開關磁阻電機調速系統技術分析與應用展望

袁佳寶

摘 要：開關磁阻電機調速系統是將控制技術、現代電力電子技術和開關型磁阻電機融合于一體的綜合性系統，具有構成簡潔、堅固、耐用、可靠等優點。基于此，本文首先介紹了開關磁阻電機調速系統的主要特點，然后對開關磁阻電機調速系統在不同領域的應用進行了分析與展望，闡明了該技術在各行業中的應用價值。

關鍵詞：開關磁阻電機調速系統；技術分析；應用

中圖分類號：TM352 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）07-0069-02

Technical Analysis and Application Prospect of Switched Reluctance

Motor Speed Control System

YUAN Jiabao

（China Airborne Missile Academy， Luoyang Henan 471000）

Abstract： Switched Reluctance Drive is a comprehensive system that integrates control technology， modern power electronics technology and switched reluctance motor. It has the advantages of simplicity， firmness， durability and reliability. Based on this， this paper first introduced the main characteristics of switched reluctance Drive， and then analyzed and prospects the application of switched reluctance motor speed regulation system in different fields， and illustrated the application value of the technology in various industries.

Keywords： Switched Reluctance Drive；technical analysis； application

1 開關磁阻電機調速系統的主要技術特點

1.1 系統具有高可靠性，電路簡潔穩定

首先，由于磁阻電機的轉矩方向與線圈電流方向無關，只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關。其次，從控制器結構上看，各相電路各自給一相繞組供電，一般是獨立工作的。系統在任何時候都可以缺相運行，容錯能力較高。最后，整個開關磁阻電動機調速系統中每個功率開關元件與繞組的連接方式都是串聯，直接避免了直通短路現象的出現，再次簡化了保護電路，在保證工作可靠性的同時降低了成本。經濟可靠的特點使其作為驅動系統、起動電機等適用于電動汽車產業、航空航天飛機領域等。

1.2 系統構成簡單、經濟性高，可在極限速度和復雜多變的環境下運行

定子方面，開關磁阻電機只有幾個集中的繞組，線圈易于安裝，端部短而牢固，因此，制造簡便，絕緣結構簡單，并且發熱大部分在定子，易于冷卻。轉子方面，由于繞組沒有嵌裝在轉子上，大大降低了生產成本，提高了機械強度，使其可用于極限速度運轉（如10 000r/min）。

1.3 調速性能優異，可控參數多

控制開關磁阻電機系統的四種主要運行參數為：相關斷角、相開通角、相繞組電壓和相電流幅值。可控參數多就是說可以根據對電動機的運行要求和電動機的情況，采用不同控制方法和參數值，在實現各種運行要求和特定功能的同時，保證系統處于最佳運行狀態（如效率最高、輸出最大等）。

1.4 系統起動轉矩高，起動電流低

更小的輸入能帶來更大的輸出是該系統的一大亮點。例如，輸入15%額定電流時起動轉矩為100%的額定轉矩；輸入30%額定電流時起動轉矩150%的額定值。故此，在大載荷起動，長時間低速高負載運行的環境（如載重機械，吊裝設備等）中，該調速系統具有十分明顯的優勢。

1.5 效率高，損耗小

整個系統簡潔靈活，電機轉子無繞組銅損，電機的可控參數多等優異的性能使其在控制中轉速范圍大，承載能力強，是一種高效經濟的調速系統[1]。

1.6 適用于頻繁起停及正反向轉換運行

系統起動轉矩高、電流低，故大大減小了起動過程中電流過沖的可能，相較連續額定運行時，電動機和控制器發熱更小。可控參數多，使其能在制動運行階段同電動運行階段一樣具有優良的轉矩輸輸出能力和工作特性。故此，在頻繁起停及正反向轉換運行（如次數1 000次/h）等條件下開關磁阻電機必然能勝任。

當然，開關磁阻電機調速系統也存在明顯的不足：轉矩震顫大、噪音明顯。但是，隨著各行業的設計、制造、控制等技術的進步，必然能將電機的轉矩震顫及噪音問題控制在能夠接受的范圍內。

