基于MCF5213的開關磁阻電機控制系統(tǒng)設計

謝方南， 朱莉莉， 劉俊純

(中國礦業(yè)大學信電學院，江蘇徐州 221008)

0 引言

開關磁阻電機調(diào)速(Switched Reluctance Drive，SRD)［1-2］系統(tǒng)是一種新型可控調(diào)速系統(tǒng)，其具有結(jié)構簡單、調(diào)速性能優(yōu)良、輸出特性變化靈活等優(yōu)點。但是SRD自身具有嚴重的非線性特性［3］，使得建立其精確數(shù)學模型的計算相當繁瑣［4］。常規(guī)的線性系統(tǒng)控制方法和傳統(tǒng)的低端微控制器［5-6］難以取得理想的動、靜態(tài)性能。隨著現(xiàn)代控制理論在SRD系統(tǒng)中的應用逐漸增多，以及微電子器件的飛速發(fā)展，為SRD系統(tǒng)的高性能控制提供了可能。

本文以三相12/8極、500 W開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)為控制對象，設計了以MCF5213為核心的SRM控制系統(tǒng)，這是一款集成了數(shù)字信號處理器(Digital Siginal Processor，DSP)的計算能力和微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)的控制器特性的數(shù)字控制器［7］。本文詳細介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構和軟件實現(xiàn)方法，并通過試驗驗證了方案的可行性。

1 SRD系統(tǒng)組成

SRD控制系統(tǒng)主要由SRM、功率變換器、控制器和位置檢測器及電流檢測器組成，系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 SRD控制系統(tǒng)結(jié)構示意圖

SRM是SRD實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件，其運行遵循磁阻最小原理，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，由磁場扭曲產(chǎn)生切向磁拉力，從而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。

該系統(tǒng)采用三相不對稱半橋功率變換電路，其結(jié)構如圖2所示。

圖2 三相不對稱半橋結(jié)構

相橋臂均由兩個主開關管和兩個續(xù)流二極管構成。在電壓脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)斬波控制方式下，考慮單管斬波的電流波動比雙管斬波小，為了減小轉(zhuǎn)矩脈動，該系統(tǒng)采用每相的上開關管V1、V2、V3的驅(qū)動信號為 PWM斬波信號，下開關管V4、V5、V6的驅(qū)動信號為各相的位置開通關斷信號。其工作原理以A相為例，每相有兩個主開關管 V1、V4及續(xù)流二極管VD1、VD4。在開通期間，主開關管V1和V4導通，PWM信號斬波時，V1關斷，相電流 iA經(jīng) V4和VD1續(xù)流;關斷換相期間，V1和V4關斷，相電流經(jīng)兩只續(xù)流二極管VD1和VD4續(xù)流。

控制器是根據(jù)控制指令綜合處理由位置檢測器和電流檢測器傳輸?shù)霓D(zhuǎn)子位置信號及相電流信號的中樞，通過控制功率變換器中主功率開關器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對SRM運行狀態(tài)的控制。

2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構

MCF5213是飛思卡爾半導體公司推出的基于ColdFireV2內(nèi)核的32位微處理器。其具有集成度高、運算速度快等優(yōu)點，為實現(xiàn)較復雜的控制算法提供了可能，使系統(tǒng)的控制性能得以保證。同時它提供了許多外圍模塊，如PWM模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog Digital Converter，ADC)、定時器、串行通信外設(UART、QSPI、IIC)以及片上 Flash和RAM，使芯片的使用效率得到了較大提高，大量簡化了系統(tǒng)的硬件配置?；贛CF5213的SRM控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構如圖3所示。

圖3 基于MCF5213 SRM控制系統(tǒng)

2.1 最小化系統(tǒng)

系統(tǒng)的最小化系統(tǒng)主要包括電源及其濾波電路、復位電路、晶振電路及PLL濾波電路、寫入器接口電路等。

2.2 位置及速度檢測

位置檢測的目的是確定定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，然后將位置信號送到控制器，以確定相繞組的通斷，并且實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。MCF5213的通用定時器具有輸入捕捉、輸出比較功能。輸入捕捉功能可以檢測信號的跳邊沿并記錄發(fā)生跳變的時間，輸出比較功能可以在規(guī)定的時刻，產(chǎn)生一個期望的輸出信號，實現(xiàn)對外部電路的控制。光敏傳感器輸出的轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)過整形后接入到輸入捕捉引腳，通過記錄轉(zhuǎn)子信息的連續(xù)跳變沿，利用軟件計算輸入信號的周期和脈寬，得到電機的實時轉(zhuǎn)速。同時，根據(jù)位置傳感器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過微處理器的邏輯判斷處理，利用定時器的輸出比較功能，在規(guī)定的時刻輸出需要的功率開關的驅(qū)動信號，調(diào)整開關管的開通、關斷角。

