聶 彬,王宏波,付光杰

（大慶石油學院電氣信息工程學院，黑龍江大慶 163318）

磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)(簡稱SRD系統(tǒng))，是隨著電力電子、微電腦和控制技術發(fā)展起來的一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，具有廣闊的發(fā)展前景［1］。本文主要探討開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成及控制策略。

1 開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

SRD是開關磁阻電動機和電力電子技術相結(jié)合的機電一體化裝置,系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 SRD系統(tǒng)構(gòu)成原理圖Fig.1 The principle of SRD

（1）開關磁阻電機是系統(tǒng)中實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的部件，其工作原理遵循磁阻最小原理，即磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，由于磁場扭曲而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。順序給A-B-C-D相繞組通電,則轉(zhuǎn)子按逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。當主開關管S1，S2導通時，A相繞組從直流電源U吸收電能；而當S1,S2關斷時，繞組電流通過續(xù)流二極管D1、D2，將剩余能量回饋給電源U。

影響轉(zhuǎn)矩的不是電流方向而是相繞組的通電順序。只要位置檢測器能及時給出定轉(zhuǎn)子極間相對位置，使控制器能及時準確地控制定子各相繞組的通斷,就能使SRM產(chǎn)生所要求的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

（2）功率變換器是SRM運行時所需能量的提供者,是連接電源和電動機繞組的開關部件,一般采用快速絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)構(gòu)成功率變換電路。

（3）控制器是調(diào)速系統(tǒng)的核心,一般由單片機或DSP單片可編程微處理器芯片構(gòu)成。通過修改軟件,可以很容易地改變電動機的工作方式和控制參數(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)不同的性能特點。

圖2 開關磁阻電機的典型結(jié)構(gòu)Fig.2 The typical structure of switched reluctance motor

（4）位置、電流檢測器，位置檢測器是轉(zhuǎn)子位置及速度等信號的提供者。它及時向控制器提供定、轉(zhuǎn)子極間相對位置的信號。

2 功率變換器的設計

圖3 功率變換器Fig.3 Power converter

對于開關磁阻電機而言，主開關器件的選擇應該基于以下原則：要滿足系統(tǒng)電壓、電流值的要求，并留有一定的裕量；為了降低系統(tǒng)損耗，要求主開關器件有盡可能低的導通壓降和關斷后的漏電流；為了提高系統(tǒng)運行的可靠性，有足夠的安全工作區(qū)和二次擊穿耐量；盡可能小的驅(qū)動頻率，驅(qū)動方便。

通過比較和分析，在本論文中，采用的功率器件是絕緣柵雙極型晶體管IGBT。本文控制對象為四相8/6極。

SR電機，選用H橋式功率變換器，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，價格低廉。主開關器件為IGBT，采用三相橋式全波整流電路供。

功率變換器主電路如圖3所示。圖3中，A、B、C、D為SR電機四相繞組，V1～V5為IGBT功率器件，D1～D5為快恢復續(xù)流二極管，R1為限流電阻。C1、C2為濾波電容，其作用是對整流輸出電壓平滑濾波，并作相繞組能量回饋的元件。V5和R2構(gòu)成制動放電電路，當SRM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。當電容發(fā)生過電壓時，V5開關管開通，將電容能量泄放到電阻R2上。

IGBT的驅(qū)動電路采用專用驅(qū)動模塊EXB841，它具有過流檢測和過流軟關斷功能，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)有效的保護。

3 SRD設計系統(tǒng)與控制策略

本系統(tǒng)中所控制的開關磁阻電機為四相8/6極，輸出恒功率3kW，功率變換電路采用H型主電路形式，開關磁阻電動機速度控制系統(tǒng)的控制策略框圖如圖4所示。

圖4 控制策略框圖Fig.4 Control policy diagram

由SRM的準線性分析得到平均電磁轉(zhuǎn)矩解析式為：

式中，m為電機相數(shù)；Nr為轉(zhuǎn)子極數(shù)；Us為外加繞組相電壓；為轉(zhuǎn)速；為關斷角；為最小電感開始隨位置角變化的起始角；為開通角；Lmin為最小電感；Lmax為最大電感。根據(jù)上式可知，只需改變定子繞組電壓Us，開通角與關斷角就可以控制電機轉(zhuǎn)矩大小，SRM有三種控制模式，即角度位置控制、電流斬波控制與電壓控制。

