基于雙處理器的開關(guān)磁阻電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

蒯松巖， 孫文兵， 馬金洋， 譚國(guó)俊，鄧先明

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

基于雙處理器的開關(guān)磁阻電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

蒯松巖， 孫文兵， 馬金洋， 譚國(guó)俊，鄧先明

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

將數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)技術(shù)引入到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提出了采用雙處理器的開關(guān)磁阻電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案。該方案采用雙口RAM實(shí)現(xiàn)DSP和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，目的在于充分發(fā)揮DSP和單片機(jī)系統(tǒng)各自優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合上位機(jī)完成開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈特性檢測(cè)及閉環(huán)運(yùn)行控制實(shí)驗(yàn)。上位機(jī)軟件通過圖形化界面完成電機(jī)起、停控制及轉(zhuǎn)速曲線顯示等功能，方便直觀，便于學(xué)生操作。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能更全面地掌握運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基本原理，加深對(duì)專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程的理解，提高了學(xué)生分析問題的能力和綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的實(shí)踐動(dòng)手能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué); 開關(guān)磁阻電機(jī); DSP; 單片機(jī)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的理論知識(shí)，必須通過一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，才能掌握運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的本質(zhì)[1]。因此，研制和開發(fā)相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著重要的意義，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一[2-3]。

開關(guān)磁阻電機(jī)是一種特殊型式的同步電機(jī)，其主要優(yōu)點(diǎn)有：電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)繞組、成本低；電機(jī)適合高速旋轉(zhuǎn)而不致變形；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于加、減速，在小容量交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途[4-11]。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速方法兼有直流雙閉環(huán)控制和自控同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的換相控制的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)掌握這一類型電機(jī)控制方法對(duì)學(xué)生理解運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)有很大幫助。然而目前國(guó)內(nèi)大部分高校運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)裝置主要以晶閘管交、直流模擬調(diào)速系統(tǒng)為主，目前正在逐步更新到DSP控制的交流電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。國(guó)內(nèi)教學(xué)儀器產(chǎn)品尚無(wú)成熟的開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。基于雙處理器的開關(guān)磁阻電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向工程實(shí)踐的發(fā)展方向，結(jié)合電機(jī)、電力電子和控制等多學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，銜接基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程與探究性實(shí)驗(yàn)課程，能加深學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程的理解，較好地培養(yǎng)他們分析問題的能力和綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的實(shí)踐動(dòng)手能力[12]。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理

一個(gè)完整的開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)控制系統(tǒng)主要由以下5部分構(gòu)成：SRM電機(jī)、控制器、功率變換器、電流檢測(cè)器和位置編碼器。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖見圖1，圖2為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置實(shí)物。

圖1 SRM調(diào)速系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖

圖2 開關(guān)磁阻電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置

SRM是開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)中的主要出力部件，機(jī)械能、磁場(chǎng)儲(chǔ)能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換也由它實(shí)現(xiàn)。控制器是SRM調(diào)速系統(tǒng)的控制中樞，它通過檢測(cè)系統(tǒng)的電流電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)等，有效判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提供相應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)人們的控制要求。功率變換器是SRM運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者，常用的功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為不對(duì)稱半橋結(jié)構(gòu)，相繞組串聯(lián)在上下主開關(guān)器件之間，有效避免了因誤導(dǎo)通引起的短路故障。

開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)與傳統(tǒng)的交直流電機(jī)有著本質(zhì)的區(qū)別，其電磁轉(zhuǎn)矩是通過“磁阻最小原理”獲得。當(dāng)一相定子繞組有電流通過時(shí)，其繞組產(chǎn)生的磁拉力將相近的轉(zhuǎn)子磁極拉近至其軸線附近，繼而導(dǎo)通下一相。以圖3為例，依次導(dǎo)通A—B—C—A，轉(zhuǎn)子會(huì)逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；依次導(dǎo)通A—C—B—A，轉(zhuǎn)子會(huì)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電流方向無(wú)關(guān)，僅取決于相繞組的導(dǎo)通順序。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 控制器結(jié)構(gòu)

控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖4。綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用TMS320LF2812 DSP芯片，主頻達(dá)到150 MHz，時(shí)鐘周期僅為6.67 ns，提高了運(yùn)算精度(32位)，并有2個(gè)事件管理器模塊，為實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的信號(hào)處理、控制優(yōu)化、故障處理及狀態(tài)顯示提供了良好的硬件支持。電壓、電流反饋信號(hào)通過LEM傳感器獲得。A/D采樣用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS7864，轉(zhuǎn)換速度達(dá)500 kHz。位置信號(hào)通過電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的光敏式位置傳感器讀取，并進(jìn)行譯碼，找出對(duì)應(yīng)的角度，以確定轉(zhuǎn)子位置，從而控制相應(yīng)相。

