開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)分析與應(yīng)用展望

袁佳寶

摘 要：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是將控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)和開關(guān)型磁阻電機(jī)融合于一體的綜合性系統(tǒng)，具有構(gòu)成簡(jiǎn)潔、堅(jiān)固、耐用、可靠等優(yōu)點(diǎn)。基于此，本文首先介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，然后對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了分析與展望，闡明了該技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；技術(shù)分析；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）07-0069-02

Technical Analysis and Application Prospect of Switched Reluctance

Motor Speed Control System

YUAN Jiabao

（China Airborne Missile Academy， Luoyang Henan 471000）

Abstract： Switched Reluctance Drive is a comprehensive system that integrates control technology， modern power electronics technology and switched reluctance motor. It has the advantages of simplicity， firmness， durability and reliability. Based on this， this paper first introduced the main characteristics of switched reluctance Drive， and then analyzed and prospects the application of switched reluctance motor speed regulation system in different fields， and illustrated the application value of the technology in various industries.

Keywords： Switched Reluctance Drive；technical analysis； application

1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)具有高可靠性，電路簡(jiǎn)潔穩(wěn)定

首先，由于磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向與線圈電流方向無(wú)關(guān)，只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個(gè)功率開關(guān)。其次，從控制器結(jié)構(gòu)上看，各相電路各自給一相繞組供電，一般是獨(dú)立工作的。系統(tǒng)在任何時(shí)候都可以缺相運(yùn)行，容錯(cuò)能力較高。最后，整個(gè)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中每個(gè)功率開關(guān)元件與繞組的連接方式都是串聯(lián)，直接避免了直通短路現(xiàn)象的出現(xiàn)，再次簡(jiǎn)化了保護(hù)電路，在保證工作可靠性的同時(shí)降低了成本。經(jīng)濟(jì)可靠的特點(diǎn)使其作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、起動(dòng)電機(jī)等適用于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)、航空航天飛機(jī)領(lǐng)域等。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性高，可在極限速度和復(fù)雜多變的環(huán)境下運(yùn)行

定子方面，開關(guān)磁阻電機(jī)只有幾個(gè)集中的繞組，線圈易于安裝，端部短而牢固，因此，制造簡(jiǎn)便，絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且發(fā)熱大部分在定子，易于冷卻。轉(zhuǎn)子方面，由于繞組沒有嵌裝在轉(zhuǎn)子上，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了機(jī)械強(qiáng)度，使其可用于極限速度運(yùn)轉(zhuǎn)（如10 000r/min）。

1.3 調(diào)速性能優(yōu)異，可控參數(shù)多

控制開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的四種主要運(yùn)行參數(shù)為：相關(guān)斷角、相開通角、相繞組電壓和相電流幅值。可控參數(shù)多就是說(shuō)可以根據(jù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要求和電動(dòng)機(jī)的情況，采用不同控制方法和參數(shù)值，在實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行要求和特定功能的同時(shí)，保證系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)（如效率最高、輸出最大等）。

1.4 系統(tǒng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，起動(dòng)電流低

更小的輸入能帶來(lái)更大的輸出是該系統(tǒng)的一大亮點(diǎn)。例如，輸入15%額定電流時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%的額定轉(zhuǎn)矩；輸入30%額定電流時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩150%的額定值。故此，在大載荷起動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間低速高負(fù)載運(yùn)行的環(huán)境（如載重機(jī)械，吊裝設(shè)備等）中，該調(diào)速系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.5 效率高，損耗小

整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔靈活，電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)繞組銅損，電機(jī)的可控參數(shù)多等優(yōu)異的性能使其在控制中轉(zhuǎn)速范圍大，承載能力強(qiáng)，是一種高效經(jīng)濟(jì)的調(diào)速系統(tǒng)[1]。

1.6 適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運(yùn)行

系統(tǒng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、電流低，故大大減小了起動(dòng)過(guò)程中電流過(guò)沖的可能，相較連續(xù)額定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)和控制器發(fā)熱更小。可控參數(shù)多，使其能在制動(dòng)運(yùn)行階段同電動(dòng)運(yùn)行階段一樣具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸輸出能力和工作特性。故此，在頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運(yùn)行（如次數(shù)1 000次/h）等條件下開關(guān)磁阻電機(jī)必然能勝任。

當(dāng)然，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也存在明顯的不足：轉(zhuǎn)矩震顫大、噪音明顯。但是，隨著各行業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、控制等技術(shù)的進(jìn)步，必然能將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩震顫及噪音問(wèn)題控制在能夠接受的范圍內(nèi)。

