小功率開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉志忠，李 斌,趙遠(yuǎn)征，孫會(huì)琴

(河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

小功率開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉志忠，李 斌,趙遠(yuǎn)征，孫會(huì)琴

(河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)的原理以及本次實(shí)驗(yàn)所用到的三相12/8極48 V小功率開關(guān)磁阻電機(jī)，并以ARM單片機(jī)STM32F051為控制核心構(gòu)成了調(diào)速系統(tǒng)，按功率變換器設(shè)計(jì)要求將MOS管并聯(lián)使用，并根據(jù)選用的MOS管介紹它的驅(qū)動(dòng)電路HIP4086，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的各部分檢測(cè)電路、保護(hù)電路，最后通過觀察堵轉(zhuǎn)和額定時(shí)SRM相電流和相電壓波形以及對(duì)波形進(jìn)行觀察、分析，驗(yàn)證了控制器良好的調(diào)速性能。

開關(guān)磁阻電機(jī); 調(diào)速系統(tǒng); STM32F051

開關(guān)磁阻電機(jī)是20世紀(jì)70年代開始研制、80年代中期發(fā)展起來的一種新型交流調(diào)速系統(tǒng)，它將新的電機(jī)結(jié)構(gòu)——開關(guān)型磁阻電機(jī)與電子技術(shù)以及控制技術(shù)融為一體，兼有異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、運(yùn)行可靠性高的調(diào)速電機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)維修簡(jiǎn)便，具有靈活的可控性，易于實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高輸出和高效率[1]。對(duì)此，本文介紹了一種針對(duì)48 V電壓、36 W的SRM的控制系統(tǒng)。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)

SRM電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼疊片組成，采用“雙凸極”結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子極數(shù)不相等。SRM的運(yùn)轉(zhuǎn)遵循磁阻最小原理，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。當(dāng)定子某相繞組通電時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)因?yàn)榇帕€扭曲而產(chǎn)生切向的磁拉力，試圖讓相近的轉(zhuǎn)子極旋轉(zhuǎn)到其中心軸線與該定子極中心軸線重合位置，也就是磁阻最小位置[2]。本設(shè)計(jì)中采用三相12/8極36 W開關(guān)磁阻電機(jī)。SRM運(yùn)行原理同樣遵循電磁感應(yīng)定律、全電流定律、能量守恒定律以及牛頓定律。根據(jù)以上定律，可以得出以下方程并設(shè)計(jì)如圖1所示的樣機(jī)。

1)單相的電壓平衡方程：

(1)

2)忽略磁飽和得轉(zhuǎn)矩方程：

(2)

由式(2)知：

2)相繞組電流越大輸出轉(zhuǎn)矩越大，運(yùn)動(dòng)電勢(shì)越大；

3)轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無關(guān)，只要在電感曲線的上升段通入繞組電流就會(huì)產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩，在電感曲線的下降段通入繞組電流會(huì)產(chǎn)生反向電磁轉(zhuǎn)矩[3]。

圖1 設(shè)計(jì)樣機(jī)Fig.1 Design of the prototype

2 SRD調(diào)速系統(tǒng)

圖2所示為SRD調(diào)速系統(tǒng)，包括開關(guān)磁阻電機(jī)本體、功率變換器、傳感器、控制器等部分[4]。

圖2 SRD調(diào)速系統(tǒng)框圖Fig.2 SRD speed control system block diagram

2.1功率變換電路及其驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于市場(chǎng)上的小型電動(dòng)車，考慮到成本和安全性，一般選取較低的供電電壓(一般為60 V和48 V)，而對(duì)于電池供電的調(diào)速系統(tǒng)，提高效率是至關(guān)重要的。其次，降低功率變換器的成本，提高系統(tǒng)可靠性，對(duì)于增強(qiáng)SRD的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也是十分重要的。在本次設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)工作在低壓大電流狀態(tài)下，必須選擇大容量型號(hào)的MOSFET?？墒谴笕萘康腗OSFET價(jià)格往往十分昂貴，這就增加了成本。因此，各相選用2個(gè)小容量且價(jià)格低廉的MOS管并聯(lián)運(yùn)行，來代替一個(gè)大容量?jī)r(jià)格較高的MOSFET管運(yùn)行，并且當(dāng)某一個(gè)功率管出現(xiàn)問題時(shí)，不影響其他功率管的工作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。圖3所示為A相橋臂功率轉(zhuǎn)換電路。利用2個(gè)小容量MOS管并聯(lián)來替代單只大容量功率管的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)三相繞組供電的目的[5]。

