基于無位置傳感的開關(guān)磁阻電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)研究

陳運(yùn)亮

（江蘇省高淳中等專業(yè)學(xué)校，南京 214028）

基于無位置傳感的開關(guān)磁阻電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)研究

陳運(yùn)亮

（江蘇省高淳中等專業(yè)學(xué)校，南京 214028）

提出一種基于最小二乘支持向量機(jī)的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的新方法，形成一個(gè)理想的支持向量機(jī)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流、磁鏈與轉(zhuǎn)子位置之間的非線性映射，實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。完成以DSP TMS320F28335作為控制核心的開關(guān)磁阻電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，給出電流斬波、轉(zhuǎn)子位置估算、相切換程序的流程圖和轉(zhuǎn)速估算的算法，并利用Matlab對開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真。

無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)

開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM）具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、運(yùn)行效率高、制造成本低、控制靈活、調(diào)速性能好，適用于惡劣環(huán)境運(yùn)行等諸多優(yōu)點(diǎn)。由其構(gòu)成的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance Motor Drive，SRD）是一種新型的無極調(diào)速系統(tǒng)，兼有交、直流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在較廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種轉(zhuǎn)矩-速度特性，能四象限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力等，引起了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。SRD是一種新型的機(jī)電一體化無極調(diào)速系統(tǒng)，其技術(shù)涉及電機(jī)設(shè)計(jì)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)控制等學(xué)科。SRD系統(tǒng)在家用電器、通用工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)等方面得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］。

1　TMS320F28335 DSP芯片

TMS320F28335型數(shù)字信號處理器與以往的定點(diǎn) DSP相比，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等特點(diǎn)。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，片內(nèi)包含一個(gè)32位浮點(diǎn)處理單元（FPU），16通道12位AD轉(zhuǎn)換器、2個(gè)采樣保持器、采樣精度為12位、轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns、量程為0～3V，高達(dá)18路PWM輸出，其中6路為150ps分辨率的HRPWM，88個(gè)GPIO，8個(gè)外部中斷，6個(gè)捕捉單元（eCAP），2個(gè)正交脈沖編碼電路（eQEP），6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF。

基于LS-SVM的開關(guān)磁阻電機(jī)的無位置傳感器試驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的控制算法，TMS320F28335強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力、強(qiáng)大的事件管理能力及良好的編程能力為精準(zhǔn)快速地計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，及時(shí)調(diào)整控制方式提供了良好的環(huán)境。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)主要由電源、功率變換器、DSP控制器、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、開關(guān)磁阻電機(jī)本體和顯示等組成。其中，采樣電路獲得相電流、相電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路送至DSP的AD模塊，由TMS320F28335完成磁鏈計(jì)算、轉(zhuǎn)子位置估計(jì)、控制方式、換相邏輯信號的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)速估算與調(diào)節(jié)等一系列控制，并與上位機(jī)和顯示通信來顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。SRD系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　SRD系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

2.1功率變換器設(shè)計(jì)

功率變換器采用三相不對稱半橋結(jié)構(gòu)，不存在橋臂直通現(xiàn)象。相繞組之間完全獨(dú)立，系統(tǒng)控制靈活、可靠性高。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　不對稱半橋線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率場效應(yīng)管MOSFET作為主開關(guān)，型號為IRFP450，其漏源電壓，連續(xù)漏極電流?？紤]到主電路為高電壓、大電流，而控制單元為低電壓、小電流的情況，為了使它們之間隔離，提高系統(tǒng)抗干擾能力，根據(jù)功率變換電路結(jié)構(gòu)，選用具有光電隔離的驅(qū)動(dòng)芯片TLP250。該芯片是一種可直接驅(qū)動(dòng)小功率MOSFET的功率型光耦，其最大的驅(qū)動(dòng)能力達(dá)1.5A。選用TLP250芯片即實(shí)現(xiàn)了功率變換電路與控制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動(dòng)MOSFET的能力，使驅(qū)動(dòng)電路簡單。以A相為例，如圖3所示。

由DSP給出的驅(qū)動(dòng)信號，經(jīng)邏輯電路進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換來控制TLP250發(fā)光二極管陰極（CATHODE）。當(dāng)CATHODE為低電平時(shí)，TLP250輸出高電平，功率MOSFET導(dǎo)通；反之，當(dāng)CATHODE為高電平時(shí)，TLP250輸出低電平，功率MOSFET關(guān)斷。

圖3　MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

2.3主開關(guān)管緩沖電路設(shè)計(jì)

主開關(guān)如果突然關(guān)斷，由于電機(jī)繞組呈電感特性，繞組電流不能突變，但卻會(huì)產(chǎn)生很高的瞬時(shí)電壓尖峰。如果主開關(guān)工作頻率較高，該電壓尖峰有可能超出主開關(guān)最高耐壓值的許多倍，這是不允許的。因此，需要在主開關(guān)的漏源極之間并聯(lián)一個(gè)緩沖吸收電路。圖4顯示了主開關(guān)關(guān)斷時(shí)有、無緩沖電路時(shí)負(fù)載曲線的比較。圖5則為RCD關(guān)斷緩沖電路。RS為漏感儲(chǔ)能釋放電阻，DS為抑制集電極尖峰電壓阻尼振蕩二極管，CS為開斷吸收電容，以減少開關(guān)管的關(guān)斷損耗和保護(hù)瞬間尖峰電壓擊穿開關(guān)管。參數(shù)計(jì)算的依據(jù)為：

式中：tf為開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間，Iph為相電流，US為電源電壓，f為電流斬波頻率。

