基于兩步換相控制策略的SR電機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1　引言

　　開關(guān)型磁阻（SR）電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、成本低，調(diào)速性能優(yōu)良，在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的效率，應(yīng)用前景十分廣闊。但由于SR電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和采用開關(guān)性的供電電源，振動(dòng)、噪聲是其突出的問題，這已成為SRD在更多范圍內(nèi)推廣應(yīng)用發(fā)揮其特長的主要障礙。過去人們對(duì)SRD的研究主要集中在SR電機(jī)本體設(shè)計(jì)、功率變換器及速度控制策略研究上，因?yàn)檠芯侩y度大，目前，只有少量文獻(xiàn)論及SR電機(jī)振動(dòng)、噪聲研究［1～5］。
　　
　　文［1］基于時(shí)域分析，得出結(jié)論：SR電機(jī)相繞組關(guān)斷所激發(fā)的沖擊振動(dòng)是最主要的振動(dòng)、噪聲來源。為削弱這一振動(dòng)，文［1］提出將相電流關(guān)斷過程分成兩步的“兩步換相法”（參見圖1）：第一步僅關(guān)斷K1，相電壓Up由＋Us負(fù)躍變至0 V；第二步再關(guān)斷K2，這時(shí)Up由0 V負(fù)躍變到－Us?？刂频诙脚c第一步時(shí)間間隔為定子固有頻率對(duì)應(yīng)周期的一半，這樣，第二步與第一步產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)相位差為180°，因而相互抵消。WUC．Y．等率先將“兩步換相法”引入SRD系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在CCC方式和APC方式兩種工況下取得良好抑制振動(dòng)、噪聲效果［1］，但其采用不對(duì)稱半橋主電路，四相（8／6）SR電機(jī)需要8只主開關(guān)器件和8只續(xù)流二極管，未能充分體現(xiàn)單極性的SR電機(jī)功率變換器結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件少的優(yōu)勢(shì)，影響了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

　　本文采用一種新型的只有6只主開關(guān)器件的四相率變換器[6]，在以8098單片機(jī)為控制核心的SRD設(shè)計(jì)中，引入兩步換相控制策略，在電壓PWM和APC兩種工況下，顯著地抑制了SR電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

　　圖2電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由Pollock等率先提出［6］，其基本上保留了不對(duì)稱半橋線路的優(yōu)點(diǎn)，所用開關(guān)器件又較不對(duì)稱半橋少，具有較高的性能／價(jià)格比。
　　
　　與常規(guī)SR電機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）換相邏輯控制不同，既要滿足SR電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行換相要求，又要滿足兩步換相要求是制定6只主開關(guān)換相規(guī)則的原則，顯然，這限制相繞組的最大導(dǎo)通角θc不得超過30°。

　　由圖3可見，控制器主要由8098單片機(jī)，外接EPROM27128、專用鍵盤顯示器接口芯片8279、位置譯碼及換相控制電路、電流檢測(cè)與過流保護(hù)電路組成。由于基速以下采用的是電壓PWM方式，為防止GTR因過流而損壞，設(shè)計(jì)了過流保護(hù)電路。對(duì)四相SR電機(jī)，其交叉相（即A、C相和B、D相）的導(dǎo)通區(qū)間一般不會(huì)重疊，因此可采取A相和C相、B相和D相分別共用一個(gè)電流傳感器（LEM模塊），對(duì)四相電流檢測(cè)，如圖2所示。
　　
　　兩路轉(zhuǎn)子位置信號(hào)分別送8098的高速輸入口HSI0和HSI1，HSI中斷服務(wù)程序與高速輸出HSO0～HSO3和位置譯碼及換相控制電路配合，用于控制6只主開關(guān)的導(dǎo)通、關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)SR電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行的換相要求及兩步換相要求，HSI中斷服務(wù)程序還用于速度的采樣。

3．2　位置譯碼及換相控制電路設(shè)計(jì)

　　圖2中K1、K3、K4、K6均作為第一步換相開關(guān)，與兩繞組相連的公共開關(guān)K2、K5則作為第二步換相開關(guān)。位置檢測(cè)采用如圖4所示的光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器半數(shù)檢測(cè)方案。轉(zhuǎn)盤的齒、槽數(shù)與轉(zhuǎn)子的凸極、凹槽數(shù)一樣，均為6，且均勻分布，所占角度均為30°，轉(zhuǎn)盤安裝在轉(zhuǎn)子軸上并同步旋轉(zhuǎn)，圖中S、P為光電脈沖發(fā)生器，當(dāng)轉(zhuǎn)盤凸齒轉(zhuǎn)到開槽的S、P位置時(shí)，發(fā)光管被遮住而使其輸出狀態(tài)為0，沒有被遮住時(shí)，其輸出狀態(tài)為1，則在一個(gè)轉(zhuǎn)子角周期（60°）內(nèi)，S、P產(chǎn)生2個(gè)相位差為15°，占空比為50％的方波信號(hào)，其組合成4種不同的狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)四相繞組不同的參考位置。設(shè)θc對(duì)應(yīng)的時(shí)間為tc，兩步換相的時(shí)間間隔為tm，則APC方式下SR電機(jī)逆時(shí)針換相規(guī)則（正轉(zhuǎn)換相規(guī)則）為：
　　
　?。?）若S＝0，且P由0躍變到1，則K1、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若P＝1，且S由0躍變到1，則K4、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若S＝1，且P由1躍變到0，則K3、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若P＝0，且S由1躍變到0，則K6、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷。

　　順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的換相規(guī)則（反轉(zhuǎn)換相規(guī)則）為：
　?。?）若S＝0，且P由1躍變到0，則K1、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若P＝0，且S由0躍變到1，則K6、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若S＝1，且P由0躍變到1，則K3、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若P＝1，且S由1躍變到0，則K4、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷。

　　筆者利用8098硬件資源（HSI口、HSO口及P2．5）及少量外接的數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)上述換相控制的硬件電路。其中，HSO1、HSO3分別產(chǎn)生K2、K5的換相控制信號(hào)；HSO2、HSO0產(chǎn)生K1、K3、K4、K6的換相控制信號(hào)，因?yàn)椴捎猛饨舆壿嬰娐窐?gòu)成了30°導(dǎo)通制的換相邏輯控制，因此A相（K1）、C相（K3）可共用HSO0，B相（K4）、D相（K6）可共用HSO2。8098片內(nèi)的脈沖寬度調(diào)制器提供的PWM信號(hào)頻率固定為15．625kHz，這一斬波頻率對(duì)GTR而言偏高，故不采用片內(nèi)的PWM方式，將P2．5作為普通輸出口，由軟件定時(shí)器T1、T2中斷形成定頻調(diào)寬的PWM脈沖，和HSO2、HSO0及外接邏輯電路一起為工作在PWM方式下K1、K3、K4、K6提供換相控制信號(hào)；若為APC方式，則將P2．5置0。由于兩步換相限制了θc不得超過30°，這降低了起動(dòng)性能，為此在起動(dòng)階段不采用兩步換相法，而采用兩相全開通起動(dòng)方式，待起動(dòng)過程結(jié)束后，再切換到二步換相法。