小功率寬調速范圍開關磁阻電機控制系統設計

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）

開關磁阻電機（SRM）結構簡單，可靠性高，調速范圍寬，調速性能優異，在整個調速范圍內都具有較高的效率，使得其在家用電器、電動車驅動等領域得到廣泛應用［1］.筆者設計開發一套500W三相（6／4極）結構的開關磁阻電機.根據SRM的工作原理和電動機運行時能量傳遞分析，設計了合理的驅動控制系統.將這套開關磁阻電機控制系統裝置應用在料理機中，經過實驗研究，證明了該套開關磁阻電機在小功率，寬調速范圍內的可行性和可靠性.

1 開關磁阻電機驅動系統介紹

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

圖1 開關磁阻電機驅動系統結構框圖

開關磁阻電機選用三相（6／4極）結構.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”，產生磁拉力形成磁阻性質的轉矩，使轉子轉動.它在結構上的構成原則是轉子旋轉時，磁路的磁導要有盡可能大的變化［2］.因此，開關磁阻電動機一般采用凸極定子和凸極轉子形式（圖2）.功率變換器是開關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部件.功率變換器主電路的結構型式與供電電壓、電機相數及主開關器件的種類有關.圖3所示為系統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，用三個光電開關檢測轉子位置，并由此信號計算電機轉速.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，向功率變換器發出驅動信號，控制開關管導通和電機運行［4］.

2 開關磁阻電機的控制策略分析

2.1 開關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，據此建立電動機的線性化模型，然后分析開關磁阻電動機的基本電磁關系.

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S導通時，單位時間內從電源輸入的電能ui中，一部分用于增加磁場儲能，一部分轉換為機械能輸出當繞組開關S在電感增加區域內關斷時，有機械能輸出，磁場儲能只有一部分返回給電源，另一部分轉換成機械能.若開關S在電感最大區關斷，此時磁場儲能全部返回電源，沒有機械能輸出，若S在電感下降去關斷，有部分機械能轉換為電能反饋回電源.

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

2.2 系統具體軟件控制算法分析

開關磁阻電機有4個可控參數：開通角θon、關斷角θp、相電流幅值Imax和直流電源電壓U.改變主開關器件的觸發導通時間可以改變對電流大小和波形的控制，從而有效地調節電動機的轉矩、轉速和轉向.光電開關的位置決定了主開關器件的觸發導通時間，所以要合理安裝光電開關的位置.系統選擇光電開關H1位置為轉子轉到A相繞組下時H1剛好發生由高到低的跳變.三個光電開關分別相差15°，所以確定了H1的位置，另外兩個光電開關位置也就固定了，結合三相繞組電感的變化曲線，6個開關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

根據系統性能要求，開關磁阻電機轉速控制分起動階段、低速段、高速段三部分.具體各階段下定轉子導通方式和導通角調節流程如圖5所示.

圖5 定轉子結構的導通方式與導通角調節的流程圖

2.2.1 開關磁阻電機起動運行程序分析 為了保證開關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.但在本系統中，實際測得電流為1A左右，而選用的開關管為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，電流閉環為滯環控制.

根據光電開關反饋回來的轉子位置，確定了起始導通相，然后進入步進程序，不再根據光電開關反饋信號改變導通相，而是每隔32ms換一次相，正向旋轉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.在轉速達到200r后結束步進程序，進入正常運行程序.

2.2.2 開關磁阻電機低速（200～2 600 r／min）運行程序分析 低速段和高速段均采用脈寬調制的斬波控制和閉環控制.通過對直流電源電壓U 的調節，可以實現對開關磁阻電動機的轉矩、轉速進行調節.根據相鄰兩個光電開關反饋信號的間隔時間來求得電機實際轉速，然后根據轉速給定信號比較來確定實際輸出PWM波占空比.系統閉環采用查表法，繞組為導通方式為單、雙拍六拍導通方式.

2.2.3 開關磁阻電機高速（2 600 r／min以上）運行

實驗測得在2 600r／min轉速下時采用六拍導通可以獲得良好的轉速特性，在2 600r／min以上采用六拍導通控制，會出現負轉矩.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，在轉速比較高之后，電流下降比較慢，導致在對應相電感已經處于下降區時該相仍有電流，此時會出現負轉矩，影響高速性能.

根據圖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負轉矩，可改變系統程序，使得開關管提前關斷15°，如圖4所示尾部的15°區間，這樣每相繞組在每個導通周期中導通30°機械角度，繞組正向旋轉時按A→B→C通電順序給繞組通電，反向旋轉時按C→B→A通電順序給繞組通電.實驗證明系統電機轉速可達到11 000r／min.

2.2.4 開關磁阻電機制動運行 由開關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存在，將產生負的磁阻轉矩，即制動轉矩.它與軸的負載轉矩方向相反，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換成磁場儲能；在續流時，則磁場儲能轉換為電能通過外接制動電阻消耗掉，電機運行在制動狀態.

系統在有任何錯誤產生的時候都會產生制動信號，程序在檢測到制動信號后啟動制動程序，在電感下降區給對應相繞組通電，產生制動轉矩，此時由于電源輸入的電能和外界輸入的機械能均轉換成磁場儲能，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，降低轉速.實驗證明，電機可以在2.5s內迅速停機，滿足項目要求.

3 控制系統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、很寬的調速范圍、操作簡單、噪聲低等特點.而開關磁阻電機的優點使得其在料理機中得到越來越多的應用.本文將控制系統應用于料理機中并進行了實驗研究.

實驗記錄了步進狀態、2 000r／min、5 000r／min、10 000r／min轉速下電機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.

從以上步進狀態下相繞組的電壓電流波形與高轉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，電機正常運轉后，電機運行平穩，噪聲較小.

表1 實驗數據記錄

從表1數據可知，電機可以實現200～11 000 r／min的平穩運行，可以承載500W以下的負荷，實現了預期的目標.

4 結論

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

［1］唐任遠.特種電機原理及應用［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［2］吳紅星.開關磁阻電機系統理論與控制技術［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［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［5］紀良文.開關磁阻電機調速系統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.