劉 恒，潘再平

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

開關(guān)磁阻電機(jī) （switched reluctance machine，SRM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制靈活、容錯(cuò)能力高等優(yōu)良特性［1］，相對(duì)傳統(tǒng)的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，具有較好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，在變速系統(tǒng)如航天起動(dòng)／發(fā)電機(jī)、混合動(dòng)力汽車起動(dòng)／發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電等中的應(yīng)用不斷發(fā)展［2－5］。

SRM不同于一般的交流電機(jī)，其運(yùn)行遵循“磁阻最小原理”，轉(zhuǎn)子無勵(lì)磁，靠定子繞組完成勵(lì)磁和發(fā)電過程，具有可控參數(shù)多，如開通角、關(guān)斷角、直流斬波限值、勵(lì)磁電壓等，控制方式靈活等特點(diǎn)［6］。通過搭建開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究不同控制參數(shù)、控制方式對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響，為開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及相關(guān)研究提供了硬件平臺(tái)，具有一定的實(shí)踐意義。

本文基于一臺(tái)三相12／8極開關(guān)磁阻電機(jī)，設(shè)計(jì)并搭建了一套SRM電動(dòng)／發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)SRM的電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行控制，測(cè)試不同控制算法的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

開關(guān)磁阻電機(jī)電動(dòng)／發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由SRM、直流電機(jī)、功率變換器和控制電路4個(gè)部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見圖1。圖中SRM及其功率變換器構(gòu)成SRM模塊，直流電機(jī)及其功率變換器構(gòu)成直流電機(jī)模塊，兩者通過聯(lián)軸器連接。電網(wǎng)電壓分別通過三相調(diào)壓器T1、T2和三相不控整流橋Rec 1、Rec 2為直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)提供直流電壓U1、U2。

（1）SRM 運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)。K1、K4斷開，K2、K3閉合，U2通過功率變換器給繞組通電，產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。而直流電機(jī)作為SRM的負(fù)載，運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，輸出電能供給負(fù)載R1，功率由右側(cè)流向左側(cè)。

（2）SRM 運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)。K1、K4閉合，K2、K3斷開，SRM通過功率變換器輸出直流電供給負(fù)載R2。此時(shí)，直流電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，為SRM發(fā)電運(yùn)行提供機(jī)械能輸入，功率由左側(cè)流向右側(cè)。

圖1 SRM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.1 SRM模塊

SRM模塊由1臺(tái)3相12／8極開關(guān)磁阻電機(jī)和三相不對(duì)稱橋式電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SRM模塊結(jié)構(gòu)

本模塊采用三相橋式功率變換器，各相繞組接至相應(yīng)的不對(duì)稱橋，在電路上相互獨(dú)立，具有最大的控制靈活性。功率開關(guān)器件選用富士2MBI25L－120模塊，同時(shí)采用集中式的RCD緩沖電路保護(hù)功率開關(guān)器件。

當(dāng)SRM作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，依次導(dǎo)通A、B、C三相，使各相電流工作在電感上升區(qū)，產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；當(dāng)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，SRM采用自勵(lì)模式，此時(shí)U2是起勵(lì)電壓，起勵(lì)完成后SRM建立直流電壓，提供勵(lì)磁［7］。

1.2 直流電機(jī)模塊

直流電機(jī)模塊由1臺(tái)直流電機(jī)和直流功率變換器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 直流電機(jī)模塊結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)采用他勵(lì)方式，勵(lì)磁電壓Vf由電網(wǎng)電壓經(jīng)過單相調(diào)壓器和單相橋式不控整流獲得。

當(dāng)直流電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，其采用PWM調(diào)速控制；當(dāng)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，直流電機(jī)輸出不控制、直接為負(fù)載R1提供電能。

1.3 控制電路

控制電路主要包括DSP控制器、采樣調(diào)理電路、位置檢測(cè)電路以及驅(qū)動(dòng)電路等，其結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 控制電路結(jié)構(gòu)

