基于DSP的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

陳運(yùn)軍

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628040）

開關(guān)磁阻電機(jī)是隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大及調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景，已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是在未來(lái)具有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的一種調(diào)速電機(jī)。

開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子都是凸極結(jié)構(gòu)，即雙凸極結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子和定子鐵芯都由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子極上無(wú)繞組，定子極上安裝有集中繞組，轉(zhuǎn)子、定子極對(duì)數(shù)不相等。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）主要由4部分組成，包括開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）、功率變換器、采樣反饋環(huán)節(jié)和控制器。SRM是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是此系統(tǒng)區(qū)別于其他電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最主要標(biāo)志[1]。

功率變換器提供開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行所需要的能量，一般是由蓄電池或交流電經(jīng)整流后得到的直流供電。采樣反饋環(huán)節(jié)包括電流檢測(cè)和位置檢測(cè)?？刂破魇钦渍{(diào)速系統(tǒng)的核心，處理反饋信號(hào)包括轉(zhuǎn)子位置和電流反饋信息，計(jì)算轉(zhuǎn)速，然后發(fā)出控制信號(hào)給功率變換器，實(shí)現(xiàn)功率變換器對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

通過(guò)對(duì)以上4部分的控制，可很好的對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速進(jìn)行控制，提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 機(jī)電設(shè)備檢測(cè)終端系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用TI公司的電機(jī)控制專用芯片TMS320LF 2812作為控制核心，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為2大部分：上位機(jī)與下位機(jī)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)主要研究下位機(jī)部分設(shè)計(jì)，包括軟、硬件部分。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于DSP專用調(diào)試軟件CCS平臺(tái)用C語(yǔ)言編程，以完成開關(guān)磁阻電機(jī)各種控制算法。硬件設(shè)計(jì)部分包括：主電路功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇和吸收電路的設(shè)計(jì)、電流采樣部分的設(shè)計(jì)、位置檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、功率開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及保護(hù)電路部分的設(shè)計(jì)等。

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1所示是本設(shè)計(jì)的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的總體框架圖。主要包括上位機(jī)、SRM本體、功率變換、控制系統(tǒng)以及信號(hào)采樣部分五個(gè)環(huán)節(jié)；軟件主要實(shí)現(xiàn)位置計(jì)算、速度估算、PI控制等功能。虛線框內(nèi)表示系統(tǒng)使用到的DSP芯片的模塊和軟件中所需要實(shí)現(xiàn)的功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如下：上位機(jī)PC與下位機(jī)通過(guò)RS232串行接口進(jìn)行通訊；功率變換系統(tǒng)主要包括不對(duì)稱橋式電路和橋式電路，采用IGBT作為功率開關(guān)器件，IGBT模塊內(nèi)部自帶的二極管作為續(xù)流二極管，用EXB841作為IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片；控制器核心采用TI公司的電機(jī)控制專用芯片TMS320LF2812。系統(tǒng)的主電路電源采用三相交流電通過(guò)三相不控制整流獲得直流電源，系統(tǒng)的控制電源部分采用5 V、±15 V和24 V開關(guān)電源供電。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

主控制系統(tǒng)是將TMS320F2812核心系統(tǒng)、電流速度反饋系統(tǒng)、IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、觸摸液晶屏等連接構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)并根據(jù)需要留有擴(kuò)展接口以滿足日后對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)和更新。電源芯片采用TI公司的雙路輸出低壓降穩(wěn)壓器TPS767D301，可以輸出3.3 V和1.8 V電壓供給TMS320F2812使用，每個(gè)通道均可輸出高達(dá)1 A的電流。同時(shí)具有1.8 V同核延時(shí)200 ms供電的能力，是為TMS320F2812芯片設(shè)計(jì)的專用電源芯片。

1.2 IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)將TMS320F2812輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行隔離、放大并最終驅(qū)動(dòng)IGBT工作；其次需要根據(jù)電流、速度反饋信號(hào)輸出的過(guò)流信號(hào)對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行封鎖；最后可以根據(jù)IGBT集電極與射極之間的電壓檢測(cè)IGBT過(guò)流情況并將故障信號(hào)反饋給DSP。根據(jù)這一設(shè)計(jì)思路，首先選擇IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片EXB841，該芯片可以將低電平0 V的信號(hào)放大為0.5 V，將高電平5 V的信號(hào)放大為15 V。芯片內(nèi)部集成有光耦隔離電路，可以將PWM信號(hào)與強(qiáng)電進(jìn)行隔離。驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率可以達(dá)到40～50 kHz，采用單電源供電，內(nèi)部可以產(chǎn)生一個(gè)－5 V反偏壓。本系統(tǒng)SRM為三相電機(jī)，所以需要4個(gè)隔離電源對(duì)EXB841進(jìn)行供電，3個(gè)上橋臂分別使用3個(gè)獨(dú)立的隔離電源進(jìn)行供電，3個(gè)下橋臂使用一個(gè)獨(dú)立的隔離電源進(jìn)行供電。由于TMS320F2812的通用I/O引腳的帶負(fù)載能力較小，因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要對(duì)TMS320F2812輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行緩沖。本設(shè)計(jì)中為了在故障時(shí)可以封鎖DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)，將PWM信號(hào)與故障信號(hào)與后作為EXB841的輸入信號(hào)，同時(shí)將7路故障信號(hào)相與，送到延時(shí)電路進(jìn)行處理，最后送給DSP。

