摘 要：本文介紹了一種開關磁阻電機模數混合式控制系統的設計方案。分析了開關磁阻電機的數學模型和工作原理，提出基于定角度電壓斬波方式的速度單閉環控制方案，控制回路采用模擬方式實現PI速度調節，反饋回路則采用以80C51為核心的單片機系統進行位置信號與反饋速度之間的轉換處理，同時給出相應硬件結構。 關鍵詞：開關磁阻電機，模擬控制，數字控制 [align=center]One Kind of Analog and Digital Mixed System Design for Switched Reluctance Motor SHI zheng-guang, HUANG yun-sheng, CHEN xue （School of Information Science & Engineering,Central South University. changsha 410083 China） 師爭光，黃運生，陳學 （中南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083）[/align] Abstract: This article introduces one kind of analog and digital mixed system design proposal for switched reluctance motor. It briefly analyses the math model and principle of the switched reluctance motor, and proposes single speed closed-loop control plan which is based on the fixed angle voltage wave-cut control mode. The control loop selects the simulation method to realize the PI speed regulation, the feedback loop uses 80C51 as the core monolithic integrated circuit system carries on the position signal and feedback speed transformation processing, at the same time, the article gives the corresponding hardware architecture. Key words: switched reluctance motor; analogous control; digital control 1. 引言 開關磁阻電機以其結構簡單、制造成本低、可控性好、工作可靠、效率高、綜合性能優越等優點,在工業中獲得了越來越廣泛的應用。目前美國、加拿大、南斯拉夫等國已相繼開展研究工作，并在系統的一體化設計、電動機的電磁分析、微機的應用、新型電力電子器件的應用、新型結構形式（如單相電機、無傳感器電機等）的開發等方面取得進展。國內已有一批高校、研究所和工廠每年投入開關磁阻電機系統的開發和制造當中。本文基于定角度電壓斬波控制策略，借用速度單閉環，采用模數混合的方式設計了一套簡單實用的小功率開關磁阻電機的控制系統。 2. 開關磁阻電機控制系統的基本結構與原理 2.1 開關磁阻電機的線性數學模型【1】 開關磁阻電機屬于雙凸極可變磁阻電動機，其定、轉子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成。轉子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組。在現有常規設計中，一般忽略鐵心部分磁飽和，同時不考慮漏磁通，即磁通全部由氣隙進出轉子，在這種情況下，氣隙磁導僅由定轉子重合部分的極弧角度大小決定，即氣隙磁導僅是轉子轉角 的函數。其電感隨轉角變化的曲線如圖1所示： 分析可知，在電感曲線的上升段，通入繞組電流產生正向電磁轉距，在電感曲線的下降段，通入繞組電流則產生反向電磁轉距。