直線開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 宣

(中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇徐州 221008)

0 引言

在全球能源日益短缺、人類呼喚“綠色”浪潮日趨高漲的今天，世界能源專家們?yōu)榱颂綄と祟愇磥淼睦硐胄履茉?，將研究的觸角伸向廣闊的海洋。充分利用海洋潮汐發(fā)電，已成為人類理想的新能源之一。

直線開關(guān)磁阻電機(jī)(Linear Switched Reluctance Motor，LSRM)是由傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)演變而來的一種新型直線電機(jī)［1-4］。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，具有成本低、工作可靠、控制靈活、運(yùn)行效率高、容錯(cuò)能力強(qiáng)等特性，在某些特殊領(lǐng)域有一定的應(yīng)用優(yōu)越性。SRM是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)，其控制非常靈活，很容易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。LSRM應(yīng)用于海洋潮汐發(fā)電，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比省去了旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)的裝置，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率，有著很好的應(yīng)用前景。本文結(jié)合已有的三相6/4結(jié)構(gòu)LSRM，設(shè)計(jì)了LSRM發(fā)電控制系統(tǒng)，用以模擬LSRM在海洋潮汐發(fā)電的應(yīng)用研究。

Intel 196單片機(jī)［5］作為電機(jī)數(shù)字控制芯片，其高速輸入、輸出口在位置信號(hào)捕獲和控制各相繞組的開通關(guān)斷上有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，本文選用了Intel 80C196KB單片機(jī)作為主控芯片，捕獲位置信號(hào)和控制各相通斷，選用STC12C5A60S2作為輔助芯片輸出脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)，并控制液晶顯示和鍵盤，兩者通過串口通信協(xié)同工作。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的直接位置檢測(cè)器進(jìn)行位置判斷，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)的裝置，用直流電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)通過轉(zhuǎn)換裝置拖動(dòng)LSRM作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了系統(tǒng)的發(fā)電運(yùn)行特性。

1 LSRM結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介

從結(jié)構(gòu)上看，LSRM與SRM相比，它相當(dāng)于沿SRM圓周方向，將旋轉(zhuǎn)的定、轉(zhuǎn)子展開，通電的部分為L(zhǎng)SRM初級(jí)，不通電的部分為L(zhǎng)SRM次級(jí)。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，可以選擇動(dòng)初級(jí)或動(dòng)次級(jí)結(jié)構(gòu)。由于制造工藝方面的限制，LSRM初級(jí)、次級(jí)之間的氣隙一般遠(yuǎn)比SRM定、轉(zhuǎn)子間的氣隙大。為降低系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，LSRM一般把相繞組固定在初級(jí)上，初級(jí)有一個(gè)電動(dòng)機(jī)單元，次級(jí)有數(shù)個(gè)單元，其中初級(jí)齒距小于次級(jí)齒距。

LSRM的運(yùn)行原理［6-10］跟旋轉(zhuǎn)SRM相似，遵循“磁阻最小原理”，即磁力線具有力圖縮短磁通路徑以減少磁阻增大磁導(dǎo)的本性，從而使電動(dòng)機(jī)初、次級(jí)之間產(chǎn)生一種使磁通路徑最短的電磁力，拖著初級(jí)到達(dá)該磁通對(duì)應(yīng)的磁阻最小的位置。隨著各相的順序?qū)?，直線電機(jī)將作連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

LSRM是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能和電能之間直接轉(zhuǎn)換的裝置，無需任何中間轉(zhuǎn)換或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其兼有直線電機(jī)和SRM的優(yōu)點(diǎn)。LSRM的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，系統(tǒng)造價(jià)低，性能優(yōu)越，具有較大加速度，勻速運(yùn)行穩(wěn)定性高。此外，通過對(duì)LSRM各相繞組的交替通電組合控制，可以產(chǎn)生反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力和反應(yīng)制動(dòng)力;改變這種交－直－交供電系統(tǒng)的整流電壓，可以調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行的速度和驅(qū)動(dòng)力。因此LSRM具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，有著較好的發(fā)展前景。該系統(tǒng)選用的電機(jī)是三相6/4結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中每相有兩個(gè)線圈(兩線圈反向串聯(lián))，次級(jí)為整塊式鐵心導(dǎo)軌，其長(zhǎng)度大于初級(jí)鐵心長(zhǎng)度。該電機(jī)是短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)、定初級(jí)動(dòng)次級(jí)結(jié)構(gòu)，次級(jí)沿導(dǎo)軌滑動(dòng)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由LSRM、功率變換器、控制器、檢測(cè)單元和原動(dòng)機(jī)四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 功率變換器設(shè)計(jì)

