淺析開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)
2013-06-04 07:09:12李森肖鵬波
李森 肖鵬波
【摘 要】本文以51系列的單片機(jī)為例子，來對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的研究與討論，并在此基礎(chǔ)之上對(duì)其內(nèi)部各路電阻組成來進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)控制軟件以及硬件的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述。
【關(guān)鍵詞】開關(guān)磁阻；電路；電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)
所謂開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)又被稱作SRD，是近些年以來，在傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上研發(fā)的一種全新的調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)機(jī)電一體化。其主要構(gòu)成分為兩個(gè)部分，一個(gè)就是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，另一部分就是電子控制器。在使用過程中，它以相應(yīng)的電子控制器來作為其運(yùn)行核心，并以SR電機(jī)來作為它自身的受控對(duì)象，因此它具背了寬范圍、靈活控制、啟動(dòng)力矩較大以及調(diào)速高校等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段的電工界中已經(jīng)越來越多的普及應(yīng)用開來。
1.系統(tǒng)硬件以及組成設(shè)計(jì)
當(dāng)前所使用的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)其內(nèi)部系統(tǒng)，主要分為三個(gè)部分，即SR電機(jī)以及電源變換器還有控制器等。其中控制器是整個(gè)系統(tǒng)的指揮中樞以及相應(yīng)的決策構(gòu)件，它能夠在運(yùn)行過程中，對(duì)SR電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)子位置以及速度還有相應(yīng)的電流反饋信息，在結(jié)合實(shí)際情況之下，發(fā)出一些系列準(zhǔn)確無誤的控制指令，從而讓整個(gè)電機(jī)能夠穩(wěn)定、安全的運(yùn)行下去。所以從某種程度上說，控制器設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)于整個(gè)SRD系統(tǒng)性能的高低都有著決定性的影響。
典型SRD系統(tǒng)
為了能夠在設(shè)計(jì)過程中，確?？刂破鲹碛袃?yōu)良的使用性能，應(yīng)首先對(duì)控制器相應(yīng)的輸入以及輸出信號(hào)進(jìn)行有效分析。輸入信號(hào)主要包括位置信號(hào)以及電流信號(hào)還有開停信號(hào)與各種保護(hù)信號(hào)等等；輸出信號(hào)則主要包括觸發(fā)信號(hào)還有各種指示信號(hào)等等。
應(yīng)該說，在對(duì)控制器進(jìn)行信號(hào)輸入過程中，首先應(yīng)將位置信號(hào)確定為頻率信號(hào)，而將電流信號(hào)全部模擬成相應(yīng)的餓電壓信號(hào)，再經(jīng)過A/D專業(yè)轉(zhuǎn)換之后再進(jìn)行輸入；對(duì)于開停信號(hào)還有各種保護(hù)信號(hào)等都需要在對(duì)進(jìn)行相應(yīng)的外圍電路處理之后，讓它逐漸轉(zhuǎn)變成為開關(guān)信號(hào)，然后經(jīng)I/O口輸入。需要注意的是，在信號(hào)輸出過程中，相觸發(fā)信號(hào)又被稱作開關(guān)信號(hào)，而其余各種指示信號(hào)又被稱作開關(guān)信號(hào)，所以在實(shí)際的運(yùn)作過程中，我們可以使用單片機(jī)的I/O來進(jìn)行信號(hào)輸出。其圖如下：
圖2 控制器結(jié)構(gòu)
8751單片機(jī)擁有4KEPROM以及128個(gè)字節(jié)的專用RAM，此外還包括2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，還有4個(gè)8位設(shè)置的I/O口。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，要使用1個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器來對(duì)A、C開關(guān)進(jìn)行控制，而剩下的定時(shí)計(jì)數(shù)器則在B、D位置處進(jìn)行開關(guān)控制。然后在經(jīng)過P1—P3之后，對(duì)四個(gè)點(diǎn)的相主開關(guān)通斷進(jìn)行有效控制。此外需要注意的一點(diǎn)是，再對(duì)四組繞組開關(guān)進(jìn)行有效控制之外，還應(yīng)對(duì)其位置的過壓以及過流還有斬波等進(jìn)行有效控制。
