黄振跃，杨泽斌，吉敬华
（江苏大学电气 信息学院，江苏 镇江 ２１２０１３）
摘 要：开关磁阻电机（ＳＲＭ，Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ）以其结构简单、效率高、调速范围宽、性能好、无刷、单同心绕组、起动转矩大、可以超高速运行和具有一定的容错能力等优点，越来越受到重视。
同时，开关磁阻电机转子无绕组，适于高速运行，具有其它电机不可比拟的恒转矩和恒功率调速性能。因而在许多领域有着广阔的应用前景。为此，对模拟控制的开关磁阻电机及其控制器和功率变换器的研制进行了阐述。
关键词：电气工程；开关磁阻电机；设计；模拟控制；过渡保护；功率变换
中图分类号：ＴＭ３５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３─１８８Ｘ（２００５）０５─０１１９─０３
１ 引言
由于开关磁阻电机具有独特的优点，因此在许多领域可以取代传统电机，并能提高原系统的整体性能。如取代直流起动发电机用于航空领域—美国的ＧＥ公司使用开关磁阻电机作为航空起动发电机［１，２］，并且取得了一定的成果；取代交流异步电机用于洗衣机—美国一些厂商已将开关磁阻电机用于一些高档洗衣机［３，４］；作为无刷电机取代直流电机用于铁道转辙机；作为调速电机取代交流异步电机用于变频空调；取代永磁无刷直流电机用于电动自行车……同时，开关磁阻电动机作为电动车辆的驱动电机或汽车的起动发电机，也是目前研究的热点。
我国８６３指南也将开关磁阻电动机作为首选的电动汽车的驱动电机。近年来，涌现出许多开关磁阻电机的控制方法，尤其是人们对采用ＤＳＰ控制开关磁阻电机提出许多理论和方法。但是，在许多的应用领域，采用过分复杂的控制器和控制方法是很不现实的，这也制约了开关磁阻电机使用和推广。模拟控制的开关磁阻电机系统结构简单、成本低、抗干扰能力强、性能可靠，在许多负载特性要求不是很高的场合可以得到很好的应用。
２ 开关磁阻电机数学描述
开关磁阻电机转子无绕组，定子上是集中绕组。对于每一相来说，定子极和转子极的相对位置不同，定子绕组的电感也不同。电机转子转动时，线性化的相电感随位置角度的变化情况如图１所示。
图１ 线性化的相绕组电感曲线
超滤膜壳根据电磁转矩基本理论［５］可以得出某一相供电时开关磁组的电磁转矩为
θ∂
∂
=
L
i
T线圈耳机
em
2
2
1 （１） 通电绕组中的反电势为
释放器
θ
ω
ψ
∂
∂
−
∂
∂
−
=
−
=
L
i
t
i
L
t
e
d
d （２） 因此，只要在定子绕组电感上升区或下降区对定子绕组通电，就能够获得电磁转矩。如果依次对开关磁阻电机定子绕组通电并及时换相，就可以使开关磁阻电机持续地运转。在定子电感不同的变化区域通电和采用不同的触发顺序，就可以方便地控制开关磁组电动机的四象限运行。
３ 系统结构
本文中所研制的模拟控制的开关磁阻电机调速系统，如图２所示。该系统采用电流和转速双闭环控制，给定转速可以人工给定也可以来自于其他控制模块的控制信号—视系统的工作情况而定。 收稿日期：２００４－１０－０９
基金项目：江苏大学校基金资助项目（ＪＤＧ０３０１９）
作者简介：黄振跃（１９７１－），男，江苏南通人，讲师，硕士，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｈｕａｎｇｚｈｅｎｙｕｅｎｏｌ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ。
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图２ 模拟控制的开关磁阻电机调速系统
４ 系统设计
本文中开关磁阻电机样机采用６／４极结构。为了简化控制电路，开关磁阻电机相绕组触发信号来自于经过整形处理后的位置检测信号。位置检测采用结构的冲片如图３所示，每间隔９０°圆心角开一个圆心角为３０°的缺口，其中A 、B 处为检测光耦。A 、B 位置的圆心角θ∆＝３０°，C 相信号采用A 、B 相信号的或非。检测电路如图４所示。Ａ、Ｂ、Ｃ分别作为A 、B 、C 相导通的触发信号，每相导通角为３０°，每一通电循环电机转子转过９０°。 图３ 位置检测机构
图４ 位置信号检测、整形电路
电机功率电路采用如图５所示的典型的双开关结构。采用这种电路结构在通电绕组上下开关管截止时，可以将磁场能量反馈到电源，提高系统效率。由公式（１）、（２）可以看出：绕组电感处于下降区时，如果绕组里还有电流通过，该相将处于发电运行状态并会产生负转矩，这将降低电机的转速和输出转矩。为了解决这个问题，电机转子采用宽极弧结构。这样，图１中的线性化电感曲线将有一个足够宽的平顶，使得绕组在续流期间相绕组不会进入电感下降区，从而不产生负转矩。采用这种转
子结构，结合位置检测信号，每相导通角为３０°，使得绕组导通时间最大，增大了电机的平均输出转矩，减小了转矩脉动。
图５ 双开关结构的功率电路