本文以A相為例，功率橋橋臂上有上下兩組MOS管，每組分別并聯(lián)了6個(gè)MOS管，每相橋臂分設(shè)上、下兩組開關(guān)管。MOS管在長(zhǎng)時(shí)間大電流工作環(huán)境下，其發(fā)熱量較大，容易對(duì)電路造成影響。在設(shè)計(jì)中，MOS管安裝在導(dǎo)熱鋁排的兩側(cè)，可以對(duì)MOS管進(jìn)行散熱。其他兩相橋臂硬件電路設(shè)計(jì)同A相相同，A,B,C三相逐次導(dǎo)通。

圖3 A相橋臂功率轉(zhuǎn)換電路Fig.3 A power conversion circuit phase bridge arm

MOSFET管采用型號(hào)為P75NF75，其耐壓值為75 V。P75NF75管門極電壓為15 V，而單片機(jī)STM051輸出的高電平為3.3 V，無法直接驅(qū)動(dòng)MOS管，必須通過驅(qū)動(dòng)電路將單片機(jī)的導(dǎo)通電壓信號(hào)抬高到15 V，MOS管才能導(dǎo)通。本次設(shè)計(jì)選用HIP4086驅(qū)動(dòng)電路，HIP4086是三相橋式N通道MOS管驅(qū)動(dòng)集成電路，特別針對(duì)于脈寬調(diào)制電動(dòng)機(jī)控制，如圖4所示。

圖4 HIP4086驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 HIP4086 drive circuit

xHB(A,B,C)16,1,13每個(gè)引腳需要1個(gè)外部自舉二極管和1個(gè)電容，自舉二極管的負(fù)極和自舉電容的正極與每個(gè)xHB引腳相連。xHO(A,B,C)和xLO(A,B,C)分別為高邊和低邊輸出，與MOS管的柵極相連。xHI(A,B,C)為高端邏輯電平輸入。這3個(gè)腳上的邏輯電平分別控制高端輸出驅(qū)動(dòng)器xHO(A,B,C)，當(dāng)xHI為低電平時(shí)，xHO為高電平。當(dāng)xHI為高電平時(shí)，xHO為低電平。xHI能被0 V到15 V的信號(hào)電平驅(qū)動(dòng)。xLI(A,B,C)為低端邏輯電平輸入，分別控制3個(gè)低端的輸出驅(qū)動(dòng)器xLO (A,B,C)，如果高端輸入接地，則低端輸入控制xLO和xHO驅(qū)動(dòng)器。腳7 RDEL為死區(qū)時(shí)間設(shè)定，該腳上的電阻與Vcc相連來設(shè)置決定驅(qū)動(dòng)器間死區(qū)時(shí)間的定時(shí)電路，因?yàn)樗械尿?qū)動(dòng)器關(guān)閉都沒有可調(diào)延遲，因此RDEL的電阻保證驅(qū)動(dòng)電路的延遲導(dǎo)通不會(huì)被擊穿。例如：當(dāng)A相的中心軸線與該定子極中心軸線位置重合，也就是磁阻最小位置時(shí)，給B相通電，BLO輸出為低，BHO為高，二極管導(dǎo)通，自舉電容CF2充電，BH上面的左邊3個(gè)MOS管導(dǎo)通，3個(gè)MOS管柵極電壓近似為15 V，+DC加在繞組上面，導(dǎo)通，然后以B-C-A-B的順序?qū)ㄉ想姟D5所示為15 V的電壓信號(hào)用來驅(qū)動(dòng)MOS管。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路輸出的信號(hào)Fig.5 Driving circuit of output signals

B相導(dǎo)通上電時(shí)，B相上橋臂左邊3個(gè)MOS管導(dǎo)通，B相下橋臂右邊3個(gè)MOS管導(dǎo)通，其他MOS管做限流作用，以后會(huì)改進(jìn)為二極管。

