開關(guān)磁阻電動機(jī)間接位置檢測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張青春

(淮陰工學(xué)院，江蘇淮安223003)

0引 言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的迅速發(fā)展，開關(guān)磁阻電動機(jī)(以下簡稱SRM)以其調(diào)速性能好、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、成本低等特點(diǎn)，已在迅猛發(fā)展的調(diào)速電動機(jī)領(lǐng)域內(nèi)爭得一席之地，目前廣泛應(yīng)用于牽引運(yùn)輸、通用工業(yè)、航空工業(yè)、家用電器等領(lǐng)域。位置檢測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)(以下簡稱SRD)穩(wěn)定控制的重要部分，檢測到的位置信號決定繞組開通與關(guān)斷，為系統(tǒng)閉環(huán)控制提供了控制信號［1-2］。SRD系統(tǒng)大多采用光敏式、磁敏式位置傳感器及接近開關(guān)來檢測轉(zhuǎn)子的位置，位置傳感器的存在使得電機(jī)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、穩(wěn)定性和可靠性降低，并導(dǎo)致了SRM高速性能的下降，限制了SRD系統(tǒng)在許多工程領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。因此對SRM的無位置傳感檢測成為當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］提出一種通過相磁通、電流和電感來推斷轉(zhuǎn)子位置的方法，該方法需要對磁鏈進(jìn)行積分運(yùn)算，使得計(jì)算量很大;文獻(xiàn)［5］研究了一種狀態(tài)觀測器估算法，運(yùn)算量也很大，且誤差偏大;另外一些文獻(xiàn)還提出了通過檢測非激勵相的瞬態(tài)電感來判斷轉(zhuǎn)子位置的方法，但在高速運(yùn)行狀況下不適用。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于能量優(yōu)化簡化磁鏈法的SRM間接位置檢測控制系統(tǒng)，采用此方法間接檢測轉(zhuǎn)子最優(yōu)開關(guān)角的位置。

1能量優(yōu)化簡化磁鏈法原理

簡化磁鏈法的基本思想是將轉(zhuǎn)子位置檢測就簡化為換相位置檢測，當(dāng)電機(jī)單相輪流導(dǎo)通時(shí)，首先判斷是否已達(dá)到換相位置，再將當(dāng)前換相位置磁鏈作為參考磁鏈與積分計(jì)算得到的估算磁鏈進(jìn)行比較，如果參考磁鏈大于估算磁鏈，則還未達(dá)到換相位置，此時(shí)繼續(xù)導(dǎo)通當(dāng)前相;如果參考磁鏈小于估算磁鏈，則已達(dá)到換相位置，關(guān)斷當(dāng)前相，導(dǎo)通下一相［6-7］。為了使SRM有最大輸出轉(zhuǎn)矩，一定存在一個最優(yōu)開關(guān)角，本系統(tǒng)預(yù)先將不同轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)開關(guān)角制成表以備查詢，采用簡化磁鏈方法判斷是否已達(dá)換相位置，進(jìn)而得到最優(yōu)開關(guān)角的具體位置。

1．1輸出功率最大能量優(yōu)化

設(shè)αon(i)和αoff(i)分別是最優(yōu)開通角和關(guān)斷角下頻率f(i)和磁鏈ψ(θ，i)的比例系數(shù)，αon(i)和αoff(i)是電機(jī)轉(zhuǎn)速和相電流的函數(shù)，對SRD系統(tǒng)的平均轉(zhuǎn)矩輸出和電機(jī)運(yùn)行效率有很大影響。根據(jù)開關(guān)角最優(yōu)控制規(guī)律，固定SRM的關(guān)斷角αoff(i)，SRM導(dǎo)通角系數(shù)由SRD驅(qū)動的能量消耗最小的性能優(yōu)化指標(biāo)來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程如下:

(1)固定關(guān)斷角αoff(i)，設(shè)初始導(dǎo)通角為αon(i)，由速度控制器輸出適合的PWM占空比D，使SRM穩(wěn)定運(yùn)行在給定速度。

(2)在SRM穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，驅(qū)動系統(tǒng)能量功率消耗:

(3)導(dǎo)通角系數(shù)αon(i)增加Δα，即:

(5)測量計(jì)算電機(jī)功率消耗P，如果ΔP＞0，則重復(fù)步驟(3)，否則Δα＜0。

(6)重復(fù)上述過程，直到ΔP＜0時(shí)獲得最優(yōu)導(dǎo)通角。

1．2輸出轉(zhuǎn)矩最大能量優(yōu)化

SRD系統(tǒng)的控制參數(shù)主要有開通角θon、關(guān)斷角θoff、繞組電流i、繞組電壓u和角速度ω等。繞組電流i的大小由θon和θoff調(diào)節(jié)得到，其范圍為0＜i＜Imax(Iref)，繞組電壓主要取決于母線電壓，一般是恒定的，角速度ω為設(shè)定值，因此，SRD系統(tǒng)的主要控制變量是θon和θoff。對于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩一定條件下，θon和θoff有很多種不同的組合，這就存在如何選擇最優(yōu)開通角θon和最優(yōu)關(guān)斷角θoff的問題。所以在一定轉(zhuǎn)速時(shí)，合理調(diào)節(jié)θon和θoff能夠使SRM輸出功率最大，則SRD系統(tǒng)獲得角度最佳控制。

2 SRM間接位置檢測控制系統(tǒng)

實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確地檢測SRM轉(zhuǎn)子位置信息是SRD系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提，傳統(tǒng)的SRD控制系統(tǒng)中一般都采用位置檢測器或者位置傳感器來得到SRM轉(zhuǎn)子位置信號，使得系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度都增加了，大大影響SRD系統(tǒng)的可靠性［8-9］。因此本系統(tǒng)無需位置傳感器，采用能量優(yōu)化簡化磁鏈法構(gòu)建了SRM間接位置檢測控制系統(tǒng)，如圖1所示。

利用磁鏈間接檢測位置信號的電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制的原理是:給定速度信號ωref與實(shí)時(shí)估計(jì)出來的反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，然后通過PI計(jì)算得出電流環(huán)的給定電流值icmd;給定電流值icmd和實(shí)時(shí)采樣的電流反饋值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)和PWM控制策略以改變電機(jī)繞組的端電壓u來控制轉(zhuǎn)速;另一方面，給定電流值icmd和實(shí)時(shí)估計(jì)的反饋轉(zhuǎn)速通過查表得出此轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)開通角αon(i)和最優(yōu)關(guān)斷角αoff(i)，然后通過能量優(yōu)化間接磁鏈位置控制方法來控制導(dǎo)通和關(guān)斷信號。

圖1 SRM間接位置檢測控制系統(tǒng)框圖

2．1能量優(yōu)化磁鏈間接位置檢測

圖1中的能量優(yōu)化磁鏈間接位置檢測模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示［7，9］。

圖2 能量優(yōu)化磁鏈位置檢測模塊

2．2電流環(huán)控制

電流環(huán)的主要作用是用于產(chǎn)生頻率固定的PWM控制信號。系統(tǒng)采用TMS320F2407的通用定時(shí)器T1來產(chǎn)生所需要的PWM控制信號，采用周期寄存器T1PRE來確定PWM控制信號的頻率，采用比較寄存器T1CMPR來確定PWM控制信號的占空比，周期寄存器T1PRE的值P計(jì)算如下:

式中:fcpuclk的值為20 MHz，T1CMPR的值范圍為0～P，與之對應(yīng)的占空比D的范圍為0～1。

采用近似的線性分析方法構(gòu)建了PI電流閉環(huán)控制模塊，通過電流環(huán)反饋來確定占空比D，因此開環(huán)增益kv和反饋增益kfb設(shè)置適當(dāng)就能獲得預(yù)期的調(diào)節(jié)效果，SRM間接位置檢測控制系統(tǒng)電流環(huán)的控制原理如圖3所示。

2．3轉(zhuǎn)速環(huán)控制

轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制是期望值與速度的估計(jì)值比較，然后通過PI控制算法補(bǔ)償兩者的差，其中PI控制算法與電流環(huán)的PI控制算法一樣，都是采用線性分析方法，只是電流環(huán)控制采用恒頻率的PWM電壓控制方式，而轉(zhuǎn)速環(huán)采用的是由不同轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)開關(guān)角的控制方法，控制圖如圖4所示?？刂七^程中轉(zhuǎn)速的變化量通過PI環(huán)節(jié)后得到轉(zhuǎn)矩的給定值，再根據(jù)轉(zhuǎn)矩與電流之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)一步得到電流的給定值，再調(diào)節(jié)SRD的開關(guān)角，從而使得電流的輸出值達(dá)到給定值。

圖3 電流環(huán)原理圖

圖4 轉(zhuǎn)速環(huán)原理圖

轉(zhuǎn)速控制環(huán)的中斷時(shí)間間隔不能太長，如果太長，必然會使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變慢，對于六相12極定子、10極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)，定子繞組電感變化一個周期時(shí)間:

