電動角磨機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

張 云， 王知學(xué)， 付東山， 趙 波

(1.山東省科學(xué)院自動化研究所 山東省汽車電子技術(shù)重點(diǎn)實驗室，山東 濟(jì)南 250014；2.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

電動角磨機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

張 云1， 王知學(xué)1， 付東山2， 趙 波1

(1.山東省科學(xué)院自動化研究所 山東省汽車電子技術(shù)重點(diǎn)實驗室，山東 濟(jì)南 250014；2.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

設(shè)計了電動角磨機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。首先，根據(jù)電動角磨機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計了兩相開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，通過電磁仿真優(yōu)化計算，確定了電機(jī)的各項參數(shù)；然后，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了線性化的電機(jī)模型，并給出了電感及轉(zhuǎn)矩的計算公式；接著，給出了電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩模型，設(shè)計了低速控制方法，滿足電機(jī)快速起動要求，并給出了電機(jī)高速運(yùn)行時的效率優(yōu)化方法及控制策略；最后，通過試驗測試了設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)。

電動角磨機(jī)； 兩相開關(guān)磁阻電機(jī)； 電機(jī)控制

0 引 言

當(dāng)前電動角磨機(jī)中大量使用的串激電機(jī)[1]存在一些不足之處：電源直接供電，起動電流大；串勵驅(qū)動，轉(zhuǎn)矩特性軟；轉(zhuǎn)子上有勵磁繞組，生產(chǎn)工藝復(fù)雜；需要頻繁更換電刷，使用不便。

開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高；轉(zhuǎn)子上只有硅鋼片，沒有繞組，工藝簡單、生產(chǎn)成本低[2]；控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置控制繞組電流，無須電刷，方便使用；起動電力小，調(diào)速性能及轉(zhuǎn)矩特性好。電動角磨機(jī)一般工作于較高的轉(zhuǎn)速，并且只做單方向旋轉(zhuǎn)，將兩相開關(guān)磁阻電機(jī)用于電動角磨機(jī)中，能夠很好地利用開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)良的高速性能，避開其低速轉(zhuǎn)矩脈動大的缺點(diǎn)。

由電機(jī)理論知，兩相開關(guān)磁阻電機(jī)不具備雙向旋轉(zhuǎn)的自起動能力[3]，特殊設(shè)計的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可使電機(jī)單向起動[4]。本文面向電動角磨機(jī)，設(shè)計了具有自起動能力的單轉(zhuǎn)向兩相開關(guān)磁阻電機(jī)，給出了該電機(jī)的線性模型，提出了起動運(yùn)行及高速控制的策略，設(shè)計了硬件控制系統(tǒng)，并通過試驗驗證了設(shè)計的兩相開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用于電動角磨機(jī)的優(yōu)越性。

1 電動角磨機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計

電動角磨機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入電源為AC 220 V，控制器、電機(jī)、風(fēng)扇位于角磨機(jī)的圓筒形腔體內(nèi)，電機(jī)輸出軸上固定風(fēng)扇，與電機(jī)同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，為電機(jī)及其控制器散熱。電機(jī)一般工作于20 000 r/min以上，通過減速器驅(qū)動砂輪片，輸出約為6 000 r/min的機(jī)械轉(zhuǎn)速。

圖1 電動角磨機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)設(shè)計的兩相開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩的連續(xù)性，轉(zhuǎn)子采用大極弧系數(shù)結(jié)構(gòu)，使兩相繞組電感的上升區(qū)域有重合部分，從而保證在任意時刻都有驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。

圖2 兩相開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)

另一方面，由于兩相繞組電感的上升區(qū)域重疊，則在該區(qū)域內(nèi)，兩相繞組出力相同，電機(jī)無法自起動，為此，轉(zhuǎn)子齒設(shè)計為階梯結(jié)構(gòu)，如圖3所示。電感重疊區(qū)域兩相繞組電感的斜率不同，相同的驅(qū)動電流下，電機(jī)轉(zhuǎn)向電感斜率較大的繞組方向，從而保證了電機(jī)的單向起動性能。