2.3 電流檢測

電流檢測電路通過霍爾檢測元件(LEM模塊)來檢測繞組電流和主電源回路電流，實現(xiàn)SRM運行狀態(tài)控制及電機過電流保護。MCF5213內(nèi)含有8通道12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換的時鐘頻率最高為5 MHz，采樣速率高達1.66×106/s，8路A/D轉(zhuǎn)換總時間只要26.5個ADC時鐘周期(5.3 μs)。檢測電流經(jīng)過隔離放大與MCF5213的A/D轉(zhuǎn)換單元連接，實現(xiàn)電流的實時檢測。系統(tǒng)的給定速度也可以從ADC引腳讀取。

2.4 PWM輸出

MCF5213內(nèi)置了功能強大的PWM控制器，PWM模塊能夠配置為4通道16位或8通道8位的PWM發(fā)生器，所有通道都可以軟件編程。PWM的每個通道都是獨立的，都可以產(chǎn)生不同占空比的PWM波形。輸出的波形可以是左對齊或者中間對齊格式。通過程序設置可以產(chǎn)生頻率固定、占空比可控的PWM信號。在電壓PWM控制方式下，通過PWM技術將直流電源調(diào)制成具有一定頻率、寬度可調(diào)的方波脈沖電壓，用來調(diào)節(jié)電機繞組兩端外加電壓的大小，單片機把檢測到的SRM實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相比較，通過模糊調(diào)節(jié)器調(diào)制PWM脈沖的占空比，使該占空比與保持給定轉(zhuǎn)速所需要的電壓大小相對應，實現(xiàn)對SRM的調(diào)速控制。

2.5 上位機通信

MCF5213自帶通用異步收發(fā)器，支持半雙工和全雙工的數(shù)據(jù)傳輸。通過RS－232串行通信協(xié)議與上位機通信，實時監(jiān)控電機運行的轉(zhuǎn)速、電流等。同時，上位機也可以發(fā)送指令給單片機，控制SRM的運行。在用RS－232總線進行串行通信時，需要外接電路實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。由于MCF5213采用3.3 V供電，故系統(tǒng)選用單一3.3 V供電的SP3232芯片實現(xiàn)上位機和單片機的通信。

3 控制策略與軟件設計

3.1 控制策略

由于SRM模型嚴重的非線性，在不同的控制方式下，其參數(shù)、結(jié)構都是變化的，普通定參數(shù)的PID調(diào)節(jié)器難以達到理想的控制效果。為了獲得良好的SRD調(diào)速性能，采用一種魯棒性能好，適合于非線性、變結(jié)構系統(tǒng)的模糊控制。

對SRD的三個可控參數(shù)相繞組電壓Us、開通角θon和關斷角 θoff，系統(tǒng)通過模糊控制器調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，控制相應繞組相電壓，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，另外兩個參數(shù)θon、θoff是轉(zhuǎn)速和相電流的函數(shù)，在運行中應不斷加以調(diào)整，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。因此，該系統(tǒng)采用角度控制與電壓PWM斬波相結(jié)合的控制方式。

模糊控制器采用雙輸入、單輸出結(jié)構，輸入量為轉(zhuǎn)速偏差e和偏差變化量Δe，輸出量為電壓PWM控制信號占空比增量u。原理框圖如圖4所示。

圖4 模糊控制器原理框圖

圖4中，Ge和 GΔe為量化因子，Gu為比例因子，E和ΔE分別為輸入量e和Δe模糊化后的模糊子集，U是輸出量u的模糊子集。則控制策略可以用一組模糊條件語句描述:

由模糊推理合成規(guī)則，得到輸出控制量模糊集。經(jīng)解模糊求得輸出控制增量U，將其乘以比例因子Gu，得到實際輸出PWM占空比增量u。

為了提高系統(tǒng)的調(diào)速控制精度，單片機初始化時將PWM通道配置為16位的發(fā)生器，提高PWM波的分辨率，從而大大提高了模糊控制器的輸出量，即PWM占空比增量u的分辨率，使得系統(tǒng)調(diào)速性能更加穩(wěn)定、精確。同時，為了提高系統(tǒng)的響應速度，當電機實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相差較大時，將模糊輸出的PWM占空比增量u擴大一定的倍數(shù)，作為實際輸出的占空比增量，并且在一定時間內(nèi)增加調(diào)用模糊程序的次數(shù)，這樣就縮短了獲得與給定轉(zhuǎn)速相應的占空比調(diào)節(jié)時間，達到快速響應的調(diào)速目的。