DSP采用TMS320F2812作為主控制器，完成AD轉(zhuǎn)換、控制算法運(yùn)算、PWM信號(hào)生成等功能。它具有高速運(yùn)算能力和強(qiáng)大的中斷響應(yīng)能力，16通道ADC模塊以及專門的事件管理器等極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字控制技術(shù)提供了便利。

采樣調(diào)理電路包括SRM三相繞組電流、C2母線電壓以及母線電流的采樣調(diào)理。其中電流采樣采用LEM電流傳感器，將各相電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，再經(jīng)過調(diào)理電路送入DSP的AD端口。電壓采樣通過運(yùn)放差分采樣調(diào)理得到相應(yīng)的信號(hào)送入DSP。差分電路能夠抑制共模電壓，減小零偏，適用于直流電壓的采樣調(diào)理。

位置檢測(cè)電路采用光電式位置傳感器，其信號(hào)分兩路送入DSP：一路送入DSP事件管理器的CAP單元，計(jì)算電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速；另一路送入GPIO引腳，確定SRM啟動(dòng)或低速時(shí)的運(yùn)行位置。

驅(qū)動(dòng)電路采用集成式驅(qū)動(dòng)芯片EXB841，其單電源供電，具備過流保護(hù)能力，使用簡(jiǎn)單，可靠性高。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件主要包括SRM電機(jī)起動(dòng)／發(fā)電控制程序和直流電機(jī)調(diào)速控制程序。程序基于TI公司提供的編程工具 Code Composer Studio（CCS）和C／C＋＋語言，具有較好的可讀性和通用性，利于系統(tǒng)的改進(jìn)維護(hù)。

2.1 SRM起動(dòng)／發(fā)電控制

SRM無論是工作在電動(dòng)模式還是發(fā)電模式，其控制程序都需要對(duì)電機(jī)的位置／轉(zhuǎn)速信號(hào)和相電流信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)算，及基于轉(zhuǎn)子位置完成換相控制。根據(jù)電機(jī)的工作模式和控制目標(biāo)，控制算法一般采用雙環(huán)控制，外環(huán)通過PI環(huán)節(jié)，得到繞組電流參考值，內(nèi)環(huán)則根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)選擇合適的控制方法，如電流斬波控制（chopped current control，CCC）、角度位置控制（angular position control，APC）或電壓控制（voltage control，VC）［8－9］，控制繞組電流。圖5為SRM 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。

圖5 SRM系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)

SRM的DSP控制程序主要包括初始化程序、主程序和若干中斷服務(wù)子程序。程序啟動(dòng)后，對(duì)DSP設(shè)置、EV單元、控制算法參數(shù)等進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主程序。主程序是一個(gè)無限循環(huán)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，等待中斷發(fā)生。

SRM所有控制均在中斷子程序中完成，包括定時(shí)器中斷和捕獲中斷。前者采用定時(shí)器3的周期中斷程序作為主中斷，頻率為10kHz，在主中斷中進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置計(jì)算、堵轉(zhuǎn)判斷、換相判斷、外環(huán)PI計(jì)算、內(nèi)環(huán)電流控制等控制算法計(jì)算；捕獲中斷的中斷頻率由SRM轉(zhuǎn)速確定，發(fā)生在位置檢測(cè)信號(hào)的上升沿和下降沿。捕獲中斷程序讀取相應(yīng)捕獲堆棧寄存器FIFO里的數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存，等待位置和轉(zhuǎn)速的計(jì)算子程序調(diào)用。

2.2 直流電機(jī)調(diào)速控制

當(dāng)直流電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)速控制。DSP控制程序包括轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，外環(huán)計(jì)算速度參考值與轉(zhuǎn)速反饋的誤差［10］，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)得到電流參考值，再經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)得到調(diào)制比，控制功率開關(guān)管通斷，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速快速無差跟蹤。

