基于DSP模糊控制的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計
何降彪，梁雨時，王世琥
(西安交通大學(xué)，陜西西安710049)
摘要：選用DsPTMs320F2812為主控芯片，設(shè)計了四相8／6極75 kw開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)(sRD)。針對開關(guān)磁阻電機(sRM)存在的非線性問題，采用“P1+模糊”雙閉環(huán)算法分別對電機的繞組電流和轉(zhuǎn)速進行控制。實驗結(jié)果表明，該控制方法對于非線性嚴重的sRM具有很好的控制效果。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動機；非線性；數(shù)字信號處理器；模糊控制
O引言
開關(guān)磁阻電機(sRM)是80年代中期發(fā)展起來的新型電機，它融電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和電機控制技術(shù)于一體，為典型的機電一體化產(chǎn)品。開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)(sRD)與直流調(diào)速系統(tǒng)和異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、控制靈活、起動電流小、起動轉(zhuǎn)矩大、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，因此近年來在牽引運輸、通用工業(yè)、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是sRM具有嚴重的非線性及變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)特點，難以建立精確的數(shù)學(xué)模犁，且在不同的控制策略下其參數(shù)、結(jié)構(gòu)都是變化的，因此固定參數(shù)的PID控制方式難以獲得理想的控制性能。針對上述問題，本文把高性能DsP和“模糊+PI”的雙閉環(huán)控制算法相結(jié)合，設(shè)計了四相8／6極sRM淵速系統(tǒng)，一定程度上解決了sRM非線性帶來的一系列問題。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略
sRD系統(tǒng)主要由sRM、功率變換器、控制器、檢測單元四大部分組成。功率變換器是sRD系統(tǒng)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，起控制繞組的開關(guān)作用，是影響系統(tǒng)性能價格比的主要因素；控制器是sRD系統(tǒng)的核心部分，完成電流及轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，其性能的好壞直接影響電機的運行性能；檢測單元由位置檢測和電流檢測環(huán)節(jié)組成，提供轉(zhuǎn)了的位置信息從而確定各相繞組的開通與關(guān)斷，提供電流信息以采取相應(yīng)的保護措施防止過電流。
sRD系統(tǒng)的主要功能是以轉(zhuǎn)速值為給定量，并要求sRM的轉(zhuǎn)速能自動跟隨給定量。為保證良好的淵速性能，sRD采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，采用模糊算法，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，采用經(jīng)典PI算法。sRD系統(tǒng)的主要控制方式有：角度位置控制、電流斬波控制和電壓PwM控制。本系統(tǒng)采用電壓PwM控制，其特點是通過PwM方式調(diào)節(jié)繞組的電壓平均值，間接調(diào)節(jié)和限制過人的繞組電流，從而實現(xiàn)sRM調(diào)速。它既能用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高速運行，又適合于低速運行，而且抗負載擾動的動態(tài)響應(yīng)快，控制起來比較容易。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
本文所設(shè)計的基于TMs320F2812的sRD硬件總體框架如圖l所示。TMs320F2812是TI公司推出的****一款DSP芯片，也是目前國際市場上****進、功能******的32位定點13DSP芯片，其指令處理速度可達150M／s。圖中，虛線框內(nèi)的部分為TMS320F2812，系統(tǒng)的所有控制環(huán)節(jié)，包括電流環(huán)控制、轉(zhuǎn)速環(huán)控制、電機換向等全部由軟件完成，DsP直接輸出邏輯電平型的PwM控制信號驅(qū)動功率變換器工作，從而對sRM進行電流、速度控制。電流反饋信號是由霍爾電流專感器測得的，信號經(jīng)過處理后送入_TMS320F2812內(nèi)的ADc，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，構(gòu)成電流環(huán)。速度反饋信號由位置傳感器獲取，經(jīng)過調(diào)理后送入DSP的cAP單元，從而得到電機的速度和方向，買現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。
2 1功率變換器設(shè)計
功率豐電路采用不對稱半橋電路，使得電機的每一相繞組能夠獨立控制，****限度地減少各相的關(guān)聯(lián)，保證電機各相獨立，避免了常規(guī)驅(qū)動電路上、下橋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的換向直通現(xiàn)象，提高電機的運行可靠性。不對稱半橋電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。
關(guān)于主開關(guān)器件的選擇，考慮到絕緣柵雙極晶體管(IGBT)具有功率損耗小、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單，并且兼有M0sFET高輸入阻抗和GTR通態(tài)飽和壓降低的優(yōu)點，故選用了西門康公司生產(chǎn)的300A／1200v，型號為sKM300GBl23D的IGBT作為主電路開關(guān)。
lGBT的驅(qū)動選用日本富士公司的lGBT專用高速型驅(qū)動模塊ExB841，它可用于驅(qū)動400A，600V以下或300A／1200v以下的IGBT，整個電路信號延遲時間不超過1 μs，****工作頻率可達40kHz，它只需外部提供一個+20v的單電源，內(nèi)部自己產(chǎn)生+15v(開通)和一5v(關(guān)斷)的驅(qū)動電壓。模塊采用高速光耦隔離，并有短路保護及慢速關(guān)斷功能，對本系統(tǒng)比較適用。IGBT驅(qū)動電路如圖3所示。
2 2轉(zhuǎn)子位置檢測
轉(zhuǎn)子位置信號主要作用有兩個：一是精確指示定子與轉(zhuǎn)子相對位置關(guān)系；二是實時計算電機轉(zhuǎn)速。本文采用的位 |
