開關磁阻電動機的原理及控制研究

摘 要：隨著我國經濟的快速發展，開關磁阻電動機在我國得到了廣泛的發展和應用。本文針對開關磁阻電動機的原理及控制策略進行研究，為了得到較高的效率，將斬波信號出現位置和電感開始上升區位置之間的關系進行處理從而優化開通角，綜合考慮電機的輸出力矩，設計一套開關磁阻電機純硬件控制調速系統并通過實驗驗證。

關鍵詞：開關磁阻；電動機；原理及控制策略

1 SR電動機的原理

1.1 眾所周知，SR是一款雙凸極結構電機，主要由定子和轉子兩大部分組成。在定子齒極上繞有比較集中的線圈（即定子繞組），空間相對的兩個極上的線圈可并聯或串聯構成一相繞組，用來提供工作磁場。而轉子上卻沒有線圈。這是SR電機區別于其他電機的主要特點之一。

當轉子極數和定子極數構成不同搭配時，會得到不同相數的SR電機。譬如有單相、兩相、三相、四相等等。相數越大，轉矩脈動越小，但成本越高。

相對來說，雙相的SR電動機要比單相的好一些，因為它在一定程度下可以有自啟動能力。然而，為什么常見的SR電動機都是三相或者三相以上的呢？主要是因為低于三相的SR沒有自啟動能力。

SR電機的持續工作是基于“磁阻最小原理”。為了讓它良好的持續運行，避免出現單邊磁拉力和減小轉矩脈動，在選擇電機時應滿足以下幾點：①應盡量讓定子和轉子齒槽數相等且為偶數。這樣不僅可以加大定子相繞組電感隨轉角的平均變化率，而且還可以提高電機出力。②一般選用極數和相數越多的電機。

以下是以三相6/4極SR電動機為例來說明SR電動機工作原理的過程，如圖1， 圖2 ，圖3的運轉過程。

1.2 開關磁阻電機調速系統基本構成

開關磁阻電機調速系統主要由功率變換器、控制器、電流和位置檢測器以及開關磁阻電機組成。

SR電機是將電能轉換為機械能再給負載提供動力，它結構簡單，轉子上沒有繞組和電刷，卻有很好的調速性，因而在很多實際應用中代替無刷直流電機和三相異步電機。功率變換器是由工作于開關狀態的電力電子器件所組成，通過控制大功率開關器件的通斷，可以調節輸出到電機各相繞組上的PWM電壓波形，從而改變加在SRM上的供電電壓。控制器是SRD系統的控制中樞，它最核心部分是具有輸出PWM電壓波形的數字信號處理DSP芯片，其作用一方面是處理溫度傳感器信息并實現主電路的過流保護，另一方面是將檢測到的信息和控制信號通過PID處理后控制開關器件，實現SRM無級調速。檢測器有位置檢測和電流檢測兩種功能，位置檢測提供轉子的位置信息實現SRM準確速度控制，電流檢測實現SRM的過流保護。

2 SR電動機的控制方式及發展簡史

2.1 主要有以下三種控制方式：

2.1.1 角度位置控制（APC）

當加在繞組上的電壓一定時，通過改變繞組上主開關的開通角？茲on和關斷角？茲off，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。

2.1.2 電流斬波控制（CCC）

當電機低速運行或在啟動時，需對電流峰值進行限制，以避免過大的電流脈沖對功率開關器件及電機造成損壞，采用電流斬波控制，可以獲得恒轉矩機械特性，并通過每相繞組的特定導通位置實現電流的斬波控制。

2.1.3 電壓斬波控制（CVC）

電壓斬波控制是在保持開通角？茲on、關斷角？茲off不變的前提下，使功率開關器件工作在脈沖寬度調制（PWM）方式。當脈沖周期T 固定時，通過調節PWM波的占空比，來調整加在繞組兩端電壓的平均值，進而改變繞組電流的大小，實現對轉速的調節。