圖4 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

另外，采用ATMEIL89C52(圖5中簡(jiǎn)寫為AT89C52)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的外圍接口，包括接受鍵盤命令、實(shí)時(shí)顯示和上位機(jī)通信等慢速事件，2個(gè)處理器通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速交換。該方案既提高了系統(tǒng)的性能，又充分發(fā)揮了DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和高精度脈沖觸發(fā)，同時(shí)也保留了單片機(jī)接口電路方便的優(yōu)點(diǎn)。由于DSP為低功耗，其邏輯電平電壓等級(jí)為3.3 V，與cy7c131雙口RAM邏輯電平并不匹配，不能直接將它們的數(shù)據(jù)線和地址線相連。本文采用了如圖5所示方案，采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVT16245實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。Cy7c131為1K×8位雙口RAM，故DSP和單片機(jī)交換數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位。DSP對(duì)雙口RAM讀、寫時(shí)高8位數(shù)據(jù)線無(wú)效。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)DSP將采集和運(yùn)算得到的速度、電流、電壓通過雙口RAM傳給單片機(jī)。單片機(jī)也可以將采集到的鍵盤輸入和通信參數(shù)通過雙口RAM送給DSP處理。

圖5 雙口RAM實(shí)現(xiàn)雙處理器連接

1.3 系統(tǒng)主電路

控制系統(tǒng)的主電路(見圖6)由整流器和電機(jī)側(cè)的不對(duì)稱半橋電路級(jí)聯(lián)而成，直流母線串有一個(gè)用于防止上電電流沖擊的充電電阻Rc，當(dāng)母線電壓趨于穩(wěn)定后，接觸器閉合，將充電電阻旁路掉。直流母線并有2個(gè)串聯(lián)的大電容C1和C2，用于抑制直流母線電壓波動(dòng)，均勻電阻R1和R2確保電容電壓分壓均勻。

圖6 系統(tǒng)主電路

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中電網(wǎng)側(cè)的濾波電感為1.2 mH，電網(wǎng)側(cè)的等效電阻為0.1 Ω。充電電阻Rc為14 Ω/80 W，電容C1和C2均是4 700 μF/450 V，均壓電阻R1和R2均是47 kΩ。整流和電機(jī)側(cè)均采用英飛凌的FF200R17KE3G雙管IGBT，其額定電壓為1 700 V，額定電流200 A，完全能滿足控制18.5 kW開關(guān)磁阻電機(jī)的硬件要求。

1.4 軟件流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)需要考慮主、從處理器之間的同步問題。在實(shí)際使用中采用雙口RAM中的幾個(gè)地址完成同步。DSP在初始化過程中將00H地址設(shè)置為00H，單片機(jī)在復(fù)位完成后將00H改寫為FFH，DSP在檢查到00H地址內(nèi)容改變后雙方同步即可完成。圖7(a)為主控DSP的開關(guān)磁阻電機(jī)主程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，開關(guān)磁阻電機(jī)為雙閉環(huán)(電流環(huán)和速度環(huán))調(diào)速系統(tǒng)，軟件主程序主要完成對(duì)輸入指令、位置信號(hào)及當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，進(jìn)行判斷和計(jì)算，輸出相應(yīng)的換相信號(hào)與合適的電流控制信號(hào)。最后通過對(duì)PWM占空比的調(diào)整對(duì)SRM電機(jī)進(jìn)行控制。開關(guān)磁阻電機(jī)的相切換由DSP的事件管理器捕獲中斷完成[13]。

圖7(b)為單片機(jī)軟件流程：?jiǎn)纹瑱C(jī)負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，接受鍵盤命令、完成顯示和接受處理外部信號(hào)等慢速事件。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

1.5 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序采用Visual Basic軟件編程，可以通過上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行和電機(jī)的起、停控制，監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并配合下位機(jī)在線檢測(cè)磁鏈特性，處理采樣數(shù)據(jù)等。圖8為上位機(jī)運(yùn)行控制界面和磁鏈檢測(cè)界面。

圖8 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

(1) 在線檢測(cè)磁鏈實(shí)驗(yàn)：

① 給雙處理器控制板上電，運(yùn)行上位機(jī)軟件，打開上位機(jī)與DSP的通信端口，設(shè)定數(shù)據(jù)采樣次數(shù)；

② 在面板上設(shè)置好電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如電機(jī)斬波控制運(yùn)行的參考電流、電機(jī)采樣運(yùn)行參數(shù)、開始轉(zhuǎn)速和電機(jī)運(yùn)行方向等，并將設(shè)定參數(shù)下載到控制電路板中；

