开关磁阻电机的电流斩波控制策略研究 .pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.46M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 开关磁阻电机的电流斩波控制策略研究姜宏宇 1，王学敏 2，贵献国 1** （1. 哈尔滨工业大学电气工程学院，哈尔滨 150001； 2. 本溪九星印刷包装有限公司，本溪 117000） 5 摘要：为了研究开关磁阻电机的电流斩波控制策略，本文分析了开关磁阻电机的数学模型，研究了不同开通角和关断角的选择对调速性能的影响，在电机实验平台上完成了基于电流斩波控制的电机调速实验，证明了电流斩波控制的有效性和优势。关键词：电力电子与电力传动；开关磁阻电机；电流斩波控制；开通角；关断角中图分类号：TM352 10 Research on the Chopped Current Control of Switched 15 20 25 30 Reluctance Motor Jiang Hong-yu1, Wang Xue-min2, Gui Xian-guo1 (1. Electrical Engineering School,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001; 2. Nine Star Printing and Packaging Co.,Ltd.,Benxi 117000) Abstract: In order to research the chopped current control of switched reluctance motor, the mathematical model of switched reluctance motor is analyzed and the influence of different turn-on angles and turn-off angles for the speed controlling performance is studied. The speed regulation experiment is accomplished on the motor experimental platform, which proves the effectiveness and the advantages of chopped current control. Key words: Power Electronics and Electrical Drives;switched reluctance motor; chopped current control; turn-on angle; turn-off angle 0 引言开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）是一种定、转子双凸极结构的电机，具有结构简单、成本低、运行可靠性高、对恶劣环境耐受力强、起动性能优良、运行效率高等优势，在家用电器方面得到很好的应用，并成为家用空调的最优选择方案之一[1]。近年来，随着各大空调企业将目光聚焦到机型高能效化，永磁类变频空调的供应量迅速上升。随着近年来稀土价格的上升，永磁体的价格也随之升高，从而提高了变频空调的生产成本。相比之下，SRM 不含永磁体，价格低廉，结合其优良的调速性能，具有良好的应用前景。 SRM 的电流斩波控制策略[2-6]（Chopped Current Control，CCC），相比于传统的角度位置控制和电压 PWM 控制，能够稳定的控制电流，实现电机的恒转矩运行，从而达到对转速的精确控制，适用于空调压缩机的工作需求。而且电机在起动阶段反电动势较小，电流上升速度快，CCC 能够很好的起到限制起动电流峰值的作用[7-9]。作者简介：姜宏宇（1993-），男，硕士研究生，主要研究方向：开关磁阻电机的驱动控制、开关磁阻电机起动发电机的控制技术通信联系人：贵献国（1972-），男，副教授、硕导，主要研究方向：直线电机，无槽电机，高速永磁电机，永磁交流伺服系统，大功率变频磁集成技术，特种电机，永磁电机控制，集成电抗器. E-mail: xianggui@hit.edu.cn - 1 -

