摘 要：本文介紹了一種開關(guān)磁阻電機(jī)模數(shù)混合式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。分析了開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和工作原理，提出基于定角度電壓斬波方式的速度單閉環(huán)控制方案，控制回路采用模擬方式實(shí)現(xiàn)PI速度調(diào)節(jié)，反饋回路則采用以80C51為核心的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行位置信號(hào)與反饋速度之間的轉(zhuǎn)換處理，同時(shí)給出相應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)，模擬控制，數(shù)字控制

1. 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、可控性好、工作可靠、效率高、綜合性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前美國(guó)、加拿大、南斯拉夫等國(guó)已相繼開展研究工作，并在系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)的電磁分析、微機(jī)的應(yīng)用、新型電力電子器件的應(yīng)用、新型結(jié)構(gòu)形式（如單相電機(jī)、無(wú)傳感器電機(jī)等）的開發(fā)等方面取得進(jìn)展。國(guó)內(nèi)已有一批高校、研究所和工廠每年投入開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)和制造當(dāng)中。本文基于定角度電壓斬波控制策略，借用速度單閉環(huán)，采用模數(shù)混合的方式設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單實(shí)用的小功率開關(guān)磁阻電機(jī)的控制系統(tǒng)。

2. 開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與原理

2.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的線性數(shù)學(xué)模型【1】

開關(guān)磁阻電機(jī)屬于雙凸極可變磁阻電動(dòng)機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子既無(wú)繞組也無(wú)永磁體，定子極上繞有集中繞組。在現(xiàn)有常規(guī)設(shè)計(jì)中，一般忽略鐵心部分磁飽和，同時(shí)不考慮漏磁通，即磁通全部由氣隙進(jìn)出轉(zhuǎn)子，在這種情況下，氣隙磁導(dǎo)僅由定轉(zhuǎn)子重合部分的極弧角度大小決定，即氣隙磁導(dǎo)僅是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角 的函數(shù)。其電感隨轉(zhuǎn)角變化的曲線如圖1所示：


分析可知，在電感曲線的上升段，通入繞組電流產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)距，在電感曲線的下降段，通入繞組電流則產(chǎn)生反向電磁轉(zhuǎn)距。因此通過(guò)改變繞組通電的時(shí)刻來(lái)改變轉(zhuǎn)距方向，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的寬度控制繞組電流的大小從而達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的。

2.2 系統(tǒng)原理框圖[1][2]

模數(shù)混合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

給定速度與反饋速度的偏差經(jīng)速度調(diào)節(jié)器輸出后，作為PWM電路的輸入控制信號(hào)，控制調(diào)節(jié)一定頻率的脈沖寬度，方波脈沖作用于功率電路，通過(guò)IGBT的開關(guān)作用，將施加到SR電動(dòng)機(jī)相繞組上的直流電源電壓斬波成對(duì)應(yīng)頻率和占空比的方波電壓，從而改變相繞組兩端電壓的有效值，實(shí)現(xiàn)SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

邏輯電路綜合了角位移信號(hào)和控制方式輸出一個(gè)符合電動(dòng)機(jī)相數(shù)并實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制的多路信號(hào)；位置檢測(cè)信號(hào)經(jīng)數(shù)字倍頻與頻壓轉(zhuǎn)換電路后，輸出反饋速度。

3. 功率變換器的設(shè)計(jì)[2]

在SRM的常用功率變換器主電路中，常用的有電機(jī)雙繞組型﹑電容裂相型﹑H橋型﹑以及不對(duì)稱半橋型等，本文采用如圖3設(shè)計(jì)方案，在實(shí)驗(yàn)中取得良好效果。設(shè)計(jì)針對(duì)8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)，在上述電路中，我們將三相交流整流施加與電機(jī)繞組兩端。以A相為例，各相只有一個(gè)可控器件T1和一個(gè)續(xù)流二極管DL1,可采用單相或雙相方式進(jìn)行，本文采用單相加以驗(yàn)證，當(dāng)可控器件T1導(dǎo)通，整流電流經(jīng)過(guò)繞組A，推動(dòng)其產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)距；當(dāng)其關(guān)斷，繞組經(jīng)二極管DL1續(xù)流，其中R2、C3起保護(hù)可控器件的作用。為避免啟動(dòng)過(guò)程中電流沖擊，在C1路串聯(lián)一大功率電阻R1，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后，將其斷開。

