开关磁阻电机制动无反转研究

黄向慧,王永旺,程 勇

(西安科技大学,西安710054)

0 引 言

开关磁阻电机驱动系统作为一种新型的复杂机电一体化装置,已经成为交流电机和直流电机驱动系统的强有力竞争者。它不仅具有交、直流驱动系统的优点,而且成本低,结构简单,系统效率高,可靠性好且有较强的再生制动能力,即使在一相或两相的情况下仍然可以进行电动和制动运行。根据开关磁阻电机的工作原理可知,在电机相绕组电感的下降阶段,导通开关管就会产生制动转矩,从而使电机停下来;由于制动过程中电机按照反转逻辑通电,如果转速变为零后没有及时关断相应的开关管,电机就可能会按相反的方向运行。为了避免这种情况的发生,在电机制动过程中,高速时可以先给三相绕组通电,使电机转速快速降低,低速时给一相或两相绕组通电,进而使电机可靠无反转地停下来。

1 开关磁阻电机制动基本理论分析

根据能量平衡原理,忽略铁耗有[3]:

式中:Wmec为输入的机械能;Wm为磁场储能;We为输出的电能,且由于Wm=Wm(i,θ)和ψ=ψ(i,θ),则有:

进一步计算得出:

式中:Tem为电磁转矩为磁共能;i为相电流;θ为定转子相对位置角;L为相电感。所以电磁转矩的表达式:

开关磁阻电机电压均衡方程:

式中:ω为电机转速。

上述方程可以写成电流斜率的表达式,其中相电压U取负值:

由图1可以看出,由于电感位置不同,相电流波形可以归纳为以下5个阶段:

图1 开关磁阻电机制动相电流分析图

(1)t1～t2阶段:由于t1时刻对应的电感值较大,所以相电流上升,产生电动转矩,吸收的能量一部分为绕组储能,一部分为机械能输出。

(2)t～t阶段:在t时刻相电感达到最大2320,不产生转矩,相电流继续上升。吸收的能量转化成绕组储能。

(3)t～t阶段:在t时刻相电感开始下降3430,开始产生制动转矩,由于因此相电流上升,吸收的机械能转化为绕组储能。

(4)t4～t5阶段:在t4时刻相电感继续下降,产生制动转矩。相电流这时要分开讨论:若ω较大,将大于零,相电流继续上升;若ω较小将小于零,相电流将沿曲线1快速下降。吸收的机械能回馈电能。

(5)t5～t6阶段:在t5时刻相电感已经降为最小,故不在产生转矩。相电流沿曲线2迅速下降,绕组储能回馈电能。

综上所述,电机制动时相电流表达式:

式中:θon为开通角;θoff为关断角;θm为电流峰值对应的转子位置角;θz为电流降为零对应的转子位置角;Lmax和Lmin分别为相绕组电感的最大值和最小值。所以,由一相电流充电引起的母线电压升高量[2]:

由三相电流充电引起的母线电压升高量:

2 开关磁阻电机制动无反转控制策略

根据位置传感器的信号输出,三相电感变化与转子位置的关系曲线如图2所示[4]。其中,转子有8个凸极,定子有12个凸极,转子凸极18°,定子凸极15°,一个信号周期为45°,每转24个步距,步进角是15°。其中,LA,LB和LC为开关磁阻电机的三相电感变化曲线。

图2 电感与位置信号关系曲线

由上一节的分析可知,要想在电机正转时进行正确的制动,就必须产生合理的制动转矩,如果通电相的选取不合理,就会引起转子运行的紊乱。具体的来说:现在假如开关磁阻电机按照101→001→011→010→110→100这样的位置信号进行高速电动运行,这时接收到制动的命令,由于转速不会突变,转向也就不会改变,为了得到合理的制动转矩,需要进行换相操作。为了充分建立励磁电流,开通角提前7.5°,在电感下降中间位置关断开关管。三相通电制动控制策略如表1所示。当电机的转速降低后,此时采用单相绕组通电或两相绕组通电的制动策略。以单相绕组通电制动为例,即只给三相绕组的其中一相绕组通电,由于制动转矩减小,电机就会慢慢停下来,从而避免了电机反转的可能。只给A相绕组通电,开通角仍然提前7.5°,在A相电感下降的中间位置关断,单相通电制动控制策略如表2所示。

在上述制动无反转控制策略中,需要选择一个合适的速度进行三相和单相的制动切换。如果切换得太早,电机转速没有降下来,将可能达不到快速制动的效果;如果切换得太晚,电机转速接近零时,单相绕组不能可靠制动,电机会有反转的可能。所以制动切换的最佳时刻应选在电机转速为100～300 r/min范围内,这样单相绕组制动就会有充分的作用时间。

