高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计
图3.11 电感电流的变化曲线
根据机电能量转换的原理可以知道：若旋转电势为正时，即dL/dθ>0 时，表示SR电动机吸收电功率，输出机械功率，此时定子与转子之间磁阻转矩为电动转矩；若旋转电势为负时，即dL/dθ<0,表示SR 电动机吸收机械功率，输出电功率，此时定子与转子之间磁阻转矩为制动转矩。因此相开关的通断时刻必须参考电感变化的规律来控制。如果想使SR 电动机电动运行，每相开关导电区间θ0－θ1 均应控制在电感曲线上升段（即dL/dθ>0），若有一相开关导电区间θ0－θ1 落在电感曲线下降段（即dL/dθ<0）该相定子与转子之间磁阻转矩为制动转矩，对电动机运转时是有害的，使电动机有效平均转矩降低，出力减小，甚至难以运转。因此控制电路适时控制功率电路的相开关通断时刻，是SR 电动机正常运转的关键。
3.3 IGBT驱动电路的设计
由于IGBT是电压型控制元件，其驱动电路变的相应简单，这就更强调了保护IGBT的功能。驱动模块有富士公司的EXB系列、英达公司的HR系列、三菱的M57962等，还有CONCEPT的SCALE系列产品。
为了满足IGBT的驱动电路，任何一个IGBT的驱动电路都必须具有三个主要功能：一是驱动放大，二是隔离，三是保护。具体地说，它必须提供适当的正反向驱动电压，有足够的瞬时功率或电流输出能力，做到尽可能短的输入信号传输延时，有很强的输入输出隔离能力，具有可靠的短路或过电流能力。
由于IGBT能输出适当的正反向电压以可靠关断开通IGBT。正向电压由IGBT通态电压与栅极电压关系决定，一般取15~20V，反向电压一般取-5V或稍大；提供足够大的瞬时功率或电流，使IGBT能及时迅速建立栅控电场而导通;尽可能小的输入输出延迟时间以提高工作频率；电流故障保护可以采用延时搜索的方法。因为随着IGBT栅射电压VGE的降低短路电流明显减小，允许的短路时间相应增大。以IRG40F为例：当VGE=15V时，
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 短路电流为250A，允许的短路时间为4μS；而当VGE=10V时，短路电流下降为150A，允许短路时间为150μS。因而，可设计如下方案实现过流保护。EXB841是由日本富士公司生产的IGBT专用驱动模块。电路信号延迟时间不到1.5μS；最高工作频率40KHz；外加+20V单电源供电，由内部稳压管产生-5V反向偏置电压；采用高速光耦实现输入输出电气隔离，输出绝缘电压为4.5KV；输出正向偏置电压+15V，正反向输出电流可达4.0A；可实现短路保护及慢关断功能。
综上所述，EXB841完全满足IGBT驱动电路的要求，可以实现IGBT的可靠驱动。T对驱动电路要求较高，因此，一般选用专用电路。本系统采用的EXB841，为日本富士公司生产的专用混合IC驱动器，除具有一般驱动功能外，还具有短路保护功能且性能十分可靠。
3.4 位置检测单元的硬件设计
位置检测单元是调速系统的主要组成部分之一，它的主要目的是用来检测定子、转子的相对位置，然后把它们的位置信号通过硬件电路来反馈给控制器ARM 来确定相应的绕组通断。
对任一定子极数Ns、转子极数为Nr 的SR 电动机，设Ns>Nr，则转子步进角θstep为：θ step = 2π (Ns ? Nr) / NsNr 而转子极距角（或转子角周期）ζr 为：
?(Ns?Nr)?r?m?step?
