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開關磁阻電機的原理以及控制系統

開關磁阻電機的原理以及控制系統

發布日期:2015-02-03 00:00 來源: 點擊:

  開關磁阻電機80年代初隨著電力電子、微電腦和控制理論的迅速發展而發展起來的一種新型調速驅動系統,具有結構簡單、運行可靠、成本低、效率高等突出優點。目前已成爲交流電機調速系統、直流電機調速系統、無刷直流電機調速系統的強有力的競爭者。

一、開關磁阻電機的工作原理

  開關磁阻電機的工作原理遵循磁磁阻最小原理,即磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合。因此,它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以開關磁阻電動機采用凸極定子和凸極轉子的雙凸極結構,並且定轉子極數不同。

  開關磁阻電機的定子和转子都是凸极式齿槽结构。定、转子铁芯均由硅钢片冲成一定形状的齿槽,然后叠压而成,其定、转子冲片的结构如圖1所示。

開關磁阻電機示例图.jpg

圖1:開關磁阻電機定子及转子结构图

  圖1所示为12/8极三相開關磁阻電動機,S1. S2是电子开关,VD1, VD2是二极管, 是直流电源。

  電機定子和轉子呈凸極形狀,極數互不相等,轉子由疊片構成,定子繞組可根據需要采用串聯、並聯或串並聯結合的形式在相應的極上得到徑向磁場,轉子帶有位置檢測器以提供轉子位置信號,使定子繞組按一定的順序通斷,保持電機的連續運行。電機磁阻隨著轉子磁極與定子磁極的中心線對准或錯開而變化,因爲電感與磁阻成反比,當轉子磁極在定子磁極中心線位置時,相繞組電感最大,當轉子極間中心線對准定子磁極中心線時,相繞組電感最小。

  当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线O1不重合时,开关S1, S2合上,A相绕组通电,电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场,磁通通过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的,此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导,因此,转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用,使转子逆时针方向转动,转子磁极的轴线O1向定子A相磁极轴线OA趋近。当OA和O1轴线重合时,转子己达到平衡位置,即当A相定、转子极对极时,切向磁拉力消失。此时打开A相开关S1, S2,合上B相开关,即在A相断电的同时B相通电,建立以B相定子磁极为轴线的磁场,电动机内磁场沿顺时针方向转过300,转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15°。依此类推,定子绕组A-B-C三相轮流通电一次,转子逆时针转动了一个转子极距Tr(T.=2π/N,),对于三相12/8极開關磁阻電機,T=3600/8=45°,定子磁極産生的磁場軸線則順時針移動了3×30°=90°空間角。可見,連續不斷地按A-B-C-A的順序分別給定子各相繞組通電,電動機內磁場軸線沿A-B-C-A的方向不斷移動,轉子沿A-C-B-A的方向逆時針旋轉。如果按A-C-B-A的順序給定子各相繞組輪流通電,則磁場沿著A-C-B-A的方向轉動,轉子則沿著與之相反的A-B-C-A方向順時針旋轉。

二、開關磁阻電機的控制原理

  传统的PID控制一方面参数的整定没有实现自动化,另一方面这种控制必须精确地确定对象模型。而開關磁阻電動機( SRM) 得不到精确的数学模型, 控制参数变化和非线性, 使得固定参数的 PID 控制不能使開關磁阻電動機控制系统在各种工况下保持设计时的性能指标。

  模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器,其优点是不需要掌握受控对象的精确数学模型,而根据人工控制规则组织控制决策表,然后由该表决定控制量的大小。因此采用模糊控制, 对開關磁阻電動機(SRM)进行控制是改善系统性能的一种途径。但在实践中发现, 常规模糊控制器的设计存在一些不足, 如控制表中数据有跳跃, 平滑性较差, 这对控制效果有影响。

  模糊控制和 PID控制两者结合起来, 扬长补短,将是一个优秀的控制策略。

  其理由是:

  第一,由线性控制理论可知, 积分控制作用能消除稳态误差, 但动态响应慢, 比例控制作用动态响应快, 而比例积分控制既能获得较高的稳态精度, 又能具有较高的动态响应。因此, 把 PI 控制策略引入Fuzzy控制器, 构成 Fuzzy- PI 复合控制, 是改善模糊控制器稳态性能的一种途径。

  第二,增加模糊量化论域是提高模糊控制器稳态精度的最直接的方法, 但这种方法要增大模糊推理的计算量, 况且量化论域的增加也不是无止境的。

  采用模糊+ PI控制的開關磁阻電機调速系统框图如图 2所示。

图2.jpg

图2:開關磁阻電機调速系统框图

  1、隶属函数与控制规则的确定  考虑到电机转速偏差范围大及高精度的特点, 将偏差变量、 偏差变化率及控制量的论域界均定为17个等级。

  {-8,-7,-6, -5,-4,-3, -2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8}

  將偏差變量、偏差變化率及控制量的模糊語言值均分爲九檔

  {負大,負中,負小,負很小,零,正很小,正小,正中,正大}

  {NB, NM, NS, NVS, ZO, PVS,PS,PM,PB}

  偏差變量、偏差變化率及控制量的模糊子集的隸屬函數的形狀均選爲三角形如圖3所示。

图3.jpg

圖3:均勻分布隸屬函數圖

  模糊控制器的控制規則是基于專家或操作者的經驗得出,控制規則的生成方法有很多。本文借鑒常規模糊控制器設計經驗並根據系統階躍信號的響應確定模糊控制規則表如表1所示:

图4.jpg

表1:改進的模糊控制規則表

  表中共有81条控制规则,其中一些规则可以合并, 但利用计算机进行推理计算这些规则就没有必要合并了。模糊控制规则表征了变量之间的模糊关系, 由控制规则求出模糊关系矩阵R, 经过推理合成得到模糊控制向量。

  系統采用加全平均法實現模糊判決求得精確量的控制表如表2所示。

图5.jpg

表2:控制表

  2、量化因子的计算  模糊PID控制器的输入分别是速度偏差e和速度偏差变换率 de/dt, K1—速度偏差e的量化因子, K2—速度偏差变化率dec/dt的量化因子,K3—控制量的量化因子。一般来说, K1、 K2、 K3分别由下面的公式确定。

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三、開關磁阻電機调速系统概述

  開關磁阻電機驱动系统主要由開關磁阻電機(SRM)、功率變換器、控制器、電流檢測器和位置检测器组成,其组成结构如图4所示。

图6.jpg

图4:開關磁阻電機驱动系统

 1、功率變換器

  功率變換器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给SRM。由于SRM绕组电流是单向的,使得其功率變換器主电路不仅结构较简单,而且相绕组与主开关器件是串联的,因而可预防短路故障。SRM的功率變換器主电路的结构形式与供电电压、电机相数以及主开关器件的种类等有关。常见的功率變換器电路如5所示。

图7.jpg

圖5:不對稱半橋型功率變換主電路

  图5为本系统所采用的不对称半桥型三相SRM功率變換器主电路。以A相为例,每相有两个主开关管1V和2V及续流二极管1VD和2VD。上下两只主开关管 1V,2V同时导通时,电压加至A相绕组两端,产生相电流aI,此时电能转换为磁场能量;当1V和2V关断时,A相绕组产生的反电势极性如图5示,绕组残余电流la很快减小至零,绕组磁链迅速衰减;当1V开通而 关断时,绕组残余电流I。经绕组~1VD-1V~绕组形成回路,此时加在绕组上的电压为零电压,电流续流时间较长,绕组磁链衰减缓慢,无能量返还电源。

  由于每相繞組有兩個主開關管,故關斷時可以采用同時關斷兩個主開關管的能量回饋方式,或者采用僅關斷一個主開關管的無能量回饋方式,進而使控制方式更加靈活。

  這種不對稱半橋型線路具有如下的特點:

  (1)各主开关管的电压定额为US。  

  (2)由于主開關管的電壓定額與電動機繞組的電壓定額近似相等,所以這種線路用足了主開關管的額定電壓,有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流。

  (3)由于每相繞組接至各自的不對稱半橋,在電路上,相與相之間是完全獨立的,故這種結構對繞組相數沒有任何限制。

  (4)每相需要两个主开关管。除了电动机绕组与每相开关串联,不存在上、下桥臂直通的故障隐患之外,很像三相异步PWM 逆变器电路。

  综合考虑各种功率變換器的优缺点及使用场合,选择不对称半桥型功率变换主电路作为主供电电路,保证各相相互独立、控制灵活、系统容错性好,是開關磁阻電機控制系统中理想的功率變換器。

  2、速度和位置反饋

  進行位置檢測是SRM工作的一大特點。它由中間開槽的光電傳感元件及與SRM轉子同軸安裝、30度間隔的6齒槽轉盤構成。兩個位置檢測器相距15度安裝,輸出兩路相位差15度的方波信號,分別進入控制器的兩個捕獲單元CAP1和CAP2。當在捕獲輸入引腳上檢測到一個轉換時,定時器T2或T3的值被捕獲並存儲在相應的2級深度FIFO堆棧中。在程序中,位置信號的上、下跳變均引起捕獲操作,即每隔15度産生一次捕獲操作,由此可以計算出電機運行的實際速度並得到轉子位置信息。 

  3、電流檢測

  为了实现电机低速运行下电流斩波控制与过流保护,必须对绕组中的电流进行检测。本系统采用零磁通霍尔元件电流传感器来检测绕组电流A 将霍尔元件输出的小电流信号首先变换为电压信号,再经放大滤波后进入A/D转换通道。

  電流斬波控制采用硬件方案實現,其電路如圖6所示。

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圖6:電流斬波工作電路


  4、輸出和功率驅動電路

  控制器的PWM发生电路可产生6路具有可编程死区和可变输出极性的PWM信号PWM1~PWM6,系统的PWM輸出和功率驅動電路如图7所示。

88.jpg

图7:PWM輸出和功率驅動電路

  當定時器T1計數值與全比較單元的比較單元值相同時,産生的狀態匹配信號進入波形發生單元。

  在該系統中,我們使用非對稱PWM波形發生器,由其産生的PWM信號進入死區發生單元,死區寬度從0到102.4微秒可調。考慮到所用功率器件IGBT的開通和關斷時間,設定PWM波的死區時間爲3.5微秒;系統中使用PWM1~PWM4作爲功率驅動電路的控制輸入。

  功率驱动模块选用富士公司的EXB840,它的最高工作频率可达40KHZ, 只需外部提供一个+20V单电源,内部自己产生-5V反偏压,并有短路保护及慢速关断功能。另外,系统中采用SPI接口完成串行驱动数码管显示的功能;利用PDPINT输入实现系统的过压、过流、欠压、过温等保护功能。

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