圖4　關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線圖

圖5　主開關(guān)關(guān)斷保護(hù)電路

2.4電流檢測設(shè)計(jì)

霍爾傳感器檢測電流信號。為了使采樣輸出的電壓與DSP的AD端口電壓等級匹配，電路中設(shè)置了信號調(diào)理電路。為避免在電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過電流，使霍爾傳感器輸出電壓過高而損壞DSP接口，在信號調(diào)理輸出端需增加穩(wěn)壓管1N4728A。

2.5保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要考慮過電流保護(hù)。電流保護(hù)限的參考值根據(jù)繞組允許最大電流值和功率主開關(guān)承受最大電流值確定。采用不帶自恢復(fù)的封鎖性保護(hù)電路，如圖6所示。圖中比較器是帶正反饋的滯環(huán)比較器，目的是避免輸入信號在比較限上下時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)而導(dǎo)致誤觸發(fā)。

圖6　保護(hù)電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

SRM低速運(yùn)行采用CCC控制，高速運(yùn)行時(shí)采用APC控制。圖7所示SRD系統(tǒng)控制軟件由主程序、初始化程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。

圖7　SRD系統(tǒng)主程序及初始化程序

圖8給出了開關(guān)磁阻電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)電流斬波控制的流程圖，包括判斷加電相、開通關(guān)斷角檢測、電流檢測、電流限幅比較等。

3.1位置估計(jì)及相切換程序

SRM無位置傳感器控制采用磁鏈-電流-位置角度法。根據(jù)它們之間的關(guān)系，得到轉(zhuǎn)子位置。而實(shí)際過程中并不需要轉(zhuǎn)子位置的信息，只需判斷相應(yīng)的換相位置，各相繞組就能輪流導(dǎo)通。因此，轉(zhuǎn)子位置檢測就可以簡化為換相位置檢測，即只需將對應(yīng)當(dāng)前電流的換相位置磁鏈與積分計(jì)算得到的估算磁鏈相進(jìn)行比較。如果前者大于后者，則換相位置還未到，繼續(xù)導(dǎo)通當(dāng)前相；反之，則認(rèn)為換相位置已到，關(guān)斷當(dāng)前相，導(dǎo)通下一相。這就是簡化磁鏈法的思想。

采用最小二乘支持向量機(jī)無位置傳感器來間接獲得SRM轉(zhuǎn)子位置信息，通過實(shí)時(shí)檢測繞組的電壓、電流值，經(jīng)過調(diào)理電路，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換端口輸入到DSP磁鏈估算模塊，利用最小二乘支持向量機(jī)估算出轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值θ?和速度估算值ω?，根據(jù)簡化磁鏈的思想執(zhí)行相切換控制程序。獲得位置信息后，相繞組切換子程序，根據(jù)估算的位置值決定當(dāng)前應(yīng)當(dāng)開通的相。當(dāng)θ?大于開通角θoff時(shí)，導(dǎo)通相繞組；當(dāng)θ?大于關(guān)斷角θoff時(shí)，關(guān)斷相繞組。位置估算流程圖如圖9所示。

圖8　SRM電流斬波流程圖

圖9　位置估算流程圖

3.2速度估算程序

Δθ=15°，另設(shè)兩次兩個(gè)特定相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置定時(shí)器差值為m，則轉(zhuǎn)速nr為：

為了消除干擾，平滑速度估計(jì)值需要采用IIR和FIR組合數(shù)字濾波算法，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)字濾波。計(jì)算公式如下：

4　實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果分析

以低速運(yùn)行CCC控制和高速運(yùn)行APC控制相結(jié)合的方式進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。下面是Matlab仿真波形，其中圖10為相電流波形。從圖中可以看出，開關(guān)磁阻電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，繞組電流值受斬波電流限的控制，使繞組電流被限制在190～210A。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定程度后，電機(jī)在APC控制下運(yùn)行，此時(shí)電流波形穩(wěn)定。圖11為SRM轉(zhuǎn)矩波形。在啟動(dòng)過程中，由于電流斬波的原因，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大。當(dāng)電機(jī)進(jìn)入高速運(yùn)行時(shí)，換相過程中為避免繞組電流進(jìn)入電感下降區(qū)域產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，需要提前關(guān)斷繞組電流，因此也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但于啟動(dòng)過程相比，此脈動(dòng)要小。

圖10　SRM繞組電流波形

圖11　SRM轉(zhuǎn)矩波形

5　總結(jié)

本文提出一種基于最小二乘支持向量機(jī)的開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的新方法。該方法降低了SRM無位置傳感器建模的復(fù)雜度、泛化能力強(qiáng)，結(jié)果精度高。研究表明，LS-SVM計(jì)算速度快、精確度高，能夠?qū)崿F(xiàn)SRM轉(zhuǎn)子位置檢測要求。

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［2］吳建華.開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

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Research on Switched Reluctance Motor Test System based on Non Position Sensor

CHEN Yunliang
（secondary professional school，Gaochun，Nanjing 214028）

This paper presents a new method based on least squares support vector machine for switched reluctance motor rotor position estimation and formed a ideal structure of support vector machines can realize nonlinear mapping between the motor current，flux and rotor position，switch reluctance motor rotor position estimation. Complete with the DSP TMS320F28335 as the core control of switched reluctance motor test system hardware design，given chopping current，rotor position estimation，phase switching program flow chart and the speed estimation algorithm in MATLAB，and simulation realization of switched reluctance motor drive system.

no position sensor，switched reluctance motor，system