通過改變開通角和關斷角，可控制繞組中的電流大小和波形形狀，從而影響輸出轉(zhuǎn)矩的大小和正負，有效調(diào)節(jié)SRM的輸出功率和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)SRM的優(yōu)化控制。

3.2 軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件主要由初始化程序和MCF5213控制程序等組成。初始化程序在主程序里調(diào)用，控制程序在中斷服務子程序中完成?？刂葡到y(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)主程序流程圖

初始化程序主要包括:軟件變量定義及賦值、控制寄存器設置、中斷向量定義、時鐘頻率設定、PWM初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、I/O初始化、UART初始化、外部中斷初始化及各功能模塊的初始化。

MCF5213控制程序是整個系統(tǒng)軟件的核心組成部分，包括起動子程序、轉(zhuǎn)速計算中斷服務子程序、轉(zhuǎn)速控制中斷服務子程序、PWM模糊調(diào)制子程序、串口中斷服務子程序、上位機通信子程序、液晶顯示子程序、停車子程序等。

系統(tǒng)在改變開關角時無需添加任何硬件，直接利用定時器的輸入捕捉、輸出比較功能即可實現(xiàn)，其程序流程圖如圖6所示。

當定時器的輸入捕捉引腳捕獲到位置信號的跳變沿時，進入中斷。在輸入捕捉中斷程序中，記錄當前跳變沿發(fā)生時的計數(shù)器值，并與上次發(fā)生跳變時的計數(shù)器值相比較，計算出位置信號的周期，從而得到每度轉(zhuǎn)子位置信號對應的計數(shù)器值。根據(jù)所要調(diào)整的開通、關斷角，設置定時器的輸出比較值，并允許發(fā)生比較中斷，在輸出比較中斷程序中，調(diào)整各開關管的開通、關斷驅(qū)動信號，實現(xiàn)SRM調(diào)速的變角度控制。

圖6 角度控制程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

4 試驗結(jié)果

圖7(a)、(b)、(c)分別是給定轉(zhuǎn)速為400 r/min、800 r/min及1 200 r/min時的電機實際轉(zhuǎn)速動態(tài)測試曲線及其相應的相電流波形。

圖7 各轉(zhuǎn)速下的系統(tǒng)實時動態(tài)測試曲線及其相電流波形

試驗結(jié)果顯示在采用模糊調(diào)制PWM占空比方式下，電機能夠在較大的調(diào)速范圍內(nèi)較快地達到給定轉(zhuǎn)速，且超調(diào)較小。

圖8(a)、(b)分別為SRM轉(zhuǎn)速為800 r/min的情況下，采用全角度運行(即開通角θon為0°，關斷角 θoff為22.5°)和采用變角度運行方式下(即開通角提前2°，關斷角提前6°)的輸出波形圖。圖中示波器3個通道分別表示一相位置信號UPA、該相的MCF5213輸出的驅(qū)動信號UGA，以及該相的電流信號iA。UPA、UGA縱坐標為10 V/格，iA縱坐標 12 A/格，橫坐標均為 2.5 ms/格。圖8(a)、(b)中電流峰值分別為 18.32 A、19.68 A。

圖8 轉(zhuǎn)速為800 r/min時位置信號、驅(qū)動信號及電流波形

由圖8可見θon減小，電流峰值ip增大，同時電源供電時間加長，有效電流增大。θoff的提前可有效減少制動轉(zhuǎn)矩，從而得到較大的有效轉(zhuǎn)矩。

5 結(jié)語

本文分析的SRD系統(tǒng)充分利用了MCF5213單片機的高速運算能力和豐富的外圍集成模塊，系統(tǒng)結(jié)構簡單緊湊、控制靈活，提高了系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了SRM的數(shù)字化控制。試驗結(jié)果表明，該調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)性能，抗干擾性好，控制精度高;能夠在電機運行的高速階段實現(xiàn)角度位置控制，有效減少運動反電動勢，實現(xiàn)電機的優(yōu)化控制;同時也說明設計的基于MCF5213的SRM控制系統(tǒng)可以作為實現(xiàn)各種控制策略的試驗平臺。

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