黃向慧,高 鵬,王永旺

(西安科技大學(xué)，西安 710054)

開關(guān)磁阻電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換的實(shí)現(xiàn)

黃向慧,高 鵬,王永旺

(西安科技大學(xué)，西安 710054)

開關(guān)磁阻電機(jī)在抽油機(jī)、龍門刨床等需要正反轉(zhuǎn)切換的場(chǎng)合下，若導(dǎo)通與關(guān)斷相繞組選擇不合適，不僅無(wú)法正常切換，而且有可能因?yàn)殡娏鬟^(guò)大，損壞功率器件。針對(duì)該問(wèn)題，給出了基于DSP控制的開關(guān)磁阻電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換的設(shè)計(jì)方案，分析了正反轉(zhuǎn)中GPIO位置檢測(cè)和CAP捕獲模塊中位置邏輯信號(hào)的不同。通過(guò)光電開關(guān)管傳來(lái)的6路位置信號(hào)，結(jié)合PWM斬波技術(shù)，進(jìn)行相應(yīng)相繞組的通電、斷電操作，不僅能使開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子在任意位置具有自起能力，而且在給出正反轉(zhuǎn)切換指令后，通過(guò)改變PWM 占空比，從而可以調(diào)節(jié)正反轉(zhuǎn)切換的快速性。以一臺(tái)3 kW 12/8開關(guān)磁阻電機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性和可靠性。

開關(guān)磁阻電機(jī);自起;正反轉(zhuǎn);快速切換

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRM)在電力傳動(dòng)方面有著較大的發(fā)展前景，其具有運(yùn)行效率高，容錯(cuò)能力強(qiáng)，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)[1-3]。SRM作為一種新結(jié)構(gòu)的電機(jī)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，能夠頻繁起停及正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的這些特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。在通常的工業(yè)應(yīng)用中,電機(jī)只需工作在正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)狀態(tài)，而不需要電機(jī)在某方向的正常電動(dòng)運(yùn)行向反向電動(dòng)運(yùn)行快速轉(zhuǎn)換。但在有些場(chǎng)合下(如抽油機(jī)，龍門刨床等)，如果讓電機(jī)靠慣性自由停止，然后切換到相應(yīng)狀態(tài)，無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。因此在正反切換過(guò)程中，必須產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不僅要使電機(jī)轉(zhuǎn)子能夠快速地停止，而且需要快速轉(zhuǎn)換到反向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，SRM轉(zhuǎn)子要產(chǎn)生反向力矩，只需改變相繞組通斷順序便可實(shí)現(xiàn)。但在正轉(zhuǎn)向反轉(zhuǎn)切換過(guò)程中，若導(dǎo)通角、關(guān)斷角、相繞組的選取、以及控制策略不合適，不僅無(wú)法正常切換，而且有可能因?yàn)樗查g的大電流損壞電機(jī)和功率器件。然而近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)SRM系統(tǒng)效率、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、故障診斷與無(wú)位置傳感器等方面進(jìn)行了深入研究[3]，但在正反轉(zhuǎn)切換方面，如何有效的切換，相應(yīng)的文獻(xiàn)中提到的較少，基于此現(xiàn)狀，本文給出了相應(yīng)的方案。

本文以一臺(tái)3 kW,12/8 SRM為研究對(duì)象，進(jìn)行了電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換的研究，驗(yàn)證了方法的可行性，三相12/8極SRM 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1所示。

圖1 三相12/8極SRM 結(jié)構(gòu)示意圖

1 SRM正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)基本工作原理

SRM定子、轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)不相等，定子上安裝有繞組，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，是一種雙凸極結(jié)構(gòu)的電機(jī)[4]。轉(zhuǎn)子和定子鐵心都由硅鋼片組成，在轉(zhuǎn)子上安裝有遮光盤，用于遮擋光電開關(guān)管，進(jìn)行位置的檢測(cè)判斷[5]。SRM遵循磁通總沿著磁阻最小(磁導(dǎo)最大)的路徑閉合的工作原理，與傳統(tǒng)的交直流電機(jī)有著根本的區(qū)別,當(dāng)定、轉(zhuǎn)子凸極中心線不重合,即磁阻不是最小時(shí),磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生拉力,產(chǎn)生的磁阻力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置。

