開關磁阻電機調速系統的設計與實現

陳世軍，王陳寧，查長禮

(安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133)

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開關磁阻電機調速系統的設計與實現

陳世軍，王陳寧，查長禮

(安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133)

摘要：開關磁阻電機調速系統在硬件上采用數字信號處理器與可編程邏輯器件相結合的控制方式，使電路系統得到了大大的簡化，更加穩定可靠；在軟件控制策略上，在不同的調速階段采用不同的控制方法，結合了各自方法的優點。整個系統電機結構簡單可靠，可在寬廣的速度和功率范圍內保持較高的能量回饋，具有一定的市場應用價值。

關鍵詞：開關磁阻電機；數字信號處理器；可編程邏輯器件

開關磁阻電機調速系統(簡稱SRD)，是20世紀80年代興起的一種新型的交流調速系統。由開關磁阻電機(SRM)及其控制器等組成，其中控制器是其核心。整個系統具有電機結構簡單、制造成本低、啟動轉矩大、啟動電流小等特點，又具有調速性能好、控制電路簡單、控制方式靈活、正反轉和起動制動性能好、效率高等優點，是一種性價比很高的現代交流調速系統[1-2]。但同時也具有轉矩脈動大、振動噪聲大等明顯的缺點，隨著電機設計及其控制技術的不斷發展，這些問題也在得到改善。現在已廣泛應用于煤礦機械、紡織機械、家用電器、電動汽車等行業，在未來市場上具有很好的應用前景[3-4]。

大多數的調速裝置在高速運行和非額定負載運行時會產生能量的浪費，并且在啟動或者要求頻繁啟動的場合下，啟動電流過大，大大影響了電網中其它電器的正常使用。傳統的基于開關磁阻電機的調速系統雖然能夠在一定程度上解決上述問題，但其傳統的控制算法以及單片機設計出來的系統在調速性能上并不具有優越性且系統硬件電路復雜、外圍電路多，易造成系統不穩定性。

SRD系統的核心是其控制器的設計，包括軟件系統和硬件系統兩大部分，而其設計方法又有多種[5]。本文對傳統開關磁阻電機調速系統進行改進。

1SR電機的控制策略

1.1SR電機數學模型分析

SR電機的數學模型分析包括線性模型、準線性模型以及非線性模型三種。在工程應用當中，常常用準線性模型來分析設計功率驅動電路以及確定相應的控制方法。它是將實際的非線性磁化曲線進行分段線性化處理。下面給出SR電機準線性模型的電路方程、運動方程以及電磁轉矩方程[1-2]。

由電路基本定律可以寫出第K相的電壓方程：

Uk=Rkik+dψ(θ,ik)/dt=

(1)

式中Uk為加在K相繞組的電壓，Rk為K相繞組的電阻，ik為K相繞組的電流，ψ(θ,ik)為K相繞組的磁鏈，ω為轉子轉速，θ為轉子位置角。可以看出電壓方程由三部分組成：第一項為電阻壓降，第二項為電感壓降，第三項為旋轉壓降。

按照力學定律可以得到SR電機的機械運動方程：

(2)

式中Te為電磁轉矩，TL為負載轉矩，J為轉動慣量，D為機電系統粘性摩擦系數。

根據準線性模型的分段線性化磁化曲線，得到分段線性化的繞組電感，進而求得電磁轉矩方程：

(3)

1.2SR電機的控制方式及其系統結構

開關磁阻電機的定子與轉子都是凸極結構，轉子上沒有繞組也沒有永磁體，故其結構簡單可靠，它是根據磁通總是沿著最小路徑閉合的方式來運行的。目前，對其調速運行的控制方式主要有以下幾種[2]：①電流斬波控制方式，②電壓PWM控制方式，③角度位置控制方式等?？紤]到各種控制方式的優缺點，本文采用多種方式相結合的控制方法：在低速段，由于電流過大，故采用電流斬波控制；中速段采用電壓PWM控制與變角度控制相結合的方式；高速段由于速度過大，電流的上升時間很短，故進行角度位置控制。具體實現方法：在低速運行時，控制器采用高過電壓斬波頻率的頻率進行電流斬波，使電流迅速降下來;在中速運行時以恒定的電壓斬波頻率控制主開關管的開通與關斷，并通過調節占空比來調節相繞組兩端的平均電壓,同時適當的控制角度的變化；高速時采用固定關斷角，改變開通角的控制模式，從而實現恒轉矩無級調速。

開關磁阻電機控制系統結構如圖1所示。根據設定的轉速、機械負載情況和位置檢測器提供的轉子位置信號，控制器通過一定的算法給出相應的控制電流，并適時給出定子繞組的換相控制信號，使電機運轉。調速系統設計成閉環控制系統，需要實時地根據轉速反饋值計算出電流的給定值，再與電流檢測值相比較，得出相應的控制信號，從而保證電機穩定運行[6-7]。

圖1SRD系統結構

2系統硬件設計

開關磁阻電機調速系統其硬件電路的設計主要包括控制電路、功率驅動電路以及顯示電路三部分，硬件結構如圖2所示。

(1)控制電路設計。以美國德州儀器的TMS320F2812為核心控制器，完成速度的分段控制、邏輯關系處理以及產生PWM信號等。主要包括TMS320F2812核心芯片、電源電路、復位電路、A/D采樣電路以及功率驅動板接口和顯示板接口等。