圖3 兩相開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子尺寸

根據(jù)電動角磨機(jī)的性能要求，電機(jī)的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)的設(shè)計參數(shù)

根據(jù)表1提供的電機(jī)基本參數(shù)，通過多次有限元優(yōu)化仿真計算[5-6]，最終確定電機(jī)采用8/4極定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子極弧系數(shù)為0.5，定子內(nèi)徑為53.6 mm，定子軛厚為8 mm，繞組匝數(shù)為38，轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵尺寸如圖3所示。電機(jī)兩相分別通5 A電流時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性如圖4所示。由圖4可知，采用適當(dāng)?shù)目刂品绞剑姍C(jī)在任何轉(zhuǎn)子位置都具備自起動能力。

圖4 兩相通5 A電流時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線

2 兩相開關(guān)磁阻電機(jī)控制

2.1 兩相開關(guān)磁阻電機(jī)的線性模型分析

根據(jù)文獻(xiàn)[2]中提出的開關(guān)磁阻電機(jī)線性模型的分析方法，給出兩相開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組電感隨轉(zhuǎn)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(qū)域、電感緩慢上升區(qū)域、電感快速上升區(qū)域、電感最大區(qū)域、電感快速下降區(qū)域。

圖5 開關(guān)磁阻電機(jī)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(zhuǎn)子位置周期性變化。圖2中的電機(jī)轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)，以Lb為例，定義電感曲線的關(guān)鍵位置：定子齒中心線與轉(zhuǎn)子槽中心線重合的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)θ0；θ9位置為轉(zhuǎn)子小氣隙齒面區(qū)域完全離開定子齒面的時刻，電感Lb開始進(jìn)入最小值區(qū)域；θ1位置為轉(zhuǎn)子大氣隙齒面區(qū)域開始面對定子齒面的時刻，繞組電感進(jìn)入緩慢上升區(qū)域，斜率為K1；θ4位置為轉(zhuǎn)子小氣隙齒面區(qū)域開始面對定子齒面的時刻，繞組電感進(jìn)入快速上升區(qū)域，斜率為K2；θ7位置為轉(zhuǎn)子小氣隙齒面區(qū)域完全面對定子齒面的時刻，進(jìn)入電感最大區(qū)域；θ8位置為轉(zhuǎn)子小氣隙齒面區(qū)域開始離開定子齒面的時刻，繞組電感進(jìn)入快速下降區(qū)域，斜率為K3(K3<0)；之后又到達(dá)θ9位置。

線性模型中，電感Lb隨轉(zhuǎn)子位置角變化為

(1)

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

(2)

對于給定電流i，該相的磁鏈方程為

(3)

轉(zhuǎn)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(qū)和另一相繞組電感的緩慢上升區(qū)有一定的重合，電機(jī)轉(zhuǎn)子在任何位置都能夠自起動。

假設(shè)在電機(jī)每相電感上升區(qū)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(zhuǎn)矩曲線如圖6所示。隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，電機(jī)轉(zhuǎn)矩由三段構(gòu)成，T3為電流i在繞組電感緩慢上升區(qū)域產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，T2為電流i在繞組電感快速上升區(qū)域產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，T1為電流i在兩相繞組電感上升區(qū)域重合時產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩。

圖6 固定電流i時，線性模型兩相合成轉(zhuǎn)矩

根據(jù)式(4)給出的轉(zhuǎn)矩方程，在起動及低速運(yùn)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(jìn)行PI控制，沒有考慮電感上升重疊區(qū)域共同出力的情況，雖然可能產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩脈動，但是能夠快速完成起動過程。

圖7 兩相開關(guān)磁阻電機(jī)低速控制框圖

圖7中，根據(jù)實際起動要求，設(shè)置起動過程中目標(biāo)轉(zhuǎn)速v的變化規(guī)律，使其以一定的加速度平穩(wěn)達(dá)到高速運(yùn)行控制過程，v與反饋轉(zhuǎn)速比較后輸入到轉(zhuǎn)速PI控制器中，得到起動電流；各相的開通關(guān)斷角判斷模塊θon/θoff根據(jù)轉(zhuǎn)子位置θ的變化，在該相繞組電感處于上升區(qū)域時，控制電流跟蹤目標(biāo)電流i*，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。