如圖4所示是開關磁阻電動機系統的模型圖：

2.2 SR電動機發展簡史

鑒于行業特征和歷史傳統原因，SRM電機在我國低速電機的研究開發領域中占據著舉足輕重的地位。從我國在上個世紀50年代率先推出電磁調速電機并將其應用于多單元印染聯合機開始；到60年代我國在科學技術的需求下從國外批量引進交流變頻器并應用于化纖機械；再到80年代中期，我國第一批從事開關磁阻調速電動機（SRD）的研制，都在以科技先導的角色積極走向市場。就目前而言，我國所研究開發的SRD已在市場上被廣泛的消費者所接受，并應用于機床、煤炭、石油、輕紡等各行業。

3 SR的硬件控制器相關組成模塊的介紹

3.1 開關磁阻電機頂層硬件模塊介紹

通常情況SRD系統在復位后，控制器仍不能正常工作。只有當控制端SWIC接收到命令時，控制器才會自行啟動。此時，計數器開始計數，系統開始運行。當控制器接收到6個PS信號后，系統會自動切換到常規模式。只有當它再次接收到上跳沿信號時，系統才能停止。

3.2 開關磁阻電機起動控制模塊介紹

由于電機轉子在初始時始終保持靜止狀態，導致在下達啟動命令后導通信息不可以馬上作用于控制系統。然而，電機的啟動一般是利用位置信號來直接輸出的。在剛啟動瞬間，電機的轉速和旋轉電動勢都是從零開始，這樣勢必會使相電流過大而損壞電機。但是，只要通過控制電流斬波則可以限制起動電流的幅值。

3.3 SVF格式配置文件介紹

很多嵌入式系統中都用到了FPGA/CPLD等可編程器件，在這些系統中利用SVF格式配置文件就可以方便地通過微控制器對可編程器件進行重新配置。目前，可編程芯片廠商的配套軟件都可以生成可編程器件的SVF格式配置文件。串行矢量格式（SVF）是一種用于說明高層IEEE 1149.1（JTAG）總線操作的語法規范。SVF由Texas Instruments開發，并已成為數據交換標準而被Teradyne，Tektronix等JTAG測試設備及軟件制造商采用。Xilinx的FPGA以及配置PROM可通過JTAG接口中TAP控制器接收SVF格式的編程指令。由于SVF文件由ASCII語句構成，它要求較大的存儲空間，并且存儲效率很低，無法勝任嵌入式應用。為了在嵌入式系統中充分利用其有限的存儲空間，并不直接利用SVF文件對可編程器件進行在系統編程，而是將SVF文件轉換成另一種存儲效率比較高的二進制格式的文件，把它存儲在數據存儲器中。Xilinx公司提供用于創建器件編程文件的iMPACT工具，該工具隨附于標準Xilinx ISETM軟件內。iMPACT軟件能自動讀取標準的BIT/MCS器件編程文件，并將其轉換為緊湊的二進制XSVF格式

本設計是基于“ARM處理器+FPGA”結構的重構控制器，重構控制器中的FPGA能夠根據ARM處理器傳送來的命令，對目標可編程器件JTAG接口進行控制，并負責解譯XSVF格式的配置文件信息，生成xilinx器件所用的編程指令、數據和控制信號（TMS，TDI，TCK序列）向目標可編程器件的JTAG TAP控制器提供所需的激勵，從而執行最初在XSVF文件內指定的編程和（可選的）測試操作。使目標可編程器件內的TAP狀態機進行狀態轉換，將指令和數據掃描到FPGA內部邊界掃描電路指令寄存器和數據寄存器中。完成一次目標可編程器件配置，實現用戶此時所要求功能，在下一時段，可根據用戶新的要求，調用重構控制器內部存儲器中的不同方案在系統重新配置目標可編程器件，這樣就實現了硬件復用，減少成本。

參考文獻

[1]潘劍飛，曹廣忠，王鑫.基于DSP的平面開關磁阻電機位置控制系統研究[J].微電機，2009，42（6）：38-42.