直線開關磁阻電機發電控制系統設計

周 宣

(中國礦業大學信電學院，江蘇徐州 221008)

0 引言

在全球能源日益短缺、人類呼喚“綠色”浪潮日趨高漲的今天，世界能源專家們為了探尋人類未來的理想新能源，將研究的觸角伸向廣闊的海洋。充分利用海洋潮汐發電，已成為人類理想的新能源之一。

直線開關磁阻電機(Linear Switched Reluctance Motor，LSRM)是由傳統的旋轉開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)演變而來的一種新型直線電機［1-4］。由于其結構簡單、堅固，具有成本低、工作可靠、控制靈活、運行效率高、容錯能力強等特性，在某些特殊領域有一定的應用優越性。SRM是一種典型的機電一體化電機，其控制非常靈活，很容易實現四象限運行。LSRM應用于海洋潮汐發電，與旋轉電機相比省去了旋轉直線運動的裝置，從而提高了整個系統的效率，有著很好的應用前景。本文結合已有的三相6/4結構LSRM，設計了LSRM發電控制系統，用以模擬LSRM在海洋潮汐發電的應用研究。

Intel 196單片機［5］作為電機數字控制芯片，其高速輸入、輸出口在位置信號捕獲和控制各相繞組的開通關斷上有其獨特的優點，本文選用了Intel 80C196KB單片機作為主控芯片，捕獲位置信號和控制各相通斷，選用STC12C5A60S2作為輔助芯片輸出脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)，并控制液晶顯示和鍵盤，兩者通過串口通信協同工作。在此基礎上設計了一種新型的直接位置檢測器進行位置判斷，設計了旋轉直線運動的裝置，用直流電機作為原動機通過轉換裝置拖動LSRM作直線往復運動，并進行了試驗研究，分析了系統的發電運行特性。

1 LSRM結構及工作原理簡介

從結構上看，LSRM與SRM相比，它相當于沿SRM圓周方向，將旋轉的定、轉子展開，通電的部分為LSRM初級，不通電的部分為LSRM次級。根據應用場合不同，可以選擇動初級或動次級結構。由于制造工藝方面的限制，LSRM初級、次級之間的氣隙一般遠比SRM定、轉子間的氣隙大。為降低系統成本，簡化電動機結構，LSRM一般把相繞組固定在初級上，初級有一個電動機單元，次級有數個單元，其中初級齒距小于次級齒距。

LSRM的運行原理［6-10］跟旋轉SRM相似，遵循“磁阻最小原理”，即磁力線具有力圖縮短磁通路徑以減少磁阻增大磁導的本性，從而使電動機初、次級之間產生一種使磁通路徑最短的電磁力，拖著初級到達該磁通對應的磁阻最小的位置。隨著各相的順序導通，直線電機將作連續運動。

LSRM是實現直線運動的機械能和電能之間直接轉換的裝置，無需任何中間轉換或傳動機構。其兼有直線電機和SRM的優點。LSRM的結構簡單堅固，系統造價低，性能優越，具有較大加速度，勻速運行穩定性高。此外，通過對LSRM各相繞組的交替通電組合控制，可以產生反應驅動力和反應制動力;改變這種交－直－交供電系統的整流電壓，可以調節電機運行的速度和驅動力。因此LSRM具有較強的競爭優勢，有著較好的發展前景。該系統選用的電機是三相6/4結構，如圖1所示。其中每相有兩個線圈(兩線圈反向串聯)，次級為整塊式鐵心導軌，其長度大于初級鐵心長度。該電機是短初級長次級、定初級動次級結構，次級沿導軌滑動。

2 控制系統設計

該系統由LSRM、功率變換器、控制器、檢測單元和原動機四部分組成，系統結構如圖2所示。

2.1 功率變換器設計

圖1 LSRM結構示意圖

圖2 LSRD系統構成框圖

功率變換器主電路［11］為三相不對稱半橋型，電路如圖3所示。其中S1～S6為主開關管，采用IGBT管;VD1～VD6為續流二級管，采用快速恢復大功率二級管。以A相為例，當勵磁時，主開關管S1、S2閉合，電池提供能量，勵磁電流Is從電池正級出發，經過主開關管S1，流經相繞組，再經過主開關管S2，回到電池負極;當電流建立以后，主開關管S1、S2斷開，進入發電狀態，繞組中電流IL經過續流二極管VD1、VD2流向負載，為負載提供電能。

圖3 三相不對稱半橋型功率變換器主電路

2.2 新型位置檢測器設計

傳統的直線電機位置檢測器，是在旋轉電機的光電式轉子位置傳感器基礎上進行結構性改變，即將旋轉電機安裝于轉子的圓形齒盤沿圓周展開，成為直線形齒條，并將其放置于電機次級邊，同時將光電傳感器固定在初級上，通過它們間的遮光與透光實現檢測初級位置的目的。但是，傳統的光電傳感器容易發生物理損壞，而且附加在次級上的齒條隨次級長度的增加會使系統復雜性增加。

