1 引言
开关型磁阻（SR）电机调速系统（SRD）结构简单、坚固、成本低，调速性能优良，在宽广的调速范围内均具有较高的效率，应用前景十分广阔。但由于SR电机的双凸极结构和采用开关性的供电电源，振动、噪声是其突出的问题，这已成为SRD在更多范围内推广应用发挥其特长的主要障碍。过去人们对SRD的研究主要集中在SR电机本体设计、功率变换器及控制策略研究上，因为研究难度大，目前，只有少量文献论及SR电机振动、噪声研究［1～5］。
文［1］基于时域分析，得出结论：SR电机相绕组关断所激发的冲击振动是最主要的振动、噪声来源。为削弱这一振动，文［1］提出将相电流关断过程分成两步的“两步换相法”（参见图1）：第一步仅关断K1，相电压Up由＋Us负跃变至0 V；第二步再关断K2，这时Up由0 V负跃变到－Us。控制第二步与第一步时间间隔为定子固有频率对应周期的一半，这样，第二步与第一步产生的冲击振动相位差为180°，因而相互抵消。WUC．Y．等率先将“两步换相法”引入SRD系统设计，在CCC方式和APC方式两种工况下取得良好抑制
本文采用一种新型的只有6只主开关器件的四相率变换器[6]，在以8098单片机为控制核心的SRD设计中，引入两步换相控制策略，在电压PWM和APC两种工况下，显著地抑制了SR电机的振动和噪声。
2 系统描述
为实现多数传动装置需要的转矩／转速特性：从静止到基速具有恒转矩，在基速以上具有恒功率特性，系统采取的控制策略为基速ωb以下，电压PWM控制，输出恒转矩特性；基速ωb以上，角度位置控制（APC），输出恒功率特性。为简化控制规律，采取将关断角θoff固定在一个由实验得到的最优角度22°处，仅调节起始开通角θon。
8098单片机定时采样由转子位置传感器获得的反馈速度，与由键盘敲入的给定速度比较，误差经数字PI调节，再经软件处理，根据反馈速度的大小是否在基速以上转换成PWM脉冲或控制角度的APC单脉冲的控制参数。微机控制器根据转子位置控制对应相绕组的导通或关断，输出对应的PWM脉冲或APC单脉冲，经功率变换器，实现对SR电机的控制。为简化硬件电路，PWM控制、APC脉冲控制、速度检测、PI调节器均由软件实现；为提高过流保护动作的快速性，采用硬件过流保护电路。
样机为0．75 k W四相（8／6）SR电机，功率变换器以GTR作为主开关器件，采用图2所示的功率主电路。
图2电路的拓扑结构由Pollock等率先提出［6］，其基本上保留了不对称半桥线路的优点，所用开关器件又较不对称半桥少，具有较高的性能／价格比。
与常规SR电机直接数字控制系统（DDC）换相逻辑控制不同，既要满足SR电机电动运行换相要求，又要满足两步换相要求是制定6只主开关换相规则的原则，显然，这限制相绕组的最大导通角θc不得超过30°。
3 系统硬件设计
3．1 微机控制器硬件框图
以8098单片机为核心的微机控制器硬件框图如图3所示。
由图3可见，控制器主要由8098单片机，外接EPROM27128、专用键盘显示器接口芯片8279、位置译码及换相控制电路、电流检测与过流保护电路组成。由于基速以下采用的是电压PWM方式，为防止GTR因过流而损坏，设计了过流保护电路。对四相SR电机，其交叉相（即A、C相和B、D相）的导通区间一般不会重叠，因此可采取A相和C相、B相和D相分别共用一个电流传感器（LEM模块），对四相电流检测，如图2所示。
两路转子位置信号分别送8098的高速输入口HSI0和HSI1，HSI中断服务与高速输出HSO0～HSO3和位置译码及换相控制电路配合，用于控制6只主开关的导通、关断，实现SR电机电动运行的换相要求及两步换相要求，HSI中断服务程序还用于速度的采样。
3．2 位置译码及换相控制电路设计
图2中K1、K3、K4、K6均作为第一步换相开关，与两绕组相连的公共开关K2、K5则作为第二步换相开关。位置检测采用如图4所示的光敏式转子位置传感器半数检测方案。转盘的齿、槽数与转子的凸极、凹槽数一样，均为6，且均匀分布，所占角度均为30°，转盘安装在转子轴上并同步旋转，图中S、P为光电脉冲发生器，当转盘凸齿转到开槽的S、P位置时，发光管被遮住而使其输出状态为0，没有被遮住时，其输出状态为1，则在一个转子角周期（60°）内，S、P产生2个相位差为15°，占空比为50％的方波信号，其组合成4种不同的状态，分别对应四相绕组不同的参考位置。设θc对应的时间为，两步换相的时间间隔为tm，则APC方式下SR电机逆时针换相规则（正转换相规则）为：
（1）若S＝0，且P由0跃变到1，则K1、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（2）若P＝1，且S由0跃变到1，则K4、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（3）若S＝1，且P由1跃变到0，则K3、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（4）若P＝0，且S由1跃变到0，则K6、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断。
顺时针转动的换相规则（反转换相规则）为：
