開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與研究*

俞梟辰，王家軍

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SRD)是繼傳統(tǒng)交、直流調(diào)速系統(tǒng)之后逐步發(fā)展起來(lái)的新一代調(diào)速系統(tǒng)，如今在許多電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。與交流和直流電動(dòng)機(jī)相比，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低廉、控制更靈活，因此引起了國(guó)內(nèi)外專家與學(xué)者的廣泛關(guān)注［1-3］。然而特殊的雙凸極結(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)式的供電方式使得SRM的磁鏈、電流等高度非線性化，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題也尤為嚴(yán)重，這不僅增加了控制難度，還制約了其應(yīng)用場(chǎng)合。因此，開(kāi)展開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的研究工作對(duì)于在現(xiàn)實(shí)中推廣其應(yīng)用具有非常重要的意義。

本研究將以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812作為控制核心，采用電壓斬波控制方法，設(shè)計(jì)四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的速度閉環(huán)控制，并給出部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理都與傳統(tǒng)的交直流電動(dòng)機(jī)有著很大的區(qū)別。SRM的定、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，即雙凸極結(jié)構(gòu)，并且繞組僅安裝在定子極上，不存在轉(zhuǎn)子繞組，以四相8/6極SRM為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 四相8/6極SRM典型原理圖(只畫(huà)出一相)

在運(yùn)行原理方面，傳統(tǒng)交直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的牽引而旋轉(zhuǎn)，而開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)則遵循“磁阻最小原理”，即磁通永遠(yuǎn)沿著磁阻最小的路徑閉合，通過(guò)磁力線扭曲產(chǎn)生的磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)［4-5］，所以，對(duì)四相8/6極SRM而言，若以AB-C-D-A的順序依次對(duì)各相通電，則轉(zhuǎn)子會(huì)以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn);反之，如果以A-D-C-B-A的順序依次對(duì)各相通電，那么轉(zhuǎn)子就會(huì)以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

由此可見(jiàn)，相較于其他電動(dòng)機(jī)，SRM的功率變換電路更為簡(jiǎn)單，但控制SRM時(shí)通常需要用到位置反饋信號(hào)。因此，完整的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一般由電源、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、控制器、功率變換器、位置檢測(cè)和電流檢測(cè)等部分組成。

1.2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制方式

雙管斬波方式在續(xù)流時(shí)將上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件同時(shí)關(guān)斷，繞組承受負(fù)電壓，如圖2(b)所示。由圖2可見(jiàn)，單管斬波方式下繞組電流波動(dòng)更小，系統(tǒng)運(yùn)行效率也更高，因此本研究選用單管斬波方式。

圖2 電壓斬波控制方式下繞組電壓與電流波形

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)包括功率驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、上位機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、隔離變壓器與調(diào)壓器等部分。其中，控制電路以32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320F2812為核心，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制策略，協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)系統(tǒng)的工作;為降低調(diào)試難度，提高系統(tǒng)的可靠性，功率驅(qū)動(dòng)電路采用分塊設(shè)計(jì)，包括整流電路、功率變換主電路、光隔與觸發(fā)電路、電流檢測(cè)電路等4個(gè)部分，主要實(shí)現(xiàn)功率變換以及各類檢測(cè)功能。

圖3 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為:先用隔離變壓器與調(diào)壓器對(duì)交流電源調(diào)壓，然后通過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換為直流電供給功率變換主電路中的直流母線。DSP輸出PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離后觸發(fā)功率變換主電路中的開(kāi)關(guān)器件，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)SRM。電動(dòng)機(jī)的位置信號(hào)由光電編碼器檢測(cè)得到，其中正交信號(hào)A和B從正交編碼電路QEP輸入DSP，用于計(jì)算SRM的位置與轉(zhuǎn)速信息，Z信號(hào)經(jīng)捕獲單元CAP輸入，用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的零位置。電流檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)各相的繞組電流，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后反饋給DSP，DSP的SCI模塊通過(guò)RS232串行接口與上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與指令下達(dá)等功能。

2.1 整流電路

整流電路包括整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，能將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)換為平滑、穩(wěn)定，不受負(fù)載變化的影響的直流電。

