基于dSPACE三相SRD磁鏈特性檢測(cè)方法*

孫　剛，　張　磊

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京　210036)

基于dSPACE三相SRD磁鏈特性檢測(cè)方法*

孫剛，張磊

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210036)

摘要：針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)常見(jiàn)磁鏈檢測(cè)方法過(guò)程復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)困難的缺點(diǎn)，提出了基于dSPACE平臺(tái)的磁鏈特性檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)階躍電壓法檢測(cè)電機(jī)的磁鏈特性。該系統(tǒng)只需建立Simulink磁鏈計(jì)算模型，應(yīng)用ControlDesk系統(tǒng)豐富的虛擬控件，簡(jiǎn)便快速在線(xiàn)優(yōu)化模型，該方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該磁鏈特性檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和可行性。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)； 磁鏈特性； dSPACE； 階躍電壓

0引言

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor, SRM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、效率高、調(diào)速范圍寬等許多優(yōu)點(diǎn)，在混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)、風(fēng)能發(fā)電、家用電器、航空器等許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。SRM為雙凸極結(jié)構(gòu)，電機(jī)磁鏈與轉(zhuǎn)子位置、相電流呈現(xiàn)復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系。磁鏈特性不但是電機(jī)的基本特性，而且更是電機(jī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制算法以及進(jìn)行轉(zhuǎn)子無(wú)位置傳感器控制的重要依據(jù)。因此，磁鏈特性的檢測(cè)研究引起了廣泛關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外很多文獻(xiàn)研究了SRM磁鏈特性檢測(cè)，主要有有限元仿真法、直接檢測(cè)和間接檢測(cè)等。在電機(jī)內(nèi)部增加一個(gè)霍爾片結(jié)構(gòu)[1]，直接測(cè)量電機(jī)的磁密，用磁密和定子截面積、匝數(shù)相乘，即可得到電機(jī)繞組的磁鏈。但是SRM的磁密分布不均勻，通過(guò)安裝霍爾片來(lái)計(jì)算會(huì)帶來(lái)較大的誤差。也有學(xué)者利用交流電橋間接測(cè)量磁鏈[2]。該方法主要是通過(guò)測(cè)量不同電流下的相電感得到電機(jī)的磁鏈特性。該方法需要注入探測(cè)脈沖信號(hào)，測(cè)量方法復(fù)雜，測(cè)量準(zhǔn)確性難以保證。有限元仿真是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的電磁軟件建立二維模型[3]，算出電機(jī)磁鏈數(shù)據(jù)。該方法在建模過(guò)程中受約束條件多，在實(shí)際應(yīng)用中并不常用。目前大多使用的方法是利用電機(jī)的相電壓、相電流通過(guò)數(shù)學(xué)積分運(yùn)算計(jì)算磁鏈，但此方法需要軟件設(shè)計(jì)[4]。函數(shù)解析法在一定程度上優(yōu)化系統(tǒng)性能，但對(duì)負(fù)載及環(huán)境變化的適應(yīng)性不強(qiáng)[5]。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能理論在SRM建模中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和變結(jié)構(gòu)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是常用的智能算法[6-7]，但先進(jìn)的智能方法對(duì)微處理器的要求很高，算法較復(fù)雜。

本文采用dSPACE為磁鏈檢測(cè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)階躍電壓法檢測(cè)電機(jī)的磁鏈特性，建立Simulink磁鏈計(jì)算模型，通過(guò)ControlDesk的虛擬控件，簡(jiǎn)便快速在線(xiàn)優(yōu)化模型。該方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

1硬件電路設(shè)計(jì)

1.1信號(hào)調(diào)理電路

SRM磁鏈計(jì)算是通過(guò)實(shí)時(shí)采集電機(jī)的相電流、相電壓積分計(jì)算得到的。同時(shí)，為了提高SRM控制系統(tǒng)的可靠性，需要設(shè)計(jì)過(guò)流、過(guò)壓、功率管保護(hù)電路，防止系統(tǒng)過(guò)載或故障。實(shí)時(shí)檢測(cè)主功率開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)具備快速性好、被測(cè)主電路與控制電路間有良好的隔離、靈敏度高等特點(diǎn)。

電流采集采用了LEM公司的電流傳感器LA108-P，測(cè)量范圍為0～±150A，頻率范圍為0～200kHz，測(cè)量精度在±0.5%以?xún)?nèi)。RM為檢測(cè)電阻，檢測(cè)時(shí)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，由于轉(zhuǎn)換率為1 ∶2000，所以相電流是采樣電阻上電流的2000倍，取采樣電阻RM為100Ω，即RM/2000=1 ∶20，當(dāng)檢測(cè)電壓為1V時(shí)，相電流為20A。硬件連接圖如圖1所示。

