軸向磁通開關(guān)磁阻電機的電流斬波控制研究

臧平宇，張廣明，梅 磊

(南京工業(yè)大學，江蘇南京211816)

軸向磁通開關(guān)磁阻電機的電流斬波控制研究

臧平宇，張廣明，梅 磊

(南京工業(yè)大學，江蘇南京211816)

以軸向磁通開關(guān)磁阻電機為對象，介紹了軸向磁通開關(guān)磁阻電機控制技術(shù)，包括軸向磁通開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的基本原理和軸向磁通開關(guān)磁阻電機的三種基本控制方法，即電壓斬波控制、電流斬波控制和角度位置控制，并在軸向磁通開關(guān)磁阻電機上應(yīng)用電流斬波控制方法進行研究。

開關(guān)磁阻電機；調(diào)速系統(tǒng)；控制方法；角度位置控制

軸向磁通開關(guān)磁阻電機以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、容錯能力強以及高速運行能力[1]得到越來越多的關(guān)注和認可，其突出的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子定子由硅鋼片迭壓而成，堅固、機械強度高，對溫度很不敏感，所以開關(guān)磁阻電機能夠在高溫、高速的惡劣環(huán)境下運行[2]。開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子上沒有繞組，且定子只有幾個集中繞組，結(jié)構(gòu)簡單堅固，在制造和使用過程中不會出現(xiàn)鑄造不良和斷條等問題。目前軸向磁通開關(guān)磁阻電機的發(fā)展在汽車、航空航天領(lǐng)域等起到越來越重要的作用。本文介紹了軸向磁通開關(guān)磁阻電機控制技術(shù)，包括軸向磁通開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的基本原理和軸向磁通開關(guān)磁阻電機的三種基本控制方法。

1 軸向磁通開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)

軸向磁通開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)主要包括軸向磁通開關(guān)磁阻電機、功率變換器、驅(qū)動控制器、檢測單元，如圖1所示。

圖1 電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 軸向磁通開關(guān)磁阻電機

圖1中SRM為軸向磁通開關(guān)磁阻電機，繼承了開關(guān)磁阻電機的雙凸極結(jié)構(gòu)，不同的是軸向磁通開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子位于定子上方，形成軸向結(jié)構(gòu)，在整個SRM調(diào)速系統(tǒng)中起到實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的作用部件。四相6/4極軸向磁通開關(guān)磁阻電機如圖2，電機由簡單繞組的定子和無繞組的轉(zhuǎn)子組成，并被設(shè)計成雙凸極的結(jié)構(gòu)形式，主要是為了增加出力。轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成，既無繞組也無永磁體；定子各極上有集中繞組，徑向相對極的繞組串聯(lián)，構(gòu)成一相，其工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，從而迫使磁路上的導(dǎo)磁體運動到使磁阻最小的位置[3]。

圖2 四相6/4極軸向磁通開關(guān)磁阻電機

1.2 功率變換器

軸向磁通開關(guān)磁阻電機所需能量由功率變換器提供，由直流電供電，分為蓄電池供電或交流電通過整流后供電。當采用交流電源供電時，需要對交流電整流，功率電路包括整流電路和逆變電路；當采用直流電源供電時，功率電路則僅包括逆變電路[4]。由于軸向磁通開關(guān)磁阻電機繞組電流的方向是單一的，如此功率變換器電路結(jié)構(gòu)也很簡單，其結(jié)構(gòu)形式和電機的相數(shù)與繞組有關(guān)，并且開關(guān)器件的好壞也會影響到開關(guān)磁阻控制系統(tǒng)的性能。功率變換器除了向電機傳輸電能以外，還起到開關(guān)作用和向繞組回饋電能的作用。

1.3 驅(qū)動控制器

驅(qū)動控制器是軸向磁通開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的核心，在系統(tǒng)中負責綜合處理位置檢測器、電流檢測器提供的電機轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反饋信號及外部輸入命令，實現(xiàn)對軸向磁通(SR)電機運行狀態(tài)的控制，是軸向磁通開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)(SRD)的指揮中樞。然后對功率變換器發(fā)出控制信號，實現(xiàn)功率變換器對軸向磁通開關(guān)磁阻電動機的驅(qū)動，是SRD的指揮中樞，驅(qū)動控制器性能的好壞將決定電機運行的性能[5]。驅(qū)動控制器一般由單片機或DSP芯片以及外圍接口電路組成，其必須實現(xiàn)的功能有：電流斬波控制(即CCC控制，又叫電流PWM控制)；角度位置控制(即APC控制，又叫單脈沖控制)；起動、制動、停車及四象限運行；速度調(diào)節(jié)。

