12／8極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁濤年，李 勇，杜吉林，鄭小東

（1.浙江三星機(jī)電股份有限公司，浙江 溫州325401；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系，黑龍江 哈爾濱150001）

1 引言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)SRM（Switched Reluctance Motor）是遵循“磁阻最小原理”設(shè)計(jì)的雙凸極非線性可變磁阻電動(dòng)機(jī)。由于SRM 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍廣、效率高、損耗小、控制靈活、可靠性高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)［1］。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性高，它需要實(shí)時(shí)地判斷轉(zhuǎn)子位置、相電流等信息，進(jìn)而控制SRM 的換相，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。要達(dá)到開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)性能最優(yōu)，不僅要設(shè)計(jì)合理可靠的硬件電路，而且要設(shè)計(jì)合適的控制策略和控制算法［2］。

文獻(xiàn)［3］采用雙極性勵(lì)磁策略，通過(guò)以DSP 搭建控制器電路，對(duì)8／6 極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制策略的可行性。文獻(xiàn)［4］針對(duì)傳統(tǒng)光電傳感器所存在的問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用于直線開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電控制系統(tǒng)的直接位置檢測(cè)傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了功率變換器主電路和基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行控制。文獻(xiàn)［5］針對(duì)4kW、四相8／6 極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，采用V850 單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)了控制硬件系統(tǒng)，采用電流環(huán)閉環(huán)控制策略設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)。文獻(xiàn)［6］采用無(wú)位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，設(shè)計(jì)了7.5kW4 相（8／6 極）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。文獻(xiàn)［7］利用MCF5213 芯片設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，并采用角度控制與電壓斬波相結(jié)合的控制策略，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行特性。

本文以三相12／8 極36kW 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為控制對(duì)象，以美國(guó)產(chǎn)16 位DSP TMS320LF2407A 為主控制芯片設(shè)計(jì)了硬件電路，采用雙閉環(huán)速度控制策略設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)軟件。同時(shí)對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)與整形濾波電路及電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并通過(guò)軟件流程圖的方式闡明了控制系統(tǒng)軟件流程與工作過(guò)程。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明該控制策略的合理有效性。

2 控制系統(tǒng)組成

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)是一種新型機(jī)電一體化交流調(diào)速系統(tǒng)，主要由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器、位置檢測(cè)器和電流檢測(cè)器5 個(gè)部分組成如圖1所示。

習(xí)慣上把電源、功率變換器、檢測(cè)器和處理器合稱為控制器。功率變換電路是控制電路與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)之間的橋梁，而在控制器和功率變換電路還需要一個(gè)重要的銜接單元，即驅(qū)動(dòng)電路。

圖1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行元件，采用雙凸極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且一般定子和轉(zhuǎn)子相數(shù)不等，以便能使電機(jī)自起動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子由導(dǎo)磁硅鋼片疊制而成，用于給定子繞組提供磁通路。本設(shè)計(jì)中采用三相12／8 極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。

2.2 功率變換器

功率變換器是系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換元件，在控制器指令下起開(kāi)關(guān)作用，能夠使各相繞組及時(shí)開(kāi)通、斷開(kāi)，保證電機(jī)產(chǎn)生預(yù)期的電磁轉(zhuǎn)矩，且為各相繞組儲(chǔ)能提供回饋途徑。

2.3 控制器

控制器是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，它綜合處理位置傳感器和電流傳感器反饋的位置信號(hào)和電流信號(hào)，向功率開(kāi)關(guān)等器件提供控制指令，并采樣并處理各種保護(hù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SR 電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)控制。

2.4 位置檢測(cè)器

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種自同步電機(jī)，需要位置檢測(cè)和電流檢測(cè)以進(jìn)行閉環(huán)控制。位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置以及計(jì)算電機(jī)速度。在本控制系統(tǒng)中，位置檢測(cè)采用兩個(gè)間隔為15°的光電耦合開(kāi)關(guān)作為位置傳感器檢測(cè)位置信號(hào)。電流檢測(cè)提供電流信息來(lái)完成電流斬波控制或采取相應(yīng)的保護(hù)措施以防止過(guò)電流。電流檢測(cè)通過(guò)霍爾式電流傳感器對(duì)每相電流進(jìn)行檢測(cè)。在本設(shè)計(jì)中，將采集到的電壓信號(hào)通過(guò)外部引腳輸入到DSP 的A／D 轉(zhuǎn)換接口，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行軟件判斷控制。

