1、青島理工大學自動化工程學院開關磁阻電機調速系統的研究摘要開關磁阻電機調速系統融開關型磁阻電機、現代電力電子技術和控制技術于一體，開關磁阻電機本身具有結構簡單、堅固、可靠性高等優點，由其構成的調速系統具有控制靈活、調速性能好、運行效率高等優點，在調速領域顯示了其獨特的優越性，并已經在很多領域得到了廣泛的應用。本文以7.5KW四相86極開關磁阻電機為研究對象，對其構成的調速系統進行研究，主要完成了以下幾個方面的工作：首先，研究了開關磁阻電機的工作原理與數學模型，分析了常用的三種控制方法：電流斬波控制、角度位置控制和電壓斬波控制，在此基礎上確定了本系統的控制方案為：起動和低速運行時采用電流斬波與電壓

2、PWM斬波相結合的控制方式，高速運行時采用變角度與電壓PWM斬波相結合的控制方式。其次，設計了基于DSP28x系列的開關磁阻電機調速系統的硬件電路，包括功率變換器主電路和控制器硬件電路。功率變換器以智能功率模塊IPM為主開關器件，采用H橋型主電路結構。控制器硬件電路實現了轉子位置檢測、相電流和直流側電壓檢測、電流上下限斬波、轉速給定、控制信號輸入、邏輯綜合、與上位機通訊和顯示等功能。最后，在控制器硬件的基礎上，根據控制方案的要求，完成了控制軟件的設計和編寫。控制軟件采用模塊化編程，提高了程序的通用性和可讀性。聯合調試控制器的硬件和軟件，DSP綜合相通斷信號、電流斬波信號、電壓PWM信號和角度控

3、制信號，產生功率電路的驅動信號，實現了開關磁阻電機的換相邏輯控制、電流斬波控制、變角度控制、轉速閉環調節、轉速計算及顯示等功能；并利用實驗裝置進行了開關磁阻電機的空載和負載實驗，給出了實驗波形，并作了相應分析。實驗結果表明，開關磁阻電機調速系統的動態性能和穩態性能良好。關鍵詞:開關磁阻電機;調速系統；角度控制一、開關磁阻電機的發展概況開關磁阻電機的基本結構和基本原理的提出可追溯到19世紀40年代，但是直到20世紀60年代，隨著大功率晶閘管投入使用，開關磁阻電機的理論砌究和實際應用才得到了迅速發展。70年代初，美國福特公司研制出最早的開關磁阻電動機調速系統，其結核為軸向氣隙電動機、具有電動機和發

4、電機運行狀態和較寬范圍調速的能力，適合于蓄電池供電的電動車輛的傳動。近年來，國內已有一大批高校、研究所和工廠投入到SRD的研究、開發和制造工作中，研制目標基本都集中在較為成熟的三相或四相電機的控制方案上，至今已有十余家單位推出不同性能、不同用途的幾十個系列規格產品，應用于紡織、冶金、機械、運輸等行業中。現在，國內對開關磁阻電機接受和感興趣的程度逐年上升，形成理論研究與實際應用并重的發展勢態。目前，開關磁阻電機已經得到了很大的發展，產品已經廣泛地應用于電動車驅動系統、牽引電機和高轉速電機、伺服與調速系統、家用電器和通用工業等領域。隨著對SR電機認識的深入、電力電子技術和控制技術的發展，開關磁阻電

5、機及其調速控制系統將具有更廣泛的發展和應用前景。1、 開關磁阻電機調速系統的組成(l)、SR電機SR電機是SRD系統中實現機電能量轉換的部件，也是SRD系統有別于其它電機驅動系統的主要標志。SR電機系雙凸極可變磁阻電機，其定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉子既無繞組也無永磁體，、定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯構成一個兩極磁極，稱為“一相”。SR電機可以設計成多相結構，且定、轉子的級數有多種不同的搭配。目前應用較多的是三相(64)結構和四相(86)結構。 (2) 、功率變換器 功率變換器是向電機直接提供能量的部件，它以功率開關管為主要功能器件，在控制電路的控制下起到開關作用，

