開關磁阻電機三種控制策略研究

摘 要：開關磁阻電機結構簡單、調速便利，但是其雙凸結構及電磁非線性特性嚴重制約它在工業領域的應用。基于文章設計的TMS320LF28335的開關磁阻電機調速系統，在不同矩速區實現了電流斬波控制、電壓斬波控制和角度位置控制三種控制模式。并分類闡述了三種控制策略的優缺點，分析了其應用范圍。

關鍵詞：開關磁阻電機；三種控制模式；開關磁阻電機調速系統

1 概述

開關磁阻電機因其結構簡單堅固、成本低廉、控制參數多、效率高、適于高速與惡劣環境運行等優點越來越受到市場的喜愛，但是其電機本身其非線性與轉矩脈動大特點限制SR電機在工業領域的廣泛應用[1]。文章中的開關磁阻電機調速系統是以德州儀器公司的TMS320LF28335為控制器，響應速度快、具有豐富的I/O口，能產生16路的PWM（脈寬調制），硬件結構簡單。性能優良。SR電機可控參數多、控制靈活，在對SR電機建立線性模型后，在不同勵磁方式，可分為三種不同的控制模式：電流斬波控制（CCC）、電壓斬波控制（CVC）、角度位置控制（APC）[2]。

2 SRD系統結構與特點

開關磁阻電機調速系統（簡稱SRD）由開關磁阻電機、功率電路、控制器以及位置、電流檢測裝置組成，如圖1所示。

SR電機是開關磁阻電機調速系統中實現機電能量轉換的部件。功率電路把交流電變為電機可接受脈沖直流電，在SRD系統中，功率電路具有十分重要的作用。控制器是SRD系統的大腦。電流傳感器、位置傳感器提供的反饋信息都由控制器進行分析處理，并據此對電路中IGBT的關斷作出判斷，實現對SR電機的控制，電流檢測：檢測電機相繞組的電流大小，實現系統電流反饋信息。位置檢測：用絕對編碼器檢測定轉子相對位置，為控制器作出換相操作及計算電機轉速提供信號。

3 三種控制模式

開關磁阻電機可控參數多，包括電機相電壓UK、相電流iK、開通角θon和關斷角角θoff等參數，根據不同的矩速區采取不同的控制方式，通常分為以下三種控制方式：電流斬波控制（Current Chopping Control，簡稱CCC）、電壓斬波控制方式（Chopping Voltage Control 簡稱CVC）、角度位置控制（AngularPositionContro，簡稱APC），在不同的轉速采用不同的控制方式，下邊我們詳細介紹我們系統如何實現這三種控制方法。

3.1 電流斬波控制（CCC）

在啟動時或者電機低速運行時，反電動勢較小，電機繞組電流上升很快并迅速達到峰值，為了避免過大的電流對IGBT及電機繞組造成損害，需要對電流峰值進行限定，因此可以采用電流的斬波控制，獲取低轉速下恒轉矩的機械特性[3]。

文章設計開關磁阻電機調速系統基于TMS320LF28335為控制器，其控制方法：設定相電流的上限值imax與電流下限值imin及相應的電壓值Umax與Umin，然后通過霍爾傳感器所獲的電流值經過相應的信號調理后轉換為電壓信號，采集到的電壓信號與設定的電壓上下限值進行比較，如果該電壓值大于設定的電壓下限值，功率電路相應導通的功率開關導通，此時電流隨之增大，電壓值也大；在電壓信號增大的期間電壓信號一直反饋到電路，當電壓值大于到Umax時，功率電路相應導通相功率開關關斷，電流開始減小，電壓相應的下降。這樣反反復復通過IGBT的關斷導通將電壓值限定在最大值與最小值之間，相應的其電流限定在我們設定的上下限之間。只要轉速限定在我們的設計要求下就就形成了電流斬波圖形，對換相后的繞組仍然采用電流斬波控制。

3.2 電壓斬波控制（CVC）

電壓斬波控制是固定開通角θon、關斷角θoff不變，對功率開關器件IGBT采用PWM工作模式。我們固定脈沖的周期不變，通過調節占空比來調整加在繞組兩端電壓平均值，從而改變繞組電流有效值大小。增大脈沖頻率會使電流波形更加的平滑、電機出力增大、噪聲減小，但對功率開關器件工作頻率要求會越來越高，經濟性也隨之增加[4]。

在系統中，霍爾傳感器采集到轉子的位置信號通過信號調理電路后傳到控制器。控制器根據根據霍爾信號計算當前轉速做為內環的反饋，然后對判斷下一額階段A、B、C三相導通關斷狀態進行判斷，據此推出其開通角與關斷角。外環速度換的輸出信號作為內環電流環的輸入信號。另外，采集到的電流信號發送到控制器DSP上，作為轉速閉環的實時輸入信號。系統PI輸出最終會改變PWM波的脈沖寬度。從而改變電機繞組相電流有效值。

3.3 角度位置控制（APC）

角度位置控制是指在繞組電壓一定的情形下，通過改變開通角θon和關斷角θoff來改變繞組通電、斷電時刻，調節相電流的波形。從而實現轉速閉環控制。

本系統利用DSP定時器捕獲單元檢測SR電機的位置信號的跳沿，根據捕獲信號計算信號周期與電機轉速。同時利用它的比較單元在不受中斷的影響下，按設定角度輸出角度位置信號控制脈沖[5]。

對于霍爾傳感器傳上來的位置信號特別重要。首先位置信號要為角度位置控制提供初始信號，我們用過DSP計算電機轉速也是通過捕獲一個周期的位置信號來計算，所以角度位置控制特別依賴位置信號的實時性。

4 結束語

電流斬波控制適合電機低速運行階段，具有簡單直接、可控性好的特點。與電壓斬波方式相比具有較小的開關損耗、轉矩平穩可靠，適合轉矩調節系統。它的缺點明顯：斬波頻率不固定，隨著繞組電流誤差的變化而變化，不利于電磁噪聲的消除。

電壓斬波控制適用于高速和低速運行，系統在有負載擾動時，會做出較快的動態響應。缺點是低速運行時轉矩波動較大。

角度位置控制不適合低速運行，一般適用于較高轉速的控制。角度位置控制的調節轉矩范圍大，同時可以通過角度優化使電機在不同負載下保持較高地效率。

參考文獻

[1]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.

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

[3]王俊利.開關磁阻電機的電流斬波控制[J].電子技術與軟件工程，2013.

[4]榮曉明.基于dspace的開關磁阻電機系統的設計[D].天津工業大學，2014.

[5]蔣冬青，朱學忠.高速開關磁阻電動機角度位置控制實現方法研究[J].微電機，2008.