位置傳感器中的信號(hào)輸入電路能夠?qū)㈦妱?dòng)機(jī)位置上的傳感器所發(fā)出的信號(hào)波形，經(jīng)過相應(yīng)的整形轉(zhuǎn)換在輸進(jìn)專用的8751單片機(jī)之后進(jìn)行有效實(shí)現(xiàn)：（1）利用傳感器波形來對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行有效確定，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)通電相序進(jìn)行有效控制；（2）利用傳感器波形來對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效確定，從而進(jìn)行有效的PID運(yùn)算。
這里所講的位置傳感器，其內(nèi)部是由中間經(jīng)過開槽之后的光電管還有6個(gè)安裝在SR電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的齒槽遮光轉(zhuǎn)盤組成的。在安裝過程中，應(yīng)將齒槽的角度調(diào)整到30°，而2個(gè)光電管也應(yīng)控制15°左右。當(dāng)SR電機(jī)同遮光轉(zhuǎn)盤同時(shí)間旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠迅速的輸出兩個(gè)周期為60°，且時(shí)間間隔位置同為16°的位置信號(hào)，然后這個(gè)信號(hào)在經(jīng)過專用CD40106整形以及CD4009轉(zhuǎn)換之后，再輸進(jìn)相應(yīng)的8751單片機(jī)之內(nèi)。
SR電機(jī)在其進(jìn)行低速運(yùn)行過程中，往往選擇使用斬波控制，也就是控制器在運(yùn)行過程中，在其相應(yīng)的繞組電流沒有達(dá)到規(guī)定最大值之后進(jìn)行主開關(guān)切斷；而當(dāng)繞組電流衰減到最小值之后，再重新將主開關(guān)開通，進(jìn)而讓繞組電流可以不斷的上升。此外可以利用改變相繞組電流其相應(yīng)的平均值來對(duì)SR內(nèi)部的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)柜進(jìn)行有效控制。當(dāng)繞組電流在傳輸過程中達(dá)到規(guī)定中的最大值以及最小值時(shí)，經(jīng)過專用的8751單片機(jī)來對(duì)D/A轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行有效設(shè)定，在對(duì)電流傳感器所檢測(cè)的相應(yīng)電流信號(hào)同原先既定的設(shè)計(jì)值相對(duì)比之后，再使用RS鎖存器進(jìn)行及時(shí)鎖存。而當(dāng)SR電機(jī)繞組中通過的電流值超過規(guī)定允許值之后，就會(huì)在相應(yīng)的過流保護(hù)電路中產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)信號(hào)，由于這種信號(hào)的傳輸過程中，會(huì)以外部中斷的方式來及時(shí)的通知單片機(jī)，同時(shí)也會(huì)邏輯電路進(jìn)行實(shí)時(shí)封鎖，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)過流軟硬件的有效保護(hù)。
平常所使用到的晶振電路，一般都是由8MHZ的石英晶體所組成。而專用的8751單片機(jī)，其運(yùn)行設(shè)備的每個(gè)周期都是由相應(yīng)的12個(gè)振蕩周期所構(gòu)成的。因而在進(jìn)行實(shí)際操作的過程中，每個(gè)指令所產(chǎn)生的機(jī)器周期應(yīng)該為T=12/f=1.5us。
經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，再使用用戶設(shè)置功能可以模擬出一個(gè)真實(shí)的轉(zhuǎn)速給定值，并將其看做開關(guān)信號(hào)及時(shí)的輸入到專用的8751單片機(jī)中。不過需要注意的是，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意外界干擾，以避免在設(shè)計(jì)以及以后的使用過程中出現(xiàn)誤觸發(fā)情況。
2.控制軟件
為了能夠盡快的實(shí)現(xiàn)和完成對(duì)SRD系統(tǒng)的閉環(huán)控制，需要對(duì)單片機(jī)相應(yīng)的給定速度以及實(shí)際電機(jī)速度還有相應(yīng)的電機(jī)相電信號(hào)等進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，由于這些信號(hào)大都是由一些專用的硬件系統(tǒng)進(jìn)行直接提供的，所以我們?cè)趯?duì)控制軟件進(jìn)水設(shè)定時(shí)，必須包含以下一些模塊：對(duì)給定速度進(jìn)行測(cè)量、對(duì)實(shí)際速度進(jìn)行測(cè)量以及對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。另外在相關(guān)的軟件中，還應(yīng)含有對(duì)PID進(jìn)行調(diào)節(jié)模塊、構(gòu)成程序的保護(hù)模塊以及相觸發(fā)信號(hào)的實(shí)際輸出模塊等等。
3.總結(jié)
文章主要對(duì)SRD系統(tǒng)控制進(jìn)行相應(yīng)的介紹和說明，并對(duì)其使用性能進(jìn)行詳細(xì)的描述與討論，得出使用四象8/6極結(jié)構(gòu)，以及自身額定功率為2.2KW，其相應(yīng)調(diào)速范圍控制在60-1500的r/min的SRD電機(jī)系統(tǒng)，可以在一定范圍內(nèi)確保較高轉(zhuǎn)速效率的基礎(chǔ)之上，保證整個(gè)系統(tǒng)良好運(yùn)行。從而有效的證明了該控制方法以及設(shè)計(jì)方法是相對(duì)可行的。
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