6、使繞組與電源接通或斷開，同時還為繞組的儲能提供回饋路徑。由于SR電機繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路不僅簡單，而且具有普通交流及無刷直流驅動系統所沒有的優點，即相繞組與主開關器件是串聯的，因而可預防短路故障。在整個SRD成本中，功率變換器占有主要的比重，因此合理設計功率變換器是提高SRD的性能價格比的關鍵之一。性能優良的功率變換器應具備以下特點：最少數量的主開關器件；可將電源電壓全部施加于相繞組；主開關器件的電壓額定值接近于電機額定電壓；主開關器件的調制可以有效地控制相電流的通斷；具備使相繞組電流迅速增加的能力；在繞組磁鏈減少的同時，能將能量回饋給電源。 功率變換器有多種形式，與供電電

7、壓、電機相數和開關器件的種類等有關。目前常用的功率變換器主電路形式有以下幾種：不對稱半橋電路、雙繞組電路、裂相式電路和H橋型電路，其原理圖如圖13所示。2、控制器和位置檢測器 控制器綜合處理位置檢測器、電流檢測器提供的電機轉子位置、速度和電流等反饋信息及外部輸入的指令，控制功率變換器中主開關器件的工作狀態，實現對SR電機運行狀態的控制，是SRD的指揮中樞。控制器一般由單片機或DSP及外圍接口電路等組成。在SRD中，要求控制器具有下述功能：電流斬波控制或電壓斬波控制;角度位置控制;起動、制動、停車及四象限運行;速度調節。位置傳感器向控制器提供轉子位置及速度等信號，使控制器能正確地決定相繞組的導通

8、和關斷時刻。通常采用光電器件、霍爾元件或電磁線圈等方法來進行位置檢測。采用無位置傳感器的位置檢測方法是SRD的發展動向，對降低系統成本、提高系統可靠性有重要的意義。3、開關磁阻電機的工作原理 開關磁阻電機的工作原理與傳統的交、直流電動機存在著根本的區別，它不像傳統電機那樣依靠定、轉子繞組電流產生磁場間的相互作用形成轉矩和轉速，而是遵循“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到磁阻最小位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。當轉子磁極軸線與定子磁極的軸線不重合時，便會有作用力作用在轉子上并產生轉矩，從而使轉子向定子磁極的軸線方向運動或產生同方向的運動

9、趨勢，直到定、轉子磁極軸線重合為止。 以本系統中采用的四相86極開關磁阻電機為例，如圖21所示。圖1.4中只畫出了A相繞組及其供電電路，Sl、S2是電子開關，VDl、VD2是二極管，Us為直流電源。 圖1.4 開關磁阻電機工作原理框圖 以圖1.4中定、轉子所處相對位置為起始位置，當A相繞組的控制開關Sl、S2閉合時，A相繞組通電，電機內建立起以OA為軸線的徑向磁場，磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉子極、轉子軛等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的，此時磁路的磁導小于定、轉子磁極軸線重合時的磁導，因此，轉子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產生的轉矩的作用，使轉子逆時針轉動Il引。當轉子旋轉到轉子極

10、軸線22與定子極軸線州7重合的位置時，切向磁拉力消失，此時斷開A相開關Sl、S2，同時合上B相開關，建立以B相定子磁極為軸線的磁場。若依次給ABCD相通電，轉子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續轉動；反之，若依次給A-DCB相通電，則電機沿著順時針方向轉動。可見，SR電機的轉向與相繞組的電流方向無關，僅取決于相繞組通電的順序。4、開關磁阻電機的數學模型 為了簡化分析，忽略鐵芯損耗部分，并設開關磁阻電機的相數為m，各相結構和參數對稱。設k=1，m相的電感、電壓、磁鏈、電阻、電流及轉矩分別為厶、Uk、心、t，轉子位置角為0，轉速為q。（1）、電路方程根據能量守恒定律和電磁感應定律，施加在各定子繞組端

