基于80C196KC開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李華柏,黃 杰

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通系,株洲412008)

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng),它繼承了磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn),又在高度發(fā)展的電力電子和微機(jī)控制技術(shù)的支持下獲得了良好的可控性,因此,它在驅(qū)動調(diào)速領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用[2].發(fā)電運(yùn)行與電動運(yùn)行作為開關(guān)磁阻電機(jī)的兩種不同的運(yùn)行狀態(tài)有著對稱性,研究表明,開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時也具有許多獨(dú)特的特性與優(yōu)點(diǎn),目前在發(fā)電領(lǐng)域已受到了越來越多的重視.本文在分析三相 6/4結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(Switched Reluctance Generator,以下簡稱SRG)工作原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套基于MCS80C196KC單片機(jī)的數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng).

1 SRG結(jié)構(gòu)及工作原理

SRG主要由磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器及檢測電路四個主要部分構(gòu)成.雙凸極磁阻電機(jī)是整個SRG系統(tǒng)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件,它的定子與轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu);功率變換器(圖中僅畫出功率變換器的一相)是連接電源和 電動機(jī)繞組的開關(guān)部件,通過它可以將電源能量饋入電機(jī),對繞組進(jìn)行勵磁,也可將電機(jī)內(nèi)的磁場儲能反饋回電源,實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行.控制器是整個系統(tǒng)的核心部分,通過控制功率換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制.開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:

式中:i為相電流,L是相電感,θ是轉(zhuǎn)子位置角.

根據(jù)式(3),電磁轉(zhuǎn)矩的方向是由相電流所對應(yīng)的相電感的變化率決定的.若相電流處于d L/dθ＞0區(qū)間時則產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩,電機(jī)工作在電動狀態(tài);若相電流處于d L/dθ＜0的區(qū)間時則產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩,電機(jī)工作在制動或發(fā)電狀態(tài)[1].只要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來控制主開關(guān)通斷角度,使相電流主要集中在d L/dθ＜0的區(qū)間,就可以使SR電機(jī)在運(yùn)行時將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能向外輸出.

圖1 是發(fā)電運(yùn)行時相電流波形與相電感的對應(yīng)關(guān)系,如圖所示,在 θ=θ1時刻主開關(guān)開始導(dǎo)通,在θ=θ2時刻主開關(guān)關(guān)斷,θ1～θ2階段為勵磁階段,SRG吸收電能;θ＞θ2階段為發(fā)電階段,D1與導(dǎo)通續(xù)流,電機(jī)向外輸出電能.很顯然,SRG一相的發(fā)電輸出功率為發(fā)電功率和勵磁功率之差.

圖1 相電流與相電感的對應(yīng)關(guān)系

2 發(fā)電運(yùn)行時的控制策略

發(fā)電運(yùn)行的控制目標(biāo)是高效率地產(chǎn)生輸出電流以維持額定的輸出電壓.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是變化的,負(fù)載也可能發(fā)生變化,控制方案應(yīng)該使系統(tǒng)在速度和負(fù)載的一定變化范圍內(nèi),維持輸出電壓的穩(wěn)定,保持系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性.因此控制模式的選擇對于系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定是至關(guān)重要的.

角度位置控制模式是通過調(diào)節(jié)開通角θon,關(guān)斷角θof f來調(diào)節(jié)勵磁電流最終實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制,進(jìn)而控制輸出功率[3].圖2與圖3分別是角度位置控制方式下改變θon與改變θoff時的相電流仿真波形,由圖可知,固定 θof f,提前 θon,或者固定 θon,增大θof f,都可以使繞組勵磁的時間增加,相電流的峰值增加,電流波形變寬.

