開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)分析

孫海波

（山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司，山東淄博，255000）

0 引言

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，有其強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)能發(fā)揮出較為優(yōu)異的控制應(yīng)用性能，而在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，各項(xiàng)設(shè)備模塊共同組成驅(qū)動(dòng)體系，幫助電動(dòng)機(jī)能在較高控制效果下，完成各類操作。SRD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬全新調(diào)速型系統(tǒng)，相比于直流驅(qū)動(dòng)、交流驅(qū)動(dòng)，調(diào)速驅(qū)動(dòng)能具備穩(wěn)定性強(qiáng)、操作失誤率低等優(yōu)勢(shì)，且具備較大發(fā)展空間，所以對(duì)其控制技術(shù)加以研究，有其必要性。

1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)其應(yīng)用特征

當(dāng)作為調(diào)速驅(qū)動(dòng)而進(jìn)行使用時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備一定特征，確保驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，維持較高應(yīng)用效率。第一，電動(dòng)機(jī)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固。電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子是依靠硅鋼片進(jìn)行疊壓形成，而定子線圈需要采用集中繞組方式，由此整個(gè)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)憑借簡(jiǎn)單工藝，可更好作用于不良環(huán)境，如高溫、強(qiáng)振動(dòng)等。第二，電動(dòng)機(jī)能夠作用的調(diào)速范圍較廣，并且操作靈活，便于電動(dòng)機(jī)完成各類特殊需求下的機(jī)械使用途徑，并且在寬廣轉(zhuǎn)速下，電動(dòng)機(jī)可取得更高運(yùn)行效率，所以電動(dòng)機(jī)可完成多數(shù)控制需求工作。第三，電動(dòng)機(jī)損耗主要源自定子，轉(zhuǎn)子因?yàn)椴⒉痪邆溆来朋w，所以可在溫升情況下依舊保持良好效率進(jìn)行運(yùn)作，而電動(dòng)機(jī)整體降溫冷卻效率較高，因此電動(dòng)機(jī)能在較大彈性環(huán)境下完成相關(guān)應(yīng)用。不同的應(yīng)用特征都將影響電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)作效率，但電動(dòng)機(jī)整體硬件性能優(yōu)異，可以在不良環(huán)境中完成調(diào)速結(jié)果，由此可在艦船等作業(yè)環(huán)境下，有極大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2 SRD微機(jī)控制的硬件設(shè)計(jì)

■2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)及其相關(guān)設(shè)備，是開關(guān)磁阻的重要部分，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)比異步電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)因素更簡(jiǎn)潔，由此在功率變換器上也具備簡(jiǎn)單電路結(jié)構(gòu)，所以其設(shè)計(jì)、制造成本很低，能擁有較大應(yīng)用性價(jià)比。但電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，主要還要參考相關(guān)運(yùn)行條件，所以當(dāng)不同種類轉(zhuǎn)子其位置發(fā)生改變時(shí)，繞組開關(guān)器件還易發(fā)生通斷行為，為保持電動(dòng)機(jī)性能穩(wěn)定，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)加以完善設(shè)計(jì)。電動(dòng)機(jī)不僅需要操作靈活，更要保持運(yùn)行控制中的簡(jiǎn)單性，所以現(xiàn)階段較為復(fù)雜的控制行為，將不利于操作順利、便捷完成，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將硬件設(shè)備融合相關(guān)軟件微機(jī)控制，確保整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)能保持較高控制成效。

為充分簡(jiǎn)化電路，需要不斷挖掘電動(dòng)機(jī)其控制優(yōu)勢(shì)，以便在設(shè)計(jì)上及時(shí)發(fā)掘出相應(yīng)控制技巧，從而可確定其顯示的信息功能，在將裝置做以智能應(yīng)用期間，可采取微機(jī)控制模式，將調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)確保運(yùn)作。所以微機(jī)控制系統(tǒng)在應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，需要具備各類特征優(yōu)勢(shì)。比如無論低俗高速運(yùn)轉(zhuǎn)，都應(yīng)保持恒定特性；起動(dòng)、制動(dòng)等模式下良好轉(zhuǎn)換；調(diào)節(jié)速度較為方便、即時(shí)；當(dāng)前速度有所顯示等。為達(dá)成上述需求，需要完整設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)，以便更好促進(jìn)電力推進(jìn)系統(tǒng)能完成硬件組成中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作[1]。