本研究所設(shè)計(jì)的整流電路如圖4所示，在交流輸入端接入了電磁干擾濾波器，由C1、C2、R1、LT組成，它能有效抑制進(jìn)線端的電磁干擾，其中R1為放電電阻，能夠解決電源斷開(kāi)后因C1放電而導(dǎo)致L、N兩端長(zhǎng)時(shí)間帶電的問(wèn)題，LT為共模電感;BR為整流橋，比分立的整流二極管擁有更強(qiáng)的散熱能力;C3為濾波電容，選用可靠性好、損耗小的聚丙烯電容;C4、C5為大容量電解電容，起穩(wěn)壓與能量回收的作用;發(fā)光二級(jí)管D3作為電源指示燈，電阻R2為其限流。

圖4 整流電路原理圖

2.2 功率變換主電路

功率變換主電路是整個(gè)功率驅(qū)動(dòng)電路中最為重要的環(huán)節(jié)，它首先要起到開(kāi)關(guān)作用，并且在開(kāi)關(guān)模式下向電動(dòng)機(jī)提供運(yùn)行所需要的能量，同時(shí)還需要為繞組提供能量回饋路徑。

當(dāng)前適用SRM的功率變換電路有很多［8-9］，本研究選擇結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、可靠性最高的不對(duì)稱半橋回路，以分立元器件的形式設(shè)計(jì)功率變換主電路，以A相為例，功率變換主電路原理圖如圖5所示。主開(kāi)關(guān)器件選擇IGBT單管SGH15N60RUFD，因?yàn)镮GBT驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、耐壓高、更適用于大功率場(chǎng)合;續(xù)流二極管選擇超快速恢復(fù)二極管MUR1560，其恢復(fù)時(shí)間僅為幾十納秒，能滿足快速退磁的需求;圖中，HA、LA分別為A相上臂和下臂的柵極觸發(fā)端，從光耦與觸發(fā)電路接收觸發(fā)信號(hào)，EA為A相上臂的懸浮地;輸出端IA串聯(lián)電流檢測(cè)電路后連接A相正端，而AN直接與A相負(fù)端相連;R3～R5組成分壓采樣電路以測(cè)量母線電壓值，ADC0直接連接DSP的A/D接口，3 V穩(wěn)壓二極管D4能有效保護(hù)DSP不被燒壞。

朱熹撰寫各體石刻文，尊重并且突出各體的體制特點(diǎn)。同為碑文，祀廟碑與神道碑風(fēng)格不同。墓表、墓志銘、墓記、壙志等名不同，實(shí)也不同。從文體格式來(lái)看，碑志文末尾皆有一段銘文，與前面的散體敘述相互配合，抒發(fā)情感，提升主題。但銘文一般以四言韻文為主，容易給人以程式化的感覺(jué)。韓愈號(hào)稱一代文宗，又擅長(zhǎng)碑志文寫作，他煞費(fèi)苦心，對(duì)程式化的銘文進(jìn)行改造，使之靈活多樣、變化多端。在這一點(diǎn)上，朱熹對(duì)韓愈亦步亦趨，其碑志銘文不拘一格，形式常新。如《朝奉劉公墓表》銘文是柏梁體的七言詩(shī)：

圖5 功率變換主電路原理圖(只畫(huà)出一相)

2.3 光隔與觸發(fā)電路

光隔與觸發(fā)電路分為光耦隔離和柵極觸發(fā)兩部分，由于功率變換電路選擇不對(duì)稱半橋回路，每一相的上下兩個(gè)橋臂需要分開(kāi)控制，理論上驅(qū)動(dòng)四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)時(shí)，光耦隔離和柵極觸發(fā)電路各需要8路。

單路光耦隔離電路的原理圖如圖6所示，核心器件是高速、高共模比光電耦合器HCPL4504，它能將主、副兩邊的強(qiáng)弱電信號(hào)完全隔離，大大提高了電路的可靠性與抗干擾能力。R6可為光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管限流，副邊的C7、C8分別為去耦合與去噪聲電容，R7為上拉電阻。

