SRM電動／發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺設計

劉 恒，潘再平

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

開關磁阻電機 （switched reluctance machine，SRM）具有結構簡單、成本低、控制靈活、容錯能力高等優(yōu)良特性［1］，相對傳統(tǒng)的交流電機調(diào)速系統(tǒng)，具有較好的啟動和調(diào)速性能，在變速系統(tǒng)如航天起動／發(fā)電機、混合動力汽車起動／發(fā)電機和風力發(fā)電等中的應用不斷發(fā)展［2－5］。

SRM不同于一般的交流電機，其運行遵循“磁阻最小原理”，轉子無勵磁，靠定子繞組完成勵磁和發(fā)電過程，具有可控參數(shù)多，如開通角、關斷角、直流斬波限值、勵磁電壓等，控制方式靈活等特點［6］。通過搭建開關磁阻電機實驗平臺，研究不同控制參數(shù)、控制方式對電機運行性能的影響，為開關磁阻電機的實驗教學及相關研究提供了硬件平臺，具有一定的實踐意義。

本文基于一臺三相12／8極開關磁阻電機，設計并搭建了一套SRM電動／發(fā)電實驗平臺，能夠實現(xiàn)SRM的電動和發(fā)電運行控制，測試不同控制算法的可行性。

1 實驗平臺硬件設計

開關磁阻電機電動／發(fā)電實驗平臺主要由SRM、直流電機、功率變換器和控制電路4個部分構成，其結構見圖1。圖中SRM及其功率變換器構成SRM模塊，直流電機及其功率變換器構成直流電機模塊，兩者通過聯(lián)軸器連接。電網(wǎng)電壓分別通過三相調(diào)壓器T1、T2和三相不控整流橋Rec 1、Rec 2為直流電機和開關磁阻電機提供直流電壓U1、U2。

（1）SRM 運行在電動狀態(tài)。K1、K4斷開，K2、K3閉合，U2通過功率變換器給繞組通電，產(chǎn)生磁阻轉矩，驅動轉子旋轉。而直流電機作為SRM的負載，運行在發(fā)電狀態(tài)，輸出電能供給負載R1，功率由右側流向左側。

（2）SRM 運行在發(fā)電狀態(tài)。K1、K4閉合，K2、K3斷開，SRM通過功率變換器輸出直流電供給負載R2。此時，直流電機作為原動機運行在電動狀態(tài)，為SRM發(fā)電運行提供機械能輸入，功率由左側流向右側。

圖1 SRM實驗平臺結構圖

1.1 SRM模塊

SRM模塊由1臺3相12／8極開關磁阻電機和三相不對稱橋式電路構成，其結構如圖2所示。

圖2 SRM模塊結構

本模塊采用三相橋式功率變換器，各相繞組接至相應的不對稱橋，在電路上相互獨立，具有最大的控制靈活性。功率開關器件選用富士2MBI25L－120模塊，同時采用集中式的RCD緩沖電路保護功率開關器件。

當SRM作為電動機運行時，依次導通A、B、C三相，使各相電流工作在電感上升區(qū)，產(chǎn)生磁阻轉矩，驅動轉子旋轉；當作為發(fā)電機運行時，SRM采用自勵模式，此時U2是起勵電壓，起勵完成后SRM建立直流電壓，提供勵磁［7］。

1.2 直流電機模塊

直流電機模塊由1臺直流電機和直流功率變換器構成，其結構如圖3所示。

圖3 直流電機模塊結構

直流電機采用他勵方式，勵磁電壓Vf由電網(wǎng)電壓經(jīng)過單相調(diào)壓器和單相橋式不控整流獲得。

當直流電機工作在電動機狀態(tài)時，其采用PWM調(diào)速控制；當工作在發(fā)電狀態(tài)時，直流電機輸出不控制、直接為負載R1提供電能。

1.3 控制電路

控制電路主要包括DSP控制器、采樣調(diào)理電路、位置檢測電路以及驅動電路等，其結構見圖4。

圖4 控制電路結構

DSP采用TMS320F2812作為主控制器，完成AD轉換、控制算法運算、PWM信號生成等功能。它具有高速運算能力和強大的中斷響應能力，16通道ADC模塊以及專門的事件管理器等極大地簡化了系統(tǒng)的硬件結構，為實現(xiàn)高性能數(shù)字控制技術提供了便利。

采樣調(diào)理電路包括SRM三相繞組電流、C2母線電壓以及母線電流的采樣調(diào)理。其中電流采樣采用LEM電流傳感器，將各相電流轉換為相應的電壓信號，再經(jīng)過調(diào)理電路送入DSP的AD端口。電壓采樣通過運放差分采樣調(diào)理得到相應的信號送入DSP。差分電路能夠抑制共模電壓，減小零偏，適用于直流電壓的采樣調(diào)理。

位置檢測電路采用光電式位置傳感器，其信號分兩路送入DSP：一路送入DSP事件管理器的CAP單元，計算電機的位置和轉速；另一路送入GPIO引腳，確定SRM啟動或低速時的運行位置。

驅動電路采用集成式驅動芯片EXB841，其單電源供電，具備過流保護能力，使用簡單，可靠性高。

2 實驗平臺軟件設計

本實驗平臺的軟件主要包括SRM電機起動／發(fā)電控制程序和直流電機調(diào)速控制程序。程序基于TI公司提供的編程工具 Code Composer Studio（CCS）和C／C＋＋語言，具有較好的可讀性和通用性，利于系統(tǒng)的改進維護。