1.4 檢測單元

檢測單元由位置檢測和電流檢測兩部分組成。為了使電機正常工作，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到適當開通角的位置時應(yīng)該導(dǎo)通對應(yīng)的相繞組，同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到關(guān)斷角位置時應(yīng)該關(guān)斷其相繞組。位置檢測單元就是對通斷角位置信息檢測，從而確定各相繞組的開通角和關(guān)斷角，在轉(zhuǎn)動過程中控制相繞組的正確切換，如果檢測單元故障，電動機則會紊亂，影響電動機按照要求正確轉(zhuǎn)動。電流檢測單元則提供電流信息用于采取相應(yīng)的保護措施以防止過電流。在電機低速運行時，使用電流斬波控制方式，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)相繞組電流的大小控制轉(zhuǎn)矩；因此準確知道繞組中實際電流的大小，進行電流反饋是非常必要的。在電機高速運行時，使用單脈沖控制方式，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)每相的導(dǎo)通角度來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。此時電流已不再作為控制量，但為防止系統(tǒng)過載或故障過電流保護，準確可靠檢測電流始終是系統(tǒng)所必須的[6]。

2 軸向磁通開關(guān)磁阻電機的控制方法

軸向磁通開關(guān)磁阻電機的控制方法是指控制電機的某些參數(shù)來讓電機運行達到規(guī)定的運行工況。軸向磁通開關(guān)磁阻電機的可控變量有相繞組兩端的電壓、相電流、開通角θon、關(guān)斷角等θoff[7]。根據(jù)調(diào)節(jié)不同的參數(shù)可以獲得不同的控制效果，常用的控制方法有電流斬波控制(即CCC控制，又叫電流PWM控制)、角度位置控制(即APC控制，又叫單脈沖控制)、電壓PWM斬波控制。

2.1 電流斬波控制

電流斬波控制常用于電機起動階段或者電機轉(zhuǎn)速較低時，反電動勢小，值很大，電流上升速度很快[8]，為了防止過大的電流脈沖值超過功率開關(guān)元器件和電機所能承受的最大電流，一般會采用電流斬波控制來限制電流峰值，達到穩(wěn)定工作特性。在CCC控制時，一般固定開通角和關(guān)斷角，通過開關(guān)管多次開通和關(guān)斷達到限流目的。電流斬波控制一般有兩種方案：

(2)限制電流上線和恒定關(guān)斷時間控制，當相電流值超過相電流上線時，關(guān)斷主開關(guān)，使相電流衰減一段時間，再開通主開關(guān)，關(guān)斷時間Δ和電流下降多少由電感量、電感變化率、轉(zhuǎn)速等因素決定，這種方式的相電流的下線隨著關(guān)斷時間而變化，所以關(guān)斷時間的選取非常重要，時間過長會導(dǎo)致相電流脈動過大；關(guān)斷時間過短將導(dǎo)致斬波頻率過高[7]。該方式的優(yōu)點是能控制斬波頻率，克服了前一種方法的缺點。

CCC控制方式的優(yōu)點是適用于電機低速運行時，可以限制電流峰值的增長，對電流起到良好的調(diào)節(jié)效果，使電動機的轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn)。

2.2 角度位置控制

在電機高速運行時，運動電勢使電流的上升速率降低，電流最大值和有效值比低速運行時小很多，此時可以用APC控制主開通角θon，關(guān)斷角θoff，從而改變主開關(guān)的導(dǎo)通時間來控制電機運行，這種方法又稱為高速單脈沖控制，通過改變開通角和關(guān)斷角可以調(diào)整相電流的波形寬度、電流波形的峰值、電流波形的有效值以及電流波形與電感波形的相對位置。由于有兩個變量需要調(diào)節(jié)，使得控制變得復(fù)雜，一般采用固定一個變量，調(diào)節(jié)另一個變量的方法。

角度位置控制的方法可分為三種：(1)固定關(guān)斷角θoff，改變開通角θon，當固定θoff，調(diào)節(jié)θon時，隨著θon的減小，相電流波形加寬，電流波形峰值和有效值增大，改變了電流波形與電感波形的相對位置，從而改變電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；(2)固定開通角θon，改變關(guān)斷角θoff，當固定θon，調(diào)節(jié)θoff時，一般不會改變電流的峰值，隨著θoff的增大，相電流波形加寬，電流有效值增大，并改變電流波形與電感波形的相對位置，對比方法一，方法二對電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的影響稍弱[9]；(3)同時改變開通角θon和關(guān)斷角θoff，這種方法可以更精確控制電機的相電流波形、相電流峰值和有效值以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，但控制難度也相應(yīng)增加，所以常用的控制方法是選擇開通角θon作為主變量粗調(diào)，關(guān)斷角θoff作為從變量微調(diào)，這樣可以更好地控制電機。總之，APC控制一般用于高轉(zhuǎn)速的SRM電機，增大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速提高電機的工作效率。

