形.

從以上步進(jìn)狀態(tài)下相繞組的電壓電流波形與高轉(zhuǎn)速下的電壓電流波形對(duì)比可知：電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中電流上升很快，容易過(guò)流對(duì)電機(jī)造成沖擊，而高速段經(jīng)過(guò)PWM斬波后電機(jī)電流波形上升變緩，對(duì)電機(jī)沖擊小.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲較小.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

從表1數(shù)據(jù)可知，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)200～11 000 r／min的平穩(wěn)運(yùn)行，可以承載500W以下的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo).

4 結(jié)論

如何在給定的運(yùn)行條件及功率等級(jí)下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制來(lái)提高電機(jī)的有效輸出功率和效率一直是開關(guān)磁阻電機(jī)研究的重點(diǎn).本文通過(guò)開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速分段閉環(huán)控制和改變導(dǎo)通角度控制，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)磁阻電機(jī)的寬范圍調(diào)速.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，這套控制系統(tǒng)裝置較好地應(yīng)用在料理機(jī)上，從而驗(yàn)證了開關(guān)磁阻電機(jī)控制簡(jiǎn)單、效率高、調(diào)速性能良好等特點(diǎn)，也證明了該寬調(diào)速范圍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性，以及在小功率、寬調(diào)速條件下的適用性.

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