在SRM線性化模型的基礎(chǔ)上，可以得到電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式和相繞組電壓平衡方程表達(dá)式以及相繞組電感Lk、相電流ik、隨定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置角θ的變化規(guī)律[6]：

式中：Uk為第k相繞組兩端的電壓，負(fù)號(hào)表示施加反壓；ψk(θ,ik)為第k相繞組的磁鏈，其中ψk(θ,ik)=ik×Lk(ik,θ)。

由式(2)知，控制開通角、關(guān)斷角主要出現(xiàn)在電感上升階段，便可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),控制開通角、關(guān)斷角在電感下降階段，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)控制導(dǎo)通相A，B，C的順序可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，通過(guò)選取合適的開通、關(guān)斷角，可以減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。然而如果按常規(guī)的方法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信息只采用導(dǎo)通相A，B，C的順序或C，B，A的順序，轉(zhuǎn)子起動(dòng)易出現(xiàn)紊亂的現(xiàn)象，無(wú)法滿足正反轉(zhuǎn)起動(dòng)要求,特別是在正反切換過(guò)程中，如果導(dǎo)通角、關(guān)斷角選擇不適，電機(jī)不但無(wú)法切換到相應(yīng)狀態(tài)運(yùn)行，而且可能使得電機(jī)運(yùn)行紊亂，產(chǎn)生過(guò)大的電流，損壞功率器件。因此如何根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行導(dǎo)通相繞組的選取，顯得極其重要。

2 開關(guān)磁阻電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換方案

2.1 位置信號(hào)及通斷相的選取

圖2為正/反向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)與繞組電感對(duì)應(yīng)圖，通過(guò)位置信號(hào)U1，U2，U3傳來(lái)的6種信號(hào)狀態(tài)。在DSP中進(jìn)行了相應(yīng)相繞組通斷的軟件的編寫，驗(yàn)證了方法的可行性，總結(jié)如下：其中表1為正轉(zhuǎn)位置信號(hào)及通相的選取,表2為反轉(zhuǎn)位置信號(hào)及通相的選取。

圖2 正/反向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)與繞組電感對(duì)應(yīng)圖

表1 正轉(zhuǎn)位置信號(hào)及通斷相的選取

表2 反轉(zhuǎn)位置信號(hào)及通斷相的選取

2.2 SRM正反轉(zhuǎn)切換實(shí)施方案

(1)正-反轉(zhuǎn)切換硬件實(shí)施方案

本系統(tǒng)的功率變換器采用三相不對(duì)稱半橋電路,如圖3所示，電動(dòng)采用單管結(jié)合PWM斬波的操作模式，正反切換中的制動(dòng)過(guò)程采用雙管操作模式，不僅有能量的回饋，而且結(jié)合PWM斬波能夠?qū)㈦娏飨拗圃谝欢ǖ姆秶?。單管操作即首先保持VT1,VT2,VT3為開通狀態(tài)，通過(guò)采用PWM斬波的方式控制VT4,VT5,VT6 IGBT的動(dòng)作[2]，進(jìn)而控制A相、B相、C相繞組的開通與關(guān)斷，從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