Nr式中 m——电机相数，即为定子极对数（Ns/2）。
SR 电机的转子每转过一个步进角，位置检测器的输出信号将发生对应变化，逻辑控制电路据此发出对应相绕组的接通和断开的切换命令。对于8/6 极开关磁阻电机而言，对一个转子极距角ζr＝60°内，共有四个步进角，因此在一个极距角内，位置检测输出信号相应发生4 次变化，当转过一个转子极距角后，位置信号又回复到起始状态，如此反复循环，即可使转子位置与绕组导通的相序很好的配合起来。SRD 对位置检测的一般要求是首先在运行的速度范围内要满足检测的精度要求。
其次要求电路简单、工作可靠、抗干扰能力强，有的还要求能在恶劣环境下工作。本系统的位置检测器选用简单、可靠的光电式转子位置传感器，该传感器由遮光盘和光电脉冲发生器组成，遮光盘有6 个均匀分布的齿槽，装在转子上，相距15°的两个光电元件S1,S2 装在定子上。
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 当电机旋转时，通过观察转子盘的发光和遮光，使光耦产生导通和关断信号，可以输出两个相位差为15°、占空比为50℅的方波信号，经过硬件电路处理后，组成电机四种不同的参考位置。输入到控制器的两个捕获单元CAP1、CAP2，捕获单元CAP1、CAP2 通过检测这两路位置信号的变化，当捕获单元的引脚上检测到一个电平变换时，定时器T1 的值被捕获且放在相应的寄存器中，因为位置信号的上、下跳变都要引起中断，所以每15°就要发生一次中断，中断服务程序根据位置传感器传来的位置信号确定对应绕组的通断，通过捕获的值来计算电机的转速。电机的位置传感器硬件处理电路对应关系如图3.12。
图 3.12位置信号和电感变化及相导通的逻辑关系
3.5 速度给定信号的硬件电路
速度给定信号由电位器分压来实现，通过改变电位器上的电压值来使AD 转换的输入值发生改变，进而改变速度的给定值。
图3.13 速度给定原理图
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速度给定值?210实际电压?满额电压
3.6 电流检测电路
为了实现电流保护，使电机安全运行，必须对绕组中的电流进行检测，电流检测电路必须符合以下的条件：被测主电路即强电部分必须与弱电部分间良好隔离，且具有一定的抗干扰能力；单向电流检测，在一定工作范围内具有良好的线性度。
本论文采用的测量电流元件是霍尔元件电流传感器，由前面分析可知，本论文采用的功率电路在电机工作的时候，任何时刻A、C 相中的一相和B、D 中一相同时通电，但是A、C 相，B、D 相永远不会同时导通。因此，在实际的应用中，将A、C 相，B、D 相绕组共用一个电流传感器。该传感器具有强弱电隔离功能，其测量精度高，线性度好，频带宽，是目前广泛采用的器件。本文所选用的传感器是直测式霍尔电流传感器，测量的范围为0～100A，副边额定输出电压为4 士1V，其内部匝数比为1:1000，供电电压为士15v，线性度≤0.15％[34]，由于该传感器输出的是电流的形式，而LPC2101的AlD 模块所能接受的是电压量，因此先将传感器的输出电流值转化为0～5V 的电压值才一能送入A/D 模块中，电流检测原理如图3.14 所示。
图3.14 电流检测原理图
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 电路的工作过程如下：当电机的绕组电流I 从零增加到IMAX 时，对应的输出电压VAC(VBD)大于上限值，这时比较器LM139 的输出电压为低电平，绕组关断，这时上限值就翻转为选定的下限值，电机绕组的电流下降，当传感器输出的电压低于下限值时，比较起的输出又翻转为高电平状态，使相应的绕组导通。同时，下限值又翻转为上限值。如此反复的循环就组成了一个高速限流保护的控制电路。
3.7 低速电流斩波电路
根据开关磁阻电机的运行方程：
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可以知道低速运行的时候，即角速度ω 很小的时，电机的旋转电动势较小，但是电机的供电电源是不变的，而且电机的电感L 在电机工作时，增量不是很大，因此通过电机的绕组电流很大。为了使功率元件和电机安全的运行，因此在电机低速运行时必须采用限制电流幅值的措施，即低速电流斩波控制。
图3.15为电流斩波原理。下面介绍一下其工作过程。
图3.15 电流斩波原理
从电位器设定的电流信号值IA 输入到比较器LM139 的正输入端，电流的实际信号值I 经过硬件电路处理后输入到LM139 的负输入端。当I 31