開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳世軍，王陳寧，查長禮

(安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，安徽 安慶 246133)

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開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳世軍，王陳寧，查長禮

(安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，安徽 安慶 246133)

摘要：開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)在硬件上采用數(shù)字信號處理器與可編程邏輯器件相結(jié)合的控制方式，使電路系統(tǒng)得到了大大的簡化，更加穩(wěn)定可靠；在軟件控制策略上，在不同的調(diào)速階段采用不同的控制方法，結(jié)合了各自方法的優(yōu)點。整個系統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)簡單可靠，可在寬廣的速度和功率范圍內(nèi)保持較高的能量回饋，具有一定的市場應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機；數(shù)字信號處理器；可編程邏輯器件

開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)(簡稱SRD)，是20世紀(jì)80年代興起的一種新型的交流調(diào)速系統(tǒng)。由開關(guān)磁阻電機(SRM)及其控制器等組成，其中控制器是其核心。整個系統(tǒng)具有電機結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小等特點，又具有調(diào)速性能好、控制電路簡單、控制方式靈活、正反轉(zhuǎn)和起動制動性能好、效率高等優(yōu)點，是一種性價比很高的現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)[1-2]。但同時也具有轉(zhuǎn)矩脈動大、振動噪聲大等明顯的缺點，隨著電機設(shè)計及其控制技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題也在得到改善?，F(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于煤礦機械、紡織機械、家用電器、電動汽車等行業(yè)，在未來市場上具有很好的應(yīng)用前景[3-4]。

大多數(shù)的調(diào)速裝置在高速運行和非額定負(fù)載運行時會產(chǎn)生能量的浪費，并且在啟動或者要求頻繁啟動的場合下，啟動電流過大，大大影響了電網(wǎng)中其它電器的正常使用。傳統(tǒng)的基于開關(guān)磁阻電機的調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定程度上解決上述問題，但其傳統(tǒng)的控制算法以及單片機設(shè)計出來的系統(tǒng)在調(diào)速性能上并不具有優(yōu)越性且系統(tǒng)硬件電路復(fù)雜、外圍電路多，易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定性。

SRD系統(tǒng)的核心是其控制器的設(shè)計，包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩大部分，而其設(shè)計方法又有多種[5]。本文對傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)進行改進。

1SR電機的控制策略

1.1SR電機數(shù)學(xué)模型分析

SR電機的數(shù)學(xué)模型分析包括線性模型、準(zhǔn)線性模型以及非線性模型三種。在工程應(yīng)用當(dāng)中，常常用準(zhǔn)線性模型來分析設(shè)計功率驅(qū)動電路以及確定相應(yīng)的控制方法。它是將實際的非線性磁化曲線進行分段線性化處理。下面給出SR電機準(zhǔn)線性模型的電路方程、運動方程以及電磁轉(zhuǎn)矩方程[1-2]。

由電路基本定律可以寫出第K相的電壓方程：

Uk=Rkik+dψ(θ,ik)/dt=

(1)

式中Uk為加在K相繞組的電壓，Rk為K相繞組的電阻，ik為K相繞組的電流，ψ(θ,ik)為K相繞組的磁鏈，ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，θ為轉(zhuǎn)子位置角?？梢钥闯鲭妷悍匠逃扇糠纸M成：第一項為電阻壓降，第二項為電感壓降，第三項為旋轉(zhuǎn)壓降。

按照力學(xué)定律可以得到SR電機的機械運動方程：

(2)

式中Te為電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動慣量，D為機電系統(tǒng)粘性摩擦系數(shù)。

根據(jù)準(zhǔn)線性模型的分段線性化磁化曲線，得到分段線性化的繞組電感，進而求得電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(3)

1.2SR電機的控制方式及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開關(guān)磁阻電機的定子與轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上沒有繞組也沒有永磁體，故其結(jié)構(gòu)簡單可靠，它是根據(jù)磁通總是沿著最小路徑閉合的方式來運行的。目前，對其調(diào)速運行的控制方式主要有以下幾種[2]：①電流斬波控制方式，②電壓PWM控制方式，③角度位置控制方式等?？紤]到各種控制方式的優(yōu)缺點，本文采用多種方式相結(jié)合的控制方法：在低速段，由于電流過大，故采用電流斬波控制；中速段采用電壓PWM控制與變角度控制相結(jié)合的方式；高速段由于速度過大，電流的上升時間很短，故進行角度位置控制。具體實現(xiàn)方法：在低速運行時，控制器采用高過電壓斬波頻率的頻率進行電流斬波，使電流迅速降下來;在中速運行時以恒定的電壓斬波頻率控制主開關(guān)管的開通與關(guān)斷，并通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)相繞組兩端的平均電壓,同時適當(dāng)?shù)目刂平嵌鹊淖兓?；高速時采用固定關(guān)斷角，改變開通角的控制模式，從而實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級調(diào)速。

開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速、機械負(fù)載情況和位置檢測器提供的轉(zhuǎn)子位置信號，控制器通過一定的算法給出相應(yīng)的控制電流，并適時給出定子繞組的換相控制信號，使電機運轉(zhuǎn)。調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計成閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要實時地根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋值計算出電流的給定值，再與電流檢測值相比較，得出相應(yīng)的控制信號，從而保證電機穩(wěn)定運行[6-7]。