4. 開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)模混合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 轉(zhuǎn)子角位移檢測(cè)[1][2]

適用于開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的角位移傳感器型式很多，其中最常用的就是光電式，它的優(yōu)勢(shì)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置精度高，但比較怕灰塵，需要有密封很好的防塵罩。本文采用四相8/6極結(jié)構(gòu)，位置檢測(cè)采用半數(shù)檢測(cè)方案，步進(jìn)角為15度，轉(zhuǎn)子極距角為60度，轉(zhuǎn)盤的齒﹑槽數(shù)與轉(zhuǎn)子的凸極﹑凹槽數(shù)一樣為6，且均布，所占角度均為30度，轉(zhuǎn)盤安裝在轉(zhuǎn)子軸并同步旋轉(zhuǎn)，夾角為75度的兩光電脈沖發(fā)生器S1、S2分別固定在定子中心線左右兩側(cè)75/2度處。

當(dāng)圓盤中凸起的齒轉(zhuǎn)到開槽光電脈沖發(fā)生器S1、S2位置時(shí)，因其中發(fā)光管的光被遮住而使其輸出狀態(tài)為0，沒有被遮住時(shí)，輸出狀態(tài)為1。則在一個(gè)轉(zhuǎn)子角周期60度內(nèi)，S1、S2產(chǎn)生兩個(gè)相位差為15度，占空比為50％的方波信號(hào)。它組合成4種不同的狀態(tài)，分別代表電動(dòng)機(jī)四相繞組不同的參考位置。

圖5所示的光電脈沖發(fā)生器輸出的位置脈沖信號(hào)有一定的上升和下降沿。為此，光電三極管輸出電壓后我們采用一個(gè)滯后回線的比較器整形，以消除輸出位置信號(hào)的“毛刺”及其上升和下降沿。

4.2 θoff、θon 的確定與啟動(dòng)方式[2]

分析上圖1中電感曲線可知，改變?chǔ)萶n使電感上升段電流變化，從而改變了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)距，改變?chǔ)萶ff一般不影響電流峰值，但影響電流波形的寬度及其同電感曲線的相對(duì)位置。本文采用定角度斬波的控制方式，θoff則 和θon 應(yīng)取兼顧高低速運(yùn)行的中間值，其適用的調(diào)速范圍一般不會(huì)太大，如比例為1：20。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，要求轉(zhuǎn)子在任何位置下都能夠以最大轉(zhuǎn)距起動(dòng)，所以此時(shí)需讓繞組電流自然通斷，本文的四相8/6極電動(dòng)機(jī)取θon ＝0。 ，θoff ＝30。 ，但當(dāng)速度逐漸升高，則應(yīng)該使 θoff < 30。 ,否則會(huì)因續(xù)流而形成制動(dòng)轉(zhuǎn)距影響運(yùn)行。

4.3 數(shù)字倍頻與頻壓轉(zhuǎn)化電路[3][4][5]

作為反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)，本文采用以80C51的單片機(jī)為核心的控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩片定時(shí)/計(jì)數(shù)器芯片8253完成位置信號(hào)的倍頻和頻/壓處理，信號(hào)輸出DAC0832芯片和I/V轉(zhuǎn)換電路。同時(shí)運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)處理電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，停車啟動(dòng)等相對(duì)簡(jiǎn)單，其P3.5 、P3.6端口輸出正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)。

數(shù)字倍頻電路選用芯片8253下，當(dāng)兩路位置信號(hào)異或之后機(jī)械角度為15度，作為圖6中的原始位置脈沖送入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在8253下中計(jì)數(shù)器0對(duì)每個(gè)15度的方波Q計(jì)一次數(shù)，即申請(qǐng)一次中斷，CPU響應(yīng)讀出計(jì)數(shù)器1對(duì)固定脈沖的計(jì)數(shù)值N并且清零，然后在將此值除以50，產(chǎn)生的值送入到計(jì)數(shù)器2中作為其時(shí)間常數(shù)值N/50，計(jì)數(shù)器2也由固定時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)回零時(shí)，便輸出一個(gè)倍頻后的脈沖F。若設(shè)15度中斷脈沖對(duì)應(yīng)的周期為T，而固定脈沖的周期為t,則倍頻后脈沖的周期為Nt/50,且有Nt=T，則有TF＝T/50。可見輸出的脈沖通過(guò)此環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了50倍頻。