1、基于 DSP 的开关磁阻电机控制电气自动化)2004 年第 26 卷第 6 期电气传动和自动控制ElectricDriveAutomaticControI基于 DSP 的开关磁阻电机控制火SwitchedReluctanceMotorControlSystemBasedonDSP浙江大学电气工程学院(杭州 310027)李广海叶勇蒋静坪(ZhefiangUniversity,Hangzhou,310027)LiGuanghaiYeYongJiangJingping摘要:本文介绍了一种基于 DSP 芯片 TMS320F240 的开关磁阻电动机控制系统.硬件设计上,该系统充分利用了 DSP 的运算
2、能力和丰富的外围设备资源,简化了系统的硬件结构,为实现电机全数字化控制做了有益尝试;控制策略上,在电压斩波的基础上,运用了数字电流控制和模糊角度补偿的控制方式.实验结果表明,该系统在四象限内具有良好的运行特性.关键词:开关磁阻电机数字信号处理器全数字化驱动系统模糊控制电流跟踪控制Abstract:Inthispaperaswitchedreluctancemotor(SRM)controlsystembasedondigitalsignalprocessor(DSP)isintroduced.Inthedesignofhardware,itfullyutilizesthehighspeedca
3、lculationfunctionofDSPandwealthyperipheralequipmentresourcestosimplifythehardwareconstructionofthesystem,SOthisisainstructivesampleforfulldigitaldriveofaswitchedreluctancedrive(SRD);Inthecontroltactic,afuzzyanglecompensationcontrolandaeuenttrackcontrolcombinedwiththevoltagechopcontrolisproposed.Expe
4、rimentalresultsshowthatthesystemhasgoodworkingcharacteristicsinfourquadrants.Keywords:SRMDSPfulldigitaldrivefuzzycontrolcurrenttrackcontrol【中图分类号TM921.2【文献标识码】A【文章编号】10003886(2004)06 一O012031 引言 3 硬件设计开关磁阻电机(SRM)作为一种新型电机,以其结构简单,坚固,成本低,容错能力强以及调速范围广,运行效率高的优势,在电力传动领域具有广阔的发展前景.但由于 SRM 的磁特性有严重的非线性和电机参数的时
5、变性,难以建立精确实用的数学模型,基于传统的模拟控制系统和线性控制策略往往无法满足高性能控制要求 I】I.TMS320F240 是美国德州公司专为数字式电机控制(DMC)应用而推出的一种低价格高性能 l6 位定点运算 DSP,它将 DSP 内核和丰富的微控制器外设功能集于一身,具有 DSP 的高速运算能力和对电机的高效控制能力,使得 SRM 系统的全数字化控制成为可能,也使得建立在一些复杂控制算法基础上的控制原理可以实时地在线计算和对系统优化处理.本文提出的基于该 DSP 的全数字SRM 驱动系统,可以充分利用 DSP 的高性能和丰富外围设备资源,简化系统硬件,也使得数字电流控制和模糊角度补偿
6、在线实时控制得以实现.2SRM 的控制原理文献【l】,【2】指出,定子绕组电压,开通角 0 与关断角都可以作为控制参数.控制 SRM 电机转速,可以采用控制开通角,关断角% 的角度位置控制(APC)方式,也可采用调节电流斩波幅值的电流斩波控制(CCC)方式或采用调节相绕组外加电压有效值的电压斩波控制(PWM)方式.本项目为浙江省科技厅国际合作项目(合同编号 001106127),已通过省级验收.12IElectricalAutomation典型 SRM 调速系统是由 SRM,功率变换器,位置检测和控制器四部分组成,根据需要还辅以检测电路,保护电路,键盘和显示电路,上位机通讯电路等.3.1 位置