因此通過改變繞組通電的時刻來改變轉距方向，同時通過調節脈沖的寬度控制繞組電流的大小從而達到調節速度的目的。 2.2 系統原理框圖[1][2] 模數混合控制系統結構框圖如圖2所示： 給定速度與反饋速度的偏差經速度調節器輸出后，作為PWM電路的輸入控制信號，控制調節一定頻率的脈沖寬度，方波脈沖作用于功率電路，通過IGBT的開關作用，將施加到SR電動機相繞組上的直流電源電壓斬波成對應頻率和占空比的方波電壓，從而改變相繞組兩端電壓的有效值，實現SR電動機的轉速控制。 邏輯電路綜合了角位移信號和控制方式輸出一個符合電動機相數并實現調速控制的多路信號；位置檢測信號經數字倍頻與頻壓轉換電路后，輸出反饋速度。 3. 功率變換器的設計[2] 在SRM的常用功率變換器主電路中，常用的有電機雙繞組型﹑電容裂相型﹑H橋型﹑以及不對稱半橋型等，本文采用如圖3設計方案，在實驗中取得良好效果。設計針對8/6極開關磁阻電機，在上述電路中，我們將三相交流整流施加與電機繞組兩端。以A相為例，各相只有一個可控器件T1和一個續流二極管DL1,可采用單相或雙相方式進行，本文采用單相加以驗證，當可控器件T1導通，整流電流經過繞組A，推動其產生電動轉距；當其關斷，繞組經二極管DL1續流，其中R2、C3起保護可控器件的作用。為避免啟動過程中電流沖擊，在C1路串聯一大功率電阻R1，系統進入穩定運行狀態后，將其斷開。 [align=center] 圖3 SRD功率變換電路原理圖[/align] 4. 開關磁阻電機數模混合系統的設計 4.1 轉子角位移檢測[1][2] 適用于開關磁阻電機調速系統的角位移傳感器型式很多，其中最常用的就是光電式，它的優勢就是結構簡單，位置精度高，但比較怕灰塵，需要有密封很好的防塵罩。本文采用四相8/6極結構，位置檢測采用半數檢測方案，步進角為15度，轉子極距角為60度，轉盤的齒﹑槽數與轉子的凸極﹑凹槽數一樣為6，且均布，所占角度均為30度，轉盤安裝在轉子軸并同步旋轉，夾角為75度的兩光電脈沖發生器S1、S2分別固定在定子中心線左右兩側75/2度處。 當圓盤中凸起的齒轉到開槽光電脈沖發生器S1、S2位置時，因其中發光管的光被遮住而使其輸出狀態為0，沒有被遮住時，輸出狀態為1。則在一個轉子角周期60度內，S1、S2產生兩個相位差為15度，占空比為50％的方波信號。它組合成4種不同的狀態，分別代表電動機四相繞組不同的參考位置。 [align=center] 圖4 .光電脈沖發生器電路[/align] 圖5所示的光電脈沖發生器輸出的位置脈沖信號有一定的上升和下降沿。為此，光電三極管輸出電壓后我們采用一個滯后回線的比較器整形，以消除輸出位置信號的“毛刺”及其上升和下降沿。 4.2 θ[sub]off[/sub]、θ[sub]on [/sub]的確定與啟動方式[2] 分析上圖1中電感曲線可知，改變θ[sub]on[/sub]使電感上升段電流變化，從而改變了電動機轉距，改變θ[sub]off[/sub]一般不影響電流峰值，但影響電流波形的寬度及其同電感曲線的相對位置。本文采用定角度斬波的控制方式，θ[sub]off[/sub]則 和θ[sub]on [/sub]應取兼顧高低速運行的中間值，其適用的調速范圍一般不會太大，如比例為1：20。 電動機啟動時，要求轉子在任何位置下都能夠以最大轉距起動，所以此時需讓繞組電流自然通斷，本文的四相8/6極電動機取θ[sub]on[/sub] ＝0[sup]。[/sup] ，θ[sub]off[/sub] ＝30[sup]。[/sup] ，但當速度逐漸升高，則應該使 θ[sub]off[/sub] < 30[sup]。[/sup] ,否則會因續流而形成制動轉距影響運行。 4.3 數字倍頻與頻壓轉化電路[3][4][5] 作為反饋檢測環節，本文采用以80C51的單片機為核心的控制結構，通過兩片定時/計數器芯片8253完成位置信號的倍頻和頻/壓處理，信號輸出DAC0832芯片和I/V轉換電路。同時運用單片機系統處理電機的正反轉，停車啟動等相對簡單，其P3.5 、P3.6端口輸出正反轉控制信號。 數字倍頻電路選用芯片8253下，當兩路位置信號異或之后機械角度為15度，作為圖6中的原始位置脈沖送入系統結構，在8253下中計數器0對每個15度的方波Q計一次數，即申請一次中斷，CPU響應讀出計數器1對固定脈沖的計數值N并且清零，然后在將此值除以50，產生的值送入到計數器2中作為其時間常數值N/50，計數器2也由固定時鐘脈沖計數，當回零時，便輸出一個倍頻后的脈沖F。