第5章 控 制 器
5.1 控制方式
开关磁阻电机调速系统的控制方式，指电动机运行时对那些参数进行控制及如何进行控制，使电动机达到规定的运行工况（如规定的转速、转矩等），并使其保持较高的力能指标（如效率、温升等）。它是研究开关磁阻电动机调速系统中的一个非常重要的问题：
5.1.1 控制参数与电机性能
5.1.1.1 角度控制
1、 角度控制方法 控制开通角θon和θoff关断角。在θON和θoff之间，对绕组加正电压，在绕组中建立和维持电流。在θoff后一段时间内，对绕组加反电压，电流续流并快速下降，直至消失。
2、 角度控制与电动机特性
（1） 角度控制与电动机工作状态 改变θon 和θoff改变电流波形与绕组电感波形的相对位置。使该电流波形的主要部分置于电感波形的上升段，则使电动机电动运行，反之使电流波形的主要部分置于电感波形的下降段，则电动机制动运行。
（2） 角度控制与电动机转矩和转速 在电动状态下，电动机的电流分析知，开通角θon提前，则在最小电感区段电流上升时间加长，使电流波形有以下变化：
1）、波形加宽；
2）、波形的峰值和有效值增加； 3）、与电感波形的相对位置变化。
改变θon使电感上升段电流变化，从而改变了电动机转矩。当电动机负载一定时，改变其转矩进一步改变了转速。改变一般不影响电流峰值，但影响电流波形宽度及其同电感曲线的相对位置，电流有效值也随之变化，因此同样对电动机的转速转矩产生影响，但其影响远没有大。同样的分析也可用于制动运行状态。
3、 角度的优化 角度控制是控制开关磁阻电机调速系统的一种最有效的方法。但首先必须解决如何控制的问题。因为在电动机的允许范围内，对需要得到的一组转矩和转速，可以有许多，甚至无数组与之对应。两个不同θon产生差异很大的电流波形，其产生的转矩却相同。电流波形不同对应的绕组铜损耗和电动机效率也相同。找出众多不同θon和θoff中能使电动机出力相同而效率最高的一组就实现角度优化。寻优过程可通过计算机分析实现，也可通过实验方法完成。
4、 角度控制的特点
① 矩调节范围大 如果定义电流存在区间占电流周期T的比例为电流占空比，则角度控制下电流占空比的变化范围几乎从0～100%。
② 同时通电相数可变 步进电动机中常有一相通电、两相同时通电之说。同时通电相数多，一般电动机出力较大，转矩脉动较小。对m相电机，同时通电相数Ps可由电流占空比计算，为
Ps=tm/T
在角度控制中,由于t变化，Ps也随之变化。对四相8/6极电机，m=4,T=60°,若t变化范围为15°～45°，则Ps=1～3，当Ps为非整数时，表示按时间平均的通电相数。当电机负载变化时，自动增加或减少同时通电的相数是本控制方式的优点。
③ 电动机效率高 通过角度优化控制，使电动机在不同负载下均能保持高效率。 ④ 不适用于低速 角度控制方式中，电流峰值主要由旋转电势限制。当转速降低时，旋转电势减少，可使电流峰值大至不允许值，因此角度控制一般适用于较高的转速。
5.1.1.2 电流斩波控制
（1）、电流斩波控制方法 在θ=θon在时，功率电路开关元件接通（称相导通），绕组电流I从0开始上升，当电流增长到一定值时，使绕组断电（称斩波关断）。绕组承受反压，电流快速下降。经时间T1后，对绕组重新通电（称斩波导通）。如此反复通电断电，形成斩波电流波形，直至θ=θoff时实现相关断，电流衰减至0。
本控制方式中，选择θon和θoff能使电流波形的主要部分置于电感的上升或下降段，使电动机处于电动运行或制动运行。控制的大小能调节电流峰值，起到调节电动机转矩和转速的作用。斩波周期T主要由T1决定。T小则电流的平均值与峰值之比增大，有利于在一定电流峰值下提高电动机出力。同时T小有利降低噪声，如使斩波频率时可使斩波噪声频率避开人耳听觉范围。但要取得较小的T，则要求功率电路开关元件工作频率提高，需选择高频开关元件，成本较高，且开关损耗较大。
（2）、电流斩波控制的特点
① 适用于低速和制动运行 电动机低速运行时由于绕组中旋转电势小，电流增长快。在制动运行时，由于旋转电势的方向与绕组端电压方向相同，使电流比低速运行时增长更快。两种运行中，采用电流斩波控制方式正好比可限制电流峰值的增长，并起到良好有效的调节效果。
