基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)角度位置控制

趙 涵，王 艷

(北京交通大學(xué)，北京 100044)

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基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)角度位置控制

趙 涵，王 艷

(北京交通大學(xué)，北京 100044)

開(kāi)通角、關(guān)斷角對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、效率有較大的影響，因此在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速中角度位置控制尤為重要。制定了不同轉(zhuǎn)速的相通斷導(dǎo)通邏輯，針對(duì)變角度區(qū)對(duì)角度精確度的要求，分析了硬件電路實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，提出了通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)角度控制。以TMS320F2812為控制核心，利用定時(shí)器來(lái)進(jìn)行變角度的定時(shí)，利用捕獲單位捕獲三相位置信號(hào)作為相中斷，編寫(xiě)程序，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的角度位置控制方案與理論分析一致，具有較好的效果。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；角度位置控制；TMS320F2812；定時(shí)器

0 引 言

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRM)是一種新型電機(jī)，具有很多優(yōu)勢(shì)，如機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩大、成本低、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行可靠、效率高等，在電力傳動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊[1]。在角度位置控制方式下，SRM的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大，可以同時(shí)導(dǎo)通多相，電機(jī)運(yùn)行效率高[2]。為此，本文以TMS320F2812為控制核心，提出了一種SRM角度位置控制方法。

1 角度控制策略

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，為避免產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，應(yīng)在電感上升區(qū)間開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，使電流位于在電感上升區(qū)。電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較小，電流峰值較大，常采用電流斬波峰值，不進(jìn)行變角度控制，采用觸發(fā)導(dǎo)通邏輯[3]。觸發(fā)導(dǎo)通邏輯在電感最小值處開(kāi)通，在電感最大值處關(guān)斷。在轉(zhuǎn)速增大時(shí)，電流上升時(shí)間會(huì)縮短，電流幅值減小，對(duì)電機(jī)出力有影響；并且電流下降時(shí)間也會(huì)變短，如果在電感達(dá)到最大時(shí)才關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，電流很可能在電感下降區(qū)仍存在，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時(shí)，進(jìn)行變角度控制，提前開(kāi)通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)管。當(dāng)速度升高到一定程度時(shí)，開(kāi)通角和關(guān)斷角的調(diào)節(jié)都達(dá)到極限，此時(shí)采用定角度控制。本文主要討論變角度區(qū)域的實(shí)現(xiàn)方法，觸發(fā)導(dǎo)通區(qū)和定角度區(qū)分別是變角度區(qū)控制的兩個(gè)極限。

圖1是位置信號(hào)與電感曲線關(guān)系圖，1～6代表電機(jī)的6種位置狀態(tài)：101、001、011、010、110、100[4-5]。A，B，C三相位置信號(hào)各差15°，各相位置信號(hào)高電平對(duì)應(yīng)電感下降區(qū)間，位置信號(hào)低電平對(duì)應(yīng)電感上升區(qū)間，各相位置信號(hào)的周期均為45°。

圖1 位置信號(hào)與電感曲線關(guān)系圖

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速處于變角度區(qū)時(shí)，開(kāi)通角和關(guān)斷角需提前，即在位置信號(hào)負(fù)跳變之前就導(dǎo)通開(kāi)關(guān)管，在位置信號(hào)正跳變之前關(guān)斷開(kāi)關(guān)管。以圖1為例，在C相位置信號(hào)正跳變時(shí)，就要進(jìn)行B相開(kāi)通計(jì)時(shí)，同時(shí)進(jìn)行A相關(guān)斷計(jì)時(shí)。開(kāi)通角θon向著-7.5°提前，而關(guān)斷角θoff向著7.5°提前[6-7]。其導(dǎo)通邏輯如表1所示。

表1 變角度區(qū)導(dǎo)通邏輯與位置狀態(tài)對(duì)應(yīng)規(guī)律

2 變角度控制方法

變角度控制是要將開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通角和關(guān)斷角提前一定角度，其實(shí)現(xiàn)需要獲取電機(jī)角速度，且對(duì)角度分辨率要求較高。目前常用的方法是通過(guò)CD4046和CD4040組成鎖相倍頻電路，將輸入的位置信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，再將細(xì)分后的脈沖信號(hào)用作定時(shí)器的時(shí)鐘脈沖，用定時(shí)器來(lái)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)[8]。但其屬于通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)，易受外界干擾，導(dǎo)致倍頻后的信號(hào)不穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性較差；并且為了得到較好的倍頻效果，需要限制輸入信號(hào)的頻率范圍及倍頻倍數(shù)范圍[9-10]。