35 40 45 50 55 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 本文以一台三相 6/4 级的 675W 开关磁阻电机为控制对象，采用 CCC 完成对电机的精准调速控制，并研究了不同开通角和关断角的选取对调速系统的影响，最后通过实验验证了所设计调速系统的性能。 1 SRM 数学模型由于定、转子的双凸极结构，SRM 内部存在磁场饱和的现象。因此，在分析 SRM 内部参数的特点和关系时，可忽略相电流对绕组相电感的影响和极间的磁通边缘损耗，建立 SRM 的线性化数学模型。以单相绕组为例，相电感随转子位置角的变化如图 1 所示，图中，βs 为定子极弧角，βr 为转子极弧角，τr 为转子极距，横坐标 θ 为转子位置角。定子转子 βs βr 后沿前沿 L Lmax Lmin θ1 τr 旋转方向 L(θ) θ4 θ3 θ2 θ5 0 图 1 线性模型中电感变化图 Fig. 1 Waveforms of inductance 90 θ θ1，θ5 表示转子后沿与定子前沿重合位置，θ2 表示转子前沿与定子后沿重合位置，θ3 表示定、转子前沿重合位置，θ4 表示定、转子后沿重合位置。θ=0 时，转子槽轴线与定子凸极轴线重合，L=Lmin；θ=（θ3+θ4）/2 时，定、转子凸极轴线重合，L=Lmax。在 θ2，θ3 之间，电感随转子位置角线性增大，在 θ4，θ5 之间，电感随转子位置角线性减小。因此，电感解析式可表示为 ( ) θ = L        ( K − θ θ 2 L max − K ( + ) L min L min L max − θ θ 4 ) , , , , θ θ θ 1 2 θ θ θ 2 3 θ θ θ 3 4 θ θ θ 4 5 ≤ < ≤ < ≤ < ≤ < 式中，K=（Lmax-Lmin）/（θ3-θ2）=（Lmax-Lmin）/βs。磁链、磁共能 W’以及瞬时电磁转矩表达式如下， ( ) ) ( ψ θ θ= i ( ) ) ( =  θ ψ θ i W i 0 ∂ '| W θ = ∂ i const T e di L ,i i , ' , = (1) (2) (3) (4) 由式（2-2）、式（2-3）和式（2-4）可得瞬时电磁转矩 T 的表达式为 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ( i , ) θ = T 0, 2 Ki , 0, 2 Ki ,       −  1 2 1 2 ≤ < θ θ θ 1 2 ≤ < θ θ θ 2 3 θ θ θ 3 4 ≤ < ≤ < θ θ θ 4 5 (5) 60 65 70 由式（2-5）可知，只有在电感上升区间（θ2，θ3 之间）和下降区间（θ4，θ5 之间），绕组中的电流才会产生电磁转矩，且电磁转矩的方向与电感的变化方向相同，同时，电磁转矩与电流的平方成正比。 2 电流斩波控制方式 CCC 常用于对低速运行的 SRM 的控制，它能够很好的限制电流和磁链峰值，保持电机恒转矩的输出特性。CCC 要求固定开通角 θon 和关断角 θoff，并利用主开关器件的多次通断将电流限制在斩波上限值和下限值之间，以此控制转矩。典型的 CCC 的电流波形图如图 2 所示。当转子位置角 θ=θon 时，开关器件导通，相电流 i 上升，至斩波上限值 imax 时，开关器件关断，i 开始下降，至 i 低于斩波下限值 imin 时，开关器件导通，i 重新上升，即完成了一次斩波。这样反复斩波，将 i 限制在 imax 和 imin 之间，直至 θ=θoff 时，开关器件关断，i 下降至零，完成对该相本次转子位置周期的控制，等待下一周期 θon 的到来。 i imax imin L(θ) θon θoff 图 2 CCC 电流曲线 Fig. 2 Waveforms of current in CCC θ CCC 简单直接，它的电流波形为较宽的平顶波，输出转矩比较稳定，而且可以对电流 75 峰值进行限制，故适用于电机的低速运行阶段和起动阶段。 CCC 需要提前设置合理的 θon 和 θoff，结合前部分对电磁转矩的讨论，为使 L 上升区间有充足的 i 提供电磁转矩，因此 θon 适合选在电感较低区域，且为了防止 i 延伸到 L 下降区域，产生制动转矩，因此 θoff 适合选在 L 上升末期的 L 较大区域。下面将对不同开通角和关断角的选取对系统的影响进行研究。 80 3 仿真分析本文基于 MATLAB/Simulink 完成了 SRM 调速系统的搭建。调速系统框图如图 3。系统是以转速环为外环，电流环为内环的双闭环结构。以固定转速作为系统给定，将转速环的差 - 3 -

