梁福
（广西恒企建筑设计有限公司）
摘要：本文主要通过剖析小功率开关磁阻电机驱动系统的各个组成部分的功能以及其各自的工作原理，并以三相12/8极48V小功率开关磁阻电机的实际工作运行为实例，通过对开关磁阻电机的调速系统以及变换控制器的观察，分析研究了这种电机相电流和相电压在不同状态下的波形变化，从而提出了关于开关磁阻电机驱动系统的设计开发依据。
关键词：开关磁阻电机；驱动系统；调速系统；控制器
引言
随着科学技术的不断发展以及人们对环保的要求越来越高，更多的电动交通工具进入了市场。因此，电动交通工具的重要组成部分--开关磁阻电机的技术就显得更加重要了。这种新型的交流调速系统因其构造相对简单，效率较高而成为众多交通工具的首选。开关磁阻电机驱动系统（SRD）的设计开发和应用，使电机的整体运行更可控，响应更快，效率更高。
1. 开关磁阻电机
上个世纪70年代，开关磁阻电机开始出现，进入市场销售，到了80年代中期，这种电机就开始投入了工业使用。这种主要由硅钢叠片组成的SRM电机，其工作原理就是由于SRM电机中的定子和转子通过相互移动及绕行，发生了组电流的交叉运行，从而产生相对磁拉力，使电机能够这种相互力的作用下运行[1]。而这种定子与转子之间的相互移动绕行，遵循的就是磁阻最小原理，磁通沿着阻力最小的方向进行移动，同时，能量守恒定律，牛顿定律，电磁感应定律等也同样对开关磁阻电机的运行产生相应的作用。
2 SDR调速系统
SRD调速系统是开关磁阻电机的重要组成部分，其中包括开关磁阻电机本体、功率变换器、传感器、控制器等部分。该系统运行的好坏，直接决定了电机的运行效率及其寿命。因此，必须对SRD调速系统进行全面细致的观察和研究，才能设计开发出高效的系统。
（1）功率变换电路及其驱动电路
功率变换器包括了功率变化电路以及驱动电路两个系统[2]。为了降低成本，同时保证安全，目前市面上的电动交通工具多采用小功率的电池。因此，设计完善的电机驱动系统，对于提高电池的工作效率，增长电池寿命具有非常重要的作用。一般而言，系统如果长期在低电压大电流的状态下运行，大容量型号的MOSFET是首选，可是出于成本考虑，现行的电机系统往往采用两个容量小但价格低廉的MOS管并联运行的方式取代MOSFET，这样不但降低了成本，增加了市场竞争力，而且由于运行独立，结构简单，当某一根MOS管出现故障，可随时取出而完全不对另一部分造成影响，从而能够使系统继续运行而不会发生中断现象，这是MOSFET做不到的[3]。
（2）位置传感器
位置传感器的运作原理是通过检测电机转子的位置并将信息返回至控制器，由控制器进行分析计算，从而实现控制器对电路的开关闭合，以及根据计算分析的结果，对电机的转速进行高效的控制。传感器由定子承载，当电机开始运行时，电机的旋转带动了固定在转子上的遮光盘，转子围绕定子旋转，经过定子所在区域，安装在转子上的遮光盘挡住了传感器，导致光敏元件停止工作，输出信号出现故障，同时利用反向触发器进行信号清理。
（3）电流转换
SDR调速系统可以对系统中电路的电流起到关键的转换作用。如上文所述，为了降低成本，市面上的开关磁阻电机一般应用MOS管。为了提高效率，适应开关磁阻电机的运行，MOS管电流经过LM358D运算放大器，进而转入变换器A/D，实现SDR调速系统转换MOS管电流发送到开关磁阻电机的功能[4]。电流的成功转换对于整个系统的正常运行有着非常重要的影响，同时也能对电源进行有效的保护。
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（4）欠压保护
另外，SDR调速系统还能对电池欠压进行保护。主要的工作原理是系统采用分压电路对电池的电压进行监控，并通过开关磁阻电机内部A/D变换器的转换功能，比较电源电压的实时数值与程序预定值，当出现电源实测电压低于程序设定值时，系统停止运行，直至电源电压恢复才能正常工作。
