SRM电动／发电系统实验平台设计

刘 恒，潘再平

（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）

开关磁阻电机 （switched reluctance machine，SRM）具有结构简单、成本低、控制灵活、容错能力高等优良特性［1］，相对传统的交流电机调速系统，具有较好的启动和调速性能，在变速系统如航天起动／发电机、混合动力汽车起动／发电机和风力发电等中的应用不断发展［2－5］。

SRM不同于一般的交流电机，其运行遵循“磁阻最小原理”，转子无励磁，靠定子绕组完成励磁和发电过程，具有可控参数多，如开通角、关断角、直流斩波限值、励磁电压等，控制方式灵活等特点［6］。通过搭建开关磁阻电机实验平台，研究不同控制参数、控制方式对电机运行性能的影响，为开关磁阻电机的实验教学及相关研究提供了硬件平台，具有一定的实践意义。

本文基于一台三相12／8极开关磁阻电机，设计并搭建了一套SRM电动／发电实验平台，能够实现SRM的电动和发电运行控制，测试不同控制算法的可行性。

1 实验平台硬件设计

开关磁阻电机电动／发电实验平台主要由SRM、直流电机、功率变换器和控制电路4个部分构成，其结构见图1。图中SRM及其功率变换器构成SRM模块，直流电机及其功率变换器构成直流电机模块，两者通过联轴器连接。电网电压分别通过三相调压器T1、T2和三相不控整流桥Rec 1、Rec 2为直流电机和开关磁阻电机提供直流电压U1、U2。

（1）SRM 运行在电动状态。K1、K4断开，K2、K3闭合，U2通过功率变换器给绕组通电，产生磁阻转矩，驱动转子旋转。而直流电机作为SRM的负载，运行在发电状态，输出电能供给负载R1，功率由右侧流向左侧。

（2）SRM 运行在发电状态。K1、K4闭合，K2、K3断开，SRM通过功率变换器输出直流电供给负载R2。此时，直流电机作为原动机运行在电动状态，为SRM发电运行提供机械能输入，功率由左侧流向右侧。

图1 SRM实验平台结构图

1.1 SRM模块

SRM模块由1台3相12／8极开关磁阻电机和三相不对称桥式电路构成，其结构如图2所示。

图2 SRM模块结构

本模块采用三相桥式功率变换器，各相绕组接至相应的不对称桥，在电路上相互独立，具有最大的控制灵活性。功率开关器件选用富士2MBI25L－120模块，同时采用集中式的RCD缓冲电路保护功率开关器件。

当SRM作为电动机运行时，依次导通A、B、C三相，使各相电流工作在电感上升区，产生磁阻转矩，驱动转子旋转；当作为发电机运行时，SRM采用自励模式，此时U2是起励电压，起励完成后SRM建立直流电压，提供励磁［7］。

1.2 直流电机模块

直流电机模块由1台直流电机和直流功率变换器构成，其结构如图3所示。

图3 直流电机模块结构

直流电机采用他励方式，励磁电压Vf由电网电压经过单相调压器和单相桥式不控整流获得。

当直流电机工作在电动机状态时，其采用PWM调速控制；当工作在发电状态时，直流电机输出不控制、直接为负载R1提供电能。

1.3 控制电路

控制电路主要包括DSP控制器、采样调理电路、位置检测电路以及驱动电路等，其结构见图4。

图4 控制电路结构

DSP采用TMS320F2812作为主控制器，完成AD转换、控制算法运算、PWM信号生成等功能。它具有高速运算能力和强大的中断响应能力，16通道ADC模块以及专门的事件管理器等极大地简化了系统的硬件结构，为实现高性能数字控制技术提供了便利。

采样调理电路包括SRM三相绕组电流、C2母线电压以及母线电流的采样调理。其中电流采样采用LEM电流传感器，将各相电流转换为相应的电压信号，再经过调理电路送入DSP的AD端口。电压采样通过运放差分采样调理得到相应的信号送入DSP。差分电路能够抑制共模电压，减小零偏，适用于直流电压的采样调理。

位置检测电路采用光电式位置传感器，其信号分两路送入DSP：一路送入DSP事件管理器的CAP单元，计算电机的位置和转速；另一路送入GPIO引脚，确定SRM启动或低速时的运行位置。

驱动电路采用集成式驱动芯片EXB841，其单电源供电，具备过流保护能力，使用简单，可靠性高。

2 实验平台软件设计

本实验平台的软件主要包括SRM电机起动／发电控制程序和直流电机调速控制程序。程序基于TI公司提供的编程工具 Code Composer Studio（CCS）和C／C＋＋语言，具有较好的可读性和通用性，利于系统的改进维护。

