開關磁阻電機調速系統半實物仿真平臺設計

蔡 燕,尹 磊,姜文濤

(天津工業大學,天津300387)

0 引 言

開關磁阻電機(以下簡稱SRM)是20世紀80年代迅猛發展起來的一種新型調速電機,因結構簡單、可靠性高、調速范圍寬、調速性能好等優點被廣泛應用于牽引運輸、家用電器、航空工業等行業[1-5]。但磁路的高度飽和及獨特的雙凸極結構決定了SRM具有很強的非線性,加大了對電機控制的難度,限制了SRM的推廣與應用。近年來國內外學者嘗試結合先進的智能控制策略來實現SRM的控制[6-8]。由于SRM具有高度非線性特性,很難得到準確的數學模型,使得一般的離線仿真對SRM優化控制的研究與實際情況存在較大偏差。為此,本文基于dSPACE半實物仿真技術將SRM以實物的形式連接在仿真回路中,構建了SRM調速系統的半實物仿真平臺,用于進行SRM控制策略的研究。

dSPACE半實物仿真系統是dSPACE公司研發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及測試平臺[9]。硬件系統由處理器板、I/O板卡組成,具有高速的計算能力;同時,快捷方便軟件環境可實現代碼生成/下載及系統的試驗/調試。在dSPACE強大的軟硬件支撐下,解決了電機控制策略研究時所遇到種種難題。

本文以dSPACE實時仿真系統為控制核心,結合SRM與dSPACE的特點,構建了基于dSPACE的SRM調速系統半實物仿真平臺。并在平臺上實現了SRM 3種控制方式,通過實驗驗證了SRM調速系統半實物仿真平臺進行電機控制策略研究的可行性,為進行SRM調速系統的優化控制創造了條件。

1 SRM調速系統結構

如圖1所示,開關磁阻電機調速系統(以下簡稱SRD)主要由SRM、功率變換器、控制器及位置檢測器等組成。其中,SRM在系統中負責實現機電能量轉換;功率變換器是SRM運行所需能量的供給者,通常使用交流電經整流橋整流后的直流電源作為功率變換器的輸入,變換器在控制信號的控制下為SRM提供能量。控制器作為SRD的控制中樞,依照檢測電路的電流、電壓、轉速等信號,給出功率變換器的控制信號。SRM運行時需要根據轉子位置實現各相繞組的開通與關斷,所以實時位置檢測是電機控制中不可或缺的一環。

圖1 SRD結構框圖

2 SRD半實物仿真平臺硬件設計

基于dSPACE的SRD半實物仿真平臺主要由dSPACE實時仿真系統和基于dSPACE的SRD硬件平臺組成,這兩部分又可分成若干小部分。圖2為SRD半實物仿真平臺結構圖。

圖2 SRD半實物仿真平臺結構圖

2.1 dSPACE實時仿真系統

本文采用的dSPACE實時仿真系統是以DS1005PPC控制板為核心,配以DS5202電機板卡而組成的DS1005標準組件系統。DS1005PPC控制板處理器采用 POWERPC750FX,主頻高達800 MHz,I/O管理能力及數學運算能力都非常強,滿足SRM高性能控制要求;DS5202是專用的電機控制板卡,包含了建立SRD控制模型所需I/O接口,通過利用DS5202板卡的8通道模擬量輸入接口可以實現繞組電流、電壓的采集;同時可以利用PWM信號生成器結合6通道的數字TTL輸出電路接口,生成及輸出PWM信號控制功率器件的開通與關斷。

2.2 功率變換器

仿真平臺采用三相不對稱半橋電路變換器,其結構如圖3所示,不對稱半橋電路每一相都由兩只開關器件和兩只續流二極管構成,該結構使各相繞組之間互不影響、相互獨立。電機運行時,每相繞組都存在勵磁、續流及退磁3種運行狀態,以A相為例:當QAH,QAL都導通時,外加電壓+US加在A相繞組兩側,A相繞組勵磁產生勵磁電流iA,此時A相處于勵磁狀態;當A相繞組的開關管QAL導通且QAH關斷時,此時A相繞組兩側電壓為0,A相繞組電流iA流過開關管QAL和二極管DAL,此時繞組為續流狀態;當A相繞組的開關管QAH和QAL都關斷時,此時外加電源-US加在A相繞組兩側,A相繞組電流iA流經二極管DAH和DAL,將電機繞組儲存的能量以電能的形式回饋給電源側,此時繞組處于退磁狀態。

圖3 不對稱半橋功率電路

2.3 信號檢測與驅動電路

采用LEM系列霍爾傳感器對電流、電壓信號進行采樣,電流、電壓信號經調理電路處理后送至DS5202板卡進行AD轉換。安裝在電機轉子附近的霍爾位置傳感器用于獲取轉子位置信號,位置信號經調理電路處理后送至DS5202板卡的傳感器接口完成信號采樣。由于dSPACE輸出信號驅動能力弱,不能直接用于 SRM的驅動控制,因此加入EXB841驅動電路實現電機的驅動,同時加入保護電路,有效地保障平臺安全運行。

3 SRD半實物仿真平臺軟件設計

基于dSPACE的軟件設計相比于傳統控制器DSP或MCU的軟件編程更加快捷方便。dSPACE的軟件包括實現軟件與實驗軟件。其中,實現軟件包括MATLAB/Simulink,RTI,RTW等,主要負責系統模型搭建、硬件代碼自動生成及下載。ControlDesk作為系統的實驗軟件,與控制系統實現交互式操作,提供整個實驗過程的綜合管理。

