8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)的雙極性勵(lì)磁策略研究

劉曉慶，張代潤(rùn)

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065）

引言

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) （Switched Reluctance Drive System——SRD），作為一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，具有高效節(jié)能、調(diào)速范圍廣、簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)，并且開關(guān)磁阻電機(jī) （Switched Reluctance Machine——SRM）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本比傳統(tǒng)電機(jī)要低，因此在家用電器、工業(yè)應(yīng)用等方面得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1-2]闡述了SRM的一種新型的勵(lì)磁方式——雙極性勵(lì)磁，并且描述了實(shí)現(xiàn)SRM雙極性勵(lì)磁的功率變換器：雙極性不對(duì)稱橋式功率變換器（Asymmetric Bridge Bipolar Converter，ABBC）。 本文以 4 相 8/6 極開關(guān)磁阻電機(jī)為例，通過仿真簡(jiǎn)要對(duì)比了雙極性勵(lì)磁策略和傳統(tǒng)勵(lì)磁策略下SRM的磁場(chǎng)分布，并且搭建了硬件電路實(shí)現(xiàn)了開關(guān)磁阻電機(jī)的雙極性勵(lì)磁。

1 雙極性勵(lì)磁策略[3-4]

功率變換器是SRD的重要組成部分，是SRM的能量提供者。功率變換器在SRD的成本中占有很大的比重，并且其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到SRD系統(tǒng)的性能。常見的功率變換器電路有不對(duì)稱半橋電路、雙繞組電路和裂相式電路，上述的三種功率變換器只能向SRM提供單方向的電流。從SRM的運(yùn)行條件上講，功率變換器只需要為SRM提供單方向的電流就能維持其運(yùn)行，所以SRD比異步電動(dòng)機(jī)PWM變頻器簡(jiǎn)單可靠[6-7]。但是，這些功率變換器的單向勵(lì)磁電流限制了雙極性勵(lì)磁的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1-2]中描述了一種新的功率變換器的拓?fù)洌弘p極性不對(duì)稱橋式功率變換器（ABBC），ABBC的拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 ABBC拓?fù)鋱D

在SRM的雙極性勵(lì)磁過程中，電機(jī)的磁路比傳統(tǒng)勵(lì)磁方式下的磁路要短，這也就意味著在磁路中的能量消耗更小、效率更高，另外其還具有比較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這也就是雙極性勵(lì)磁策略相對(duì)于傳統(tǒng)勵(lì)磁方式的優(yōu)勢(shì)[3]（詳見1.2）。

1.1 雙極性勵(lì)磁策略與傳統(tǒng)勵(lì)磁策略的比較

所謂的雙極性勵(lì)磁是指SRM繞組的勵(lì)磁電流為雙向的。與傳統(tǒng)的勵(lì)磁方式比較，雙極性勵(lì)磁策略要相對(duì)復(fù)雜些。下面以4相8/6極SRM的勵(lì)磁為例比較這兩種勵(lì)磁策略。

在SRM的應(yīng)用過程中，為了有效地利用功率變換器，使用大量的兩相重疊是一種比較常用的方法。在8/6極SRM中兩相重疊的角度最大為15°[5]。因此，兩相重疊的傳統(tǒng)勵(lì)磁策略如圖2(a)所示，開關(guān)磁阻電機(jī)的各相繞組電流方向一致，相鄰兩相的最大重疊角小于15°；雙極性勵(lì)磁策略是指相鄰各相的電流重疊角最大不超過15°，并且相鄰兩相的電流方向相反，具體情況如圖2(b)所示。

圖2 傳統(tǒng)勵(lì)磁與雙極性勵(lì)磁策略勵(lì)磁電流的比較

1.2 雙極性勵(lì)磁與傳統(tǒng)勵(lì)磁下磁場(chǎng)的分析

開關(guān)磁阻電機(jī)定子繞組聯(lián)接方式一般采用正向串聯(lián)聯(lián)接，如圖3(a)所示。根據(jù)圖中所示的A相電流的方向及繞組情況，可知定子內(nèi)圓上的極性分布如圖3(a)所示。同理可得在勵(lì)磁電流方向一致的情況下B，C，D相對(duì)應(yīng)的定子內(nèi)圓磁極分布如圖3所示。從圖3(a)中可以看出定子內(nèi)圓上磁極的分布為：SSSSNNNN。

