广东美的白色家电技术创新中心有限公司 杨伸其
摘要：文章以破壁机高速电机为研究对象，分析高速开关磁阻电机与控制器在破壁机电机中的应用。高速开关磁阻电机控制性能良好、再生制动简单，可提高系统效率，降低能耗，符合节能环保、低碳经济发展的要求，同时其还能够有效促进家用中小产品向中高端、智能方向创新发展。因此，对破壁机用高速开关磁阻电机控制进行分析，具有重要的意义。
关键词：破壁机；电机；高速开关磁阻；电机控制
引言
破壁机是家庭中常用的一种小功率电气，符合绿色健康的生活理念，也因此备受人们关注。而人们在购买破壁机时，重点关注的是破壁机的性能，对于一款破壁机性能的评价，关键在于其高速电机这一核心部件。而开关磁阻电机具有这几个方面的优点：一是电机结构简单，在高速场合工作时不变形，可使用高速、强震等恶劣场合；二是只需要在定子上绕组，且绕组技术简单，成本较低，转子全部有硅钢片叠压制成，所以能在高温条件下使用；三是功率变化器较简单，功率管直接与定子绕组串联，可有效避免功率管短路的现象，且彼此之间相互独立，所以具有良好的容错能力；四是启动转矩较大，且电流小；五是调速和控制方法多样，能在不同场合中使用；六是功率损耗和工作效率较理想。由此可见，开关磁阻电机具有良好的应用前景和巨大的市场潜力。本文则是针对破壁机的应用，设计高速开关磁阻电机控制系统，在详细分析破壁机应用特性的基础上，对开关磁阻电机的工作原理、开关磁阻电机调速系统多种控制策分析，以此顺利完成破壁机高速开关磁阻电机控制系统的设计，进而提升破壁机的技术性能水平。
1、开关磁阻电机的工作原理分析
1.1调速系统的构成
开关磁阻电机系统属于一个复杂的调速系统，其调速系统主要由开关磁阻电机本体、功率变化器、位置检测器、核心控制电路这四个部分构成，具体可见下图1所示。
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图1 开关磁阻电机调速系统的构成
其中，开关磁阻电机本体是开关磁阻电机调速系统中将电能转化为机械能的重要部件，也是区别与传统电机调速系统的主要标志。开关磁阻电机的定子和转子均是连续的凹凸结构，定子径向上一对凸级缠绕的线圈为一相，在通电的情况下可产生径向磁通。而由于定子和转子的凸级数量存在差异，所以可根据二者凸级数量不同分为六相、四相和三相等结构。本文采用的是三相级结构的开关磁阻电机。
而相比较传统的交直流电机，开关磁阻电机严禁将磁阻电机直接接入交流电，需要经过功率变化器将电源性质改变后，才可向开关磁阻电机提供所需的能力，这也是开关磁阻电机区别与传统电机的一个重要体现。
另外，在整个开关磁阻电机调速系统中，核心控制器犹如“大脑”一般的存在，主要负责综合处理速度给定指令、转速反馈信号、电流传感器及位置传感器反馈的信号，之后决定功率变化主开关器件的工作状态，进而实现对开关磁阻电机的控制驱动。而由于早期主要使用单片机作为控制芯片，其工作效率低、功能单一，并不能够有效满足开关磁阻电机高级复杂控制的需求，因此本文设计采用的是ARM公司生产的STM32F103型号的控制芯片，并以此为核心对整个调速系统进行设计。
1.2 基本运行原理
开关磁阻电机在原理上与传统交直流电机有较大的区别，其电机原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着最小路径闭合。在转子铁芯与定子磁通方向不一致时，磁场会应扭曲力作用而产生切向拉力，此时将转子拉至磁阻最小位置，也就是转子的主轴线与磁场轴线重合。所以开关磁阻电机的结构原则应让转子在旋转时磁路的磁阻变化尽可能最大，其定子和转子采用的双凸级结构与二者凸级数量不同也是基于这一原则。三相级结构开关磁阻电机典型原理图可见下图2所示。
