開關(guān)磁阻電機(jī)在家用食物料理機(jī)中的應(yīng)用

張 珍，韋忠朝

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

家用食物料理機(jī)動力源常用的串激電機(jī)是有刷結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生火花，長時間使用，電刷會磨損.可作為替代的有感應(yīng)電機(jī)（啟動轉(zhuǎn)矩小，負(fù)載過大則電機(jī)無法轉(zhuǎn)動）、永磁無刷直流電機(jī)（磁鐵價格高，較少采用）和開關(guān)磁阻電機(jī).開關(guān)磁阻電機(jī)相對于感應(yīng)電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩大，制造比永磁無刷直流電機(jī)簡單，成本較低；與串激電機(jī)相比，又有更寬的調(diào)速范圍，成為家用食物料理機(jī)動力源的發(fā)展趨勢.C8051F310單片機(jī)是一種新型SOC型單片機(jī)［1］，將其應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)的控制，可充分利用其片上的資源，且單片機(jī)快速的指令執(zhí)行有利于實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)高性能的控制.本文以C8051F310單片機(jī)為控制器核心，實現(xiàn)了對一臺6／4結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)的控制，并實驗驗證系統(tǒng)運(yùn)行效果.

1 開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理

開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電動機(jī)（SRM）、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置檢測器及控制器四部分構(gòu)成［2］（圖1）.

圖1 開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)成

本系統(tǒng)中，SRM 為三相（6／4）結(jié)構(gòu)，功率變換器選用不對稱半橋電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，位置檢測器采用光電式位置傳感器，控制器采用以C8051F310單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng).

圖2 開關(guān)磁阻電動機(jī)動作原理圖

開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理要遵循“磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合”原則［3］.如圖2a狀態(tài)給A相供電，根據(jù)上述原則，轉(zhuǎn)子將逆時針旋轉(zhuǎn)，最終使得轉(zhuǎn)子極和定子極對齊，到達(dá)圖2b狀態(tài).從圖2a到圖2b轉(zhuǎn)子在空間上轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角度.接著，通電相由A相改為B相，繼而B相改為C相.如圖2所示，在一個通電周期（A－B－C－A）內(nèi)，轉(zhuǎn)子在空間上轉(zhuǎn)過一個齒距，按照這樣的相序循環(huán)通電才能使得轉(zhuǎn)子持續(xù)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械能.

根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，可通過磁場儲能Wm或磁共能W′m對轉(zhuǎn)子位置角θ求偏導(dǎo)數(shù)得到SRM的靜轉(zhuǎn)矩，即

假設(shè)電機(jī)磁路不飽和，即在磁路線性的情況下，有

結(jié)合式（1）和式（2），得到假定電感與電流無關(guān)，此時，開關(guān)磁阻電機(jī)的電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線見圖3.由式（3）可知開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，而與電感隨轉(zhuǎn)子位置角變化的偏導(dǎo)數(shù)有關(guān)；若＞0，只要相繞組中有電流流過，則產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩；若＜0，相繞

組有電流流過，則產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩.

圖3 開關(guān)磁阻電動機(jī)各相電感圖

對于m相開關(guān)磁阻電機(jī)，假定各相具有對稱的結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)，根據(jù)電路定律和電磁感應(yīng)定律，可以寫出其某一相（第k相）的電壓平衡方程式為

對于m相SRM，相周期為θcy，則其平均轉(zhuǎn)矩為：

若電機(jī)確定，開通關(guān)斷角恒定，則（4）式積分部分為常數(shù)，因此有：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制的基本原理是控制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與方向，根據(jù)上述分析可知，可通過控制繞組中電流以及其相對與轉(zhuǎn)子的位置來實現(xiàn).可見開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制的可控參數(shù)有：相電流幅值Im、開通角on、關(guān)斷角off以及繞組電壓u.合理地改變這幾個參數(shù)，即可控制開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速.