圖3 三相不對(duì)稱半橋電路

(2)正-反轉(zhuǎn)切換軟件實(shí)施方案

①在位置檢測(cè)中，當(dāng)處理器收到正/反指令后，首先檢測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置信號(hào)，根據(jù)轉(zhuǎn)向標(biāo)志1(正轉(zhuǎn))、-1(反轉(zhuǎn))來(lái)選擇初始導(dǎo)通相[7]，然后根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)依次觸發(fā)各相，反轉(zhuǎn)通電相順序?yàn)锳B→B→BC→C→AC→A，正轉(zhuǎn)通電相順序?yàn)锳→AC→C→BC→B→AB,由于CAP模塊對(duì)信號(hào)的處理要比GPIO模塊更加準(zhǔn)確，在正/反起動(dòng)之后，根據(jù)捕獲中斷決定觸發(fā)相。然而在捕獲中斷中，正/反轉(zhuǎn)的邏輯狀態(tài)是不一樣的，在正轉(zhuǎn)中，從圖2可以看出，當(dāng)U1上升沿到來(lái)時(shí)，此時(shí)的邏輯信號(hào)為101，而在反轉(zhuǎn)中，當(dāng)U1的上升沿到來(lái)時(shí)，此時(shí)的邏輯信號(hào)為110。同樣在下降沿到來(lái)時(shí)，正、反轉(zhuǎn)的邏輯信號(hào)也是不一樣的，這樣就需要在捕獲模塊中根據(jù)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的不同轉(zhuǎn)向信號(hào)，來(lái)給定上升沿、下降沿到來(lái)時(shí)的邏輯信號(hào)。

②在正轉(zhuǎn)-反轉(zhuǎn)相互切換過(guò)程中，如果按照上述通電順序?qū)?huì)出現(xiàn)問(wèn)題：假如現(xiàn)在A相是導(dǎo)通的，在DSP收到正轉(zhuǎn)切換反轉(zhuǎn)指令后，為了產(chǎn)生足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從圖2可以判斷起初應(yīng)將BC相(即產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的電感下降區(qū))開通，之后DSP處理器如果按照反向通電邏輯信號(hào)，將會(huì)依次導(dǎo)通BC→C→AC→A→AB→B，然而實(shí)際的情況是電機(jī)轉(zhuǎn)向不會(huì)突變，因此為了確保產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力矩，應(yīng)觸發(fā)導(dǎo)通相的順序是BC→B→AB→A→AC→C。

③為了避免上述問(wèn)題，在發(fā)出正轉(zhuǎn)切反轉(zhuǎn)指令后，設(shè)置制動(dòng)標(biāo)志0(即要對(duì)導(dǎo)通相進(jìn)行調(diào)整，A(電動(dòng))→BC(制動(dòng))，AC→B，C→AB，BC→A，B→AC，AB→C)。同時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)速(因?yàn)殡姍C(jī)從制動(dòng)到轉(zhuǎn)速過(guò)零及反向運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，有著機(jī)械振動(dòng)等因素[8]),當(dāng)轉(zhuǎn)速小于100 r/min時(shí)(即在較低轉(zhuǎn)速的時(shí)候，不再根據(jù)捕獲中斷的邏輯信號(hào)來(lái)觸發(fā)A，B，C三相的導(dǎo)通與關(guān)斷，而是根據(jù)I/O口檢測(cè)到的光電輸入信號(hào)以及轉(zhuǎn)向標(biāo)志位來(lái)決定觸發(fā)相)，改變SRM旋轉(zhuǎn)方向標(biāo)志位為-1(反轉(zhuǎn))，然后根據(jù)轉(zhuǎn)向標(biāo)志及位置傳感器的信號(hào)確定觸發(fā)相,通過(guò)這樣的操作可以確保正反切換順利進(jìn)行。

④在正反切換中，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向的判斷(這個(gè)可以根據(jù)前后相鄰3次的位置信號(hào)來(lái)判斷電機(jī)是否反向)，只有通過(guò)判斷實(shí)際方向改變了，才可以在反向到一定轉(zhuǎn)速(大約為50～100 r/min)后從I/O模式觸發(fā)導(dǎo)通相跳轉(zhuǎn)到捕獲中斷觸發(fā)導(dǎo)通相，進(jìn)而執(zhí)行角度位置等控制算法。從表1、表2分析可以知道，在電機(jī)轉(zhuǎn)向發(fā)生變化時(shí)相鄰3次的換相邏輯特征中的第1次和第3次是一樣的，例如010→011→010，011→001→011等，然而這在單向運(yùn)行中是不可能發(fā)生的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樣機(jī)為三相12/8極SRM,基本參數(shù)如下，P=3 kW,U=36 V, 控制器采用傅里葉的SUPER_DSP芯片TMS320F28335板子，DSP外接 CPLD芯片，CPLD外擴(kuò)了5路普通的I/O口，可以較方便地進(jìn)行三路位置信號(hào)的檢測(cè)，DSP及CPLD的一體應(yīng)用，不僅簡(jiǎn)化了硬件的設(shè)計(jì)，而且使得系統(tǒng)的性能得到了很大的提升，一些算法可以較方便地實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用EXB841芯片，電流波形通過(guò)示波器測(cè)得，通過(guò)LM331頻壓轉(zhuǎn)換芯片將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓，從而通過(guò)示波器可測(cè)得電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換過(guò)程中的速度響應(yīng)情況。