由圖1可看出，LSRM具有雙凸極的特殊結構，該結構決定了其各相電感值隨初級與次級間相對位置的變化而變化。當初級齒與次級槽相對時，電感值最小;當初級齒與次級齒正對齊時，電感值最大;在兩個位置間電感值連續變化。因此，若在LSRM初級邊安裝檢測器，檢測次級邊齒、槽的位置，得到與各相電感上升、下降的對應關系，并結合在電感上升區給該相繞組通電，產生正向電動牽引力，在電感下降區通電則產生制動牽引力的原則，可決定當前導通相和換相位置，從而控制電機的運行。因此，這種基于凸極結構的換相位置檢測方法只需在初級邊安裝位置檢測器，而在次級邊則無需安裝任何物理器件。

該試驗系統中的位置檢測器采用立方體型電感式金屬直流三線式NPN型接近開關，型號為TL－Q5MC1，電感式接近開關是一種晶體管無觸點行程開關，由振蕩器、開關電路及放大輸出電路組成。振蕩器產生一個交變磁場，當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內產生渦流，從而導致振蕩衰減，以致停振。振蕩器振蕩及停止的變化被后級放大電路處理并轉換成開關信號，準確反映出運動機構的位置和行程，從而達到非接觸式檢測目的。

該試驗樣機采用的是定初級、動次級的運行模式，將位置傳感器安裝在初級側，使其端部檢測面與次級凸極平面的距離保持在檢測器可行的檢測范圍內，如圖4所示。次級的凸極與檢測器相對時，檢測器輸出低電平，將信號“0”傳遞給控制器;反之，將輸出高電平，將信號“1”傳遞給控制器。根據在電感上升區通電產生電動力，下降區通電產生制動力的原則，將檢測器輸出的高低電平采用一定的算法，變換為相應的換相位置參考信號來控制電機運行。

根據樣機的實際情況，將3個位置傳感器裝在初級側，如圖4所示，K1，K2，K3分別對應于A，B，C三相，電機運動時，位置檢測單元獲得3路方波信號，通過電平轉換，輸入單片機的3個高速輸入口及3個I/O口。三路信號組合成6種不同的狀態(100，101，001，011，010，110)，分別代表電機三相繞組的不同參考位置。

圖4 位置傳感器安裝示意圖

位置檢測器接口電路將傳感器輸出信號經過兩級CD40106施密特觸發器整形后，再經過高速隔離光耦6N137進行隔離和電平轉換后連接到信號處理電路，以提高系統的抗干擾性。信號處理電路對信號的處理分兩路:一路送單片機的I/O口判斷導通邏輯，同時另一路送單片機的高速輸入口 HIS.0，HIS.1，HIS.2，用于計算電機速度并作為計算位置的參考。

2.3 控制器設計

該系統控制器選用了Intel 80C196KB和STC12C5A60S2單片機相互配合作為控制核心，前者主要利用其高速輸入、輸出口作為電機位置信號的捕獲和開關信號輸出，后者主要用來產生PWM，以及實現一些控制算法、控制液晶顯示和鍵盤等。系統控制器硬件結構示意圖如圖5所示。

圖5 系統控制器硬件結構示意圖

2.4 發電裝置設計

為了模擬海洋波浪或潮汐發電，設計了旋轉直流電機拖動LSRM發電機組。

旋轉直流電機通過減速箱減速后通過連桿裝置拖動LSRM次級作直線往復運動，從而模擬海洋潮汐發電。

3 軟件設計

LSRM數字控制系統軟件以系統硬件為基礎，通過對電動機位置信息的檢測、判斷，根據系統工況要求控制功率變換器主開關的開通和關斷，實現各種控制策略，使電動機達到要求的運行狀態。主程序主要完成以下功能:80C196KB和STC12C5A60S2單片機及外圍接口芯片初始化，設置控制參數的初始值、查詢運行狀態、信息顯示、等待外部中斷等。

4 試驗結果

試驗采用電壓PWM斬波控制方式控制電機的運行，本文旨在驗證系統的可行性，因此固定占空比，勻速運行拖動LSRM發電。圖6給出了電機發電時的實測波形，其中圖6(a)為A相電流Ia、輸出電壓Uo和輸出電流Io波形，輸出電壓未經電容濾波，負載為阻性。圖6(b)為電機發電時的A相電流Ia'、輸出電壓Uo'和輸出電流Io'波形，輸出電壓經電容濾波，負載為阻性。

圖6 發電實測波形

由圖6的發電波形可以看出，在所設計的控制系統和位置檢測基礎上可以方便地實現電機的發電運行，圖6(b)和6(a)相比，輸出電壓經電容濾波后脈動明顯減小。

試驗結果驗證了本文所介紹的LSRM控制系統和所采用的新型位置傳感器的有效性和可行性，方便地實現了電機的發電運行。

5 結語

論文通過分析LSRM的結構和運行原理，針對傳統的光電傳感器所存在的問題，提出了一種新型的位置檢測技術，提高了檢測單元的可靠性。發電機組采用旋轉直流電機作為原動機通過連桿裝置拖動LSRM次級作直線往復運動。設計了基于單片機的LSRM控制系統，充分利用96單片機和STC單片機的優點，兩者協同工作，提高了系統的控制性能。試驗結果表明，所設計的發電機組和控制系統能夠實現LSRM的發電運行控制，通過調節旋轉電機的轉速可以方便地模擬海洋潮汐發電。

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