传感与控制-开关磁阻电动机控制技术的研究

电子技术论坛1开关磁阻电动机控制技术的研究*迟岩（博士/教授，集美大学）叶毅坚,云利军摘要：本文首先对开关磁阻电动机的主要特点进行了介绍，在此基础上，设计出SRD微机控制系统硬件基本结构和系统的软件程序框图。组成了基于DSP控制SRD的舰船电力推进系统，并对该系统的实际运行进行分析。一、引言开关磁阻电动机驱动系统（SRD）由开关磁阻电动机（SR）、功率变换器、控制器和检测器四个部分组成。目前已成为各国研究和开发的热点之一。SRD作为一种新型调速驱动系统，首先在电动车驱动系统中得到了应用，实践证明，SRD具有许多直流电动机驱动系统和一般交流电动机调速驱动系统难以比拟的优点。SRD还可以应用于各类运载交通工具领域。但目前在我国中小型舰船电力推进系统中SRD尚未开始应用，但其发展方向是明显的，这将是舰船电力推进技术中很有竞争力的一个方面。开关磁阻电动机作为调速驱动应用呈现出的显著特点为：(1)电动机结构简单、坚固。制造工艺简单，成本低，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速。定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固。工作可靠，能应用于各种恶劣、高温甚至强振动环境；(2)损耗主要产生在定子，电动机易于冷却。转子无永磁体，可允许有较高的温升；(3)转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本；(4)功率变换器不会出现直通故障，可靠性高；(5)起动转矩大，低速性能好，无异步电动机在起动时所出现的冲击电流现象；(6)调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的机械特性。在宽广的转速和功率范围内都具有较高效率；(7)能四象限运行，具有很好的再生制动能力；(8)可用蓄电池供电，耗能低又无污染。这些特点使得SRD在舰船电力推进系统中有很大的应用潜力。二、SRD微机控制系统硬件基本结构设计SR电动机的结构比异步电动机还要简单，功率变换器主电路的结构也不复杂。但SR电动机的控制方式是要根据运行条件的不同，在不同的转子相对位置下通断各相绕阻的开关器件。这样提高了电动机控制的灵活性，但也增加了电动机运行控制的复杂性。显然，如果不采用软件和硬件相结合的微机控制系统对SR电动机进行控制，SRD性能的提高必然受到一定的限制，同时控制器的硬件电路也将过于复杂和庞大。因此，为了简化控制电路，充分挖掘SR电动机控制*集美大学科研基金资助项目（编号：F00061）方式灵活多变的优点，便于引入各种先进的控制规律，完善信息显示，实现通用性、智能化，由微机控制实现的高性能的SRD就成了我们的研究方向。根据要求，设计出的SRD的微机控制系统具有如下功能：电子技术论坛2(1)低速时，实现电流斩波控制（CCC），输出恒转矩特性；(2)高速时，实现角度位置控制（APC），输出恒功率特性；(3)具备起动、制动、停车及四象限运行；(4)具有速度调节功能；(5)具有速度显示功能。实现上述基本要求的开关磁阻电动机组成的电力推进系统的微机控制系统硬件基本结构如图1所示。其中控制器部分采用DSP（图中虚线框部分）控制。DSP总线图1SRD微机控制系统硬件基本结构图该SRD系统有两个反馈环，即速度环和电流环。速度反馈信号取自位置传感器输出的转子位置信号。为简化硬件电路，整个控制方案均由DSP（TMS320C240）微处理器用软件实现。软件实现如下功能：(1)跟踪转子位置，并输出信号至功率变换器对应的相开关器件，以励磁对应的相绕阻；(2)检测并控制四相绕阻中的电流，对其分别进行闭环控制；(3)根据转子位置检测信号计算速度值，并根据速度偏差进行速度闭环控制。完成运行方式转换控制、制动控制。事实上，微机控制作用下的SRD的任何一种工作状态都是软件和硬件相配合共同作用的结果。SR电动机微机控制系统性能的提高，除了要有高性能的CPU、主开关器件、传感器作为物质基础之外，关键还在于具体的控制策略、控制思想。相电流检测转子位置检测功率变换器放大SR电动机电流比较D/A转换APC方式输出CCC方式输出键盘显示器输入控制参数接口转速显式接口时钟电路CPUEPROMROM电子技术论坛3所以我们采用一种控制方式—Bang-Bang控制，Bang-Bang控制可以快速响应参数的变化，提高控制的精确度。控制器硬件结构如图2所示：四相输出比较输出电流给绕组电流定输出转子位置转子位置信号图2SRD控制器硬件结构图三、SRD系统的程序框图设计系统软件主要由主程序、专用子程序、中断服务程序构成。主程序初始化整个系统，并协调各个子程序的运行。主程序另一个重要的功能就是跟踪转子的位置并按正确的相序向功率变换器输出开关信号。除了CPU响应中断，主程序将不断地循环。专用子程序主要完成给定参数到转换成参考电流、参考转速之间的转换、CCC控制、APC控制。主程序框图如图3所示，初始化程序框图如图4所示，需要刷新的参数是电动机转速、检测相电流。