85 90 95 100 中国科技论文在线值输入 PI 控制器，求得电流斩波上、下限值，经电流斩波模块，结合相电流反馈，获得斩波信号，在换相导通模块中，利用设定好的 θon 和 θoff，结合转子位置角，获得换相信号，利用斩波信号与换相信号的与信号，控制开关器件，完成对 SRM 的转速电流双闭环控制。调速系统中电机模型参数如表 1 所示。 http://www.paper.edu.cn 实际转速给定转速 +- 实际转速电流斩波限转速环 PI 电流斩波模块斩波信号不对称半桥逆变电路 SRM 相电流转子位置角换相信号换相模块图 3 仿真模型框图 Fig. 3 Block diagram of simulation model 表 1 电机模型参数 Tab. 1 Parameters of the motor model 电机参数定子电阻转动惯量摩擦系数未对齐电感对齐电感饱和对齐电感最大电流最大磁链数值 0.5Ω 0.0005kg·m2 0.003N·m·s 2.1mH 19.2mH 1.5mH 20A 0.25Wb 仿真模型参数如下：直流母线电压 310V，转速为 1500r/min，斩波电流峰值为 10A，PI 参数 P 为 2，I 为 0.2。下面分别选取 3 组不同的开通角和关断角数值，如表 2 所示。表 2 选取的开通角和关断角 Tab. 2 Turn-on angle and turn-off angle 组别开通角关断角 1 2 3 0° 0° 5° 50° 45° 45° 分别给出三组的转速、电磁转矩、三相电流波形图，如图 4 至 6。图 4 中，a、b、c 三图的转速分别在 0.037s，0.033s，0.035s 达到给定的 1500r/min。显然，θon=0°，θoff=45°时，调速系统的响应速度更快，平均转矩更高。在图 5，6 中，第一组由于 θoff 推迟了 5°，相电流延伸到电感下降区，产生明显的负向转矩，使 θ=45°-50°区间输出电磁转矩下降，不利用电机的正向加速。而第三组由于 θon 推迟了 5°，励磁电流建立时间推迟，没能完整利用电感上升区，使 θ=0°-5°输出正向转矩下降，同时造成整体转矩波动变大，电机加速变慢，且平稳性变差。 105 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ) n i m / r ( / n m * N / e T A / i t/s (a) t/s (b) t/s (c) 图 4 转速波形（a 中，θon=0，θoff=50；b 中，θon=0，θoff=45；c 中，θon=5，θoff=45） Fig. 4 Speed waveform(a, θon=0, θoff=50;b, θon=0, θoff=45;c, θon=5, θoff=45) t/s (a) t/s (b) t/s (c) 图 5 转矩波形（a 中，θon=0，θoff=50；b 中，θon=0，θoff=45；c 中，θon=5，θoff=45） Fig. 5 Torque waveform(a, θon=0, θoff=50;b, θon=0, θoff=45;c, θon=5, θoff=45) t/s (a) t/s (b) t/s (c) 图 6 三相电流波形（a 中，θon=0，θoff=50；b 中，θon=0，θoff=45；c 中，θon=5，θoff=45） Fig. 6 Current waveform of three pahses (a, θon=0, θoff=50;b, θon=0, θoff=45;c, θon=5, θoff=45) 通过以上仿真和分析，可以得出，在选取 SRM 的 θon 和 θoff 时，应充分利用电感上升区间，防止电流延伸至电感下降区间，这样既能使平均转矩增大，又能减少转矩的波动，使加速平稳。下面在给定转速为 1500r/min 时，进行起动和负载突变仿真。仿真中，θon=0°，θoff =45°， PI 参数 P 为 0.6，I 为 240，负载转矩 0.2N·m，其余参数不变。图 7，8 分别为转速波形，三相电流波形。转速在 0.033s 达到稳定，超调量为 2r/min，稳态波动为 0.5r/min。起动速度快，在 0.02s 的时间内，对应最大 10A 的斩波电流，转速平稳上升至 1400r/min。电流在转速上升期间保持在 9.5A-10.5A 之间斩波，转速稳定后保持在 1A-2A 之间，以维持转速。 110 115 120 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 125 ) n i m / r ( / n A / i t/s 图 7 起动过程转速波形 Fig. 7 Speed waveform t/s 图 8 起动过程三相电流波形 Fig. 8 Current waveform of three pahses 130 保持其他参数不变，在 0.04s 时，将转矩增加一倍，至 0.4N·m。图 9，10 分别为转速波形，三相电流波形。转速在 0.04s 时下降 1r/min，在突加负载后 1ms 开始上升，再经过 5ms 的时间，重新恢复到 1500r/min，并保持稳定，稳态波动增大为 0.65r/min。 135 ) n i m / r ( / n A / i t/s 图 9 负载突变过程转速波形 Fig. 9 Speed waveform while load changing t/s 图 10 负载突变过程三相电流波形 Fig. 10 Current waveform of three pahses while load changing 140 经过以上的起动和负载突变仿真，可知控制模型的起动速度快，可达到 0.01s 上升 700r/min 的起动速度，超调量小，纹波小，稳态调节时间短，为 0.011s，突加负载时，转速响应迅速，仅用时 1ms 就开始恢复，并迅速达到稳定，稳态波动稍有增大。证明 CCC 能够 - 6 -