开关磁阻电机的速度控制采用了ＰＩ调节器，速度检测使用以频／压转换芯片ＬＭ２９１７为主的测速电路。图６给出了测速电路。其中，第１脚为输入转速脉冲信号，输入信号来自于整形后的位置检测脉冲信号；第１０脚为输出电压信号，输出电压与输入脉冲频率成正比，也就是输出电压信号与转速成正比。ＬＭ２９１７集成电路频／压转换线性度好，转换速度快，分辨率高，组成电路简单，转换准确度高。
图６ 采用ＬＭ２９１７的测速电路
测速电路所用的频率脉冲信号来自于整形后的
位置信号脉冲，使用这种测速电路不需要在电机上加装额外的测速装置，有利于简化系统结构、提高可靠性、降低、系统的体积、质量和系统成本。
电机低速运行时电流采用滞环控制，双开关结
构的功率电路在通电相电流斩波时采取上管斩波、下管续流的工作方式。采用这种斩波方式，可以降低开关管的开关频率、减小电流脉动、降低开关磁阻电机的转矩脉动、降低开关管的开关损耗、提高功率变换器的效率。
功率电路的高端功率器件驱动电路不能共地，每一路的高端驱动电路需要一路浮地电源供电。本系统就需要为驱动电路提供４路电源，这将增加系统的复杂程度。本系统中开关管采用ＩＧＢＴ，驱动电路采用美国国际整流器公司的浮地驱动芯片ＩＲ２１３０。该芯片具有３对共６路驱动输出，使用单电源并且巧妙地利用自举电路提供高端驱动电源，可以使用一路１３～２０Ｖ的电源就可以驱动功率电路上下桥臂上的３对ＩＧＢＴ或ＭＯＳＦＥＴ。ＩＲ２１３０还具有欠压保护功能，当检测到驱动电压过低（一般低于
转速脉冲
Ｃ１
Ｃ２ Ｒ１
Ｒ４ Ｒ５
电压 信号
Ｒ２
实验室分析天平
Ｒ３ ＋１５ｖ
１
２ ３ ４ ５ １２ １１ １０
９ ＧＮＤ ＬＭ２９１７ Ｖ＋
８．５Ｖ）时，锁住驱动信号，以避免ＩＧＢＴ或ＭＯＳＦＥＴ工作在放大区而被烧坏［６］。同时，ＩＲ２１３０还具有过流保护功能，片内直接提供一个带有０．５Ｖ基准电压的比较器，利用它在功率电路上设计过流保护电路，可以预先设定最大容许电流。当保护电路检测到功率器件中的电流达到或超过设定的最大电流时，ＩＲ２１３０的逻辑保护引脚电路动作，锁住驱动信号，避免功率器件因过流而损坏。
由于功率电路的下端开关管导通后驱动电路的自举电容才能充电，才能够驱动高端的开关管［６］。因此，为了使开关磁阻电机在通电后就能够自行运行，在控制电路中加入了一个ＲＣ电路，在系统通电瞬间强行向驱动电路提供低端触发信号，锁住高端触发信号，导通３路低端开关管给３路ＩＲ２１３０的浮地电容充电。在ＲＣ电路稳定后，控制电路才受位置信号和电流斩波信号的作用给ＩＲ２１
３０提供驱动控制信号。采用ＲＣ电路后，电机在系统通电后可以迅速地启动。ＩＲ２１３０是针对变频器设计的驱动ＩＣ，为避免变频器功率电路的上下桥臂直通，损坏功率器件，ＩＲ２１３０的３对驱动电路采用了死区控制，即每一对驱动电路不能同时输出高电平驱动功率器件，典型的具有２．５μｓ的死区时间。对于开关磁阻电机的驱动，要求上下桥臂同时导通，故本系统中，对ＩＲ２１３０的驱动电路上下桥臂的驱动信号错开来配对使用，这样就可以同时驱动同一对功率器件。
电机的正反转控制分别采用两套位置检测电路，这两套位置检测电路的光耦所检测的信号经整形后可以分别控制电机的正反转。两套位置信号分别通过三态门集成电路７４ｌｓ２４４的两组三态门，提供三态门控制信号的开关直接连接１路三态门控制引脚，通过１个非门连接另１路三态门控制引脚。这样只需用１只开关控制７４ｌｓ２４４两组三态门的三态控制信号的电平选通一路提供驱动电路控制信号，方便地控制开关磁阻电机的正反转。
５ 结论
采用模拟控制的开关磁阻电机调速系统经过加载试验，结果证明系统调速范围宽，运行稳定，说明采用模拟控制的开关磁阻电机完全可以取代传统电机，并在许多应用领域得到推广。
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Design of Analog Controlled SRM System
HUANG Zhen-yue, Y ANG Ze-bin, JI Jing-hua
(EEI Jiangsu University ,Zhenjiang 212013, China)
Abstract：With its advantageous features in the construction and performance, the switched reluctance motor (SRM) has great perspective in applications. This paper expatiated the design of analog controlled SRM and its controller and converter.
Key words：electric engineering; switched reluctance motor; design; analog control; over current protection; power convert
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