2.2位置傳感器

位置傳感器用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)位置，以反饋至邏輯控制電路，位置檢測(cè)的目的是要用位置傳感器測(cè)定來確定對(duì)相繞組的開通或關(guān)斷。同時(shí)還可以根據(jù)位置檢測(cè)器反饋回來的信息進(jìn)行速度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)速度控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速信息[6]。

傳感器安裝在定子上，遮光盤固定在轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)遮光盤一起旋轉(zhuǎn)，遮光盤進(jìn)入監(jiān)測(cè)點(diǎn)后傳感器被遮住，光敏元件截止，輸出信號(hào)發(fā)生變化，并且增加了如圖6所示的2個(gè)SN74HC14D反相觸發(fā)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的方波。圖7是不同角度位置對(duì)應(yīng)的光電脈沖信號(hào)。S1，S2，S3分別表示光電管1，2，3的輸出波形[7]。

圖6 SN74HC14DFig.6 SN74HC14D

圖7 光電編碼信號(hào)Fig.7 Photoelectric coded signal

2.3電流檢測(cè)

如圖8所示，在每一相功率變換器的MOS管源極和地之間連接康銅絲，其電阻小，當(dāng)流過電流時(shí)，兩端電壓信號(hào)輸入到-DC經(jīng)過LM358D運(yùn)算放大器之后進(jìn)入轉(zhuǎn)換器A/D，發(fā)送到單片機(jī)。

2.4欠壓保護(hù)

為了保護(hù)電池，本次設(shè)計(jì)的欠壓保護(hù)如圖9所示，從降低成本出發(fā)，采用分壓電路進(jìn)行電源電壓采集Ud，大概數(shù)值是2 V，利用單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并與程序設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)測(cè)電壓值低于設(shè)定值時(shí)停止工作，改變RV1值時(shí)可以對(duì)欠壓值進(jìn)行調(diào)整。

圖8 電流檢測(cè)電路Fig.8 Low-sensing circuit

圖9 欠壓保護(hù)電路Fig.9 Low-voltage protection circuit

2.5過流保護(hù)

過流保護(hù)電路如圖10所示。

圖10 過流保護(hù)電路圖Fig.10 Over-current protection circuit diagram

3 控制器芯片的選擇

控制器的芯片采用STM32F051單片機(jī)，STM32F051系列采用高性能的ARM32位RISC 內(nèi)核,工作于48 MHz頻率，高速的嵌入式閃存，并廣泛集成增強(qiáng)型外設(shè)和I/O 口。在設(shè)計(jì)中，STM32F051單片機(jī)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息、電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和繞組電流不斷檢測(cè)，通過PWM斬波控制功率變換器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)并兼有過壓、欠壓、堵轉(zhuǎn)、過溫等保護(hù)功能。當(dāng)控制器的直流母線過流或供電電池欠壓時(shí)，相應(yīng)的檢測(cè)電路產(chǎn)生中斷信號(hào)，在單片機(jī)接到中斷信號(hào)后，其立即進(jìn)入中斷處理程序，對(duì)電機(jī)的控制器的電子元件和供電電池進(jìn)行保護(hù)。針對(duì)當(dāng)兩組MOS管同時(shí)開通或關(guān)斷時(shí)，有可能在兩組MOS管上同時(shí)出現(xiàn)尖峰電壓，擊穿MOS管的問題，在程序編寫中對(duì)PWM輸出進(jìn)行了調(diào)理，通過對(duì)單片機(jī)定時(shí)器設(shè)定死區(qū)時(shí)間，將上、下橋臂兩組MOS管的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間錯(cuò)開、延長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MOS管的保護(hù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)所用STM32F051,采用C語言進(jìn)行編程。主要包括：電機(jī)初始化程序、主程序、位置檢測(cè)判斷程序、各種中斷子程序等。在SR電機(jī)低速和起動(dòng)時(shí)，采用定角度電流斬波(CCC)結(jié)合電壓PWM控制的方式;在SR電機(jī)高速時(shí)，采用變角度(APC)電壓PWM控制方式，通過軟件改變開關(guān)管的開通角和關(guān)斷角進(jìn)行調(diào)節(jié)[9]。速度反饋可以通過轉(zhuǎn)子位置信號(hào)計(jì)算得到，與期望的速度比較后得到的差值作為速度PI調(diào)節(jié)器的輸入，而速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)則與電流的反饋信號(hào)做比較，形成電流偏差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)環(huán)的調(diào)節(jié)后用以控制PWM的占空比[10]。主程序流程圖如圖11所示。

