開關(guān)磁阻電機(jī)三種控制策略研究

摘 要：開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速便利，但是其雙凸結(jié)構(gòu)及電磁非線性特性嚴(yán)重制約它在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用?；谖恼略O(shè)計(jì)的TMS320LF28335的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，在不同矩速區(qū)實(shí)現(xiàn)了電流斬波控制、電壓斬波控制和角度位置控制三種控制模式。并分類闡述了三種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了其應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)；三種控制模式；開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1 概述

開關(guān)磁阻電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、成本低廉、控制參數(shù)多、效率高、適于高速與惡劣環(huán)境運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)越來越受到市場的喜愛，但是其電機(jī)本身其非線性與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大特點(diǎn)限制SR電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1]。文章中的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是以德州儀器公司的TMS320LF28335為控制器，響應(yīng)速度快、具有豐富的I/O口，能產(chǎn)生16路的PWM（脈寬調(diào)制），硬件結(jié)構(gòu)簡單。性能優(yōu)良。SR電機(jī)可控參數(shù)多、控制靈活，在對SR電機(jī)建立線性模型后，在不同勵(lì)磁方式，可分為三種不同的控制模式：電流斬波控制（CCC）、電壓斬波控制（CVC）、角度位置控制（APC）[2]。

2 SRD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱SRD）由開關(guān)磁阻電機(jī)、功率電路、控制器以及位置、電流檢測裝置組成，如圖1所示。

SR電機(jī)是開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件。功率電路把交流電變?yōu)殡姍C(jī)可接受脈沖直流電，在SRD系統(tǒng)中，功率電路具有十分重要的作用?？刂破魇荢RD系統(tǒng)的大腦。電流傳感器、位置傳感器提供的反饋信息都由控制器進(jìn)行分析處理，并據(jù)此對電路中IGBT的關(guān)斷作出判斷，實(shí)現(xiàn)對SR電機(jī)的控制，電流檢測：檢測電機(jī)相繞組的電流大小，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電流反饋信息。位置檢測：用絕對編碼器檢測定轉(zhuǎn)子相對位置，為控制器作出換相操作及計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速提供信號。

3 三種控制模式

開關(guān)磁阻電機(jī)可控參數(shù)多，包括電機(jī)相電壓UK、相電流iK、開通角θon和關(guān)斷角角θoff等參數(shù)，根據(jù)不同的矩速區(qū)采取不同的控制方式，通常分為以下三種控制方式：電流斬波控制（Current Chopping Control，簡稱CCC）、電壓斬波控制方式（Chopping Voltage Control 簡稱CVC）、角度位置控制（AngularPositionContro，簡稱APC），在不同的轉(zhuǎn)速采用不同的控制方式，下邊我們詳細(xì)介紹我們系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)這三種控制方法。

3.1 電流斬波控制（CCC）

在啟動(dòng)時(shí)或者電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢較小，電機(jī)繞組電流上升很快并迅速達(dá)到峰值，為了避免過大的電流對IGBT及電機(jī)繞組造成損害，需要對電流峰值進(jìn)行限定，因此可以采用電流的斬波控制，獲取低轉(zhuǎn)速下恒轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性[3]。

文章設(shè)計(jì)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基于TMS320LF28335為控制器，其控制方法：設(shè)定相電流的上限值imax與電流下限值imin及相應(yīng)的電壓值Umax與Umin，然后通過霍爾傳感器所獲的電流值經(jīng)過相應(yīng)的信號調(diào)理后轉(zhuǎn)換為電壓信號，采集到的電壓信號與設(shè)定的電壓上下限值進(jìn)行比較，如果該電壓值大于設(shè)定的電壓下限值，功率電路相應(yīng)導(dǎo)通的功率開關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)電流隨之增大，電壓值也大；在電壓信號增大的期間電壓信號一直反饋到電路，當(dāng)電壓值大于到Umax時(shí)，功率電路相應(yīng)導(dǎo)通相功率開關(guān)關(guān)斷，電流開始減小，電壓相應(yīng)的下降。這樣反反復(fù)復(fù)通過IGBT的關(guān)斷導(dǎo)通將電壓值限定在最大值與最小值之間，相應(yīng)的其電流限定在我們設(shè)定的上下限之間。只要轉(zhuǎn)速限定在我們的設(shè)計(jì)要求下就就形成了電流斬波圖形，對換相后的繞組仍然采用電流斬波控制。

3.2 電壓斬波控制（CVC）

電壓斬波控制是固定開通角θon、關(guān)斷角θoff不變，對功率開關(guān)器件IGBT采用PWM工作模式。我們固定脈沖的周期不變，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)整加在繞組兩端電壓平均值，從而改變繞組電流有效值大小。增大脈沖頻率會(huì)使電流波形更加的平滑、電機(jī)出力增大、噪聲減小，但對功率開關(guān)器件工作頻率要求會(huì)越來越高，經(jīng)濟(jì)性也隨之增加[4]。

在系統(tǒng)中，霍爾傳感器采集到轉(zhuǎn)子的位置信號通過信號調(diào)理電路后傳到控制器?？刂破鞲鶕?jù)根據(jù)霍爾信號計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速做為內(nèi)環(huán)的反饋，然后對判斷下一額階段A、B、C三相導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)行判斷，據(jù)此推出其開通角與關(guān)斷角。外環(huán)速度換的輸出信號作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的輸入信號。另外，采集到的電流信號發(fā)送到控制器DSP上，作為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的實(shí)時(shí)輸入信號。系統(tǒng)PI輸出最終會(huì)改變PWM波的脈沖寬度。從而改變電機(jī)繞組相電流有效值。

3.3 角度位置控制（APC）

角度位置控制是指在繞組電壓一定的情形下，通過改變開通角θon和關(guān)斷角θoff來改變繞組通電、斷電時(shí)刻，調(diào)節(jié)相電流的波形。從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

本系統(tǒng)利用DSP定時(shí)器捕獲單元檢測SR電機(jī)的位置信號的跳沿，根據(jù)捕獲信號計(jì)算信號周期與電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)利用它的比較單元在不受中斷的影響下，按設(shè)定角度輸出角度位置信號控制脈沖[5]。

對于霍爾傳感器傳上來的位置信號特別重要。首先位置信號要為角度位置控制提供初始信號，我們用過DSP計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速也是通過捕獲一個(gè)周期的位置信號來計(jì)算，所以角度位置控制特別依賴位置信號的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)束語

電流斬波控制適合電機(jī)低速運(yùn)行階段，具有簡單直接、可控性好的特點(diǎn)。與電壓斬波方式相比具有較小的開關(guān)損耗、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)可靠，適合轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它的缺點(diǎn)明顯：斬波頻率不固定，隨著繞組電流誤差的變化而變化，不利于電磁噪聲的消除。

電壓斬波控制適用于高速和低速運(yùn)行，系統(tǒng)在有負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，會(huì)做出較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。缺點(diǎn)是低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。

角度位置控制不適合低速運(yùn)行，一般適用于較高轉(zhuǎn)速的控制。角度位置控制的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩范圍大，同時(shí)可以通過角度優(yōu)化使電機(jī)在不同負(fù)載下保持較高地效率。

參考文獻(xiàn)

[1]吳紅星.開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]王宏華.開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]王俊利.開關(guān)磁阻電機(jī)的電流斬波控制[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013.

[4]榮曉明.基于dspace的開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].天津工業(yè)大學(xué)，2014.

[5]蔣冬青，朱學(xué)忠.高速開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)角度位置控制實(shí)現(xiàn)方法研究[J].微電機(jī)，2008.