軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電流斬波控制研究

臧平宇，張廣明，梅 磊

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電流斬波控制研究

臧平宇，張廣明，梅 磊

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

以軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為對(duì)象，介紹了軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制技術(shù)，包括軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理和軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的三種基本控制方法，即電壓斬波控制、電流斬波控制和角度位置控制，并在軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)上應(yīng)用電流斬波控制方法進(jìn)行研究。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)；控制方法；角度位置控制

軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高、容錯(cuò)能力強(qiáng)以及高速運(yùn)行能力[1]得到越來(lái)越多的關(guān)注和認(rèn)可，其突出的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子定子由硅鋼片迭壓而成，堅(jiān)固、機(jī)械強(qiáng)度高，對(duì)溫度很不敏感，所以開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)能夠在高溫、高速的惡劣環(huán)境下運(yùn)行[2]。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，且定子只有幾個(gè)集中繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，在制造和使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)鑄造不良和斷條等問(wèn)題。目前軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展在汽車、航空航天領(lǐng)域等起到越來(lái)越重要的作用。本文介紹了軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制技術(shù)，包括軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理和軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的三種基本控制方法。

1 軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要包括軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、驅(qū)動(dòng)控制器、檢測(cè)單元，如圖1所示。

圖1 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

圖1中SRM為軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，繼承了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)，不同的是軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位于定子上方，形成軸向結(jié)構(gòu)，在整個(gè)SRM調(diào)速系統(tǒng)中起到實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的作用部件。四相6/4極軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)如圖2，電機(jī)由簡(jiǎn)單繞組的定子和無(wú)繞組的轉(zhuǎn)子組成，并被設(shè)計(jì)成雙凸極的結(jié)構(gòu)形式，主要是為了增加出力。轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成，既無(wú)繞組也無(wú)永磁體；定子各極上有集中繞組，徑向相對(duì)極的繞組串聯(lián)，構(gòu)成一相，其工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，從而迫使磁路上的導(dǎo)磁體運(yùn)動(dòng)到使磁阻最小的位置[3]。

圖2 四相6/4極軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

1.2 功率變換器

軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)所需能量由功率變換器提供，由直流電供電，分為蓄電池供電或交流電通過(guò)整流后供電。當(dāng)采用交流電源供電時(shí)，需要對(duì)交流電整流，功率電路包括整流電路和逆變電路；當(dāng)采用直流電源供電時(shí)，功率電路則僅包括逆變電路[4]。由于軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)繞組電流的方向是單一的，如此功率變換器電路結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)形式和電機(jī)的相數(shù)與繞組有關(guān)，并且開(kāi)關(guān)器件的好壞也會(huì)影響到開(kāi)關(guān)磁阻控制系統(tǒng)的性能。功率變換器除了向電機(jī)傳輸電能以外，還起到開(kāi)關(guān)作用和向繞組回饋電能的作用。

1.3 驅(qū)動(dòng)控制器

驅(qū)動(dòng)控制器是軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的核心，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)綜合處理位置檢測(cè)器、電流檢測(cè)器提供的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反饋信號(hào)及外部輸入命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸向磁通(SR)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制，是軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SRD)的指揮中樞。然后對(duì)功率變換器發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)功率變換器對(duì)軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，是SRD的指揮中樞，驅(qū)動(dòng)控制器性能的好壞將決定電機(jī)運(yùn)行的性能[5]。驅(qū)動(dòng)控制器一般由單片機(jī)或DSP芯片以及外圍接口電路組成，其必須實(shí)現(xiàn)的功能有：電流斬波控制(即CCC控制，又叫電流PWM控制)；角度位置控制(即APC控制，又叫單脈沖控制)；起動(dòng)、制動(dòng)、停車及四象限運(yùn)行；速度調(diào)節(jié)。

