電動角磨機用開關磁阻電機驅動系統設計

張 云， 王知學， 付東山， 趙 波

(1.山東省科學院自動化研究所 山東省汽車電子技術重點實驗室，山東 濟南 250014；2.山東大學 電氣工程學院，山東 濟南 250061)

電動角磨機用開關磁阻電機驅動系統設計

張 云1， 王知學1， 付東山2， 趙 波1

(1.山東省科學院自動化研究所 山東省汽車電子技術重點實驗室，山東 濟南 250014；2.山東大學 電氣工程學院，山東 濟南 250061)

設計了電動角磨機用開關磁阻電機驅動系統。首先，根據電動角磨機的應用特點，設計了兩相開關磁阻電機的基本結構，通過電磁仿真優化計算，確定了電機的各項參數；然后，根據電機的結構特點，給出了線性化的電機模型，并給出了電感及轉矩的計算公式；接著，給出了電機的合成轉矩模型，設計了低速控制方法，滿足電機快速起動要求，并給出了電機高速運行時的效率優化方法及控制策略；最后，通過試驗測試了設計的驅動系統。

電動角磨機； 兩相開關磁阻電機； 電機控制

0 引 言

當前電動角磨機中大量使用的串激電機[1]存在一些不足之處：電源直接供電，起動電流大；串勵驅動，轉矩特性軟；轉子上有勵磁繞組，生產工藝復雜；需要頻繁更換電刷，使用不便。

開關磁阻電機結構簡單、可靠性高；轉子上只有硅鋼片，沒有繞組，工藝簡單、生產成本低[2]；控制器根據轉子位置控制繞組電流，無須電刷，方便使用；起動電力小，調速性能及轉矩特性好。電動角磨機一般工作于較高的轉速，并且只做單方向旋轉，將兩相開關磁阻電機用于電動角磨機中，能夠很好地利用開關磁阻電機優良的高速性能，避開其低速轉矩脈動大的缺點。

由電機理論知，兩相開關磁阻電機不具備雙向旋轉的自起動能力[3]，特殊設計的定轉子結構，可使電機單向起動[4]。本文面向電動角磨機，設計了具有自起動能力的單轉向兩相開關磁阻電機，給出了該電機的線性模型，提出了起動運行及高速控制的策略，設計了硬件控制系統，并通過試驗驗證了設計的兩相開關磁阻電機驅動系統應用于電動角磨機的優越性。

1 電動角磨機用開關磁阻電機設計

電動角磨機的結構如圖1所示，輸入電源為AC 220 V，控制器、電機、風扇位于角磨機的圓筒形腔體內，電機輸出軸上固定風扇，與電機同轉速旋轉，為電機及其控制器散熱。電機一般工作于20 000 r/min以上，通過減速器驅動砂輪片，輸出約為6 000 r/min的機械轉速。

圖1 電動角磨機的結構示意圖

本系統設計的兩相開關磁阻電機結構如圖2所示。為了保證電機轉矩的連續性，轉子采用大極弧系數結構，使兩相繞組電感的上升區域有重合部分，從而保證在任意時刻都有驅動轉矩。

圖2 兩相開關磁阻電機的結構

另一方面，由于兩相繞組電感的上升區域重疊，則在該區域內，兩相繞組出力相同，電機無法自起動，為此，轉子齒設計為階梯結構，如圖3所示。電感重疊區域兩相繞組電感的斜率不同，相同的驅動電流下，電機轉向電感斜率較大的繞組方向，從而保證了電機的單向起動性能。

圖3 兩相開關磁阻電機的轉子尺寸

根據電動角磨機的性能要求，電機的設計參數如表1所示。

表1 電機的設計參數

根據表1提供的電機基本參數，通過多次有限元優化仿真計算[5-6]，最終確定電機采用8/4極定、轉子結構，定子極弧系數為0.5，定子內徑為53.6 mm，定子軛厚為8 mm，繞組匝數為38，轉子的關鍵尺寸如圖3所示。電機兩相分別通5 A電流時的靜態轉矩特性如圖4所示。由圖4可知，采用適當的控制方式，電機在任何轉子位置都具備自起動能力。

圖4 兩相通5 A電流時的靜態轉矩曲線

2 兩相開關磁阻電機控制

2.1 兩相開關磁阻電機的線性模型分析

根據文獻[2]中提出的開關磁阻電機線性模型的分析方法，給出兩相開關磁阻電機的繞組電感隨轉子位置角變化的曲線，如圖5所示。圖5中電感分為5段：最小電感區域、電感緩慢上升區域、電感快速上升區域、電感最大區域、電感快速下降區域。

