1 引言 近幾年來，在伺服應(yīng)用系統(tǒng)領(lǐng)域中對各種轉(zhuǎn)速的要求提高了人們對開關(guān)磁阻電機（簡稱SRM）的興趣。主要原因還是由于SRM具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運行可靠、低速轉(zhuǎn)矩大、簡單的功率轉(zhuǎn)換電路、控制方式靈活和效率高等優(yōu)點。雖然SRM在過去的幾年里有了很大發(fā)展，但仍存在一些問題有待研究，如與一般電機相比其轉(zhuǎn)距脈動比較明顯，這就限制了其在伺服傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用。為了使SRM能在伺服領(lǐng)域中發(fā)揮其固有的優(yōu)點，研究如何有效的抑制SRM低速轉(zhuǎn)矩脈動具有十分重要的意義。在這方面各國學(xué)者做了大量的研究，有人提出按在飽和運行時產(chǎn)生近似正弦的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)角靜態(tài)特性來優(yōu)化電動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且采用伺服電動機控制器產(chǎn)生正弦的希望電流/轉(zhuǎn)角分布，以此削弱瞬時轉(zhuǎn)矩脈動。文獻(xiàn)[1]中采用模糊自適emerging SRM.應(yīng)控制方案，模糊參數(shù)從開始的自由選擇到最后調(diào)整為最優(yōu)。文獻(xiàn)[2]中采用局部逼近的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對期望的電流波形進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動的最小化。但上述方法并沒得到廣泛的實際應(yīng)用，其原因主要是其控制方案復(fù)雜，難以實時控制。 本文中通過借鑒步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，結(jié)合分析SRM矩角特性為本文的控制策略提供理論上的依據(jù)，并在實驗過程中驗證了控制策略的實效性，達(dá)到實驗的目的，有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動，并使噪聲大大減小。 2 微分驅(qū)動的原理 在步進(jìn)電機的驅(qū)動控制中，將電機繞組中的電流對應(yīng)各個平衡位置進(jìn)行細(xì)分，由常規(guī)的矩形波供電改成階梯波供電，繞組中的電流經(jīng)過若干個階梯上升到額定值或者從額定值經(jīng)過若干個階梯下降到零。經(jīng)過細(xì)分后，驅(qū)動電流的變化幅度大大減小。故轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡位置時的過剩能量也大為減少；另一方面，控制信號的頻率提高了N倍（細(xì)分?jǐn)?shù)），故可遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的低頻諧振頻率。因此，運用細(xì)分驅(qū)動不僅能使電機運行平穩(wěn)，而且還能減弱或消除振蕩引起的低頻噪聲。 從上述可以看出，步進(jìn)電機的細(xì)分實質(zhì)是在電機各相繞組的電流切換時代替原來的繞組電流直接通斷的方法。對于SRM而言，其工作原理與大角度步進(jìn)電動機相似，定子磁動勢在空間以一個較大的步進(jìn)角步進(jìn)運行，由此我們考慮到在SRM驅(qū)動中是否也可以借鑒步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動的思想，在換相時細(xì)分繞組電流使通過繞組的電流階梯變化，通過控制各相電流的大小使繞組轉(zhuǎn)矩矢量在轉(zhuǎn)子的各平衡位置保持大小基本恒定，即減小了轉(zhuǎn)矩脈動。 3 SRM轉(zhuǎn)矩矢量控制原理 在SRM矩角特性分析中，若忽略磁路的非線性因素影響，電磁轉(zhuǎn)距可表示為： 式中：L0、L1為自感的恒定分量和基波分量的幅值，可以認(rèn)為是常數(shù)。 　　Nr為SRM轉(zhuǎn)子齒數(shù)由（１）、（２）可得： T（θ,i）=-Tmax＊sin （Nrθ）……………………（３） 所以，每相繞組產(chǎn)生的基波電磁轉(zhuǎn)矩是一種空間正弦波，穩(wěn)定零位取決于該相磁極中心線的位置。電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子位置θ和相電流的函數(shù)。因此，可以用空間矢量TA代表A相繞組的電磁轉(zhuǎn)矩，其相位和A相繞組磁極中心線一致。