11、的電壓等于電阻壓降和因磁鏈變化而產生的感應電勢作用之和，則第k相繞組電壓方程為：（2）、機械方程按照力學定律可列出在電動機電磁轉矩疋和負載轉矩瓦作用下的轉子機械運動方程： （3）、機電聯系方程 電路方程和機械方程通過電磁轉矩耦合在一起，故反映機電能量轉換的轉矩表達式為機電聯系方程，且考慮到m相繞組的對稱性，則SR電動機輸出平均轉矩為： 然而，上述數學模型盡管從理論上完整準確地描述了開關磁阻電機的電磁及力學關系，但由于l(a，f)及f難以解析，所以使用起來很麻煩，實際中往往必須根據具體電動機的結及所要求的精確程度加以適當的簡化。5、開關磁阻電機的控制策略 為了實現電機的正常起動，必須保證電機在任

12、何位置的轉矩都大于總負載轉矩。而當轉子處于不同位置并且給不同相通電時，所獲得的起動轉矩大小和方向都是不同的。由于SR電機的矩角特性對電機的起動轉矩即帶負載起動能力有很大影響，所以通過矩角特性來分析起動性能，SR電機的矩角特性如圖1.5所示。 圖1.5 SR電機的矩角特性 三相86極SR電機有兩種起動方式：一相通電起動和兩相同時通電起動。若不計相繞組間的磁耦合，兩相同時通電的合成起動轉矩可近似由同時通電相的各矩角特性線性相加求得，如圖1.5中虛線所示。顯然，兩相起動的最小轉矩為一相起動的最大轉矩，兩相起動方式的帶負載能力明顯強于一相起動方式：而且，兩相起動轉矩的波動明顯減小，起動過程平穩；再者，

13、對于所要求的起動轉矩，采用兩相起動比一相起動所需的電流小四J。因此，在實際應用中一般采用兩相同時通電起動方式。由于電機在起動瞬間旋轉電動勢為零，若加額定電壓直接起動，相電流將過大，由此產生的過大動態沖擊轉矩可能會損壞電機和傳動機構，因此必須在起動期間采用電流斬波控制限制起動電流。二、系統控制方案設計通過對以上幾種控制方法的分析可知，每一種控制方法都有其優勢，同時也有其局限性。由于一般要求SR電機的轉速范圍較寬且負載轉矩適用范圍也較寬，為了使電機在各種不同工作條件下均具有較好的性能指標，一般可以選用幾種控制方法相結合的方案。由于開關磁阻電機在起動和低速運行狀態時，存在起動階段電流峰值過大可能引起

14、對繞組和功率器件造成損壞，以及在低速階段由于電流幅值波動過大而導致轉矩和轉速不平穩的問題，因此系統采用電流斬波控制和電壓PWM斬波控制相結合的方案。隨著電機速度的增加，需要采用角度位置控制。但是，由于轉速越高對應的通電時間越短，電流波形滯后的就越多，電流很可能進入電感曲線下降區域而形成制動轉矩，因此系統采用變角度與電壓PWM斬波控制相結合的方案。這種控制方案就是將固定角度PWM控制與角度位置控制相結合，一方面，用PWM信號對功率變換器主開關觸發信號實施調制；另一方面，在不同的轉速段，分別采用不同的開通角覦和關斷角鋤。這樣，系統在某一轉速段內，采用固定角度PWM控制，而在整個轉速范圍內，采用變化

15、的開通角鋤和關斷角鋤，以提高系統效率，降低電流峰值。因此，本系統的整體控制方案為：起動和低速運行時采用電流斬波與電壓PWM斬波相結合的控制方式，高速運行時采用變角度與電壓PWM斬波相結合的控制方式。本調速系統以轉速值為給定量，采用轉速閉環控制，通過調節電壓PWM信號的占空比來保證電機轉速自動跟隨給定量。開關磁阻電機調速系統的整體實現框圖如圖21所示。轉速閉環控制輸出的電壓PWM信號、由位置信號得出的相通斷信號、電流斬波信號和角度控制信號綜合得出開關磁阻電機的功率變換器的驅動信號，從而實現對電機的控制。 圖2.1 開關磁阻電機調速系統的實現框圖三、硬件設計概述 開關磁阻電機調速系統的硬件設計包括