圖1 LSRM結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 LSRD系統(tǒng)構(gòu)成框圖

功率變換器主電路［11］為三相不對(duì)稱半橋型，電路如圖3所示。其中S1～S6為主開關(guān)管，采用IGBT管;VD1～VD6為續(xù)流二級(jí)管，采用快速恢復(fù)大功率二級(jí)管。以A相為例，當(dāng)勵(lì)磁時(shí)，主開關(guān)管S1、S2閉合，電池提供能量，勵(lì)磁電流Is從電池正級(jí)出發(fā)，經(jīng)過主開關(guān)管S1，流經(jīng)相繞組，再經(jīng)過主開關(guān)管S2，回到電池負(fù)極;當(dāng)電流建立以后，主開關(guān)管S1、S2斷開，進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，繞組中電流IL經(jīng)過續(xù)流二極管VD1、VD2流向負(fù)載，為負(fù)載提供電能。

圖3 三相不對(duì)稱半橋型功率變換器主電路

2.2 新型位置檢測(cè)器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的直線電機(jī)位置檢測(cè)器，是在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的光電式轉(zhuǎn)子位置傳感器基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)性改變，即將旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝于轉(zhuǎn)子的圓形齒盤沿圓周展開，成為直線形齒條，并將其放置于電機(jī)次級(jí)邊，同時(shí)將光電傳感器固定在初級(jí)上，通過它們間的遮光與透光實(shí)現(xiàn)檢測(cè)初級(jí)位置的目的。但是，傳統(tǒng)的光電傳感器容易發(fā)生物理損壞，而且附加在次級(jí)上的齒條隨次級(jí)長(zhǎng)度的增加會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜性增加。

由圖1可看出，LSRM具有雙凸極的特殊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)決定了其各相電感值隨初級(jí)與次級(jí)間相對(duì)位置的變化而變化。當(dāng)初級(jí)齒與次級(jí)槽相對(duì)時(shí)，電感值最小;當(dāng)初級(jí)齒與次級(jí)齒正對(duì)齊時(shí)，電感值最大;在兩個(gè)位置間電感值連續(xù)變化。因此，若在LSRM初級(jí)邊安裝檢測(cè)器，檢測(cè)次級(jí)邊齒、槽的位置，得到與各相電感上升、下降的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合在電感上升區(qū)給該相繞組通電，產(chǎn)生正向電動(dòng)牽引力，在電感下降區(qū)通電則產(chǎn)生制動(dòng)牽引力的原則，可決定當(dāng)前導(dǎo)通相和換相位置，從而控制電機(jī)的運(yùn)行。因此，這種基于凸極結(jié)構(gòu)的換相位置檢測(cè)方法只需在初級(jí)邊安裝位置檢測(cè)器，而在次級(jí)邊則無需安裝任何物理器件。

該試驗(yàn)系統(tǒng)中的位置檢測(cè)器采用立方體型電感式金屬直流三線式NPN型接近開關(guān)，型號(hào)為TL－Q5MC1，電感式接近開關(guān)是一種晶體管無觸點(diǎn)行程開關(guān)，由振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路組成。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以致停振。振蕩器振蕩及停止的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，準(zhǔn)確反映出運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置和行程，從而達(dá)到非接觸式檢測(cè)目的。

該試驗(yàn)樣機(jī)采用的是定初級(jí)、動(dòng)次級(jí)的運(yùn)行模式，將位置傳感器安裝在初級(jí)側(cè)，使其端部檢測(cè)面與次級(jí)凸極平面的距離保持在檢測(cè)器可行的檢測(cè)范圍內(nèi)，如圖4所示。次級(jí)的凸極與檢測(cè)器相對(duì)時(shí)，檢測(cè)器輸出低電平，將信號(hào)“0”傳遞給控制器;反之，將輸出高電平，將信號(hào)“1”傳遞給控制器。根據(jù)在電感上升區(qū)通電產(chǎn)生電動(dòng)力，下降區(qū)通電產(chǎn)生制動(dòng)力的原則，將檢測(cè)器輸出的高低電平采用一定的算法，變換為相應(yīng)的換相位置參考信號(hào)來控制電機(jī)運(yùn)行。