式中:n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;T為相電感周期。

相電感周期與轉(zhuǎn)速成反比，由于SRM根據(jù)轉(zhuǎn)子位置同步控制，因此一個周期只需要對電機(jī)的控制量進(jìn)行一次有效調(diào)整，在轉(zhuǎn)子速度不是很高時(shí)，沒有必要把調(diào)節(jié)時(shí)間設(shè)置很短，本文的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速是1 000 r/min，根據(jù)式(4)計(jì)算可知T=2．4 ms時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，本系統(tǒng)所采用的SRM轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，因此2．4 ms中斷間隔時(shí)間完全能夠滿足控制要求。

2．4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)SRM間接位置檢測控制系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)主要完成以下功能:系統(tǒng)初始化設(shè)置，生成ψ-I曲線，以電流分段查找，SRD初始位置的整定，計(jì)算實(shí)時(shí)的ψ并查表比較，給出換相控制信號和PWM信號，以及轉(zhuǎn)速計(jì)算等。本系統(tǒng)的軟件在TMS320F2407DSP軟件開發(fā)環(huán)境 CCS3．1中編寫，采用模塊化編程［10］。主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置、給定參考速度和電流值和調(diào)用子程序等。主程序流程圖如圖5所示。

服務(wù)子程序包括電流斬波子程序、PI調(diào)節(jié)子程序、初始位置整定子程序和故障處理子程序等，中斷處理程序包括脈沖PWM中斷處理程序、換相中斷處理程序、A/D轉(zhuǎn)換中斷處理程序以及速度中斷處理程序等。

圖5 主程序流程圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文以TMS320LF2407為控制核心，構(gòu)建了基于能量優(yōu)化簡化磁鏈法的SRM間接位置檢測控制系統(tǒng)，并在起動轉(zhuǎn)速范圍0～2 000 r/min、起動過程時(shí)間小于2 s、斬波電流40 A的條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖6為基于能量優(yōu)化簡化磁鏈法的SRM間接位置檢測控制系統(tǒng)運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)速下斬波次數(shù)和相電流的波形。從圖中可看出，轉(zhuǎn)速越提高，相電流斬波次數(shù)越少，相電流也相應(yīng)減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)的運(yùn)動電勢作用越來越明顯，有效地抑制了相電流的上升速率;所設(shè)計(jì)的基于能量優(yōu)化簡化磁鏈法的SRM間接位置檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測控制系統(tǒng)所需控制信號，并通過控制系統(tǒng)獲得了期望的相電流波形。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下的斬波起動相電流波形

4結(jié) 語

本文闡述了能量優(yōu)化簡化磁鏈法的原理，分析了輸出功率最大和輸出轉(zhuǎn)矩最大兩個方面的能量優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法。對能量優(yōu)化磁鏈間接位置控制以及系統(tǒng)電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，構(gòu)建了基于能量優(yōu)化簡化磁鏈法的的 SRM間接位置檢測控制系統(tǒng)。對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，測試了在斬波電流40 A情況下不同轉(zhuǎn)速下的斬波起動想電流波形，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的基于能量優(yōu)化簡化磁鏈法的SRM間接位置檢測方法切實(shí)可行，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的SRD控制系統(tǒng)提供了參考。

［1］ 王宏華．開關(guān)型磁阻電動機(jī)調(diào)速控制技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995．

［2］ Yang Y G，Yao R P．Research on SRD’s dynamic performance［J］．Tsinghua University Journal，1997，37(9):82-85．

［3］ Arkadan A A，Kielgas B W．Switched reluctance motor drive systems dynamic performance prediction under internal and external fault conditions［J］．IEEE Trans．on Energy Conversion，1994，9(1):36-44．

［4］ Saha S．Developing a Sensorless Approach for Switched Reluctance Motors from a New Analytical Model，Conference Records［C］//IEEE-IAS Annual Meeting，1999:525-532．

［5］ Wu W，Dunlop J B，Collocott S J，et al．Design Optimization of a Switched Reluctance Motor by Electromagnetic and Thermal Finite-Element Analysis［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2003，39(5):3334-3336．

［6］ Michael T D，Wasim Khan．Self trained commutation algorithm for an SR motor drive system without position sensing［C］//IEEE Industry Applications Society Annual Meeting，New Orleans，Louisians，1997，1:341-348．

［7］ 邱亦慧，詹瓊?cè)A，馬志源，等．基于簡化磁鏈法的開關(guān)磁阻電機(jī)間接位置檢測［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，21(10):59-62．

［8］ 楊金明，劉文剛，趙世偉，等．開關(guān)磁阻直線電動機(jī)的位置估計(jì)及誤差分析［J］．微特電機(jī)，2009，37(3):6-8，14．

［9］ 鄭洪濤，蔣靜坪．開關(guān)磁阻電動機(jī)無位置傳感器能量優(yōu)化控制［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(1):153-157．

［10］ 章云，謝莉萍，雄紅艷．DSP控制器及其應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001．