SRG發(fā)電運(yùn)行時,當(dāng)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生較大的變化,SRG發(fā)電運(yùn)行時,當(dāng)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生較大的變化,如轉(zhuǎn)速增加,如果開通角與關(guān)斷角固定,那么建立電流 的時間相對將縮短,導(dǎo)致勵磁電流減小,影響SRG的發(fā)電能力.所以當(dāng)SRG處于高速發(fā)電運(yùn)行時,要保證輸出 功率的穩(wěn)定,適時地調(diào)整開通角與關(guān)斷角的大小是有效的控制方法之一,如將開通角提前,將關(guān)斷角推后,都能增大勵磁電流,提高SRG的發(fā)電輸出功率.

為了輸出平穩(wěn)的直流電,輸出端還需并聯(lián)電容進(jìn)行濾波.濾波電容是一個比較大的滯后環(huán)節(jié),會影響電壓外環(huán)的響應(yīng)速度.為改善本系統(tǒng)發(fā)電運(yùn)行時輸出電壓的動態(tài)特性,采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制,當(dāng)外界負(fù)載突變或者受到外來干擾時,即使電壓外環(huán)尚未迅速響應(yīng),電流內(nèi)環(huán)也可以起到迅速調(diào)節(jié)的作用,保證輸出電壓的穩(wěn)定,從而改善系統(tǒng)的動態(tài)特性.

圖4 角度控制方式實(shí)現(xiàn)框圖

3 基于80C196KC數(shù)模混合控制器的設(shè)計(jì)

SRG發(fā)電運(yùn)行時,一般運(yùn)行于較高的轉(zhuǎn)速,因?yàn)榈退俨焕诎l(fā)電功率的輸出,而高速運(yùn)行對控制的實(shí)時性有較高的要求.系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制時,單片機(jī)一方面要完成電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的數(shù)據(jù)處理,另一方面還要完成對相電流的采樣、信號比較等工作,導(dǎo)致CPU的負(fù)擔(dān)較重,控制系統(tǒng)的實(shí)時性會受到影響,故SRG不宜采用全數(shù)字控制[2].本文采用了一種以MCS80C196KC單片機(jī)為核心的數(shù)?；旌峡刂品椒?圖5是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖.

圖5 SRG控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字控制電路部分包196CPU、存儲擴(kuò)展電路、位置檢測電路、參數(shù)顯示及接口電路.196CPU是控制電路的核心,負(fù)責(zé)狀態(tài)檢測、角度控制、參數(shù)優(yōu)化、轉(zhuǎn)速計(jì)算等工作,根據(jù)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速查表給定關(guān)斷角θoff的值,根據(jù)優(yōu)化的開關(guān)角,給出主開關(guān)管的開通、關(guān)斷信號等;存儲器負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)和程序;位置傳感器輸入電路將位置信號送入單片機(jī)的HIS口,HSI口監(jiān)測位置變化并設(shè)置位置信號的上跳沿觸發(fā)HSI中斷[2].HSI中斷程序完成電機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)速的計(jì)算,并將處理后的位置信息送給196CPU,然后通過HSO接口輸出信號分別控制A、B、C三相.

系統(tǒng)相電流與電壓的檢測、開通角的PID調(diào)節(jié)及故障保護(hù)等功能由模擬電路實(shí)現(xiàn),模擬電路完成信號采集后,將結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行綜合處理,大大簡化了CPU數(shù)據(jù)處理時間,提高了系統(tǒng)的實(shí)時性.

4 仿真分析

4.1 負(fù)載突變時SRG的動態(tài)特性

當(dāng)負(fù)載突變時,SRG必須及時響應(yīng)負(fù)載的變化,保持電壓穩(wěn)定以滿足負(fù)載要求.下面通過負(fù)載突變時輸出電壓的仿真波形來驗(yàn)證SRG電壓開環(huán)與閉環(huán)調(diào)節(jié)時的動態(tài)特性,時間t從0到0.04 s,負(fù)載為8 k W,在0.04 s負(fù)載突加為 9.2 kW,在 0.08 s負(fù)載突減為4 k W.