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图2 三相级结构开关磁阻电机典型原理图
在具体的运行中，径向相对的2个定子绕组串联在一起，在通电情况下，这两个凸级之间产生两级型磁场。同时开关磁阻电机的转子上也没有绕组和永磁体，电机的转矩主要是由磁通选择最小路径的趋势产生。在两个凸级重合后，此时电感最大，磁阻最小；而当定子凸级与转子凹级轴线重合时，此时电感最小，磁阻最大。在对照图2中给出的定子和转子的位置，按照C-B-A-C的顺序绕组通电，此时转子就会顺时针旋转，反之，要想使转子逆时针旋转，就需要按照A-B-C-A的顺序绕组通电。由此可见，开关磁阻电机转子的旋转方向与其绕组电力方向并无联系，只与各相绕组的通电顺序相关。
另外，电磁转矩与开关磁阻电机调速有直接关系，开关磁阻电机的电磁转矩一般指的是平均转矩，也就是所有相数产生的转矩的平均值，且不是恒定不变的。而开关磁阻电机的电磁转矩与绕组电流和位移角存在线性关系，要想增大电磁转矩，可通过增大电流，并在不影响结构稳定的前提下，尽可能小定子、转子凸级间气隙及尽可能大的转子凹槽，以此提高电感对位置较的变化率，从而增大开关磁阻的电磁转矩。
2、开关磁阻电机调速系统的控制策略
2.1开关磁阻电机调速的特性分析
在设计开关磁阻电机调速系统控制方案前，首先需要了解开关磁阻电机调速的特性。通过开关磁阻电机运行的原理可得知，在通电情况下，开关磁阻电机相绕组上升区间时，此时开关磁阻电机处于电动状态，而不同的开关磁阻电机在电动状态时，均对应一条机械特性调速曲线，该特性曲线主要分为恒转矩区、恒功率区和串励特性区，具体见下图3。
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图3 开关磁阻电机调速控制特性示意图
由图3可得知，在电流处于电感上升区间最大条件下时，有一个临界转速b，此时开关磁阻电机能产生最大转矩时的最高转速。在不超过此转速时，开关磁阻电机可实现恒转矩的控制，同时在此区域内开关磁阻电机的转速相对较低，随之电机感应的电动势能也比较小。在绕组通电后，随着电流上升速度的加快，需要对相电流限幅控制，可通过调节相绕组外加电压有效值的电压斩波控制方式进行。
另外，在开关磁阻电机转速超过rc时，由于全部可控变量均已达到极限，此时开关磁阻电机的转速变化则主要取决于外部负载转矩，当负载转矩越小时，电机转速就会越大，因此对于电机的控制设计，应确保其最高转速不超过rc。
由上述可得知，在开关磁阻电机设计和运行时，需要重点考虑第一临界转速b和第二临界转速rc，应在这两个速度区域内分别采用不同的控制策略，如此便能够满足不同需求的机械特性，也由此表明了开关磁阻电机的调速性能较优良，适用于高速破壁机的驱动电机中。
2.2开关磁阻电机调速系统的控制方案
基于破壁机稳定可靠的高速旋转和多档位转速的要求基础上，对开关磁阻电机的控制方案进行设计。在实际设计中，对于开关磁阻电机不同转速区间的控制策略选择具体见图4所示。
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图4 开关磁阻电机多种控制方式
由图4得知，要想保证开关磁阻电机在某一转速区间内稳定可靠地运行，同时保证其调速系统满足低速恒功率和高速恒转矩的特性，就需要综合选择启动斩波、电流斩波和角度位置控制方式。
2.2.1 启动过程的控制