本文將利用計(jì)數(shù)角度脈沖實(shí)現(xiàn)變角度控制改為利用定時(shí)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用TMS320F2812的T2定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)。電機(jī)提前的角度可以由轉(zhuǎn)速計(jì)算方法獲取，開(kāi)通關(guān)斷角的定時(shí)計(jì)算方法在下文給出。

由前文可知，開(kāi)通角、關(guān)斷角提前的角度與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，提前的角度越大。這里將開(kāi)通關(guān)斷角提前的角度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系等效簡(jiǎn)化為線性關(guān)系，如下：

(1)

式中：K,C為常數(shù)，設(shè)變角度的區(qū)間為(n1,n2)，則其對(duì)應(yīng)的提前的角度為(θ1,θ2)，θ2<θ1。

定時(shí)器T2的頻率為f，設(shè)定工作在連續(xù)增模式下，則θ所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值如下：

(2)

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 開(kāi)通關(guān)斷角定時(shí)程序

將電機(jī)三相位置信號(hào)分別輸入到DSP的三個(gè)捕獲引腳，上升下降沿均捕獲，每隔7.5°便會(huì)得到一個(gè)捕獲中斷，用于相切換的計(jì)時(shí)起點(diǎn)，由設(shè)定可得，關(guān)斷角總大于開(kāi)通角，且兩者定時(shí)起點(diǎn)相同，這里采用將開(kāi)通角和關(guān)斷角分別送入同一個(gè)定時(shí)器的比較中斷和周期中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)角度的定時(shí)，可以節(jié)省DSP的資源。流程圖如圖2(a)所示。

3.2 相通斷程序

相通斷程序是在開(kāi)通角和關(guān)斷角定時(shí)到達(dá)之后，結(jié)合位置信號(hào)來(lái)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。相開(kāi)通程序流程圖如圖2(b)所示，相關(guān)斷程序如圖2(c)所示。

(a) 開(kāi)通關(guān)斷角定時(shí)程序 (b) 相開(kāi)通程序 (c) 相關(guān)斷程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

三相位置信號(hào)分別輸入捕獲口，相當(dāng)于將三相位置信號(hào)異或。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文利用信號(hào)發(fā)生器輸出的方波來(lái)模擬三相位置異或信號(hào)，通過(guò)TMS320F2812的開(kāi)發(fā)板來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3為500r/min時(shí)的輸出信號(hào)波形圖。圖3中下面為三相位置異或信號(hào)，上面為B相輸出信號(hào)脈沖，可以看出，開(kāi)通信號(hào)和關(guān)斷信號(hào)均提前了一定角度，與前面分析一致。

圖3 500 r/min時(shí)輸出信號(hào)波形(截圖)

圖4為3 000r/min的B相輸出信號(hào)和三相異或信號(hào)波形圖。從圖4中可以看出，開(kāi)通角和關(guān)斷角提前動(dòng)作，且與圖3相比，提前的角度變大，與理論分析一致。

圖5中，上面波形下降沿為開(kāi)通時(shí)刻，下面波形的下降沿為定時(shí)開(kāi)始時(shí)刻，兩者之間的角度差經(jīng)換算與所設(shè)定的開(kāi)通角相等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確。

圖4 3 000 r/min時(shí)輸出信號(hào)波形(截圖)

圖5 3 000 r/min時(shí)開(kāi)通角與位置信號(hào)(截圖)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了SRM的角度位置控制方案，利用DSP進(jìn)行軟件編程實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。本方案開(kāi)通關(guān)斷角的提前動(dòng)作是通過(guò)轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行定時(shí)實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)轉(zhuǎn)速的計(jì)算準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意測(cè)速方法的選取，保證測(cè)速精度。

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Angle Position Control of Switched Reluctance Motor Based on DSP

ZHAO Han，WANG Yan

(Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Turn-on and turn-off angle are important factors influencing the characteristics of the switched reluctance motor, such as torque and efficiency, so angle position control is needed for the switched reluctance drive. This paper formulated the logics of phase connection and break with different speed. Aiming at the requirement of precise angle division in the variable-angle area, the disadvantage of hardware circuit was analyzed, an angle position control method realized by software was introduced. This system used TMS320F2812 as its control core, realized timing in variable-angle area by DSP Timer, and captured three phase position signals as phase interrupt with DSP capture unit. Programs were written and experiment was done. The experiment result proves that the angle position control scheme this paper introduced is in accord with theory analysis and effective.

switched reluctance motor (SRM); angle position control; TMS320F2812; timer

2015-04-20

TM352

A

1004-7018(2016)02-0078-02

趙涵(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動(dòng)。