开关磁阻电动机微步控制系统的分析与设计

2014-10-18唐睿

天津科技 2014年3期

唐睿

(长城钻探工程有限公司物资分公司北京 100101)

0 引言

开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，简称 SRM)是在磁阻电动机的基础上发展起来的一种高性能机电一体化电机，因其结构简单、工作可靠、成本低，且具有良好的可控性，应用领域在不断拓展之中。

不过，开关磁阻电动机最常见的应用难点是对转矩脉动的控制。转矩脉动不仅直接影响驱动系统的输出特性，而且会加重电动机运行时的振动和噪声。因此，抑制开关磁阻电动机转矩脉动的研究一直受到人们的广泛关注。文献[1]将模糊推理与神经网络有机结合来控制电动机低转矩脉动，但方案繁琐，在实时控制方面存在困难，且控制性能与模糊规则过分依赖于样本的选取。本文设计了基于微步控制策略的开关磁阻电动机驱动控制系统，控制系统简单，对转矩脉动起到有效的控制，具有良好的推广及应用价值。

1 开关磁阻电动机特性及原理

开关磁阻电动机为双凸极铁心结构，定子和转子铁芯由硅钢片迭压而成。定子上有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体。SRM 可以设计成多种不同相数结构，定、转子的极数也有多种不同的搭配。由于三相以下的 SRM 无自启动能力，目前应用较多的是四相(8/6)结构及三相(6/4)结构。[2]

开关磁阻电动机的运行原理遵循“磁阻最小原理”。磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必须使自己的主轴线与磁场的轴线重合。若改变通电电流的顺序，则转子的旋转方向发生改变。也就是说，转子的转向与相绕组电流的方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。

以较普通的四相(8/6)开关磁阻电动机为例，其结构原理图如图 1所示，图中只画出了 A相绕组及其供电电路。当定子 A1-A极励磁时，所产生的磁力促使转子旋转到转子极轴线S1-S与定子极轴线A1-A重合的位置，并使A相励磁绕组的电感最大。以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，顺序给 BC-D-A相绕组通电，则转子按顺时针方向连续转动起来。反之，若依次给 D-C-B-A相绕组通电，则电动机会以逆时针方向连续旋转。

图1 4相8/6极SRM结构图Fig.1 Structure of the 4 phase 8/6 pole SRM

2 微步控制策略原理及实现

SRM 的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势而产生的。由于SRM磁路的非线性，通常SRM的转矩根据磁共能来计算，即：

式中：θ为转子位置角，i为绕组电流，k为电机相数。

在忽略开关磁阻电动机磁路饱和及边缘效应，且假定电感与电流无关，而仅仅与转子位置有关的情况下，则上式可简化为：

式中：L为SRM相绕组的自感，其变化周期与转子的极对数成正比。利用傅立叶分解，且忽略高次谐波的影响，则L可表示为：

式中：L0、L1为电感的恒定分量和基波分量的幅值，Nr转子齿数，据此电磁转矩可表示为：

公式 4说明每相绕组产生的基波电磁转矩是一种空间正弦波，电磁转矩的幅值和绕组磁动势平方成正比，电磁转矩的稳定零位取决于该相磁极中心线的位置。[3]因此，用空间矢量Tk代表k相绕组的电磁转矩，则Tk的相位和k相绕组磁极中心线一致。

对于四相(8/6)SR 电动机而言，A、B、C、D 四相绕组产生的稳定零位在空间依次相差一个转子步进角，用机械角表示为 15,°，电角度为 90,°。如果依次给四相通入幅值相等的直流电，则转矩矢量 TA、TB、Tc和 TD依次产生定位作用，开关磁阻电动机的转子将以步进角15,°一步一步旋转。如果忽略SR电机互感，允许将定位转矩进行矢量叠加，则得图 2所示的转矩星型图，[6]其中 TAB、TBC、TCB和 TDA是两相同时供电时产生的合成转矩矢量，可以用矢量形式表示：

