12／8極開關(guān)磁阻電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

梁濤年，李 勇，杜吉林，鄭小東

（1.浙江三星機電股份有限公司，浙江 溫州325401；2.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程系，黑龍江 哈爾濱150001）

1 引言

開關(guān)磁阻電機SRM（Switched Reluctance Motor）是遵循“磁阻最小原理”設(shè)計的雙凸極非線性可變磁阻電動機。由于SRM 結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍廣、效率高、損耗小、控制靈活、可靠性高等特點，已經(jīng)成為目前研究的熱點［1］。開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)要求實時性高，它需要實時地判斷轉(zhuǎn)子位置、相電流等信息，進而控制SRM 的換相，實現(xiàn)電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。要達到開關(guān)磁阻電機性能最優(yōu)，不僅要設(shè)計合理可靠的硬件電路，而且要設(shè)計合適的控制策略和控制算法［2］。

文獻［3］采用雙極性勵磁策略，通過以DSP 搭建控制器電路，對8／6 極開關(guān)磁阻電機進行了實驗，驗證了控制策略的可行性。文獻［4］針對傳統(tǒng)光電傳感器所存在的問題，提出了一種應用于直線開關(guān)磁阻電機發(fā)電控制系統(tǒng)的直接位置檢測傳感器技術(shù)，設(shè)計了功率變換器主電路和基于單片機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電機的發(fā)電運行控制。文獻［5］針對4kW、四相8／6 極開關(guān)磁阻電機，采用V850 單片機為控制核心設(shè)計了控制硬件系統(tǒng)，采用電流環(huán)閉環(huán)控制策略設(shè)計了軟件系統(tǒng)。文獻［6］采用無位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，設(shè)計了7.5kW4 相（8／6 極）開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)。文獻［7］利用MCF5213 芯片設(shè)計控制系統(tǒng)，并采用角度控制與電壓斬波相結(jié)合的控制策略，實驗表明該系統(tǒng)具有良好的運行特性。

本文以三相12／8 極36kW 開關(guān)磁阻電機為控制對象，以美國產(chǎn)16 位DSP TMS320LF2407A 為主控制芯片設(shè)計了硬件電路，采用雙閉環(huán)速度控制策略設(shè)計了控制系統(tǒng)軟件。同時對功率驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)子位置信號檢測與整形濾波電路及電流檢測電路的設(shè)計進行了詳細的介紹，并通過軟件流程圖的方式闡明了控制系統(tǒng)軟件流程與工作過程。最后通過實驗表明該控制策略的合理有效性。

2 控制系統(tǒng)組成

開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)是一種新型機電一體化交流調(diào)速系統(tǒng)，主要由開關(guān)磁阻電機、功率變換器、控制器、位置檢測器和電流檢測器5 個部分組成如圖1所示。

習慣上把電源、功率變換器、檢測器和處理器合稱為控制器。功率變換電路是控制電路與開關(guān)磁阻電機之間的橋梁，而在控制器和功率變換電路還需要一個重要的銜接單元，即驅(qū)動電路。

圖1 開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 開關(guān)磁阻電機

開關(guān)磁阻電機是整個系統(tǒng)的執(zhí)行元件，采用雙凸極結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且一般定子和轉(zhuǎn)子相數(shù)不等，以便能使電機自起動。電機轉(zhuǎn)子由導磁硅鋼片疊制而成，用于給定子繞組提供磁通路。本設(shè)計中采用三相12／8 極開關(guān)磁阻電機。

2.2 功率變換器

功率變換器是系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換元件，在控制器指令下起開關(guān)作用，能夠使各相繞組及時開通、斷開，保證電機產(chǎn)生預期的電磁轉(zhuǎn)矩，且為各相繞組儲能提供回饋途徑。

2.3 控制器

控制器是開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，它綜合處理位置傳感器和電流傳感器反饋的位置信號和電流信號，向功率開關(guān)等器件提供控制指令，并采樣并處理各種保護信號，實現(xiàn)對SR 電機的運行狀態(tài)控制。

2.4 位置檢測器

開關(guān)磁阻電機是一種自同步電機，需要位置檢測和電流檢測以進行閉環(huán)控制。位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子位置以及計算電機速度。在本控制系統(tǒng)中，位置檢測采用兩個間隔為15°的光電耦合開關(guān)作為位置傳感器檢測位置信號。電流檢測提供電流信息來完成電流斬波控制或采取相應的保護措施以防止過電流。電流檢測通過霍爾式電流傳感器對每相電流進行檢測。在本設(shè)計中，將采集到的電壓信號通過外部引腳輸入到DSP 的A／D 轉(zhuǎn)換接口，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行軟件判斷控制。