在开关磁阻电机启动时，因为需要随时反馈转子位置的信号来确定换相控制，而本文所设计采用的是三相级以上开关磁阻电机，不仅能进行任意位置的自动启动，且启动较简单，加之启动时启动转矩大、启动电流下，所以在开关磁阻电机启动时刻，电机转速为零，相应的相绕组中不会产生感应电动势。但在电源压作用下，会使得相绕组电流快速上升，这容易使得主开关器件通过的电流超过允许的最大值，进而对器件造成威胁。此时就需要注意相绕组电流幅值的控制，一般是在开关磁阻电机启动时，通过电流斩波或电压斩波的方式进行控制。其中，电压斩波控制方式，主要在保持每一相绕组的开通角和关断角不变的情况下，在导通角允许的范围内将主开关器件工作在脉冲宽度调制下，电压斩波周期固定，对占空比进行调节，从而对加在绕组两端电压有效值的调整，进而实现对绕组电流的控制和转速的调节。另外，考虑开关磁阻电机在启动时往往需要较大的电磁转矩，且输出转矩具有较大的波动，会产生明显的噪音，为确保开关磁阻电机在启动时电磁转矩尽可能大，同时又能够尽可能的平稳和绕组电流不超过器件安全限值，最后决定设计采用限流方式下的电压斩波控制方式，也就是在导通角范围内设定一个最高的电流斩波上限值，当电流达到这一限值时，自动将主开关管关断且在一个固定周期后，主开关管可继续开通直到电流又达到上限，如此反复循环。而破壁机在启动瞬间，需要克服较大的负载转矩，为了获得尽可能大的电磁转矩，因此采用全波导通（导通角45°）的方式进行控制，也就是在整个电感上升区间绕组均有电流通过，因为转速较低，且导通角和关断角时刻电流几乎保持垂直上升和下降的状态，此时在一个转子周期内可使电流波形呈现为矩形，这种控制方式有效结合了电压斩波控制和电流斩波控制的优点，只需要选择一个合适的周期，就能够让主开关器件关断时间满足开关频率要求的同时，又能保证电流波动范围不大，进而使得开关磁阻电机表现出较大的恒转矩特性。
2.2.2 低速运行时的控制
随着电机转速的不断提升，其接通的相绕组也会产生较大的感应电动势，并与转子转速成正比，此时相绕组的电力变化较缓慢，若仍采用全波导通的方式，在关断角时刻后的续流阶段，绕组电流下降会经过产生制动转矩的电感下降区，这并不利于实现电机转速的调节。因此，在电机启动结束后，要将关断角超前于45°位置角一段距离，以此避免电流产生制动转矩。同时，考虑三相级电机在每一相导通角小于30°时，任一时刻三相绕组会出现断续导通的情况，进而使得合成的电磁转矩波动较大，所以不建议采用这种导通方式。而在每一相导通角在30°~45°之间时，任一时刻三相绕组会出现单相与两相交替导通的情况，这种导通方式较适用于负载转矩较大的情况下。因此，在开关磁阻电机处于低速运行时，为确保转矩输出的平稳性，一般需要控制导通角在30°~45°之间，并通过调整电流复杂的方法进行输出转矩的调整，具体的控制方法是在一个转子周期的导通角范围内，设定电流斩波的上限值和下限值，在绕组的电流上升至上限值时，主开关期间关断，而随着电流的下降达到下限值时，主开关器件导通，相绕组电流又开始上升，如此反复，实现对电流较精准的控制。
2.2.3 高速运行时的控制
理论上讲，通过电流斩波控制方式可实现开关磁阻电机较大范围的转速条件，但是若电机处于高速运行状态下，这样的控制方式并不是最优的。因此在设计破壁机开关磁阻电机控制系统时，也要充分考虑电机高速运行时的控制。具体的控制方法为：当开关磁阻电机转入进入到高速区域时，应用角度控制策略，也就是对开通角和关断角这两个变量调节的方式来改变相电流的波形，通过试验获取最优关断角并保持不变，通过转速信号PI运算获取开通角大小，从而实现电机转速的控制。
3、结语
本文主要是对开关磁阻电机调速系统的控制策略进行了详细的分析，先是分析开关磁阻电机系统的构成及原理，然后在基础上针对不同转速区域的调速特性，给出了各转速阶段的控制方法，同时也证明了高速开关磁阻电机具有调速范围宽、钻速响应快、运行稳定等优势，可满足破壁机的应用需求。
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