7、检测与速度检测TMS320F240 的捕获单元可以捕获脉冲的上升沿和下降沿,无需添加任何硬件.由光耦产生的Ollf,一/,_,一一-,一.一,一_一,-./.,_./,./一_/一_,_/,一一一一.,一_,/,_图 1SRM 相绕组电感与传感器信号及换相逻辑关系正交编码脉冲,经整形后,直接送入两个捕获单元,捕获单元相继捕获两路脉冲的前后沿,即产生 4 种位置信号(见图 1),GO1,G02代表 SRM 的 4 个绕组与转子的相对位置 .中断程序根据捕获事件的发生及时间间隔,相应做出位置判断与速度估算.对 4 相(8/6)SRM 而言,在一个转子极距角 T=60.内,共有 4个步进角,位置检测
8、信号应相应变化 4 次,当转过一个转子极距角后,位置信号又回到了起始状态,如此循环,即可使转子位置与绕组导电的相序配合起来.整流输出电压电气传动和自动控制ElectricDriveAutomaticCentrelvV3:D2D|E 言 C.dllj 鼢,图 2SPJ)功率变换器原理图3.2 功率变换器本系统 SRD 功率变换器采用电压 PWM 方式工作的两相斩波功率变换器,优点是每相一个主开关器件降低了成本,“双四拍“ 运行方式启动转距大,无死区,而且转距平稳脉动小,整个主电路的拓扑结构如图 2 所示.图 2 中,为整流电路输出的直流电源电压;电容 Cl 为滤波电容,同时它还有吸收来自 SRM
9、 电机换相时回溃能量的作用 ;A,B,c,D 为电机四相绕组,VlV4 为 IPM 功率器件;D1 一 D4 为快恢复续流二极管;V5,功率电阻和二极管 D5 构成电机再生制动时的保护泄流回路.其工作原理为:任一时刻,电路中四相绕组有两相同时通电导通.通过 vl,v3 进行 PWM 控制,两相绕组上得到平均电压与电源电压的关系为:=EcTo/T,调节,的宽度即可改变绕组上得到的电压,从而控制绕组中的电流,达到控制转矩的目的.下面以 AB 两相为例,对主电路与功率变换器进行分析 :AB两相有两个主开关管 V-,V 及两个续流二极管 D-,D.AB 通电期间,主开关管 v:始终闭合,而主开关管 v
10、.的驱动信号为其导通信号和 PWM 信号相与.具体的讲,AB 两相绕组中有三种工作情况:开通期间,V-,V:同时开通,电源通过两个主开关管 V-,V:使 A,B 相绕组励磁产生相电流;斩波期间,v.断开,v 闭合,电流经v:,D.续流,电能不回馈电容,电流下降较缓,变得平滑,对电机出力及降低运行噪音非常有利;换相期间,v-,v:同时断开,电流图 3SRD 控制器结构框图电流检测电气自动化)2004 年第 26 卷第 6 期经两个续流二极管 D.,D:续流,电能回馈给电容,绕组感应电动势与电源电压极性相反,绕组中电流下降较快,这给换相带来好处:3.3 控制器的设计控制器是 SRM 驱动系统的核心
11、 ,本系统控制器以TMS320F240 系列数字信号处理器为核心 ,与位置检测 ,功率变换电路及电流检测环节相互关联,协调运行,硬件结构如图 3 所示.3.3.1 电流检测电路和电压检测电路实现电流控制和过电流保护,必须对绕组中的电流进行检测;电机反转运行过程中,由于能量回馈电源,为避免过压损坏功率器件和电容,必须限制母线电压,这就需要反转过程中对母线电压进行检测.对于模拟量检测,TMS320F240 内含两个 lO 位 8 通道 AD转换器,每次 AD 转换时间最长位 6.61xs,两个转换器可并行工作,转换结果存人一个两级 FIFO 寄存器中;霍尔元件电流传感器和电压传感器,可直接与计算机
12、接口,是目前广泛采用的方案.由前面分析可知,本系统采用 SRM 电机四相绕组两相斩波工作方式,即任何瞬时均有 A,c 相中的一相和 B,D 相中的一相绕组同时通电,但 A,c 相,B,D 相永远不会同时通电,因此,在实际应用中将 A,c 相 ,B,D 相绕组共用一个电流传感器.传感器输出为电压源输出,其与被测电流成线性关系,两路输出信号直接输入到TMS320F240 的 A/D 转换器的输入口 ADIN2,ADIN10;与霍尔元件电流传感器应用基本相同,电压传感器输出输入到TMS320F240 的 A/D 转换器的输入口 ADIN3 口.在 PWM 脉宽控制中断子程序(Tl 定时器中断,中断周