② 转速平稳 由于每个电流波形呈较宽的平顶状，故产生的转矩也较平稳。各相综合的总电动机转矩脉动一般也比采用其他控制方式时要明显小。
③ 适用用作转矩调节系统：如果选择的斩波周期T也较小，并忽略相导通和相关断时电流建立和消失过程（转速低时近似如此），则本方式下绕组电流波形近似为平顶方波波形。平顶方波的幅值对应了一定的电机转矩，该转矩基本上不受其他因素（如电源电压，转速等）影响，因此本控制方式十分适合构成转矩调节系统，如具有力矩电机特性。
④ 用作调速系统时抗负载扰动的动态响应慢：为提高调速系统在负载扰动下的转速响应速度，除要求转速检测调节环节动态响应外，系统自然机械特性的硬度十分重要。本方式中，由于电流峰值被限制，当电机转速在负载扰动作用下发生变化时，电流峰值无法相应自动改变，电机转矩也无法自动改变，使之成为特性非常软的系统，因此系统在负载扰动下的动态响应十分缓慢。
5.1.1.3 电压斩波控制
（1）、电压斩波控制的方法 在θon—θoff通电区间内，使功率开关按脉冲宽度调制（PWM）方式工作。脉冲周期T固定，占空比T1/T可调。在T1内，绕组加正电压，T2内加零电压或反电压。改变 占空比，则绕组电压的平均值u变化，绕组电流也相应变化，从而实现转速和转矩的调节。与电流斩波控制方式类似，提高脉冲频率f=1/T，则电流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但功率开关元件工作频率增大。
（2）、电压斩波控制的特点 电压斩波控制方式通过PWM方式调节绕组电压平均值，进而能间接限制和调节过大的绕组电流，故既能用于高速运行，又适合于低速运行。其余特点与电流斩波控制方式相反，既适合用作转速调节系统，此时抗负载扰动的动态响应较快，但低速运行时转矩脉动较大。 5.1.1.4 控制方式实例
开关磁阻电动机调速系统可采用多种控制方式，不同方式对应的电动机特性差异很大，因此选择适当的控制方式是系统设计者的重要任务。由于一般要求电动机转速范围较宽，负载转矩使用范围也较宽，为了使电动机在各种不同条件下均有较好的性能指标，一般可选用几种控制方式的组合。本系统采用的控制方式如下：
(1)、高速角度控制 低速电流斩波控制：高速时采用角度控制，低速时电流斩波控制有利于发挥两者的长处，克服两者的短处，能在较宽调速范围内使电动机有较好的特性和力能指标。这种控制方法在国内外产品中较普遍采用。
图5-1
这种控制方法的缺点在中速较突出，因为此时对两种控制方式均较困难。若采用角度控制则电流脉冲窄而尖，转矩脉冲大，电流峰值也较大。若采用电流斩波控制，则在后续流过程较长，影响出力与效率。其解决方法是在低速电流控制时结合角度控制，当转速提高时，是适当提前。
两种控制方式的过渡也应予以充分重视，一是注意在两种控制方式转换时的参数对应关系，避免转矩较大的不连续。二是两种方式升速时的转换点和降速时的转换点间要有一定回差，一般使前者略高于后者，避免在该速附近运行时处于经常性的控制方式转换过程中。如英国OULTON产品额定转速为1500r/min，由电流斩波向角度控制方式的转换速度为640r/min由角度控制向电流斩波控制方式的转换速为580r/min。
（2）、变角度电压斩波控制 这种控制方法的要点是靠电压斩波调节电动机的转速和转矩，并使θon和θoff随转速改变。
由于电动机工作时，希望尽量将绕组电流波形置于电感的上升段。考虑到电流在建立过程和续流消失过程需一定时间，电流波形总比通电区θon--θoff有所滞后。当转速越高时，由于通电区间对应的时间越短，电流波形滞后的就越多。因此要求通电区提前的角度应越多。
此种工作方式转速转矩调节范围大，高速低速均有较好的电动机性能，且不存在两种不同控制方式互相转换的问题，因此在近年一些国内外产品中采用。其缺点是控制方式的实现较复杂，同时要求功率开关的工作频率较高，否则斩波噪声比较大。
（3）、定角电压斩波控制 其控制方式与变角度电压斩波控制方式类似，只是θon和θoff不随转速改变。与变角度电压斩波控制相比，这是一种简化的控制方式。θon与θoff应取兼顾高速低速运行的中间值，使用的调速范围一般不太大，如1：20。其优点是控制方式的实现简单，因此使用于小功率简易型系统，如国内的SR71系列。E