阀门电动执行机构用SRM开关角的优化研究

摘要：采用TMS320F28335型DSP和MAX3032S型CPLD作为6/4极开关磁阻电机系统的控制器，通过低速时电流斩波控制（CCC）和高速时角度位置控制（APC）对电机进行控制。针对开关磁阻电机在APC方式下开通角和关断角的优化问题，在理论引导的基础上利用仿真来对开通角运行特性和关断角运行特性进行研究。结果表明，对开关角的设置进行合理配置及优化可以使电机提速性更好，有利于提高整个系统的性能。

关键词：开关磁阻电机;开通角;关断角;仿真

0    引言

随着工业的发展，阀门电动执行器在工业现场中的地位越来越重要。而开关磁阻电机因其成本低、结构简单、调速范围宽、启动性能好和运行效率高等优点，将开关磁阻电机（SRM）应用于阀门执行器的驱动系统已成为研究的热点。开关磁阻电机开通角和关断角的提前可以更有效地控制电机运作并更好地提速[1]，但开关磁阻电机存在磁路饱和以及功率变换器的非线性等问题，使得开通角和关断角两个参数很难同时调到最佳值。本文將结合开通角和关断角对相电流影响的仿真分析，确定两角度的最优配置。

1    开关磁阻电机的工作方式

1.1    开关磁阻电机控制系统组成

SRD控制系统主要由SRM、位置检测器、电流检测器、功率变换器、控制器五部分组成。

1.2    开关磁阻电机控制方式

在低速情况下，通过CPLD根据R、Q、P三个位置信号给出A、B、C三路驱动信号使电机正反转。图1所示为电机正转各信号图。

在高速情况下，通过DSP给出信号，提前开通角和关断角，使电机有效地提速。

2    SRM开通角和关断角的优化

2.1    开通角θon和关断角θoff的仿真优化

开通角和关断角设置的大小对输出功率与转矩的连续性有一定的干预，原因是两角度的组合配置会影响输出电流的波形。文献[2-3]中运用大量的实验通过改变不同开通角和关断角的组合去探求开关角大小与输出电流大小及其波形的关系，仿真证明，两者的确存在某种非线性的关系，本文以及文献的目的均为找到这个关系的“制高点”，即开通角和关断角的最优配置。拥有了最佳开关角的配置组合便能使SRM系统效率达到最高，间接使阀门电动执行机构完美运作。

2.1.1    电感、相电流、开关角三者关系

图2所示为6/4极SRM在APC方式下典型的电感和相电流波形[4]，在电感上升前开管，在电感达到最大之前关管，参考相电流产生的原理及电流波形的特性，电机在高速运转的情况下，根据图2，开通角θon和关断角θoff与其他四个角度的关系应满足：θ1≤θon≤θ2，θ2≤θoff≤θ3。

2.1.2    相电流与开通角的关系

因为本文应用的载体为6/4结构的开关磁阻电机，为了电机更好地启动，并使两相出力最大化，在CCC方式下三相驱动信号就如图2所示在45°到90°之间开通。所以在研究相电流与开通角关系时，固定关断角θoff=75°，也就是提前15°关断，然后使开通角以45°为临界值向前提前打开。

开通角的大小，由于电流瞬间产生，因此电流能达到的最大值便由其决定，故配置开通角θon的大小便相当于设置了相电流的最大值，从而实现了对电机转速、功率等因素的控制。相电流能否瞬间达到顶峰与电感的大小有关系，电流对θon的变化非常敏感，电感越小，相电流建立得越快，因此在电感最小段区间内，相电流可以瞬间置顶，可见，开通角θon提前量的大小可以决定电流的快速建立，所以开通角度越提前，电流向上冲得越高，电流最大值越大。但电流的最大值越大，并不代表系统运行越好，事实上，相电流冲得越高，其产生的相脉冲也越高，会导致电机运行时抖动增大，破坏整个系统运作的稳定性[5]。

本文所述6/4极电机是以45°向前提前开通角的，相比于电机的大力输出，系统运作的稳定性更加重要，因此在开通角提前较小的情况下，虽然电流冲得不够高，导致电机转矩不大，但却能使系统运作稳定。综合考虑，既要让电机运行稳定又要使其出力较大，可使开通稍稍提前，以保证两个因素的平衡。

2.1.3    相电流与关断角的关系

由于电感的不确定性，图2上θ3无法准确得到，故以90°为临界值向前提前关断。固定开通角θon=45°，也就是提前0°开通，以90°为临界向前提前关断。

关断角的大小虽然不影响相电流峰值的变化，但却决定了相电流波形的宽度，从而影响电流是否延续到电感下降区，是否会产生反向力矩。当θoff>76°时，相电流波形在下降阶段有一个明显的起翘现象，使相电流不能顺利平滑地降到0，相电流的起翘还可能导致电机产生噪声，使系统产生振动。而θoff过小又会导致电流宽度变窄，使电机无法达到最有效的出力。所以，对于关断角的优化设计来说，既要使电机具有尽可能大的输出功率，又要防止振动、噪声以及反向力矩的产生。

由于关断角不应过大也不应过小，而本文所述6/4极电机是从90°向前提前关断的，故通过大量仿真研究，θoff的取值应在72°～76°范围内。

2.2    开通角θon和关断角θoff优化结论

对上述开通角大小对相电流的影响与关断角大小对相电流的影响进行分析，开通角提前得越多，输出功率也越大，但系统越不稳定，在考虑系统运作稳定的前提下，应将开通角选择在能获得平顶波波形的角度[6]，故开通角可以在45°基础上提前1°左右或者直接设置为45°。而为使相电流延续时间尽可能长又要避免相电流延续到电感下降区，故关断角较90°提前14°～18°。

综上所述，对于6/4结构的SRM，在考虑电机输出功率最大化的同时兼顾电机运行的稳定性，可选择θon=45°，θoff=75°。

3    结语

角度位置控制是开关磁阻电机基本的控制方式之一，但由于系统的非线性特性使得同时控制开通角和关断角的方法很难实现。本文通过仿真分析给角度优化提供了理论依据，根据这些优化结果，在电机进入高速运行时固定开通角θon的最优值，通过调节关断角θoff来对电机进行转速控制，这样不仅降低了角度位置控制的复杂性，而且大大提高了控制的可靠性。

[参考文献]

[1] 茅靖峰，方天治，赵德安.基于DSP的车用开关磁阻发电机的角度位置控制[J].计算机测量与控制，2004，12（2）：140-142.

[2] FERREIRA C A，JONES S R，HEGLUND W S，et al.Detailed Designed of a 30 kW Switched Reluctance starter/

Generetor Systems for a Gas Turbine Engine Application[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1995， 31（3）：553-561.

[3] 李华柏.三相开关磁阻起动/发电机的研究[D].株洲：湖南工业大学，2009.

[4] 刘羡飞，茅靖峰.开关磁阻发电机角度优化的仿真研究[J].南通工学院学报（自然科学版），2004，3（1）：59-62.

[5] 王治平.开关磁阻电机振动特性及控制系统设计研究[D].南京：河海大学，2001.

[6] 张彦宇，段树华，李华柏.开关磁阻电机角度位置控制参数优化研究[J].湖南工程学院学报（自然科学版），2011（4）：13-16.

收稿日期：2019-12-05

作者简介：杨丁弘扬（1988—），男，江苏常州人，硕士研究生，工程师，全国青年岗位能手，江苏省技术能手，研究方向：机电一体化。