(2)功率驅動電路設計。主要包括主電路、IGBT驅動電路、信號檢測電路以及保護電路部分。主電路采用6路分立元件IGBT組成不對稱半橋型電路，具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好、且驅動電路簡單、驅動電流小，同時具有通態壓降小、耐壓高、承受電流大等優點。本系統采用A3120為驅動電路。

(3)顯示電路設計。以一個單片機為核心控制器，實現與主控板串口數據傳輸方式，大大降低了主控制器的負荷。其包括電源電路，按鍵與數碼管電路，以及與控制板接口等，用以顯示電機的轉速、頻率、停轉以及正反轉等。

圖2系統硬件電路結構

3系統軟件設計

系統軟件設計是整個控制系統的核心部分。本系統軟件的基本思想是通過鍵盤給定速度，實際速度由光電位置傳感器獲取，經過濾波整形處理，送到DSP的捕獲單元輸入，由DSP輸出PWM信號，再經過CPLD邏輯電路處理，驅動功率電路控制IGBT的關斷與導通，由電流傳感器檢測電機定子電流，實現開關磁阻電機的轉速與電流的雙閉環控制。程序軟件總體框圖如圖3所示。整個系統軟件程序由主程序及其相關的子程序組成，系統主程序如圖4所示，其主要功能:設置系統時鐘，初始化事件管理器和SRM 參數，設置可用中斷，進行當前轉速、位置或電流的顯示等。

圖3程序總體框圖 圖4 系統主程序圖5 開關磁阻電機調速系統硬件平臺

4實驗測試

在實驗室條件下，搭建的開關磁阻電機調速系統硬件平臺如圖5所示：包括一臺帶位置傳感器的額定功率為1.5 kW，額定電壓為220 V，額定轉速為2 000 r/min的12/8極開關磁阻電機，DSP控制電路板(帶CPLD模塊)，功率驅動電路板以及電源電路板，顯示電路板。整合軟硬件調試，整個系統具有穩定的調速性能。啟動電流達到2.7 A，啟動轉矩達到30 N·M，能實現從100 r/min到2 000 r/min的寬廣調速范圍。

5結論

系統在硬件電路的設計上采用了數字信號處理器(DSP)與可編程邏輯器件(CPLD)相結合的控制方式，使外圍電路更加精簡，集成化大大提高，整個系統更加穩定可靠。在軟件設計方式上，將變角度控制、PWM電壓控制、電流斬波控制方式相結合，發揮各種控制方式的優點。 通過對整個軟件、硬件系統的聯合調試，起動轉矩大，啟動電流小，具有很好的啟動、調速運行性能，有一定的市場應用推廣價值。但仍然存在轉矩脈動過大、啟動不夠平穩的問題。為了達到更好的效果，應該從電機結構與控制算法上進行優化設計。

參考文獻:

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[2] 王宏華.開關磁阻電動機調速控制技術[M].北京：機械工業出版社，1999.

[3] 符傳澄，張燕，楊榮，等.開關磁阻電機調速系統在采煤機中的應用[J].煤礦機械，2014,35(10):215-218.

[4] 朱曰瑩，趙桂范，楊娜.電動汽車用開關磁阻電機驅動系統設計及優化[J].電工技術學報，2014,29(11):88-98.

[5] P.K.Rdtuad,K.S.Ttiratsatcha.Development of the drive system for a four-phase switched reluctance motors：2014 11th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON),May 14-17,2014[C].Thailand:Nakhon Ratchasima,2014.

[6] 陳世軍，查長禮，王陳寧. 基于Simulink的開關磁阻電機調速系統仿真研究[J].機械與電子，2013(12)：26-28.

[7] 焦洋.基于DSP的開關磁阻電機數字化控制系統的研究與實現[D].北京：北京交通大學，2007.

[8] 蘇奎峰，呂強，耿慶峰,等.TMS320F2812原理與開發[M].北京：電子工業出版社，2005.

Design and Implementation of a Switched Reluctance Motor Speed Control System Based on TMS320F2812

CHEN Shi-jun，WANG Chen-ning，ZHA Chang-li

(School of Physics and Electronic Engineering , Anqing Teachers College , Anqing 246133, China)

Abstract:The design of switched reluctance motor speed control system on hardware combines digital signal processor with programmable logic devices to control, which makes the circuit system simplify, more stable and reliable. By the software control strategy, it adopts different control methods in different stages of speed control. Combining with the advantages of each method the whole system has simple motor structure and reliability, and can be in the broad range of high speed and power energy feedback, and achieve high efficiency and energy saving, etc. It has a certain application value in the market.

Key words:switched reluctance motor, digital signal processor, programmable logic device

文章編號：1007-4260(2015)03-0064-04

中圖分類號：TP343

文獻標識碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.03.018

作者簡介：陳世軍，男，江西九江人，碩士，安慶師范學院物理與電氣工程學院講師，主要研究方向為電機及其控制技術。

基金項目：安慶師范學院校青年基金項目(120001000009)。

收稿日期：2014-11-26

網絡出版時間：2015-8-25 15:40網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20150825.1540.018.html