3 控制器硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主控芯片采用TMS320LF2407A，它具有更高的精度和速度，而且存儲(chǔ)量大，具有邏輯控制功能和各種中斷處理能力以及豐富的數(shù)字輸入／輸出接口、通信接口、專用電動(dòng)機(jī)控制PWM 輸出口和指令集，各種控制硬件集成在同一芯片中。它能處理各種輸入信號(hào)、輸出PWM 信號(hào)用于控制功率器件的開(kāi)關(guān)，響應(yīng)各種保護(hù)信號(hào)，做出相應(yīng)保護(hù)措施等。12／8 相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)由數(shù)字處理器DSP、外部時(shí)鐘源和外圍電路構(gòu)成。外圍電路主要包括位置信號(hào)檢測(cè)與整形電路、電流檢測(cè)與信號(hào)處理電路、功率變換電路等組成。

圖2 控制系統(tǒng)硬件原理圖

數(shù)字處理器DSP 利用轉(zhuǎn)子位置傳感器、電流傳感器以及保護(hù)電路反饋的信號(hào)，測(cè)量當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置、繞組電流的大小，通過(guò)DSP 計(jì)算出當(dāng)前轉(zhuǎn)子速度、轉(zhuǎn)子位置及相電流值，并準(zhǔn)確地給出轉(zhuǎn)子繞組的通電時(shí)刻、換相時(shí)刻以及響應(yīng)過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)等功能。

3.1 功率器件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由于控制電路不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效驅(qū)動(dòng)，需要一個(gè)重要的中間環(huán)節(jié)，即功率驅(qū)動(dòng)電路。功率驅(qū)動(dòng)電路是DSP 與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)之間的橋梁和重要的鏈接單元，直接影響著開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能。

在本設(shè)計(jì)中，功率變換器主電路采用不對(duì)稱半橋式結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電路采用HCPL316J 作為驅(qū)動(dòng)芯片，與其它驅(qū)動(dòng)芯片相比，HCPL316J 增加了過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)和IGBT 軟關(guān)斷的功能。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。圖中，C＿QD 接所驅(qū)動(dòng)IGBT的集電極，當(dāng)該IGBT 的管壓降高過(guò)（大 于 5.6V），HCPL316J 的 6 腳（FAULT）自動(dòng)鎖存驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且輸出一個(gè)故障信號(hào)HP＿Fault。

3.2 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)與整形濾波電路

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)位置閉環(huán)檢測(cè)控制系統(tǒng)，位置檢測(cè)是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的重要環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)子位置傳感器主要用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，通過(guò)DSP 對(duì)控制算法進(jìn)行運(yùn)算后，給IGBT 發(fā)送控制指令，驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通、關(guān)閉，并計(jì)算出各相繞組通電順序及電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速。位置信號(hào)檢測(cè)與整形電路如圖4所示，圖中470Ω 為光電開(kāi)關(guān)的限流電阻，22k 為光電開(kāi)關(guān)的上拉電阻。位置信號(hào)經(jīng)過(guò)TLP521 光電耦合器進(jìn)行濾波，再經(jīng)過(guò)74LS14 進(jìn)行整形，然后送入DSP 的CAP 捕獲端口，進(jìn)行換相和測(cè)速控制。

3.3 電流檢測(cè)與信號(hào)處理電路

圖3 基于HCPL316J 的驅(qū)動(dòng)電路

圖4 位置信號(hào)檢測(cè)與整形電路

圖5 電流檢測(cè)與信號(hào)處理電路

電流檢測(cè)是SRM 調(diào)速系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制需的信號(hào)，也是實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)所需的信號(hào)。本設(shè)計(jì)中電流檢測(cè)采用霍爾傳感器，通過(guò)檢測(cè)調(diào)理電路把檢測(cè)到的三相電流送入DSP 的AD 口進(jìn)行采樣處理，并通過(guò)DSP 對(duì)控制算法進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制，其電流檢測(cè)電路圖如圖5所示。選擇的電流傳感器型號(hào)為T(mén)BC500LTB，經(jīng)過(guò)信號(hào)I／V轉(zhuǎn)換，輸出0－4V 電壓信號(hào)，其中4V 對(duì)應(yīng)600A。由于電流的峰值保護(hù)值設(shè)定為540A，則此時(shí)對(duì)應(yīng)的電流傳感器的輸出信號(hào)為3.6V 的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)R128 和R129 分壓調(diào)理后將電壓值調(diào)理到3.24V，輸入到TL084 運(yùn)算放大器。然后信號(hào)（圖5中I1）送入DSP 的AD 口；為了防止電壓信號(hào)過(guò)高損壞DSP（TMS320LF2407 的AD 口最高輸入電壓為3.3V），采用1N4148 進(jìn)行嵌位保護(hù)。

