DSP在無極繩絞車開關(guān)磁阻電機(jī)電流控制中的應(yīng)用實(shí)例

文魁

（山西安煤礦業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司，太原 030006）

DSP在無極繩絞車開關(guān)磁阻電機(jī)電流控制中的應(yīng)用實(shí)例

文魁

（山西安煤礦業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司，太原 030006）

針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）現(xiàn)有電流控制欠佳，提供了數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的開關(guān)磁阻電機(jī)電流控制方案，并采用TMS320F240芯片為CPU核心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電流控制，提高了電機(jī)的運(yùn)行性能，降低了電機(jī)噪聲和轉(zhuǎn)矩脈沖，滿足了絞車的控制要求。

開關(guān)磁阻電機(jī)；無極繩絞車；數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）；TMS320F240芯片

目前，無極繩絞車在煤礦井下大力推廣應(yīng)用，但其開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）電流控制常用的是模擬滯環(huán)控制和電壓PWM（脈沖寬度控制）調(diào)速控制，且是電流開環(huán)控制。由于系統(tǒng)模型不確定，攏動(dòng)及噪聲等影響，電流開環(huán)控制難以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流大小和波形的精確控制，影響到系統(tǒng)的運(yùn)行性能。顯然，模擬式電機(jī)控制器和一般的CPU難以完成控制功能。

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），特別是電機(jī)專用的DSP能為解決上述問題提供方便。DSP控制器是將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)后，進(jìn)行高速處理的專用器件。電機(jī)專用DSP芯片具有通用數(shù)字信號(hào)處理器的各種功能，有集成電機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出、A/ D變換、事件捕捉等外圍設(shè)備的能力。利用DSP技術(shù)可在電壓PWM控制的基礎(chǔ)上引入電流閉環(huán)，進(jìn)而提高開關(guān)磁阻電機(jī)的出力和效率，降低電機(jī)噪聲和轉(zhuǎn)矩脈沖，使其更好用于無極繩絞車。

1 無極繩絞車的系統(tǒng)組成及工作原理

1）無極繩絞車的系統(tǒng)組成：絞車采用拋物線單滾筒驅(qū)動(dòng)方式，并用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速，主要由開關(guān)磁阻電機(jī)、底座、減速器、滾筒部件、聯(lián)軸器、電液制動(dòng)閘、手動(dòng)制動(dòng)閘等組成（見圖1）。開關(guān)磁阻電機(jī)及SEW減速機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速、集成化控制，具有能量回饋功能，滿足重載下坡工況。

圖1 牽引絞車及原理圖

2）SRD牽引部工作原理：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）由開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）和控制器組成，見圖2。

本文利用TMS320F240芯片作為CPU實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的電流控制，參數(shù)如下：相數(shù)4；定子磁極數(shù)8；轉(zhuǎn)子磁極數(shù)6；額定電壓660 V；額定功率110 kW；轉(zhuǎn)速范圍100～2 000 r/min。

3）驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的設(shè)計(jì)，見圖3。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)框圖

圖3 SRM控制系統(tǒng)框圖

此處重點(diǎn)介紹位置、速度檢測(cè)、換相控制：為使電機(jī)持續(xù)運(yùn)行并獲得恒定的最大轉(zhuǎn)矩，必須不斷地對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)換相。掌握好恰當(dāng)?shù)膿Q相時(shí)刻，以減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。因此位置檢測(cè)很重要。為了保證正確獲得換相信號(hào)，必須使用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。本例電動(dòng)機(jī)自帶兩個(gè)固定在轉(zhuǎn)子上、夾角為75°的光電脈沖發(fā)生器S及P上，還有一個(gè)固定在轉(zhuǎn)子上、齒槽數(shù)與凹槽數(shù)都為6、且均勻分布的轉(zhuǎn)盤，組成電動(dòng)機(jī)的位置傳感器，以輸出兩路相位差為15°的方波信號(hào)。根據(jù)所用四相8/6結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)采用雙相通電工作時(shí)，步距角為360°/6/4=15°，每隔15°機(jī)械角必須換相一次。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過15°機(jī)械角換相一次。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周需換相24次。只要測(cè)得兩次換相的時(shí)間間隔Δt，就可根據(jù)ψ=15°/Δt，計(jì)算兩次換相的平均速度。本例通過定時(shí)器TMR1獲得時(shí)間間隔。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低，所用時(shí)間Δt越長(zhǎng)，定時(shí)器值就越大。設(shè)置定時(shí)器TMR1連續(xù)增計(jì)數(shù)方式，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘8分頻。當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期為135 ns時(shí)，一個(gè)換相間隔所用最長(zhǎng)時(shí)間為135ns×8×655 35=0.070 777 8 s。每轉(zhuǎn)所用時(shí)間為24×0.070 777 8 s=1.698 667 2 s。最低平均轉(zhuǎn)速為60°/1.698 667 2 s=35.32 r/min。這樣就可得到個(gè)比例關(guān)系，當(dāng)TMR1=X時(shí)，所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為35.32 r/min的FFFFH/X倍。這樣所得的速度值作為速度反饋量參與速度調(diào)節(jié)計(jì)算。