圖1　電流傳感器外圍電路

電壓采集采用型號(hào)為L(zhǎng)V28-P的電壓傳感器，測(cè)量范圍是0～±14mA，轉(zhuǎn)換率為2500 ∶1000，總精度在±0.6%以?xún)?nèi)，電壓傳感器外圍電路如圖2所示。

圖2　電壓傳感器外圍電路圖

電流傳感器采集到信息比較弱，所以一般要經(jīng)過(guò)放大電路調(diào)理后送入處理器的AD口。本試驗(yàn)平臺(tái)采用DS1104型dSPACE為處理器，其AD口允許的電壓范圍為-10～10V，所以放大電路需要按一定的比例，適當(dāng)放大電流傳感器采集到的電壓信號(hào)，使調(diào)理后的電壓信號(hào)控制在AD口允許的范圍內(nèi)。如圖3所示，Isa為A相電流采集信號(hào)，ADIa為dSPACE作為A相的AD口，DW1和D5為穩(wěn)壓管和二極管，組成一個(gè)鉗位電路。該鉗位電路的功能是：當(dāng)調(diào)理后的電壓大于10V時(shí)，穩(wěn)壓二極管導(dǎo)通，將其值穩(wěn)定在10V；當(dāng)調(diào)理后的電壓為負(fù)時(shí)，二極管導(dǎo)通，電壓鉗在0V。這樣就使輸入到dSPACE的A/D口的電壓始終在安全范圍，同時(shí)，也可以防止尖峰電壓太大而燒毀dSPACE，起到保護(hù)微處理器的作用。

圖3　輸入信號(hào)調(diào)理電路

1.2斬波電路

SRM起動(dòng)或低速工作時(shí)，相電流的峰值比較大，如果不加以控制，會(huì)造成器件燒毀，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為此，本系統(tǒng)采用常見(jiàn)的硬件電路進(jìn)行電流的斬波控制，如圖4所示。

圖4　電流斬波電路

電位器設(shè)置電流斬波限，輸入到比較器的反相輸入端，采集的相電流經(jīng)過(guò)放大后送入到比較器的同相輸入端，通過(guò)比較形成模擬電壓信號(hào)CHOPA。再將CHOPA信號(hào)和轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)、過(guò)流、過(guò)壓信號(hào)綜合“相與”驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，以實(shí)現(xiàn)電流斬波控制。

2階躍電壓法檢測(cè)磁鏈

忽略磁滯、渦流和繞組間的互感，那么SRM某相繞組的電壓方程為

(1)

式中：Um——相電壓；

Rm——相電阻；

im——相電流；

ψm——相磁鏈。

將式(1)積分得到磁鏈表達(dá)式

(2)

式中：ψm(0)——相磁鏈的初始值。

設(shè)ψk(0)為第k相繞組磁鏈的初始值，若實(shí)時(shí)采集0時(shí)刻至t時(shí)刻間的相繞組電壓、電流值，已知初始磁鏈值ψk(0)和相繞組電阻值Rk，可利用式(2)積分計(jì)算出相繞組t時(shí)刻的磁鏈值ψk。

為了提高磁鏈特性的檢測(cè)精確度，減小相繞組電阻值隨繞組溫度變化而帶來(lái)的測(cè)量誤差，將待測(cè)相繞組通電，當(dāng)繞組溫度達(dá)到電機(jī)額定溫升后，測(cè)定阻值R。

階躍電壓法檢測(cè)磁鏈就是將電機(jī)轉(zhuǎn)子固定于某一設(shè)定角度位置，給相繞組施加一個(gè)階躍電壓，在電流從零上升至穩(wěn)態(tài)(0～t1)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集檢測(cè)相電壓和相電流值，然后通過(guò)磁鏈積分式(2)計(jì)算磁鏈值。

圖5　階躍電壓示意圖

階躍電壓檢測(cè)時(shí)只需繞組充分放電完成，即可確保初始磁鏈值ψm(0)為零，檢測(cè)方便，易于實(shí)現(xiàn)。采用階躍電壓法檢測(cè)磁鏈時(shí)相電阻發(fā)熱不明顯。

3試驗(yàn)分析

試驗(yàn)樣機(jī)為三相12/8結(jié)構(gòu)的SRM：額定轉(zhuǎn)速為1500r/min、額定功率為1.5kW。根據(jù)上述檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)出以dSPACE控制器為核心、機(jī)械分度儀為定位系統(tǒng)的SRM磁鏈特性檢測(cè)平臺(tái)。檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　磁鏈特性檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是機(jī)電控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，能完成系統(tǒng)控制算法的實(shí)現(xiàn)，內(nèi)嵌DSP，計(jì)算能力強(qiáng)，I/O口豐富。它將MATLAB/Simulink與其無(wú)縫連接，可方便地實(shí)現(xiàn)代碼生成/下載和試驗(yàn)/調(diào)試等工作，無(wú)須手工編寫(xiě)程序代碼。