2.1 SRM起动／发电控制

SRM无论是工作在电动模式还是发电模式，其控制程序都需要对电机的位置／转速信号和相电流信号进行采样计算，及基于转子位置完成换相控制。根据电机的工作模式和控制目标，控制算法一般采用双环控制，外环通过PI环节，得到绕组电流参考值，内环则根据电机的运行状态选择合适的控制方法，如电流斩波控制（chopped current control，CCC）、角度位置控制（angular position control，APC）或电压控制（voltage control，VC）［8－9］，控制绕组电流。图5为SRM 控制系统软件结构。

图5 SRM系统控制软件结构

SRM的DSP控制程序主要包括初始化程序、主程序和若干中断服务子程序。程序启动后，对DSP设置、EV单元、控制算法参数等进行初始化，然后进入主程序。主程序是一个无限循环，进行转速计算，等待中断发生。

SRM所有控制均在中断子程序中完成，包括定时器中断和捕获中断。前者采用定时器3的周期中断程序作为主中断，频率为10kHz，在主中断中进行转子位置计算、堵转判断、换相判断、外环PI计算、内环电流控制等控制算法计算；捕获中断的中断频率由SRM转速确定，发生在位置检测信号的上升沿和下降沿。捕获中断程序读取相应捕获堆栈寄存器FIFO里的数据并储存，等待位置和转速的计算子程序调用。

2.2 直流电机调速控制

当直流电机作为原动机时，对其进行调速控制。DSP控制程序包括转速外环和电流内环，外环计算速度参考值与转速反馈的误差［10］，经过PI环节得到电流参考值，再经过电流内环PI调节得到调制比，控制功率开关管通断，实现转速快速无差跟踪。

由于电流环时间常数较小，能够快速响应各种干扰，提高系统运行的稳定性，对电流进行限幅还能对过载或堵转起到保护作用［11］。

3 实验平台功能及测试

根据上述系统设计方案，本文搭建了一套开关磁阻电机电动／发电实验平台，主要实验设备参数见表1。

表1 实验设备参数

该实验平台适用于1kW级别的三相开关磁阻电机的控制测试，具备以下功能：

（1）能够实现SRM电动／发电运行。当SRM处于电动模式时，通过转速闭环控制能够实现宽范围调速，对负载扰动也有快速的响应能力；当SRM处于发电模式时，可以实现不同负载和转速扰动下的稳压运行。

（2）可测试不同的SRM控制参数和控制方法。由于开关磁阻电机可控参数多，因而其控制方式也比较灵活，本实验平台可以根据不同的控制要求实现CCC、APC和VC控制，还可根据电机的运行状态，实现APC＋CCC或APC＋PWM等组合控制方式的自动切换，从而对SRM在不同控制模式下的性能进行比较。

（3）对原动机进行调速控制。当直流电动机作为原动机为SRM提供机械能输入时，采用PWM调速控制，使其在不同负载下跟踪转速，为SRM变速运行提供了条件。

（4）采用分段PI调节器。本系统采用分段PI调节器，当给定值有较大改变时，系统需要较大的控制量以求快速响应，PI调节器具有大Kp（比例系数）、小Ki（积分系数）；当运行在给定值附近，为防止超调并减小静态误差，PI调节器具有小Kp、大Ki［12］。采用 PI参数分段调节，能够更好地满足系统的动态性能控制要求，且原理简单，实现方便。

为了验证实验平台设计的有效性，本文以CCC控制为例，分别对SRM电动和发电运行控制进行了测试。

图6为SRM发电模式下负载发生扰动时，SRM直流母线电压vdc和C相电流ic的波形，此时转速n＝800r／min，vref＝200V。当负载发生扰动时，在闭环控制下，维持转速基本不变，vdc跌落6V后再次恢复。当负载变大时，需要增大SRM励磁电流来维持直流电压恒定。

图6 SRM发电模式下负载扰动响应波形

图7为SRM电动模式下转速给定阶跃变化时，SRM转速n和C相电流ic波形。此时SRM直流母线电压为200V，nref＝500r／min。当转速给定变化时，通过SRM转速闭环控制，调节相电流的大小，即可调节磁阻转矩从而实现转速跟踪给定。

图7 SRM电动模式下转速扰动响应波形

4 结束语

本文设计并搭建了一套基于12／8极结构的开关磁阻电机实验平台，能够实现SRM发电和电动两种运行模式。通过DSP数字控制，能够方便地调整SRM的控制参数和控制算法，从而对比研究其对SRM的不同影响。最后以CCC控制为例，分别测试了SRM电动和发电运行，验证了平台功能的完整性。此外，还可在现有实验平台基础上，改进原动机控制算法来模拟如风力机、电梯负载等不同的外部对象，使其适用不同应用场合的SRM实验测试。

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