在開關(guān)磁阻電機步進(jìn)運動分析中，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)矩矢量圖可以使分析形象化，在本文的分析中以（8/6）四相SR電動機為例，如圖1。 [align=center] 圖1 SRM旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)矩矢量[/align] 對于（８／６）四相SR電動機而言，A相繞組產(chǎn)生的穩(wěn)定零位和B相繞組產(chǎn)生的穩(wěn)定零位錯開一個步進(jìn)角，在空間按幾何角度15度，若用電角度表示90度。如規(guī)定轉(zhuǎn)子順時針方向旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，則只要按A-B-C-D的順序依次給各相繞組供電，開關(guān)磁阻電動機的轉(zhuǎn)子以步進(jìn)角15度一步一步的正轉(zhuǎn)。假定忽略電動機的互感，允許將轉(zhuǎn)矩進(jìn)行矢量相加，即得到圖1所示的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)矩矢量，其中TAB 、TBC、TCA和TAD稱為派生轉(zhuǎn)矩矢量，表示兩相同時供電的合成轉(zhuǎn)矩；TA、TB、TC、TD稱為基本轉(zhuǎn)矩矢量，他們相位取決于定子磁極中心線的空間位置，表示一相單獨供電時的轉(zhuǎn)矩，相臨兩個轉(zhuǎn)矩錯開步進(jìn)角3.75度。派生轉(zhuǎn)矩和基本轉(zhuǎn)矩的關(guān)系可表示為下列向量形式： Tab=Ta+Tb…………………………（4） 派生轉(zhuǎn)矩矢量的相位可以通過對繞組電流幅值的控制加以調(diào)節(jié)，使它出現(xiàn)在基本轉(zhuǎn)矩矢量之間的任何相位上，采用控制繞組電流的辦法增加SRM的每轉(zhuǎn)步數(shù)，提高分辨率，減小轉(zhuǎn)矩脈動。隨著電動機每轉(zhuǎn)細(xì)分步數(shù)的增加，可供選擇的最佳離散電流波形為正弦函數(shù)波形，如果能夠控制各相繞組的電流為正弦波，則實現(xiàn)SRM的連續(xù)控制。 4 微分驅(qū)動在SRM控制系統(tǒng)中的實現(xiàn) 由以上對（8/6）SRM轉(zhuǎn)矩控制原理的分析可知，開關(guān)磁阻電機細(xì)分驅(qū)動的核心就是為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩矢量幅值相等，控制相繞組電流跟隨給定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的給定電流大小，使實時轉(zhuǎn)速保持在給定轉(zhuǎn)速誤差范圍內(nèi)，從而有效減小了轉(zhuǎn)矩的脈動。 同時導(dǎo)通的兩相繞組電流可表示為下式，式中 為合成矢量對應(yīng)的電流大小： ia=Im＊cosθ; ib=Im＊sinθ ; ………………………………………（5） 則合成電流矢量i（以ia為參考）： i是一個以Im為幅值，－θ為輻角的矢量。這樣，由式（1）、（6）可知，每當(dāng)θ的值發(fā)生變化時，合成的矢量轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的角度，且幅值大小保持不變，實現(xiàn)了恒力矩的細(xì)分驅(qū)動。利用式（5）可得到細(xì)分后通電相電流數(shù)據(jù)。 所以要控制轉(zhuǎn)矩必須控制電流，而控制電流是以控制PWM功率變換器輸出脈寬被調(diào)制的功率開關(guān)信號為直接控制量，使實際輸出電流按階梯波電流變化。因此SRM的微分驅(qū)動要靠控制PWM的占空比來實現(xiàn)。用下式表示加在導(dǎo)通相繞組的PWM信號的占空比： Ya＝Y(jié)＊cosθ ； Yb＝Y(jié)＊sinθ ；……………………………………（7） 上式中：Y為占空比幅值； Ya，Yb分別為Y在通電相繞組的分量； θ為轉(zhuǎn)矩角； （7）式中的占空比幅值Y與 速度閉環(huán)中的給定速度 通過量化換算得出線性對應(yīng)關(guān)系： Y=k＊n；k為比例系數(shù)； 所以在速度給定的前提下，占空比幅值Y保持恒定，由（7）式可知，只要調(diào)整特定平衡位置的轉(zhuǎn)矩角 即可控制各相PWM脈寬占空比分量，根據(jù)（5）式與（7）式的對應(yīng)關(guān)系，由各相占空比分量大小的變化從而控制了導(dǎo)通相電流的大小。 （8/6）四相SRM轉(zhuǎn)子極距角（周期）為60度，每相步進(jìn)角為15度，因此微分驅(qū)動的行為即是要細(xì)分該15度的步進(jìn)角，在15度的步進(jìn)角中找到三個轉(zhuǎn)矩平衡位置，由于SRM繞組電流的大小受PWM功率變換器控制，所以調(diào)節(jié)PWM輸出脈寬即可使實際輸出電流如圖2所示按階梯波電流變化，各相通電順序為： 電機正轉(zhuǎn)時：A-AB1-AB2-AB3-B-BC1-BC2-BC3-C-CD1-CD2-CD3-D-DA1-DA2-DA3-A 反轉(zhuǎn)時：A-AD1-AD2-AD3-D-DC1-DC2-DC3-C-CB1-CB2-CB3-B-BA1-BA2-BA3-A [align=center] 圖2 （8/6）SRM細(xì)分繞組理想電流波形[/align] 在SRM轉(zhuǎn)子位置檢測中，由光電旋轉(zhuǎn)編碼器檢測轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生較高分辨率的數(shù)字信號。如轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周（360度）能產(chǎn)生N個信號，則稱其為Np/r（脈沖/轉(zhuǎn)）。把N個脈沖信號細(xì)分，每轉(zhuǎn)過N/96個脈沖調(diào)整一次相繞組電流大小，使轉(zhuǎn)子的一個大步距角細(xì)分成4個小的步距角。從而使電流用換相區(qū)代替換相點，即在換相時關(guān)斷相電流不是立即關(guān)斷到零，而是按階梯下降；導(dǎo)通相也并不是立即導(dǎo)通，而是按階梯逐漸導(dǎo)通。階梯的寬度 即PWM脈寬占空比由32個脈沖轉(zhuǎn)過的時間決定。 控制系統(tǒng)原理如3圖所示，實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相比較產(chǎn)生的偏差信號通過調(diào)節(jié)器經(jīng)過PID運算產(chǎn)生給定轉(zhuǎn)速對應(yīng)PWM脈寬占空比Y，同時根據(jù)轉(zhuǎn)子位置脈沖查表對應(yīng)平衡位置轉(zhuǎn)矩角θ對應(yīng)的正余弦值，經(jīng)過算術(shù)運算求得實時通電相PWM占空比幅度Ya、Yb，即控制了通過SRM繞組的有效電流大小。 5 實驗與結(jié)論 本文論述的微分驅(qū)動SRM的控制策略在具體實施階段，選用了Microchip公司的PIC18F2331高檔八位單片機，該芯片內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)資源，其中功率控制PWM模塊、CCP模塊、A/D模塊、光電編碼器接口（QEI）等為SRM的控制提供了方便。 利用CCP模塊的捕捉模式，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置信息脈沖符合設(shè)定的條件時（上升沿或下降沿出現(xiàn)），中斷標(biāo)志位CCP1IF被硬件自動置位，產(chǎn)生一次CCP1捕捉中斷。將TMR1的計數(shù)值傳送到CCPR1寄存器。根據(jù)計數(shù)值可計算電機轉(zhuǎn)速。 在PIC18F2331中，功率控制PWM模塊支持三個PWM發(fā)生器和六個輸出通道。在本系統(tǒng)中，功率變換部分采用半橋式電路，相與相之間完全獨立，每相需要一個IGBT作為主開關(guān)器件，所以只要選用兩個PWM發(fā)生器和四個輸出通道即可滿足電機的驅(qū)動控制。 A/D模塊為10位高速轉(zhuǎn)換器，可通過寄存器設(shè)置芯片的工作電壓作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓（即使用VCC為參考電壓）。則模擬信號的輸入范圍為0～VREF。 相電流采樣選用霍爾電流傳感器采樣電流信號，霍爾電流傳感器本身已存在濾波電路，輸出可直接提供給單片機的A/D模塊。 在本控制系統(tǒng)中采用了光電編碼器測量轉(zhuǎn)子位置，作為閉環(huán)控制的反饋量。 PIC18F2331提供了這種編碼器的接口電路，編碼脈沖通過2個引腳QEA和INDX 輸入到芯片內(nèi)部作為輸入時鐘，時鐘信號使位置計數(shù)器寄存器（POSCNT）遞增。此寄存器的工作模式?jīng)Q定了是在QEA 輸入沿遞增。如果與周期寄存器MAXCNT 匹配該寄存器復(fù)位。如果允許位置計數(shù)器中斷，當(dāng)POSCNT復(fù)位時會產(chǎn)生一個中斷。 由于本系統(tǒng)采用了外設(shè)資源集成度比較高的PIC單片機，所以硬件電路比較簡單。 系統(tǒng)框圖如下： [align=center] 圖4 系統(tǒng)框圖[/align] 經(jīng)過實驗驗證，該微分驅(qū)動控制方法使SRM最低可平穩(wěn)運行在20r/min的轉(zhuǎn)速，在低速運行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩脈動大大減小，轉(zhuǎn)動時的噪聲也得到了有效的改善。 但是如果在感性負(fù)載的情況下，電動機中電流的上升或衰減并不是瞬時完成的。尤其在SRM高速運行時，繞組中電流只有很短的時間來跟蹤給定，因此微步細(xì)分的步數(shù)和轉(zhuǎn)速都受到一定程度的限制，并不能無限微步細(xì)分。