基于TMS320F240 DSP的開關磁阻電機調速系統

呂 豐，王 勇，裴秀高

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

在電氣傳動技術迅猛發(fā)展的背景下，20世紀80年代國際上推出一種新型交流電動機調速系統——開關磁阻電動機調速系統(Switched Reluctance Driver，SRD).它融新的電動機結構——開關磁阻電動機(Switched Reluctance Motor，SRM)與現代電力電子技術、控制技術為一體，兼有異步電動機變頻調速系統和直流電動機調速系統的優(yōu)點.我國于1984年前后以較高起點開始SRD的研究、開發(fā)工作，已研制出0.05～50 kW的20多個規(guī)格的SRD.目前，SRD的開發(fā)范圍已經達到轉矩為0.01～10 Nm，功率為0.01～5 000 kW，最高轉速可達100 kr/min，規(guī)格已從多相發(fā)展到單相、兩相，電機形式也從旋轉形發(fā)展到直線型.SRD的應用領域已從最初側重于牽引運輸發(fā)展到工業(yè)、航空工業(yè)和家用電器等多個領域.

本文主要設計完成了380 V(AC)，4相8/6極，7.5 kW開關磁阻電機控制系統.本系統以TI公司生產的TMS320F240DSP作為CPU的控制芯片，采用PI數字調節(jié)，設計了與開關磁阻電機相對應的接口電路.

1 開關磁阻電機調速系統結構

開關磁阻電機調速系統是由開關磁阻電機、功率變換電路、DSP控制器、位置傳感器4大部分構成，其系統結構如圖1所示.

圖1 SRD系統結構示意

2 硬件設計方案

2.1 開關磁阻電機的功率變換器及其電路分析

功率變換器的性能和形式將直接影響SRM的效率、成本和可靠性，合理設計功率變換器是提高整個SRD性價比的關鍵.

功率變換器主要有3個作用:一是開關作用，使繞組與電源接通或斷開;二是為繞組的儲能提供回饋途徑;三是為SRM提供電能，滿足機械能的轉換.由于SRD功率變換器只需要給SRM提供單向電流，故比異步電動機PWM變換器簡單可靠.然而SRM的工作電流、電壓波形并非正弦波，而且波形系統運行條件及電動機設計參數較難制定，這就使得定額計算和確定主開關器件較為復雜.常見的SRM功率變換器有3種:一是雙繞組功率變換器;二是不對稱半橋功率變換器;三是H橋式功率變換器.

2.1.1 整流電路

SRD采用交流電源供電，而整流電路的作用是將交流電源轉換成直流電源，以供逆變電路使用.整流電路的進線為三相三線制，并采用三相橋式整流電路，由6個整流二極管組成.電路的交流輸入端為 L1，L2，L3，接三相電源，線電壓為 380 V，50 Hz.

整流電路的電壓峰值為三相電壓峰值:

其平均值為:

整流電路如圖2所示.

圖2 三相橋式整流電路

電容器Cd1和Cd2對整流電路起濾波作用.三相三線整流電路的優(yōu)點是直流輸出電壓脈動較小，負載電流增大時平均電壓下降較少，且不造成供電系統零線電流.

2.1.2 主開關器件的選型

SR電動機功率變換器的主開關器件選擇與電動機的功率等級、供電電壓、峰值電流、成本等有關;另外還與主開關器件本身的開關速度、觸發(fā)難易、開關損耗、抗沖擊性、耐用性、并聯運行的難易性、峰值電流定額的比值大小及市場普及性有關.就當前電力電子技術的發(fā)展現狀而言，有普通晶閘管、可關斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR)、功率MOS場效應管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、智能功率模塊(IPM)可供選擇.

普通晶閘管的開關頻率低(200 Hz以下)，限制了SRD在斬波工作模式下的運行性能，這使得其很難在中小功率的SRD中廣泛使用.而GTR容量有限，主要是電流容量與耐壓之間尚有難以克服的矛盾，且GTR的電壓、電流過載能力差，容易發(fā)生二次擊穿而損壞，保護較困難.GTO管降壓比普通晶閘管高，工作頻率較GTR低，緩沖電路的損耗較大，門極控制較復雜，因此在小功率高性能的SRD中，其與GTR，MOSFET，IGBT相比并不占優(yōu)勢，而MOSFET單管功率很難做得很大.IGBT兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點，因而性能更為優(yōu)異.

