开关磁阻电机起动方案及关断角优化研究

高 赟，贾星辰

(西安科技大学，西安 710054)

开关磁阻电机起动方案及关断角优化研究

高 赟，贾星辰

(西安科技大学，西安 710054)

针对开关磁阻电机带载起动时易因关断角选取不当以及通电控制策略不当引起的无法起动问题，对其进行起动关断角优化，并对12/8开关磁阻电机进行分析采用一种无反转的起动策略。根据位置传感器信息判断转子初始位置并制定相通电逻辑，使电机可以正常起动的基础上采用一种单双相结合起动方式以提高其带载能力。最后通过实验验证起动策略及关断角优化的有效性，确定其最优关断角，并证实该单双相起动方案的可行性。

开关磁阻电机；关断角；起动转矩；单双相起动

0 引 言

开关磁阻电机(以下简称SRM)是一种新型调速电机，调速系统兼具直流和交流两类调速系统的优点，其结构简单，具有起动转矩大、起动电流小，控制灵活的优点。因此SRM被广泛应用在各种工业驱动场合[1-2]。

SRM转子无绕组亦无永磁体，为双凸极变磁阻电动机[3]。运行原理遵循“磁阻最小原理”。电磁转矩作为电动机的指标之一，总希望大一点。但由于SRM的结构以及运行原理，相电流仅在电感上升区域内产生正转矩，而在电感下降区域则会产生制动转矩。这导致SRM的输出转矩与开通角以及关断角密切相关。由于起动时初始速度为零且转速变化较快，转速低旋转电动势较小，以及初始位置的检测不正确，可能会使电流延伸到电感下降区，使电机产生制动转矩甚至反转从而无法进入正常运行状态。

本文在对关断角进行优化后所采取的起动方案避免了上述现象，有效减小了起动过程中的制动转矩，提高系统起动过程中的平稳性的同时提高了系统的起动带载能力。

1 起动过程分析

1.1起动原理分析

假设相绕组的电感与相电流大小无关，只随转子位置角θ周期性变化，如图1中曲线L所示，则可以写出一相电路方程：

(1)

式中：Us为相绕组两端电压。电磁转矩可以根据磁共能进行准确计算：

(2)

图1 SRM电流磁链与转子位置的关系

由式(1)、式(2)及图1可知，在相电感上升阶段转子获得电动转矩，反之则获得制动转矩。

SRM在运行过程中，当θ<θ1时，由于电感在最小值，电流快速上升，电磁转矩为零。当θ1<θ<θoff时，电感处在上升阶段， 此时产生电磁转矩且为正。这两个阶段相绕组两端电压为US。而当θoff<θ<θ2时，加在绕组两端电压为-US，但此时处在电感上升区域，电流下降但仍产生正的电磁转矩。θ>θ2时，绕组两端电压仍为-US，电流快速下降，若在电感下降区域前相电流没有降为0，则该相会产生负的电磁转矩即制动转矩。

1.2开通关断角对起动的影响

由上一节的分析可以知道，为了得到较大的起动转矩，一方面应尽量减少或避免制动转矩，即在电感下降阶段之前尽快使相电流衰减到零。另一方面，应尽量提高电动转矩，即在相电感随转子位置上升区域应尽量流过较大的电流。为此关断角通常设计在最大电感达到之前但又不能过于前移。

通过对电机特性分析可知，把开通角前移有助于使相电流快速上升，把关断角后移以增大导通区间电流，从而产生很大电磁转矩。但电流过大以及关断角推后会使开关管关断以后电流续流进入电感下降区域从而产生制动转矩。进而使得电机转矩小于负载转矩，使得瞬间电机方向不确定。同时使相电流适当进入电感下降区又可以提高导通区间的电流。所以如果开通关断角选取不当，控制策略不得当，就会导致电机起动出现紊乱[5]。因此，电机起动阶段，应该对关断角进行优化，使电机平稳快速起动的同时又可以兼顾电机的带载能力。

2 一种单双相结合起动方法的实施

本文研究对象为三相12/8结构、7.5 kW的开关磁阻电机，并在此基础上设计控制电路以及主电路。电机的三相绕组参数为RA=0.4 Ω,RB=0.4 Ω，RC=0.4 Ω。转子凸极、凹槽数均为8，凸极弧度数为17°，凹槽弧度数为28°。定子凸极、凹槽数均为12个，弧度数为15°。三个位置传感器安装在以转子轴心为圆弧相隔15°，遮光盘共有8个圆弧，其弧度数为22.5°均匀分布在圆盘周围。其中遮光盘将位置传感器挡住时输出0，未挡住时输出1。

根据三光电对管输出信号变化，测得每相电感的变化趋势与转子位置角的关系如图2所示。

图2 位置信号与电感关系曲线

当电机正常运转时，通过控制器的CAP模块实时捕获边沿信号来计算速度从而计算转子位置从而判断通电逻辑，但是在电机起动前由于转子静止不会出现边沿情况，这给初始位置判断带来困难。如果不能准确的判断电机当前位置状态就会使电机起动控制出现拒动甚至反转。因此电机的初始位置检测无法使用CAP模块，必须要使用I/O口对其所处位置进行预估判断。

由图2可知，三相SRM在任一瞬间均存在电感上升相，因此三相电机具有自起动能力。可以看到一个周期内共有6个状态，每个状态为7.5°，周期为45°。将6个状态分别依次表示为S1～S6。由图2可以知道状态与电感增大相的关系如表1所示。

