臧平宇，张广明，梅 磊

(南京工业大学，江苏南京211816)

轴向磁通开关磁阻电机的电流斩波控制研究

臧平宇，张广明，梅 磊

(南京工业大学，江苏南京211816)

以轴向磁通开关磁阻电机为对象，介绍了轴向磁通开关磁阻电机控制技术，包括轴向磁通开关磁阻电机调速系统的基本原理和轴向磁通开关磁阻电机的三种基本控制方法，即电压斩波控制、电流斩波控制和角度位置控制，并在轴向磁通开关磁阻电机上应用电流斩波控制方法进行研究。

开关磁阻电机；调速系统；控制方法；角度位置控制

轴向磁通开关磁阻电机以其结构简单、成本低、效率高、容错能力强以及高速运行能力[1]得到越来越多的关注和认可，其突出的优点是转子定子由硅钢片迭压而成，坚固、机械强度高，对温度很不敏感，所以开关磁阻电机能够在高温、高速的恶劣环境下运行[2]。开关磁阻电机的转子上没有绕组，且定子只有几个集中绕组，结构简单坚固，在制造和使用过程中不会出现铸造不良和断条等问题。目前轴向磁通开关磁阻电机的发展在汽车、航空航天领域等起到越来越重要的作用。本文介绍了轴向磁通开关磁阻电机控制技术，包括轴向磁通开关磁阻电机调速系统的基本原理和轴向磁通开关磁阻电机的三种基本控制方法。

1 轴向磁通开关磁阻电机调速系统

轴向磁通开关磁阻电机调速系统主要包括轴向磁通开关磁阻电机、功率变换器、驱动控制器、检测单元，如图1所示。

图1 电机调速系统结构图

1.1 轴向磁通开关磁阻电机

图1中SRM为轴向磁通开关磁阻电机，继承了开关磁阻电机的双凸极结构，不同的是轴向磁通开关磁阻电机的转子位于定子上方，形成轴向结构，在整个SRM调速系统中起到实现机电能量转换的作用部件。四相6/4极轴向磁通开关磁阻电机如图2，电机由简单绕组的定子和无绕组的转子组成，并被设计成双凸极的结构形式，主要是为了增加出力。转子仅由硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体；定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相，其工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，从而迫使磁路上的导磁体运动到使磁阻最小的位置[3]。

图2 四相6/4极轴向磁通开关磁阻电机

1.2 功率变换器

轴向磁通开关磁阻电机所需能量由功率变换器提供，由直流电供电，分为蓄电池供电或交流电通过整流后供电。当采用交流电源供电时，需要对交流电整流，功率电路包括整流电路和逆变电路；当采用直流电源供电时，功率电路则仅包括逆变电路[4]。由于轴向磁通开关磁阻电机绕组电流的方向是单一的，如此功率变换器电路结构也很简单，其结构形式和电机的相数与绕组有关，并且开关器件的好坏也会影响到开关磁阻控制系统的性能。功率变换器除了向电机传输电能以外，还起到开关作用和向绕组回馈电能的作用。

1.3 驱动控制器

驱动控制器是轴向磁通开关磁阻电机调速系统的核心，在系统中负责综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信号及外部输入命令，实现对轴向磁通(SR)电机运行状态的控制，是轴向磁通开关磁阻电机调速系统(SRD)的指挥中枢。然后对功率变换器发出控制信号，实现功率变换器对轴向磁通开关磁阻电动机的驱动，是SRD的指挥中枢，驱动控制器性能的好坏将决定电机运行的性能[5]。驱动控制器一般由单片机或DSP芯片以及外围接口电路组成，其必须实现的功能有：电流斩波控制(即CCC控制，又叫电流PWM控制)；角度位置控制(即APC控制，又叫单脉冲控制)；起动、制动、停车及四象限运行；速度调节。