3 控制器硬件設(shè)計

本設(shè)計的主控芯片采用TMS320LF2407A，它具有更高的精度和速度，而且存儲量大，具有邏輯控制功能和各種中斷處理能力以及豐富的數(shù)字輸入／輸出接口、通信接口、專用電動機控制PWM 輸出口和指令集，各種控制硬件集成在同一芯片中。它能處理各種輸入信號、輸出PWM 信號用于控制功率器件的開關(guān)，響應各種保護信號，做出相應保護措施等。12／8 相開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。控制系統(tǒng)由數(shù)字處理器DSP、外部時鐘源和外圍電路構(gòu)成。外圍電路主要包括位置信號檢測與整形電路、電流檢測與信號處理電路、功率變換電路等組成。

圖2 控制系統(tǒng)硬件原理圖

數(shù)字處理器DSP 利用轉(zhuǎn)子位置傳感器、電流傳感器以及保護電路反饋的信號，測量當前轉(zhuǎn)子的位置、繞組電流的大小，通過DSP 計算出當前轉(zhuǎn)子速度、轉(zhuǎn)子位置及相電流值，并準確地給出轉(zhuǎn)子繞組的通電時刻、換相時刻以及響應過壓和過流保護等功能。

3.1 功率器件驅(qū)動電路設(shè)計

在開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)中，由于控制電路不能直接驅(qū)動電機，要想實現(xiàn)對電機的有效驅(qū)動，需要一個重要的中間環(huán)節(jié)，即功率驅(qū)動電路。功率驅(qū)動電路是DSP 與開關(guān)磁阻電機之間的橋梁和重要的鏈接單元，直接影響著開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的性能。

在本設(shè)計中，功率變換器主電路采用不對稱半橋式結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電路采用HCPL316J 作為驅(qū)動芯片，與其它驅(qū)動芯片相比，HCPL316J 增加了過流保護、欠壓保護和IGBT 軟關(guān)斷的功能。驅(qū)動電路如圖3所示。圖中，C＿QD 接所驅(qū)動IGBT的集電極，當該IGBT 的管壓降高過（大 于 5.6V），HCPL316J 的 6 腳（FAULT）自動鎖存驅(qū)動信號，且輸出一個故障信號HP＿Fault。

3.2 轉(zhuǎn)子位置信號檢測與整形濾波電路

開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)是一個位置閉環(huán)檢測控制系統(tǒng)，位置檢測是開關(guān)磁阻電機的重要環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)子位置傳感器主要用來檢測轉(zhuǎn)子的相對位置，通過DSP 對控制算法進行運算后，給IGBT 發(fā)送控制指令，驅(qū)動IGBT開關(guān)管的開通、關(guān)閉，并計算出各相繞組通電順序及電機當前轉(zhuǎn)速。位置信號檢測與整形電路如圖4所示，圖中470Ω 為光電開關(guān)的限流電阻，22k 為光電開關(guān)的上拉電阻。位置信號經(jīng)過TLP521 光電耦合器進行濾波，再經(jīng)過74LS14 進行整形，然后送入DSP 的CAP 捕獲端口，進行換相和測速控制。

3.3 電流檢測與信號處理電路

圖3 基于HCPL316J 的驅(qū)動電路

圖4 位置信號檢測與整形電路

圖5 電流檢測與信號處理電路

電流檢測是SRM 調(diào)速系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩補償控制需的信號，也是實現(xiàn)過流保護所需的信號。本設(shè)計中電流檢測采用霍爾傳感器，通過檢測調(diào)理電路把檢測到的三相電流送入DSP 的AD 口進行采樣處理，并通過DSP 對控制算法進行運算，實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩補償控制，其電流檢測電路圖如圖5所示。選擇的電流傳感器型號為TBC500LTB，經(jīng)過信號I／V轉(zhuǎn)換，輸出0－4V 電壓信號，其中4V 對應600A。由于電流的峰值保護值設(shè)定為540A，則此時對應的電流傳感器的輸出信號為3.6V 的電壓信號，經(jīng)過R128 和R129 分壓調(diào)理后將電壓值調(diào)理到3.24V，輸入到TL084 運算放大器。然后信號（圖5中I1）送入DSP 的AD 口；為了防止電壓信號過高損壞DSP（TMS320LF2407 的AD 口最高輸入電壓為3.3V），采用1N4148 進行嵌位保護。