表1 三相通电制动控制策略

表2 单相通电制动控制策略

3 开关磁阻电机制动无反转控制系统设计

本文以3 kW三相12/8开关磁阻电机为研究对象,给定电压36 V,以DSPF28335为控制核心,以三相不对称半桥为功率拓扑电路,驱动芯片采用EXB841芯片,选用6个IGBT作为开关器件。通过霍尔电流传感器,将采样电流信号经滤波后传给控制器。3个光电开关管依次每隔60°安装在以转子为轴心的圆弧上,遮光盘共有8个圆弧,均匀分布在圆盘外围。磁粉制动器作为负载。系统控制框图如图3所示。

图3 开关磁阻电机系统控制结构框图

开关磁阻电机功率拓扑结构如图4所示。VT1～VT6为6个IGBT开关管,VD1～VD6为6个续流二极管,C为储能吸收电容。VT7和R一起组成泄放回路,R为泄放电阻,当电容C电压超过一定值时,为了避免击穿电容,此时将VT7打开,通过泄放电阻R将能量释放。

图4 开关磁阻电机功率变换原理图

软件部分主要包括主程序和中断服务程序,以CCSv6.0为软件平台,对TMS320F28335进行C语言编程实现对系统的控制[5-7]。系统上电后进入主程序循环,等待中断服务程序到来。中断服务程序主要包括定时器1中断,捕获中断和外部中断等。定时器1中断主要完成电流环控制、转速环控制和换相控制等。捕获中断主要完成位置信号更新和实时速度更新。图5为主程序流程图,图6为定时器1中断程序流程图。

图5 主程序流程图

图6 定时器1中断程序流程图

4 实验验证

实验波形均在电机转速为800 r/min时制动测出。通过LM331频压转换芯片,把转速信号转换为正比的电压信号,进而观测转速响应情况。从图7、图8和图9的横向纵向对比可发现,只用三相制动的时间约为1.68 s,而用三相结合单相制动的时间约为2.4 s,而只采用单相制动的时间约为3.22 s。从图10、图11和图12的横向纵向对比可发现,三相制动时制动时间短,冲击电流大,产生较大的制动转矩,较大的电流回馈母线,引起母线电压泵升尖峰,电机迅速停下来,并且母线电压有一段继续下降的过程,电机有反转倾向。三相结合单相制动时母线电压上升明显,制动电流全部通过续流二极管回馈到直流母线,电机无反转逐渐停下来。单相制动时因为只有一相充电电流,母线电压上升但没有前两种情况那么高,电机无反转逐渐停下来。

图7 三相制动转速波形(截图)

图8 三相单相制动转速波形(截图)

图9 单相制动转速波形(截图)

图10 三相制动母线电压回升情况(截图)

图11 三相单相制动母线电压回升情况(截图)

图12 单相制动母线电压回升情况(截图)

综合以上数据分析可知,采用三相结合单相的制动控制策略不仅能够较好地满足电机快速制动的要求,而且制动时电机在速度过零也不会反转。

5 结 语

本文对开关磁阻电机的制动过程进行了分析,讨论了先三相制动后单相制动的综合制动策略,通过搭建实验平台及编写程序,验证了开关磁阻电机三相结合单相制动策略的可行性。三相结合单相制动的控制策略首先给三相绕组通电,使电机快速减速,然后给一相绕组通电,通过一相制动的方式可以有效避免电机停止后反转的问题。

参考文献

[1] 李广海.3 kW开关磁阻电机的再生制动实现[J].中国电机工程学报,2004,24(2):1-3.

[2] 甘醇,吴建华,王宁,等.一种零电压保持开通的开关磁阻电机再生制动控制策略[J].中国电机工程学报,2015,19(9):8-15.

[3] 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.

[4] 高赟,贾星辰.开关磁阻电机起动方案及关断角优化研究[J].微特电机,2016,44(11):34-36.

[5] 孙建忠,许伟.基于dsPIC的开关磁阻电机调速系统设计[D],大连:大连理工大学,2010.

[6] WANG S Y,TSENG C L,CHIEN S C.Adaptive fuzzy cerebellar model articulation control for switched reluctance motor drive[J].IET Electric Power Applications,2012,6(3):190-202.

[7] 刘博强,孙建忠.开关磁阻电机驱动系统研究及实现[D].大连:大连理工大学,2010.