智能功率模塊(IPM)是把控制芯片與控制電路，驅動電路，過壓、過流、過熱和欠壓保護電路，以及自診斷電路組合起來，密封裝在同一絕緣外殼內，稱之為智能化電力半導體模塊.本文的功率變換器采用三菱公司第3代智能化IPM模塊，并復合了高速(開關頻率高達20 kHz)、低開關損耗的IGBT功率器件和優(yōu)化的柵極驅動電路，減少了外圍接口電路的器件數量.此外，通過使用先進的電流傳感器芯片，IPM能連續(xù)、高效地對功率器件的電流大小進行實時監(jiān)控，并提供有效的過電流和短路保護.同時，模塊集成了過熱和欠壓保護，使系統的可靠性得到進一步提高.

2.1.3 功率變換器的設計

本文控制對象為4相8/6極SR電動機，相數為偶數，因此可選用H橋式功率變換器，主開關器件為IPM，采用三相橋式全波整流電路供電，由此確定的功率變換器如圖3所示.

圖3 功率變換器結構示意

圖3 中，SA，SB，SC，SD為智能模塊 IPM;VDA，VDB，VDC，VDD為續(xù)流二極管;C1，C2為濾波電容，其作用是對整流輸出電壓平滑濾波，并作出相應的繞組能量回饋;R1，R2是為了平衡C1，C2兩端的電壓，兼有停機時為C1，C2提供放電回路的作用.AB，CB，CD，AD兩相同時通電，循環(huán)導通工作.若SA，SB同時導通，則 A，B 相通電.若 SA關斷，SC閉合，則A相關斷，C相開始導通，A相繞組將通過二極管VDA續(xù)流，C相繞組也構成回路，使B相電流增大，中性點電位必然增高，促使A相續(xù)流迅速衰減，強行換相.緊接著SC關斷，開通SD，則C，D相導通，如此循環(huán)導通，電機就可連續(xù)運行.

2.1.4 主開關驅動電路的實現

為了能驅動與IPM接口的高速光電耦合器HCPL4504，系統選用MC14504BCL和MC14503BCL，其中MC14504BCL將5 V的CMOS電平轉換為15 V的 CMOS電平，MC14503BCL用于驅動HCPL4504.

當MC14503BCL輸出低電平，HCPL4504的副邊低電平IPM導通;反之IPM關斷.另外，僅靠IPM內部保護電路不能完全實現器件的自我保護，而要使系統真正安全、可靠地運行，需要外圍保護電路的輔助.TMS320F240數字信號處理器的事件管理器模塊包含一個功率驅動保護引腳PDPINT，當該引腳被拉低時，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻態(tài).因此，PDPINT可用來為監(jiān)控程序提供電機驅動的異常情況，并實現故障保護.將作為4相定子繞組開關的IPM的故障信號接到光耦TLP521-1上，并與DSP的PDPINT引腳連接.當PDPINT引腳被拉低為低電平時，DSPF240內部定時器立即停止工作，而所有PWM輸出呈高阻態(tài)，同時產生中斷信號.

2.2 位置檢測的硬件實現

位置反饋是SRD系統必不可少的組成部分，位置檢測是確定定子、轉子的相對位置，DSP根據位置信號進行換相，并用于轉矩估算.

本系統采用光電式位置傳感器，它由靜止和轉動兩部分組成.前者包括紅外發(fā)光二極管、紅外光敏三極管和輔助電路;后者為與SRM轉子同軸安裝的30°間隔的6齒遮光盤，遮光盤與電機同步旋轉，通過遮光盤的遮光、透光，使光敏元件產生導通與關斷信號.對于4相8/6極SR電動機，在定子上安裝兩個相距75°的光敏傳感器，并輸出兩路相位差15°和占空比為50%的方波信號，就組合成了4種不同的狀態(tài)，分別代表電動機4相繞組的不同的參考位置.TMS320F240的兩個捕獲單元CAP1和CAP2分別檢測這兩路信號.當捕獲輸入引腳上檢測到一個轉換時，定時器T1或T2的值被捕獲并儲存在相應的兩級深度FIFO堆棧中.

位置信號的上、下跳變均引起捕獲中斷，即每15°產生一次捕獲中斷，而運行捕獲中斷服務程序則要根據轉子的瞬時位置信號.由SRM換相邏輯確定電機對應繞組的關斷與導通，并根據測周法計算電機的實際轉速.