2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用分析及展望

2.1 無(wú)位置傳感器技術(shù)的研究

開關(guān)磁阻電機(jī)是位置閉環(huán)系統(tǒng)，但位置傳感器是其重要組成部分，位置傳感器的存在，使開關(guān)磁阻電機(jī)的整體設(shè)計(jì)更加復(fù)雜且運(yùn)行可靠性降低。故此，最近幾年，行業(yè)中涌現(xiàn)出了不少無(wú)位置傳感器檢測(cè)方案。其設(shè)計(jì)思路大體分為4類：①非導(dǎo)通相檢測(cè)法，例如：?jiǎn)蜗嗝}沖激勵(lì)法、兩相脈沖激勵(lì)法等；②導(dǎo)通相檢測(cè)法，例如：磁鏈法、狀態(tài)觀測(cè)器檢測(cè)法、電流波形檢測(cè)法和相間互感檢測(cè)法等；③附加元件檢測(cè)法，例如：附加線圈檢測(cè)法、附加電容檢測(cè)法等；④基于智能控制檢測(cè)法，例如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊控制法等。

2.2 現(xiàn)代理論在開關(guān)磁阻電機(jī)控制中的應(yīng)用

目前，開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)均基于簡(jiǎn)化的線性模型采用線性控制理論設(shè)計(jì)。但由于該電機(jī)的非線性特性，使其難以產(chǎn)生良好的系統(tǒng)性能。故此，全新的開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用中將引入非線性控制理論。此外，如模糊控制、模糊控制與PI控制結(jié)合在一起的混合式調(diào)節(jié)、滑模控制、自適應(yīng)控制、線性回饋控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等理論也在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制中得到了應(yīng)用。

2.3 全新開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型的研究

要想提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能分析和電機(jī)效率評(píng)估、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型的精準(zhǔn)描述與建立至關(guān)重要。目前，各種數(shù)學(xué)模型被提出，優(yōu)先發(fā)展起來(lái)的磁鏈模型和先后建立起來(lái)的機(jī)電聯(lián)系模型可分為三類：非線性模型、準(zhǔn)線性模型和線性模型。鑒于非線性程度高的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，開關(guān)磁阻電機(jī)需采用更加接近真實(shí)特性的非線性模型。Spong等學(xué)者提出了一種連續(xù)非線性模型，在反映開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)際的電磁特性中表現(xiàn)優(yōu)異；Bortoff和Milman等學(xué)者也提出了一種非線性機(jī)電聯(lián)系模型，并成功在自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用[2]。

2.4 在特殊集成電路及微處理器上的應(yīng)用

早期系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為單一，以采用模擬電路控制為主，其實(shí)時(shí)性相對(duì)較差，故在后來(lái)發(fā)展中逐漸采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字實(shí)時(shí)控制，使系統(tǒng)更加高效、可靠。在微機(jī)控制中，目前單片機(jī)的應(yīng)用己從8位單片機(jī)發(fā)展到16位單片機(jī)，相信雙16位或32位的單片機(jī)亦將于不久問(wèn)世。硬件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化、產(chǎn)品的模塊化生產(chǎn)是行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，故開關(guān)磁阻電機(jī)全系統(tǒng)集成化也是研究方向之一。

2.5 對(duì)轉(zhuǎn)矩震顫抑制的研究

開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩震顫大、噪音明顯是其較為突出的缺點(diǎn)，研究如何抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩震顫和噪音是提高其性能的重要議題之一。若想消除開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩震顫，主要從兩方面研究入手：電機(jī)控制和電機(jī)設(shè)計(jì)。控制方面，Wu CY等提出了“兩步換相法”“混合激勵(lì)法”等方法。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，多集中于極弧參數(shù)、氣隙的合理選擇，以及電機(jī)剛度、定子磁軛強(qiáng)度和雙凸極形狀的合理設(shè)計(jì)等[3]。最近幾年，人工智能得到大力發(fā)展，能否將其融入到抑制轉(zhuǎn)矩震顫中也是行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究背景及意義，簡(jiǎn)單介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展史，概括分析了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)組成及研究方向。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一門綜合了電機(jī)學(xué)、電子學(xué)及控制理論等眾多學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)，由于涉及領(lǐng)域廣，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)早已廣泛應(yīng)用于家電行業(yè)，航空航天業(yè)及智能控制等各個(gè)領(lǐng)域。隨著對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)認(rèn)識(shí)的深入，其應(yīng)用范圍必將更為廣泛。

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