開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)微步控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

唐 睿

(長(zhǎng)城鉆探工程有限公司物資分公司 北京 100101)

0 引 言

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor，簡(jiǎn)稱 SRM)是在磁阻電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高性能機(jī)電一體化電機(jī)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低，且具有良好的可控性，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展之中。

不過(guò)，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最常見的應(yīng)用難點(diǎn)是對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不僅直接影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出特性，而且會(huì)加重電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲。因此，抑制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究一直受到人們的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[1]將模糊推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合來(lái)控制電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但方案繁瑣，在實(shí)時(shí)控制方面存在困難，且控制性能與模糊規(guī)則過(guò)分依賴于樣本的選取。本文設(shè)計(jì)了基于微步控制策略的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)起到有效的控制，具有良好的推廣及應(yīng)用價(jià)值。

1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)特性及原理

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極鐵心結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片迭壓而成。定子上有集中繞組，轉(zhuǎn)子上既無(wú)繞組也無(wú)永磁體。SRM 可以設(shè)計(jì)成多種不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)也有多種不同的搭配。由于三相以下的 SRM 無(wú)自啟動(dòng)能力，目前應(yīng)用較多的是四相(8/6)結(jié)構(gòu)及三相(6/4)結(jié)構(gòu)。[2]

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”。磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必須使自己的主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。若改變通電電流的順序，則轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變。也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與相繞組電流的方向無(wú)關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。

以較普通的四相(8/6)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1所示，圖中只畫出了 A相繞組及其供電電路。當(dāng)定子 A1-A極勵(lì)磁時(shí)，所產(chǎn)生的磁力促使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線S1-S與定子極軸線A1-A重合的位置，并使A相勵(lì)磁繞組的電感最大。以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對(duì)位置作為起始位置，順序給 BC-D-A相繞組通電，則轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。反之，若依次給 D-C-B-A相繞組通電，則電動(dòng)機(jī)會(huì)以逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)。

圖1 4相8/6極SRM結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the 4 phase 8/6 pole SRM

2 微步控制策略原理及實(shí)現(xiàn)

SRM 的轉(zhuǎn)矩是由磁路選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)而產(chǎn)生的。由于SRM磁路的非線性，通常SRM的轉(zhuǎn)矩根據(jù)磁共能來(lái)計(jì)算，即：

式中：θ為轉(zhuǎn)子位置角，i為繞組電流，k為電機(jī)相數(shù)。

在忽略開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)磁路飽和及邊緣效應(yīng)，且假定電感與電流無(wú)關(guān)，而僅僅與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的情況下，則上式可簡(jiǎn)化為：

式中：L為SRM相繞組的自感，其變化周期與轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)成正比。利用傅立葉分解，且忽略高次諧波的影響，則L可表示為：

式中：L0、L1為電感的恒定分量和基波分量的幅值，Nr轉(zhuǎn)子齒數(shù)，據(jù)此電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

公式 4說(shuō)明每相繞組產(chǎn)生的基波電磁轉(zhuǎn)矩是一種空間正弦波，電磁轉(zhuǎn)矩的幅值和繞組磁動(dòng)勢(shì)平方成正比，電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定零位取決于該相磁極中心線的位置。[3]因此，用空間矢量Tk代表k相繞組的電磁轉(zhuǎn)矩，則Tk的相位和k相繞組磁極中心線一致。

對(duì)于四相(8/6)SR 電動(dòng)機(jī)而言，A、B、C、D 四相繞組產(chǎn)生的穩(wěn)定零位在空間依次相差一個(gè)轉(zhuǎn)子步進(jìn)角，用機(jī)械角表示為 15,°，電角度為 90,°。如果依次給四相通入幅值相等的直流電，則轉(zhuǎn)矩矢量 TA、TB、Tc和 TD依次產(chǎn)生定位作用，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將以步進(jìn)角15,°一步一步旋轉(zhuǎn)。如果忽略SR電機(jī)互感，允許將定位轉(zhuǎn)矩進(jìn)行矢量疊加，則得圖 2所示的轉(zhuǎn)矩星型圖，[6]其中 TAB、TBC、TCB和 TDA是兩相同時(shí)供電時(shí)產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩矢量，可以用矢量形式表示：

TA比 TAB落后 45,°電角度，相當(dāng)于 1/8轉(zhuǎn)子齒距，按機(jī)械角度計(jì)算為 7.5,°?？梢岳斫鉃?TAB和 TA錯(cuò)開半個(gè)步進(jìn)角。轉(zhuǎn)矩星型圖中轉(zhuǎn)矩矢量間的相位關(guān)系只取決于定子磁極中心線間的距離。TA、TB、Tc和 TD為基本轉(zhuǎn)矩矢量，它們的相位取決于定子磁極中心線的空間位置，與各相繞組的電流大小無(wú)關(guān)。對(duì)于由基本轉(zhuǎn)矩矢量合成的轉(zhuǎn)矩 TAB、TBC，、TCD和 TDA稱為派生轉(zhuǎn)矩矢量，而派生轉(zhuǎn)矩矢量的相位調(diào)節(jié)可以通過(guò)繞組電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩星型圖(7.5,°)Fig.2 Star chart of the motor torque(7.5,°)