位置檢測電路如圖4所示.

圖4 位置檢測電路

3 控制器軟件實現

3.1 SRD控制策略分析

在啟動過程中，SR電機始終工作在有位置檢測的自同步狀態(tài).在啟動瞬間，轉子轉速在0～50 r/min區(qū)間時，轉速較低，電流的變化率很大，在此期間進行轉速調節(jié)會很危險.因此，在這一階段SR電機一般采用電流斬波控制方式限制啟動電流的幅值，有效控制繞組電流的大小，便于調節(jié)啟動轉矩，以避免在啟動堵轉時發(fā)生電流超調現象，并能保證啟動過程中轉矩較平穩(wěn).

在電機運行狀態(tài)時采用電壓PWM控制模式，電壓PWM閉環(huán)調速，給定速度與反饋速度的偏差經速度控制器輸出后即由速度PI控制子程序計算出電壓的控制量作為PWM電路的占空比給定值，控制一定頻率的輸出方波脈沖寬度.寬度被調制的方波脈沖信號加載到基極驅動電路中，以控制IPM的導通與關斷.另外，將施加到SRM繞組上的直流電壓斬波變成對應頻率和占空比的方波電壓，從而改變了繞組兩端電壓的有效值，實現SRM轉速控制.

在電機運行過程中，接收到反轉命令時，系統封鎖PWM信號，并判斷電機轉速是否降為零.當電機轉速降為零后，系統就開始反方向進入啟動狀態(tài)，其運行過程和正向時相似.

3.2 控制器程序框架設計

控制器程序是用TMS320F24x的匯編語言編制實現的，整個控制是由2個循環(huán)主程序和3個中斷子程序配合運行實現的.系統初始化包括:系統時鐘設置、中斷設置、事件管理器設置、ID配置，以及用戶變量定義;循環(huán)主程序包括停機等待循環(huán)主程序和電機運行主程序;3個中斷子程序包括T1周期中斷、捕獲中斷和PDPINT中斷.

3.3 系統抗干擾措施

由于大多數的工業(yè)控制采用單片機，因此單片機的抗干擾措施就顯得尤為重要.要解決單片機抗干擾措施，必須先找出干擾源，然后采用單片機軟、硬件技術來解決.

干擾源主要來自外部電源、內部電源，以及空中、周圍電磁場.外部干擾源主要通過I/O口輸入等.

硬件系統采用了以下抗干擾措施.

(1)系統控制電路的電源采用模擬電源，即通過橋式整流后再經過電容、電感濾波及電源變換芯片得到.IPM的電源采用開關電源，但其交變電壓和電流會通過電路的元器件對CPU產生很強的尖峰干擾和諧振干擾.

(2)A/D轉換輸入端加低通濾波器.另外，回路與控制回路通過金屬屏蔽板進行隔離.

(3)主回路與控制回路通過金屬屏蔽板進行隔離.

(4)主回路與控制回路之間的引線采用屏蔽電纜.

(5)模擬地與數字地分開，通過電感相連.

(6)每個芯片的VCC和GND間連接0.01 μF的電容.

4 實驗結果

系統試驗對象為4相8/6極開關磁阻電機，額定功率為7.5 kW，額定轉速為1 500 r/min，轉速范圍為50～2 500 r/min.圖5為低速運行定角度電流斬波的電流波形圖.

圖5 電流斬波控制繞組電流波形

從圖5可以看出，繞組電流受斬波電流給定值控制.圖6為電機運行在2 000 r/min時繞組電流波形，此時開通角為3.1°，關斷角為11.2°.從圖6可以看出電機運行較為穩(wěn)定，波形波動較小，從而說明抗干擾措施效果明顯.

圖6 電壓PWM控制繞組電流波形

5 結論

(1)利用TI新一代面向電機控制的高集成度TMS320F240數字信號處理器的內部資源，如A/D，PWM，定時器，捕獲單元等，并采用新型的功率控制模塊(IPM)，使系統結構緊湊，可靠性高，大大減小了控制器的體積和重量;

(2)給出了具體的抗干擾措施，使得系統控制頻率較高、電機運行噪音小、性能穩(wěn)定.另外，模塊化的程序易于擴充，方便與其他先進控制方法相結合.

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