開關磁阻電動機間接位置檢測控制系統設計

張青春

(淮陰工學院，江蘇淮安223003)

0引 言

隨著現代電力電子技術和數字控制技術的迅速發展，開關磁阻電動機(以下簡稱SRM)以其調速性能好、結構簡單、效率高、成本低等特點，已在迅猛發展的調速電動機領域內爭得一席之地，目前廣泛應用于牽引運輸、通用工業、航空工業、家用電器等領域。位置檢測系統是實現開關磁阻電動機調速驅動系統(以下簡稱SRD)穩定控制的重要部分，檢測到的位置信號決定繞組開通與關斷，為系統閉環控制提供了控制信號［1-2］。SRD系統大多采用光敏式、磁敏式位置傳感器及接近開關來檢測轉子的位置，位置傳感器的存在使得電機結構更復雜、穩定性和可靠性降低，并導致了SRM高速性能的下降，限制了SRD系統在許多工程領域的應用和發展。因此對SRM的無位置傳感檢測成為當前的一個研究熱點。文獻［3］和文獻［4］提出一種通過相磁通、電流和電感來推斷轉子位置的方法，該方法需要對磁鏈進行積分運算，使得計算量很大;文獻［5］研究了一種狀態觀測器估算法，運算量也很大，且誤差偏大;另外一些文獻還提出了通過檢測非激勵相的瞬態電感來判斷轉子位置的方法，但在高速運行狀況下不適用。因此本文設計了一種基于能量優化簡化磁鏈法的SRM間接位置檢測控制系統，采用此方法間接檢測轉子最優開關角的位置。

1能量優化簡化磁鏈法原理

簡化磁鏈法的基本思想是將轉子位置檢測就簡化為換相位置檢測，當電機單相輪流導通時，首先判斷是否已達到換相位置，再將當前換相位置磁鏈作為參考磁鏈與積分計算得到的估算磁鏈進行比較，如果參考磁鏈大于估算磁鏈，則還未達到換相位置，此時繼續導通當前相;如果參考磁鏈小于估算磁鏈，則已達到換相位置，關斷當前相，導通下一相［6-7］。為了使SRM有最大輸出轉矩，一定存在一個最優開關角，本系統預先將不同轉速下的最優開關角制成表以備查詢，采用簡化磁鏈方法判斷是否已達換相位置，進而得到最優開關角的具體位置。

1．1輸出功率最大能量優化

設αon(i)和αoff(i)分別是最優開通角和關斷角下頻率f(i)和磁鏈ψ(θ，i)的比例系數，αon(i)和αoff(i)是電機轉速和相電流的函數，對SRD系統的平均轉矩輸出和電機運行效率有很大影響。根據開關角最優控制規律，固定SRM的關斷角αoff(i)，SRM導通角系數由SRD驅動的能量消耗最小的性能優化指標來調節，調節過程如下:

(1)固定關斷角αoff(i)，設初始導通角為αon(i)，由速度控制器輸出適合的PWM占空比D，使SRM穩定運行在給定速度。

(2)在SRM穩態運行時，負載轉矩不變，驅動系統能量功率消耗:

(3)導通角系數αon(i)增加Δα，即:

(5)測量計算電機功率消耗P，如果ΔP＞0，則重復步驟(3)，否則Δα＜0。

(6)重復上述過程，直到ΔP＜0時獲得最優導通角。

1．2輸出轉矩最大能量優化

SRD系統的控制參數主要有開通角θon、關斷角θoff、繞組電流i、繞組電壓u和角速度ω等。繞組電流i的大小由θon和θoff調節得到，其范圍為0＜i＜Imax(Iref)，繞組電壓主要取決于母線電壓，一般是恒定的，角速度ω為設定值，因此，SRD系統的主要控制變量是θon和θoff。對于轉速和轉矩一定條件下，θon和θoff有很多種不同的組合，這就存在如何選擇最優開通角θon和最優關斷角θoff的問題。所以在一定轉速時，合理調節θon和θoff能夠使SRM輸出功率最大，則SRD系統獲得角度最佳控制。

2 SRM間接位置檢測控制系統

實時而準確地檢測SRM轉子位置信息是SRD系統可靠運行的前提，傳統的SRD控制系統中一般都采用位置檢測器或者位置傳感器來得到SRM轉子位置信號，使得系統成本和復雜程度都增加了，大大影響SRD系統的可靠性［8-9］。因此本系統無需位置傳感器，采用能量優化簡化磁鏈法構建了SRM間接位置檢測控制系統，如圖1所示。

利用磁鏈間接檢測位置信號的電流、轉速雙閉環控制的原理是:給定速度信號ωref與實時估計出來的反饋轉速進行比較，然后通過PI計算得出電流環的給定電流值icmd;給定電流值icmd和實時采樣的電流反饋值經過PI調節和PWM控制策略以改變電機繞組的端電壓u來控制轉速;另一方面，給定電流值icmd和實時估計的反饋轉速通過查表得出此轉速下的最優開通角αon(i)和最優關斷角αoff(i)，然后通過能量優化間接磁鏈位置控制方法來控制導通和關斷信號。

