基于DSP的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞:SRM;DSP56F805;起動;積分分離PI;增量式PID
0.引言
開關(guān)磁阻電機(jī)SRM(Switched Reluctance Motor)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行可靠,效率高及成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。 本文選用Motorola公司開發(fā)的專門用于電機(jī)控制的16 位定點(diǎn)DSP芯片DSP56F805設(shè)計(jì)了三相(6/4)SRM雙閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)。該芯片指令執(zhí)行速度快,資源豐富,為高性能的開關(guān)磁阻電機(jī)的控制提供了可靠的信息處理與控制。
1.SRM驅(qū)動系統(tǒng)的描述
SRM驅(qū)動系統(tǒng)主要由SRM、控制器、功率變換器、位置檢測裝置和電流檢測裝置等組成。本文設(shè)計(jì)的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用速度電流雙閉環(huán)的控制方式,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
位置檢測裝置對SRM的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測,為任意時(shí)刻轉(zhuǎn)子的速度計(jì)算和換相邏輯控制提供依據(jù)。電流檢測裝置用于檢測電機(jī)的相電流,以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)相電流的控制??刂破饕獙?shí)現(xiàn)的功能有:根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信息完成轉(zhuǎn)子速度計(jì)算及確定導(dǎo)通相;根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差,利用速度調(diào)節(jié)器完成速度環(huán)的控制;根據(jù)速度調(diào)節(jié)器輸出的參考電流數(shù)值與反饋相電流數(shù)值的偏差,通過電流調(diào)節(jié)器完成電流環(huán)的控制;根據(jù)速度調(diào)節(jié)器輸出的參考電流數(shù)值及實(shí)際轉(zhuǎn)速情況,通過角度控制確定相應(yīng)的開通角和關(guān)斷角;根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息完成換向邏輯控制;通過PWM發(fā)生器向功率變換器輸出邏輯電平型的脈寬調(diào)制信號PWM。通過功率變換器驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動。
圖1 SRM調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
2.控制電路硬件部分設(shè)計(jì)
控制電路根據(jù)外部輸入,綜合處理電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、電流、電壓和溫度等反饋信號,通過分析計(jì)算,按一定的控制策略向功率變換器發(fā)出PWM控制信號,以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí),該電路還具有過壓和超溫等保護(hù)功能。以DSP56F805為核心的控制電路硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 控制電路硬件結(jié)構(gòu)框圖
鍵盤信號從DSP56F805的GPIO口引入,通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、溫度和電壓等設(shè)定。數(shù)碼顯示通過SPI口來驅(qū)動,用于顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息。相電流、電壓和溫度信號輸入到ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,以滿足控制的需要。正交解碼器的PHASEA0、PHASEA1和PHASEB0分別捕獲三路霍爾位置傳感器的跳變沿信號,用以計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速以及獲取轉(zhuǎn)子位置信息。同時(shí),這些傳感器信號也被引入到3個(gè)GPIO口,控制芯片也可通過查詢這3個(gè)口的電平獲取轉(zhuǎn)子位置信息。DSP56F805芯片的脈寬調(diào)制模塊PWMA產(chǎn)生六路PWM方波信號。其中,PWMA0~PWMA2控制功率變換器高端3個(gè)IGBT,其輸出的PWM波形受電流調(diào)節(jié)器輸出信號的控制,通過改變PWM波形的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié);PWMA3~PWMA5控制功率變換器低端的3個(gè)IGBT,其輸出PWM波形受開通關(guān)斷角及轉(zhuǎn)子位置信息控制,以實(shí)現(xiàn)邏輯換向控制。通過SCI口實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊。
3.控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
3.1位置檢測與速度估算
系統(tǒng)采用3個(gè)霍爾傳感器進(jìn)行位置檢測。這3個(gè)傳感器間隔120。,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到相電感最大處時(shí),相應(yīng)霍爾傳感器就產(chǎn)生上跳沿,表明轉(zhuǎn)子和定子到達(dá)對齊位置。這樣,從3個(gè)霍爾傳感器輸出的3路方波信號周期為90。,且相位差為15。(如圖3所示)。DSP56F805通過正交解碼器的PHASEA0、PHASEB0和PHASEA1捕獲這三路傳感器信號的跳變沿;同時(shí),也可通過查詢相應(yīng)的三個(gè)GPIO口電平,獲取轉(zhuǎn)子位置信息。
圖3 三路霍爾傳感器輸出信號
在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中,將DSP56F805的捕獲模塊設(shè)置為下跳沿觸發(fā),當(dāng)霍爾傳感器輸出信號的下跳沿到來時(shí),DSP56805就產(chǎn)生一次捕獲中斷,通過讀取相鄰2次中斷的時(shí)間間隔,就可計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。如果相鄰2次中斷的時(shí)間間隔為 ,那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速 為:
= (r/min)
3.2起動和換相
電機(jī)起動時(shí),如果初始導(dǎo)通相判斷有誤,會使得電機(jī)出現(xiàn)反轉(zhuǎn),造成電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的紊亂。因此,初始位置時(shí),電機(jī)導(dǎo)通相的正確判斷是本論文首先需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。
電機(jī)處于靜止時(shí),控制器通過讀取三路霍爾傳感器的狀態(tài)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息。從圖3中可以看出,當(dāng)從三路霍爾傳感器獲取的位置信息分別為“110”、“101”和“011”時(shí),在15。的機(jī)械角范圍內(nèi),對應(yīng)的C、B和A相電感分別處于上升階段。在這種情況下,只需給相應(yīng)的C、B或A相通電就能產(chǎn)生要求的起動轉(zhuǎn)矩,起動效果較好。
當(dāng)從傳感器獲取的位置信息為“100”、“010”和“001”時(shí),在15。的機(jī)械角內(nèi)對應(yīng)相電感并不是持續(xù)上升。當(dāng)位置信息為“100”時(shí),A相電感因處于下降階段產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩,B相電感在此機(jī)械角區(qū)間的開始段因電感不變存在零轉(zhuǎn)矩的情況, C相的電感在此機(jī)械角區(qū)間的結(jié)束階段因電感不變也存在零轉(zhuǎn)矩的情況。如果僅給B相或C相通電起動效果不好。因此,需給B和C兩相同時(shí)通電。同理,當(dāng)位置信息為“010”需給A和C兩相同時(shí)通電;當(dāng)位置信息為“001”需給A和B兩相同時(shí)通電。
如果電機(jī)是單相通電起動,設(shè)置DSP56F805的捕獲功能模塊為下跳沿觸發(fā)后,電機(jī)由起動狀態(tài)直接進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),開始正常換相。如果電機(jī)是兩相同時(shí)通電起動,首先將捕獲功能模塊設(shè)置為上跳沿觸發(fā)。在電機(jī)起動過程中,如果A相傳感器輸出信號產(chǎn)生上跳沿,關(guān)閉A相,B相保持通電;如果B相傳感器輸出信號產(chǎn)生上跳沿,關(guān)閉B相,A相保持通電;如果C相傳感器輸出信號產(chǎn)生上跳沿,關(guān)閉C相,B相保持通電。當(dāng)從兩相導(dǎo)通起動轉(zhuǎn)入一相導(dǎo)通后,將捕獲功能模塊設(shè)置為下跳沿觸發(fā),電機(jī)由起動狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),開始正常換相。
在電機(jī)正常換相過程中,如果傳感器輸出信號產(chǎn)生下跳沿,DSP56F805的捕獲模塊將會產(chǎn)生捕獲中斷,在捕獲中斷中確定導(dǎo)通相,完成換向邏輯的控制。
3.3相電流檢測
通過在相電流電路中串入一個(gè)分流電阻,測得其上的電壓降以實(shí)現(xiàn)相電流檢測。采樣電阻上的電壓降經(jīng)濾波放大后輸入到DSP56F805的ADC模塊。由于系統(tǒng)中對功率開關(guān)的控制采用的是斬單管的方式,相電流并不是一直能從采樣電阻上測到,只有在上下兩個(gè)功率開關(guān)都開或都關(guān)的時(shí)候才可在采樣電阻上測得。因此,電流采樣需與PWM頻率同步。同時(shí),將電流的零點(diǎn)設(shè)置在ADC轉(zhuǎn)換范圍的一半處,使得采樣電阻上的正負(fù)電壓降都能被檢測到。
3.4.控制策略與控制算法的實(shí)現(xiàn)
SRM的速度控制是通過速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)的??紤]到積分環(huán)對大超調(diào)量的延遲性,為使系統(tǒng)有較快的響應(yīng),在速度環(huán)回路中串接一個(gè)積分分離開關(guān) ,對速度環(huán)采用積分分離的PI控制算法。對電流環(huán)采用增量式PID控制算法。
依據(jù)電流環(huán)的輸出值CMP,對DSP56F805的PWM模塊的相應(yīng)寄存器進(jìn)行設(shè)置,則可從PWM模塊輸出占空比可變的PWM波形,從而實(shí)現(xiàn)對功率變換器高端的3個(gè)IGBT進(jìn)行控制。
4.結(jié)論
本文以電機(jī)專用芯片DSP56F805為核心,成功實(shí)現(xiàn)了SRM速度電流雙閉環(huán)控制。文中作者的創(chuàng)新點(diǎn)是在提出了一種簡單適用的三相SRM的起動方法的同時(shí),對速度環(huán)和電流環(huán)分別采用了積分分離PI控制算法和增量式PID控制算法,電機(jī)起動性能較好,相電流波形得到較好的改善。圖4給出了電機(jī)起動時(shí)速度波形。其中,圖a為速度和電流環(huán)均采用PID控制時(shí)的速度波形,圖b為采用本文算法時(shí)的速度波形。從圖中可以看出,當(dāng)速度和電流環(huán)均采用PID方式時(shí)超調(diào)量大,響應(yīng)速度慢,系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間長,而采用本文提出的控制方式時(shí)超調(diào)量明顯減少,速度響應(yīng)快。
a) 速度和電流環(huán)均采用PID時(shí)速度波形
b)采用本文算法時(shí)的速度波形
圖4啟動速度波形
參考文獻(xiàn)
[1] 王宏華.開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.
[2] 邊春元等.一種開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,(22):635-638
[3] 李彩紅等. 基于TMS320LF2407A開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電氣傳動,2006,(11):3-6
[4] 褚軍艦等. 開關(guān)磁阻電機(jī)并網(wǎng)逆變模塊設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2005,(22):
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