根據(jù)樣機(jī)的實(shí)際情況，將3個(gè)位置傳感器裝在初級(jí)側(cè)，如圖4所示，K1，K2，K3分別對(duì)應(yīng)于A，B，C三相，電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，位置檢測(cè)單元獲得3路方波信號(hào)，通過電平轉(zhuǎn)換，輸入單片機(jī)的3個(gè)高速輸入口及3個(gè)I/O口。三路信號(hào)組合成6種不同的狀態(tài)(100，101，001，011，010，110)，分別代表電機(jī)三相繞組的不同參考位置。

圖4 位置傳感器安裝示意圖

位置檢測(cè)器接口電路將傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)CD40106施密特觸發(fā)器整形后，再經(jīng)過高速隔離光耦6N137進(jìn)行隔離和電平轉(zhuǎn)換后連接到信號(hào)處理電路，以提高系統(tǒng)的抗干擾性。信號(hào)處理電路對(duì)信號(hào)的處理分兩路:一路送單片機(jī)的I/O口判斷導(dǎo)通邏輯，同時(shí)另一路送單片機(jī)的高速輸入口 HIS.0，HIS.1，HIS.2，用于計(jì)算電機(jī)速度并作為計(jì)算位置的參考。

2.3 控制器設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)控制器選用了Intel 80C196KB和STC12C5A60S2單片機(jī)相互配合作為控制核心，前者主要利用其高速輸入、輸出口作為電機(jī)位置信號(hào)的捕獲和開關(guān)信號(hào)輸出，后者主要用來產(chǎn)生PWM，以及實(shí)現(xiàn)一些控制算法、控制液晶顯示和鍵盤等。系統(tǒng)控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制器硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

為了模擬海洋波浪或潮汐發(fā)電，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)拖動(dòng)LSRM發(fā)電機(jī)組。

旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)通過減速箱減速后通過連桿裝置拖動(dòng)LSRM次級(jí)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而模擬海洋潮汐發(fā)電。

3 軟件設(shè)計(jì)

LSRM數(shù)字控制系統(tǒng)軟件以系統(tǒng)硬件為基礎(chǔ)，通過對(duì)電動(dòng)機(jī)位置信息的檢測(cè)、判斷，根據(jù)系統(tǒng)工況要求控制功率變換器主開關(guān)的開通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)各種控制策略，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到要求的運(yùn)行狀態(tài)。主程序主要完成以下功能:80C196KB和STC12C5A60S2單片機(jī)及外圍接口芯片初始化，設(shè)置控制參數(shù)的初始值、查詢運(yùn)行狀態(tài)、信息顯示、等待外部中斷等。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用電壓PWM斬波控制方式控制電機(jī)的運(yùn)行，本文旨在驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，因此固定占空比，勻速運(yùn)行拖動(dòng)LSRM發(fā)電。圖6給出了電機(jī)發(fā)電時(shí)的實(shí)測(cè)波形，其中圖6(a)為A相電流Ia、輸出電壓Uo和輸出電流Io波形，輸出電壓未經(jīng)電容濾波，負(fù)載為阻性。圖6(b)為電機(jī)發(fā)電時(shí)的A相電流Ia'、輸出電壓Uo'和輸出電流Io'波形，輸出電壓經(jīng)電容濾波，負(fù)載為阻性。

圖6 發(fā)電實(shí)測(cè)波形

由圖6的發(fā)電波形可以看出，在所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和位置檢測(cè)基礎(chǔ)上可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行，圖6(b)和6(a)相比，輸出電壓經(jīng)電容濾波后脈動(dòng)明顯減小。

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所介紹的LSRM控制系統(tǒng)和所采用的新型位置傳感器的有效性和可行性，方便地實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行。

5 結(jié)語

論文通過分析LSRM的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，針對(duì)傳統(tǒng)的光電傳感器所存在的問題，提出了一種新型的位置檢測(cè)技術(shù)，提高了檢測(cè)單元的可靠性。發(fā)電機(jī)組采用旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)通過連桿裝置拖動(dòng)LSRM次級(jí)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的LSRM控制系統(tǒng)，充分利用96單片機(jī)和STC單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，兩者協(xié)同工作，提高了系統(tǒng)的控制性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)組和控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)LSRM的發(fā)電運(yùn)行控制，通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以方便地模擬海洋潮汐發(fā)電。

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