李忠杰，雷必成

（臺州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)是一種新型調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)，主要有開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制電路與位置檢測器4部分組成。開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部的位置檢測器輸送位置信號給控制電路，使其產(chǎn)生控制脈沖信號，控制脈沖加到功率變換器，控制變換器中的半導(dǎo)體管的導(dǎo)通和截止，接通和關(guān)斷電機(jī)相應(yīng)定子繞組的電源，在各相定子繞組的作用下，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。磁感線總是力圖通過磁阻最小的路徑，開關(guān)磁阻電機(jī)遵循“最小磁阻原理”工作[1]。開關(guān)磁阻電機(jī)主要有以下特點：效率高，節(jié)能效果顯著；調(diào)速范圍廣；啟動轉(zhuǎn)矩大；可以頻繁正反轉(zhuǎn)，頻繁啟動，停止；啟動電流??；功率因素高，無需加裝無功補(bǔ)償裝置；結(jié)構(gòu)簡單堅固，成本低廉，系統(tǒng)可靠性高，適用于惡劣工作環(huán)境；缺相或過載時仍可以工作；控制器中功率變換器與電動機(jī)繞組串聯(lián)，不會出現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)功率變換器可能出現(xiàn)的直通故障，增強(qiáng)了可靠性。

由于C程序和Sumilink不能直接互用，過去的仿真先在Sumilink中用模塊圖對系統(tǒng)建模并進(jìn)行全仿真，設(shè)計控制器，然后用VC等高級語言等重新實現(xiàn)整個系統(tǒng)，進(jìn)行半實物仿真或制作實際控制軟件，半實物仿真各個環(huán)節(jié)用VC等高級語言實現(xiàn)過程繁雜[2]。本實驗通過PC機(jī)、驅(qū)動電路以及開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行信號交換來控制電機(jī)的運(yùn)行。一般情況下，Simulink的仿真時間與實際的時間是不對應(yīng)的，只是將步長用來進(jìn)行積分、微分等運(yùn)算作用，可以知道仿真時間是遠(yuǎn)慢于實際時間的，因為在這一環(huán)境下計算工作量大。若想對其進(jìn)行實時控制，須采用 Real-Time Workshop（RTW），將Simulink的程序編譯成C程序進(jìn)行運(yùn)行，運(yùn)行效率大大提高，可以達(dá)到實時的效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在MATLAB環(huán)境下，利用Simulink/RTW將PC機(jī)轉(zhuǎn)變成一個實時系統(tǒng)，PC機(jī)通過PCI1711采集卡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和驅(qū)動電路進(jìn)行信號交換，再通過驅(qū)動電路控制電機(jī)的運(yùn)行，然后信號通過PCI采集卡原路返回到PC機(jī)，最終得到實驗仿真波形圖。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 軟件設(shè)計

2.1 實時代碼生成工具箱

Matlab是MathWorks公司開發(fā)的矩陣實驗室（Matrix laboratory）的縮寫[2]。 Real-Time Workshop（以下簡稱 RTW）是Matlab提供的工具箱之一，是矩陣實驗室Matlab圖形建模與仿真環(huán)境Sumilink的一個補(bǔ)充模塊，是基于Sumilink的代碼自動生成環(huán)境[3]。利用它可以針對某種目標(biāo)機(jī)創(chuàng)建整個系統(tǒng)或是部分子系統(tǒng)可下載執(zhí)行的C代碼來提高運(yùn)行效率。RTW可以將PC機(jī)轉(zhuǎn)變成一個實時系統(tǒng)，進(jìn)行實物仿真。首先，需要對進(jìn)行配置，其配置執(zhí)行步驟如下：

1）對于板卡的輸入輸出模塊要采用Simulink下Real-Time windows Target中的Analog input或其它等。

2）在 Tool菜單下，選擇 Real-Time Workshop項，點擊Options選項，彈出對話框，點擊browse設(shè)定system target file為rtwin.tlc。

3）點工具欄Incrementalbuild按鈕進(jìn)行編譯，點擊simulation菜單下的connect to target項，連上后再運(yùn)行。

其次，要在Simulink/RTW中搭建控制模塊。如圖 2所示，PCI采集電機(jī)的 3個 Hall信號，子系統(tǒng)（Subsystem）計算角速度，輸出的3個角速度信號分別是通過3個Hall信號計算出來的，當(dāng)運(yùn)行穩(wěn)定時三個角速度一致，一方面將角速度轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行顯示，另一方面，角速度信號通過積分得出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子位置（Position_Sensor），其中A相積分初始角為 0°，B相為-30°，C相為-60°， 根據(jù)設(shè)定的導(dǎo)通角（Turn on angle（deg））為 0°，關(guān)斷角（Turn off angle（deg））為10°，當(dāng)某一相積分值大于0°小于 10°時，產(chǎn)生這一相的控制信號，最后輸出A，B，C 3個等間距定子電壓控制信號，控制信號從PCI采集卡的數(shù)字輸出端輸出給驅(qū)動電路；同時將從子系統(tǒng)（Subsystem）輸出的信號波形弧度值轉(zhuǎn)換為角度值（180/pi），離散時間積分器（Discrete-Time Integrator）對時間進(jìn)行積分，再將求得的值關(guān)于90°求余，輸出波形用于查看調(diào)試。