2.1 SRM起動／發(fā)電控制

SRM無論是工作在電動模式還是發(fā)電模式，其控制程序都需要對電機的位置／轉速信號和相電流信號進行采樣計算，及基于轉子位置完成換相控制。根據(jù)電機的工作模式和控制目標，控制算法一般采用雙環(huán)控制，外環(huán)通過PI環(huán)節(jié)，得到繞組電流參考值，內(nèi)環(huán)則根據(jù)電機的運行狀態(tài)選擇合適的控制方法，如電流斬波控制（chopped current control，CCC）、角度位置控制（angular position control，APC）或電壓控制（voltage control，VC）［8－9］，控制繞組電流。圖5為SRM 控制系統(tǒng)軟件結構。

圖5 SRM系統(tǒng)控制軟件結構

SRM的DSP控制程序主要包括初始化程序、主程序和若干中斷服務子程序。程序啟動后，對DSP設置、EV單元、控制算法參數(shù)等進行初始化，然后進入主程序。主程序是一個無限循環(huán)，進行轉速計算，等待中斷發(fā)生。

SRM所有控制均在中斷子程序中完成，包括定時器中斷和捕獲中斷。前者采用定時器3的周期中斷程序作為主中斷，頻率為10kHz，在主中斷中進行轉子位置計算、堵轉判斷、換相判斷、外環(huán)PI計算、內(nèi)環(huán)電流控制等控制算法計算；捕獲中斷的中斷頻率由SRM轉速確定，發(fā)生在位置檢測信號的上升沿和下降沿。捕獲中斷程序讀取相應捕獲堆棧寄存器FIFO里的數(shù)據(jù)并儲存，等待位置和轉速的計算子程序調(diào)用。

2.2 直流電機調(diào)速控制

當直流電機作為原動機時，對其進行調(diào)速控制。DSP控制程序包括轉速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，外環(huán)計算速度參考值與轉速反饋的誤差［10］，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)得到電流參考值，再經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)得到調(diào)制比，控制功率開關管通斷，實現(xiàn)轉速快速無差跟蹤。

由于電流環(huán)時間常數(shù)較小，能夠快速響應各種干擾，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，對電流進行限幅還能對過載或堵轉起到保護作用［11］。

3 實驗平臺功能及測試

根據(jù)上述系統(tǒng)設計方案，本文搭建了一套開關磁阻電機電動／發(fā)電實驗平臺，主要實驗設備參數(shù)見表1。

表1 實驗設備參數(shù)

該實驗平臺適用于1kW級別的三相開關磁阻電機的控制測試，具備以下功能：

（1）能夠實現(xiàn)SRM電動／發(fā)電運行。當SRM處于電動模式時，通過轉速閉環(huán)控制能夠實現(xiàn)寬范圍調(diào)速，對負載擾動也有快速的響應能力；當SRM處于發(fā)電模式時，可以實現(xiàn)不同負載和轉速擾動下的穩(wěn)壓運行。

（2）可測試不同的SRM控制參數(shù)和控制方法。由于開關磁阻電機可控參數(shù)多，因而其控制方式也比較靈活，本實驗平臺可以根據(jù)不同的控制要求實現(xiàn)CCC、APC和VC控制，還可根據(jù)電機的運行狀態(tài)，實現(xiàn)APC＋CCC或APC＋PWM等組合控制方式的自動切換，從而對SRM在不同控制模式下的性能進行比較。

（3）對原動機進行調(diào)速控制。當直流電動機作為原動機為SRM提供機械能輸入時，采用PWM調(diào)速控制，使其在不同負載下跟蹤轉速，為SRM變速運行提供了條件。

（4）采用分段PI調(diào)節(jié)器。本系統(tǒng)采用分段PI調(diào)節(jié)器，當給定值有較大改變時，系統(tǒng)需要較大的控制量以求快速響應，PI調(diào)節(jié)器具有大Kp（比例系數(shù)）、小Ki（積分系數(shù)）；當運行在給定值附近，為防止超調(diào)并減小靜態(tài)誤差，PI調(diào)節(jié)器具有小Kp、大Ki［12］。采用 PI參數(shù)分段調(diào)節(jié)，能夠更好地滿足系統(tǒng)的動態(tài)性能控制要求，且原理簡單，實現(xiàn)方便。

為了驗證實驗平臺設計的有效性，本文以CCC控制為例，分別對SRM電動和發(fā)電運行控制進行了測試。

圖6為SRM發(fā)電模式下負載發(fā)生擾動時，SRM直流母線電壓vdc和C相電流ic的波形，此時轉速n＝800r／min，vref＝200V。當負載發(fā)生擾動時，在閉環(huán)控制下，維持轉速基本不變，vdc跌落6V后再次恢復。當負載變大時，需要增大SRM勵磁電流來維持直流電壓恒定。

圖6 SRM發(fā)電模式下負載擾動響應波形

圖7為SRM電動模式下轉速給定階躍變化時，SRM轉速n和C相電流ic波形。此時SRM直流母線電壓為200V，nref＝500r／min。當轉速給定變化時，通過SRM轉速閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)相電流的大小，即可調(diào)節(jié)磁阻轉矩從而實現(xiàn)轉速跟蹤給定。

圖7 SRM電動模式下轉速擾動響應波形

4 結束語

本文設計并搭建了一套基于12／8極結構的開關磁阻電機實驗平臺，能夠實現(xiàn)SRM發(fā)電和電動兩種運行模式。通過DSP數(shù)字控制，能夠方便地調(diào)整SRM的控制參數(shù)和控制算法，從而對比研究其對SRM的不同影響。最后以CCC控制為例，分別測試了SRM電動和發(fā)電運行，驗證了平臺功能的完整性。此外，還可在現(xiàn)有實驗平臺基礎上，改進原動機控制算法來模擬如風力機、電梯負載等不同的外部對象，使其適用不同應用場合的SRM實驗測試。

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