圖6 是負(fù)載突加、電壓開環(huán)調(diào)節(jié)時的輸出的電壓仿真波形,圖7是系統(tǒng)采用閉環(huán)調(diào)節(jié)時的仿真波形.

仿真結(jié)果表明,電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)時,當(dāng)負(fù)載突變,SRG的輸出電壓基本保持穩(wěn)定,電壓紋波與幅度很小,總體對負(fù)載突變的瞬時性較好,過渡時間很短.這主要是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)通過電壓閉環(huán)來調(diào)節(jié)開關(guān)角,從而調(diào)節(jié)勵磁電流來滿足負(fù)載突變的功率要求,所以對負(fù)載的變化響應(yīng)較為迅速.而開環(huán)調(diào)節(jié)時,由于負(fù)載突然加大,使得電容的放電量增加,而對電容的充電量不變,使得充電量小于放電量,輸出電壓逐步下降,在252 V左右重新建立新的平衡.

4.2 缺相運(yùn)行時SRG的動態(tài)特性

SRG的故障包括電機(jī)故障和功率變換器故障,當(dāng)這些故障發(fā)生時,控制器檢測到該故障并封鎖故障相的觸發(fā)脈沖,使SRG運(yùn)行在缺相狀態(tài).假設(shè)A相在0.024 s的時候發(fā)生開路故障,系統(tǒng)檢測到這一故障后,封鎖A相繞組的驅(qū)動信號,系統(tǒng)處于兩相運(yùn)行狀態(tài).在閉環(huán)方式下,圖8反映了缺相故障時發(fā)電電壓的變化過程,圖9為故障相的電流波形,圖10為非故障相B相與C相的電流波形.

圖1 1為非故障相B相與C相在正常發(fā)電運(yùn)行與故障發(fā)電運(yùn)行的相電流仿真波形的比較,波形1為正常工作時的相電流波形,波形2為故障后的相電流波形,可見故障發(fā)生后,非故障相B相與C相的相電流有了明顯的增加.

SRG輸出的平穩(wěn)電壓實(shí)質(zhì)上是對濾波電容充放電平衡的結(jié)果,當(dāng) A和發(fā)生缺相故障時,繞組被切除,該相電流為零,其余兩相繼續(xù)工作,破壞了原有的充放電平衡狀態(tài).在電壓閉環(huán)方式下發(fā)生缺相故障時,系統(tǒng)通過閉環(huán)調(diào)節(jié)非故障相的勵磁電流,發(fā)電電流增大,對濾波電容的充電量也增大,最終故障相的充電量由其余兩相補(bǔ)償,輸出電壓仍然保持原給定值.電壓閉環(huán)控制時發(fā)電運(yùn)行的不間斷供電可靠性很高,從容錯的角度來說,SRG明顯優(yōu)于其它類型的發(fā)電機(jī).

圖11 非故障相正常工作與容錯故障運(yùn)行時的相電流波形

綜上分析,采用電壓與電流雙閉環(huán)控制時,不管是負(fù)載突變還是容錯故障運(yùn)行,其實(shí)質(zhì)都是當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時,通過角度位置控制方式調(diào)節(jié)開通角來調(diào)節(jié)勵磁電流的大小,從而實(shí)現(xiàn)對輸出電壓與輸出功率的調(diào)節(jié)與控制.SRG的最終控制目標(biāo)是系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性,輸出穩(wěn)定的電壓,從這點(diǎn)而言,本文控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取得了較好的發(fā)展.

5 結(jié) 論

角度位置控制試能在較寬的速度范圍內(nèi)使SRG有良好的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性;采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)時,SRG能及時響應(yīng)負(fù)載突變的變化,輸出電壓基本保持穩(wěn)定,當(dāng)電機(jī)缺相故障運(yùn)行時,系統(tǒng)仍然具有較好的容錯工作能力與動態(tài)特性;數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)充分發(fā)揮了數(shù)字控制與模擬控制各自的長處,大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度與控制的適時性.

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