圖2 Simulink模塊圖Fig.2 Simulink module diagram

2.2 PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡

本實驗采用PCI-1771數(shù)據(jù)采集卡，是12位的低損耗多功能采集卡，具有獨特的電路設(shè)計和完善的數(shù)據(jù)采集與控制功能，支持即插即用，具有FIFO的高速緩存，可靈活設(shè)定輸入類型和范圍，具有16通道單端模/數(shù)輸入，16通道數(shù)字I/O和2通道數(shù)模輸出，采集速率可達(dá)100kHz，可編程的計數(shù)/計時器可作為A/D轉(zhuǎn)換的速度觸發(fā)，同時具有通道自動搜索功能。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有單端模擬輸入通道，模擬輸出通道和觸發(fā)源連接三部分[4]。

2.3 在Simulink/RTW下基于PCI1711的SRM調(diào)試

要想進(jìn)行實時控制，必須采用RTW形式。但是Simulink/RTW不支持代數(shù)環(huán)，M SFunction都不能用，只能用C Sfunction來實現(xiàn)。

3 硬件電路

3.1 工作原理簡介

開關(guān)磁阻電機(jī)主體由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子齒數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)的選擇取決于轉(zhuǎn)子構(gòu)造的幾個約束條件，轉(zhuǎn)子在所有位置上都能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力及四象限運(yùn)動能力[4]。電機(jī)的相數(shù)由如式 1所示，式中X為電機(jī)相數(shù)，Nd為定子齒數(shù)，Nz為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

且轉(zhuǎn)子的級數(shù)和定子的級數(shù)有不同的搭配，最常用的關(guān)系為

本實驗采用的開關(guān)磁阻電機(jī)是12 V的三相6/4極小功率電機(jī)，定子為6極，轉(zhuǎn)子為4極，電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如下所示。

圖3 磁阻電機(jī)勵磁繞組分布圖Fig.3 Reluctance motor excitation winding diagram

如圖 3所示，A，B，C三相各有一對線圈呈180°繞在鐵芯上，每兩個相鄰線圈中心之間間隔保持60°，轉(zhuǎn)子每兩個鐵芯齒間隔90°。實驗設(shè)定如圖位置的轉(zhuǎn)子角為0°，根據(jù)設(shè)定導(dǎo)通角為0，關(guān)斷角為10°，此時A相位置積分為0°，符合開關(guān)條件導(dǎo)通，當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過10°后，A相關(guān)斷；當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過30°后，此時B相積分為0°符合開關(guān)條件導(dǎo)通，如此三相轉(zhuǎn)流導(dǎo)通，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。

3.2 電路工作模式

圖4為由控制電路和功率變換器組成的A相一側(cè)繞組驅(qū)動電路原理圖。驅(qū)動電路工作電壓為12 V。控制電路采用IR2101集成驅(qū)動芯片：HIN為邏輯輸入高；LIN為邏輯輸入低；VB為高端浮動供應(yīng)；HO為高邊柵極驅(qū)動器輸出；VS為高端浮動供應(yīng)返回；LO為低邊柵極驅(qū)動器輸出；COM為公共端。PCI數(shù)據(jù)采集卡向 HIN口、LIN口輸入兩個信號，經(jīng)IR2101芯片，從HO口、LO口向功率變換器輸送高低電平控制兩個IRFR3410場效應(yīng)管導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制繞組通斷電。D1、D2為兩個續(xù)流二極管，驅(qū)動功率變換器采用不對稱半橋型，各項繞組完全獨立且相同，故只敘述A相。

圖4 驅(qū)動電路工作原理圖Fig.4 Work principle graph of driving circuit

4 實驗結(jié)果

如圖5輸出波形所示，最上面的波形為角度值的積分并對90°取余，下面3個波形為A、B、C三相的控制脈沖信號，可以看到 A、B、C 三相脈沖間隔相等，分別在 0°、30°、60°時開通，每次開通角為10°，實驗用電機(jī)也能正常工作，說明了Simulink中信號采集，控制算法設(shè)計的正確，同時證明了通過PC機(jī)、驅(qū)動電路以及開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行信號交換來進(jìn)行實時仿真控制電機(jī)運(yùn)行是可行的。

5 結(jié)束語

通過嵌入式控制器直接控制開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行，不方便各種算法的調(diào)試，以及電機(jī)信號的分析。本仿真平臺利用Matlab的強(qiáng)大功能，通過RTW工具箱和PCI采集卡，可以提供直觀可靠的實時運(yùn)行參數(shù)，并直接通過PC機(jī)控制開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行，實現(xiàn)了在Simulink環(huán)境下對實際電機(jī)的控制，為開關(guān)磁阻電機(jī)的算法研究、信號分析提供了一個很好的平臺。

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