基于DSP的開關(guān)磁阻電動機角度位置控制

趙 涵，王 艷

(北京交通大學(xué)，北京 100044)

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基于DSP的開關(guān)磁阻電動機角度位置控制

趙 涵，王 艷

(北京交通大學(xué)，北京 100044)

開通角、關(guān)斷角對開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)矩、效率有較大的影響，因此在開關(guān)磁阻電動機調(diào)速中角度位置控制尤為重要。制定了不同轉(zhuǎn)速的相通斷導(dǎo)通邏輯，針對變角度區(qū)對角度精確度的要求，分析了硬件電路實現(xiàn)的缺點，提出了通過軟件實現(xiàn)角度控制。以TMS320F2812為控制核心，利用定時器來進行變角度的定時，利用捕獲單位捕獲三相位置信號作為相中斷，編寫程序，并進行實驗驗證。實驗結(jié)果表明，所提出的角度位置控制方案與理論分析一致，具有較好的效果。

開關(guān)磁阻電動機；角度位置控制；TMS320F2812；定時器

0 引 言

開關(guān)磁阻電動機(以下簡稱SRM)是一種新型電機，具有很多優(yōu)勢，如機械結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩大、成本低、調(diào)速范圍寬、運行可靠、效率高等，在電力傳動領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊[1]。在角度位置控制方式下，SRM的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大，可以同時導(dǎo)通多相，電機運行效率高[2]。為此，本文以TMS320F2812為控制核心，提出了一種SRM角度位置控制方法。

1 角度控制策略

當電機運行在電動狀態(tài)時，為避免產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，應(yīng)在電感上升區(qū)間開通開關(guān)管，使電流位于在電感上升區(qū)。電機低速運行時，旋轉(zhuǎn)電動勢較小，電流峰值較大，常采用電流斬波峰值，不進行變角度控制，采用觸發(fā)導(dǎo)通邏輯[3]。觸發(fā)導(dǎo)通邏輯在電感最小值處開通，在電感最大值處關(guān)斷。在轉(zhuǎn)速增大時，電流上升時間會縮短，電流幅值減小，對電機出力有影響；并且電流下降時間也會變短，如果在電感達到最大時才關(guān)斷開關(guān)管，電流很可能在電感下降區(qū)仍存在，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。因此，當轉(zhuǎn)速較大時，進行變角度控制，提前開通和關(guān)斷開關(guān)管。當速度升高到一定程度時，開通角和關(guān)斷角的調(diào)節(jié)都達到極限，此時采用定角度控制。本文主要討論變角度區(qū)域的實現(xiàn)方法，觸發(fā)導(dǎo)通區(qū)和定角度區(qū)分別是變角度區(qū)控制的兩個極限。

圖1是位置信號與電感曲線關(guān)系圖，1～6代表電機的6種位置狀態(tài)：101、001、011、010、110、100[4-5]。A，B，C三相位置信號各差15°，各相位置信號高電平對應(yīng)電感下降區(qū)間，位置信號低電平對應(yīng)電感上升區(qū)間，各相位置信號的周期均為45°。

圖1 位置信號與電感曲線關(guān)系圖

當電機轉(zhuǎn)速處于變角度區(qū)時，開通角和關(guān)斷角需提前，即在位置信號負跳變之前就導(dǎo)通開關(guān)管，在位置信號正跳變之前關(guān)斷開關(guān)管。以圖1為例，在C相位置信號正跳變時，就要進行B相開通計時，同時進行A相關(guān)斷計時。開通角θon向著-7.5°提前，而關(guān)斷角θoff向著7.5°提前[6-7]。其導(dǎo)通邏輯如表1所示。

表1 變角度區(qū)導(dǎo)通邏輯與位置狀態(tài)對應(yīng)規(guī)律

2 變角度控制方法

變角度控制是要將開關(guān)管的開通角和關(guān)斷角提前一定角度，其實現(xiàn)需要獲取電機角速度，且對角度分辨率要求較高。目前常用的方法是通過CD4046和CD4040組成鎖相倍頻電路，將輸入的位置信號進行細分，再將細分后的脈沖信號用作定時器的時鐘脈沖，用定時器來計數(shù)脈沖數(shù)[8]。但其屬于通過硬件電路實現(xiàn)，易受外界干擾，導(dǎo)致倍頻后的信號不穩(wěn)定，實時性較差；并且為了得到較好的倍頻效果，需要限制輸入信號的頻率范圍及倍頻倍數(shù)范圍[9-10]。