該控制策略以電機輸出的最終速度為控制目標，以PI調(diào)節(jié)及模糊調(diào)節(jié)為主要控制手段，采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的控制策略（外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)），速度環(huán)采用PI算法。變角度電壓斬波組合控制方法的采用使速度外環(huán)反饋的速度與速度給定值產(chǎn)生偏差，通過速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電流參考值，iref其值與電流反饋構(gòu)成電流閉環(huán)控制，靠控制PWM的占空比來調(diào)節(jié)電流，以保證得到快速響應，并用模糊算法來調(diào)節(jié)開通、關斷角度?？刂破饕院愣ǖ臄夭l率控制功率變換電路中主開關器件的開斷，并通過調(diào)節(jié)開通和關斷的時間比例，即占空比，來調(diào)節(jié)相繞組兩端的平均電壓，從而實現(xiàn)對繞組相電流的控制［2］。

在電機起動以后，速度達到一定，采用變角度電壓斬波控制方式。在開關磁阻電動機繞組相電壓Us、起始導通角和關斷角這三個參數(shù)中，以相電壓Us為系統(tǒng)的主控制量，在給定速度與反饋速度比較得到偏差，經(jīng)速度控制器輸出后，即由速度調(diào)節(jié)控制子程序計算出電流環(huán)的電流給定值，與電路的反饋值經(jīng)PI及PWM控制策略輸出控制量作為PWM電路的占空比給定值，確定下一個周期的PWM脈沖的導通占空比，控制一定頻率的輸出方波脈沖寬度，寬度被調(diào)制的方波脈沖信號加到基極驅(qū)動電路，控制IGBT的導通與關斷，便將施加到SR電機繞組上的直流電壓斬波成對應頻率和占空比的方波電壓，從而改變繞組兩端電壓的有效值，實現(xiàn)SR電機恒轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制；另兩個參數(shù)作為輔助控制量，、是轉(zhuǎn)速和相電流的函數(shù)，在運行中應不斷加以調(diào)整，使系統(tǒng)性能優(yōu)化［2］。由于開關角與系統(tǒng)參數(shù)之間的高度非線性關系，用傳統(tǒng)數(shù)值方法求解非線性方程，以獲得開關角的最佳導通方案較為困難。本文采取模糊控制方法來調(diào)節(jié)開關角、。

智能控制：控制SRM轉(zhuǎn)矩的關鍵在于能夠有效地控制電機繞組相電流的幅值和開通、關斷的時刻。智能控制在數(shù)學本質(zhì)上是一種從輸入到輸出的非線性映射關系,具有很強的自學習、自適應能力,非常適合于SRD控制?；谝赞D(zhuǎn)矩脈動最小為目標的自適應模糊控制策略的思路是:控制器以轉(zhuǎn)矩和位置角為輸入,以相電流為輸出?？刂破髅扛粢粋€采樣周期對當前轉(zhuǎn)子位置和觀測轉(zhuǎn)矩進行采樣,由期望轉(zhuǎn)矩和觀測轉(zhuǎn)矩形成轉(zhuǎn)矩誤差,依照學習算法實時改變隸屬度函數(shù),不斷調(diào)整控制器的輸出,即調(diào)整期望電流?？刂破鞑灰蕾囉陔姍C的任何先驗知識,能夠適應電機的任何變化,對轉(zhuǎn)子位置反饋誤差具有較強的魯棒性［3］。

圖5 轉(zhuǎn)速300r/min實時跟隨曲線Fig.5 Real time following curve(300r/min)

圖6 轉(zhuǎn)速500r/m實時跟隨曲線Fig.6 Real time following curve(500r/min)

圖7 轉(zhuǎn)速1000r/min實時跟隨曲線Fig.7 Real time following curve(1000r/min)

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)實驗對象為四相8/6極開關磁阻電機，額定功率為3kW，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。設定轉(zhuǎn)速為300 r/min、500 r/min、1000r/min時跟隨曲線如圖 5～7所示。由圖可知，電機能快速跟上設定值。

結(jié)果表明，該電機具有良好的調(diào)速性能，調(diào)速范圍滿足要求，由于采用了高速變角度電壓斬波—低速定角度電流斬波的控制方法，電機穩(wěn)定性和抗干擾能力有所加強。

5 結(jié) 語

雖然與一般電機傳動系統(tǒng)相比,開關磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)是一個復雜的時變、非線性系統(tǒng)，但只要把先進的控制策略運用于SRD傳動系統(tǒng)中，系統(tǒng)的性能將大幅度提高。理論與實踐證明：SRD系統(tǒng)在單位體積轉(zhuǎn)矩值、效率、逆變器伏安容量及其性能參數(shù)上均有較高的技術指標，特別在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值上占有較大的優(yōu)勢，使可變范圍廣，可控因素多,是一種較理想的新型調(diào)速系統(tǒng)。

［1］王宏華.開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社,2000.

［2］張幽影，陳寶江.開關磁阻調(diào)速電動機［M］.北京：機械工業(yè)出版社,1993.

［3］王蒞斌. 基于自適應模糊算法的無刷直流電機控制器設計與開發(fā)［D］.中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫,2008.