若設15度中斷脈沖對應的周期為T，而固定脈沖的周期為t,則倍頻后脈沖的周期為Nt/50,且有Nt=T，則有TF＝T/50。可見輸出的脈沖通過此環節實現了50倍頻。 在數字頻壓轉化電路中，所用策略基于電機的常用測速方法：M/T測速法。在實際應用的過程中，M測速法較適合高速段，而T測速法較適合低速段，兩者相結合的這種方式即M/T法在數字測速中應用較為廣泛。其測速公式如下： 其中f[sub]0[/sub]表示時鐘脈沖的頻率，m[sub]1[/sub]表示倍頻后的位置脈沖個數，m[sub]2[/sub]表示同時時間周期下高頻時鐘脈沖個數，P表示倍頻后的電機旋轉一周的脈沖個數。 在上面的硬件電路中，8253上的計數器0和計數器1分別對m[sub]1[/sub]和m[sub]2[/sub]進行計數，D觸發器主要用來使m[sub]2[/sub]的計數與測速脈沖計數同步，由于8253為下降沿計數，所以使用反相器M，啟動測速和停止測速的信號由單片機80C51的P3.4口輸出，P3.1口用于復位脈沖的輸出。 其中8253是減法計數器，編程時，十六位的計數器的初始值置0000H，讀數后也置0000H，在一個測速的采用周期內，允許的最大測速脈沖和時鐘脈沖數應小于FFFFH。 數據處理后經DAC0832轉化輸出，應該注意為了得到實際中的模擬電壓，在互補的電流輸出端配合以I/V轉換器。 4.4 正反轉通電邏輯電路[1] 正反邏輯通電電路實際上是將位置信號轉化為四相通電信號，這里采用74LS14反相緩沖器配合兩片74LS09與門來實現，單片機其中兩個端口信號控制其正反轉邏輯的開通和切換，應特別注意信號的同步問題，保證轉換信號具有相似的時間延遲時間，確保后面信號可靠觸發。 [align=center] 圖6 正反邏輯控制電路[/align] 4.5 速度調節器的設計[2] 根據系統原理，頻/壓轉化過來的信號經過模擬速度調節器的處理，輸出控制信號送給PWM發生裝置，最后控制功率變換器件的邏輯順序。速度調節器以OP07為核心，采用PI算法，如圖8。R6可以調節速度給定，同時和Vout進行比較，R8、C4構成PI運算電路，其中參數可調，VD1為調節器輸出限幅鉗位二極管， PI路并聯的開關J是為了防止漂移輸出引起傳動系統誤動作而設置的，在零輸入條件下，往往出現漂移，引起系統的“爬行”，即在停車狀態下，開關J閉合，即PI調節器沒被投入，輸出為零；相反，工作狀態下，開關J處于打開狀態，PI調節器投入系統。 [align=center] 圖7 速度調節器[/align] 5 結論 本文針對2.2KW的小型開關磁阻電機設計了該數模混合控制系統，最高轉速為1500r/min,對抗干擾和動態響應要求不很高的情況，采用這種方式十分有效。由于控制系統的設計是基于一定簡化處理的SR電動機小信號線性化動態模型，自然與實際運行的SRD存在較大的差異，仍舊需要在參數，結構和功能上進一步優化。 該系統保持最大力矩啟動進入穩態后，調節 在7.5度左右， 在22.5度左右，系統運行穩定，速度保持平滑上升；減小 速度明顯速度降低，到一定程度會出現脈動；增大 的幅度大于 ，電機會明顯加速，到 為17.5度以上，由于前沿脈沖過窄，電機脈動十分明顯，所以在調節過程中，要求調節程度保持在一定的范圍內。本系統經測試運行穩定，設計簡單，可用于功率要求不高的應用場合。 參考文獻： [1] 胡崇岳.交流調速技術[M].機械工業出版社.1998.198頁-203頁 [2] 王宏華.開關型磁阻電動機調速控制技術[M].機械工業出版社. 1995.101頁-102頁 [3] 羅桂娥.模擬電子技術基礎[M].中南大學出版社.2005.203頁-205頁 [4] 李鐵才,杜坤梅編著.電機控制技術[M].哈爾濱工業大學出版社.2000.155頁-159頁 [5] 李仁定.電機的微機控制[M].機械工業出版社.1999.101頁-103頁 作者簡介：師爭光（1983－），男，陜西咸陽人，湖南中南大學信息科學與工程學院在讀碩士研究生，研究方向：控制理論與控制工程 我的聯系方式：13874886479