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开关磁阻电机在家用食物料理机中的应用 张　珍，韦忠朝 摘要：按照家用食物料理机要求，设计开发了一套400 w (6/4)三相开关磁阻电动机结构及其双闭环驱动控制系统。使用新的单片机C8051F310，软件设计采用模块化程序设计方法,使系统具有很强的可读性和多功能性。实验结果表明,该电路很简单,系统运行性能良好,可以满足设计要求。 关键词：开关磁阻电机 单片机C8051F310 ＰＷＭ 斩波控制 家用食物料理机，常用的串激电动机电源是刷结构,容易产生火花,当它长时间使用，电刷会磨损。感应电机（启动转矩小，负载过大则电机无法转动）、永磁无刷直流电机（磁铁价格高，较少采用）和开关磁阻电机均可以作为替代。开关磁阻电机相对于感应电机起动转矩大，制造比永磁无刷直流电机简单，成本较低；与串激电机相比，它还拥有广泛的速度范围，成为家用食物料理机动力源的发展趋势，是一个新的SOC C8051F310单片机的类型。 单片机C8051F310是一种新型单片机SOC[1]，并应用于开关磁阻电动机的控制，可以充分利用其资源，并且单片机指令执行快速实现高性能控制的开关磁阻电动机。以C8051F310单片机为核心的控制器，实现开关磁阻电动机控制6/4结构，并进行了实验验证系统运行效果。 １　开关磁阻电机的工作原理 开关磁阻电动机控制系统主要由开关磁阻电动机（ＳＲＭ）、功率变换器、转子位置检测器及控制器四部分构成［２］（图１）． 图１　开关磁阻电动机调速控制系统的构成 在此系统中，ＳＲＭ 为三相（６／４）结构，功率变换器选用不对称半桥电路的拓扑结构，位置检测器采用光电式位置传感器，控制器采用Ｃ８０５１Ｆ３１０单片机作为控制系统的核心． 图２　开关磁阻电动机动作原理图 开关磁阻电机的工作原理，遵循“沿着磁通总是关闭阻力最小的路径”原则［３］．如图２ａ状态给Ａ相供电，根据上述原则，转子会逆时针旋转，最终使得转子磁极和定子极对齐，到达图２ｂ状态．从图２ａ到图２ｂ转子在空间上转过３０°机械角度．那么，通电相由Ａ相改为Ｂ相，继而Ｂ相改为Ｃ相．如图２，在一个动力循环周期（Ａ－Ｂ－Ｃ－Ａ）内，转子在空间上绕着一个螺距，根据相序循环电力使转子继续按逆时针方向旋转，输出机械能． 根据机电能量转换的原理，可通过磁场储能Ｗｍ或磁Ｗ′ｍ到转子位置角θ时偏导数，得到ＳＲＭ的静态转矩特性，即 假设电机磁路不饱和，即在磁路线性的情况下，有 结合式（１）和式（２），得到  假定电感与电流无关，此时，开关磁阻电机的电感随转子位置角的变化曲线见图３．由式（３）可知开关磁阻电机的转矩方向与电流方向无关，而与电感随转子位置角变化的偏导数有关；若，只要相绕组中有电流流过，则产生电动转矩；若，相绕组有电流流过，则产生制动转矩． 图３　开关磁阻电动机各相电感图 对于ｍ相开关磁阻电机，假定各相具有对称的结构和电磁参数，根据电路定律和电磁感应定律，可以写出其某一相（第ｋ相）的电压平衡方程式为 一般情况下相绕组电阻Ｒ 很小，可忽略，磁路为线性即为常数，则相电流解析式可表示为 对于ｍ 相ＳＲＭ，相周期为θｃｙ ，则其平均转矩为： 若电机确定，开通关断角恒定，则（４）式积分部分为常数，因此有： 　　 　　 开关磁阻电机调速控制的基本原理是控制开关磁阻电机转矩的大小与方向，根据上述分析可知，可通过控制绕组中电流以及其相对与转子的位置来实现．可见开关磁阻电机调速控制的可控参数有：相电流幅值Ｉｍ、开通角ｏｎ、关断角ｏｆｆ以及绕组电压ｕ．合理地改变这几个参数，即可控制开关磁阻电机的转速． ２　开关磁阻电机的控制策略 具有典型运行特性的开关磁阻电机分为三个区域：恒转矩区、恒功率区和自然特性区（图４）．在恒转矩区，电动机转速较低，较小，旋转电势小，电流上升很快，又因为处于低速，每相的通电时间较长，因此需对电流进行斩波限幅，避免过流，称为电流斩波控制（ＣＣＣ）方式，也可采用调节相绕组外加电压有效值的电压ＰＷＭ 控制方式；在恒功率区，电机转速较高，较大，旋转电动势较大，因而绕组电流上升率低，又由于处于较高速每个位置下主开关器件导通时间较短，所以电流无法上升到所需值，因此要通过合理调节主开关管的开通角和关断角来取得恒功率特性，称为角度位置控制（ＡＰＣ）方式；在自然特性区，电源电压、开通角和关断角等可控条件均到达控制极限，为固定值．当转速继续升高时，输出转矩将下降．图４中，ｎ１定义为开关磁阻电机的额定转速，此时对应功率为额定功率，ｎ１也称为第一临界转速；ｎ２为恒功率区的上限，即额定功率内所能达到的最高转速，称为第二临界转速． 图４　开关磁阻电机的典型运行特性图 稳态运行时，控制策略可采取如下两种方式：在ｎ１转速以下，采用电流斩波控制（ＣＣＣ 控制）；在ｎ１与ｎ２转速之间，则采用角度位置控制（ＡＰＣ控制）．本