16、功率變換器設計和控制器設計。控制器的硬件電路包括控制電路、位置檢測電路、電流檢測與斬波電路、直流側電壓檢測電路、轉速給定電路、邏輯綜合電路、鍵盤電路、顯示電路和上位機通訊電路。硬件系統的總體框圖如圖31所示。 系統上電后，控制器根據給定的控制指令，綜合轉子位置信號和電流、電壓信號，發出相應的控制信號，使相應的開關導通，給電機相繞組通電。電機在磁力作用下旋轉起來，當轉子轉過一定角度時，控制器根據新的位置信號給出正確的控制信號，使電機連續旋轉。同時，控制器綜合閉環控制輸出的PWM信號、電流斬波信號和角度控制信號實現對電機調速的控制。1、主電路結構的設計 本系統中控制對象為7.5KW三相86極SR電

17、機，選用H橋型主電路結構。H橋型功率電路采用的元器件少，電路比較簡單，成本低，整體性能價格比高，是開關磁阻電機一種很有價值的主電路方案。功率電路結構如圖32所示，包括整流電路、制動支路和功率變換電路。2、整流電路 整流電路的作用是將交流電源轉換為直流電源，以供功率變換電路使用。系統中使用三相不可控全波整流電路，電解電容Cl、C2對整流電路的輸出起到濾波作用，而電阻Rl、R2起到平衡兩個電容Cl和C2上的電壓及整個系統關閉時對Cl、C2電容放電的作用。在系統加電的瞬間，為了防止濾波電容開始充電所引起的過大的浪涌電流，需要采取一定的措施，本系統采用了電阻一接觸器并聯網絡。當充電電壓小于400V時，

18、接觸器J斷開，電阻R流過電流，把浪涌電流限制在一個安全的范圍。當充電電壓大于400V時，接觸器J閉合，把電阻R短路。3、制動支路 當電機制動運行時，向功率電路回饋的電能多于從功率電路得到的電能。由于電源部分不可控，回饋的電能只能儲存在濾波電容中，電容電壓會升高甚至超過允許范圍，這樣會引起開關器件的損壞。因此，由Vz和Rz構成制動放電支路，當電容發生過電壓時，Vz開關管開通，將電容能量泄放到電阻Rz上。4、功率變換電路 在功率變換電路中，A、B、C、D為開關磁阻電機的四相繞組，VAVD為IGBT，VDlVD4為續流二極管。此電路只能工作在兩相同時通電方式，因為任一相繞組電路必須以其它相繞組為通路

19、。在本系統中，使用主開關VA、Vc作為斬波開關實現電壓PWM控制，開關VB、VD僅用于換相。以A、B兩相為例，相繞組的續流共有三種情況：(1)、開通期間，VA、VB同時導通，電源通過兩個主開關管VA、VB使A、B相繞組勵磁產生相電流，如圖33(a)所示；(2)、斬波期間，VA斷開、VB導通，電流經VB、VDl續流，電能不能回饋電容，下降較緩，如圖3。3(b)所示；(3)、換相期間，vA、VB同時斷開，電流經續流二極管VDI、VD2續流，電能回饋給電容，繞組感應電動勢與電源電壓極性相反，相繞組電流下降較快，5、控制電路 本系統采用Motorola DSP56F2812作為主控制器，是Motoro

20、la DSP56F28x系列中適用于電機控制的數字信號處理器。DSP56F28x系列提供了基于C語言的開發工具、IDE的集成環境以及SDK等先進的開發工具，大大縮短了開發周期。同時，該系列還提供了一些專門的外設，如用于電機控制的脈寬調制模塊PWM、12位的AD轉換器、積分定時器、相位檢測器、通訊模塊(SCI、SPI、CAN)、通用IO引腳、低電壓禁止模塊、JTAGOnCE片上仿真器和FLASH、RAM存儲器。DSP芯片采用33V供電，并與5V的TTL電平兼容；采用8MHz外部晶振，利用內部壓控振蕩器和鎖相環可產生80MHz總線時鐘，在80MI-Iz時鐘頻率下可達到40兆條指令s(MIPS)的指