1.4 检测单元

检测单元由位置检测和电流检测两部分组成。为了使电机正常工作，当转子转到适当开通角的位置时应该导通对应的相绕组，同理转子转到关断角位置时应该关断其相绕组。位置检测单元就是对通断角位置信息检测，从而确定各相绕组的开通角和关断角，在转动过程中控制相绕组的正确切换，如果检测单元故障，电动机则会紊乱，影响电动机按照要求正确转动。电流检测单元则提供电流信息用于采取相应的保护措施以防止过电流。在电机低速运行时，使用电流斩波控制方式，系统通过调节相绕组电流的大小控制转矩；因此准确知道绕组中实际电流的大小，进行电流反馈是非常必要的。在电机高速运行时，使用单脉冲控制方式，系统通过调节每相的导通角度来实现对转矩的控制。此时电流已不再作为控制量，但为防止系统过载或故障过电流保护，准确可靠检测电流始终是系统所必须的[6]。

2 轴向磁通开关磁阻电机的控制方法

轴向磁通开关磁阻电机的控制方法是指控制电机的某些参数来让电机运行达到规定的运行工况。轴向磁通开关磁阻电机的可控变量有相绕组两端的电压、相电流、开通角θon、关断角等θoff[7]。根据调节不同的参数可以获得不同的控制效果，常用的控制方法有电流斩波控制(即CCC控制，又叫电流PWM控制)、角度位置控制(即APC控制，又叫单脉冲控制)、电压PWM斩波控制。

2.1 电流斩波控制

电流斩波控制常用于电机起动阶段或者电机转速较低时，反电动势小，值很大，电流上升速度很快[8]，为了防止过大的电流脉冲值超过功率开关元器件和电机所能承受的最大电流，一般会采用电流斩波控制来限制电流峰值，达到稳定工作特性。在CCC控制时，一般固定开通角和关断角，通过开关管多次开通和关断达到限流目的。电流斩波控制一般有两种方案：

(2)限制电流上线和恒定关断时间控制，当相电流值超过相电流上线时，关断主开关，使相电流衰减一段时间，再开通主开关，关断时间Δ和电流下降多少由电感量、电感变化率、转速等因素决定，这种方式的相电流的下线随着关断时间而变化，所以关断时间的选取非常重要，时间过长会导致相电流脉动过大；关断时间过短将导致斩波频率过高[7]。该方式的优点是能控制斩波频率，克服了前一种方法的缺点。

CCC控制方式的优点是适用于电机低速运行时，可以限制电流峰值的增长，对电流起到良好的调节效果，使电动机的转矩比较平稳。

2.2 角度位置控制

在电机高速运行时，运动电势使电流的上升速率降低，电流最大值和有效值比低速运行时小很多，此时可以用APC控制主开通角θon，关断角θoff，从而改变主开关的导通时间来控制电机运行，这种方法又称为高速单脉冲控制，通过改变开通角和关断角可以调整相电流的波形宽度、电流波形的峰值、电流波形的有效值以及电流波形与电感波形的相对位置。由于有两个变量需要调节，使得控制变得复杂，一般采用固定一个变量，调节另一个变量的方法。

角度位置控制的方法可分为三种：(1)固定关断角θoff，改变开通角θon，当固定θoff，调节θon时，随着θon的减小，相电流波形加宽，电流波形峰值和有效值增大，改变了电流波形与电感波形的相对位置，从而改变电动机的转矩和转速；(2)固定开通角θon，改变关断角θoff，当固定θon，调节θoff时，一般不会改变电流的峰值，随着θoff的增大，相电流波形加宽，电流有效值增大，并改变电流波形与电感波形的相对位置，对比方法一，方法二对电机的转矩和转速的影响稍弱[9]；(3)同时改变开通角θon和关断角θoff，这种方法可以更精确控制电机的相电流波形、相电流峰值和有效值以及转矩和转速，但控制难度也相应增加，所以常用的控制方法是选择开通角θon作为主变量粗调，关断角θoff作为从变量微调，这样可以更好地控制电机。总之，APC控制一般用于高转速的SRM电机，增大转矩和转速提高电机的工作效率。

2.3 电压PWM斩波控制

电压PWM斩波控制固定主开关的通断角，调整PWM波的占空比调节相绕组的相电压，从而改变相电流，最终实现对电机转速的调节。电压PWM斩波控制的特点是：通过调节相绕组电压的平均值来调节和限制相电流的大小，此方法既可以用于低速调速系统，又可以用于高速调速系统，简单易行，但是调速范围受到了限制。根据续流方式的不同，电压PWM斩波控制可以分为双管斩波和单管斩波。PWM双管斩波方式是在每相绕组的上下桥臂的两个开关管同时开通和关断。PWM单管斩波方式是每相绕组的两端只有一个开关管斩波，另一个一直处于导通状态。