傳統(tǒng)勵(lì)磁方式下各相勵(lì)磁電流方向一致，定子內(nèi)圓磁極分布如圖3所示。當(dāng)兩相繞組同時(shí)勵(lì)磁時(shí)可以分為兩種情況分析：（1）相鄰兩相定子磁極極性相同，如 AB，BC，CD；（2）相鄰兩相定子磁極極性不同，如DA。在相鄰定子磁極極性相同時(shí)，如圖3(b)所示，大部分磁力線沿閉合曲線L1，L2閉合；在相鄰兩相定子磁極不同時(shí)，如圖3(c)所示，大部分磁力線沿閉合曲線L3，L4閉合。對(duì)比圖3(b)和(c)可知，在相鄰定子磁極極性不同的情況下兩相繞組同時(shí)勵(lì)磁才會(huì)形成最短的磁路。

通過上面的分析可知，在傳統(tǒng)勵(lì)磁方式下，一個(gè)開關(guān)磁阻電機(jī)的電周期中，只有在D相、A相同時(shí)勵(lì)磁時(shí)才會(huì)出現(xiàn)最短磁路。一個(gè)電周期中SRM的磁場(chǎng)分布如圖4(a)所示。

圖3 開關(guān)磁阻電機(jī)的磁場(chǎng)情況分析圖

為了使SRM電周期中的每個(gè)狀態(tài)下磁路都為最短磁路，修改勵(lì)磁策略為：AB，BC，CD兩相繞組同時(shí)勵(lì)磁時(shí)，兩相的勵(lì)磁電流方向相反；DA兩相繞組同時(shí)勵(lì)磁時(shí)，兩相勵(lì)磁電流方向相同（即雙極性勵(lì)磁策略，如圖2(b)所示）。這樣，一個(gè)電周期中的磁場(chǎng)分布如圖4(b)所示。

對(duì)比圖4(a)和(b)，可以看出在傳統(tǒng)勵(lì)磁方式下，四相8/6極的SRM在每個(gè)電周期結(jié)束時(shí)，會(huì)形成最短的磁路，且該閉合磁路比另外三個(gè)狀態(tài)下的磁路短，這樣就造成電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中磁場(chǎng)的不對(duì)稱，在每個(gè)電周期結(jié)束時(shí)會(huì)有很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[1]；在雙極性勵(lì)磁的情況下，整個(gè)電周期中SRM都是運(yùn)行在最短磁路狀態(tài)，這樣旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較傳統(tǒng)勵(lì)磁方式要小,兩種勵(lì)磁方式下的轉(zhuǎn)矩比較如圖5所示[1]。另外，較短的磁路也有利于損耗的降低?？傊?，雙極性勵(lì)磁方式相對(duì)于傳統(tǒng)勵(lì)磁方式具有效率高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

圖4 傳統(tǒng)勵(lì)磁方式和雙極性勵(lì)磁方式下的磁路情況

圖5 傳統(tǒng)勵(lì)磁方式與雙極性勵(lì)磁的轉(zhuǎn)矩比較[1]

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)中的SRM的額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定功率為550 W，結(jié)構(gòu)為8/6極。SRD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，主要由控制器、SRM、位置檢測(cè)裝置、電流采樣裝置、功率變換器、驅(qū)動(dòng)電路和電源等部分組成。

圖6 SRD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文中SRD的控制器采用了TI公司的DSP TMS320F2812。實(shí)驗(yàn)中采用的功率變換器是ABBC，其拓?fù)淙鐖D1所示，分別控制A相開關(guān)管M1和M3，M2和 M4就能實(shí)現(xiàn)電流的雙向控制，B，C，D 相的控制與A相相同。可以看出ABBC共需要8路可控的PWM控制信號(hào)，而DSP F2812具有12路PWM輸出，滿足控制要求；內(nèi)置的16路12位AD轉(zhuǎn)換器，為電流采樣提供了方便；具有6路捕獲通道，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的位置檢測(cè)。

