開關磁阻電機正反轉切換的實現

黃向慧,高 鵬,王永旺

(西安科技大學，西安 710054)

開關磁阻電機正反轉切換的實現

黃向慧,高 鵬,王永旺

(西安科技大學，西安 710054)

開關磁阻電機在抽油機、龍門刨床等需要正反轉切換的場合下，若導通與關斷相繞組選擇不合適，不僅無法正常切換，而且有可能因為電流過大，損壞功率器件。針對該問題，給出了基于DSP控制的開關磁阻電機正反轉切換的設計方案，分析了正反轉中GPIO位置檢測和CAP捕獲模塊中位置邏輯信號的不同。通過光電開關管傳來的6路位置信號，結合PWM斬波技術，進行相應相繞組的通電、斷電操作，不僅能使開關磁阻電機轉子在任意位置具有自起能力，而且在給出正反轉切換指令后，通過改變PWM 占空比，從而可以調節正反轉切換的快速性。以一臺3 kW 12/8開關磁阻電機為研究對象，通過實驗驗證了方法的有效性和可靠性。

開關磁阻電機;自起;正反轉;快速切換

0 引 言

開關磁阻電機(以下簡稱SRM)在電力傳動方面有著較大的發展前景，其具有運行效率高，容錯能力強，成本低，結構簡單的優勢[1-3]。SRM作為一種新結構的電機，起動轉矩大，起動電流小，能夠頻繁起停及正反轉運行的這些特點，使其廣泛應用于工業生產中。在通常的工業應用中,電機只需工作在正轉、反轉、制動狀態，而不需要電機在某方向的正常電動運行向反向電動運行快速轉換。但在有些場合下(如抽油機，龍門刨床等)，如果讓電機靠慣性自由停止，然后切換到相應狀態，無法滿足工業生產的要求。因此在正反切換過程中，必須產生制動轉矩，不僅要使電機轉子能夠快速地停止，而且需要快速轉換到反向電動運行狀態，SRM轉子要產生反向力矩，只需改變相繞組通斷順序便可實現。但在正轉向反轉切換過程中，若導通角、關斷角、相繞組的選取、以及控制策略不合適，不僅無法正常切換，而且有可能因為瞬間的大電流損壞電機和功率器件。然而近些年來國內外對SRM系統效率、轉矩波動、故障診斷與無位置傳感器等方面進行了深入研究[3]，但在正反轉切換方面，如何有效的切換，相應的文獻中提到的較少，基于此現狀，本文給出了相應的方案。

本文以一臺3 kW,12/8 SRM為研究對象，進行了電機正反轉切換的研究，驗證了方法的可行性，三相12/8極SRM 結構簡圖，如圖1所示。

圖1 三相12/8極SRM 結構示意圖

1 SRM正轉、反轉基本工作原理

SRM定子、轉子極對數不相等，定子上安裝有繞組，轉子上無繞組，是一種雙凸極結構的電機[4]。轉子和定子鐵心都由硅鋼片組成，在轉子上安裝有遮光盤，用于遮擋光電開關管，進行位置的檢測判斷[5]。SRM遵循磁通總沿著磁阻最小(磁導最大)的路徑閉合的工作原理，與傳統的交直流電機有著根本的區別,當定、轉子凸極中心線不重合,即磁阻不是最小時,磁場就會產生拉力,產生的磁阻力矩使轉子轉到磁阻最小的位置。

在SRM線性化模型的基礎上，可以得到電磁轉矩表達式和相繞組電壓平衡方程表達式以及相繞組電感Lk、相電流ik、隨定轉子相對位置角θ的變化規律[6]：

式中：Uk為第k相繞組兩端的電壓，負號表示施加反壓；ψk(θ,ik)為第k相繞組的磁鏈，其中ψk(θ,ik)=ik×Lk(ik,θ)。

由式(2)知，控制開通角、關斷角主要出現在電感上升階段，便可以實現電機的電動運行狀態,控制開通角、關斷角在電感下降階段，就可以實現電機的制動狀態，通過控制導通相A，B，C的順序可以實現電機的正轉、反轉運行，通過選取合適的開通、關斷角，可以減小電機的轉矩脈動。然而如果按常規的方法，根據轉子位置檢測信息只采用導通相A，B，C的順序或C，B，A的順序，轉子起動易出現紊亂的現象，無法滿足正反轉起動要求,特別是在正反切換過程中，如果導通角、關斷角選擇不適，電機不但無法切換到相應狀態運行，而且可能使得電機運行紊亂，產生過大的電流，損壞功率器件。因此如何根據轉子位置信息進行導通相繞組的選取，顯得極其重要。

