基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)SPWM驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)調(diào)速控制

沈 銳，盧 剛，李聲晉，孟凡軍

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

某型號(hào)柴油發(fā)電機(jī)的油門(mén)采用兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從油門(mén)最大轉(zhuǎn)到最小位置轉(zhuǎn)過(guò)約30°，而柴油發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍需700～3 800 r/min，從而對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)整精度提出了較高要求。本文提出了以SPWM方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了該柴油發(fā)電機(jī)的平滑調(diào)速。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的電磁元件，具有成本低廉、無(wú)累積誤差等突出優(yōu)點(diǎn)［1］，較適合用于柴油發(fā)電機(jī)的油門(mén)控制。本柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速控制的主體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

考慮到主控板所需的A/D接口數(shù)量、PWM發(fā)生器個(gè)數(shù)、通訊接口以及成本等因素，CPU采用Microchip公司的16位DSC芯片dsPIC30f4012。

如圖1所示，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)逆變器逆變輸出至負(fù)載，同時(shí)串聯(lián)在回路中的電流互感器和并聯(lián)在負(fù)載兩端的電壓互感器分別檢測(cè)母線電壓、母線電流，然后送至dsPIC30f4012的模擬輸入口。當(dāng)母線電壓或母線電流過(guò)大時(shí)，CPU發(fā)出指令推動(dòng)繼電器斷開(kāi)負(fù)載，從而起到保護(hù)作用。柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的低壓交流信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)速電路后，CPU計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，與指令轉(zhuǎn)速比較，CPU根據(jù)當(dāng)前誤差發(fā)出新的SPWM脈沖推動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制［2－3］。數(shù)碼管用于顯示頻率、母線電壓、母線電流及轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

數(shù)碼管顯示電路與CPU間通過(guò)三個(gè)GPIO端口相連，用這三個(gè)端口模擬SPI向數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片max7219發(fā)送數(shù)據(jù)。

本文主要解決的問(wèn)題是兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的SPWM驅(qū)動(dòng)和柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

2 兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)SPWM驅(qū)動(dòng)方法

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，柴油機(jī)油門(mén)旋鈕行程為機(jī)械角度30°，柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍7 00～3 800 r/min，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每一步走過(guò)的機(jī)械角度應(yīng)足夠小，以保證柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化平滑。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制至關(guān)重要。

對(duì)兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而言，采用兩相四拍方式運(yùn)行時(shí)，每走一步轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度θ為:

式中:p為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù)，本文中p=200。由此可知θ=0.9°，也就是說(shuō)在油門(mén)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)行程只有30°/0.9°=33步，這樣的調(diào)速精度顯然不能滿(mǎn)足需求。

分析步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子是跟隨電機(jī)定子磁場(chǎng)所產(chǎn)生的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)，而電機(jī)定子磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向是由定子合成電流決定且成正比。即只要控制電機(jī)的定子電流，則可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目的。本文采用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分方法，即分別給兩相繞組同時(shí)通以正、余弦變化的電流，使合成的電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距的均勻細(xì)分。如圖2是兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按四細(xì)分通電時(shí)的轉(zhuǎn)矩合成矢量圖。TA+、TA－由A相繞組產(chǎn)生，TB+、TB－由B相繞組產(chǎn)生［4］。

圖2 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按四細(xì)分通電時(shí)的轉(zhuǎn)矩合成矢量圖

細(xì)分時(shí)，電角度等分成N(N為細(xì)分?jǐn)?shù))等分，對(duì)應(yīng)的細(xì)分之后的步距角按比例減小。兩相電流按下式通電變化時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)。

式中:PA、PB分別為A、B兩相上施加脈沖的占空比;Pmax為繞組上施加脈沖的最大占空比;α為細(xì)分時(shí)電角度的間隔;k為正弦表指針;N為細(xì)分?jǐn)?shù)。例如本文采取64細(xì)分時(shí)，α=5.625。即k從0依次取到63時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)電周期。當(dāng)施加在某相繞組上的方波占空比為50%時(shí)，該相繞組上流過(guò)的電流為零。