21、令執行速度；JTAGOnCE程序調試接口，允許在系統設計過程中隨時進行調試，并可對軟件進行實時調試lj川。從控制開關磁阻電機的角度來講，DSP2812的相位檢測器模塊、AD轉換模塊、PWM模塊給電機的控制帶來了很大的便利。相位檢測器與定時器模塊A復用，內部集成了干擾信號濾波器，使位置信號的檢測和轉速的計算更加精確；AD轉換模塊包括8個輸入通道，轉換精度為12位，轉換速度最快為每次同時掃描僅需531as，并且可以通過同步信號與PWM同步；PWM模塊是專門面向電機控制設計的，能夠被配置成互補通道模式或獨立通道模式，具有邊沿對齊和中心對齊的脈寬產生方式，支持占空比從0到100。PWM輸出可以由PWM

22、發生器控制，也可以由軟件控制輸出。基于DSP28x系列的控制電路的結構框圖如圖33所示。在本系統中，DSP資源利用如下：(1)轉子位置傳感器信號：相位檢測器模塊(2)相電流和直流側電壓檢測、轉速給定信號：AD轉換模塊(3)脈寬調制信號生成：PWM模塊(4)鍵盤信號、角度信號、相通斷信號：通用輸入輸出口(GPIO)(5)DA轉換輸出、顯示電路：SPI模塊(6)與上位機通訊：SCI模塊 圖3.3 控制電路結構框圖 DSP28x系列為控制電路的核心，主要負責識別鍵盤按鍵信號、判斷相電流和直流側電壓信號、轉速給定信號以及轉子位置信號，從而給出相通斷信號、電壓PWM信號、電流斬波信號和角度控制信號，綜合

23、產生IPM的驅動信號，實現對電機調速的控制。四、軟件設計概述 系統采用C語言和匯編語言混合編程，實行模塊化設計，增加了程序的可讀性和移植性。本系統控制軟件主要實現以下功能：(1)電機起動無死區，起動轉矩足夠大，并盡量減小起動時的振動。(2)能實現電機的正轉和反轉。(3)電機起動和低速運行時采用電流斬波控制，高速運行時采用角度位置控制，并能實現這兩種控制狀態之間的平滑過渡。(4)系統采用轉速閉環控制，轉速環的設計采用PI調節器，輸出為定頻調寬的PWM方波，實現電壓斬波控制，完成電機的轉速調節。(5)實現電機轉速的計算并實時顯示。(6)具有一定的保護功能，當控制系統運行出現異常時，能夠接收、判斷外

24、部的故障信號和保護信號并且采取相應的保護措施。 本程序中主要利用了DSP2812的相位檢測器模塊、定時器模塊和PWM模塊，下面分別介紹各個模塊在SR電機控制中的應用。1、主程序設計 主程序主要完成的工作為：系統初始化，系統狀態檢測和循環等待中斷并響應中斷。系統初始化主要完成：DSP中所用模塊的初始化，包括相位檢測器、通用輸入輸出口GPIO、定時器模塊、模數轉換器、串行外設接口SPI、串行通信接口SCI和脈寬調制模塊PWM；系統參數的初始化，包括中斷命令初始化、各種標志變量、數模轉換參數、PI調節參數、轉速計算參數的初始化等；顯示初始化，包括顯示驅動器的初始化和顯示內容的初始化。主程序按不斷循環

25、的結構運行，通過響應中斷，調用中斷服務子程序，在中斷服務子程序中調用相關的功能子程序，完成相應的功能，實現對系統的控制。主程序流程圖如圖41所示。 系統在完成初始化后開放中斷，首先等待鍵盤輸入起動命令，起動命令下達后，調用起動子程序，根據轉子所在位置和正反轉信號選擇導通合適的相，使電機順利起動。當電機運行起來后，由轉子位置信號的跳變來觸發捕捉中斷完成換相，輸出相通斷信號，并通過調用轉速計算子程序計算電機轉速，由顯示子程序實現轉速顯示并由定時中斷子程序實現顯示的定時刷新。同時，當前轉速與給定的轉速信號相比，完成電機轉速的PI調節，輸出PWM信號。當電機運行速度在升速500rrain以下、降速45

