閥門電動執(zhí)行機構(gòu)用SRM開關(guān)角的優(yōu)化研究

摘要：采用TMS320F28335型DSP和MAX3032S型CPLD作為6/4極開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的控制器，通過低速時電流斬波控制（CCC）和高速時角度位置控制（APC）對電機進(jìn)行控制。針對開關(guān)磁阻電機在APC方式下開通角和關(guān)斷角的優(yōu)化問題，在理論引導(dǎo)的基礎(chǔ)上利用仿真來對開通角運行特性和關(guān)斷角運行特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，對開關(guān)角的設(shè)置進(jìn)行合理配置及優(yōu)化可以使電機提速性更好，有利于提高整個系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機;開通角;關(guān)斷角;仿真

0? ? 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，閥門電動執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場中的地位越來越重要。而開關(guān)磁阻電機因其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍寬、啟動性能好和運行效率高等優(yōu)點，將開關(guān)磁阻電機（SRM）應(yīng)用于閥門執(zhí)行器的驅(qū)動系統(tǒng)已成為研究的熱點。開關(guān)磁阻電機開通角和關(guān)斷角的提前可以更有效地控制電機運作并更好地提速[1]，但開關(guān)磁阻電機存在磁路飽和以及功率變換器的非線性等問題，使得開通角和關(guān)斷角兩個參數(shù)很難同時調(diào)到最佳值。本文將結(jié)合開通角和關(guān)斷角對相電流影響的仿真分析，確定兩角度的最優(yōu)配置。

1? ? 開關(guān)磁阻電機的工作方式

1.1? ? 開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)組成

SRD控制系統(tǒng)主要由SRM、位置檢測器、電流檢測器、功率變換器、控制器五部分組成。

1.2? ? 開關(guān)磁阻電機控制方式

在低速情況下，通過CPLD根據(jù)R、Q、P三個位置信號給出A、B、C三路驅(qū)動信號使電機正反轉(zhuǎn)。圖1所示為電機正轉(zhuǎn)各信號圖。

在高速情況下，通過DSP給出信號，提前開通角和關(guān)斷角，使電機有效地提速。

2? ? SRM開通角和關(guān)斷角的優(yōu)化

2.1? ? 開通角θon和關(guān)斷角θoff的仿真優(yōu)化

開通角和關(guān)斷角設(shè)置的大小對輸出功率與轉(zhuǎn)矩的連續(xù)性有一定的干預(yù)，原因是兩角度的組合配置會影響輸出電流的波形。文獻(xiàn)[2-3]中運用大量的實驗通過改變不同開通角和關(guān)斷角的組合去探求開關(guān)角大小與輸出電流大小及其波形的關(guān)系，仿真證明，兩者的確存在某種非線性的關(guān)系，本文以及文獻(xiàn)的目的均為找到這個關(guān)系的“制高點”，即開通角和關(guān)斷角的最優(yōu)配置。擁有了最佳開關(guān)角的配置組合便能使SRM系統(tǒng)效率達(dá)到最高，間接使閥門電動執(zhí)行機構(gòu)完美運作。

2.1.1? ? 電感、相電流、開關(guān)角三者關(guān)系

圖2所示為6/4極SRM在APC方式下典型的電感和相電流波形[4]，在電感上升前開管，在電感達(dá)到最大之前關(guān)管，參考相電流產(chǎn)生的原理及電流波形的特性，電機在高速運轉(zhuǎn)的情況下，根據(jù)圖2，開通角θon和關(guān)斷角θoff與其他四個角度的關(guān)系應(yīng)滿足：θ1≤θon≤θ2，θ2≤θoff≤θ3。

2.1.2? ? 相電流與開通角的關(guān)系

因為本文應(yīng)用的載體為6/4結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機，為了電機更好地啟動，并使兩相出力最大化，在CCC方式下三相驅(qū)動信號就如圖2所示在45°到90°之間開通。所以在研究相電流與開通角關(guān)系時，固定關(guān)斷角θoff=75°，也就是提前15°關(guān)斷，然后使開通角以45°為臨界值向前提前打開。

開通角的大小，由于電流瞬間產(chǎn)生，因此電流能達(dá)到的最大值便由其決定，故配置開通角θon的大小便相當(dāng)于設(shè)置了相電流的最大值，從而實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)速、功率等因素的控制。相電流能否瞬間達(dá)到頂峰與電感的大小有關(guān)系，電流對θon的變化非常敏感，電感越小，相電流建立得越快，因此在電感最小段區(qū)間內(nèi)，相電流可以瞬間置頂，可見，開通角θon提前量的大小可以決定電流的快速建立，所以開通角度越提前，電流向上沖得越高，電流最大值越大。但電流的最大值越大，并不代表系統(tǒng)運行越好，事實上，相電流沖得越高，其產(chǎn)生的相脈沖也越高，會導(dǎo)致電機運行時抖動增大，破壞整個系統(tǒng)運作的穩(wěn)定性[5]。