分析轉(zhuǎn)矩星型圖和派生轉(zhuǎn)矩矢量可以得出：既然能夠利用矢量和的方法，由基本轉(zhuǎn)矩TA和TB合成派生轉(zhuǎn)矩矢量 TAB，那就完全有可能調(diào)節(jié)電流的幅值來(lái)移動(dòng)派生轉(zhuǎn)矩TAB的相位，使它出現(xiàn)在基本轉(zhuǎn)矩矢量之間的任何相位上。采用矢量控制方法，各相的通電順序?yàn)椋?/p>

正轉(zhuǎn)時(shí)：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A

反轉(zhuǎn)時(shí)：A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A

如圖3所示，其步進(jìn)角為3.75,°。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩星型圖(3.75,°)Fig.3 Star chart of the motor torque((3.75,°)

為了保證恒轉(zhuǎn)矩，由圖2易得出，兩相同時(shí)通電時(shí)的電流為一相單獨(dú)通電時(shí)電流的0.717倍。而隨著電機(jī)每轉(zhuǎn)細(xì)分步數(shù)的增加，電機(jī)的步進(jìn)角逐漸減小，從而使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩具有很好的平滑性，達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)微步驅(qū)動(dòng)的核心是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩矢量幅值相等，控制相繞組電流跟隨給定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的參考電流大小。而控制相繞組電流是以控制PWM功率變換器輸出脈寬被調(diào)制的功率開關(guān)信號(hào)為直接控制量，使實(shí)際輸出電流按階梯波電流變化。所以 SRM的微步控制是靠調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由此可以得到SRM微步控制系統(tǒng)原理圖，如圖4所示。

圖4 SRM微步控制系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of the micro-step switched reluctance drive control system

3 SRM控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)圖4的微步控制系統(tǒng)原理圖，本文設(shè)計(jì)了基于 TMS320LF2407A的控制系統(tǒng)，[4]該控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖 5所示。該系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器、DSP控制器、位置檢測(cè)和電流檢測(cè)等部分組成。DSP控制器[5]采用 TI公司生產(chǎn)的專用電機(jī)控制的信號(hào)處理器 TMS320LF2407A，它將 DSP的高速運(yùn)算能力和高效控制能力集于一體，保證了控制策略的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

圖5 SRM控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.5 Block diagram of hardware design for the SRM

微步控制系統(tǒng)控制器是以 TMS320LF2407A DSP為核心，根據(jù)轉(zhuǎn)速給定，綜合處理相電流檢測(cè)電路輸入的電流信號(hào)，以及光電式位置傳感器輸入電路的位置檢測(cè)信號(hào)；根據(jù)微步控制規(guī)律，調(diào)整各相輸出波形的占空比，通過(guò)光電隔離電路輸出到驅(qū)動(dòng)電路，控制主開關(guān)器件的通斷，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速以及其他信息通過(guò)人機(jī)界面輸出。同時(shí)，復(fù)位電路、過(guò)流保護(hù)電路和欠壓過(guò)壓保護(hù)電路的存在，為系統(tǒng)的復(fù)位和正常運(yùn)行保駕護(hù)航。

4 SRM控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖6 SRM控制程序結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure chart of control program for SRM

本系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)采用DSP C語(yǔ)言編程實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，增加了程序的可讀性和移植性。從最高層次上講，整個(gè)系統(tǒng)軟件程序分為初始化程序和主程序兩部分。初始化程序包括 DSP系統(tǒng)初始化、事件管理器初始化、中斷初始化、參數(shù)初始化、顯示初始化等初始化程序。初始化程序完成后，啟動(dòng)主程序。主程序根據(jù)電流信號(hào)、位置信號(hào)和當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，完成轉(zhuǎn)子位置計(jì)算、電流控制、轉(zhuǎn)速控制及其計(jì)算顯示等任務(wù)。圖6為SRM控制程序結(jié)構(gòu)圖。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì) SRM 結(jié)構(gòu)及工作原理的研究，制定了系統(tǒng)的微步控制策略，并設(shè)計(jì)了功能較完善的控制軟件及硬件。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)能夠在低速狀態(tài)下有效地抑制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小噪聲。■

［1］ 丁文，周會(huì)軍，魚振民. 開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的智能抑制研究[J]. 微電機(jī)，2006，39(2)：7-14.

［2］ 王宏華. 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：12-20.

［3］ 宋桂英，李練兵，孫鶴旭，等. 基于DSP的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)微步控制策略研究[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32(6)：39-44.

［4］ 李繼生，段秉龍，李文剛. 基于DSP的開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2007，36(10)：52-54.

［5］ 王曉明，王玲. 電動(dòng)機(jī)的 DSP控制[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.