黃向慧,王永旺,程 勇

(西安科技大學(xué),西安710054)

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)作為一種新型的復(fù)雜機(jī)電一體化裝置,已經(jīng)成為交流電機(jī)和直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的強(qiáng)有力競爭者。它不僅具有交、直流驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點,而且成本低,結(jié)構(gòu)簡單,系統(tǒng)效率高,可靠性好且有較強(qiáng)的再生制動能力,即使在一相或兩相的情況下仍然可以進(jìn)行電動和制動運行。根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理可知,在電機(jī)相繞組電感的下降階段,導(dǎo)通開關(guān)管就會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩,從而使電機(jī)停下來;由于制動過程中電機(jī)按照反轉(zhuǎn)邏輯通電,如果轉(zhuǎn)速變?yōu)榱愫鬀]有及時關(guān)斷相應(yīng)的開關(guān)管,電機(jī)就可能會按相反的方向運行。為了避免這種情況的發(fā)生,在電機(jī)制動過程中,高速時可以先給三相繞組通電,使電機(jī)轉(zhuǎn)速快速降低,低速時給一相或兩相繞組通電,進(jìn)而使電機(jī)可靠無反轉(zhuǎn)地停下來。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)制動基本理論分析

根據(jù)能量平衡原理,忽略鐵耗有[3]:

式中:Wmec為輸入的機(jī)械能;Wm為磁場儲能;We為輸出的電能,且由于Wm=Wm(i,θ)和ψ=ψ(i,θ),則有:

進(jìn)一步計算得出:

式中:Tem為電磁轉(zhuǎn)矩為磁共能;i為相電流;θ為定轉(zhuǎn)子相對位置角;L為相電感。所以電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式:

開關(guān)磁阻電機(jī)電壓均衡方程:

式中:ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

上述方程可以寫成電流斜率的表達(dá)式,其中相電壓U取負(fù)值:

由圖1可以看出,由于電感位置不同,相電流波形可以歸納為以下5個階段:

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)制動相電流分析圖

(1)t1～t2階段:由于t1時刻對應(yīng)的電感值較大,所以相電流上升,產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩,吸收的能量一部分為繞組儲能,一部分為機(jī)械能輸出。

(2)t～t階段:在t時刻相電感達(dá)到最大2320,不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,相電流繼續(xù)上升。吸收的能量轉(zhuǎn)化成繞組儲能。

(3)t～t階段:在t時刻相電感開始下降3430,開始產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩,由于因此相電流上升,吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為繞組儲能。

(4)t4～t5階段:在t4時刻相電感繼續(xù)下降,產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。相電流這時要分開討論:若ω較大,將大于零,相電流繼續(xù)上升;若ω較小將小于零,相電流將沿曲線1快速下降。吸收的機(jī)械能回饋電能。

(5)t5～t6階段:在t5時刻相電感已經(jīng)降為最小,故不在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。相電流沿曲線2迅速下降,繞組儲能回饋電能。

綜上所述,電機(jī)制動時相電流表達(dá)式:

式中:θon為開通角;θoff為關(guān)斷角;θm為電流峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置角;θz為電流降為零對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置角;Lmax和Lmin分別為相繞組電感的最大值和最小值。所以,由一相電流充電引起的母線電壓升高量[2]:

由三相電流充電引起的母線電壓升高量:

2 開關(guān)磁阻電機(jī)制動無反轉(zhuǎn)控制策略

根據(jù)位置傳感器的信號輸出,三相電感變化與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系曲線如圖2所示[4]。其中,轉(zhuǎn)子有8個凸極,定子有12個凸極,轉(zhuǎn)子凸極18°,定子凸極15°,一個信號周期為45°,每轉(zhuǎn)24個步距,步進(jìn)角是15°。其中,LA,LB和LC為開關(guān)磁阻電機(jī)的三相電感變化曲線。

圖2 電感與位置信號關(guān)系曲線

由上一節(jié)的分析可知,要想在電機(jī)正轉(zhuǎn)時進(jìn)行正確的制動,就必須產(chǎn)生合理的制動轉(zhuǎn)矩,如果通電相的選取不合理,就會引起轉(zhuǎn)子運行的紊亂。具體的來說:現(xiàn)在假如開關(guān)磁阻電機(jī)按照101→001→011→010→110→100這樣的位置信號進(jìn)行高速電動運行,這時接收到制動的命令,由于轉(zhuǎn)速不會突變,轉(zhuǎn)向也就不會改變,為了得到合理的制動轉(zhuǎn)矩,需要進(jìn)行換相操作。為了充分建立勵磁電流,開通角提前7.5°,在電感下降中間位置關(guān)斷開關(guān)管。三相通電制動控制策略如表1所示。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低后,此時采用單相繞組通電或兩相繞組通電的制動策略。以單相繞組通電制動為例,即只給三相繞組的其中一相繞組通電,由于制動轉(zhuǎn)矩減小,電機(jī)就會慢慢停下來,從而避免了電機(jī)反轉(zhuǎn)的可能。只給A相繞組通電,開通角仍然提前7.5°,在A相電感下降的中間位置關(guān)斷,單相通電制動控制策略如表2所示。