圖6 光耦隔離電路原理圖

柵極觸發(fā)電路的原理圖如圖7所示。該電路以柵極驅(qū)動(dòng)集成芯片IR2110為核心，IR2110具有成本低、集成度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且僅用一塊IR2110即可驅(qū)動(dòng)同一相的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，使柵極觸發(fā)電路的數(shù)量減少了一半;同時(shí)，本研究采用外部自舉電路驅(qū)動(dòng)，減少了觸發(fā)電路的電源數(shù)量，大大降低了電路的制作成本。電路中R8、R9為柵極驅(qū)動(dòng)電阻，C9和D5為自舉電容和自舉二極管，結(jié)合圖5與圖7可知，以A相為例，AH、AL均為經(jīng)過(guò)隔離后的PWM信號(hào)，當(dāng)上臂關(guān)斷，下臂導(dǎo)通時(shí)，上臂懸浮地接GND，N點(diǎn)電位為0 V，M點(diǎn)通過(guò)D5與+15 V電源相連，自舉電容充電，兩端電壓為+15 V;而當(dāng)上臂導(dǎo)通時(shí)，EA與Vdc相連，N點(diǎn)電位變?yōu)閂dc，但此時(shí)由于有C9的存在，M點(diǎn)電位變?yōu)閂dc+15 V，D5承受反壓而關(guān)斷，從而保護(hù)了+15 V電源，同時(shí)，短時(shí)間內(nèi)自舉電容中儲(chǔ)存的電荷能在+15 V電源對(duì)上臂關(guān)斷的情況下保證上臂的繼續(xù)導(dǎo)通，使功率變換電路繼續(xù)安全、可靠地運(yùn)行。

圖7 柵極觸發(fā)電路原理圖

2.4 電流檢測(cè)電路

本研究選用閉環(huán)霍爾傳感器CSM025A檢測(cè)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)每一相的繞組電流，它使用±15 V電源，能在高度絕緣的條件下測(cè)量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流，并且提供了5種通過(guò)改變接線方式可調(diào)的匝數(shù)比［10］，以控制輸入電流和輸出電流之間的比值，精確度和可靠性都很高。

以A相為例，單相電流檢測(cè)電路的原理圖如圖8所示。此時(shí)的接線方式將設(shè)定匝數(shù)比為5∶1 000，額定輸入電流為5 A，額定輸出電流為25 mA。由于DSP的A/D模塊只針對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且輸入范圍為0～3 V，超過(guò)3 V或者輸入負(fù)壓都將燒毀DSP，本研究首先將輸出的電流信號(hào)通過(guò)51 Ω精密電阻R10接地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)AD1，然后以雙運(yùn)算放大器LM358為核心設(shè)計(jì)電壓調(diào)理電路，將轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)AD1提升1.5 V(Vg)，確保電流檢測(cè)電路最終的輸出信號(hào)ADC1在0～3 V范圍內(nèi)，然后再輸入DSP。

圖8 電流檢測(cè)電路原理圖(只畫(huà)出一相)

2.5 位置信號(hào)的檢測(cè)

位置檢測(cè)的目的是確定SRM定、轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置關(guān)系，以此來(lái)控制各相繞組的通斷，所以開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)對(duì)位置檢測(cè)環(huán)節(jié)的要求很高。本研究選擇3 600線的增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器，在DSP正交編碼電路QEP的4倍頻作用下可以達(dá)到每轉(zhuǎn)14 400個(gè)脈沖，確保了位置檢測(cè)的精度。

光編的A、B兩路正交脈沖經(jīng)QEP入DSP，通過(guò)計(jì)算即可得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速，然而僅憑這兩路脈沖信號(hào)只能獲得電動(dòng)機(jī)相對(duì)于初始時(shí)刻轉(zhuǎn)過(guò)的角度，無(wú)法得到其絕對(duì)位置，所以必須設(shè)定參考零位置。SRM的零位置通常選擇某一相的最大電感位置或最小電感位置，由于轉(zhuǎn)子軸“D”形切口正對(duì)了一個(gè)轉(zhuǎn)子凸極，本研究以“轉(zhuǎn)子軸切口對(duì)準(zhǔn)定子A相正端凸極”為零位置，此時(shí)A相電感達(dá)到最大值，而電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)至零位置時(shí)光編恰好能輸出Z脈沖，利用捕獲單元CAP對(duì)其進(jìn)行捕獲，綜合A、B信號(hào)即可獲得電動(dòng)機(jī)任意時(shí)刻的絕對(duì)位置。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)由下位機(jī)DSP控制程序和上位機(jī)操作界面組成。其中，下位機(jī)控制程序包括主程序和中斷子程序兩部分，主程序由各類外設(shè)初始化子程序、轉(zhuǎn)子位置角計(jì)算子程序和換相子程序等部分組成;中斷子程序包括A/D轉(zhuǎn)換中斷、數(shù)據(jù)接收中斷、轉(zhuǎn)速控制中斷、零位置中斷等。上位機(jī)操作界面以LabVIEW為開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)串口通信、數(shù)據(jù)顯示、指令發(fā)送等功能。