■2.2 硬件設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，存在兩個(gè)反饋機(jī)制，分別為速度反饋及電流反饋，兩種反饋機(jī)制能展示出現(xiàn)階段驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，更好提升電動(dòng)機(jī)控制成效。其中速度反饋主要從位置傳感器中取得相關(guān)信號(hào)，并由此判斷轉(zhuǎn)子位置，可良好掌控轉(zhuǎn)子工作效率。簡(jiǎn)化整個(gè)硬件電路結(jié)構(gòu)，可以借助DSP微處理器做以控制方案的制定，并由軟件加以實(shí)現(xiàn)，該軟件需要將各類功能加以實(shí)現(xiàn)，以便完善驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件功能呈現(xiàn)。

比如需要將轉(zhuǎn)子位置做以準(zhǔn)確跟蹤，并要把位置信號(hào)及時(shí)輸出，通過功率變換器來把相關(guān)的開關(guān)器件做以控制口令的執(zhí)行，確保將繞組勵(lì)磁；從轉(zhuǎn)子位置視角觀之，位置信息應(yīng)做以算法討論，由此可將轉(zhuǎn)子速度數(shù)值準(zhǔn)確得出，此時(shí)利用速度偏差分析辦法，確認(rèn)閉環(huán)操作落實(shí)時(shí)間，由此得到較高效控制效果。微機(jī)控制下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無論采用何種控制狀態(tài)，都應(yīng)將軟件、硬件加以結(jié)合使用，共同作用于控制操作。為提升微機(jī)控制成效，還要在硬件系統(tǒng)中完成CPU、傳感器等設(shè)備的物質(zhì)基礎(chǔ)建設(shè)，更為重要的是將控制思想加以確定，本文試析Bang-bang方式，進(jìn)行對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，該方式可對(duì)不同參數(shù)做以較快響應(yīng)，從而提升控制行為其精準(zhǔn)性。整體硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 整體硬件結(jié)構(gòu)

3 SRD系統(tǒng)程序框圖的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是將中斷服務(wù)等程序進(jìn)行綜合應(yīng)用的一類系統(tǒng)，來完成系統(tǒng)程序的完整性搭建，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目起到框架作用。其中主程序能夠結(jié)合起完整的系統(tǒng)初始模板，進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，期間聯(lián)合各子程序，負(fù)責(zé)支持完整框架運(yùn)行作用。另外主程序還可對(duì)轉(zhuǎn)子設(shè)備進(jìn)行跟蹤，確保其位置信息能夠按照正確相序來做以輸出，保證功率變換器能得到穩(wěn)定、真實(shí)的位置數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU發(fā)出中斷信號(hào)后，響應(yīng)操作由此結(jié)束，控制程序循環(huán)失效。而專用的子程序是在既定參數(shù)下能夠完成較高應(yīng)用特性的程序類型，通過已給定參數(shù)，專用子程序可將其轉(zhuǎn)變?yōu)閰⒖茧娏餍问?，由此在參?shù)轉(zhuǎn)換間完成相關(guān)控制，比如APC控制或CCC控制等[2]?？驁D設(shè)計(jì)期間，參數(shù)需要做以不斷刷新，以此來提高控制行為的時(shí)效性，其中應(yīng)刷新參數(shù)包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及相電流等。

4 SRD艦船電力推進(jìn)設(shè)計(jì)

■4.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)使用到的機(jī)械結(jié)構(gòu)為四相8/6，并使用11KW功率下的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、非回饋式能量電流斬波電路形式的功率變換器，并將IGBT作為主開關(guān)設(shè)備。當(dāng)基級(jí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳來時(shí)，需要借助DSP接口數(shù)據(jù)傳輸線進(jìn)行承接，并在DSP設(shè)備下的軟件中進(jìn)行32位浮點(diǎn)計(jì)算，以此來將數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行切實(shí)獲取，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。電動(dòng)機(jī)設(shè)備借由傳動(dòng)桿裝置來帶動(dòng)船槳，進(jìn)而產(chǎn)生推力，促使船體前進(jìn)。整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，其硬件結(jié)構(gòu)具備較高可靠性，其制造成本較低，是能完整落實(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；其軟件結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，主要通過各類程序組合完成，能幫助硬件系統(tǒng)完成高效運(yùn)作。主程序?qū)⑾到y(tǒng)初始化，子程序在協(xié)調(diào)運(yùn)作中保證系統(tǒng)運(yùn)行效率，此時(shí)下達(dá)信號(hào)，令功率變換器能夠產(chǎn)生正確行為，從而將開關(guān)進(jìn)行開/閉模式切換。該設(shè)備下的軟件結(jié)構(gòu)中，能夠借助系統(tǒng)支持，對(duì)參數(shù)等數(shù)值進(jìn)行算法操作，并由此得出電流等運(yùn)行狀態(tài)的參考數(shù)值，更好完成相關(guān)控制行為。圖2為控制系統(tǒng)框圖。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