dS1104作為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的控制核心，為開(kāi)關(guān)管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)決定相繞組的通斷。先將電機(jī)某一相通電，根據(jù)電機(jī)磁阻最小原理，在磁阻力的作用下，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到極對(duì)極對(duì)齊位置停止，即定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極中心線(xiàn)完全重合的位置(定義為22.5°)，以極對(duì)齊為起始位置，利用階躍電壓法實(shí)現(xiàn)不同位置下電機(jī)磁鏈的檢測(cè)，將實(shí)時(shí)采集的相電流、相電壓送入dS1104。圖7為電機(jī)極對(duì)極對(duì)齊位置所加的階躍信號(hào)，其中相電壓為20V，其他位置也加如此相同的階躍信號(hào)。

圖7　對(duì)齊位置階躍電壓波形

檢測(cè)系統(tǒng)中的ADC單元的采樣時(shí)間是800ns，能夠滿(mǎn)足磁鏈檢測(cè)系統(tǒng)中繞組電壓電流的實(shí)時(shí)采樣、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。采集完成后，停止采樣，關(guān)斷IGBT。然后調(diào)整轉(zhuǎn)子位置，重復(fù)以上步驟。所有采樣完成后，利用EXCEL工具對(duì)獲取的電壓電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和計(jì)算，繪制出不同轉(zhuǎn)子位置下的磁化曲線(xiàn)。圖8是電機(jī)在極對(duì)極對(duì)齊位置和非對(duì)齊兩個(gè)特殊位置上檢測(cè)的磁鏈，圖9是檢測(cè)到的磁鏈曲線(xiàn)族。

圖8　對(duì)齊位置和非對(duì)齊位置的實(shí)測(cè)磁鏈

圖9　不同轉(zhuǎn)子位置下磁化曲線(xiàn)族

4結(jié)語(yǔ)

本文提出基于階躍電壓法檢測(cè)電機(jī)的磁鏈，并設(shè)計(jì)了以dSPACE為處理中心、機(jī)械分度儀為定位系統(tǒng)的SRM磁鏈特性檢測(cè)平臺(tái)。只需建立Simulink磁鏈檢測(cè)模型，具有在線(xiàn)調(diào)整參數(shù)，省去微處理器軟件編程麻煩等優(yōu)點(diǎn)。磁鏈特性的檢測(cè)對(duì)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和無(wú)傳感器技術(shù)都是十分重要的依據(jù)。本方法具有一定的實(shí)用性和通用性。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]LOVATT H C, STEPHENSON J M. Measurement of magnetic characteristics of switched reluctance motors[J]. Proc ICEM, 1992：465-469.

[2]ACARNLEY P P, AGGARWAL R. Inductance and static torque measurements in small reluctance type machines[C]∥Proc UPEC, Nottingham U K, 1988.

[3]PIRES A J, BRANCO P J C. Obtaining the Magnetic Characteristics of an 8/6 Switched Reluctance Machine：From FEM Analysis to the Experimental Tests[J]. IEEE Transactions on industrial, 2006,52(6)：1635-1643.

[4]蔡燕,許鎮(zhèn)琳,高超.基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)特性檢測(cè)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005(11)：22-24.

[5]ILIC S M， MARINO R， PERESADA S M， et al． Feedback linearizing control of switched reluctance motors[J]． IEEE Transactions on Automation Control， 1987，32(5)：371-379．

[6]夏長(zhǎng)亮，王明超．基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)單神經(jīng)元PID控制[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(15)：162-165．

[7]紀(jì)良文，蔣靜坪，何峰，等．基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)建模[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，16(4)：7-11．

Flux Linkage Characteristic Detection of Switched Reluctance Motor Based on dSPACE*

SUNGang，ZHANGLei

(Nanjing College of information Technology, Nanjing 210036, China)

Abstract：Several current typical methods of acquisition of flux linkage characteristic of switched reluctance machine(SRM) was analyzed. The flux linkage characteristic detection system based on dSPACE. The Simulink model was proposed in the system. The parameters of the the system were adjusted quick-acting computational efficiency utilizing the virtual control of the ControlDesk. The process of the flux linkage characteristic detection were simplified and the software design was ignored, for checking the accurancy of the flux linkage characteristic detection. Experiments verify the veracity and the validity of the flux linkage characteristic detection were proposed.

Key words：switched reluctance motor； flux linkage characteristic； dSPACE； step voltage

*基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20151574)；江蘇省“六大人才高等”高層次人才選拔對(duì)象C類(lèi)資助項(xiàng)目(2014-ZNDW-003)

作者簡(jiǎn)介：孫剛(1973—)，男，碩士研究生，副教授，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽儞Q器及電機(jī)控制。

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 352

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2016)05- 0084- 04

收稿日期：2015-12-21