1.3 功率變換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功率變換系統(tǒng)包括不對(duì)稱功率電路和橋式電路。三相380 V交流電經(jīng)過(guò)不控整流得到直流電作為功率變換器主電路供電電源，選用富士公司生產(chǎn)的6R1100G－160（100 A/1 600 V）不控整流模塊；功率變換系統(tǒng)的功率開關(guān)器件選用富士公司生產(chǎn)的2MBl25L.120模塊（兩相模塊25 A/1 200 V）；IGBT模塊內(nèi)部自帶的二極管作為各相繞組關(guān)斷時(shí)的續(xù)流二極管；供電電源上二并二串4個(gè)穩(wěn)壓濾波電容（3 300 μF／400 VDC），在每個(gè)電容上并聯(lián)一個(gè) 30 kΩ 的水泥電阻，用來(lái)保證每個(gè)電容上電壓的相等。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行在額定工作條件下，其主開關(guān)元件IGBT需要在高電壓、大電流的環(huán)境下不斷切換，因此是整個(gè)系統(tǒng)最脆弱的環(huán)節(jié)之一。所以為保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，保護(hù)主開關(guān)器件，要使用緩沖電路保護(hù)每個(gè)主開關(guān)器件[2]。這里采用最常用的一種Snubber電路，它由一個(gè)電阻與一個(gè)二極管并聯(lián)，再與一個(gè)高壓電容串聯(lián)，如圖2所示。IGBT與Snubber電路并聯(lián)構(gòu)成成最簡(jiǎn)單的IGBT保護(hù)吸收電路，在這個(gè)電路中并聯(lián)電容Cs。將降低IGBT關(guān)斷時(shí)的損耗，并改善其在反偏壓工作條件下關(guān)斷時(shí)的伏安特性；電阻Rs為漏感儲(chǔ)能的釋放電阻；VD可以避免IGBT開通時(shí)電容的突然放電，以減小開通時(shí)的負(fù)擔(dān)。

圖2 Snubber吸收緩沖電路Fig.2 Snubber absorption buffer circuit

1.4 電流與位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的電流采樣環(huán)節(jié)通過(guò)霍爾電流傳感器實(shí)現(xiàn)，使用萊姆公司生產(chǎn)的LA58.P。系統(tǒng)中需要3個(gè)霍爾電流傳感器分別檢測(cè)三路相電流。位置信號(hào)的反饋電路設(shè)計(jì)將強(qiáng)電與DSP之間的電源進(jìn)行隔離，本設(shè)計(jì)中應(yīng)用TLPl81將強(qiáng)電與弱電電源進(jìn)行隔離[4]。

過(guò)流保護(hù)電路：為了在故障時(shí)盡快切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電路中設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)電路。該電路首先通過(guò)將三相電流信號(hào)線與然后進(jìn)入比較器，比較值可以通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)有一相電流值大于所設(shè)的比較值后，比較器將產(chǎn)生一個(gè)過(guò)流信號(hào)。這個(gè)過(guò)流信號(hào)送到故障鎖存電路，最后通知DSP。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示，系統(tǒng)采用TMS320F2812 DSP控制開關(guān)磁阻電機(jī)的軟件整體程序結(jié)構(gòu)。

在程序的最高層上，包括初始化程序和主程序。初始化程序包括DSP設(shè)置、EVM初始化、控制算法參數(shù)初始化和開啟中斷服務(wù)程序。初始化結(jié)束后，主程序開始運(yùn)行。主程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)程序，在主程序中主要進(jìn)行轉(zhuǎn)速的計(jì)算和電流轉(zhuǎn)速等參數(shù)的發(fā)送[5]。

圖3 系統(tǒng)控制整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of system control

