付玉紅，韋忠朝

（華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430074）

開關(guān)磁阻電機（SRM）結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率，使得其在家用電器、電動車驅(qū)動等領(lǐng)域得到廣泛應用［1］.筆者設(shè)計開發(fā)一套500W三相（6／4極）結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機.根據(jù)SRM的工作原理和電動機運行時能量傳遞分析，設(shè)計了合理的驅(qū)動控制系統(tǒng).將這套開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)裝置應用在料理機中，經(jīng)過實驗研究，證明了該套開關(guān)磁阻電機在小功率，寬調(diào)速范圍內(nèi)的可行性和可靠性.

1 開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)介紹

開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電機、功率變換器、控制器和檢測器組成（圖1）.

圖1 開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

開關(guān)磁阻電機選用三相（6／4極）結(jié)構(gòu).它遵循磁通總是沿著磁導最大的路徑閉合的“磁導最大原理”，產(chǎn)生磁拉力形成磁阻性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動.它在結(jié)構(gòu)上的構(gòu)成原則是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，磁路的磁導要有盡可能大的變化［2］.因此，開關(guān)磁阻電動機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)磁阻電機運行時所需能量的供給者，是連接電源和電動機繞組的開關(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—不對稱半橋型電路.

位置變換器采用的是光電式，用三個光電開關(guān)檢測轉(zhuǎn)子位置，并由此信號計算電機轉(zhuǎn)速.控制芯片采用單片機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及外部輸入的命令，然后通過分析處理，決定控制決策，向功率變換器發(fā)出驅(qū)動信號，控制開關(guān)管導通和電機運行［4］.

2 開關(guān)磁阻電機的控制策略分析

2.1 開關(guān)磁阻電機運行機分析

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

對某一相分析，在繞組通電期間，相應的電路方程為

定義繞組電感為L，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并進行微分變換，得

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

由以上分析可得：可以通過控制開關(guān)管的導通，僅在電感上升區(qū)給對應相繞組通電，使電機獲得最大的機械能輸出.結(jié)合三相繞組的電感變化曲線，再根據(jù)實際光電開關(guān)的安裝位置，可以得到6個開關(guān)碼所對應的繞組的導通情況，以此來控制各相繞組開關(guān)管的導通順序.

2.2 系統(tǒng)具體軟件控制算法分析

開關(guān)磁阻電機有4個可控參數(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)導通時間可以改變對電流大小和波形的控制，從而有效地調(diào)節(jié)電動機的轉(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)導通時間，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H1剛好發(fā)生由高到低的跳變.三個光電開關(guān)分別相差15°，所以確定了H1的位置，另外兩個光電開關(guān)位置也就固定了，結(jié)合三相繞組電感的變化曲線，6個開關(guān)碼所對應繞組導通相也就確定了.依次對定子A→AB→B→BC→C→CA→A相繞組通電，電機逆時針方向運行，規(guī)定為正向運行.依次對定子C→BC→B→AB→A→CA→C繞組通電，電機順時針方向運行，規(guī)定為反向運行［6］.導通示意圖由圖4所示.

圖4 各相繞組導通示意圖

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

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

2.2.1 開關(guān)磁阻電機起動運行程序分析 為了保證開關(guān)磁阻電機的可靠運行，一般在低速（包括起動）時，采用電流斬波控制，確保磁鏈和電流不超過允許值.但在本系統(tǒng)中，實際測得電流為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，而采用步進程序控制，這樣降低了程序的復雜性.位置信號用于電流的給定判斷，同時用于負載的大小判斷，而電流控制方式為標量方式，電流閉環(huán)為滯環(huán)控制.

根據(jù)光電開關(guān)反饋回來的轉(zhuǎn)子位置，確定了起始導通相，然后進入步進程序，不再根據(jù)光電開關(guān)反饋信號改變導通相，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進行換相.反向式按照反向繞組通電順序C→BC→B→AB→A→CA→C進行換相.在轉(zhuǎn)速達到200r后結(jié)束步進程序，進入正常運行程序.

2.2.2 開關(guān)磁阻電機低速（200～2 600 r／min）運行程序分析 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.通過對直流電源電壓U 的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對開關(guān)磁阻電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié).根據(jù)相鄰兩個光電開關(guān)反饋信號的間隔時間來求得電機實際轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速給定信號比較來確定實際輸出PWM波占空比.系統(tǒng)閉環(huán)采用查表法，繞組為導通方式為單、雙拍六拍導通方式.