3.1 SRD控制模型

dSPACE的模塊化編程思想使得開發模型只需拖拽集成化的功能模塊即可,無需編寫大量的程序代碼,節省了大量的時間與精力,研究人員可以致力于電機控制策略的研究。本文基于dSPACE開發了SRD控制模型,如圖4所示。SRD控制模型采用多任務模式,將SRM的控制策略分配到不同任務中,其中包括Digin中斷任務、PWM同步中斷任務、Time B任務等,不同的任務具有不同的功能。

為了整個調速系統的安全性,通過設置Digin中斷模塊實現硬件電流保護,當硬件電路監測到某相電流超過設定值時,硬件保護電路的輸出電平就會發生變化,Digin7輸入接口產生一個中斷,觸發中斷任務后就會關斷DS5202的數字輸出。

實驗中SRM三相繞組電流電壓信號的采集通過Time B中斷任務實現的,采集頻率是由DS1005的Time B定時中斷控制器控制的,定時值為0.000 075 s。

PWM中斷任務承擔了調速系統的大部分任務,除了負責電流斬波、電壓斬波、角度位置控制實施及切換等任務,同時還要完成位置信號采集、轉速/電流雙閉環控制、功率變換器驅動信號輸出等。

圖4 SRD控制模型

3.2 基于ControlDesk的上位機界面設計

ControlDesk是dSPACE公司開發的實驗工具軟件。作為系統調試以及實時監測的主要完成者,它可以實現數據的實時觀測、變量和參數的可視化管理、實驗數據的記錄與回放及故障測試等功能。ControlDesk為實驗過程提供了豐富的虛擬儀表,構建實驗過程環境快捷方便,僅需從元件庫拖到編輯界面,并關聯對應變量文件即可。本文設計的SRD上位機界面如圖5所示,結合實驗需求,在ControlDesk界面觀測記錄的信號主要包括電機轉速、三相電流信號、電壓、轉矩信號等;在線設置與修改的參數包含電流環PI參數、轉速環PI參數;同時設定系統運行起停控制、軟件硬件保護設置以及速度顯示窗口;同時將實時參數及顯示信號鏈接到ControlDesk顯示界面。

圖5 SRD上位機界面(截圖)

3.3 SRM的控制方式

整個調速系統的控制是以轉速值為給定量,保證電機轉速跟隨給定量,為了保證良好的調速效果,采用轉速外環、電流內環的雙閉環控制。

電機在低速運行階段,旋轉電動勢壓降小,電流上升速度快,此時通過電流斬波控制(CCC)對相電流進行限定,避免過大電流對電機及開關器件的損害,起到有效的保護和調節作用。電機在中速運行階段,采用固定角度的電壓斬波控制(CVC),通過占空比的變化調節繞組電壓的平均值,從而間接控制繞組電流,實現快速有效的電機調速。轉速上升至高速階段時,電機采用角度位置控制(APC),通過改變主開關器件的開通角與關斷角調節相電流波形,實現SRM電磁轉矩的調節。

本文中,在0～300 r/min轉速區域采用電流斬波控制,300～800 r/min轉速區域采用電壓斬波控制,800 r/min以上轉速區域采用角度位置控制,3種控制方式有效組合共同實現電機全速范圍的調速運行。

4 實驗結果

基于dSPACE的SRD半實物仿真平臺對三相12/8極SRM進行了實驗研究。圖6為SRD半實物仿真平臺實物圖,其中SRM參數如下:額定功率1.5 kW,額定轉速1 500 r/min,額定電壓514 V。電機負載選用磁粉制動器,磁粉制動器在通電后會在內部產生電磁場,磁粉在磁力線作用下形成磁粉鏈,把內外轉子聯接起來,從而達到傳遞、制動扭矩的目的,起到負載的作用。

圖6 SRD半實物仿真平臺實物圖

低速運行時電機采用電流斬波控制,圖7為采用電流斬波控制,當轉速和負載轉矩分別為200 r/min和2 N·m時三相電流波形。

圖7 電流斬波控制下的三相電流波形

電機在中速階段采用電壓斬波控制,圖8為轉速600 r/min且轉矩負載6 N·m時的SRM三相電流波形與三相電壓波形。

圖8 電壓斬波控制下的三相電流電壓波形

電機進入高速時切換至角度位置控制,定義定子齒中心線與轉子槽中心線對齊位置時的轉子位置角為0°。圖9為當轉速和負載轉矩分別為1 500 r/min和9.5 N·m,控制開通角和關斷角分別為θon=-6°和θoff=94°時的 SRM轉矩、轉速和三相繞組電流的實驗波形。

圖9 角度位置控制下轉速、轉矩和三相電流波形

基于構建的SRD半實物仿真平臺可進行SRM全速范圍的調速運行,可實現多種控制方式的實驗研究。該平臺對于分析SRM的輸出性能以及優化SRM的控制策略和優化控制參數具有重要意義。

5 結 語

由于SRM在磁路高度飽和的非線性特征,很難建立精確的數學模型,增加了SRM控制策略研究的難度。為此,本文以dSPACE半實物仿真技術為基礎,通過SRD控制原型硬件系統與SRM樣機連接,構建了SRD半實物仿真平臺,并采用3種控制方式實現了SRM全速范圍的調速運行。通過實驗結果證明了所構建的SRD半實物仿真平臺的正確性,為進一步實現SRM優化控制提供了有利的條件。

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