1.4 檢測(cè)單元

檢測(cè)單元由位置檢測(cè)和電流檢測(cè)兩部分組成。為了使電機(jī)正常工作，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到適當(dāng)開(kāi)通角的位置時(shí)應(yīng)該導(dǎo)通對(duì)應(yīng)的相繞組，同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到關(guān)斷角位置時(shí)應(yīng)該關(guān)斷其相繞組。位置檢測(cè)單元就是對(duì)通斷角位置信息檢測(cè)，從而確定各相繞組的開(kāi)通角和關(guān)斷角，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中控制相繞組的正確切換，如果檢測(cè)單元故障，電動(dòng)機(jī)則會(huì)紊亂，影響電動(dòng)機(jī)按照要求正確轉(zhuǎn)動(dòng)。電流檢測(cè)單元?jiǎng)t提供電流信息用于采取相應(yīng)的保護(hù)措施以防止過(guò)電流。在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，使用電流斬波控制方式，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)相繞組電流的大小控制轉(zhuǎn)矩；因此準(zhǔn)確知道繞組中實(shí)際電流的大小，進(jìn)行電流反饋是非常必要的。在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，使用單脈沖控制方式，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)每相的導(dǎo)通角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。此時(shí)電流已不再作為控制量，但為防止系統(tǒng)過(guò)載或故障過(guò)電流保護(hù)，準(zhǔn)確可靠檢測(cè)電流始終是系統(tǒng)所必須的[6]。

2 軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法

軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法是指控制電機(jī)的某些參數(shù)來(lái)讓電機(jī)運(yùn)行達(dá)到規(guī)定的運(yùn)行工況。軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的可控變量有相繞組兩端的電壓、相電流、開(kāi)通角θon、關(guān)斷角等θoff[7]。根據(jù)調(diào)節(jié)不同的參數(shù)可以獲得不同的控制效果，常用的控制方法有電流斬波控制(即CCC控制，又叫電流PWM控制)、角度位置控制(即APC控制，又叫單脈沖控制)、電壓PWM斬波控制。

2.1 電流斬波控制

電流斬波控制常用于電機(jī)起動(dòng)階段或者電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)小，值很大，電流上升速度很快[8]，為了防止過(guò)大的電流脈沖值超過(guò)功率開(kāi)關(guān)元器件和電機(jī)所能承受的最大電流，一般會(huì)采用電流斬波控制來(lái)限制電流峰值，達(dá)到穩(wěn)定工作特性。在CCC控制時(shí)，一般固定開(kāi)通角和關(guān)斷角，通過(guò)開(kāi)關(guān)管多次開(kāi)通和關(guān)斷達(dá)到限流目的。電流斬波控制一般有兩種方案：

(2)限制電流上線和恒定關(guān)斷時(shí)間控制，當(dāng)相電流值超過(guò)相電流上線時(shí)，關(guān)斷主開(kāi)關(guān)，使相電流衰減一段時(shí)間，再開(kāi)通主開(kāi)關(guān)，關(guān)斷時(shí)間Δ和電流下降多少由電感量、電感變化率、轉(zhuǎn)速等因素決定，這種方式的相電流的下線隨著關(guān)斷時(shí)間而變化，所以關(guān)斷時(shí)間的選取非常重要，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致相電流脈動(dòng)過(guò)大；關(guān)斷時(shí)間過(guò)短將導(dǎo)致斬波頻率過(guò)高[7]。該方式的優(yōu)點(diǎn)是能控制斬波頻率，克服了前一種方法的缺點(diǎn)。

CCC控制方式的優(yōu)點(diǎn)是適用于電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，可以限制電流峰值的增長(zhǎng)，對(duì)電流起到良好的調(diào)節(jié)效果，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn)。

2.2 角度位置控制

在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，運(yùn)動(dòng)電勢(shì)使電流的上升速率降低，電流最大值和有效值比低速運(yùn)行時(shí)小很多，此時(shí)可以用APC控制主開(kāi)通角θon，關(guān)斷角θoff，從而改變主開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行，這種方法又稱為高速單脈沖控制，通過(guò)改變開(kāi)通角和關(guān)斷角可以調(diào)整相電流的波形寬度、電流波形的峰值、電流波形的有效值以及電流波形與電感波形的相對(duì)位置。由于有兩個(gè)變量需要調(diào)節(jié)，使得控制變得復(fù)雜，一般采用固定一個(gè)變量，調(diào)節(jié)另一個(gè)變量的方法。

角度位置控制的方法可分為三種：(1)固定關(guān)斷角θoff，改變開(kāi)通角θon，當(dāng)固定θoff，調(diào)節(jié)θon時(shí)，隨著θon的減小，相電流波形加寬，電流波形峰值和有效值增大，改變了電流波形與電感波形的相對(duì)位置，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；(2)固定開(kāi)通角θon，改變關(guān)斷角θoff，當(dāng)固定θon，調(diào)節(jié)θoff時(shí)，一般不會(huì)改變電流的峰值，隨著θoff的增大，相電流波形加寬，電流有效值增大，并改變電流波形與電感波形的相對(duì)位置，對(duì)比方法一，方法二對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的影響稍弱[9]；(3)同時(shí)改變開(kāi)通角θon和關(guān)斷角θoff，這種方法可以更精確控制電機(jī)的相電流波形、相電流峰值和有效值以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，但控制難度也相應(yīng)增加，所以常用的控制方法是選擇開(kāi)通角θon作為主變量粗調(diào)，關(guān)斷角θoff作為從變量微調(diào)，這樣可以更好地控制電機(jī)。總之，APC控制一般用于高轉(zhuǎn)速的SRM電機(jī)，增大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速提高電機(jī)的工作效率。