26、0 rmin以下時，SPI口輸出電流斬波上、下限值至外部DA轉換電路，通過硬件電路實現電流斬波控制；麗當電機運行到升速500rmin以上、降速450 rmin以上時，調用角度控制子程序計算相開通角和關斷角，實現變角度控制。當系統檢測到電機停止按鍵命令后，關閉所有相，使電機停轉，主程序則繼續等待起動按鍵命令。2、P I調節子程序 根據給定值廠(f)與實際輸出值c9)構成偏差e(t)的比例(P)、積分(I)進行控制的調節器，稱為PI調節器。PI調節器的結構簡單，參數易于調整，并且在長期的使用中積累了豐富的經驗。模擬PI調節器的控制規律為：在PI調節中，比例環節的作用是對偏差作出迅速的響應，使被控量

27、朝著偏差減小的方向變化。比例常數足，的作用是加快系統的響應速度，KP越大，響應越快，但是過大時將產生超調，甚至會導致系統的不穩定；KP取值過小又會導致響應速度緩慢。積分環節主要是用來消除靜差，提高系統的無差度，但是它降低了系統的反應速度，增加了系統的超調量。積分時間過大時，響應遲緩，對外部擾動的控制能力變差；積分時間過小時，將產生振蕩。 在硬件電路的基礎上，設計和編寫了控制器的控制軟件。整個系統通過在無限循環結構的主程序中響應中斷，調用中斷服務子程序，且在中斷服務程序中調用相應的功能子程序，實現系統預定的功能。五、結論 本課題設計完成了7.5KW三相86極開關磁阻電機調速控制系統，系統以TI公

28、司的數字信號處理器DSP28x系列為控制核心，采用H橋型功率變換器主電路結構，通過軟硬件聯合完成對開關磁阻電機調速系統的控制。課題期間，通過對開關磁阻電機的工作原理及其控制方法的學習和研究，確定系統的控制方案為：起動和低速運行時采用電流斬波與電壓PWM斬波相結合的控制方式，高速運行時采用變角度與電壓PWM斬波相結合的控制方式，并在此基礎上完成了開關磁阻電機調速系統從硬件到軟件的設計。在硬件方面，設計了開關磁阻電機調速系統的控制器電路和功率變換器主電路。功率變換器以IPM為主開關器件，采用H橋型主電路結構。控制器采用了基于DSP2812的設計方案，不僅減少了外圍電路，而且提高了系統的可靠性。系統

29、硬件工作可靠，可以實現電機控制參數輸入、電流斬波、轉速調節等功能。在軟件方面，完成了基于SDK開發包的開關磁阻電機調速系統控制軟件的設計和編寫。控制軟件采用模塊化編程，提高了程序的可讀性和移植性。控制程序由主程序、功能子程序和中斷服務子程序三部分組成，實現了換相邏輯控制、變角度控制、轉速閉環控制、轉速計算及顯示等功能。最后，通過對控制器的硬件和軟件的聯合調試，利用現有實驗裝置和檢測方法進行了開關磁阻電機的空載和負載實驗，通過實驗獲得PI調節器參數，并給出了電機轉速曲線和在低速和高速運行時的電流波形。實驗結果表明，開關磁阻電機調速系統的動態性能和穩態性能良好，轉速調節平滑穩定，且抗干擾能力強。參

30、考文獻r1王宏華開關型磁阻電動機調速控制技術北京：機械工業出版社，19992謝衛才，黃守道，石安樂開關磁阻電機調速系統發展動向湖南工程學院學報，2004，14(4)：20223吳建華開關磁阻電機設計與應用北京：機械工業出版社，20004楊岳峰，張奕黃。SRM常見的幾種功率變換器主電路及原理電機電器技術，2003，(2)：19205Pollock C，Williams BWPower convertor circuits for switched reluctance motors withthe minimum number ofswitches。lEE Proceedings-Electric PowerApplications，1990，137(6)：3733846紀良文開關磁阻電機調速系統及其新型控制策略研究：博士學位論文浙江：浙江大學電氣工程學院，20027曹家勇，陳幼平，詹瓊華等開關磁阻電動機控制技術的研究現