2 開關磁阻電機調速系統在不同領域的應用分析及展望

2.1 無位置傳感器技術的研究

開關磁阻電機是位置閉環系統，但位置傳感器是其重要組成部分，位置傳感器的存在，使開關磁阻電機的整體設計更加復雜且運行可靠性降低。故此，最近幾年，行業中涌現出了不少無位置傳感器檢測方案。其設計思路大體分為4類：①非導通相檢測法，例如：單相脈沖激勵法、兩相脈沖激勵法等；②導通相檢測法，例如：磁鏈法、狀態觀測器檢測法、電流波形檢測法和相間互感檢測法等；③附加元件檢測法，例如：附加線圈檢測法、附加電容檢測法等；④基于智能控制檢測法，例如：神經網絡法、模糊控制法等。

2.2 現代理論在開關磁阻電機控制中的應用

目前，開關磁阻電機控制系統均基于簡化的線性模型采用線性控制理論設計。但由于該電機的非線性特性，使其難以產生良好的系統性能。故此，全新的開關磁阻電機控制系統的研發及應用中將引入非線性控制理論。此外，如模糊控制、模糊控制與PI控制結合在一起的混合式調節、滑模控制、自適應控制、線性回饋控制以及人工神經網絡控制等理論也在開關磁阻電機的控制中得到了應用。

2.3 全新開關磁阻電機數學模型的研究

要想提高電機的動態性能分析和電機效率評估、實現系統的優化設計，開關磁阻電機數學模型的精準描述與建立至關重要。目前，各種數學模型被提出，優先發展起來的磁鏈模型和先后建立起來的機電聯系模型可分為三類：非線性模型、準線性模型和線性模型。鑒于非線性程度高的設計特點，開關磁阻電機需采用更加接近真實特性的非線性模型。Spong等學者提出了一種連續非線性模型，在反映開關磁阻電機實際的電磁特性中表現優異；Bortoff和Milman等學者也提出了一種非線性機電聯系模型，并成功在自適應控制器的設計中得到應用[2]。

2.4 在特殊集成電路及微處理器上的應用

早期系統設計較為單一，以采用模擬電路控制為主，其實時性相對較差，故在后來發展中逐漸采用微機實現數字實時控制，使系統更加高效、可靠。在微機控制中，目前單片機的應用己從8位單片機發展到16位單片機，相信雙16位或32位的單片機亦將于不久問世。硬件結構的簡化、產品的模塊化生產是行業發展趨勢，故開關磁阻電機全系統集成化也是研究方向之一。

2.5 對轉矩震顫抑制的研究

開關磁阻電機的轉矩震顫大、噪音明顯是其較為突出的缺點，研究如何抑制開關磁阻電機轉矩震顫和噪音是提高其性能的重要議題之一。若想消除開關磁阻電機的轉矩震顫，主要從兩方面研究入手：電機控制和電機設計。控制方面，Wu CY等提出了“兩步換相法”“混合激勵法”等方法。結構設計方面，多集中于極弧參數、氣隙的合理選擇，以及電機剛度、定子磁軛強度和雙凸極形狀的合理設計等[3]。最近幾年，人工智能得到大力發展，能否將其融入到抑制轉矩震顫中也是行業發展的一個重要研究方向。

3 結語

本文分析了開關磁阻電機調速系統的研究背景及意義，簡單介紹了開關磁阻電機的發展史，概括分析了開關磁阻電機調速系統的主要特點、結構組成及研究方向。開關磁阻電動機調速系統是一門綜合了電機學、電子學及控制理論等眾多學科領域的技術，由于涉及領域廣，開關磁阻電動機早已廣泛應用于家電行業，航空航天業及智能控制等各個領域。隨著對開關磁阻電動機認識的深入，其應用范圍必將更為廣泛。

參考文獻：

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].3版.北京：機械工業出版社，2003.

[2]王兆安.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]謝衛才，黃守道，石安樂.開關磁阻電機調速系統發展動向[J].湖南工程學院學報（自然科學版），2004（4）：20-22.