2.1.1 位置檢測(cè)[8]

電機(jī)的位置檢測(cè)本文采用的是光電式位置傳感器。這種傳感器由兩部分組成，兩個(gè)相隔75°的槽形光耦和與轉(zhuǎn)子同結(jié)構(gòu)的齒盤。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)齒盤旋轉(zhuǎn)不停地切斷光耦的光路，從而使光耦輸出與位置相關(guān)的兩路信號(hào)，經(jīng)整形便可獲得與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的30°的方波信號(hào)。為了濾除位置信號(hào)中的干擾，需要將位置信號(hào)通過一個(gè)門電路后輸出。位置檢測(cè)信號(hào)的整形處理電路如圖7所示。

圖7 位置檢測(cè)信號(hào)整形處理電路

2.1.2 電流檢測(cè)

為了實(shí)現(xiàn)電流的控制必須對(duì)相電流進(jìn)行檢測(cè)。本文實(shí)驗(yàn)中采用了霍爾電流傳感器CS010GT。實(shí)驗(yàn)中繞組A與C，B與D不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，所以A與C，B與D分別共用一個(gè)電流傳感器，然后通過軟件鑒別采樣的是那一相的電流。檢測(cè)的電流信號(hào)是雙極性的，必須經(jīng)過信號(hào)調(diào)理把信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-3 V的范圍內(nèi)才能輸入DSP。實(shí)驗(yàn)中采用了儀用放大器AD620，除了增益可調(diào)外，AD620參考端加一電壓，可使輸出電平產(chǎn)生相應(yīng)的嚴(yán)格平移。利用這個(gè)特性，將電流傳感器輸出的雙極性信號(hào)變換為單極性信號(hào)，以滿足后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換電路的需要。電流信號(hào)的處理如圖8所示。

圖8 電流信號(hào)處理框圖

2.2 控制方式[9]

SRD的控制方框圖如圖9所示。從圖中可以看出該系統(tǒng)內(nèi)環(huán)是電流閉環(huán)控制，外環(huán)是速度閉環(huán)控制，同時(shí)還要包括電機(jī)自身的位置閉環(huán)。在速度閉環(huán)中采用的是簡(jiǎn)單的PI控制方式；電流閉環(huán)控制是通過改變固定頻率的PWM控制信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)電流的控制。另外，在SRM的換相控制上，本實(shí)驗(yàn)中固定了導(dǎo)通角，即θoff與θon之差不變，也就是通過控制超前開通角的大小來控制開通角和關(guān)斷角[9]。

圖9 SRD控制方框圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

控制器TMS320F2812的內(nèi)部資源分配如下：定時(shí)器1和定時(shí)器3為PWM1～8輸出提供時(shí)間基準(zhǔn)；定時(shí)器2作為捕獲單元的時(shí)間基準(zhǔn)；定時(shí)器4用來作周期中斷的時(shí)間基準(zhǔn)；ADCINB0和ADCINB1為電流采樣通道，采用周期中斷啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換；事件管理器A的cap1和cap2端口用作捕獲位置檢測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)和速度檢測(cè)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 程序結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上的介紹搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，如圖11所示。500 r/min速度給定下的位置檢測(cè)波形如圖12（a）所示。雙極性勵(lì)磁控制下的功率變換器的輸出電壓如圖12（b）所示。實(shí)驗(yàn)過程中在雙極性勵(lì)磁方式下SRM運(yùn)行良好，從而證明了雙極性勵(lì)磁方式是可實(shí)現(xiàn)的。

圖11 硬件電路

圖12 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語

本文分析了SRM的傳統(tǒng)勵(lì)磁策略和雙極性勵(lì)磁策略，通過仿真比較兩種勵(lì)磁方式下電機(jī)的磁場(chǎng)分布情況，從而論證雙極性勵(lì)磁策略相對(duì)于傳統(tǒng)勵(lì)磁策略的優(yōu)點(diǎn)。并且搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙極性勵(lì)磁策略的可實(shí)現(xiàn)性。為開關(guān)磁阻電機(jī)降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、提高效率提供了一種控制方案。

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