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

SRM 控制系統(tǒng)是實(shí)時(shí)性軟件控制系統(tǒng)。根據(jù)SRM 電機(jī)控制流程和軟件功能的實(shí)現(xiàn)，可以將程序分為主程序和中斷服務(wù)程序兩個(gè)模塊。主程序?qū)崿F(xiàn)各個(gè)子程序初始化，完成后進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，等待響應(yīng)各個(gè)中斷，并對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理。

4.1 控制系統(tǒng)狀態(tài)流程

控制軟件是基于狀態(tài)流程圖設(shè)計(jì)的，圖6所示是SRM 電機(jī)控制狀態(tài)流程圖，顯示了相互之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系。當(dāng)SRM 的電機(jī)控制器上電復(fù)位時(shí)，軟件將對(duì)所有程序變量進(jìn)行初始化并對(duì)所有的外圍設(shè)備進(jìn)行初始化使能。當(dāng)這些動(dòng)作完成后，電機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待啟動(dòng)指令。當(dāng)控制器接收到啟動(dòng)指令后，立即調(diào)用電機(jī)運(yùn)行程序，并對(duì)電機(jī)控制所使用的變量進(jìn)行初始化，然后對(duì)分?jǐn)?shù)階轉(zhuǎn)速控制器中使用的控制參數(shù)進(jìn)行初始化。在子程序的最后，將清除中斷標(biāo)志并使能中斷。一旦電機(jī)運(yùn)行子程序完成變量初始化，狀態(tài)流程圖中所有的其它功能皆由中斷服務(wù)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 SRM 控制狀態(tài)流程圖

4.2 雙閉環(huán)速度控制器設(shè)計(jì)

SRM 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過(guò)安裝在各相的電流傳感器采樣各相電流作為反饋信號(hào)。它根據(jù)速度控制環(huán)的輸出快速地調(diào)節(jié)電流，使系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。外環(huán)為速度環(huán)，在閉環(huán)回路中，通過(guò)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速比較，計(jì)算出誤差補(bǔ)償量，進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。速度環(huán)利用分?jǐn)?shù)階控制器來(lái)完成轉(zhuǎn)速閉環(huán)中誤差控制，使穩(wěn)態(tài)誤差為零。通過(guò)給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速的誤差計(jì)算出電流給定信號(hào)，作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的輸入。

圖7 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

分?jǐn)?shù)階PⅠλ控制器是傳統(tǒng)整數(shù)階PI 控制器的廣義化形式，它包含一個(gè)積分階次，其中λ 可以在（0，2）內(nèi)任意取值。它是把傳統(tǒng)的整數(shù)階PI 控制器推廣到任意階領(lǐng)域。由于分?jǐn)?shù)階PⅠλ控制器比傳統(tǒng)的整數(shù)階PI 控制器多了一個(gè)控制參數(shù)，且參數(shù)的取值范圍比較大，因此，其魯棒性要比整數(shù)階PI控制器強(qiáng)，并能取得一些優(yōu)于整數(shù)階PI 控制器的控制效果［8］。

其控制算法如下：

式中：u（t）為t 時(shí)刻調(diào)節(jié)器的輸出；Kp為比例常數(shù)；KⅠ為積分常數(shù)；e（t）為t 時(shí)刻調(diào)節(jié)器的偏差；D-λ為任意階積分項(xiàng)，其中λ 為積分階次。

根據(jù)實(shí)際響應(yīng)情況，設(shè)置速度閉環(huán)控制器控制參數(shù)，可得到較好的控制效果。圖8所示為設(shè)定轉(zhuǎn)速為500r／min 時(shí)，雙閉環(huán)控制策略下合成轉(zhuǎn)矩波形圖。從圖8可以看出，在雙閉環(huán)控制策略下電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)保持基本不變，扭矩波動(dòng)范圍很小，表明了控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)和控制策略的可行性，獲得了良好控制效果。

圖8 雙閉環(huán)控制策略下合成扭矩波形

5 結(jié)論

本文以三相12／8開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)對(duì)象，利用光電式位置傳感器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制；采用DSP TMS320LF2407A 為主控制芯片，功率變換器選用三相不對(duì)稱半橋式?？刂葡到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)了位置信號(hào)檢測(cè)與整形電路、電流檢測(cè)與處理電路等，通過(guò)這些電路的設(shè)計(jì)，構(gòu)成了完整的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以控制系統(tǒng)的功能為模塊，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的軟件控制狀態(tài)流程及結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了電流內(nèi)環(huán)，速度外環(huán)的雙閉環(huán)數(shù)字PI 控制算法。其中速度環(huán)調(diào)節(jié)器采用分?jǐn)?shù)階控制算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)及控制策略的可行性和系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。

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