圖1 SRM間接位置檢測控制系統框圖

2．1能量優化磁鏈間接位置檢測

圖1中的能量優化磁鏈間接位置檢測模塊結構框圖如圖 2 所示［7，9］。

圖2 能量優化磁鏈位置檢測模塊

2．2電流環控制

電流環的主要作用是用于產生頻率固定的PWM控制信號。系統采用TMS320F2407的通用定時器T1來產生所需要的PWM控制信號，采用周期寄存器T1PRE來確定PWM控制信號的頻率，采用比較寄存器T1CMPR來確定PWM控制信號的占空比，周期寄存器T1PRE的值P計算如下:

式中:fcpuclk的值為20 MHz，T1CMPR的值范圍為0～P，與之對應的占空比D的范圍為0～1。

采用近似的線性分析方法構建了PI電流閉環控制模塊，通過電流環反饋來確定占空比D，因此開環增益kv和反饋增益kfb設置適當就能獲得預期的調節效果，SRM間接位置檢測控制系統電流環的控制原理如圖3所示。

2．3轉速環控制

轉速閉環控制是期望值與速度的估計值比較，然后通過PI控制算法補償兩者的差，其中PI控制算法與電流環的PI控制算法一樣，都是采用線性分析方法，只是電流環控制采用恒頻率的PWM電壓控制方式，而轉速環采用的是由不同轉速而調節開關角的控制方法，控制圖如圖4所示。控制過程中轉速的變化量通過PI環節后得到轉矩的給定值，再根據轉矩與電流之間的函數關系進一步得到電流的給定值，再調節SRD的開關角，從而使得電流的輸出值達到給定值。

圖3 電流環原理圖

圖4 轉速環原理圖

轉速控制環的中斷時間間隔不能太長，如果太長，必然會使系統動態響應變慢，對于六相12極定子、10極轉子結構電機，定子繞組電感變化一個周期時間:

式中:n為電機轉速;T為相電感周期。

相電感周期與轉速成反比，由于SRM根據轉子位置同步控制，因此一個周期只需要對電機的控制量進行一次有效調整，在轉子速度不是很高時，沒有必要把調節時間設置很短，本文的電機額定轉速是1 000 r/min，根據式(4)計算可知T=2．4 ms時對應的轉速為2 500 r/min，本系統所采用的SRM轉子的最大轉速為2 000 r/min，因此2．4 ms中斷間隔時間完全能夠滿足控制要求。

2．4 軟件設計

根據SRM間接位置檢測控制系統的原理，系統控制軟件設計主要完成以下功能:系統初始化設置，生成ψ-I曲線，以電流分段查找，SRD初始位置的整定，計算實時的ψ并查表比較，給出換相控制信號和PWM信號，以及轉速計算等。本系統的軟件在TMS320F2407DSP軟件開發環境 CCS3．1中編寫，采用模塊化編程［10］。主程序進行系統初始化設置、給定參考速度和電流值和調用子程序等。主程序流程圖如圖5所示。

服務子程序包括電流斬波子程序、PI調節子程序、初始位置整定子程序和故障處理子程序等，中斷處理程序包括脈沖PWM中斷處理程序、換相中斷處理程序、A/D轉換中斷處理程序以及速度中斷處理程序等。

圖5 主程序流程圖

3實驗結果

本文以TMS320LF2407為控制核心，構建了基于能量優化簡化磁鏈法的SRM間接位置檢測控制系統，并在起動轉速范圍0～2 000 r/min、起動過程時間小于2 s、斬波電流40 A的條件下進行了實驗研究。圖6為基于能量優化簡化磁鏈法的SRM間接位置檢測控制系統運行在不同轉速下斬波次數和相電流的波形。從圖中可看出，轉速越提高，相電流斬波次數越少，相電流也相應減小。實驗結果表明:隨著電機轉速的增加，電機的運動電勢作用越來越明顯，有效地抑制了相電流的上升速率;所設計的基于能量優化簡化磁鏈法的SRM間接位置檢測系統能夠準確檢測控制系統所需控制信號，并通過控制系統獲得了期望的相電流波形。

圖6 不同轉速下的斬波起動相電流波形

4結 語

本文闡述了能量優化簡化磁鏈法的原理，分析了輸出功率最大和輸出轉矩最大兩個方面的能量優化實現方法。對能量優化磁鏈間接位置控制以及系統電流轉速雙閉環控制進行了設計，構建了基于能量優化簡化磁鏈法的的 SRM間接位置檢測控制系統。對系統進行了實驗分析，測試了在斬波電流40 A情況下不同轉速下的斬波起動想電流波形，結果表明所設計的基于能量優化簡化磁鏈法的SRM間接位置檢測方法切實可行，為進一步設計出性能優良的SRD控制系統提供了參考。

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