開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的原理及控制研究

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在我國得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。本文針對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的原理及控制策略進(jìn)行研究，為了得到較高的效率，將斬波信號(hào)出現(xiàn)位置和電感開始上升區(qū)位置之間的關(guān)系進(jìn)行處理從而優(yōu)化開通角，綜合考慮電機(jī)的輸出力矩，設(shè)計(jì)一套開關(guān)磁阻電機(jī)純硬件控制調(diào)速系統(tǒng)并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻；電動(dòng)機(jī)；原理及控制策略

1 SR電動(dòng)機(jī)的原理

1.1 眾所周知，SR是一款雙凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。在定子齒極上繞有比較集中的線圈（即定子繞組），空間相對(duì)的兩個(gè)極上的線圈可并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，用來提供工作磁場。而轉(zhuǎn)子上卻沒有線圈。這是SR電機(jī)區(qū)別于其他電機(jī)的主要特點(diǎn)之一。

當(dāng)轉(zhuǎn)子極數(shù)和定子極數(shù)構(gòu)成不同搭配時(shí)，會(huì)得到不同相數(shù)的SR電機(jī)。譬如有單相、兩相、三相、四相等等。相數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小，但成本越高。

相對(duì)來說，雙相的SR電動(dòng)機(jī)要比單相的好一些，因?yàn)樗谝欢ǔ潭认驴梢杂凶詥?dòng)能力。然而，為什么常見的SR電動(dòng)機(jī)都是三相或者三相以上的呢？主要是因?yàn)榈陀谌嗟腟R沒有自啟動(dòng)能力。

SR電機(jī)的持續(xù)工作是基于“磁阻最小原理”。為了讓它良好的持續(xù)運(yùn)行，避免出現(xiàn)單邊磁拉力和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：①應(yīng)盡量讓定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)相等且為偶數(shù)。這樣不僅可以加大定子相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率，而且還可以提高電機(jī)出力。②一般選用極數(shù)和相數(shù)越多的電機(jī)。

以下是以三相6/4極SR電動(dòng)機(jī)為例來說明SR電動(dòng)機(jī)工作原理的過程，如圖1， 圖2 ，圖3的運(yùn)轉(zhuǎn)過程。

1.2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本構(gòu)成

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由功率變換器、控制器、電流和位置檢測器以及開關(guān)磁阻電機(jī)組成。

SR電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能再給負(fù)載提供動(dòng)力，它結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上沒有繞組和電刷，卻有很好的調(diào)速性，因而在很多實(shí)際應(yīng)用中代替無刷直流電機(jī)和三相異步電機(jī)。功率變換器是由工作于開關(guān)狀態(tài)的電力電子器件所組成，通過控制大功率開關(guān)器件的通斷，可以調(diào)節(jié)輸出到電機(jī)各相繞組上的PWM電壓波形，從而改變加在SRM上的供電電壓。控制器是SRD系統(tǒng)的控制中樞，它最核心部分是具有輸出PWM電壓波形的數(shù)字信號(hào)處理DSP芯片，其作用一方面是處理溫度傳感器信息并實(shí)現(xiàn)主電路的過流保護(hù)，另一方面是將檢測到的信息和控制信號(hào)通過PID處理后控制開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)SRM無級(jí)調(diào)速。檢測器有位置檢測和電流檢測兩種功能，位置檢測提供轉(zhuǎn)子的位置信息實(shí)現(xiàn)SRM準(zhǔn)確速度控制，電流檢測實(shí)現(xiàn)SRM的過流保護(hù)。

2 SR電動(dòng)機(jī)的控制方式及發(fā)展簡史

2.1 主要有以下三種控制方式：

2.1.1 角度位置控制（APC）

當(dāng)加在繞組上的電壓一定時(shí)，通過改變繞組上主開關(guān)的開通角？茲on和關(guān)斷角？茲off，來改變繞組通電、斷電時(shí)刻，調(diào)節(jié)相電流的波形，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

2.1.2 電流斬波控制（CCC）

當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行或在啟動(dòng)時(shí)，需對(duì)電流峰值進(jìn)行限制，以避免過大的電流脈沖對(duì)功率開關(guān)器件及電機(jī)造成損壞，采用電流斬波控制，可以獲得恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性，并通過每相繞組的特定導(dǎo)通位置實(shí)現(xiàn)電流的斬波控制。

2.1.3 電壓斬波控制（CVC）

電壓斬波控制是在保持開通角？茲on、關(guān)斷角？茲off不變的前提下，使功率開關(guān)器件工作在脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。當(dāng)脈沖周期T 固定時(shí)，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比，來調(diào)整加在繞組兩端電壓的平均值，進(jìn)而改變繞組電流的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