3 轴向磁通开关磁阻电机的电流斩波控制方法

近年来，开关磁阻电机发展迅速，控制方法多种多样，但是对轴向磁通开关磁阻电机的研究却不多见。研究发现轴向磁通开关磁阻电机在起动、低速运行和制动时，运用电流斩波控制是最好的方法，不仅可以在低速运行和制动时限制电流峰值，起到保护和调节的作用，而且可以达到转矩平稳、合成脉动小和抗负载扰动性的动态响应慢的效果。

3.1 控制方法

图3 电流斩波控制相电流波形

3.2 电流斩波子程序

将轴向磁通开关磁阻电机低速运行并设置200和600 r/min作为斩波限值，当通过位置传感器获取到转速值后，求得开通角θon与关断角θoff以及相应的电压上下限值，就可以对电机的不同运行状态进行调节，即进行转换和反馈，然后通过软件编程设定电流上下限的参数。如果实际测量得到的电流值大于给定上限值，功率开关器件IGBT就会断开，使得电流值迅速下降。反之，当电流值下降到小于下限值时，IGBT又会重新导通，电流值迅速上升[12]。如此往复循环，使得电流值一直保持在电流斩波限值附近，其流程图如图4所示。

3.3 电流斩波控制的特点

电流斩波控制方式具有简单直接、可控性好的特点，避免了角度位置控制方式中的电流不可控问题，电流斩波控制是直接对电流实施控制，与电压斩波控制方式相比，具有较小的开关损耗，是一种比较常用的控制方式。但是在这种控制下，电流的斩波频率不固定，随着电流误差的变化而变化，不利于电磁噪声的消除。

图4 电流斩波控制程序流程图

4 结语

轴向磁通开关磁阻电机是一种结合了传统开关磁阻电机的新型结构，其结构简单、成本低、效率高、可以在很恶劣的环境下运行。但是轴向磁通开关磁阻电机还有很多值得研究的方面，控制还不是很成熟，需要进一步的优化和提高。轴向磁通开关磁阻电机现在得到越来越多的关注，相信将会有很大的发展空间，在各行业得到更广泛的应用。

[1]章明明.开关磁阻电机起动/发电系统数字控制平台研发[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[2]陶明峰.开关磁阻电机控制器的研究[D].北京：中国农业大学，2002.

[3]甘伟.开关磁阻电机驱动系统设计[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[4]李天博，杨泽斌，孙运全，等.开关磁阻电机功率变换器主电路研究[J].农机化研究，2004(5)：204-207.

[5]徐仲春，马瑞卿，刘亚，等.一种实用的开关磁阻电机驱动控制器设计[J].微电机，2007，40(2)：44-47.

[6]刘丽芸.基于DSP的开关磁阻电机检测建模与控制[D].天津：天津大学，2008.

[7]徐仲春.开关磁阻电机起动/发电控制技术研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[8]王俊利.开关磁阻电机的电流斩波控制[J].电子技术与软件工程，2013(18)：130-131.

[9]路天航，王宏华.SR电机角度位置控制的分析与硬件仿真[J].机械制造与自动化，2003(1)：74-76.

[10]吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[11]王宏华.开关磁阻电机调速控制技术[M].北京：机械工业出版社，1990.

[12]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

Research on current chopped control on axial flux switched reluctance motor

The control technology of axial flux switched reluctance motor was introduced，including the theory of the speed control system of axial flux switched reluctance motor and three basic control ways of SRM，which is voltage chopped control， current chopped control and angle position control.The current chopped control was applied on axial flux switched reluctance motor.

switched reluctance motor;speed control system;control ways;angle position control

TM 35

A

1002-087 X(2016)04-0889-03

2015-09-16

国家自然科学基金项目(51277092)；江苏省科技支撑计划(BE2011188)

臧平宇(1989—)，男，安徽省人，硕士，主要研究方向为机电系统综合控制技术。