本文將利用計數(shù)角度脈沖實現(xiàn)變角度控制改為利用定時的方法來實現(xiàn)，采用TMS320F2812的T2定時器進行定時。電機提前的角度可以由轉(zhuǎn)速計算方法獲取，開通關(guān)斷角的定時計算方法在下文給出。

由前文可知，開通角、關(guān)斷角提前的角度與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，提前的角度越大。這里將開通關(guān)斷角提前的角度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系等效簡化為線性關(guān)系，如下：

(1)

式中：K,C為常數(shù)，設(shè)變角度的區(qū)間為(n1,n2)，則其對應(yīng)的提前的角度為(θ1,θ2)，θ2<θ1。

定時器T2的頻率為f，設(shè)定工作在連續(xù)增模式下，則θ所對應(yīng)的計數(shù)值如下：

(2)

3 軟件實現(xiàn)

3.1 開通關(guān)斷角定時程序

將電機三相位置信號分別輸入到DSP的三個捕獲引腳，上升下降沿均捕獲，每隔7.5°便會得到一個捕獲中斷，用于相切換的計時起點，由設(shè)定可得，關(guān)斷角總大于開通角，且兩者定時起點相同，這里采用將開通角和關(guān)斷角分別送入同一個定時器的比較中斷和周期中斷來實現(xiàn)兩個角度的定時，可以節(jié)省DSP的資源。流程圖如圖2(a)所示。

3.2 相通斷程序

相通斷程序是在開通角和關(guān)斷角定時到達之后，結(jié)合位置信號來輸出相應(yīng)的控制信號。相開通程序流程圖如圖2(b)所示，相關(guān)斷程序如圖2(c)所示。

(a) 開通關(guān)斷角定時程序 (b) 相開通程序 (c) 相關(guān)斷程序

4 實驗結(jié)果及分析

三相位置信號分別輸入捕獲口，相當于將三相位置信號異或。由于實驗條件的限制，本文利用信號發(fā)生器輸出的方波來模擬三相位置異或信號，通過TMS320F2812的開發(fā)板來進行實驗。

圖3為500r/min時的輸出信號波形圖。圖3中下面為三相位置異或信號，上面為B相輸出信號脈沖，可以看出，開通信號和關(guān)斷信號均提前了一定角度，與前面分析一致。

圖3 500 r/min時輸出信號波形(截圖)

圖4為3 000r/min的B相輸出信號和三相異或信號波形圖。從圖4中可以看出，開通角和關(guān)斷角提前動作，且與圖3相比，提前的角度變大，與理論分析一致。

圖5中，上面波形下降沿為開通時刻，下面波形的下降沿為定時開始時刻，兩者之間的角度差經(jīng)換算與所設(shè)定的開通角相等，實驗結(jié)果正確。

圖4 3 000 r/min時輸出信號波形(截圖)

圖5 3 000 r/min時開通角與位置信號(截圖)

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了SRM的角度位置控制方案，利用DSP進行軟件編程實現(xiàn)，并進行了實驗，實驗結(jié)果與理論分析一致。本方案開通關(guān)斷角的提前動作是通過轉(zhuǎn)速來進行定時實現(xiàn)的，因此對轉(zhuǎn)速的計算準確性和實時性要求較高，設(shè)計時應(yīng)注意測速方法的選取，保證測速精度。

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Angle Position Control of Switched Reluctance Motor Based on DSP

ZHAO Han，WANG Yan

(Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Turn-on and turn-off angle are important factors influencing the characteristics of the switched reluctance motor, such as torque and efficiency, so angle position control is needed for the switched reluctance drive. This paper formulated the logics of phase connection and break with different speed. Aiming at the requirement of precise angle division in the variable-angle area, the disadvantage of hardware circuit was analyzed, an angle position control method realized by software was introduced. This system used TMS320F2812 as its control core, realized timing in variable-angle area by DSP Timer, and captured three phase position signals as phase interrupt with DSP capture unit. Programs were written and experiment was done. The experiment result proves that the angle position control scheme this paper introduced is in accord with theory analysis and effective.

switched reluctance motor (SRM); angle position control; TMS320F2812; timer

2015-04-20

TM352

A

1004-7018(2016)02-0078-02

趙涵(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為電力電子與電氣傳動。