開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的中斷設(shè)計(jì)

摘 要：隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的迅猛發(fā)展，開關(guān)磁阻電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，正逐步從理論研究走向行業(yè)應(yīng)用。目前主要采用交流調(diào)速系統(tǒng)和直流有刷調(diào)速系統(tǒng)。這兩種調(diào)速系統(tǒng)都存在制造成本高、效率低等問題，并且目前仍然沒有合適的解決方法。論文首先闡述了開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理，根據(jù)電機(jī)的基本方程以及電機(jī)的線性模型，結(jié)合電機(jī)控制的三種基本模式，分析了電機(jī)電動(dòng)、制動(dòng)控制策略以及電機(jī)調(diào)速的控制原理。然后根據(jù)電機(jī)的實(shí)際磁鏈數(shù)據(jù)，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立了開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真系統(tǒng)，針對(duì)電機(jī)重載啟動(dòng)、最佳開通區(qū)間運(yùn)行以及制動(dòng)運(yùn)行等工作狀態(tài)做了仿真。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；雙相啟動(dòng)；制動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP273

1 課題的研究背景和意義

升降設(shè)備的應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)使用于家電制造、食品加工、飲料生產(chǎn)、煙草輸送、化工生產(chǎn)、郵政、機(jī)械電子制造、倉儲(chǔ)物流、建筑等自動(dòng)化生產(chǎn)行業(yè)和旅游觀光、高樓大廈等人類的生活?yuàn)蕵贩矫妗?0%的升降設(shè)備采用電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)。目前升降設(shè)備中應(yīng)用的調(diào)速系統(tǒng)主要有交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，見圖1。

圖1 升降設(shè)備調(diào)速系統(tǒng)

2 開關(guān)磁阻電機(jī)的中斷設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F103系列處理器作為主控制器，該處理器是ST公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的高性能處理器。該系列處理器最高工作頻率可達(dá)72MHZ，并具有1.25Mips/MHZ的運(yùn)算能力，滿足開關(guān)磁阻電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算的要求，處理器自帶512K字節(jié)的閃存處理器和最大64K字節(jié)的SRAM，滿足本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要求。同時(shí)該系列處理器集成了一些專門的外設(shè)，如用于檢測(cè)電機(jī)位置信號(hào)三相霍爾傳感器和正交編碼器接口、用于電機(jī)控制的脈寬調(diào)制模塊PWM、12位高速A/D轉(zhuǎn)換器、通訊模塊（SPI、UART、CAN）、通用I/O引腳等。處理器采用3.3V電源供電，且I/O與5V的TTL電平兼容；片上自帶JTAG仿真器調(diào)試接口，允許在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中隨時(shí)進(jìn)行調(diào)試，并可對(duì)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試。多種適合電機(jī)控制的專業(yè)外設(shè)大大縮短了開發(fā)周期。

本系統(tǒng)軟件主要采用C語言編程，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，增加了程序的可讀性和移植性。本系統(tǒng)控制軟件主要完成以下功能：（1）電機(jī)起動(dòng)無死區(qū)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大；能實(shí)現(xiàn)提升階段的電動(dòng)運(yùn)行和下降階段的制動(dòng)運(yùn)行。（2）實(shí)時(shí)、精確地計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過模糊PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)PWM波形的占空比，實(shí)現(xiàn)電壓斬波控制，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。（3）提升階段電機(jī)起動(dòng)時(shí)采用雙相啟動(dòng)方式，中速運(yùn)行時(shí)采用PWM控制，并能實(shí)現(xiàn)這兩種控制狀態(tài)之間的平滑過渡。下降階段電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)開始啟動(dòng)制動(dòng)。本系統(tǒng)共有三個(gè)中斷，包括兩個(gè)時(shí)鐘中斷和一個(gè)位置信號(hào)捕獲中斷。系統(tǒng)中斷SysTick，負(fù)責(zé)電機(jī)按鍵的檢測(cè)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，PWM占空比的更新以及電機(jī)控制方式的切換和保護(hù)動(dòng)作的執(zhí)行，其工作流程如圖2所示。

圖2 SysTick中斷子程序

3 模糊PID建模及仿真

模糊控制器輸出KP、KI、KD的變化量ΔKP、ΔKI、ΔKD，將ΔKP、ΔKI、ΔKD量化后與PID調(diào)節(jié)器的初始參數(shù)相加做為新的PID調(diào)節(jié)器參數(shù)，從而構(gòu)成模糊PID調(diào)節(jié)器。在Matlab中，使用simulink工具對(duì)模糊PID進(jìn)行建模和仿真。設(shè)定參數(shù)與系統(tǒng)反饋值相減得到當(dāng)前系統(tǒng)的誤差，誤差和誤差變化率通過一個(gè)限幅器以后輸入模糊控制器，模糊控制輸出PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)變化量ΔKP、ΔKI、ΔKD，該參數(shù)變化量與PID調(diào)節(jié)的器的原始參數(shù)相加獲得新的PID調(diào)節(jié)器參數(shù)，PID調(diào)節(jié)器根據(jù)新的參數(shù)輸出對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)，被控系統(tǒng)在新的控制參數(shù)下運(yùn)行，最終得到新的反饋。相對(duì)于PID調(diào)節(jié)器，模糊PID調(diào)節(jié)器具有調(diào)節(jié)時(shí)間快，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效的抑制系統(tǒng)超調(diào)和振蕩等問題。

圖3 模糊PID調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)

4 結(jié)束語

本文在開關(guān)磁阻電機(jī)線性模型的基礎(chǔ)上，使用matlab建立了開關(guān)磁阻電機(jī)的仿真模型。首先闡述了基本仿真模型各個(gè)子模塊的功能和組成，然后利用各個(gè)子模塊搭建了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)和制動(dòng)模型，在此模型的基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)狀態(tài)最優(yōu)開通角度和最大力矩啟動(dòng)進(jìn)行了分析和仿真，對(duì)制動(dòng)原理進(jìn)行了驗(yàn)證，為開關(guān)磁阻電機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn)提供了理論驗(yàn)證。針對(duì)升降設(shè)備調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的要求以及傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)的固有問題，本章分析了模糊自適應(yīng)PID控制的原理，詳述了其在本系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)，最后給出了仿真效果。

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作者單位：廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510550