2 開關磁阻電機正反轉切換方案

2.1 位置信號及通斷相的選取

圖2為正/反向電動運行時轉子位置信號與繞組電感對應圖，通過位置信號U1，U2，U3傳來的6種信號狀態。在DSP中進行了相應相繞組通斷的軟件的編寫，驗證了方法的可行性，總結如下：其中表1為正轉位置信號及通相的選取,表2為反轉位置信號及通相的選取。

圖2 正/反向電動運行時轉子位置信號與繞組電感對應圖

表1 正轉位置信號及通斷相的選取

表2 反轉位置信號及通斷相的選取

2.2 SRM正反轉切換實施方案

(1)正-反轉切換硬件實施方案

本系統的功率變換器采用三相不對稱半橋電路,如圖3所示，電動采用單管結合PWM斬波的操作模式，正反切換中的制動過程采用雙管操作模式，不僅有能量的回饋，而且結合PWM斬波能夠將電流限制在一定的范圍。單管操作即首先保持VT1,VT2,VT3為開通狀態，通過采用PWM斬波的方式控制VT4,VT5,VT6 IGBT的動作[2]，進而控制A相、B相、C相繞組的開通與關斷，從而控制電機的正反轉。

圖3 三相不對稱半橋電路

(2)正-反轉切換軟件實施方案

①在位置檢測中，當處理器收到正/反指令后，首先檢測轉子初始位置信號，根據轉向標志1(正轉)、-1(反轉)來選擇初始導通相[7]，然后根據轉子的位置信號依次觸發各相，反轉通電相順序為AB→B→BC→C→AC→A，正轉通電相順序為A→AC→C→BC→B→AB,由于CAP模塊對信號的處理要比GPIO模塊更加準確，在正/反起動之后，根據捕獲中斷決定觸發相。然而在捕獲中斷中，正/反轉的邏輯狀態是不一樣的，在正轉中，從圖2可以看出，當U1上升沿到來時，此時的邏輯信號為101，而在反轉中，當U1的上升沿到來時，此時的邏輯信號為110。同樣在下降沿到來時，正、反轉的邏輯信號也是不一樣的，這樣就需要在捕獲模塊中根據正轉和反轉的不同轉向信號，來給定上升沿、下降沿到來時的邏輯信號。

②在正轉-反轉相互切換過程中，如果按照上述通電順序將會出現問題：假如現在A相是導通的，在DSP收到正轉切換反轉指令后，為了產生足夠的制動轉矩，從圖2可以判斷起初應將BC相(即產生制動轉矩的電感下降區)開通，之后DSP處理器如果按照反向通電邏輯信號，將會依次導通BC→C→AC→A→AB→B，然而實際的情況是電機轉向不會突變，因此為了確保產生足夠的制動力矩，應觸發導通相的順序是BC→B→AB→A→AC→C。

③為了避免上述問題，在發出正轉切反轉指令后，設置制動標志0(即要對導通相進行調整，A(電動)→BC(制動)，AC→B，C→AB，BC→A，B→AC，AB→C)。同時檢測轉速(因為電機從制動到轉速過零及反向運轉的過程中，有著機械振動等因素[8]),當轉速小于100 r/min時(即在較低轉速的時候，不再根據捕獲中斷的邏輯信號來觸發A，B，C三相的導通與關斷，而是根據I/O口檢測到的光電輸入信號以及轉向標志位來決定觸發相)，改變SRM旋轉方向標志位為-1(反轉)，然后根據轉向標志及位置傳感器的信號確定觸發相,通過這樣的操作可以確保正反切換順利進行。

④在正反切換中，最關鍵的一點是電機實際旋轉方向的判斷(這個可以根據前后相鄰3次的位置信號來判斷電機是否反向)，只有通過判斷實際方向改變了，才可以在反向到一定轉速(大約為50～100 r/min)后從I/O模式觸發導通相跳轉到捕獲中斷觸發導通相，進而執行角度位置等控制算法。從表1、表2分析可以知道，在電機轉向發生變化時相鄰3次的換相邏輯特征中的第1次和第3次是一樣的，例如010→011→010，011→001→011等，然而這在單向運行中是不可能發生的。