3 控制器系统
控制器系统主要由控制器芯片及其附件组成。目前，市面上的开关磁阻电机控制器芯片通常采用的是STM32F051单片机。这种芯片由增强型外设和I/O口板制集成，性能高效，对于分组信息的高速处理具有相当重要的影响。当开关磁阻电机的两组MOS管同时开通或者关断时，极易产生尖峰电压而对MOS管的正常运行带来极大的威胁[5]。而STM32F051单片机芯片可以预设程序，将两组MOS管的开通，关断时间错开或者延长，有效避免了尖峰电压容易击穿MOS管的危险。而STM32F051单片机芯片对于监测电机转子的实时位置，电机的实时转速以及绕组电流的实时强度，数据精确度极高，从而能够在电机发生过压，欠压，堵转以及过温的情况时进行及时有效的保护。
4 软件设计
软件设计也是开关磁阻电机驱动控制系统设计的关键组成部分。一般采用C语言对整体系统进行编程。编程过程中应注意以下几点：
（1）使用定角度电流斩波（CCC）结合电压PWM对SR电机在启动阶段和低速运行阶段进行有效控制，这样可以有效避免高压对电池带来的损坏。
（2）使用变角度（APC）电压PWM对SR电机在高速运行时进行控制，从而改变开关管的开通角和关断角，并进行相应的调节以对电源进行有效保护。
（3）速度反馈可以通过转子位置信号计算得到，与期望的速度比较后得到的差值作为速度PI调节器的输入，而速度调节器的输出信号则与电流的反馈信做比较，形成电流偏差经过电流调节环的调节后用以控制PWM的占空比[6]。
软件设计的关键在于紧密联系实际，对系统内部的各个组成部分的功能作用及其工作原理必须有清楚的认识，编程数据必须来自于实验数据，这对后期软件的开发有直接的影响，同时预设数据必须精确，以作为与实测数据的比较。
5 实验分析
为了更好地证明开关磁阻电机驱动系统的设计开发的依据，笔者通过搭建硬件实物电路，采用3相12/8极，功率为36 W，电压为48 V，额定转速 3500 r/min的开关磁阻电机进行了实验和测试分析。对开关磁阻电机在不同状态下电流波动的变化以及相电流和相电压在不同状态下的波形变化进行测试和测量，从而有效说明开关磁阻电机驱动系统的设计开发具有非常重要的实用性以及竞争力。
6. 结语
通过对开关磁阻电机驱动系统内部功能的逐点剖析，并辅以自制的实验，对开关磁阻电机的功率变换电路采用并联模式，增加了功率变换器的容量，对MOS管采用一定的过流、过压保护措施，控制核心芯片采用ARM系列的STM32F051，SRD可以高效率运行，总之，通过理论和实测，基本验证了控制系统在不同状态下的运行情况，为开关磁阻电机驱动控制系统的设计开发提供了有效的依据。
参考文献：
[1]基于Maxwell 2D的开关磁阻电动机的仿真研究[J]. 周会军，丁文，鱼振民.微特电机. 2007（03）
[2]辅助混合动力电动汽车的技术研究[J]. 刘旭东，段建民，张博彦，冯能莲.河北科技大学学报. 2006（03）
[3]智能功率模块在开关磁阻电动机中的应用[J]. 许爱德，王鑫鑫，信毓昌.中小型电机. 2005（06）
[4]开关磁阻电机控制系统在电动汽车中的应用[J]. 杨岳峰，孙即明，张奕黄.机电工程. 2004（03）
[5]基于ANSOFT的永磁直线无刷直流电动机的仿真研究[J]. 鲁军勇，梁得亮，丰向阳.中小型电机.2004（01）
[6]SRM常见的几种功率变换器主电路及原理[J]. 杨岳峰，张奕黄. 电机电器技术.2003（02）
论文作者:梁福
论文发表刊物:《河南电力》2018年5期
论文发表时间:2018/9/7
标签：磁阻论文; 电机论文; 系统论文; 变换器论文; 电流论文; 功率论文; 转子论文; 《河南电力》2018年5期论文;