4）控制方法：為了簡(jiǎn)明，使用固定角度（15°）通斷角的電壓PWM組合控制，控制框圖，見圖4。

圖4 控制框圖

當(dāng)速度環(huán)反饋的速度與速度給定值產(chǎn)生偏差，通過比例調(diào)節(jié)控制產(chǎn)生PWM的占空比來控制轉(zhuǎn)速。位置信號(hào)還對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行換相控制。

5）程序設(shè)計(jì)：程序分為主程序、電平變化中斷子程序、PWM中斷子程序和故障中斷子程序，其程序框圖，見圖5。

圖5 程序框圖

主程序：主要包括對(duì)變量和系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行初始化、轉(zhuǎn)子位置起始檢測(cè)、IPM自舉電容充電和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)程序。電平變化中斷子程序：首先讀取相控制字CATP，然后讀取定時(shí)器TMR1的計(jì)數(shù)值，進(jìn)行速度計(jì)算和調(diào)節(jié)，根據(jù)換相控制字和調(diào)節(jié)值調(diào)換相子程序，進(jìn)行相應(yīng)的換相操作，并設(shè)計(jì)上下線防止速度超限。PWM中斷子程序：由于PWM采用單事件工作模式，每個(gè)PWM周期PTEN為由硬件清0，必須有軟件置1，這樣PWM才能繼續(xù)正常輸出，所以PWM中斷子程序中應(yīng)把PTEN位重新置1。故障中斷子程序：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生欠壓過流和短路時(shí)，IPM便會(huì)發(fā)出低電平信號(hào)，該信號(hào)送至DSP的故障引腳FLTA，引發(fā)故障中斷，立刻關(guān)閉PWM輸出，并發(fā)出報(bào)警。四相8/6結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制程序主要包括啟動(dòng)子程序、測(cè)速子程序、相通斷角初始化程序、電流斬波限幅子程序、中斷服務(wù)子程序、捕獲中斷子程序、通用定時(shí)器1的周期中斷子程序。

2 結(jié)束語

根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)自身的特點(diǎn)，采用了TMS320F240數(shù)字信號(hào)處理器為核心的SRM控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及電流控制的具體方法，實(shí)現(xiàn)了提高無極繩絞車開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）的運(yùn)行，降低了電機(jī)噪聲和轉(zhuǎn)矩脈沖，并使起動(dòng)時(shí)更加平穩(wěn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，無極繩絞車開關(guān)磁阻電機(jī)采用DSP電流控制方案后，系統(tǒng)更加平穩(wěn)可靠，具有良好應(yīng)用前景。

Application on DSP in Current Control for Switched Reluctance Motor in Endless Rope Winch

WEN Kui
(Anmei Mining Engineering Design Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,China)

To solve poor current control in switched reluctance motor(SRM),a current control program for SRM with digital signal processing(DSP)was proposed.TMS320F240 was used as the core of CPU to realize the current control for SRM to improve the motor performance and reduce the motor noise and torque impulse,which satisfied the control requirement of endless rope winch.

switched reluctance motor;endless rope winch;digital signal processor(DSP); TMS320F240

TM352

A

1672-5050（2015）03-0073-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.026

（編輯：武曉平）

2015-01-13

文魁（1986-），男，山西曲沃人，大學(xué)專科，助理工程師，從事煤炭提升、通風(fēng)、排水、壓風(fēng)設(shè)計(jì)工作。