| 基于DSP模糊控制的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
何降彪，梁雨時(shí)，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(jì)了四相8／6極75 kw開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(sRD)。針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)(sRM)存在的非線性問題，采用“P1+模糊”雙閉環(huán)算法分別對(duì)電機(jī)的繞組電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方法對(duì)于非線性嚴(yán)重的sRM具有很好的控制效果。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；非線性；數(shù)字信號(hào)處理器；模糊控制
O引言
開關(guān)磁阻電機(jī)(sRM)是80年代中期發(fā)展起來的新型電機(jī)，它融電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)于一體，為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(sRD)與直流調(diào)速系統(tǒng)和異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高、控制靈活、起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來在牽引運(yùn)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(yán)重的非線性及變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)特點(diǎn)，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(duì)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(jì)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(cè)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(jià)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(jī)的運(yùn)行性能；檢測(cè)單元由位置檢測(cè)和電流檢測(cè)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(hù)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(dòng)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(diǎn)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(shí)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(yùn)行，又適合于低速運(yùn)行，而且抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制起來比較容易。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)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(guó)際市場(chǎng)上****進(jìn)、功能******的32位定點(diǎn)13DSP芯片，其指令處理速度可達(dá)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(jī)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(hào)驅(qū)動(dòng)功率變換器工作，從而對(duì)sRM進(jìn)行電流、速度控制。電流反饋信號(hào)是由霍爾電流專感器測(cè)得的，信號(hào)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(hào)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(jī)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(jì)
功率豐電路采用不對(duì)稱半橋電路，使得電機(jī)的每一相繞組能夠獨(dú)立控制，****限度地減少各相的關(guān)聯(lián)，保證電機(jī)各相獨(dú)立，避免了常規(guī)驅(qū)動(dòng)電路上、下橋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的換向直通現(xiàn)象，提高電機(jī)的運(yùn)行可靠性。不對(duì)稱半橋電路的拓?fù)浣Y(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(dòng)電路簡(jiǎn)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(diǎn)，故選用了西門康公司生產(chǎn)的300A／1200v，型號(hào)為sKM300GBl23D的IGBT作為主電路開關(guān)。
lGBT的驅(qū)動(dòng)選用日本富士公司的lGBT專用高速型驅(qū)動(dòng)模塊ExB841，它可用于驅(qū)動(dòng)400A，600V以下或300A／1200v以下的IGBT，整個(gè)電路信號(hào)延遲時(shí)間不超過1 μs，****工作頻率可達(dá)40kHz，它只需外部提供一個(gè)+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(dòng)電壓。模塊采用高速光耦隔離，并有短路保護(hù)及慢速關(guān)斷功能，對(duì)本系統(tǒng)比較適用。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。
2 2轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)
轉(zhuǎn)子位置信號(hào)主要作用有兩個(gè)：一是精確指示定子與轉(zhuǎn)子相對(duì)位置關(guān)系；二是實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。本文采用的位置傳感器是****式編碼器。在一個(gè)轉(zhuǎn)子角周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，相位差為15o，它組合成4種不同的狀態(tài)，分別代表電機(jī)四相繞組不同的參考位置。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)如圖4所示。位置信號(hào)經(jīng)過光耦隔離和整形后送給DsP捕獲單元，通過捕獲單元cAPl～2捕獲電平跳變，用于確定轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速。
2 3繞組電流檢測(cè)
系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器(HAIL)來測(cè)量繞組電流。因?yàn)橹麟娐肥禽^高頻率的開關(guān)電路，電壓輸出型HAIL傳感器容易受到較大干擾，故采用電流輸出型HAIL傳感器，傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過采樣、濾波等處理，送到DsP的ADc接口，從而得到繞組電流信號(hào)。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)采用了DsPc語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)模塊化編程，盡量把共用的程序編寫成具有不同功能的子程序，增加程序的可讀性和移植性。SPD系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：主程序、AD中斷子程序、電流與速度控制子程序以及系統(tǒng)初始化子程序。下面，分別從控制算法、軟件流程等方面對(duì)SRD系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行介紹。
3 1速度控制
速度控制采用模糊控制算法。所設(shè)計(jì)模糊控制器首先應(yīng)把輸入變量由自然語(yǔ)言(包括數(shù)值信息)轉(zhuǎn)化為模糊控制器所能識(shí)別的數(shù)值信息，然后進(jìn)行模糊推理，把得到的結(jié)果進(jìn)行模糊化。這里我們選取7個(gè)常用的語(yǔ)言變量值，即負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(Ns)、零(zE)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)。速度誤差E、誤差變化量E。及控制量變化U的模糊子集均為{NB，NM，Ns，zE，Ps，PM，PB)語(yǔ)言變量論域上的模糊子集由隸屬度函數(shù)μ(x)描述。各變量的隸屬函數(shù)關(guān)系如圖5所示。速度誤差、誤差變化量及控制量變化均采用均勻分布三角形隸屬度函數(shù)，同時(shí)，使用：Mamdani算法進(jìn)行模糊推理口。
3 2電流控制
電流閉環(huán)控制用PI控制算法，PI控制算法是PlD控制的一種特殊情況，這里首先對(duì)PID的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析說明。
PID控制器是指將偏差的比例（P）、積分（I）和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制。PID控制器優(yōu)點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整。
采用增量式PID算法：
增量式PID控制算法與位置式控制算法相比，計(jì)算量小得多，因此在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。另外，在sRD系統(tǒng)的電流控制中，由于PID控制中的微分項(xiàng)對(duì)電流變化率過于敏感造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以常常去掉微分項(xiàng)，故采用PI控制。
3 3軟件流程
程序啟動(dòng)后，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后程序進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，反復(fù)查詢AD轉(zhuǎn)換是否完成，如果完成，計(jì)算并修改輸出值，同時(shí)把當(dāng)前的轉(zhuǎn)速等信息輸出到顯示模塊。圖6為主程序和AD中斷流程圖，圖7為電流反饋、速度反饋及系統(tǒng)初始化程序流程圖。
4實(shí)驗(yàn)研究
實(shí)驗(yàn)對(duì)象為四相8／6極sRM，額定轉(zhuǎn)速為4000 r/min，控制方式為電壓PwM斬波控制。在空載情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相繞組電流波形如圖8所示，轉(zhuǎn)速跟隨曲線如圖9所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)有著良好的調(diào)速性能，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快、有著很好的動(dòng)、靜態(tài)特性。
5結(jié)論
實(shí)現(xiàn)了基于DSPTMS320F2812的“PI+模糊”SRD雙閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)相應(yīng)快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，一定程度上解決了SRM的非線性造成的難以控制問題，為SRD數(shù)字控制的發(fā)展提供了一些有益的參考，是一種較為實(shí)用的方法。
參考文獻(xiàn)
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