（1）若S＝0，且P由1跃变到0，则K1、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（2）若P＝0，且S由0跃变到1，则K6、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（3）若S＝1，且P由0跃变到1，则K3、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（4）若P＝1，且S由1跃变到0，则K4、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断。
笔者利用809
4 软件设计
系统软件由主、中断服务程序、专用子程序组成。主程序初始化整个系统和将显示缓冲区的4位值送8279显示RAM；中断服务程序包括软件定时器T0、T1、T2中断服务程序、HSI中断服务程序、键盘中断服务程序。其中软件定时器T0中断服务程序完成速度环PI调节与控制参数、显示速度刷新；软件定时器T1、T2完成速度采样和电压PWM控制信号的生成；HSI中断服务程序在换相控制电路支持下实现如上所述的换相规则；键盘中断服务程序首先读取按下的键值，然后根据按下的键跳转到对应的功能模块控制系统程序的执行。专用子程序主要是四字节浮点运算子程序、十六进制数转换成BCD码子程序等。
主程序初始化系统时，将HSI方式设置为每次跳变触发，因此电机每转过一个步进角，HSI中断服务程序将被执行一次，其主要是通过测试HSI0（即S信号）和HSI1（即P信号）当前的状态给HSO－COMMAND寄存器装载相应的命令字和给HSO－TIME寄存器装载触发时间值使HSO0～HSO3产生所要求的输出信号。HSI中断服务程序在实现换相控制规则的同时，还实现了APC方式下的控制。为简化设计，采用将θoff固定在经实验获得的优化角22°处，而在速度环中调节θon。
转速测量通过在采样周期内记录HSI事件触发的次数———转过的步进角（15°）数目N实现。
速度环程序在起动阶段每隔120 ms被调用一次；起动后若运行在基速以下每隔30 ms被调用一次，若运行在基速以上每隔12 ms被调用一次。速度环首先计算实际转速，然后判断电机是否已经起动。将电机转速低于50 r／min作为起动阶段，在起动阶段速度偏差不作PI调节运算，而是采取软件定时器T1中断服务程序中逐步加大斩波占空比的方法实现软起动功能。电机起动后，速度环每调用一次，都要进行一次速度偏差PI运算，然后刷新控制参数。
5 系统运行实验
以给电阻箱（ZB－120型）供电的直流发电机（Z2－31型，3 k W，3 000 r／min）作负载，对0．75 k W SRD系统负载运行的振动、噪声作了测试。图5为采用电压PWM方式，电机运行在547 r／min在机座表面所测振加速度波形，图6为APC方式下电机运行在1 433 r／min所测振动加速度波形图。
表1为测量距离取0．4 m左右，电机负载运行在不同速度下，声级计滤波网络采用A计权网络测得的总声级分贝（A）对比。
图5、6表明系统引入两步换相法对SR电机定子振动有显著的抑制效果；表1表明两步换相法对噪声有明显抑制作用，虽然限于条件，背景噪声较大，测量的精确性不高，但从噪声的对比测试看，在有些工况下，两步换相法的总声级较传统换相法低3 dB（A）左右，相当于声功率降低了1倍左右，效果是显然的。
参考文献：
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［2］ Cameron DE，etal．Theorigin and reduction of acoustil noiseindoubly salientvariable reluctance motors［J］．IEEETrans on IA，1992，28（6）：1250－1255
［3］ Blaabjerg F，et al．Investigation and
?[4]?? 刘迪吉，曹志亮（Liu Diji,Cao Zhiliang).开关磁阻电动机振动噪声研究（Research on vibration and acoustic noise in switched reluctanec drines)[J].江苏机械制造与自动化（Jiangsu Machine Building＆Automation），1990，（3）：33－34．
［5］ 王宏华，陈永校，许大中，等（Wang Honghua，Chen Yongxiao，XuDazhong，et al）．开关磁阻调速电机定子振动抑制（Thereduction ofvibrationintheswitched reluctance drive）［J］．电工技术学报（TransactionsofChina ElectrotechnicalSociety），1998， 13（3）：9－12．
［6］ Pollock C，et al．Power convertercircuitsforswitched reluctance motor with the minimum number of switches［J］．IEE Proc，
1990，137（6）：373－384．
（转载）