2.2.3 開關(guān)磁阻電機高速（2 600 r／min以上）運行

實驗測得在2 600r／min轉(zhuǎn)速下時采用六拍導通可以獲得良好的轉(zhuǎn)速特性，在2 600r／min以上采用六拍導通控制，會出現(xiàn)負轉(zhuǎn)矩.六拍導通情況下，每個導通周期中每相繞組導通45°的機械角度，在轉(zhuǎn)速比較高之后，電流下降比較慢，導致在對應相電感已經(jīng)處于下降區(qū)時該相仍有電流，此時會出現(xiàn)負轉(zhuǎn)矩，影響高速性能.

根據(jù)圖4所示繞組導通圖，可看出每相繞組在每個導通周期中導通45°機械角度.為了避免高速時出現(xiàn)負轉(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導通周期中導通30°機械角度，繞組正向旋轉(zhuǎn)時按A→B→C通電順序給繞組通電，反向旋轉(zhuǎn)時按C→B→A通電順序給繞組通電.實驗證明系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速可達到11 000r／min.

2.2.4 開關(guān)磁阻電機制動運行 由開關(guān)磁阻電機運行機理分析可知，若每相繞組的電流主要在電感下降區(qū)存在，將產(chǎn)生負的磁阻轉(zhuǎn)矩，即制動轉(zhuǎn)矩.它與軸的負載轉(zhuǎn)矩方向相反，可以達到限制或降速的目的.在電源供電時，則電源輸入的電能和外界輸入的機械能均轉(zhuǎn)換成磁場儲能；在續(xù)流時，則磁場儲能轉(zhuǎn)換為電能通過外接制動電阻消耗掉，電機運行在制動狀態(tài).

系統(tǒng)在有任何錯誤產(chǎn)生的時候都會產(chǎn)生制動信號，程序在檢測到制動信號后啟動制動程序，在電感下降區(qū)給對應相繞組通電，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，此時由于電源輸入的電能和外界輸入的機械能均轉(zhuǎn)換成磁場儲能，當電壓升高，程序檢測到母線電壓升高30V后，接通制動電阻將磁場儲能消耗掉，降低轉(zhuǎn)速.實驗證明，電機可以在2.5s內(nèi)迅速停機，滿足項目要求.

3 控制系統(tǒng)應用在料理機中進行實驗研究的實驗波形及分析

電機是料理機的心臟，因此，料理機對電機的要求很高，一般要求電機具有運行平穩(wěn)、很寬的調(diào)速范圍、操作簡單、噪聲低等特點.而開關(guān)磁阻電機的優(yōu)點使得其在料理機中得到越來越多的應用.本文將控制系統(tǒng)應用于料理機中并進行了實驗研究.

實驗記錄了步進狀態(tài)、2 000r／min、5 000r／min、10 000r／min轉(zhuǎn)速下電機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）起動階段相電壓、相電流波形.

從以上步進狀態(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比可知：電機起動過程中電流上升很快，容易過流對電機造成沖擊，而高速段經(jīng)過PWM斬波后電機電流波形上升變緩，對電機沖擊小.實驗過程中，電機正常運轉(zhuǎn)后，電機運行平穩(wěn)，噪聲較小.

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄

從表1數(shù)據(jù)可知，電機可以實現(xiàn)200～11 000 r／min的平穩(wěn)運行，可以承載500W以下的負荷，實現(xiàn)了預期的目標.

4 結(jié)論

如何在給定的運行條件及功率等級下，通過優(yōu)化設(shè)計和優(yōu)化控制來提高電機的有效輸出功率和效率一直是開關(guān)磁阻電機研究的重點.本文通過開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)速分段閉環(huán)控制和改變導通角度控制，實現(xiàn)了開關(guān)磁阻電機的寬范圍調(diào)速.通過實驗，這套控制系統(tǒng)裝置較好地應用在料理機上，從而驗證了開關(guān)磁阻電機控制簡單、效率高、調(diào)速性能良好等特點，也證明了該寬調(diào)速范圍控制系統(tǒng)設(shè)計合理性，以及在小功率、寬調(diào)速條件下的適用性.

［1］唐任遠.特種電機原理及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［2］吳紅星.開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)理論與控制技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［3］王曉明.電動機的單片機控制［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［4］張 強，吳紅星，謝宗武.基于單片機的電動機控制技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［5］紀良文.開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)及其新型控制策略研究［D］.浙江：浙江大學圖書館，2002.

［6］Michael.Switched reluctance motor control－basic operation and example using the TMS320F240［R］.American：Texas Instruments Application Report，2000.