适应锚机工况要求的开关磁阻电机调速系统的研究

张 芊 胡 猛 李元栋

（镇江船艇学院，江苏镇江 212003）

锚机是船舶重要的甲板机械之一，它主要承担船舶起航、锚泊、停靠码头等不同航行阶段中，起、抛锚和系缆的重任。目前船用锚机主要有两种拖动控制方式，即液压拖动和电力拖动，其中电力拖动的动力源多来自于由接触－继电器控制装置与三相交流异步电动机组成的电力拖动调速系统，由于其技术成熟、性能可靠、转速可调等特点，已在众多船型中得到了广泛应用。但是，在长期使用过程中，该系统体积重量较大、电机结构复杂、调速性能有限，以及自动化、信息化程度低等缺点也逐渐显现出来。本文针对锚机工况要求，结合近年来发展迅速的开关磁阻电机调速系统（简称SRD 系统），就其在船用电动锚机控制系统中的应用进行探讨。

1 开关磁阻电机调速系统的基本组成

开关磁阻电机（简称SR 电机）是上世纪80年代后发展起来的一种新型电机，它由装有励磁绕组的定子和无绕组的转子构成，一般为双凸极结构，其定、转子均由普通硅钢片叠压而成，并冲有一定形状的齿槽。转子上既无绕组也无永磁体，只在定子齿极上绕有集中绕组［1～2］。开关磁阻电机用作锚机电动机具有如下优点：

（1）电机结构简单，性能可靠，冗余度高，适用于环境恶劣和大功率的场合；

（2）电机可控参数多，调速性能好，可以方便地实现无极调速；

（3）能够实现低起动电流、高起动转矩，且过载倍数高；

（4）转子转动惯量小，有较高的转矩惯量比；

（5）转矩方向与电流方向无关，降低了对电源与功率变换电路的要求。

由SR 电机、功率变换器、控制器和检测器所组成的开关磁阻电机调速系统（简称SRD）是一种全数字机电一体化交流调速系统［3～4］，其原理如图1所示。

图1 SRD 系统组成原理框图

2 适应锚机工作条件的SRD 系统的硬件要求

在SRD 系统中，SR 电机是实现机电能量转换的关键部件，它的大小应根据锚机实际功率要求进行选择，同时应尽量选择相数和定、转子齿极数少的电机，如四相8／6极甚至三相6／4极电机。这样可以在不影响系统运行质量的前提下，节约设备成本，同时降低系统的开发难度，缩短开发周期。虽然齿极数少的电机低速时的转矩脉动现象较为明显，但并不会影响锚机这一类设备的正常作业。功率变换器是电源和SR 电动机的接口，在控制器的控制下起开关作用，使绕组通电或断电，同时为绕组储能提供能量回馈的路径。常见主电路形式有双开关型、双绕组型、电容分压型、H 桥型和公共开关型主电路等。功率变换器主电路的选择和电机结构以及所选功率器件的电流定额有关。一般四相8／6极电机常采用H 桥型主电路，而三相电机最常用的是双开关型主电路。控制器是整个系统的核心和大脑，其作用是综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器主开关的通断，实现对SR 电动机运行状态的控制。现在控制器的主控芯片常采用高速16／32位单片机或数字信号处理器（DSP），其中DSP 因其硬件资源丰富、功能齐全、性能稳定、运算速度快等优点，已成为SRD 系统的首选，这里面就包括美国TI公司主推的2407 和2812 系列DSP。检测器则由位置、电流和速度等检测环节构成，提供转子的位置信息以决定各相绕组的开通与关断；提供电流信息来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电流；提供速度信号以保证系统具有优良的动、静态性能。常用的位置传感器有光敏式、磁敏式以及接近开关式等；电流检测可采用电阻采样和霍尔电流采样；速度则可由位置信号经过计算得到。这里需要指出的是，位置传感器的使用增加了系统的复杂程度，同时有些位置传感器对使用环境要求较高，在对锚机拖动系统进行设计、选用时应特别注意。若要避免该问题的产生，也可采用无位置传感器的SRD 系统，通过状态观测器估算转子位置，或是采用脉冲注入法估算转子位置。

3 适应锚机工况要求的SRD 系统控制策略选择

在不同情况下，以及起、抛锚的不同阶段，锚机的工况有所不同，其中抛锚工况相对简单，而起锚工况较为复杂。起锚通常可分为5个阶段，即①收起卧链、②收紧锚链、③拔锚出土、④收起悬链、⑤收锚入孔，这5个阶段的具体工况如图2所示。

图2 锚机起锚五阶段工况示意图

从图2可以看出，起锚5阶段对转速、转矩都有各自的要求。下面针对这5 个阶段的工况要求，为SRD 系统选择适当的控制策略。SR 电机转速的可控量一般有加于相绕组两端的电压US、开通角θon和关断角θoff三个参数，其控制方式主要针对以上几个可控变量来进行控制，主要有电流斩波控制方式（CCC 方式）和角度位置控制方式（APC方式）［5］。

（1）CCC控制方式

当SR 电机起动、低、中速运行时，电压不变，旋转电动势引起的压降小，电感上升期的时间长，电流变化率相当大，为避免电流脉冲峰值超过功率开关器件和电机的允许值，常采用CCC控制模式来限制电流。CCC 控制还可分为定角度斩波模式和变角度斩波模式。定角度斩波模式通常在电机起动后低、中速运行时采用，导通角保持不变，但相对较小，可用于起锚过程中的收起卧链阶段；变角度斩波模式通常在电机起动或低速运行时采用，通过电流斩波控制和改变开通角与关断角的大小调节转矩，可根据负载变化输出所需的各种转矩，具有软的机械特性，适用于收紧锚链、拔锚出土和收锚入孔阶段。

（2）APC控制方式

在SR 电机高速运行时，为了使转矩不随转速的平方下降，在外施电压一定的情况下，需要通过改变开通角和关断角的值获得所需的较大电流，即APC控制。在APC控制中，一般采用固定关断角，改变开通角的控制模式，这种方式适用于收起悬链阶段，可确保悬链回收的快速性。

在起锚过程中，五阶段控制方式的选择和转换可通过软件进行预先设置，系统根据实时反馈信号自动完成，不需人工干预，提高了锚机系统工作的效率、可靠性和智能化程度。

4 结 语

SR 电机结构简单，又因为绕组电流是直流脉冲，只需整流、无需逆变，所以控制电路简单。研究表明，基于高速单片机或DSP 控制的SRD 系统转速大范围变化时，其系统效率比交、直流变频调速系统都高，且启动转矩大，启动电流小，过载能力强。虽然低相数、低齿极数SR 电机低速时转矩有些脉动，噪声和振动较大，但在拖动船用锚机这类大型船用机械时并不影响其性能。与此同时，船舶锚机电力拖动采用SRD 系统后，将更有利于对其进行计算机网络管理，有助于实现锚机的自动控制，提升船舶电气自动化、智能化和信息化水平。

1 王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术［M］.北京：机械工业出版社，1995

2 孙建忠，白凤仙.特种电机及其控制［M］.北京：中国水利水电出版社，2005

3 边春元.开关磁阻电机驱动系统的理论和应用研究［D］.沈阳：东北大学博士学位论文，2001

4 曹家勇，陈幼平，詹琼华.开关磁阻电动机控制技术的研究现状和发展趋势［J］.电机与控制学报，2002（3）

5 纪良文.开关磁阻电机调速系统及其新型控制策略研究［D］.杭州：浙江大学博士学位论文，2002