電機(jī)控制過(guò)程中重要的相關(guān)時(shí)間量都是經(jīng)過(guò)定時(shí)器中斷程序來(lái)完成的。采用定時(shí)器3周期中斷程序，定時(shí)器周期頻率為5 kHz。SRM在時(shí)間中斷程序運(yùn)用的控制算法包括轉(zhuǎn)子位置計(jì)算、堵轉(zhuǎn)判斷、換相判斷、轉(zhuǎn)速PI控制、電流 PWM控制等。每一次定時(shí)器周期中斷啟動(dòng)，首先進(jìn)行一次轉(zhuǎn)子位置計(jì)算并完成一次堵轉(zhuǎn)判斷，即執(zhí)行更新轉(zhuǎn)子位置和判斷堵轉(zhuǎn)的頻率都為5 kHz。而轉(zhuǎn)速PI控制、電流PWM控制和換相判斷，則以頻率5 kHz的五分頻運(yùn)行，即每5次中斷這些控制控制各執(zhí)行一次，其中換相判斷在第一次運(yùn)行，速度PI控制于第三次執(zhí)行，而電流PWM控制在第五次運(yùn)行[3]。DSP3個(gè)捕獲單元CAPl23捕獲光電編碼器產(chǎn)生三路位置信號(hào) （上升沿和者下降沿），每一次發(fā)生捕獲，程序就會(huì)進(jìn)入捕獲中斷服務(wù)子程序中。在捕獲中斷服務(wù)子程序中，程序判斷哪一路發(fā)生了捕獲，讀取相應(yīng)捕獲堆棧寄存器FIFO里的數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存，等待位置和轉(zhuǎn)速的計(jì)算子程序調(diào)用參考。接下來(lái)中斷子程序更新位置標(biāo)志位和轉(zhuǎn)速標(biāo)志位，供其它子程序進(jìn)行調(diào)用（轉(zhuǎn)速計(jì)算在主程序中實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子位置計(jì)算在定時(shí)器周期中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)）。SCI接收中斷服務(wù)子程序主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的指令。當(dāng)收到上位機(jī)的指令，進(jìn)入SCI接收中斷程序，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷是否開機(jī)，是否關(guān)機(jī)，是否為給定轉(zhuǎn)速。若為給定轉(zhuǎn)速，則繼續(xù)接收四位數(shù)據(jù)，即給定轉(zhuǎn)速的千、百、十、個(gè)四位數(shù)據(jù)[6]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Experimental system structure diagram

針對(duì)不對(duì)稱功率電路控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)包括給定轉(zhuǎn)速一定實(shí)驗(yàn)，給定轉(zhuǎn)速變化實(shí)驗(yàn)和負(fù)載改變實(shí)驗(yàn)。當(dāng)給定轉(zhuǎn)速為800 rpm時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速很快達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，并略有超調(diào)，然后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。繞組電壓在導(dǎo)通時(shí)根據(jù)PWM通斷在母線電壓與0 V之間切換，當(dāng)關(guān)斷時(shí)由于互感作用產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)波動(dòng)，繞組電流在導(dǎo)通時(shí)接近平頂波，峰值在4 A左右。電機(jī)啟動(dòng)后在1.8 s左右達(dá)到給定轉(zhuǎn)速并基本穩(wěn)定。由于轉(zhuǎn)速加快，每一相相對(duì)導(dǎo)通周期變短，在導(dǎo)通周期有些相繞組電流未達(dá)到最大值即導(dǎo)通結(jié)束，基本成為三角波，電流峰值在7 A左右。當(dāng)給定轉(zhuǎn)速變化時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速值均能迅速達(dá)到新的給定值，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但超調(diào)量比較明顯，但很快穩(wěn)定。當(dāng)電機(jī)在26 s加載后，實(shí)際轉(zhuǎn)速略有下降，電流峰值上升到15 A左右，在39 s后卸載，實(shí)際轉(zhuǎn)速又上升回到給定轉(zhuǎn)速附近。

4 結(jié)束語(yǔ)

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為一種新型的調(diào)速系統(tǒng)[7-8]，同時(shí)具有直流調(diào)速系統(tǒng)和普通交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，顯示出強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，正逐步應(yīng)用于家用電器、一般工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電動(dòng)機(jī)、高速電動(dòng)機(jī)以及汽車輔助設(shè)備等領(lǐng)域，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及國(guó)防等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

[1]吳紅星.開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[2]曲兵妮，宋建成.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)互感特性及其對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009（3）:19-23.QU Bing-ni，SONG Jian-cheng.Mutual inductance of switched reluctance motor and its effect on torque[J].Electric Machines and Control，2009（3）:19-23.

[3]劉迪吉.開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展及應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2006（7）：22-25.LIU Qi-di.Development and application of switched reluctance motor[J].Electrical Technology，2006（7）：22-25.

[4]李廣海，葉勇，蔣靜坪.開關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)的分析[J].微特電機(jī)，2004（7）：1-3.LI Guang-hai，YE Yong，JIANG jing-ping.Analysis of indirect rotor-position detecting technique of switched reluctance motor[J].Micro motor，2004（7）：1-3.

[5]任潤(rùn)柏.TMS320F28x源碼解讀[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6]薛梅.開關(guān)磁阻電機(jī)非線性建模方法及智能控制策略研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[7]馬祥，高林.改進(jìn)的電動(dòng)鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（6）：186-188.MA Xiang，GAO Lin.Research on improved diesel generator governor of electric rig[J].Modern Electronics Technique，2012（6）：186-188.

[8]陸華穎，程光偉，陳凱.模糊PID雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真[J].電子科技，2012（8）：56-58.LU Hua-ying，CHENG Guang-wei，CHEN Kai.Simulation of fuzzy PID brushless DC motor double-loop speed control system[J].Science and Technology，2012（8）：56-58.