4 控制器軟件設(shè)計

SRM 控制系統(tǒng)是實時性軟件控制系統(tǒng)。根據(jù)SRM 電機控制流程和軟件功能的實現(xiàn)，可以將程序分為主程序和中斷服務(wù)程序兩個模塊。主程序?qū)崿F(xiàn)各個子程序初始化，完成后進入系統(tǒng)運行狀態(tài)，等待響應各個中斷，并對任務(wù)進行調(diào)度和管理。

4.1 控制系統(tǒng)狀態(tài)流程

控制軟件是基于狀態(tài)流程圖設(shè)計的，圖6所示是SRM 電機控制狀態(tài)流程圖，顯示了相互之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系。當SRM 的電機控制器上電復位時，軟件將對所有程序變量進行初始化并對所有的外圍設(shè)備進行初始化使能。當這些動作完成后，電機進入待機狀態(tài)，等待啟動指令。當控制器接收到啟動指令后，立即調(diào)用電機運行程序，并對電機控制所使用的變量進行初始化，然后對分數(shù)階轉(zhuǎn)速控制器中使用的控制參數(shù)進行初始化。在子程序的最后，將清除中斷標志并使能中斷。一旦電機運行子程序完成變量初始化，狀態(tài)流程圖中所有的其它功能皆由中斷服務(wù)程序控制來實現(xiàn)。

圖6 SRM 控制狀態(tài)流程圖

4.2 雙閉環(huán)速度控制器設(shè)計

SRM 電機調(diào)速系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過安裝在各相的電流傳感器采樣各相電流作為反饋信號。它根據(jù)速度控制環(huán)的輸出快速地調(diào)節(jié)電流，使系統(tǒng)有較好的動態(tài)響應。外環(huán)為速度環(huán)，在閉環(huán)回路中，通過實測轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速比較，計算出誤差補償量，進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。速度環(huán)利用分數(shù)階控制器來完成轉(zhuǎn)速閉環(huán)中誤差控制，使穩(wěn)態(tài)誤差為零。通過給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速的誤差計算出電流給定信號，作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的輸入。

圖7 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

分數(shù)階PⅠλ控制器是傳統(tǒng)整數(shù)階PI 控制器的廣義化形式，它包含一個積分階次，其中λ 可以在（0，2）內(nèi)任意取值。它是把傳統(tǒng)的整數(shù)階PI 控制器推廣到任意階領(lǐng)域。由于分數(shù)階PⅠλ控制器比傳統(tǒng)的整數(shù)階PI 控制器多了一個控制參數(shù)，且參數(shù)的取值范圍比較大，因此，其魯棒性要比整數(shù)階PI控制器強，并能取得一些優(yōu)于整數(shù)階PI 控制器的控制效果［8］。

其控制算法如下：

式中：u（t）為t 時刻調(diào)節(jié)器的輸出；Kp為比例常數(shù)；KⅠ為積分常數(shù)；e（t）為t 時刻調(diào)節(jié)器的偏差；D-λ為任意階積分項，其中λ 為積分階次。

根據(jù)實際響應情況，設(shè)置速度閉環(huán)控制器控制參數(shù)，可得到較好的控制效果。圖8所示為設(shè)定轉(zhuǎn)速為500r／min 時，雙閉環(huán)控制策略下合成轉(zhuǎn)矩波形圖。從圖8可以看出，在雙閉環(huán)控制策略下電機的合成轉(zhuǎn)矩在長時間范圍內(nèi)保持基本不變，扭矩波動范圍很小，表明了控制系統(tǒng)的魯棒性強和控制策略的可行性，獲得了良好控制效果。

圖8 雙閉環(huán)控制策略下合成扭矩波形

5 結(jié)論

本文以三相12／8開關(guān)磁阻電機作為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計對象，利用光電式位置傳感器實現(xiàn)位置閉環(huán)控制；采用DSP TMS320LF2407A 為主控制芯片，功率變換器選用三相不對稱半橋式。控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計了位置信號檢測與整形電路、電流檢測與處理電路等，通過這些電路的設(shè)計，構(gòu)成了完整的開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。

在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，以控制系統(tǒng)的功能為模塊，設(shè)計了控制系統(tǒng)的軟件控制狀態(tài)流程及結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)設(shè)計中，采用了電流內(nèi)環(huán)，速度外環(huán)的雙閉環(huán)數(shù)字PI 控制算法。其中速度環(huán)調(diào)節(jié)器采用分數(shù)階控制算法。通過實驗驗證了設(shè)計的控制系統(tǒng)及控制策略的可行性和系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。

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