在上述制動無反轉(zhuǎn)控制策略中,需要選擇一個合適的速度進(jìn)行三相和單相的制動切換。如果切換得太早,電機(jī)轉(zhuǎn)速沒有降下來,將可能達(dá)不到快速制動的效果;如果切換得太晚,電機(jī)轉(zhuǎn)速接近零時,單相繞組不能可靠制動,電機(jī)會有反轉(zhuǎn)的可能。所以制動切換的最佳時刻應(yīng)選在電機(jī)轉(zhuǎn)速為100～300 r/min范圍內(nèi),這樣單相繞組制動就會有充分的作用時間。

表1 三相通電制動控制策略

表2 單相通電制動控制策略

3 開關(guān)磁阻電機(jī)制動無反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計

本文以3 kW三相12/8開關(guān)磁阻電機(jī)為研究對象,給定電壓36 V,以DSPF28335為控制核心,以三相不對稱半橋為功率拓?fù)潆娐?驅(qū)動芯片采用EXB841芯片,選用6個IGBT作為開關(guān)器件。通過霍爾電流傳感器,將采樣電流信號經(jīng)濾波后傳給控制器。3個光電開關(guān)管依次每隔60°安裝在以轉(zhuǎn)子為軸心的圓弧上,遮光盤共有8個圓弧,均勻分布在圓盤外圍。磁粉制動器作為負(fù)載。系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖3 開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

開關(guān)磁阻電機(jī)功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。VT1～VT6為6個IGBT開關(guān)管,VD1～VD6為6個續(xù)流二極管,C為儲能吸收電容。VT7和R一起組成泄放回路,R為泄放電阻,當(dāng)電容C電壓超過一定值時,為了避免擊穿電容,此時將VT7打開,通過泄放電阻R將能量釋放。

圖4 開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換原理圖

軟件部分主要包括主程序和中斷服務(wù)程序,以CCSv6.0為軟件平臺,對TMS320F28335進(jìn)行C語言編程實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制[5-7]。系統(tǒng)上電后進(jìn)入主程序循環(huán),等待中斷服務(wù)程序到來。中斷服務(wù)程序主要包括定時器1中斷,捕獲中斷和外部中斷等。定時器1中斷主要完成電流環(huán)控制、轉(zhuǎn)速環(huán)控制和換相控制等。捕獲中斷主要完成位置信號更新和實時速度更新。圖5為主程序流程圖,圖6為定時器1中斷程序流程圖。

圖5 主程序流程圖

圖6 定時器1中斷程序流程圖

4 實驗驗證

實驗波形均在電機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min時制動測出。通過LM331頻壓轉(zhuǎn)換芯片,把轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為正比的電壓信號,進(jìn)而觀測轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況。從圖7、圖8和圖9的橫向縱向?qū)Ρ瓤砂l(fā)現(xiàn),只用三相制動的時間約為1.68 s,而用三相結(jié)合單相制動的時間約為2.4 s,而只采用單相制動的時間約為3.22 s。從圖10、圖11和圖12的橫向縱向?qū)Ρ瓤砂l(fā)現(xiàn),三相制動時制動時間短,沖擊電流大,產(chǎn)生較大的制動轉(zhuǎn)矩,較大的電流回饋母線,引起母線電壓泵升尖峰,電機(jī)迅速停下來,并且母線電壓有一段繼續(xù)下降的過程,電機(jī)有反轉(zhuǎn)傾向。三相結(jié)合單相制動時母線電壓上升明顯,制動電流全部通過續(xù)流二極管回饋到直流母線,電機(jī)無反轉(zhuǎn)逐漸停下來。單相制動時因為只有一相充電電流,母線電壓上升但沒有前兩種情況那么高,電機(jī)無反轉(zhuǎn)逐漸停下來。

圖7 三相制動轉(zhuǎn)速波形(截圖)

圖8 三相單相制動轉(zhuǎn)速波形(截圖)

圖9 單相制動轉(zhuǎn)速波形(截圖)

圖10 三相制動母線電壓回升情況(截圖)

圖11 三相單相制動母線電壓回升情況(截圖)

圖12 單相制動母線電壓回升情況(截圖)

綜合以上數(shù)據(jù)分析可知,采用三相結(jié)合單相的制動控制策略不僅能夠較好地滿足電機(jī)快速制動的要求,而且制動時電機(jī)在速度過零也不會反轉(zhuǎn)。

5 結(jié) 語

本文對開關(guān)磁阻電機(jī)的制動過程進(jìn)行了分析,討論了先三相制動后單相制動的綜合制動策略,通過搭建實驗平臺及編寫程序,驗證了開關(guān)磁阻電機(jī)三相結(jié)合單相制動策略的可行性。三相結(jié)合單相制動的控制策略首先給三相繞組通電,使電機(jī)快速減速,然后給一相繞組通電,通過一相制動的方式可以有效避免電機(jī)停止后反轉(zhuǎn)的問題。

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