如圖4所示是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的模型圖：

2.2 SR電動(dòng)機(jī)發(fā)展簡史

鑒于行業(yè)特征和歷史傳統(tǒng)原因，SRM電機(jī)在我國低速電機(jī)的研究開發(fā)領(lǐng)域中占據(jù)著舉足輕重的地位。從我國在上個(gè)世紀(jì)50年代率先推出電磁調(diào)速電機(jī)并將其應(yīng)用于多單元印染聯(lián)合機(jī)開始；到60年代我國在科學(xué)技術(shù)的需求下從國外批量引進(jìn)交流變頻器并應(yīng)用于化纖機(jī)械；再到80年代中期，我國第一批從事開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)（SRD）的研制，都在以科技先導(dǎo)的角色積極走向市場。就目前而言，我國所研究開發(fā)的SRD已在市場上被廣泛的消費(fèi)者所接受，并應(yīng)用于機(jī)床、煤炭、石油、輕紡等各行業(yè)。

3 SR的硬件控制器相關(guān)組成模塊的介紹

3.1 開關(guān)磁阻電機(jī)頂層硬件模塊介紹

通常情況SRD系統(tǒng)在復(fù)位后，控制器仍不能正常工作。只有當(dāng)控制端SWIC接收到命令時(shí)，控制器才會(huì)自行啟動(dòng)。此時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，系統(tǒng)開始運(yùn)行。當(dāng)控制器接收到6個(gè)PS信號(hào)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到常規(guī)模式。只有當(dāng)它再次接收到上跳沿信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)才能停止。

3.2 開關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)控制模塊介紹

由于電機(jī)轉(zhuǎn)子在初始時(shí)始終保持靜止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致在下達(dá)啟動(dòng)命令后導(dǎo)通信息不可以馬上作用于控制系統(tǒng)。然而，電機(jī)的啟動(dòng)一般是利用位置信號(hào)來直接輸出的。在剛啟動(dòng)瞬間，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)都是從零開始，這樣勢(shì)必會(huì)使相電流過大而損壞電機(jī)。但是，只要通過控制電流斬波則可以限制起動(dòng)電流的幅值。

3.3 SVF格式配置文件介紹

很多嵌入式系統(tǒng)中都用到了FPGA/CPLD等可編程器件，在這些系統(tǒng)中利用SVF格式配置文件就可以方便地通過微控制器對(duì)可編程器件進(jìn)行重新配置。目前，可編程芯片廠商的配套軟件都可以生成可編程器件的SVF格式配置文件。串行矢量格式（SVF）是一種用于說明高層IEEE 1149.1（JTAG）總線操作的語法規(guī)范。SVF由Texas Instruments開發(fā)，并已成為數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)而被Teradyne，Tektronix等JTAG測試設(shè)備及軟件制造商采用。Xilinx的FPGA以及配置PROM可通過JTAG接口中TAP控制器接收SVF格式的編程指令。由于SVF文件由ASCII語句構(gòu)成，它要求較大的存儲(chǔ)空間，并且存儲(chǔ)效率很低，無法勝任嵌入式應(yīng)用。為了在嵌入式系統(tǒng)中充分利用其有限的存儲(chǔ)空間，并不直接利用SVF文件對(duì)可編程器件進(jìn)行在系統(tǒng)編程，而是將SVF文件轉(zhuǎn)換成另一種存儲(chǔ)效率比較高的二進(jìn)制格式的文件，把它存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。Xilinx公司提供用于創(chuàng)建器件編程文件的iMPACT工具，該工具隨附于標(biāo)準(zhǔn)Xilinx ISETM軟件內(nèi)。iMPACT軟件能自動(dòng)讀取標(biāo)準(zhǔn)的BIT/MCS器件編程文件，并將其轉(zhuǎn)換為緊湊的二進(jìn)制XSVF格式

本設(shè)計(jì)是基于“ARM處理器+FPGA”結(jié)構(gòu)的重構(gòu)控制器，重構(gòu)控制器中的FPGA能夠根據(jù)ARM處理器傳送來的命令，對(duì)目標(biāo)可編程器件JTAG接口進(jìn)行控制，并負(fù)責(zé)解譯XSVF格式的配置文件信息，生成xilinx器件所用的編程指令、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)（TMS，TDI，TCK序列）向目標(biāo)可編程器件的JTAG TAP控制器提供所需的激勵(lì)，從而執(zhí)行最初在XSVF文件內(nèi)指定的編程和（可選的）測試操作。使目標(biāo)可編程器件內(nèi)的TAP狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，將指令和數(shù)據(jù)掃描到FPGA內(nèi)部邊界掃描電路指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器中。完成一次目標(biāo)可編程器件配置，實(shí)現(xiàn)用戶此時(shí)所要求功能，在下一時(shí)段，可根據(jù)用戶新的要求，調(diào)用重構(gòu)控制器內(nèi)部存儲(chǔ)器中的不同方案在系統(tǒng)重新配置目標(biāo)可編程器件，這樣就實(shí)現(xiàn)了硬件復(fù)用，減少成本。

參考文獻(xiàn)

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