圖11 主程序流程圖Fig.11 Master flowchart

5 實(shí)驗(yàn)分析

本次實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用3相12/8極，功率為36 W，電壓為48 V，額定轉(zhuǎn)速3 500 r/min的開關(guān)磁阻電機(jī)。通過以上分析搭建了硬件實(shí)物電路，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)用控制器Fig.12 Experiment with the controller

由于不堵轉(zhuǎn)時(shí)電流波動(dòng)沒有太大的變化，所以在低速時(shí)堵轉(zhuǎn)測(cè)量一下電流值，用示波器測(cè)量電機(jī)在堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)的相電壓，相電流波形如圖13所示。

圖13 n=100 r/min，A相堵轉(zhuǎn)電壓波形圖Fig.13 n=100 r/min， A phase locked-rotor voltage waveform in figure

相電壓在示波器上大概為2 V，加在繞組上的電壓大概為Ud=24×2 V=48 V,用示波器測(cè)量值也為48 V，符合要求，電流值為Id=1.54 V+I×50 mΩ，由于堵住，在換相時(shí)電流值有波動(dòng)，如圖14所示。

圖14 n=100 r/min，A相堵轉(zhuǎn)電流波形圖Fig.14 n=100 r/min，A phase locked-rotor current waveform in figure

電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速3 500 r/min時(shí)，電機(jī)相電流和電壓波形如圖15、圖16所示。

圖15 n=3 500 r/min，A相空載電流波形圖Fig.15 n=3 500 r/min，A no-load current waveform graph

圖16 n=3 500 r/min, A相空載電壓波形圖Fig.16 n=3 500 r/min, A no-load voltage waveform in figure

電機(jī)相電壓也為2 V,所以加在繞組的電壓為48 V，電流值的計(jì)算同上。

6 結(jié) 語

筆者設(shè)計(jì)的36 W小功率三相SR電機(jī)控制系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)電路采用市場(chǎng)上所售的HIP4086驅(qū)動(dòng)模塊，功率變換電路采用并聯(lián)模式，增加了功率變換器的容量，對(duì)MOS管采用一定的過流、過壓保護(hù)措施，控制核心芯片采用ARM系列的STM32F051，SRD可以高效率運(yùn)行，總之，通過實(shí)驗(yàn)基本驗(yàn)證了控制系統(tǒng)在SR高、低速的運(yùn)行情況，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

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Design of the drive system of low-power SRM

LIU Zhizhong， LI Bin， ZHAO Yuanzheng， SUN Huiqin

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

The paper introduces principle of SRM and the SRM of three-phase 12/8 poles and 48 V. The speed regulation system based on ARM microcontroller STM32F051 is provided, in which the MOS tubes are in parallel according to design requirements of power converter. HIP4086 is used as the drive circuit. The detection circuit and the protection circuit of the speed regulation system are presented. The waveforms of phase current and phase voltage of locked or rated SRM are analyzed, which proves the good speed regulating performance of the controller.

switched reluctance motor (SRM); speed regulating system; STM32F051

1008-1534(2014)02-0137-06

2013-06-06;

2013-10-09

劉志忠(1989-)，男，河北秦皇島人，碩士研究生，主要從事電機(jī)與電器方面的研究。

E-mail：755246153@qq.com

TM352

A

10.7535/hbgykj.2014yx0202

責(zé)任編輯：李 穆

劉志忠，李 斌,趙遠(yuǎn)征，等.小功率開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技，2014，31(2)：137-142.

LIU Zhizhong， LI Bin， ZHAO Yuanzheng， et al.Design of the drive systemof low-power SRM[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(2):137-142.