2.3 電壓PWM斬波控制

電壓PWM斬波控制固定主開關(guān)的通斷角，調(diào)整PWM波的占空比調(diào)節(jié)相繞組的相電壓，從而改變相電流，最終實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。電壓PWM斬波控制的特點是：通過調(diào)節(jié)相繞組電壓的平均值來調(diào)節(jié)和限制相電流的大小，此方法既可以用于低速調(diào)速系統(tǒng)，又可以用于高速調(diào)速系統(tǒng)，簡單易行，但是調(diào)速范圍受到了限制。根據(jù)續(xù)流方式的不同，電壓PWM斬波控制可以分為雙管斬波和單管斬波。PWM雙管斬波方式是在每相繞組的上下橋臂的兩個開關(guān)管同時開通和關(guān)斷。PWM單管斬波方式是每相繞組的兩端只有一個開關(guān)管斬波，另一個一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。

3 軸向磁通開關(guān)磁阻電機的電流斬波控制方法

近年來，開關(guān)磁阻電機發(fā)展迅速，控制方法多種多樣，但是對軸向磁通開關(guān)磁阻電機的研究卻不多見。研究發(fā)現(xiàn)軸向磁通開關(guān)磁阻電機在起動、低速運行和制動時，運用電流斬波控制是最好的方法，不僅可以在低速運行和制動時限制電流峰值，起到保護和調(diào)節(jié)的作用，而且可以達到轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、合成脈動小和抗負載擾動性的動態(tài)響應(yīng)慢的效果。

3.1 控制方法

圖3 電流斬波控制相電流波形

3.2 電流斬波子程序

將軸向磁通開關(guān)磁阻電機低速運行并設(shè)置200和600 r/min作為斬波限值，當通過位置傳感器獲取到轉(zhuǎn)速值后，求得開通角θon與關(guān)斷角θoff以及相應(yīng)的電壓上下限值，就可以對電機的不同運行狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，即進行轉(zhuǎn)換和反饋，然后通過軟件編程設(shè)定電流上下限的參數(shù)。如果實際測量得到的電流值大于給定上限值，功率開關(guān)器件IGBT就會斷開，使得電流值迅速下降。反之，當電流值下降到小于下限值時，IGBT又會重新導(dǎo)通，電流值迅速上升[12]。如此往復(fù)循環(huán)，使得電流值一直保持在電流斬波限值附近，其流程圖如圖4所示。

3.3 電流斬波控制的特點

電流斬波控制方式具有簡單直接、可控性好的特點，避免了角度位置控制方式中的電流不可控問題，電流斬波控制是直接對電流實施控制，與電壓斬波控制方式相比，具有較小的開關(guān)損耗，是一種比較常用的控制方式。但是在這種控制下，電流的斬波頻率不固定，隨著電流誤差的變化而變化，不利于電磁噪聲的消除。

圖4 電流斬波控制程序流程圖

4 結(jié)語

軸向磁通開關(guān)磁阻電機是一種結(jié)合了傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機的新型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、可以在很惡劣的環(huán)境下運行。但是軸向磁通開關(guān)磁阻電機還有很多值得研究的方面，控制還不是很成熟，需要進一步的優(yōu)化和提高。軸向磁通開關(guān)磁阻電機現(xiàn)在得到越來越多的關(guān)注，相信將會有很大的發(fā)展空間，在各行業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用。

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Research on current chopped control on axial flux switched reluctance motor

The control technology of axial flux switched reluctance motor was introduced，including the theory of the speed control system of axial flux switched reluctance motor and three basic control ways of SRM，which is voltage chopped control， current chopped control and angle position control.The current chopped control was applied on axial flux switched reluctance motor.

switched reluctance motor;speed control system;control ways;angle position control

TM 35

A

1002-087 X(2016)04-0889-03

2015-09-16

國家自然科學基金項目(51277092)；江蘇省科技支撐計劃(BE2011188)

臧平宇(1989—)，男，安徽省人，碩士，主要研究方向為機電系統(tǒng)綜合控制技術(shù)。