由于電流環(huán)時(shí)間常數(shù)較小，能夠快速響應(yīng)各種干擾，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)電流進(jìn)行限幅還能對(duì)過載或堵轉(zhuǎn)起到保護(hù)作用［11］。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能及測(cè)試

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本文搭建了一套開關(guān)磁阻電機(jī)電動(dòng)／發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)適用于1kW級(jí)別的三相開關(guān)磁阻電機(jī)的控制測(cè)試，具備以下功能：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)SRM電動(dòng)／發(fā)電運(yùn)行。當(dāng)SRM處于電動(dòng)模式時(shí)，通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍調(diào)速，對(duì)負(fù)載擾動(dòng)也有快速的響應(yīng)能力；當(dāng)SRM處于發(fā)電模式時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載和轉(zhuǎn)速擾動(dòng)下的穩(wěn)壓運(yùn)行。

（2）可測(cè)試不同的SRM控制參數(shù)和控制方法。由于開關(guān)磁阻電機(jī)可控參數(shù)多，因而其控制方式也比較靈活，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以根據(jù)不同的控制要求實(shí)現(xiàn)CCC、APC和VC控制，還可根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)APC＋CCC或APC＋PWM等組合控制方式的自動(dòng)切換，從而對(duì)SRM在不同控制模式下的性能進(jìn)行比較。

（3）對(duì)原動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)為SRM提供機(jī)械能輸入時(shí)，采用PWM調(diào)速控制，使其在不同負(fù)載下跟蹤轉(zhuǎn)速，為SRM變速運(yùn)行提供了條件。

（4）采用分段PI調(diào)節(jié)器。本系統(tǒng)采用分段PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)給定值有較大改變時(shí)，系統(tǒng)需要較大的控制量以求快速響應(yīng)，PI調(diào)節(jié)器具有大Kp（比例系數(shù)）、小Ki（積分系數(shù)）；當(dāng)運(yùn)行在給定值附近，為防止超調(diào)并減小靜態(tài)誤差，PI調(diào)節(jié)器具有小Kp、大Ki［12］。采用 PI參數(shù)分段調(diào)節(jié)，能夠更好地滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能控制要求，且原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的有效性，本文以CCC控制為例，分別對(duì)SRM電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行控制進(jìn)行了測(cè)試。

圖6為SRM發(fā)電模式下負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，SRM直流母線電壓vdc和C相電流ic的波形，此時(shí)轉(zhuǎn)速n＝800r／min，vref＝200V。當(dāng)負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，在閉環(huán)控制下，維持轉(zhuǎn)速基本不變，vdc跌落6V后再次恢復(fù)。當(dāng)負(fù)載變大時(shí)，需要增大SRM勵(lì)磁電流來維持直流電壓恒定。

圖6 SRM發(fā)電模式下負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)波形

圖7為SRM電動(dòng)模式下轉(zhuǎn)速給定階躍變化時(shí)，SRM轉(zhuǎn)速n和C相電流ic波形。此時(shí)SRM直流母線電壓為200V，nref＝500r／min。當(dāng)轉(zhuǎn)速給定變化時(shí)，通過SRM轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)相電流的大小，即可調(diào)節(jié)磁阻轉(zhuǎn)矩從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤給定。

圖7 SRM電動(dòng)模式下轉(zhuǎn)速擾動(dòng)響應(yīng)波形

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并搭建了一套基于12／8極結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)SRM發(fā)電和電動(dòng)兩種運(yùn)行模式。通過DSP數(shù)字控制，能夠方便地調(diào)整SRM的控制參數(shù)和控制算法，從而對(duì)比研究其對(duì)SRM的不同影響。最后以CCC控制為例，分別測(cè)試了SRM電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行，驗(yàn)證了平臺(tái)功能的完整性。此外，還可在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，改進(jìn)原動(dòng)機(jī)控制算法來模擬如風(fēng)力機(jī)、電梯負(fù)載等不同的外部對(duì)象，使其適用不同應(yīng)用場(chǎng)合的SRM實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

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