2 開關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略

開關(guān)磁阻電機(jī)的典型運(yùn)行特性分為三個區(qū)域：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和自然特性區(qū)（圖4）.在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，較小，旋轉(zhuǎn)電勢小，使得電流上升很快，又由于處于低速，每相的通電時間較長，因此需對電流進(jìn)行斬波限幅，避免過流，稱為電流斬波控制（CCC）方式，也可采用調(diào)節(jié)相繞組外加電壓有效值的電壓PWM控制方式；在恒功率區(qū)，電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，較大，旋轉(zhuǎn)電動勢較大，因而繞組電流上升率低，又由于處于較高速每個位置下主開關(guān)器件導(dǎo)通時間較短，所以電流無法上升到所需值，因此要通過合理調(diào)節(jié)主開關(guān)管的開通角和關(guān)斷角來取得恒功率特性，稱為角度位置控制（APC）方式；在自然特性區(qū)，電源電壓、開通角和關(guān)斷角等可控條件均到達(dá)控制極限，為固定值.當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高時，輸出轉(zhuǎn)矩將下降.圖4中，n1定義為開關(guān)磁阻電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，此時對應(yīng)功率為額定功率，n1也稱為第一臨界轉(zhuǎn)速；n2為恒功率區(qū)的上限，即額定功率內(nèi)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，稱為第二臨界轉(zhuǎn)速.

圖4 開關(guān)磁阻電機(jī)的典型運(yùn)行特性圖

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，控制策略可采取如下兩種方式：在n1轉(zhuǎn)速以下，采用電流斬波控制（CCC控制）；在n1與n2轉(zhuǎn)速之間，則采用角度位置控制（APC控制）.本系統(tǒng)中電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速以下，因此宜采用電流斬波控制的控制策略.

由式（5）知，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速正比于繞組端電壓u，通過PWM斬波方式調(diào)節(jié)繞組端電壓平均值，進(jìn)而能間接調(diào)節(jié)和限制過大的繞組電流，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié).因此，本系統(tǒng)可采用固定開通角、關(guān)斷角，而對母線電壓斬波控制來實現(xiàn)電流斬波控制的控制策略.

圖5 開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)（圖5）由電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)構(gòu)成，其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)［4］、速度環(huán)為外環(huán).速度反饋信號ω是根據(jù)位置傳感器輸出的轉(zhuǎn)子位置信號計算出來的，與速度給定ω＊相減后作為速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，而速度調(diào)節(jié)器的輸出信號則作為電流環(huán)的給定值i＊，再與由電流采樣測到的實際相電流i值比較，得到電流偏差，作為電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器的輸出作為調(diào)制波控制PWM信號的占空比.控制器通過控制功率變換電路中主開關(guān)器件的開通關(guān)斷來調(diào)節(jié)相繞組兩端電壓的占空比，實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的控制，從而實現(xiàn)調(diào)速，以保證系統(tǒng)得到快速的響應(yīng).

本控制器以C8051F310單片機(jī)為核心，綜合外部轉(zhuǎn)速輸入給定、位置檢測器及其轉(zhuǎn)子位置反饋信號、電壓電流采樣電路采樣的電壓電流反饋信號、運(yùn)行或故障指示信號等等［5］，通過C8051F310單片機(jī)的分析和計算，按照上述的控制策略，對功率變換器的主開關(guān)器件發(fā)出開通或關(guān)斷信號，以完成對開關(guān)磁阻電機(jī)的高性能控制（圖6）.

圖6 單片機(jī)控制系統(tǒng)圖

3 開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，電機(jī)控制程序為主程序無限循環(huán)、多個中斷程序并行的程序結(jié)構(gòu)（圖6）.各個中斷程序的主要思想是，母線電壓、繞組電流以及給定速度值是電壓采樣硬件電路、電流采樣硬件電路和外部速度給定硬件電路通過C8051F310單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換得到.光電位置傳感器電路輸出的3路位置信號，可通過IO輸入而后通過定時器T0計算得到實際速度.通過閉環(huán)調(diào)節(jié)計算，確定PWM占空比來重新確定PCA捕捉比較模塊比較寄存器的值，從而獲得控制統(tǒng)所需要的新的PWM控制信號，PWM控制信號經(jīng)過驅(qū)動電路放大，進(jìn)一步控制開關(guān)器件，從而實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的高性能控制.

圖7 控制流程圖

3.1 主程序的設(shè)計

主程序主要是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并循環(huán)等待進(jìn)入中斷響應(yīng)，其流程圖簡單（圖8），它包括三個環(huán)節(jié)：系統(tǒng)初始化、電源測試和循環(huán)等待.

3.2 子程序的介紹

3.2.1 電流采樣、電源電壓采樣、速度給定的實現(xiàn)

在本文中，電機(jī)速度的調(diào)節(jié)是通過手動實現(xiàn)的.通過調(diào)節(jié)電位器的旋鈕，使得電位器的電位發(fā)生變化，把變化后的電位通過硬件電路處理后，送入C8051F310單片機(jī)的ADC模塊，在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字值送入單片機(jī)指定的數(shù)據(jù)單元中保存（圖9）.

