DSP在無極繩絞車開關磁阻電機電流控制中的應用實例

文魁

（山西安煤礦業設計工程有限公司，太原 030006）

DSP在無極繩絞車開關磁阻電機電流控制中的應用實例

文魁

（山西安煤礦業設計工程有限公司，太原 030006）

針對開關磁阻電機（SRM）現有電流控制欠佳，提供了數字信號處理（DSP）的開關磁阻電機電流控制方案，并采用TMS320F240芯片為CPU核心設計實現對開關磁阻電動機進行電流控制，提高了電機的運行性能，降低了電機噪聲和轉矩脈沖，滿足了絞車的控制要求。

開關磁阻電機；無極繩絞車；數字信號處理器（DSP）；TMS320F240芯片

目前，無極繩絞車在煤礦井下大力推廣應用，但其開關磁阻電機調速系統（SRD）電流控制常用的是模擬滯環控制和電壓PWM（脈沖寬度控制）調速控制，且是電流開環控制。由于系統模型不確定，攏動及噪聲等影響，電流開環控制難以實現對電流大小和波形的精確控制，影響到系統的運行性能。顯然，模擬式電機控制器和一般的CPU難以完成控制功能。

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

1 無極繩絞車的系統組成及工作原理

1）無極繩絞車的系統組成：絞車采用拋物線單滾筒驅動方式，并用開關磁阻電機調速，主要由開關磁阻電機、底座、減速器、滾筒部件、聯軸器、電液制動閘、手動制動閘等組成（見圖1）。開關磁阻電機及SEW減速機，實現無級調速、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：開關磁阻電機調速系統（SRD）由開關磁阻電機（SRM）和控制器組成，見圖2。

本文利用TMS320F240芯片作為CPU實現開關磁阻電機的電流控制，參數如下：相數4；定子磁極數8；轉子磁極數6；額定電壓660 V；額定功率110 kW；轉速范圍100～2 000 r/min。

3）驅動電路和控制電路的設計，見圖3。

圖2 調速系統框圖

圖3 SRM控制系統框圖

此處重點介紹位置、速度檢測、換相控制：為使電機持續運行并獲得恒定的最大轉矩，必須不斷地對開關磁阻電機換相。掌握好恰當的換相時刻，以減小轉矩的波動，使電機平穩運行。因此位置檢測很重要。為了保證正確獲得換相信號，必須使用位置傳感器檢測轉子的位置。本例電動機自帶兩個固定在轉子上、夾角為75°的光電脈沖發生器S及P上，還有一個固定在轉子上、齒槽數與凹槽數都為6、且均勻分布的轉盤，組成電動機的位置傳感器，以輸出兩路相位差為15°的方波信號。根據所用四相8/6結構的開關磁阻電機采用雙相通電工作時，步距角為360°/6/4=15°，每隔15°機械角必須換相一次。轉子每轉過15°機械角換相一次。電機轉動一周需換相24次。只要測得兩次換相的時間間隔Δt，就可根據ψ=15°/Δt，計算兩次換相的平均速度。本例通過定時器TMR1獲得時間間隔。轉子轉速越低，所用時間Δt越長，定時器值就越大。設置定時器TMR1連續增計數方式，對系統時鐘8分頻。當計數時鐘周期為135 ns時，一個換相間隔所用最長時間為135ns×8×655 35=0.070 777 8 s。每轉所用時間為24×0.070 777 8 s=1.698 667 2 s。最低平均轉速為60°/1.698 667 2 s=35.32 r/min。這樣就可得到個比例關系，當TMR1=X時，所對應轉速為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節計算。

4）控制方法：為了簡明，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

當速度環反饋的速度與速度給定值產生偏差，通過比例調節控制產生PWM的占空比來控制轉速。位置信號還對開關磁阻電機進行換相控制。

5）程序設計：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：主要包括對變量和系統設置進行初始化、轉子位置起始檢測、IPM自舉電容充電和電動機啟動程序。電平變化中斷子程序：首先讀取相控制字CATP，然后讀取定時器TMR1的計數值，進行速度計算和調節，根據換相控制字和調節值調換相子程序，進行相應的換相操作，并設計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PWM周期PTEN為由硬件清0，必須有軟件置1，這樣PWM才能繼續正常輸出，所以PWM中斷子程序中應把PTEN位重新置1。故障中斷子程序：當系統發生欠壓過流和短路時，IPM便會發出低電平信號，該信號送至DSP的故障引腳FLTA，引發故障中斷，立刻關閉PWM輸出，并發出報警。四相8/6結構開關磁阻電機調速控制程序主要包括啟動子程序、測速子程序、相通斷角初始化程序、電流斬波限幅子程序、中斷服務子程序、捕獲中斷子程序、通用定時器1的周期中斷子程序。

2 結束語

根據開關磁阻電機自身的特點，采用了TMS320F240數字信號處理器為核心的SRM控制系統的硬件結構及電流控制的具體方法，實現了提高無極繩絞車開關磁阻電機調速系統（SRD）的運行，降低了電機噪聲和轉矩脈沖，并使起動時更加平穩。根據實驗表明，無極繩絞車開關磁阻電機采用DSP電流控制方案后，系統更加平穩可靠，具有良好應用前景。

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，大學專科，助理工程師，從事煤炭提升、通風、排水、壓風設計工作。