③ 然后點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，DSP控制板根據(jù)給定的電流控制電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行到給定的轉(zhuǎn)速，開始采樣，并保存到內(nèi)存中；

④ 采樣完成后，電機(jī)停車，根據(jù)不同指令(如相電流、磁鏈、A相角和母線電壓等)上傳相應(yīng)數(shù)據(jù)，由上位機(jī)軟件作相關(guān)處理；

⑤ 設(shè)置下一個(gè)參考電流值，重復(fù)步驟3—4，直到完成所有電流下的采樣；

⑥ 點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖形處理選單(菜單)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并生成開關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈特性曲線。

(2) 雙閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)：

① 測(cè)定閉環(huán)機(jī)械特性n=f(Te)：緩慢增加給定電壓Ug使電機(jī)起動(dòng)、升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min時(shí)，逐漸改變負(fù)載電機(jī)電流大小，(由小逐漸增大)，即可測(cè)出系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線n=f(Te)，Te為轉(zhuǎn)矩。

② 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的觀察：用上位機(jī)界面觀察動(dòng)態(tài)波形，突然加給定電壓Ug，觀察電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流Id波形和轉(zhuǎn)速n波形。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于雙CPU的開關(guān)磁阻電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能在線計(jì)算繞組磁鏈大小，實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的磁鏈特性在線檢測(cè)。同時(shí)將DSP控制技術(shù)融入到電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)中，擴(kuò)大了學(xué)生的視野，使學(xué)生對(duì)基于DSP的電機(jī)全數(shù)字控制系統(tǒng)有了全新的認(rèn)識(shí)。另一方面，DSP的高速運(yùn)算能力，為該平臺(tái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制等提高調(diào)速性能的實(shí)驗(yàn)控制算法提供了硬件基礎(chǔ)。基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有利于引導(dǎo)學(xué)生去研究基于DSP的新型電機(jī)控制系統(tǒng)，更有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能、提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，在我校電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了比較好的教學(xué)效果。

References)

[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 朱聘和，王慶九，汪久根，等.機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2010.

[3] 楊宏，李國(guó)輝.走自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備之路，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013,30(1):225-227.

[4] 王宏華.開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[5] 吳建華.開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[6] 吳紅星 開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[7] 博斯B K.電力電子學(xué)與變頻傳動(dòng)技術(shù)和應(yīng)用[M].姜建國(guó)，譯.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[8] Stephen J Fedigan, Charles P Cole. A Variable-Speed Sensorless Drive System for Switched Reluctance Motors[R].Texas Instruments Application Report,1999.

[9] 邱亦慧,詹瓊?cè)A,馬志源,等.基于簡(jiǎn)化磁鏈法的開關(guān)磁阻電機(jī)間接位置檢測(cè)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001(10):59-62.

[10] 金倫賢，金率，李甲在，等.開關(guān)磁阻電機(jī)一種新的轉(zhuǎn)矩估算方法[J].中小型電機(jī)，2001(5):5-10.

[11] 毛宇陽(yáng)，鄧智泉，蔡駿，等.基于電流斜率差值法的開關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011(9):87-93.

[12] 王慶九，朱新杰，顧大強(qiáng)，等.基于雙CPU的電子凸輪綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014,31(5):118-121.

[13] 蒯松巖,譚國(guó)俊.雙處理器實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)控制[J].低壓電器,2005(6):33-35.

Development of comprehensive experiment platform forswitched reluctance drive system based on dual CPU

Kuai Songyan, Sun Wenbing, Ma Jinyang, Tan Guojun, Deng Xianming

(School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116，China)

The digital signal processor (DSP) technology is introduced to experimental teaching of the motion control system,and the scheme of switched reluctance motor comprehensive experimental platform based on dual processor is put forward.The scheme uses a dual port RAM to realize the data exchange between DSP and MCU,the purpose lies in giving full play to the advantages of DSP and SCM system.Combined with PC the flux linkage characteristics of switched reluctance motor detection and closed-loop operation control experiments can be accomplished.Based on the PC software graphical interface, the motor start,stop and speed control and curve display functions are realized and the operation is convenient for students.Through study and practice, the students can better grasp the basic principle of the motion control system more comprehensively and their understanding of fundamental courses for professional technologies will be deepened.Moreover,their ability of analyzing and comprehensively applying professional knowledge will be enhanced and their potential on innovation will be stimulated.

experimental teaching; switch reluctance motor; DSP; MCU

2014- 09- 18

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目(2014YB15)

蒯松巖(1978—)，男，江蘇濱海，博士，副教授，研究方向?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)及其控制、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等.

E-mail：kuaisongyan@163.com

TM352；G484

A

1002-4956(2015)5- 0094- 04