開關磁阻電機純硬件控制器的研究

摘 要:本文針對開關磁阻電機純硬件控制器進行研究，為了得到較高的效率，將斬波信號出現位置和電感開始上升區位置之間的關系進行處理從而優化開通角，綜合考慮電機的輸出力矩設計一套開關磁阻電機純硬件控制調速系統并通過實驗驗證。

關鍵詞:開關磁阻電機 純硬件 仿真 控制

中圖分類號:TM6文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0040-01

1 引言

開關磁阻電機(SRM)以其固有優勢吸引了研究者的注意，成為變速調速系統領域研究的熱點。然而控制器的傳統設計方法通常依賴高性能的微處理器，例如DSP，單片機等[1～3]，編寫程序并結合位置傳感器以及電流電壓傳感器確定控制參數，控制器的結構因此顯得比較復雜。同時電機磁鏈特性又是這些智能控制策略在實施過程中必不可少的，對其測量又會增加成本。本文旨在研究一種無微處理器的開關磁阻電機調速系統純硬件控制器，該控制器不需要微處理器和電機磁鏈特性，簡化結構，降低成本，并且保證較高的運行效率，提高容錯能力和增加工作時的可靠性。

2 開關磁阻電機調速系統組成

開關磁阻電機調速系統主要由開關磁阻電機、位置檢測器、功率變換器和控制電路等幾部分組成。其中開關磁阻電機是整個系統的核心，在結構和工作原理上開關磁阻電機與傳統的交、直流電動機區別很大。開關磁阻電機為雙凸極結構，遵循“磁阻最小原理”即磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合產生力矩，與傳統電機依靠定、轉子繞組電流產生磁場間相互作用形成轉矩有所不同。功率變換器為開關磁阻電機調速系統運行時提供所需能量。由于開關磁阻電機是單向繞組電流，因而功率變換器的主電路結構比較簡單。位置檢測器向控制器提供定、轉子相對位置信息，從而為控制器正確決定繞組的導通和關斷時間提供保證。控制器將檢測器提供的電流、電機轉子位置和轉速等信息以及控制指令分析處理，控制開關磁阻電機的運行狀態。

3 導通角優化研究

開關磁阻電機相電流波形，峰值以及峰值出現的位置直接關系著開關磁阻電機調速系統的性能。電流一定時，最大力矩出現在電感最小開始上升區域時力矩與電流比值最大。隨著定轉子的轉動，重合部分慢慢增加，飽和特性使力矩逐漸減小。通過調整電感使得其最小值開始上升區附近的電流值盡可能大從而獲得較大的平均力矩和較高運行效率，并且期望電流在電感最小值開始上升區達到參考電流值，確定開通角位置[4]。一般而言關斷角不會影響電流峰值，只影響電流波形寬度以及電流波形與電感波形之間的相對位置，影響電動機的轉矩和轉速。

4 純硬件控制器的FPGA設計

4.1 頂層模塊

當系統上電復位時，系統處于停止狀態，控制器不工作。當控制端SWIC接收到上跳沿命令時控制器進入起動模式，計數器開始計數，系統開始初始化，6個PS信號下跳沿后控制器切換到常規模式。再次接收到SWIC上跳沿命令時，系統停止。

4.2 斬波信號位置檢測

位置信號周期中第一個斬波信號出現的位置是我們需要檢測的，我們將其定義為，電感開始上升位置也是我們需要的，我們將其定義為。這兩者之間的關系是開通角調整的依據。我們將關斷角固定在20°，將開通角調節范圍設定在-0.7°到3.5°，并且將其劃分成和。當第一個斬波信號出現在第一個區間時我們將計數器置零，說明在之前出現；當斬波信號出現在第二個區間時輸出系統時鐘個數。電機運行速度較高時，反電動勢增大，電流降低因而達不到參考電流，此時無斬波信號，我們將計數器輸出置零，說明在之前出現。

4.3 起動控制模塊

由于電機轉子剛開始時保持靜止所以每當下達起動命令時，第一個位置信號都是不完整的，根據這個計算出的導通信息不能直接用于電機控制。所以，采用位置信號直接輸出的方式起動電機。在起動的一瞬間，由于轉速從零開始，旋轉電動勢也是從零開始的，導致相電流過大，過大的電流可能會使電動機損壞，故采用電流斬波控制方式限制起動時電流的幅值。

5 實驗與分析

對轉速和電流斬波限進行調節，出現電流斬波波形，如圖1所示。

從電流斬波波形圖中可以看出，位置信號周期約占6.5格，每格代表7°，因而第一個斬波信號在3.5°附近，滿足設計要求。

6 結論

本文首先介紹了開關磁阻電機純硬件控制器的結構，接著用Verilog編寫導通角控制算法，然后用Quartus完成功能仿真和編譯，最終下載到FPGA開發箱完成設計。實驗結果滿足設計要求。

參考文獻

[1]陳忠.基于DSP的開關磁阻電機速度控制系統[J].電機技術，2009(4):33-35.

[2]潘劍飛，曹廣忠，王鑫.基于DSP的平面開關磁阻電機位置控制系統研究[J].微電機，2009，42(6):38-42.

[3]夏長亮，修杰，祁溫雅，等.基于新型單片機C8051F020的開關磁阻電機控制系統[J].微電機，2004，37(5):39-41，25.

[4]Mademlis C， Kioskeridis I. Performance Optimization in Switched Reluctance Motor Drives With Online Commutation Angle Control[J]. IEEE Trans Energy Conversion，2003，18(3):448-457.

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