開關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)方案及關(guān)斷角優(yōu)化研究

高 赟，賈星辰

(西安科技大學(xué)，西安 710054)

開關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)方案及關(guān)斷角優(yōu)化研究

高 赟，賈星辰

(西安科技大學(xué)，西安 710054)

針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)帶載起動(dòng)時(shí)易因關(guān)斷角選取不當(dāng)以及通電控制策略不當(dāng)引起的無(wú)法起動(dòng)問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行起動(dòng)關(guān)斷角優(yōu)化，并對(duì)12/8開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行分析采用一種無(wú)反轉(zhuǎn)的起動(dòng)策略。根據(jù)位置傳感器信息判斷轉(zhuǎn)子初始位置并制定相通電邏輯，使電機(jī)可以正常起動(dòng)的基礎(chǔ)上采用一種單雙相結(jié)合起動(dòng)方式以提高其帶載能力。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證起動(dòng)策略及關(guān)斷角優(yōu)化的有效性，確定其最優(yōu)關(guān)斷角，并證實(shí)該單雙相起動(dòng)方案的可行性。

開關(guān)磁阻電機(jī)；關(guān)斷角；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；單雙相起動(dòng)

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRM)是一種新型調(diào)速電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流和交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小，控制靈活的優(yōu)點(diǎn)。因此SRM被廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合[1-2]。

SRM轉(zhuǎn)子無(wú)繞組亦無(wú)永磁體，為雙凸極變磁阻電動(dòng)機(jī)[3]。運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”。電磁轉(zhuǎn)矩作為電動(dòng)機(jī)的指標(biāo)之一，總希望大一點(diǎn)。但由于SRM的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理，相電流僅在電感上升區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，而在電感下降區(qū)域則會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這導(dǎo)致SRM的輸出轉(zhuǎn)矩與開通角以及關(guān)斷角密切相關(guān)。由于起動(dòng)時(shí)初始速度為零且轉(zhuǎn)速變化較快，轉(zhuǎn)速低旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較小，以及初始位置的檢測(cè)不正確，可能會(huì)使電流延伸到電感下降區(qū)，使電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩甚至反轉(zhuǎn)從而無(wú)法進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

本文在對(duì)關(guān)斷角進(jìn)行優(yōu)化后所采取的起動(dòng)方案避免了上述現(xiàn)象，有效減小了起動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性的同時(shí)提高了系統(tǒng)的起動(dòng)帶載能力。

1 起動(dòng)過(guò)程分析

1.1起動(dòng)原理分析

假設(shè)相繞組的電感與相電流大小無(wú)關(guān)，只隨轉(zhuǎn)子位置角θ周期性變化，如圖1中曲線L所示，則可以寫出一相電路方程：

(1)

式中：Us為相繞組兩端電壓。電磁轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)磁共能進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算：

(2)

圖1 SRM電流磁鏈與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系

由式(1)、式(2)及圖1可知，在相電感上升階段轉(zhuǎn)子獲得電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，反之則獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

SRM在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)θ<θ1時(shí)，由于電感在最小值，電流快速上升，電磁轉(zhuǎn)矩為零。當(dāng)θ1<θ<θoff時(shí)，電感處在上升階段， 此時(shí)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩且為正。這兩個(gè)階段相繞組兩端電壓為US。而當(dāng)θoff<θ<θ2時(shí)，加在繞組兩端電壓為-US，但此時(shí)處在電感上升區(qū)域，電流下降但仍產(chǎn)生正的電磁轉(zhuǎn)矩。θ>θ2時(shí)，繞組兩端電壓仍為-US，電流快速下降，若在電感下降區(qū)域前相電流沒(méi)有降為0，則該相會(huì)產(chǎn)生負(fù)的電磁轉(zhuǎn)矩即制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

1.2開通關(guān)斷角對(duì)起動(dòng)的影響

由上一節(jié)的分析可以知道，為了得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一方面應(yīng)盡量減少或避免制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即在電感下降階段之前盡快使相電流衰減到零。另一方面，應(yīng)盡量提高電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即在相電感隨轉(zhuǎn)子位置上升區(qū)域應(yīng)盡量流過(guò)較大的電流。為此關(guān)斷角通常設(shè)計(jì)在最大電感達(dá)到之前但又不能過(guò)于前移。

通過(guò)對(duì)電機(jī)特性分析可知，把開通角前移有助于使相電流快速上升，把關(guān)斷角后移以增大導(dǎo)通區(qū)間電流，從而產(chǎn)生很大電磁轉(zhuǎn)矩。但電流過(guò)大以及關(guān)斷角推后會(huì)使開關(guān)管關(guān)斷以后電流續(xù)流進(jìn)入電感下降區(qū)域從而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。進(jìn)而使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使得瞬間電機(jī)方向不確定。同時(shí)使相電流適當(dāng)進(jìn)入電感下降區(qū)又可以提高導(dǎo)通區(qū)間的電流。所以如果開通關(guān)斷角選取不當(dāng)，控制策略不得當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)出現(xiàn)紊亂[5]。因此，電機(jī)起動(dòng)階段，應(yīng)該對(duì)關(guān)斷角進(jìn)行優(yōu)化，使電機(jī)平穩(wěn)快速起動(dòng)的同時(shí)又可以兼顧電機(jī)的帶載能力。

