基于DSP的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0.引言

開關(guān)磁阻電機(jī)SRM（Switched Reluctance Motor）是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，效率高及成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。 本文選用Motorola公司開發(fā)的專門用于電機(jī)控制的16 位定點(diǎn)DSP芯片DSP56F805設(shè)計(jì)了三相（6/4）SRM雙閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該芯片指令執(zhí)行速度快，資源豐富，為高性能的開關(guān)磁阻電機(jī)的控制提供了可靠的信息處理與控制。

1．SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的描述

SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由SRM、控制器、功率變換器、位置檢測裝置和電流檢測裝置等組成。本文設(shè)計(jì)的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用速度電流雙閉環(huán)的控制方式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

位置檢測裝置對SRM的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測，為任意時(shí)刻轉(zhuǎn)子的速度計(jì)算和換相邏輯控制提供依據(jù)。電流檢測裝置用于檢測電機(jī)的相電流，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)相電流的控制。控制器要實(shí)現(xiàn)的功能有：根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信息完成轉(zhuǎn)子速度計(jì)算及確定導(dǎo)通相；根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，利用速度調(diào)節(jié)器完成速度環(huán)的控制；根據(jù)速度調(diào)節(jié)器輸出的參考電流數(shù)值與反饋相電流數(shù)值的偏差，通過電流調(diào)節(jié)器完成電流環(huán)的控制；根據(jù)速度調(diào)節(jié)器輸出的參考電流數(shù)值及實(shí)際轉(zhuǎn)速情況，通過角度控制確定相應(yīng)的開通角和關(guān)斷角；根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息完成換向邏輯控制；通過PWM發(fā)生器向功率變換器輸出邏輯電平型的脈寬調(diào)制信號PWM。通過功率變換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 SRM調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2.控制電路硬件部分設(shè)計(jì)

控制電路根據(jù)外部輸入，綜合處理電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、電流、電壓和溫度等反饋信號，通過分析計(jì)算，按一定的控制策略向功率變換器發(fā)出PWM控制信號，以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，該電路還具有過壓和超溫等保護(hù)功能。以DSP56F805為核心的控制電路硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制電路硬件結(jié)構(gòu)框圖

鍵盤信號從DSP56F805的GPIO口引入，通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、溫度和電壓等設(shè)定。數(shù)碼顯示通過SPI口來驅(qū)動(dòng)，用于顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息。相電流、電壓和溫度信號輸入到ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以滿足控制的需要。正交解碼器的PHASEA0、PHASEA1和PHASEB0分別捕獲三路霍爾位置傳感器的跳變沿信號，用以計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速以及獲取轉(zhuǎn)子位置信息。同時(shí)，這些傳感器信號也被引入到3個(gè)GPIO口，控制芯片也可通過查詢這3個(gè)口的電平獲取轉(zhuǎn)子位置信息。DSP56F805芯片的脈寬調(diào)制模塊PWMA產(chǎn)生六路PWM方波信號。其中，PWMA0～PWMA2控制功率變換器高端3個(gè)IGBT，其輸出的PWM波形受電流調(diào)節(jié)器輸出信號的控制，通過改變PWM波形的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；PWMA3～PWMA5控制功率變換器低端的3個(gè)IGBT，其輸出PWM波形受開通關(guān)斷角及轉(zhuǎn)子位置信息控制，以實(shí)現(xiàn)邏輯換向控制。通過SCI口實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊。

3.控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1位置檢測與速度估算

系統(tǒng)采用3個(gè)霍爾傳感器進(jìn)行位置檢測。這3個(gè)傳感器間隔120^。，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到相電感最大處時(shí)，相應(yīng)霍爾傳感器就產(chǎn)生上跳沿，表明轉(zhuǎn)子和定子到達(dá)對齊位置。這樣，從3個(gè)霍爾傳感器輸出的3路方波信號周期為90^。，且相位差為15^。（如圖3所示）。DSP56F805通過正交解碼器的PHASEA0、PHASEB0和PHASEA1捕獲這三路傳感器信號的跳變沿；同時(shí)，也可通過查詢相應(yīng)的三個(gè)GPIO口電平，獲取轉(zhuǎn)子位置信息。

圖3 三路霍爾傳感器輸出信號

在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，將DSP56F805的捕獲模塊設(shè)置為下跳沿觸發(fā)，當(dāng)霍爾傳感器輸出信號的下跳沿到來時(shí)，DSP56805就產(chǎn)生一次捕獲中斷，通過讀取相鄰2次中斷的時(shí)間間隔，就可計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。如果相鄰2次中斷的時(shí)間間隔為 ，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速 為：

= （r/min）

3.2起動(dòng)和換相

電機(jī)起動(dòng)時(shí)，如果初始導(dǎo)通相判斷有誤，會使得電機(jī)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，造成電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的紊亂。因此，初始位置時(shí)，電機(jī)導(dǎo)通相的正確判斷是本論文首先需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