圖1SRD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)其硬件電路的設(shè)計主要包括控制電路、功率驅(qū)動電路以及顯示電路三部分，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)控制電路設(shè)計。以美國德州儀器的TMS320F2812為核心控制器，完成速度的分段控制、邏輯關(guān)系處理以及產(chǎn)生PWM信號等。主要包括TMS320F2812核心芯片、電源電路、復(fù)位電路、A/D采樣電路以及功率驅(qū)動板接口和顯示板接口等。

(2)功率驅(qū)動電路設(shè)計。主要包括主電路、IGBT驅(qū)動電路、信號檢測電路以及保護電路部分。主電路采用6路分立元件IGBT組成不對稱半橋型電路，具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好、且驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動電流小，同時具有通態(tài)壓降小、耐壓高、承受電流大等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用A3120為驅(qū)動電路。

(3)顯示電路設(shè)計。以一個單片機為核心控制器，實現(xiàn)與主控板串口數(shù)據(jù)傳輸方式，大大降低了主控制器的負(fù)荷。其包括電源電路，按鍵與數(shù)碼管電路，以及與控制板接口等，用以顯示電機的轉(zhuǎn)速、頻率、停轉(zhuǎn)以及正反轉(zhuǎn)等。

圖2系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計是整個控制系統(tǒng)的核心部分。本系統(tǒng)軟件的基本思想是通過鍵盤給定速度，實際速度由光電位置傳感器獲取，經(jīng)過濾波整形處理，送到DSP的捕獲單元輸入，由DSP輸出PWM信號，再經(jīng)過CPLD邏輯電路處理，驅(qū)動功率電路控制IGBT的關(guān)斷與導(dǎo)通，由電流傳感器檢測電機定子電流，實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)速與電流的雙閉環(huán)控制。程序軟件總體框圖如圖3所示。整個系統(tǒng)軟件程序由主程序及其相關(guān)的子程序組成，系統(tǒng)主程序如圖4所示，其主要功能:設(shè)置系統(tǒng)時鐘，初始化事件管理器和SRM 參數(shù)，設(shè)置可用中斷，進行當(dāng)前轉(zhuǎn)速、位置或電流的顯示等。

圖3程序總體框圖 圖4 系統(tǒng)主程序圖5 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)硬件平臺

4實驗測試

在實驗室條件下，搭建的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)硬件平臺如圖5所示：包括一臺帶位置傳感器的額定功率為1.5 kW，額定電壓為220 V，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的12/8極開關(guān)磁阻電機，DSP控制電路板(帶CPLD模塊)，功率驅(qū)動電路板以及電源電路板，顯示電路板。整合軟硬件調(diào)試，整個系統(tǒng)具有穩(wěn)定的調(diào)速性能。啟動電流達(dá)到2.7 A，啟動轉(zhuǎn)矩達(dá)到30 N·M，能實現(xiàn)從100 r/min到2 000 r/min的寬廣調(diào)速范圍。

5結(jié)論

系統(tǒng)在硬件電路的設(shè)計上采用了數(shù)字信號處理器(DSP)與可編程邏輯器件(CPLD)相結(jié)合的控制方式，使外圍電路更加精簡，集成化大大提高，整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。在軟件設(shè)計方式上，將變角度控制、PWM電壓控制、電流斬波控制方式相結(jié)合，發(fā)揮各種控制方式的優(yōu)點。 通過對整個軟件、硬件系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，起動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，具有很好的啟動、調(diào)速運行性能，有一定的市場應(yīng)用推廣價值。但仍然存在轉(zhuǎn)矩脈動過大、啟動不夠平穩(wěn)的問題。為了達(dá)到更好的效果，應(yīng)該從電機結(jié)構(gòu)與控制算法上進行優(yōu)化設(shè)計。

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Design and Implementation of a Switched Reluctance Motor Speed Control System Based on TMS320F2812

CHEN Shi-jun，WANG Chen-ning，ZHA Chang-li

(School of Physics and Electronic Engineering , Anqing Teachers College , Anqing 246133, China)

Abstract:The design of switched reluctance motor speed control system on hardware combines digital signal processor with programmable logic devices to control, which makes the circuit system simplify, more stable and reliable. By the software control strategy, it adopts different control methods in different stages of speed control. Combining with the advantages of each method the whole system has simple motor structure and reliability, and can be in the broad range of high speed and power energy feedback, and achieve high efficiency and energy saving, etc. It has a certain application value in the market.

Key words:switched reluctance motor, digital signal processor, programmable logic device

文章編號：1007-4260(2015)03-0064-04

中圖分類號：TP343

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.03.018

作者簡介：陳世軍，男，江西九江人，碩士，安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院講師，主要研究方向為電機及其控制技術(shù)。

基金項目：安慶師范學(xué)院校青年基金項目(120001000009)。

收稿日期：2014-11-26

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-8-25 15:40網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20150825.1540.018.html