3 實驗結果

試驗樣機為三相12/8極SRM,基本參數如下，P=3 kW,U=36 V, 控制器采用傅里葉的SUPER_DSP芯片TMS320F28335板子，DSP外接 CPLD芯片，CPLD外擴了5路普通的I/O口，可以較方便地進行三路位置信號的檢測，DSP及CPLD的一體應用，不僅簡化了硬件的設計，而且使得系統的性能得到了很大的提升，一些算法可以較方便地實現，驅動電路應用EXB841芯片，電流波形通過示波器測得，通過LM331頻壓轉換芯片將轉速轉換為與之成正比的電壓，從而通過示波器可測得電機正反轉切換過程中的速度響應情況。

其中圖4、圖7分別為電機正向500 r/min，700 r/min時A相繞組電流波形。圖5、圖8分別為正向500r/min切反向500 r/min時的制動電流波形、正向700 r/min切反向700 r/min時的制動波形，從圖中可以看出，在制動時電流相比電動運行時電流有所上升，但是電流的大小可以通過PWM斬波控制在一定的范圍內。

圖6、圖9為用LM331頻伏轉換芯片將轉速轉換為與之成正比的電壓信號，通過示波器測得的電機正反切換過程中電機轉速響應情況。在500 r/min，700 r/min正反切換過程中，通過圖6、圖9可以看出切換時間大約為1 s。

圖4 正向500r/min電動A相電流波形(截圖)

圖5 正向500r/min切反向制動A相電流波形(截圖)

圖6 正向500r/min切反向500r/min轉速變化情況(截圖)

圖7 正向700r/min電動A相電流波形(截圖)

圖8 正向700r/min切反向制動A相電流波形(截圖)

圖9 正向700r/min切反向700r/min轉速變化情況(截圖)

4 結 語

通過實驗平臺的搭建，以及軟件的編寫，驗證了SRM可以頻繁的起動以及正反轉切換運行，正反切換制動過程中采用雙管操作模式并結合PWM斬波的控制方式，避免了切換過程中產生的過流現象，并且可以把電流限定在一定的范圍內，同時通過適當改變PWM的占空比，可以改變正反轉切換的快速性。本文驗證了方案的可靠性。

[1] 王超.開關磁阻電機回饋制動的研究[D].東營：中國石油大學，2007.

[2] 王宏華.開關磁阻電動機調速控制技術[M].北京：機械工業出版社，1999.

[3] 吳紅星.開關磁阻電機系統理論與控制技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[4] 溫浩．開關磁阻電機調速系統研究與設計[D]．杭州：浙江大學，2012．

[5] 董亮．4kW開關磁阻電機控制與驅動系統設計[D]．北京：北京交通大學，2009．

[6] 李廣海，葉勇，蔣靜坪．3kW開關磁阻電機的再生制動實現[J]．中國電機工程學報，2004，24(2)：124-128．

[7] 葉勇．開關磁阻電機新型控制及其調速系統[D]．杭州：浙江大學，2004．

[8] 蔡際令，金若君．基于DSP控制的開關磁阻電機可逆傳動系統[J]．浙江大學學報(工學版)，2006,40(6)：1019-1026.

Realization of the Switched Reluctance Motor and Reversing Switch

HUANGXiang-hui,GAOPeng,WANGYong-wang

(Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Switched reluctance motor (SRM) in the pumping unit, double housing planer and so on, need for a switching of the occasion, if the conduction phase selection is not appropriate, not only cannot switch to normal, but also because the current is too large , may burn power devices, Aiming at the above problem, the design scheme of the switched reluctance motor based on DSP control is initiated. Analyzes the GPIO in positive& negative position detection and location in the logic of different CAP capture module.6 position signal came though the photoelectric switch，combined with PWM chopper technology for electricity power operation, the corresponding phase winding. Not only made the SRM rotor in any position had the ability，but also gave the positive and negative switching instructions, by changing the PWM duty cycle, which could adjust the speed of the positive and negative switching. A 12/8 SRM 3kW was studied and the validity and reliability of the method are verified by experiments.

SRM; self starting; revolution and counter revolution; quickly switch

2016-08-16

陜西省教育廳自然科學專項項目(14JK1467)

TM352

A

1004-7018(2017)03-0023-03

黃向慧(1967-)，女，副教授，研究方向為電機與電器。