3.1 主程序

在主程序中首先需要完成對(duì)系統(tǒng)的設(shè)定，以及對(duì)事件管理器、GPIO、SCI、A/D等外設(shè)的初始化，配置中斷入口，然后進(jìn)入無(wú)限循環(huán)等待中斷，其流程如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

在無(wú)限循環(huán)等待中斷的過(guò)程中，主程序還將完成啟動(dòng)與換相的工作，具體流程圖如圖10所示。在找到零位置前，增量式光電編碼器無(wú)法檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的絕對(duì)位置，所以本研究首先使用調(diào)壓器將電源電壓控制在5 V左右并采用定時(shí)換相，每觸發(fā)一相調(diào)用一次延時(shí)函數(shù)，產(chǎn)生0.1 s左右的延時(shí)，然后再次判斷零位置是否找到，若仍未找到則觸發(fā)下一相，如此不斷地重復(fù)判斷、換相、延時(shí)3個(gè)步驟，讓開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)先以低速轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。在SRM轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)零位置，捕獲單元首次捕捉到Z脈沖后，系統(tǒng)由定時(shí)換相轉(zhuǎn)為邏輯換相，即不斷讀取QEP的時(shí)鐘源的計(jì)數(shù)值(T2CNT)，通過(guò)計(jì)算得到當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角θ，然后根據(jù)θ以及開(kāi)關(guān)角進(jìn)行換相，同時(shí)逐步升高電源電壓，使SRM正常運(yùn)行。

圖10 無(wú)限循環(huán)流程圖

3.2 零位置中斷程序

光電編碼器輸出的Z脈沖由CAP3輸入DSP，所以零位置中斷由CAP3產(chǎn)生。零位置中斷的流程圖如圖11所示，其主要功能有兩個(gè):首先是將T2計(jì)數(shù)值清零，避免計(jì)數(shù)值溢出同時(shí)減小誤差;其次是在首次產(chǎn)生零位置中斷時(shí)將啟動(dòng)標(biāo)志位置1，表示開(kāi)機(jī)找“零”過(guò)程已完成，主程序開(kāi)始進(jìn)行邏輯換相。

圖11 零位置中斷流程圖

3.3 A/D轉(zhuǎn)換中斷程序

DSP 通過(guò)輸出PWM波控制各相繞組的通斷，所以繞組電流在很大程度上受到PWM波的影響，為了減小采樣時(shí)的電流波動(dòng)，提高測(cè)量精度，本研究選擇在每個(gè)PWM波形的中心點(diǎn)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。T1周期中斷剛好發(fā)生在PWM波形的中心，所以A/D轉(zhuǎn)換由T1周期中斷啟動(dòng)，其流程如圖12所示，主要包括讀取結(jié)果、濾波、還原3個(gè)過(guò)程。

圖12 A/D轉(zhuǎn)換中斷流程圖

A/D轉(zhuǎn)換中斷程序首先要完成對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，讀取結(jié)果的實(shí)質(zhì)是將結(jié)果寄存器中存放的轉(zhuǎn)換結(jié)果(數(shù)字量)讀取成相應(yīng)引腳的輸入電壓(模擬量)。為測(cè)得精確的繞組電流，本研究在讀取結(jié)果后采用“中位值平均濾波法”對(duì)結(jié)果進(jìn)行濾波，即對(duì)同一相的繞組電流連續(xù)采樣5次，去掉5個(gè)結(jié)果中的最大值與最小值，然后計(jì)算其余3個(gè)中位值的算數(shù)平均值，通過(guò)這種方法可有效消除脈沖干擾引起的采樣誤差。由于電流檢測(cè)電路中包含了電流電壓轉(zhuǎn)換以及電壓調(diào)理兩個(gè)環(huán)節(jié)，最后還必須將濾波后的轉(zhuǎn)換結(jié)果從A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓還原為所測(cè)的繞組電流，兩者的關(guān)系為:

式中:Ik—繞組電流，Vg—電壓調(diào)理電路中的偏置電壓值，RT—電流電壓轉(zhuǎn)換時(shí)所選用的精密電阻阻值。

本研究中Vg為1.5 V，RT為51 Ω。

3.4 轉(zhuǎn)速控制中斷程序

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性可以直接反映出其性能的優(yōu)劣，所以轉(zhuǎn)速控制至關(guān)重要。轉(zhuǎn)速控制中斷由頻率為1 kHz的定時(shí)器4周期中斷啟動(dòng)，其流程圖如圖13所示。

圖13 轉(zhuǎn)速控制中斷流程圖

每次進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制中斷都將首先計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速，本研究采用頻率法，即利用相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速控制中斷所讀取的T2計(jì)數(shù)值之差ΔN來(lái)計(jì)算光編A、B信號(hào)脈沖的頻率，從而換算得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于本研究使用的光電編碼器在QEP電路4倍頻作用下將達(dá)到每轉(zhuǎn)14 400個(gè)脈沖，ΔN與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系為:

式中:TC—轉(zhuǎn)速控制中斷的周期，本研究中選為10-3s。

同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)可以通過(guò)讀取T2狀態(tài)位T2STAT直接得到。完成5次測(cè)量后，本研究采用“算術(shù)平均濾波法”對(duì)轉(zhuǎn)速濾波以降低測(cè)量誤差，然后通過(guò)PID算法對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。PID控制器的傳遞函數(shù)為:

式中:U(s)，E(s)—控制器的輸入與輸出信號(hào);kp，Ti，Td—比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。

然而在實(shí)際設(shè)計(jì)控制算法時(shí)通常采用離散PID，對(duì)式(3)作Z變換并離散化［11］即可得離散PID的表達(dá)式:

式中:Kp=kp;Ki=kpTs/Ti;Kd=kpTd/Ts;Ts—采樣周期。

對(duì)于轉(zhuǎn)速PID控制而言，其輸入量e為給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差量，又因?yàn)橹鏖_(kāi)關(guān)器件工作于PWM模式，輸出量u用于控制PWM波的占空比，從而間接控制繞組電壓的平均值。本研究使用事件管理器的比較單元輸出8路對(duì)稱PWM波，所以PWM占空比由相應(yīng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)周期TxPR和比較單元比較值CMPRn決定，而TxPR一般在初始化事件管理器時(shí)對(duì)其賦值并且不再改動(dòng)，所以本研究將PID控制的輸出量u直接賦值給CMPRn，并在賦值之后對(duì)比較值進(jìn)行限幅，以此將PWM占空比限制在20%～80%之間。

3.5 數(shù)據(jù)接收中斷程序

除了查詢方式之外，SCI的發(fā)送和接收還可以通過(guò)中斷進(jìn)行控制。當(dāng)SCI采用查詢方式發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，往往需要不斷地查詢相應(yīng)緩沖寄存器的就緒標(biāo)志?？紤]到系統(tǒng)并不需要頻繁接收給定數(shù)據(jù)，SCI模塊只需在每次調(diào)速過(guò)程中從上位機(jī)接收一次給定數(shù)據(jù)即可，這種情況下如果仍使用查詢方式接收數(shù)據(jù)，顯然會(huì)大大降低程序的運(yùn)行效率，所以本研究采用查詢方式發(fā)送，中斷方式接收的組合，利用SCI接收中斷接收并更新給定轉(zhuǎn)速與PID參數(shù)，其流程圖如圖14所示。