其中圖4、圖7分別為電機(jī)正向500 r/min，700 r/min時(shí)A相繞組電流波形。圖5、圖8分別為正向500r/min切反向500 r/min時(shí)的制動(dòng)電流波形、正向700 r/min切反向700 r/min時(shí)的制動(dòng)波形，從圖中可以看出，在制動(dòng)時(shí)電流相比電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電流有所上升，但是電流的大小可以通過(guò)PWM斬波控制在一定的范圍內(nèi)。

圖6、圖9為用LM331頻伏轉(zhuǎn)換芯片將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓信號(hào)，通過(guò)示波器測(cè)得的電機(jī)正反切換過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況。在500 r/min，700 r/min正反切換過(guò)程中，通過(guò)圖6、圖9可以看出切換時(shí)間大約為1 s。

圖4 正向500r/min電動(dòng)A相電流波形(截圖)

圖5 正向500r/min切反向制動(dòng)A相電流波形(截圖)

圖6 正向500r/min切反向500r/min轉(zhuǎn)速變化情況(截圖)

圖7 正向700r/min電動(dòng)A相電流波形(截圖)

圖8 正向700r/min切反向制動(dòng)A相電流波形(截圖)

圖9 正向700r/min切反向700r/min轉(zhuǎn)速變化情況(截圖)

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，以及軟件的編寫，驗(yàn)證了SRM可以頻繁的起動(dòng)以及正反轉(zhuǎn)切換運(yùn)行，正反切換制動(dòng)過(guò)程中采用雙管操作模式并結(jié)合PWM斬波的控制方式，避免了切換過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)流現(xiàn)象，并且可以把電流限定在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)通過(guò)適當(dāng)改變PWM的占空比，可以改變正反轉(zhuǎn)切換的快速性。本文驗(yàn)證了方案的可靠性。

[1] 王超.開關(guān)磁阻電機(jī)回饋制動(dòng)的研究[D].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)，2007.

[2] 王宏華.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

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

[4] 溫浩．開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]．杭州：浙江大學(xué)，2012．

[5] 董亮．4kW開關(guān)磁阻電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．北京：北京交通大學(xué)，2009．

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[7] 葉勇．開關(guān)磁阻電機(jī)新型控制及其調(diào)速系統(tǒng)[D]．杭州：浙江大學(xué)，2004．

[8] 蔡際令，金若君．基于DSP控制的開關(guān)磁阻電機(jī)可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2006,40(6)：1019-1026.

Realization of the Switched Reluctance Motor and Reversing Switch

HUANGXiang-hui,GAOPeng,WANGYong-wang

(Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Switched reluctance motor (SRM) in the pumping unit, double housing planer and so on, need for a switching of the occasion, if the conduction phase selection is not appropriate, not only cannot switch to normal, but also because the current is too large , may burn power devices, Aiming at the above problem, the design scheme of the switched reluctance motor based on DSP control is initiated. Analyzes the GPIO in positive& negative position detection and location in the logic of different CAP capture module.6 position signal came though the photoelectric switch，combined with PWM chopper technology for electricity power operation, the corresponding phase winding. Not only made the SRM rotor in any position had the ability，but also gave the positive and negative switching instructions, by changing the PWM duty cycle, which could adjust the speed of the positive and negative switching. A 12/8 SRM 3kW was studied and the validity and reliability of the method are verified by experiments.

SRM; self starting; revolution and counter revolution; quickly switch

2016-08-16

陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)項(xiàng)目(14JK1467)

TM352

A

1004-7018(2017)03-0023-03

黃向慧(1967-)，女，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器。