圖8 主程序流程圖

圖9 ADC中斷流程圖

3.2.2 轉(zhuǎn)速計算及換相子程序 T0定時器的中斷周期是33μs，位置信號的輸入是通過C8051F310單片機(jī)的IO口對3路光電位置傳感器輸出信號進(jìn)行實時檢測實現(xiàn).該程序定時查詢轉(zhuǎn)子位置信號，檢測其變化，并記錄相鄰2次信號變化的時刻，由此計算開關(guān)磁阻電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速.根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置和實際轉(zhuǎn)速，精確控制各相開關(guān)管的通斷，完成換相，并為系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制提供轉(zhuǎn)速反饋（圖10）.

3.2.3 軟件抗干擾設(shè)計（數(shù)字濾波子程序） 為提高系統(tǒng)的可靠性，在硬件抗干擾措施基礎(chǔ)上，增加軟件抗干擾設(shè)計作為補(bǔ)充.本系統(tǒng)中，軟件抗干擾技術(shù)采用算術(shù)平均濾波法.即連續(xù)取N個采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，本系統(tǒng)N＝4.這樣可以獲得較準(zhǔn)確的測量值，減小測量誤差，提高了精度（圖11）.

圖10 T 0定時器中斷流程圖

圖11 數(shù)字濾波程序流程圖

3.2.4 T2中斷子程序（電壓PWM 計算子程序）

此中斷程序由T2定時器確定每次進(jìn)入中斷的時間，主要是由速度PI控制子程序構(gòu)成的.這個程序用來調(diào)節(jié)開關(guān)磁阻電機(jī)的速度和確定對繞組的輸出驅(qū)動PWM波.通過速度PI控制算法對PWM斬波占空比進(jìn)行實時更新.

4 實驗結(jié)果

圖12為系統(tǒng)的整體框圖，對開關(guān)磁阻電動機(jī)整個控制系統(tǒng)進(jìn)行了實驗.開關(guān)磁阻電機(jī)參數(shù)如下：額定功率400 W；額定轉(zhuǎn)速10 000 r／min；額定電壓310 V；定轉(zhuǎn)子極數(shù)6／4；相數(shù)3.在220 V交流供電情況下，帶負(fù)載驅(qū)動電機(jī).

本實驗中，位置檢測器由3個光電編碼器組成，每兩個相鄰光電編碼器中心線的夾角是30°.碼盤為4齒4槽，齒槽均勻分布.通過位置信號可計算出開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行的實際速度，用于速度反饋；還可以利用位置信號進(jìn)行對功率開關(guān)器件的開通、關(guān)斷控制和電機(jī)換相控制.本系統(tǒng)的位置信號波形見圖13，跟理論分析的一樣，是占空比為50%的方波，相與相之間相差120°電角度.一個通電周期內(nèi)，有6個不同狀態(tài).

圖12 開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)整體圖

圖13 兩相轉(zhuǎn)子位置信號波形

由圖14可以看出，在閉環(huán)調(diào)速時，上管采用180°導(dǎo)通PWM斬波方式.通過調(diào)節(jié)PWM的占空比D，從而調(diào)節(jié)母線電壓加在相繞組上的有效時間，改變了相電壓有效值，進(jìn)而實現(xiàn)調(diào)速.

圖14 兩相上管驅(qū)動信號波形

實驗測得電機(jī)一相的電壓電流波形如圖15圖16所示，可以看出電機(jī)在低速和高速運(yùn)行時電流波形是有差別的.在較低速時，電流上升很快，在較高速時，電流上升比較慢.經(jīng)過電壓PWM斬波后的電流波形較平穩(wěn)，對電機(jī)沖擊較小.而且本實驗中電機(jī)在任何位置都可以起動，沒有起動的死區(qū)，運(yùn)行可靠.實驗實測波形與理論分析吻合，驗證了開關(guān)磁電機(jī)應(yīng)用于新領(lǐng)域的可行性.

圖15 低速下，某一相繞組上電壓和電流波形

圖16 較高轉(zhuǎn)速下，某一相繞組上電壓和電流波形

5 結(jié)論

本文主要對開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與研究，并進(jìn)行了實驗.實驗數(shù)據(jù)和波形反映整個系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，工作可靠，進(jìn)一步驗證了開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)良的性能.

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