表1 位置状态与电感增大相关系

结合图2和表1可以清晰地确定起动控制策略。由于起动时的负载转矩较大，在起动阶段采取单相起动方式可能会在某些特殊初始位置出现起动转矩不足等起动问题，且由于电机速度低，旋转电动势的压降小，电流上升快，相电流容易过流。因此采取一种一相与两相导通相结合的起动方式。

当检测转子位置处于S1位置时，A相电感在由最小值开始上升区域内，因此若采取传统的单相导通方式可能会使电机无法起动[6]，C相通电其电感较大又不利于电流的上升同时很快进入电感下降去会产生负的转矩。故同时给A，C两相通电的起动方式。起动过程的控制策略如下图所示。

图3 SRM的起动过程

起动过程如上图所示，当系统收到起动信号后，首先读取位置信号判断当前所处区间，确定是否双相同时通电起动，处于双相起动区间时，相应两相同时通电，以提高起动转矩，一定延时后根据逻辑判断电感较大相并关断此相，然后判断通电相是否到了关断角。到关断角以后进入换相程序进行换相运行。

与单相起动相比，单双相的带载能力明显加强，且若负载一定时两相起动方式所需起动电流幅值亦明显较小。单双相起动方式更容易实现任意位置无反转起动。同时起动时常采用电流斩波模式[7-8]以限制过流的情况。

3 硬件与软件的设计

本文构建的系统框图如图4所示。

图4 开关磁阻电机系统框图

由系统框图可知系统由电源、辅助电源、功率变换器、IGBT驱动、主控制器、电流传感器及开关磁阻电机等组成。

系统由三相AC380V经整流后供电，其中单相经KBP210整流后供给JS159为控制板提供5V，15V，24V。主电路由三相不控整流得到母线电压，主电路拓扑采用三相不对称半桥，选用IGBT作为开关器件，驱动模块采用concept的驱动核进行二次设计并设计有源钳位以及RCD吸收电路。控制板核心采用TMS320F28335。电流检测采用霍尔电流传感器检测每相电流后经低通滤波得到电流信号给控制器用作电流斩波。并使用磁粉制动器作为电机的负载。

软件部分主要完成的工作为起动阶段和运行阶段的控制以及速度的跟踪。其中程序的主循环主要完成按键查询、速度显示等工作。定时器0则主要完成当 前逻辑换相、电流检测与限流控制、速度跟踪控制等。定时器1只用来定时更新速度显示。位置检测由CAP模块检测，CAP只更新位置信息，而在定时器0里面完成逻辑换相等。定时器0的程序流程图如图5所示。

图5 定时器0中断服务程序流程图

4 实验验证

在上述硬件设计的基础上，将上述起动逻辑思想进行编程验证，并同轴安装光电编码器，光电编码器信号通过f/V电路转换为电压将速度信息显示出来以方便观测。通过在相同负载条件下不断优化关断角，可以对比出在15°附近时系统具有良好的响应，相比7.5°时响应速度更快，带载能力更强。

图6、图7分别为为SRM在带载时不同关断角情况下的起动过程，可以看到起动过程较为平稳但15°关断角时响应时间更短。且通过实验证实在带载情况下，单双相的起动方式可以实现任意位置的带载起动。

图6 关断角为7.5°时响应曲线图7 关断角为15°时响应曲线

5 结 语

通过数学定性分析以及实验验证，证实了关断角对起动过程影响较大，关断角选择不合适会影响SRM的带载能力以及起动响应时间。实验得出12/8SRM的关断角在15°附近时起动能力最优。同时验证了提出的一种任意位置的无反转起动逻辑，电机的起动以及起动后的运行控制都得到了实现，证实了方案的可行性。

[1] 范逸斐，朱学忠．开关磁阻电机恒加速度起动方案研究[J]．机电工程，2014，31(2)：208-212．

[2] 刘旭，潘再平．煤矿输送机用开关磁阻电机驱动系统[J]．煤炭学报，2009，34(2)：280-283．

[3] 王宏华．开关磁阻电动机调速控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2014．

[4] 吴红星．开关磁阻电机系统理论与控制技术[M]．北京：中国电力出版社，2010．

[5] 石磊，王勉华．开关磁阻电机启动过程分析[J]．电气传动，2010，40(2)：3-6．

[6] 黄向慧，方愿岭，高鹏．开关磁阻电机任意初始位置无反转启动的研究[J]．微电机，2015，48(12)：88-91．

[7]NINGSun,CHOID,JIANLi.Theanglecontrolofswitchreluctancegeneratorformaximumoutputpower[C]//ElectromagneticFieldProblemsandApplications.2012:1-4.

[8] 王旭东，王喜莲．开关磁阻电动机电流双幅值斩波控制[J]．中国电机工程学报，2000，20(4)：83-86．

StudyonStartingSchemeandTurn-OffAngleImprovementforSwitchReluctanceMotor

GAOYun，JIAXing-chen

(Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)

For the problem of the starting process of switch reluctance motor general could not starting problem caused by turn-off angle improper and the inappropriate strategy, to research the turn-off angle in starting process and analysis the 12/8 SRM to proposed a starting logic without inversion. In accordance with the position information to judge the initial position and develop electric logic to make sure the motor-start. Using a single-double way to ensure that the torque as large as possible. Finally, the strategy was verified through a experiment. Ascertain the turn-off angle is optimal and confirmed the feasibility of the scheme.

switch reluctance motor； turn-off angle； starting torque； single-double way start

2016-05-11

TM352

：A

：1004-7018(2016)11-0034-03