圖5 開關磁阻電機兩相繞組電感線性模型曲線

圖5上方的La為A相繞組電感曲線，下方的Lb為B相繞組電感曲線，兩相繞組電感都隨轉子位置周期性變化。圖2中的電機轉子順時針旋轉，以Lb為例，定義電感曲線的關鍵位置：定子齒中心線與轉子槽中心線重合的位置為坐標原點θ0；θ9位置為轉子小氣隙齒面區域完全離開定子齒面的時刻，電感Lb開始進入最小值區域；θ1位置為轉子大氣隙齒面區域開始面對定子齒面的時刻，繞組電感進入緩慢上升區域，斜率為K1；θ4位置為轉子小氣隙齒面區域開始面對定子齒面的時刻，繞組電感進入快速上升區域，斜率為K2；θ7位置為轉子小氣隙齒面區域完全面對定子齒面的時刻，進入電感最大區域；θ8位置為轉子小氣隙齒面區域開始離開定子齒面的時刻，繞組電感進入快速下降區域，斜率為K3(K3<0)；之后又到達θ9位置。

線性模型中，電感Lb隨轉子位置角變化為

(1)

式中：K1——繞組電感在緩慢上升區的斜率；K2——繞組電感在快速上升區的斜率；K3——繞組電感在快速下降區的斜率。

(2)

對于給定電流i，該相的磁鏈方程為

(3)

轉矩方程為

(4)

2.2 起動過程控制

由圖5中線性模型的繞組電感曲線可知，一相繞組電感的快速上升區和另一相繞組電感的緩慢上升區有一定的重合，電機轉子在任何位置都能夠自起動。

假設在電機每相電感上升區域，分別給定相繞組固定的電流i，由圖5及式(4)得兩相合成轉矩曲線如圖6所示。隨著轉子位置的變化，電機轉矩由三段構成，T3為電流i在繞組電感緩慢上升區域產生的轉矩，T2為電流i在繞組電感快速上升區域產生的轉矩，T1為電流i在兩相繞組電感上升區域重合時產生的合成轉矩。

圖6 固定電流i時，線性模型兩相合成轉矩

根據式(4)給出的轉矩方程，在起動及低速運行時，采用雙相-單相的控制方式[7]，控制策略如圖7所示，分別對各相繞組電流進行PI控制，沒有考慮電感上升重疊區域共同出力的情況，雖然可能產生一定的轉矩脈動，但是能夠快速完成起動過程。

圖7 兩相開關磁阻電機低速控制框圖

圖7中，根據實際起動要求，設置起動過程中目標轉速v的變化規律，使其以一定的加速度平穩達到高速運行控制過程，v與反饋轉速比較后輸入到轉速PI控制器中，得到起動電流；各相的開通關斷角判斷模塊θon/θoff根據轉子位置θ的變化，在該相繞組電感處于上升區域時，控制電流跟蹤目標電流i*，驅動電機運行。

2.3 高速控制

開關磁阻電機一相繞組的電壓方程為[3]

(5)

式中：rk——一相繞組電阻；

Lk——一相繞組電感，是轉子位置角θ和電流ik的函數；

ik——一相繞組電流；

ω——角速度；

er——磁鏈變化在繞組中引起的變壓器電動勢；

ea——轉子旋轉使繞組交鏈的磁鏈發生變化而引起的旋轉電動勢。

在電機起動過程后期，隨著電機轉速的升高，旋轉電動勢ea不斷升高，電流逐漸增大，使變壓器電動勢er也變大。由于ea和er的平衡作用，電流ik上升速度受到限制，使圖7中電流PI控制器的積分環節達到飽和，失去對電流的控制作用，電機進入高速運行階段。此時必須采用高速控制方法，為此本文設計了電流限幅角度位置轉速閉環控制策略，如圖8所示。

圖8 電流限幅角度位置轉速閉環控制策略

圖8中，轉速PI輸出為每相的開通角，通過功率管驅動邏輯控制功率管的開關，用于調節電機轉速；限流比較環節，將檢測到的各相電流與設定的電流最大限制值相比較，如電流過大則關閉功率管，避免電流過大損壞控制器。

