电力起动柴油机随机电系统中两个重要组成部分是随机发电机和起动电机，以往常采用一台直流电动机和一台直流发电机分别工作的方式，从而导致系统结构复杂、故障率较高、使用维护不便等一些问题。近几年来，随着各种特种电机的不断出现，电力电子技术的迅猛发展，船用柴油机起动/发电一体化集成系统在技术上已经逐渐成熟，并得到了部分应用。开关磁阻电机传动系统（SwitchedReluctanceDrive，SRD），是一种既能电动工作，又能发电运行的新型机电一体化装置。它以开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor，SR电机）为能量转换主要部件，结合功率变换器、控制器和检测器等部分的功能，能够灵活方便地实现柴油机对起动电机各种转矩、转速，以及蓄电池对随机发电机各种输出特性的要求，同时它还具有结构坚固、性能可靠、工作效率高、系统冗余度大等优点。本文围绕一台额定功率为3kW的六相12/10极SR电机，制定相应的控制策略，设计出具体的硬件电路，并进行实验，以证明SRD系统在船用柴油机起动/发电一体化集成系统中的适用性。

1、SRD系统组成及工作原理开关磁阻电机传动系统（SRD）主要由开关磁阻电机（SR电机）、功率变换器、控制器和检测器4部分组成，系统方框图如所示。SR电机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，径向相对的两个绕组可串联或并联在一起，构成“一相”。其运行遵循“磁阻最小原理”，当定子某相绕组通电时，所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力，会使相近的转子极旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。

无论是电动工作，还是发电运行，SRD系统基本组成及其主要功能是相同的。其中SR电机是机电能量转换的主要部件；功率变换器是连接电源和SR电机绕组的枢纽；控制器是整个系统的核心，它根据设定好的控制策略和算法，对实时参数和给定量进行比较判断，决定电机控制方式，并在合理的转子位置控制各相主开关器件的开关状态，实现机电能量合理、有效的转化；位置检测与电流检测分别用来检测转子极与定子极之间的相对位置和定子绕组相电流的大小。

2、控制策略的选择在电动工作状态，由于SRD系统的机械负载是柴油机，故SR电机的起动转矩必须大于柴油机的静阻转矩，而对转速控制没有过高的要求，因此可以采用开环控制。起动时，SR电机的转速不高，通常在1000r/min以下，此时电机的旋转电动势很小，电源电压大多加在绕组上，由于处于绕组电感上升区，电流上升很快，为抑制电流过大，采用斩波控制，使相电流在导通区内形成近似“平顶波”的波形。

在发电运行状态，根据船用铅酸蓄电池的充电要求，应分为两个阶段，即恒流充电和恒压充电。

当单格蓄电池电压低于2.4V时，采用恒流充电，此时充电电流为蓄电池额定容量的1/10；当单格蓄电池电压达到2.4V时，采用恒压充电，维持单格2.4V充电电压不变。根据这一工况要求，在第一阶段，对母线电流进行闭环PI控制；第二阶段，对蓄电池端电压进行闭环PI控制，根据蓄电池电压阕值进行充电模式的转换。对SRD系统来说，通过固定开通角，调节关断角的方式使受控量恒定。

3、系统软、硬件设计硬件系统包括一台六相12/10开关磁阻电机、功率变换器、主控制器、位置传感器、电流传感器和电压传感器等。位置传感器根据转子位置产生的位置信号馈入主控制器作为同步触发的依据；电流和电压传感器监测各相和母线电流以及蓄电池端电压。

控制器根据模拟开关和传感器检测输入量判断工况，输出功率变换器各相开关信号，控制SR电机的运行。硬件系统总体结构如所示。

12/10结构的SR电机步进角为6°，减少了运行时的转矩脉动。功率变换器采用六相不对称半桥结构，每相由两个主开关器件和两个功率二极管构成H桥，每个桥臂由一个主开关和一个功率二极管上下串联构成，桥臂中点连接电机一相绕组。根据工况要求，主开关器件选用MOSFET，具体型号为IRFP2907，耐压75V，最大电流209A.续流二极管采用APT100S20B，耐压1000V，最大电流200A.控制器采用TI公司TMS320F2812型DSP作为主控芯片，负责判断各种反馈信息，实时计算转速，并综合各种保护信号和给定信息以及转速情况给出相通断信号，实现数字PI调节并产生频率固定、占空比变化的PWM信号作为功率开关的驱动信号。位置传感器使用电磁式位置传感器，输出转子基本位置信号到DSP控制器的两个捕获单元CAP1，CAP2。电流传感器采用CSM200B型霍尔电流传感器。其额定电流200A，额定输出电流信号100mA，且具有一定的抗干扰能力。

电压传感器采用VSM025A型霍尔电压传感器，电压测量范围为10V500V，额定输出电流为25mA.软件系统采用前、后台方式，其中后台程序主要包括主程序、初始化子程序、起动状态子程序、发电状态子程序等。前台程序是一些中断服务子程序，主要包括捕获中断、定时器溢出中断和周期中断等。限于篇幅，这里就不再给出具体流程图了。

4、系统实验及结果
4.1起动实验起动实验采取固定导通区间为[-2°，16°]，电流上限加延时Δt的电流斩波控制方式，分别控制斩波电流上限Imax=80A和100A，Δt=128μs，测得升速曲线和转矩变化曲线，如所示。由图可看出，在相同负载下带载起动，通过调节Imax，可以改变起动转矩峰值，在本实验中，斩波上限100A时可比80A时获得更大的瞬时起动转矩。

4.2发电实验本系统发电运行主要是通过固定开通角，调节关断角的方式使受控量恒定。SR电机转速固定为1200r/min，励磁电压24V，关断角固定26°，电流保护限设为20A，开通角变化区间8°1°，根据实验数据得到不同开通角下，电机输出电功率及制动转矩分别与开通角的关系，如和所示。由图可知，系统转速为1200r/min时，10°开通角可以在产生较大制动转矩的同时，输出最大的电功率，效率较高，是本系统发电运行较为理想的开通角。

5、结论实验证明，本文提出的采用DSP控制、基于SRD系统的起动/发电一体化装置，能够实现电机低转速下的大转矩输出、电动/发电状态的转换以及发电运行的高效能，适用于船用柴油机电起动和随机发电系统，且总体上比传统的设备结构更加简单、使用维护成本低，维护保养方便，系统冗余度高。研究表明，作为一种全新机电设备，开关磁阻电机传动系统必将在船舶动力设备的各个关键环节中发挥更加重要的作用。