另外，考慮到主控芯片dsPIC30f4012進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的速率問(wèn)題，軟件中不宜直接計(jì)算正余弦值，因此應(yīng)該先編制正弦表table［64］，至于余弦表可根據(jù)正弦余弦曲線相位差為1/4周期的特點(diǎn)得到。

于是A、B兩相上施加的PWM占空比計(jì)算方法可改寫(xiě):

式中:cp為正弦表指針，軟件中應(yīng)控制其限幅。

由式(3)可知，CPU應(yīng)控制兩個(gè)PWM發(fā)生器以互補(bǔ)形式輸出按正余弦規(guī)律變化的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大后加到A、B兩相繞組上。這樣繞組電流就是階梯正弦波，如圖3所示［5］。

圖3 兩相電流變化規(guī)律

3 發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制方法

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的安裝要與柴油發(fā)電機(jī)油門(mén)旋鈕嚴(yán)格同軸，以保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠準(zhǔn)確地將油門(mén)調(diào)整到所需位置。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不轉(zhuǎn)時(shí)需提供一定的扭矩，避免因柴油發(fā)電機(jī)的振動(dòng)而使油門(mén)產(chǎn)生偏移。

調(diào)速函數(shù)通過(guò)Timer1模塊定時(shí)1 ms調(diào)用。柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)上電后，首先調(diào)用初始化函數(shù)InitializeSys()，初始化 dsPIC30f4012 的 GPIO、A/D、PWM以及定時(shí)器等相關(guān)模塊，進(jìn)入Timer1中斷后，首先判斷步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是否在轉(zhuǎn)動(dòng)，如果是，則表明上一次發(fā)出的指令還沒(méi)有執(zhí)行完成，即油門(mén)正在調(diào)整中。否則就需計(jì)算柴油機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，并與目標(biāo)值相比較，然后判斷是增大油門(mén)、減小油門(mén)還是保持步進(jìn)電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的位置不變。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)累積誤差，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)不用考慮積分環(huán)節(jié)Ki，在本系統(tǒng)中則表現(xiàn)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上一步對(duì)油門(mén)作出的調(diào)整，即使有偏差也不會(huì)將偏差帶到本步，產(chǎn)生疊加效果。而由于用于油門(mén)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用了本文所設(shè)計(jì)的電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分控制方法，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步油門(mén)旋鈕轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度只有0.056 25°，完全可以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)在700～3 800 r/min范圍內(nèi)平滑調(diào)速。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)SPWM驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)中，用NI軟件LabWindows/CVI編寫(xiě)上位機(jī)，實(shí)時(shí)顯示控制器發(fā)送來(lái)的電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試電機(jī)運(yùn)行時(shí)的兩相電流，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是否平滑。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min，測(cè)得A、B相電流波形如圖5所示。可以看出兩相電流分別按照正弦和余弦規(guī)律變化。電機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲極小，無(wú)明顯振動(dòng)。軟件中設(shè)定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走過(guò)6 400步，測(cè)得電機(jī)剛好轉(zhuǎn)過(guò)一周，證明所設(shè)計(jì)的控制方法精確可靠。

圖5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A、B相電流波形

4.2 柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)調(diào)速性能，如圖6所示。柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)后，轉(zhuǎn)速上升至3 000 r/min，超調(diào)量?jī)H為120 r/min，轉(zhuǎn)速波動(dòng)率不超過(guò)1%。柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由3 000 r/min減速至700 r/min時(shí)超調(diào)量?jī)H為60 r/min，轉(zhuǎn)速波動(dòng)率為0.6%。

圖6 柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)的調(diào)速方案改善了柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的綜合性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的SPWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)最初主要是為了改善電機(jī)的運(yùn)行性能，如平穩(wěn)度和噪聲等，提高步進(jìn)精度只是其附加的功能。本文利用該技術(shù)提高了柴油發(fā)電機(jī)油門(mén)調(diào)整的精度，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在油門(mén)可調(diào)范圍內(nèi)行程達(dá)到了530步，可以使柴油發(fā)電機(jī)從700 r/min平滑調(diào)速至3 800 r/min。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精確可靠，柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速性能得到了改善。

［1］ 劉寶廷，程樹(shù)康.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997:2，99－112.

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