13、期 62.51xs)中启动两个ADC 单元 ADIN2,ADIN10 对两路电流传感器进行电流采样,读取电流采样值,完成电流检测;反转运行时还将根据反转标志启动ADC 单元 ADIN3 对电压传感器进行电压采样,读取电压采样值 ,完成电压检测.3.3.2PWM 输出电路由于 TMS320F240 中集成了 PWM 脉冲发生单元,只需要几条指令就可以得到任意占控比和斩波频率的 PWM 脉冲 ,因此本系统使用与全比较单元相对应的 PWMlPWM4 作为功率驱动电路的输入,其时间基准由 Tl 定时器提供.T1CNT 中的计数值与全比较单元的比较寄存器中的值相同时,产生比较匹配,发生比较输出转换,因此
14、,通过及时改变比较寄存器中的值即可改变 PWM 输出占空比,斩波频率由 TlPR 决定.3.3.3 故障检测与保护电路本系统功率变换器主开关器件 IPM 模块具有内置保护功能:过流保护,短路保护,欠过压保护,过热保护.如果 IPM 模块中有一种保护电路动作,IGBT 栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号(FO),四个功率器件 IPM 的故障信号经过光耦隔离,送图 4SRD 调速系统的控制原理框图#门 CD4078,其输出经过低通阻容滤波器,连接到 DSP 的PDPINT 引脚.经过与后送到 DSP 的功率驱动保护引脚PDPINT.IPM 故障时,该引脚将被拉低 ,所有的事件管理器输出引脚
15、均被硬件设置为高阻态.4SRD 控制策略为简化控制和降低成本,本系统采用电压 PWM 斩波控制方式和模糊控制开通角补偿相结合的控制方式;为改善Elec1ricaIAutomationI13电气自动化)2004 年第 26 卷第 6 期图 5(a)=400r/min;TL=5.2Nm瞬时电流跟踪控制下的相电流图 5(b)=400r/rain;TL=5.2NmPID控制下的相电流,.ts,图 6(a)=500r/rain;TL=5.2Nm模糊角度补偿控制的相电流,一 t.:./,V._Il:图 6(b)=500r/min;TL=5.2Nm电压 PWM 控制的相电流电气传动和自动控制Electric
16、DriveAutomaticContro1瞬时电流波形,增加了电流环,采取瞬时电流跟踪技术,实践证明,这种控制方式对中小功率 SRM 系统是可行的.整个调速系统框图见图 4.4.1 瞬时电流跟踪控制由于 SRM 是一个非线,变参数变结构系统,PID 控制调节瞬时电流难以获得理想的效果“.本系统采用了瞬时电流跟踪控制,又称为 BANG.BANG控制,根据当前周期参考电流与采样电流偏差正负开关主开关器件.实践表明可以取得比PID 调节理想的电流波形.图 5(a),(b)显示了两种控制方式下 SRM 一相相电流波形(横轴为 s/格 ,纵轴为12A/格).从图中可以看出,PID 控制下电流有很多“毛刺
17、“, 瞬时电流跟踪控制下电流平滑了很多.4.2 基于电压PWM 控制的模糊角度补偿控制SRM 三个控制参数中,相电压为主控制量 ,采用电压PWM 控制模式,由速度 PI 控制子程序计算出电压的控制量,即电压 PWM 波形的占空比,触发相应主功率管;开通角,关断角为辅助控制量,采取模糊控制方法来调节开关角 Oo,00.模糊角度控制为二输入一阶模糊控制器,其输人为速度和平均电流,输出为开通角的变化量0模糊控制器实时对进行调整,改变的开通角由下式确定:Oo:OoI.,一,式中:Oon.0.,如图 1 所示.模糊控制规则可以在 DSP 上很方便地进行编程实现,不需要建立模糊查询表.直接实时计算输出控制
18、量的方法,可节省大量的存储空间,充分利用了 DSP 的快速运14IElectricalAutomation算能力.图 6(a),(b)分别为采用模糊变角度补偿和单纯采用电压 PWM控制的 SRM 绕组相电流波形(横轴为 s/格 ,纵轴为12A/格).从图中可以看出,前者的相电流波形明显得到了改善.5 试验结果4 相 8/6 极开关磁阻电机基本参数如下:=3kW,=260V.=1500r/min.,i卜一I,L-.-_._一t图 7(a)啦=400r/rain;TL=5.2Nm系统带载动态特性一图 7(b)=1400r/min;死=5.2Nm系统带载动态特性负载试验时以一台 3kW 它励直流电动机反接状态作为负载,通过改