圖14 數(shù)據(jù)接收中斷流程圖

3.6 上位機(jī)操作界面

LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、串口控制、數(shù)據(jù)顯示等。本研究設(shè)計(jì)的上位機(jī)操作界面如圖15所示，主要包括數(shù)據(jù)顯示區(qū)、數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)以及串口控制區(qū)3個(gè)區(qū)域。數(shù)據(jù)顯示區(qū)提供了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置角、開(kāi)關(guān)角的數(shù)值顯示，轉(zhuǎn)速波形顯示和PWM占空比的儀表顯示以及其上、下限的指示燈提示等;數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)由4個(gè)輸入控件與1個(gè)按鈕控件組成，負(fù)責(zé)通過(guò)串口向DSP發(fā)送給定轉(zhuǎn)速與PID參數(shù);串口控制區(qū)主要實(shí)現(xiàn)I/O口指定，波特率、數(shù)據(jù)比特、停止位設(shè)置等功能。

圖15 上位機(jī)操作界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究首先在開(kāi)環(huán)條件下對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，測(cè)試條件為:電源電壓10 V，PWM占空比60%，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。從圖16中可以看出，由于硬件部分采用了光電耦合器HCPL4504，單相上、下橋臂PWM信號(hào)與開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)在邏輯上剛好相反，且隔離后的PWM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110能正確地觸發(fā)IGBT，得到穩(wěn)定的相電壓。因此，開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

圖16 開(kāi)環(huán)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

其次，為研究開(kāi)關(guān)角與繞組電流之間的關(guān)系，本研究采集的不同開(kāi)關(guān)角下的相鄰兩相繞組的電流波形如圖17所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改變開(kāi)通角能使繞組電流波形的寬度、峰值等發(fā)生明顯的改變，適當(dāng)減小開(kāi)通角可使繞組電流有充足的上升時(shí)間，提高SRM產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，增加電動(dòng)機(jī)出力，但是開(kāi)通角也不能太小，過(guò)分減小開(kāi)通角容易使繞組電流過(guò)大，噪聲和震動(dòng)增加，影響電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。相比之下，關(guān)斷角控制只影響繞組電流波形寬度，不影響峰值，所以對(duì)繞組電流的作用較弱，通常只作為輔助控制方式，用于調(diào)節(jié)SRM的運(yùn)行效率，因?yàn)檫m當(dāng)增大關(guān)斷角能增加各相的供電時(shí)間，提高轉(zhuǎn)矩，但如果關(guān)斷過(guò)晚，該相就可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，大大降低電動(dòng)機(jī)的效率。根據(jù)結(jié)果，本研究選擇開(kāi)通角5°，關(guān)斷角25°作為最優(yōu)開(kāi)關(guān)角。

最后，本研究在最優(yōu)開(kāi)關(guān)角下進(jìn)行了閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)，初始條件為:給定轉(zhuǎn)速300 r/min，電源電壓15 V，PID參數(shù)為Kp=2，Ki=0.5，Kd=0.1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為:0～5 s為啟動(dòng)階段，在系統(tǒng)運(yùn)行7 s和12 s時(shí)分別將給定轉(zhuǎn)速改變?yōu)?00 r/min與400 r/min，15 s～20 s之間讓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，最后進(jìn)行擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，在系統(tǒng)運(yùn)行23 s左右時(shí)突然增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，4 s后撤除，再在33 s時(shí)突然降低電源電壓至7.5 V，4 s后恢復(fù)。不同階段的轉(zhuǎn)速波形如圖18所示，可見(jiàn)開(kāi)機(jī)找“零”的過(guò)程只持續(xù)1 s左右，十分短暫，啟動(dòng)后整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速響應(yīng)具備快速性和準(zhǔn)確性，并且系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，說(shuō)明PID算法能根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，通過(guò)改變PWM波占空比來(lái)改變繞組電壓平均值，從而間接調(diào)節(jié)繞組電流的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的有效控制。

圖17 不同開(kāi)關(guān)角下的繞組電流波形

圖18 調(diào)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究首先分析了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本原理和控制方法，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái);詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、原理以及各元器件的功能和選型等;同時(shí)介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件部分，給出了DSP控制程序中主程序和各中斷子程序的具體功能與流程;最后，基于所開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的正確性，同時(shí)研究并分析了開(kāi)關(guān)角與繞組電流之間的關(guān)系;通過(guò)閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)證明了PID控制的有效性以及系統(tǒng)調(diào)速性能的優(yōu)越性。

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