本文所述6/4極電機是以45°向前提前開通角的，相比于電機的大力輸出，系統(tǒng)運作的穩(wěn)定性更加重要，因此在開通角提前較小的情況下，雖然電流沖得不夠高，導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)矩不大，但卻能使系統(tǒng)運作穩(wěn)定。綜合考慮，既要讓電機運行穩(wěn)定又要使其出力較大，可使開通稍稍提前，以保證兩個因素的平衡。

2.1.3? ? 相電流與關(guān)斷角的關(guān)系

由于電感的不確定性，圖2上θ3無法準(zhǔn)確得到，故以90°為臨界值向前提前關(guān)斷。固定開通角θon=45°，也就是提前0°開通，以90°為臨界向前提前關(guān)斷。

關(guān)斷角的大小雖然不影響相電流峰值的變化，但卻決定了相電流波形的寬度，從而影響電流是否延續(xù)到電感下降區(qū)，是否會產(chǎn)生反向力矩。當(dāng)θoff>76°時，相電流波形在下降階段有一個明顯的起翹現(xiàn)象，使相電流不能順利平滑地降到0，相電流的起翹還可能導(dǎo)致電機產(chǎn)生噪聲，使系統(tǒng)產(chǎn)生振動。而θoff過小又會導(dǎo)致電流寬度變窄，使電機無法達(dá)到最有效的出力。所以，對于關(guān)斷角的優(yōu)化設(shè)計來說，既要使電機具有盡可能大的輸出功率，又要防止振動、噪聲以及反向力矩的產(chǎn)生。

由于關(guān)斷角不應(yīng)過大也不應(yīng)過小，而本文所述6/4極電機是從90°向前提前關(guān)斷的，故通過大量仿真研究，θoff的取值應(yīng)在72°～76°范圍內(nèi)。

2.2? ? 開通角θon和關(guān)斷角θoff優(yōu)化結(jié)論

對上述開通角大小對相電流的影響與關(guān)斷角大小對相電流的影響進(jìn)行分析，開通角提前得越多，輸出功率也越大，但系統(tǒng)越不穩(wěn)定，在考慮系統(tǒng)運作穩(wěn)定的前提下，應(yīng)將開通角選擇在能獲得平頂波波形的角度[6]，故開通角可以在45°基礎(chǔ)上提前1°左右或者直接設(shè)置為45°。而為使相電流延續(xù)時間盡可能長又要避免相電流延續(xù)到電感下降區(qū)，故關(guān)斷角較90°提前14°～18°。

綜上所述，對于6/4結(jié)構(gòu)的SRM，在考慮電機輸出功率最大化的同時兼顧電機運行的穩(wěn)定性，可選擇θon=45°，θoff=75°。

3? ? 結(jié)語

角度位置控制是開關(guān)磁阻電機基本的控制方式之一，但由于系統(tǒng)的非線性特性使得同時控制開通角和關(guān)斷角的方法很難實現(xiàn)。本文通過仿真分析給角度優(yōu)化提供了理論依據(jù)，根據(jù)這些優(yōu)化結(jié)果，在電機進(jìn)入高速運行時固定開通角θon的最優(yōu)值，通過調(diào)節(jié)關(guān)斷角θoff來對電機進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，這樣不僅降低了角度位置控制的復(fù)雜性，而且大大提高了控制的可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 茅靖峰，方天治，趙德安.基于DSP的車用開關(guān)磁阻發(fā)電機的角度位置控制[J].計算機測量與控制，2004，12（2）：140-142.

[2] FERREIRA C A，JONES S R，HEGLUND W S，et al.Detailed Designed of a 30 kW Switched Reluctance starter/

Generetor Systems for a Gas Turbine Engine Application[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1995， 31（3）：553-561.

[3] 李華柏.三相開關(guān)磁阻起動/發(fā)電機的研究[D].株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2009.

[4] 劉羨飛，茅靖峰.開關(guān)磁阻發(fā)電機角度優(yōu)化的仿真研究[J].南通工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，3（1）：59-62.

[5] 王治平.開關(guān)磁阻電機振動特性及控制系統(tǒng)設(shè)計研究[D].南京：河海大學(xué)，2001.

[6] 張彥宇，段樹華，李華柏.開關(guān)磁阻電機角度位置控制參數(shù)優(yōu)化研究[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（4）：13-16.

收稿日期：2019-12-05

作者簡介：楊丁弘揚（1988—），男，江蘇常州人，碩士研究生，工程師，全國青年崗位能手，江蘇省技術(shù)能手，研究方向：機電一體化。