基于ＤＳＰ開關磁阻電機調速系統中功率變換器的設計

摘要：該文介紹了基于DSP開關磁阻電機調速系統中功率變換器形式的選擇，給出了本系統中功率電路工作原理，同時還給出了功率變換器主開關管的類型選用方法。

關鍵詞：開關磁阻電機；功率變換器；功率電路

中圖分類號：TM352文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)35-2286-01

Power Converter Designing of Switched Reluctance Drive Based on DSP

ZHANG Shu-fang1，2， OUYANG Yi-ming1， HAN Jun1，2

(1.School of Computer and Information， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China; 2.Department of Electronic and Electric Engineering， Suzhou College， Suzhou 234000， China)

Abstract: The paper introduces type choosing of power converter for switched reluctance machine based on DSP， the working principle of power circuit is given. Meanwhile， this paper discusses how to decide the type of switcher of power converter.

Key words: switched reluctance machine; power converter; power circuit

1 引言

近年來開關磁阻電動機調速系統（Switched Reluctance Drive，SRD）以其結構簡單、堅固、成本低、工作可靠、控制靈活、運行效率高、適于高速與惡劣環境運行等優點，已經逐漸成為研究領域的熱門課題之一。電子信息領域的新型高科技產品數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）的出現，也使電機控制在越來越多的行業發揮著重要作用。

基于DSP的開關磁阻電機調速系統是由開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor， SRM）、功率變換電路、DSP控制器、位置檢測電路、電流檢測電路、信號轉換和濾波電路、顯示電路等組成。本系統的硬件框圖如圖1所示。

功率變換器是SRD系統的關鍵組成部分，它所起的主要作用有：開關作用，使繞組與電源接通或斷開;為繞組的儲能提供回饋路徑;為電機的運行提供電能量，能滿足所需機械能的轉換。[1]合理的設計功率變換器對開關磁阻電機調速系統起著至關重要的作用。

2 功率變換器形式的選擇

一個理想的功率變換器主電路結構形式應同時具備如下條件：

1) 最少數量的主開關元件；

2) 可將全部電源電壓加給電動機相繞組；

3) 主開關器件的電壓額定值與電動機接近；

4) 具備迅速增加相繞組電流的能力；

5) 可通過主開關器件調制，有效地控制相電流；

6) 在繞組磁鏈減少的同時，能將能量回饋給電源。[2]

常用的幾種功率變換器形式有：

1) 雙開關式

雙開關式功率變換器每相有兩只主開關和兩只續流二極管。當兩只主開關同時導通時，電源向電機相繞組供電；同時關斷時，相電流經續流二極管續流，將電機磁場儲能以電能形式迅速回饋電源，實現強迫換相。

2) 雙繞組式

每相有主、副兩個繞組，主、副繞組雙線并繞，同名端反接，其匝比為1：1。主開關導通時，電源對主繞組供電;當其關斷時，靠磁耦合將主繞組的電流轉移到副繞組，通過二極管續流，向電源迅速回饋電能，實現強迫換相。[3]

3) H橋式

換相時相磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一瞬間必須上、下各有一相導通，此方式的優點是可以實現零壓續流，提高系統控制性能。

這些電路都各有優缺點和適用場合，在文獻[4]中有詳細介紹。但從使用效果來說最常用的是不對稱半橋型和電容裂相型。若采用電容裂相功率電路，由于各相電流的不對稱很難避免，這就會造成電容電壓發生偏差，勢必影響到電機的運行，當電壓偏差過大超過電容的耐壓值時，導致電容損壞而使系統不能運行；另外，這種主電路因為每相只有一個主開關管，因而存在著上、下橋臂直通的故障隱患。文獻[5]，選擇了目前在國內應用較多的不對稱半橋式電路，以便于增加與其它控制電路的通用性。

綜合考慮本系統性能，選用H橋式功率電路。

3功率電路工作原理

本文設計的H橋式功率電路如圖2所示。

A，B，C，D為SR電動機四相繞阻，P1-P4為續流二極管，K1-K4為智能模塊IPM。AB，CB，CD，AD兩相同時通電，循環導通工作。若K1，K3同時導通，則A，B相通電。若K1關斷，K2閉合，則A相關斷，C相開始導通，此時，A相繞組將通過二極管P1續流，C相繞組也構成回路，使B相電流增大，中性點電位必然增高，促使A相續流迅速衰減，強行換相。緊接著關斷K3，開通K4，則C，D相導通，依次循環導通，電機就連續運行起來。[6]

4 功率變換器主開關管的選擇

普通晶閘管、大功率晶體管（GTR）、可關斷晶閘管（GTO）、MOS場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）都可以用來構成SRD功率變換器的主開關器件。

普通晶閘管是在初期最經常使用，并且價格比較便宜，但是因為沒有自關斷能力，開關頻率低，強迫換相電路成本高、可靠性差，故不適宜做功率電路中開關元件。

雙極型功率晶體管（GTR）的開關頻率高，具有自關斷能力，但其電壓、電流過載能力差，承受浪涌電流的能力差，存在二次擊穿現象，不易保護; 可關斷晶閘管（GTO）在關斷控制實現方面有難度，并存在管壓降比普通晶閘管高等不足，因此作為功率電路的開關的應用并不廣泛。

功率場效應管（MOSFET）是一種單極型的電壓控制器件，具有驅動電路簡單、開關速度快、熱穩定性好等優點，但是容量有限制，比較適用于低電壓、小功率的開關磁阻電機系統中。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是80年代出現的新型復合開關器件，它綜合了MOSFET和GTR的優點，具有工作頻率較高，控制實現比較簡單，而且單管的電壓定額與電流定額也已經做得很大，已經可以滿足對本系統功率器件的要求，因此這里SRD功率變換器的主開關器件選用IGBT。

5 結束語

本設計采用了H橋式電路，經過實際制作和實驗，證明各元件的選型正確，性能安全可靠，完全滿足本試驗中SRD的要求，并在一定程度上減小了轉矩脈動和噪聲，而且相數擴充容易，可以作為設計參考。功率變換器是開關磁阻電機調速系統的重要組成部分，它的設計是提高SRD性能的關鍵因素之一。因此依據所設計的系統合理地選擇功率變換器的形式及其開關元件是非常重要的一步。

參考文獻：

[1] 霍紅義，李雷軍.幾種新型的SRM功率變換器[J].實用技術，2002(1):38-39.

[2] 楊岳峰，張奕黃.SRM常見的幾種功率變換器主電路及原理[J].電機電器技術，2003(2):19-20.

[3] 陳昊，謝桂林，張超.開關磁阻電機功率變換器主電路研究[J].電力電子技術，2000(6):22-25.

[4] 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，1995.

[5] 敬勇，秦亞龍，黃明遠.30kW開關磁阻電機調速功率變換器的設計[J].現代電力，2006(3):113-117..

[6] 張淑芳，韓君.基于DSP芯片TMS320F240的開關型磁阻電動機調速的研究[J].宿州學院學報，2008，6(3):89-90.