■4.2 系統(tǒng)運(yùn)行

首先，啟動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)設(shè)備借助轉(zhuǎn)向操作實(shí)現(xiàn)指令信號(hào)的轉(zhuǎn)變。在循環(huán)周期內(nèi)，系統(tǒng)程序能檢測(cè)到轉(zhuǎn)向操作的具體方向，因此當(dāng)進(jìn)行方向轉(zhuǎn)變時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)方向轉(zhuǎn)向標(biāo)記。此時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)操作，如減速、加速等，應(yīng)在轉(zhuǎn)向標(biāo)記進(jìn)行時(shí)，而自動(dòng)落實(shí)轉(zhuǎn)向操作。

其次，系統(tǒng)運(yùn)行期間，位置檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)轉(zhuǎn)子位置敏感，確定位置后，轉(zhuǎn)換計(jì)算方式，得到速度數(shù)值，并得出結(jié)論，其控制行為應(yīng)在規(guī)定模式下完成。比如，實(shí)際轉(zhuǎn)速小于給定轉(zhuǎn)速，DSP對(duì)功率變換器采取CCC控制方式；大于額定轉(zhuǎn)速，采取APC控制方式[3]。因此結(jié)合此類系統(tǒng)控制辦法，能夠?qū)⒆兘Y(jié)構(gòu)控制達(dá)到較高應(yīng)用成效，將其投入電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制操作下，可改善應(yīng)用方式，并在實(shí)際作用下，起較優(yōu)勢(shì)作用，幫助電動(dòng)機(jī)完成運(yùn)行各類控制行為的落實(shí)。

分析不同應(yīng)用狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)控制辦法。第一，正車運(yùn)行。首先應(yīng)將正車速度設(shè)置為一定數(shù)值，其次按下A鍵鈕，當(dāng)數(shù)值信息經(jīng)DSP轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制顯示后，可再按D鍵，由此將DSP控制指令加以轉(zhuǎn)變，通過接口控制開關(guān)，進(jìn)行正確操作，此時(shí)開關(guān)斬波的調(diào)節(jié)功率將展示輸出電壓，由此將速度變化傳遞到電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。第二，倒車運(yùn)行。同樣將速度數(shù)值給定后，此時(shí)按D鍵，并將次數(shù)設(shè)置為偶數(shù)次，其控制方案原理與正車運(yùn)行同理，只不過需要將變換器次序稍加調(diào)整。第三，停車運(yùn)行。在其電動(dòng)機(jī)處于原始狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)進(jìn)行的停車操作可按下C鍵鈕，該時(shí)刻下的設(shè)備由DSP做以控制，其功率變換器可將轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度調(diào)節(jié)為0，此時(shí)換相次序做以反轉(zhuǎn)操作，此時(shí)換相控制操作、電機(jī)等也停止運(yùn)作。當(dāng)用戶需要顯示當(dāng)下速度數(shù)值時(shí)，應(yīng)按B鍵。由Bang-bang控制下的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能將各參數(shù)控制操作變得更為精準(zhǔn)，比如在CCC控制時(shí)，需要將速度數(shù)值控制下的定轉(zhuǎn)速度減小，并采用周期控制方式調(diào)整位置、角度，由此便可在周期意識(shí)下來控制換相操作，良好過渡換相。

5 結(jié)論

綜上，為將開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做以性能改善，應(yīng)借助先進(jìn)控制策略，比如對(duì)其做以非線性時(shí)變考慮，便需要將系統(tǒng)控制變得復(fù)雜，不利于現(xiàn)實(shí)操作可行性落實(shí)，因此將開關(guān)磁阻的電動(dòng)機(jī)設(shè)備加以控制策略實(shí)踐，是基于成本、操作等因素下的最好選擇結(jié)果。選擇使用Bang-bang控制辦法，能減輕設(shè)計(jì)者負(fù)擔(dān)，并借助DSP微處理器，在較少運(yùn)算基礎(chǔ)上，可大幅提升系統(tǒng)控制其響應(yīng)效率，保障控制精度。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)能在較簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、調(diào)速效果高等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)中，為自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)提供較高應(yīng)用成效，便于智能化操作，因此未來將會(huì)迎來更廣闊市場(chǎng)。