2.3 電壓PWM斬波控制

電壓PWM斬波控制固定主開(kāi)關(guān)的通斷角，調(diào)整PWM波的占空比調(diào)節(jié)相繞組的相電壓，從而改變相電流，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。電壓PWM斬波控制的特點(diǎn)是：通過(guò)調(diào)節(jié)相繞組電壓的平均值來(lái)調(diào)節(jié)和限制相電流的大小，此方法既可以用于低速調(diào)速系統(tǒng)，又可以用于高速調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)單易行，但是調(diào)速范圍受到了限制。根據(jù)續(xù)流方式的不同，電壓PWM斬波控制可以分為雙管斬波和單管斬波。PWM雙管斬波方式是在每相繞組的上下橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷。PWM單管斬波方式是每相繞組的兩端只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管斬波，另一個(gè)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。

3 軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電流斬波控制方法

近年來(lái)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展迅速，控制方法多種多樣，但是對(duì)軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究卻不多見(jiàn)。研究發(fā)現(xiàn)軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在起動(dòng)、低速運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)，運(yùn)用電流斬波控制是最好的方法，不僅可以在低速運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)限制電流峰值，起到保護(hù)和調(diào)節(jié)的作用，而且可以達(dá)到轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、合成脈動(dòng)小和抗負(fù)載擾動(dòng)性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的效果。

3.1 控制方法

圖3 電流斬波控制相電流波形

3.2 電流斬波子程序

將軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)低速運(yùn)行并設(shè)置200和600 r/min作為斬波限值，當(dāng)通過(guò)位置傳感器獲取到轉(zhuǎn)速值后，求得開(kāi)通角θon與關(guān)斷角θoff以及相應(yīng)的電壓上下限值，就可以對(duì)電機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即進(jìn)行轉(zhuǎn)換和反饋，然后通過(guò)軟件編程設(shè)定電流上下限的參數(shù)。如果實(shí)際測(cè)量得到的電流值大于給定上限值，功率開(kāi)關(guān)器件IGBT就會(huì)斷開(kāi)，使得電流值迅速下降。反之，當(dāng)電流值下降到小于下限值時(shí)，IGBT又會(huì)重新導(dǎo)通，電流值迅速上升[12]。如此往復(fù)循環(huán)，使得電流值一直保持在電流斬波限值附近，其流程圖如圖4所示。

3.3 電流斬波控制的特點(diǎn)

電流斬波控制方式具有簡(jiǎn)單直接、可控性好的特點(diǎn)，避免了角度位置控制方式中的電流不可控問(wèn)題，電流斬波控制是直接對(duì)電流實(shí)施控制，與電壓斬波控制方式相比，具有較小的開(kāi)關(guān)損耗，是一種比較常用的控制方式。但是在這種控制下，電流的斬波頻率不固定，隨著電流誤差的變化而變化，不利于電磁噪聲的消除。

圖4 電流斬波控制程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種結(jié)合了傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的新型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高、可以在很惡劣的環(huán)境下運(yùn)行。但是軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)還有很多值得研究的方面，控制還不是很成熟，需要進(jìn)一步的優(yōu)化和提高。軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)現(xiàn)在得到越來(lái)越多的關(guān)注，相信將會(huì)有很大的發(fā)展空間，在各行業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用。

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Research on current chopped control on axial flux switched reluctance motor

The control technology of axial flux switched reluctance motor was introduced，including the theory of the speed control system of axial flux switched reluctance motor and three basic control ways of SRM，which is voltage chopped control， current chopped control and angle position control.The current chopped control was applied on axial flux switched reluctance motor.

switched reluctance motor;speed control system;control ways;angle position control

TM 35

A

1002-087 X(2016)04-0889-03

2015-09-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277092)；江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2011188)

臧平宇(1989—)，男，安徽省人，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)綜合控制技術(shù)。