TA比 TAB落后 45,°电角度，相当于 1/8转子齿距，按机械角度计算为 7.5,°。可以理解为 TAB和 TA错开半个步进角。转矩星型图中转矩矢量间的相位关系只取决于定子磁极中心线间的距离。TA、TB、Tc和 TD为基本转矩矢量，它们的相位取决于定子磁极中心线的空间位置，与各相绕组的电流大小无关。对于由基本转矩矢量合成的转矩 TAB、TBC，、TCD和 TDA称为派生转矩矢量，而派生转矩矢量的相位调节可以通过绕组电流的控制来实现的。

图2 电机转矩星型图(7.5,°)Fig.2 Star chart of the motor torque(7.5,°)

分析转矩星型图和派生转矩矢量可以得出：既然能够利用矢量和的方法，由基本转矩TA和TB合成派生转矩矢量 TAB，那就完全有可能调节电流的幅值来移动派生转矩TAB的相位，使它出现在基本转矩矢量之间的任何相位上。采用矢量控制方法，各相的通电顺序为：

正转时：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A

反转时：A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A

如图3所示，其步进角为3.75,°。

图3 电机转矩星型图(3.75,°)Fig.3 Star chart of the motor torque((3.75,°)

为了保证恒转矩，由图2易得出，两相同时通电时的电流为一相单独通电时电流的0.717倍。而随着电机每转细分步数的增加，电机的步进角逐渐减小，从而使电机的输出转矩具有很好的平滑性，达到抑制转矩脉动的目的。

开关磁阻电动机微步驱动的核心是实现转矩矢量幅值相等，控制相绕组电流跟随给定转速对应的参考电流大小。而控制相绕组电流是以控制PWM功率变换器输出脉宽被调制的功率开关信号为直接控制量，使实际输出电流按阶梯波电流变化。所以 SRM的微步控制是靠调节PWM的占空比来实现的。由此可以得到SRM微步控制系统原理图，如图4所示。

图4 SRM微步控制系统原理图Fig.4 Schematic diagram of the micro-step switched reluctance drive control system

3 SRM控制系统硬件设计

根据图4的微步控制系统原理图，本文设计了基于 TMS320LF2407A的控制系统，[4]该控制系统硬件设计框图如图 5所示。该系统主要由开关磁阻电动机、功率变换器、DSP控制器、位置检测和电流检测等部分组成。DSP控制器[5]采用 TI公司生产的专用电机控制的信号处理器 TMS320LF2407A，它将 DSP的高速运算能力和高效控制能力集于一体，保证了控制策略的实时实现。

图5 SRM控制系统硬件设计框图Fig.5 Block diagram of hardware design for the SRM

微步控制系统控制器是以 TMS320LF2407A DSP为核心，根据转速给定，综合处理相电流检测电路输入的电流信号，以及光电式位置传感器输入电路的位置检测信号；根据微步控制规律，调整各相输出波形的占空比，通过光电隔离电路输出到驱动电路，控制主开关器件的通断，从而控制电机的转速；动态转速以及其他信息通过人机界面输出。同时，复位电路、过流保护电路和欠压过压保护电路的存在，为系统的复位和正常运行保驾护航。

4 SRM控制系统软件设计

图6 SRM控制程序结构图Fig.6 Structure chart of control program for SRM

本系统的软件程序设计采用DSP C语言编程实行模块化设计，增加了程序的可读性和移植性。从最高层次上讲，整个系统软件程序分为初始化程序和主程序两部分。初始化程序包括 DSP系统初始化、事件管理器初始化、中断初始化、参数初始化、显示初始化等初始化程序。初始化程序完成后，启动主程序。主程序根据电流信号、位置信号和当前运行状态，完成转子位置计算、电流控制、转速控制及其计算显示等任务。图6为SRM控制程序结构图。