2 一種單雙相結(jié)合起動(dòng)方法的實(shí)施

本文研究對(duì)象為三相12/8結(jié)構(gòu)、7.5 kW的開關(guān)磁阻電機(jī)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)控制電路以及主電路。電機(jī)的三相繞組參數(shù)為RA=0.4 Ω,RB=0.4 Ω，RC=0.4 Ω。轉(zhuǎn)子凸極、凹槽數(shù)均為8，凸極弧度數(shù)為17°，凹槽弧度數(shù)為28°。定子凸極、凹槽數(shù)均為12個(gè)，弧度數(shù)為15°。三個(gè)位置傳感器安裝在以轉(zhuǎn)子軸心為圓弧相隔15°，遮光盤共有8個(gè)圓弧，其弧度數(shù)為22.5°均勻分布在圓盤周圍。其中遮光盤將位置傳感器擋住時(shí)輸出0，未擋住時(shí)輸出1。

根據(jù)三光電對(duì)管輸出信號(hào)變化，測(cè)得每相電感的變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系如圖2所示。

圖2 位置信號(hào)與電感關(guān)系曲線

當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)控制器的CAP模塊實(shí)時(shí)捕獲邊沿信號(hào)來(lái)計(jì)算速度從而計(jì)算轉(zhuǎn)子位置從而判斷通電邏輯，但是在電機(jī)起動(dòng)前由于轉(zhuǎn)子靜止不會(huì)出現(xiàn)邊沿情況，這給初始位置判斷帶來(lái)困難。如果不能準(zhǔn)確的判斷電機(jī)當(dāng)前位置狀態(tài)就會(huì)使電機(jī)起動(dòng)控制出現(xiàn)拒動(dòng)甚至反轉(zhuǎn)。因此電機(jī)的初始位置檢測(cè)無(wú)法使用CAP模塊，必須要使用I/O口對(duì)其所處位置進(jìn)行預(yù)估判斷。

由圖2可知，三相SRM在任一瞬間均存在電感上升相，因此三相電機(jī)具有自起動(dòng)能力?？梢钥吹揭粋€(gè)周期內(nèi)共有6個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)為7.5°，周期為45°。將6個(gè)狀態(tài)分別依次表示為S1～S6。由圖2可以知道狀態(tài)與電感增大相的關(guān)系如表1所示。

表1 位置狀態(tài)與電感增大相關(guān)系

結(jié)合圖2和表1可以清晰地確定起動(dòng)控制策略。由于起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大，在起動(dòng)階段采取單相起動(dòng)方式可能會(huì)在某些特殊初始位置出現(xiàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足等起動(dòng)問(wèn)題，且由于電機(jī)速度低，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的壓降小，電流上升快，相電流容易過(guò)流。因此采取一種一相與兩相導(dǎo)通相結(jié)合的起動(dòng)方式。

當(dāng)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置處于S1位置時(shí)，A相電感在由最小值開始上升區(qū)域內(nèi)，因此若采取傳統(tǒng)的單相導(dǎo)通方式可能會(huì)使電機(jī)無(wú)法起動(dòng)[6]，C相通電其電感較大又不利于電流的上升同時(shí)很快進(jìn)入電感下降去會(huì)產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩。故同時(shí)給A，C兩相通電的起動(dòng)方式。起動(dòng)過(guò)程的控制策略如下圖所示。

圖3 SRM的起動(dòng)過(guò)程

起動(dòng)過(guò)程如上圖所示，當(dāng)系統(tǒng)收到起動(dòng)信號(hào)后，首先讀取位置信號(hào)判斷當(dāng)前所處區(qū)間，確定是否雙相同時(shí)通電起動(dòng)，處于雙相起動(dòng)區(qū)間時(shí)，相應(yīng)兩相同時(shí)通電，以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一定延時(shí)后根據(jù)邏輯判斷電感較大相并關(guān)斷此相，然后判斷通電相是否到了關(guān)斷角。到關(guān)斷角以后進(jìn)入換相程序進(jìn)行換相運(yùn)行。

與單相起動(dòng)相比，單雙相的帶載能力明顯加強(qiáng)，且若負(fù)載一定時(shí)兩相起動(dòng)方式所需起動(dòng)電流幅值亦明顯較小。單雙相起動(dòng)方式更容易實(shí)現(xiàn)任意位置無(wú)反轉(zhuǎn)起動(dòng)。同時(shí)起動(dòng)時(shí)常采用電流斬波模式[7-8]以限制過(guò)流的情況。

