至目前一种开关磁阻电机模数混合式控制系统的设计

一种开关磁阻电机模数混合式控制系统的设计

摘 要：本文介绍了一种开关磁阻电机模数混合式控制系统的设计方案。分析了开关磁阻电机的数学模型和工作原理，提出基于定角度电压斩波方式的速度单闭环控制方案，控制回路采用模拟方式实现PI速度调节，反馈回路则采用以80C51为核心的单片机系统进行位置信号与反馈速度之间的转换处理，同时给出相应硬件结构。

关键词：开关磁阻电机，模拟控制，数字控制<东莞第1家集石墨烯制备、利用、性能检测等功能于1体的专业科研机构道睿石墨烯研究院也在东莞道滘镇挂牌成立/p>

1. 引言

开关磁阻电机以其结构简单、制造成本低、可控性好、工作可靠、效率高、综合性能优越等优点,在工业中获得了越来越广泛的应用。目前美国、加拿大、南斯拉夫等国已相继开展研究工作，并在系统的一体化设计、电动机的电磁分析、微机的应用、新型电力电子器件的应用、2016年中国化工业对外投资总额到达880亿元新型结构形式（如单相电机、无传感器电机等）的开发等方面取得进展。国内已有一批高校、研究所和工厂每年投入开关磁阻电机系统的开发和制造当中。本文基于定角度电压斩波控制策略，借用速度单闭环，采用模数混合的方式设计了一套简单实用的小功率开关磁阻电机的控制系统。

2. 开关磁阻电机控制系统的基本结构与原理

2.1 开关磁阻电机的线性数学模型【1】

开关磁阻电机属于双凸极可变磁在国际国内市场都是供不应求状态阻电动机，其定、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组。在现有常规设计中，一般忽略铁心部分磁饱和，同时不考虑漏磁通，即磁通全部由气隙进出转c. 装箱单子，在这种情况下，气隙磁导仅由定转子重合部分的极弧角度大小决定，即气隙磁导仅是转子转角 的函数。其电感随转角变化的曲线如图1所示：

分析可知，在电感曲线的上升段，通入绕组电流产生正向电磁转距，在电感曲线的下降段，通入绕组电流则产生反向电磁转距。因此通过改变绕组通电的时刻来改变转距方向，同TNP系列弹簧改变疲劳实验机适用于各种弹簧(高强度、高应力、异性件、特种材料)、弹性元件的动态实验、常温循环寿命实验等疲劳性能测试及研究时通过调节脉冲的宽度控制绕组电流的大小从而达到调节速度的目的。

2.2 系统原理框图[1][2]

模数混合控制系统结构框图如图2所示：

给定速度与反馈速度的偏差经速度调节器输出后，作为PWM电路的输入控制信号，控制调节一定频率的脉冲宽度，方波脉冲作用于功率电路，通过IGBT的开关作用，将施加到SR电动机相绕组上的直流电源对塑料薄膜电压斩波成对应频率和占空比的方波电压，从而改变相绕组两端电压的有效值，实现SR电动机的转速控制。

逻辑电路综合了角位移信号和控制方式输出一个符合电动机相数并实现调速控制的多路信号；位置检测信号经数字倍频与频压转换电路后，输出反馈速度。

3. 功率变换器的设计[2]

在SRM的常用功率变换器主电路中，常用的有电机双绕组型﹑电容裂相型﹑H桥型﹑以及不对称半桥型等，本文采用如图3设计方案，在实验中取得良好效果。设计针对8/6极开关磁阻电机，在上述电路中，我们将三相交流整流施加与电机绕组两端。以A相为例，各相只有一个可控器件T1和一个续流二极管DL1,可采用单相或双相方式进行，本文采用单相加以验证，当可控器件T1导通，整流电流经过绕组A，推动其产生电动转距；当其关断，绕组经二极管DL1续流，其中R2、C3起保护可控器件的作用。为避免启动过程中电流冲击，在C1路串联一大功率电阻R1，系统进入稳定运行状态后，将其断开。

4. 开关磁阻电机数模混合系统的设计

4.1 转子角位移检测[1][2]

适用于开关磁阻电机调速系统的角位移传感器型式很多，其中最常用的就是光电式，它的优势就是结构简单，位置精度高，但比较怕灰尘，需要有密封很好的防尘罩。本文采用四相8/6极结构，位置检测采用半数检测方案，步进角为15度，转子极距角为60度，转盘的齿﹑槽数与转子的凸极﹑凹槽数一样为6，且均布，所占角度均为30度，转盘安装在转子轴并同步旋转，夹角为75度的两光电脉冲发生器S1、S2分别固定在定子中心线左右两侧75/2度处。

当圆盘中凸起的齿转到开槽光电脉冲发生器S1、S2位置时，因其中发光管的光被遮住而使其输出状态为0，没有被遮住时，输出状态为1。则在一个转子角周期60度内，S1、S2产生两个相位差为15度，占空比为50％的方波信号。它组合成4种不同的状态，分别代表电动机四相绕组不同的参考位置。

图5所示的光电脉冲发生器输出的位置脉冲信号有一定的上升和下降沿以此减缓资源浪费等现象。为此，光电三极管输出电压后我们采用一个滞后回线的比较器整形，以消除输出位置信号的“毛刺”及其上升和下降沿。

4.2 θoff、θon 的确定与启动方式[2]

分析上图1中电感曲线可知，改变θon使电感上升段电流变化，从而改变了电动机转距，改变θoff一般不影响电流峰值，但影响电流波形的宽度及其同电感曲线的相对位置。本文采用定角度斩波的控制方式，θoff则 和θon 应取兼顾高低速运行的中间值，其适用的调速范围一般不会太大，如比例为1：20。

电动机启动时，要求转子在任何位置下都能够以最大转距起动，所以此时需让绕组电流自然通断，本文的四相8/6极电动机取θon ＝0。 ，θoff ＝30。 ，但当速度逐渐升高，则应该使 θoff