電機(jī)處于靜止時(shí)，控制器通過讀取三路霍爾傳感器的狀態(tài)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息。從圖3中可以看出，當(dāng)從三路霍爾傳感器獲取的位置信息分別為“110”、“101”和“011”時(shí)，在15^。的機(jī)械角范圍內(nèi)，對應(yīng)的C、B和A相電感分別處于上升階段。在這種情況下，只需給相應(yīng)的C、B或A相通電就能產(chǎn)生要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,起動(dòng)效果較好。

當(dāng)從傳感器獲取的位置信息為“100”、“010”和“001”時(shí)，在15^。的機(jī)械角內(nèi)對應(yīng)相電感并不是持續(xù)上升。當(dāng)位置信息為“100”時(shí)，A相電感因處于下降階段產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，B相電感在此機(jī)械角區(qū)間的開始段因電感不變存在零轉(zhuǎn)矩的情況， C相的電感在此機(jī)械角區(qū)間的結(jié)束階段因電感不變也存在零轉(zhuǎn)矩的情況。如果僅給B相或C相通電起動(dòng)效果不好。因此，需給B和C兩相同時(shí)通電。同理，當(dāng)位置信息為“010”需給A和C兩相同時(shí)通電；當(dāng)位置信息為“001”需給A和B兩相同時(shí)通電。

如果電機(jī)是單相通電起動(dòng)，設(shè)置DSP56F805的捕獲功能模塊為下跳沿觸發(fā)后，電機(jī)由起動(dòng)狀態(tài)直接進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，開始正常換相。如果電機(jī)是兩相同時(shí)通電起動(dòng)，首先將捕獲功能模塊設(shè)置為上跳沿觸發(fā)。在電機(jī)起動(dòng)過程中，如果A相傳感器輸出信號產(chǎn)生上跳沿，關(guān)閉A相，B相保持通電；如果B相傳感器輸出信號產(chǎn)生上跳沿，關(guān)閉B相，A相保持通電；如果C相傳感器輸出信號產(chǎn)生上跳沿，關(guān)閉C相，B相保持通電。當(dāng)從兩相導(dǎo)通起動(dòng)轉(zhuǎn)入一相導(dǎo)通后，將捕獲功能模塊設(shè)置為下跳沿觸發(fā)，電機(jī)由起動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，開始正常換相。

在電機(jī)正常換相過程中，如果傳感器輸出信號產(chǎn)生下跳沿，DSP56F805的捕獲模塊將會產(chǎn)生捕獲中斷，在捕獲中斷中確定導(dǎo)通相，完成換向邏輯的控制。

3.3相電流檢測

通過在相電流電路中串入一個(gè)分流電阻，測得其上的電壓降以實(shí)現(xiàn)相電流檢測。采樣電阻上的電壓降經(jīng)濾波放大后輸入到DSP56F805的ADC模塊。由于系統(tǒng)中對功率開關(guān)的控制采用的是斬單管的方式，相電流并不是一直能從采樣電阻上測到，只有在上下兩個(gè)功率開關(guān)都開或都關(guān)的時(shí)候才可在采樣電阻上測得。因此，電流采樣需與PWM頻率同步。同時(shí)，將電流的零點(diǎn)設(shè)置在ADC轉(zhuǎn)換范圍的一半處，使得采樣電阻上的正負(fù)電壓降都能被檢測到。

3.4.控制策略與控制算法的實(shí)現(xiàn)

SRM的速度控制是通過速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)的。考慮到積分環(huán)對大超調(diào)量的延遲性，為使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)，在速度環(huán)回路中串接一個(gè)積分分離開關(guān) ，對速度環(huán)采用積分分離的PI控制算法。對電流環(huán)采用增量式PID控制算法。

依據(jù)電流環(huán)的輸出值CMP，對DSP56F805的PWM模塊的相應(yīng)寄存器進(jìn)行設(shè)置，則可從PWM模塊輸出占空比可變的PWM波形，從而實(shí)現(xiàn)對功率變換器高端的3個(gè)IGBT進(jìn)行控制。

4.結(jié)論

本文以電機(jī)專用芯片DSP56F805為核心，成功實(shí)現(xiàn)了SRM速度電流雙閉環(huán)控制。文中作者的創(chuàng)新點(diǎn)是在提出了一種簡單適用的三相SRM的起動(dòng)方法的同時(shí)，對速度環(huán)和電流環(huán)分別采用了積分分離PI控制算法和增量式PID控制算法，電機(jī)起動(dòng)性能較好，相電流波形得到較好的改善。圖4給出了電機(jī)起動(dòng)時(shí)速度波形。其中，圖a為速度和電流環(huán)均采用PID控制時(shí)的速度波形，圖b為采用本文算法時(shí)的速度波形。從圖中可以看出，當(dāng)速度和電流環(huán)均采用PID方式時(shí)超調(diào)量大，響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間長，而采用本文提出的控制方式時(shí)超調(diào)量明顯減少，速度響應(yīng)快。

a) 速度和電流環(huán)均采用PID時(shí)速度波形

b)采用本文算法時(shí)的速度波形

圖4啟動(dòng)速度波形

參考文獻(xiàn)

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