由圖5電機線性模型的繞組電感曲線可知，當繞組電感位于下降區時，電流將產生負轉矩，影響電機的效率。這時關斷角計算模塊檢測繞組電感最大區域結束時的電流是否為0，進而調整關斷角，使該位置時，相電流恰好為0，從而最大限度地利用相電流驅動電機而不產生負轉矩。

3 試驗測試

3.1 控制系統設計

針對兩相開關磁阻電機設計了控制器[8]，功能框圖如圖9所示。系統供電為AC 220 V，經過整理濾波模塊后，轉換為310 V直流電源，功率模塊為兩相不對稱半橋結構[2]，通過電源模塊“DC 310 V/DC 15 V”得到功率管驅動電路所需的15 V電源，再由“DC 15 V/DC 5 V”獲得邏輯控制電路所需的5 V電源；邏輯控制電路根據檢測到的相電流及轉子位置，計算后發出控制邏輯；功率驅動電路根據邏輯控制電路的控制邏輯驅動不對稱半橋的功率管，并根據檢測到的電流實行限流保護。

圖9 控制器功能框圖

圖10 電機的定轉子以及控制器及角磨機測試圖

兩相開關磁阻電機樣機的定子及轉子實物如圖10(a)所示，圖10(b)為電機控制器，圖10(c)為裝配了電機及控制器的角磨機測試圖片。

3.2 測試分析

圖11 電機控制測試曲線

角磨機用兩相開關磁阻電機系統的測試曲線如圖11所示。圖11(a)為電機起動起始階段的電流波形，可以看出，控制器能夠對電機電流實現精確的控制；圖11(b)為電機起動過程中的電流波形，為了增大起動轉矩，實行兩相-一相的驅動方式，在電流換相期間，有電流重疊現象；圖11(c)為電機高速運行時的電流波形，此時電機轉速為24 000 r/min，采用關斷角優化的APC控制，電流較為平滑；圖11(d)為電機的效率曲線。由于測功機獲得的轉矩是經過冷卻風扇及減速器后的最終輸出值，所以整機效率的數值不高，但可以說明新的驅動系統的效果(曲線a為相同參數的串激電機驅動的角磨機效率，曲線b為兩相開關磁阻電機系統的效率)，也可以看出，開關磁阻電機在低負載下效率較高，而在額定負載下，開關磁阻電機的效率略低于串激電機。這說明兩相開關磁阻電機在較寬的范圍內具有效率優勢。

4 結 語

本文設計了電動角磨機用兩相開關磁阻電機、控制策略及硬件系統，通過試驗測試驗證了設計的驅動系統的可用性，效率比較曲線說明該電機驅動系統較串激電機具有效率優勢。

[1] 莊曉龍.單相串激電動機設計與制造[M].北京： 科學出版社,2012.

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

[3] 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.

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[6] 趙博.Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M].北京: 中國水力水電出版社，2010.

[7] 梅磊,范震乾,張廣明,等.軸向磁通開關磁阻電機參數設計方法[J].電機與控制應用,2014,41(3): 17-20.

[8] 陳堅，康勇.電力電子變換和控制技術[M].北京： 高等教育出版社，2011.

Design of Switched Reluctance Motor Drive System for Electric Angle Grinder

ZHANGYun1,WANGZhixue1,FUDongshan2,ZHAOBo1

(1.Key Laboratory of Automotive Electronics Technology of Shandong, Shandong Academy of Sciences Institute of Automation, Jinan 250014, China; 2.Electrical Engineering Institute, Shandong University, Jinan 250014, China)

Drive system of switched reluctance motor for an electric angle grinder was designed.Firstly, according to the characteristics of the application of the electric angle grinder, the basic structure of the two phase switched reluctance motor was designed.Meanwhile, the parameters of the motor were determined by the electromagnetic simulation optimization calculation; Then, according to the structure characteristics of the motor, the linear model of the motor was given and the calculation formula of the inductance and torque were given; Then, the synthetic torque model of the motor was given and the control method at low speed process was designed to meet the requirement of fast starting of the motor.Moreover, the efficiency optimization method and the control strategy of the motor were given; Finally, the design of the driving system was tested by experiments.

electric angle grinder; two phase switched reluctance motor; motor control

張 云(1977—)，男，博士研究生，研究方向為電機控制技術。

TM 352

A

1673-6540(2017)03- 0066- 05

2016 -06 -15