中国科技论文在线很好的起到控制 SRM 的作用。 4 实验验证 http://www.paper.edu.cn 依据前部仿真中的控制思路，搭建了一套 700W 的 SRM 调速平台，其中，利用光电编码器进行转子位置检测，利用霍尔电流传感器测量相电流，功率变换器选择不对称半桥式电路，并以 DSP 作为控制器的核心，选用三相 6/4 极开关磁阻电机，参数如表 3 所示。电机调速实验平台框图如图 11。交流220V 电源整流桥 PC 不对称半桥逆变电路隔离驱动信号 DSP及外围控制电路图 11 调速实验平台框图 SRM 电流和位置检测模块 Fig. 11 Block diagram of the experiment platform 表 3 电机参数 Tab. 3 parameters of motor 145 150 电机参数电机相数定子极数转子极数额定输入电压第一额定工作点第二额定工作点第三额定工作点额定功率额定转矩数值大小 3 6 4 220VAC 3600r/min 4800r/min 6000r/min 675W 1.9N·m 155 调速实验以 1500r/min 为给定转速，负载为空载进行。图 12，13 分别为转速波形和 a 相开关信号和相电流波形。转速经过 0.4s 上升至 1500r/min，产生了 70r/min 超调，再经过 1.6s 达到稳定。开关信号对相电流控制作用明显，由于是空载运行，故速度稳定后所需电流较小。因此，CCC 能很好的控制相电流，对转速控制精确。 - 7 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1500 1125 ) n i m / r ( / n 750 375 0 0 V / u A / i 4 2 0 1 0.5 0 2 4 t/s 6 8 10 图 12 转速波形 Fig. 12 Speed waveform 0 10 20 t/ms 30 图 13 开关信号和电流波形 Fig. 13 Switching signal and current waveform 40 5 结论本文针对 SRM 在低速阶段的调速控制，采用了 CCC 方式，分析了电机的数学模型和 CCC 的控制原理。在仿真实验中研究了不同的 θon 和 θoff 对电机调速效果的影响，并得出结论，在选取 SRM 的 θon 和 θoff 时，应充分利用电感上升区间，防止电流延伸至电感下降区间，才能增大平均转矩，并减少转矩波动。通过仿真模型证明了 CCC 的合理性，有效性以及起动速度快，超调量小，稳态调节时间短，动态响应快等优点。搭建了电机调速实验平台，完成 CCC 对 SRM 转速的精确控制。 [参考文献] (References) [1] 俞枭辰.开关磁阻电动机调速系统的仿真与开发研究[D].杭州：杭州电子科技大学,2014. [2] 金英.3KW 开关磁阻电动机调速系统设计[D].浙江：浙江大学,2005. [3] 周春.基于 DSP 的开关磁阻电机调速系统实验平台设计[D].浙江：浙江大学,2004. [4] 李声晋,励庆孚,卢刚,刘荡波.开关磁阻起动/发电机功率变换器拓扑[J].电力电子技术，2001，2(01)： 38-40+44. [5] 严加根.航空高压直流开关磁阻起动/发电机系统的研究[D].南京：南京航空航天大学,2006. [6] 郑洪涛.开关磁阻电动机驱动系统建模及其控制策略研究[D].浙江：浙江大学,2003. [7] 崔建锋,黄文力,孙标.基于 DSP 的开关磁阻电机调速系统设计[J].电力电子技术，2010，44(10)：75-77. [8] 邓宇轩.四相 8/6 极开关磁阻电机调速系统的设计与研究[D].杭州：杭州电子科技大学,2013. [9] 邓智泉,蔡骏.开关磁阻电机无位置传感器技术的研究现状和发展趋势[J].南京航空航天大学学报，2012， 44(05)：611-620. - 8 - 160 165 170 175 180 185

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