开关磁阻电机调速系统电流环的数字控制

    邱亦慧，马志源，詹琼华

    (华中理工大学，湖北  武汉  430074)

  摘  要：在阐述歼关磁阻电机驱动系统(SRD)电流环数字控制原理以及对两种可行方案进行分析比较的基础上，提出了一种新的更适合开关磁阻电机的混合式解决方案，并分别得到实验结果。结果表明，开关磁阻电机电流环的数字控制不仅足完全可行的，而且较传统的模拟方案有着不可忽视的优势。

  关键词：开关磁阻电饥；数字电流环；电压PWM；电流跟踪

1  引  言

    SRD作为一种新兴的凋速系统，以其结构简单、控制方便、可靠性高、成本低等特点，在同类产品中具有很强的竞争力，其潜力不可估量。在数字控制浪潮的冲击下，SRD系统也早已从刚开始的全模拟控制向数字控制转变．但由于软硬件等各方面的限制，国内开关磁阻电机电流环的控制仍旧是在CPU片外的模拟控制．而电流环的控制对开关磁阻电机来说是一个关键，因此在很大程度上影响了SRD优越性的进一步发挥。同时，越来越广泛的应用领域决定了其对驱动系统有着越来越高的要求，尤其在响应速度和运行可靠性、灵活性等方面，这也对传统的模拟解决方案提出了很大的挑战，要求尽早完成电流环的数字化控制这一工作。

    近年，数字信号处理技术的快速发展以及高集成度高速的电机控制专用数字信号处理芯片的出现使得开关磁阻电机驱动系统的全面数字化尤其是电流控制的数字化成为可能，正是在这一基础上，本文提出了两种实现电流环数字控制的策略，并通过实验论证和相互比较，说明两种策略都是可行的，但各有所长，为了得到能仗开关磁阻电机各方面性能更好的电流波形，作者提出了一种集二者之长的混合式解决方案，从而对提高SRD的效率、降低噪声和转矩脉动具有很大意义。

2开关磁阻电机数字电流环的基本原理与两种控制策略

2．1  基本原理

    当开关磁阻电机处于非高速运行时，绕组反电势较小，故如不加控制，电流可以冲到很高值，在这种情况下，往往采用固定相绕组开通、关断角，利用电流环控制得到一定大小和波形的电流，从而得到所需的电机功率、转矩和转速等参数。在目前理论研究的基础上，认为方波是一种适合于开关磁阻电机的理想电流波形。

    因此电流环所要完成的任务是比较实际电流和参考电流(即方波幅值)，并根据两者差距来决定输出电流控制信号，使实际电流尽快达到参考电流缸；改变参考电流值，就改变了电机的最终输出。在传统的模拟控制中，存在多种控制策略，如电流上下限控制、电流跟踪控制、电压PWM控制等，这些策略都可以用数字控制实现，且在数字控制中，这一任务主要由软件完成，由于对软件的修改十分灵活方便，算法的尝试可以多种多样，因此数字控制更灵活、更有效、更精确，对开关磁阻电机控制中长期困扰人们的一些难题，如噪声和振动，很有可能提供一个优秀的解决方案，但数字控制和模拟控制的基本原理是一

致的，如图1所示。

    显而易见，控制的关键在于词节器算法的选择与优化，也正是由于调节器算法的多样性和灵活性，决定了数字电流环控制策略的多样性和灵活性。在本文中，作者阐述了两种控制策略的数字实现，即电压PWM控制和电流跟踪控制。

2．2电压PWM控制

    电压PwM控制的核心思想是根据当前周期采样电流和参考电流的差值确定下一周期的PwM脉冲的导通占空比。由于二者之间的关系十分复杂，还受各种其它参数如电压、负载等的影响，故需要一个比较复杂的算法来根据输入确定输出，并确保系统具有良好的动、稳态性能，如图2所示，一般采用的算法有PID算法、模糊算法、神经网络算法、自适应算法等。

2．3电流跟踪控制

    电流跟踪控制的思想比较简单，即当前周期的控制信号总是要当前电流趋向参考电流。如果当前周期的参考电流与采样电流的偏差小于零，则立即关断相应相主开关，反之，即立即开通相应相主开关。因此它不像电压PWM控制，有一个周期的延迟，其算法框图如图3所示。

3数字电流环的软硬件实现及实验结果

3．1软硬件实现

    在硬件上作者采用TI公司的TMs320F240芯片作为CPU核心来设计实现SRM控制器的硬件系统，从