2.3 高速控制

開關(guān)磁阻電機(jī)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(zhuǎn)子位置角θ和電流ik的函數(shù)；

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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使繞組交鏈的磁鏈發(fā)生變化而引起的旋轉(zhuǎn)電動勢。

在電機(jī)起動過程后期，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，旋轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)達(dá)到飽和，失去對電流的控制作用，電機(jī)進(jìn)入高速運(yùn)行階段。此時必須采用高速控制方法，為此本文設(shè)計了電流限幅角度位置轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略，如圖8所示。

圖8 電流限幅角度位置轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略

圖8中，轉(zhuǎn)速PI輸出為每相的開通角，通過功率管驅(qū)動邏輯控制功率管的開關(guān)，用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；限流比較環(huán)節(jié)，將檢測到的各相電流與設(shè)定的電流最大限制值相比較，如電流過大則關(guān)閉功率管，避免電流過大損壞控制器。

由圖5電機(jī)線性模型的繞組電感曲線可知，當(dāng)繞組電感位于下降區(qū)時，電流將產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的效率。這時關(guān)斷角計算模塊檢測繞組電感最大區(qū)域結(jié)束時的電流是否為0，進(jìn)而調(diào)整關(guān)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(qū)動電機(jī)而不產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩。

3 試驗測試

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

針對兩相開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計了控制器[8]，功能框圖如圖9所示。系統(tǒng)供電為AC 220 V，經(jīng)過整理濾波模塊后，轉(zhuǎn)換為310 V直流電源，功率模塊為兩相不對稱半橋結(jié)構(gòu)[2]，通過電源模塊“DC 310 V/DC 15 V”得到功率管驅(qū)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(jù)檢測到的相電流及轉(zhuǎn)子位置，計算后發(fā)出控制邏輯；功率驅(qū)動電路根據(jù)邏輯控制電路的控制邏輯驅(qū)動不對稱半橋的功率管，并根據(jù)檢測到的電流實行限流保護(hù)。

圖9 控制器功能框圖

圖10 電機(jī)的定轉(zhuǎn)子以及控制器及角磨機(jī)測試圖

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

3.2 測試分析

圖11 電機(jī)控制測試曲線

角磨機(jī)用兩相開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的測試曲線如圖11所示。圖11(a)為電機(jī)起動起始階段的電流波形，可以看出，控制器能夠?qū)﹄姍C(jī)電流實現(xiàn)精確的控制；圖11(b)為電機(jī)起動過程中的電流波形，為了增大起動轉(zhuǎn)矩，實行兩相-一相的驅(qū)動方式，在電流換相期間，有電流重疊現(xiàn)象；圖11(c)為電機(jī)高速運(yùn)行時的電流波形，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，采用關(guān)斷角優(yōu)化的APC控制，電流較為平滑；圖11(d)為電機(jī)的效率曲線。由于測功機(jī)獲得的轉(zhuǎn)矩是經(jīng)過冷卻風(fēng)扇及減速器后的最終輸出值，所以整機(jī)效率的數(shù)值不高，但可以說明新的驅(qū)動系統(tǒng)的效果(曲線a為相同參數(shù)的串激電機(jī)驅(qū)動的角磨機(jī)效率，曲線b為兩相開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的效率)，也可以看出，開關(guān)磁阻電機(jī)在低負(fù)載下效率較高，而在額定負(fù)載下，開關(guān)磁阻電機(jī)的效率略低于串激電機(jī)。這說明兩相開關(guān)磁阻電機(jī)在較寬的范圍內(nèi)具有效率優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了電動角磨機(jī)用兩相開關(guān)磁阻電機(jī)、控制策略及硬件系統(tǒng)，通過試驗測試驗證了設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)的可用性，效率比較曲線說明該電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)較串激電機(jī)具有效率優(yōu)勢。

[1] 莊曉龍.單相串激電動機(jī)設(shè)計與制造[M].北京： 科學(xué)出版社,2012.

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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(jī)控制技術(shù)。

TM 352

A

1673-6540(2017)03- 0066- 05

2016 -06 -15