3 硬件與軟件的設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建的系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)框圖

由系統(tǒng)框圖可知系統(tǒng)由電源、輔助電源、功率變換器、IGBT驅(qū)動(dòng)、主控制器、電流傳感器及開關(guān)磁阻電機(jī)等組成。

系統(tǒng)由三相AC380V經(jīng)整流后供電，其中單相經(jīng)KBP210整流后供給JS159為控制板提供5V，15V，24V。主電路由三相不控整流得到母線電壓，主電路拓?fù)洳捎萌嗖粚?duì)稱半橋，選用IGBT作為開關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)模塊采用concept的驅(qū)動(dòng)核進(jìn)行二次設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)有源鉗位以及RCD吸收電路?？刂瓢搴诵牟捎肨MS320F28335。電流檢測(cè)采用霍爾電流傳感器檢測(cè)每相電流后經(jīng)低通濾波得到電流信號(hào)給控制器用作電流斬波。并使用磁粉制動(dòng)器作為電機(jī)的負(fù)載。

軟件部分主要完成的工作為起動(dòng)階段和運(yùn)行階段的控制以及速度的跟蹤。其中程序的主循環(huán)主要完成按鍵查詢、速度顯示等工作。定時(shí)器0則主要完成當(dāng) 前邏輯換相、電流檢測(cè)與限流控制、速度跟蹤控制等。定時(shí)器1只用來(lái)定時(shí)更新速度顯示。位置檢測(cè)由CAP模塊檢測(cè)，CAP只更新位置信息，而在定時(shí)器0里面完成邏輯換相等。定時(shí)器0的程序流程圖如圖5所示。

圖5 定時(shí)器0中斷服務(wù)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在上述硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將上述起動(dòng)邏輯思想進(jìn)行編程驗(yàn)證，并同軸安裝光電編碼器，光電編碼器信號(hào)通過(guò)f/V電路轉(zhuǎn)換為電壓將速度信息顯示出來(lái)以方便觀測(cè)。通過(guò)在相同負(fù)載條件下不斷優(yōu)化關(guān)斷角，可以對(duì)比出在15°附近時(shí)系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)，相比7.5°時(shí)響應(yīng)速度更快，帶載能力更強(qiáng)。

圖6、圖7分別為為SRM在帶載時(shí)不同關(guān)斷角情況下的起動(dòng)過(guò)程，可以看到起動(dòng)過(guò)程較為平穩(wěn)但15°關(guān)斷角時(shí)響應(yīng)時(shí)間更短。且通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)在帶載情況下，單雙相的起動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)任意位置的帶載起動(dòng)。

圖6 關(guān)斷角為7.5°時(shí)響應(yīng)曲線圖7 關(guān)斷角為15°時(shí)響應(yīng)曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)數(shù)學(xué)定性分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了關(guān)斷角對(duì)起動(dòng)過(guò)程影響較大，關(guān)斷角選擇不合適會(huì)影響SRM的帶載能力以及起動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)得出12/8SRM的關(guān)斷角在15°附近時(shí)起動(dòng)能力最優(yōu)。同時(shí)驗(yàn)證了提出的一種任意位置的無(wú)反轉(zhuǎn)起動(dòng)邏輯，電機(jī)的起動(dòng)以及起動(dòng)后的運(yùn)行控制都得到了實(shí)現(xiàn)，證實(shí)了方案的可行性。

[1] 范逸斐，朱學(xué)忠．開關(guān)磁阻電機(jī)恒加速度起動(dòng)方案研究[J]．機(jī)電工程，2014，31(2)：208-212．

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[4] 吳紅星．開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2010．

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[6] 黃向慧，方愿嶺，高鵬．開關(guān)磁阻電機(jī)任意初始位置無(wú)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)的研究[J]．微電機(jī)，2015，48(12)：88-91．

[7]NINGSun,CHOID,JIANLi.Theanglecontrolofswitchreluctancegeneratorformaximumoutputpower[C]//ElectromagneticFieldProblemsandApplications.2012:1-4.

[8] 王旭東，王喜蓮．開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)電流雙幅值斬波控制[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20(4)：83-86．

StudyonStartingSchemeandTurn-OffAngleImprovementforSwitchReluctanceMotor

GAOYun，JIAXing-chen

(Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)

For the problem of the starting process of switch reluctance motor general could not starting problem caused by turn-off angle improper and the inappropriate strategy, to research the turn-off angle in starting process and analysis the 12/8 SRM to proposed a starting logic without inversion. In accordance with the position information to judge the initial position and develop electric logic to make sure the motor-start. Using a single-double way to ensure that the torque as large as possible. Finally, the strategy was verified through a experiment. Ascertain the turn-off angle is optimal and confirmed the feasibility of the scheme.

switch reluctance motor； turn-off angle； starting torque； single-double way start

2016-05-11

TM352

：A

：1004-7018(2016)11-0034-03