四、DSP控制初始化显示键扫描、键分析起动与方式转换控制参数刷新速度计算图3主程序框图初始化清中断寄存器清所用RAM单元置中断字计算置控制参数输入输出口设置显示图4初始化程序框图DSP(TMS320C240)IGBT驱动电路功率变换器及SR转子位置控制电流控制电路数据键盘电子技术论坛4SRD的舰船电力推进系统1．系统组成框图图5所示是DSP控制SR电动机驱动的舰船电力推进控制系统的组成框图。Us4转换信号速度给定图5SR电动机驱动的舰船电力推进控制系统的组成框图系统所用样机为四相8/6极结构，11KWSR电动机，功率变换器主电路采用能量非回馈式电流斩波电路，IGBT做主开关。其基极驱动信号来自DSP相应接口的数据线，所用DSP支持32位浮点乘法运算。SR电动机通过传动杆带动船体螺旋桨转动来推进船体前进。系统整体的硬件结构非常简单、可靠性高、成本低。系统软件由主程序、方式转换控制程序、CCC/APC的控制程序组成。主程序初始化整个系统，并协调各个子程序的运行，跟踪转子位置并按正确的相序向功率变换器输出开关信号。软件可完成转速计算、APC/CCC方式运行控制及其方式的转换、换相控制、参考电流的计算、电动机的正/反转和制动控制等。2．系统运行分析系统启动后，电动机转向可由键盘输入指令改变。每次循环，程序首先检定给定转向，若查出方向改变，则设置方向标志。程序由该标志获悉状态的改变，从而执行诸如加速、减速、零速检测等程序。运行过程中，由位置检测器检测转子的位置，转换成速度值。通过与给定的转速比较来确定采取的控制方式：当实际转速小于给定转速，DSP对功率变换器采取CCC控制方式；当实际转速大于额定转速，则采取APC控制方式。通过这种变结构控制来改善开关磁阻电动机的运行控制。从键盘输入给定转速后，根据需要，可以有三种运行方式的选择：正车航行、倒车航行、停车。其中键盘分布为：数字键区0～9，功能键区为原来的字母键A～D，A键为给定速度键，按下该键，则将把键盘数字键输入的数值从数值缓冲区送至给定速度BCD码区，并将BCD码变成二进制数码，送至固定单元存放；B键为显示更换键，按下奇数次，显示给定速度，按下偶数次，则显示实际速度；C键为制动键（停车）；D键为反向键，按奇数次为正向（偶数次则为反向）。下面配合图6所示的键盘图样分析各种运行方式的控制。功率变换器位置检测器SR电动机螺旋桨相电流检测A/DDSPTMS320C240电子技术论坛5(1)正车运行：速度给定后，在键盘上按下A键，把输入的速度值送DSP内部转换成二进制，再从键盘上按下D键（此时奇数次，运行中要反向时再按一次D键）由DSP把控制指令通过硬件接口来控制功率变换器中相应相的开关动作，此时功率变换器的四相换相次序是AB-BC-CD-DA。通过开关斩波调节功率变换器的输出电压，从而控制SR电动机的速度变化。从电动机转速为零到电动机达到预定转速，其间经过了一个“加速—等速”过程，该过程通过位置检测器和电流传感器所构成的反馈回路，配合DSP控制来完成。(2)倒车运行：速度给定后，在键盘上按下D键偶数次，其控制同(1)一样，只是此时的功率变换器的换相次序变成：AD-DC-CB-BA。(3)停车：在电动机正常运行时按下C键，DSP控制功率变换器的换相次序与原来的换相次序相反，在转子速度为零时停止换相控制，电机停转。若要在键盘上显示速度值，则由按键B实现。这里采取的总的控制策略是Bang-Bang控制，对应的限定参数是位置角。在采用CCC控制方式时，由于速度相对给定转速要小，使用周期控制要比角度控制效果好，所以，我们采取周期来控制换相和换相过渡。由DSP把限定的角度范围转换成以时间周期来表示。当检测的角度达到规定值时，或计时时间周期到时，进行换相。该控制系统的主要性能特点为：(1)起动转矩大，起动电流小，因此可以适应船体的频繁正、倒车及起动、停车；(2)该系统是闭环调速控制系统，所以转速精度较高，动态响应较好；(3)开关磁阻电动机无电刷整流子，控制器电路也较简单，因此当船在航行中遇到诸如风浪等恶劣环境时也能得到可靠的控制。五、结束语(1)SRD性能的改善必须依靠先进的控制策略手段，势必要考虑SRD非线性和参数的时变特性，这就增加了系统控制的复杂性。所以，对于SR控制系统，最主要的是控制理论的选择。而硬件是基于控制部分来选择合适的控制器件。(2)我们选择Bang-Bang控制方式，它具有很好的随动性，快速跟踪变量的变化，而且减少了繁杂的计算，也大大减少了设计者的工作量。(3)由于基于Bang-Band控制，在控制器选择上我们采用了DSP微处理器，充分利用了它的DSRAM和硬件乘法器的快速计算功能，提高了系统控制的响应速度，保证了精确度。对比其它各种调速电动机，开关调速磁阻电动机的突出优点在于结构简单、可靠性高、起动性能好和调速性能好，而且成本低，具有较高的综合性能。该系统所采用的DSP控制的SRD具有全电控、易于智能化的优点，某些性能优于传统的船舶电力推进系统，具有极其广泛的市场前景。主要参靠文献1．王宏华编著．开关型磁阻电动机调速控制技术．机械工业出版社，1999123A456B789C0D图6键盘电子技术论坛62．邱亦慧．詹琼华，马志源等．基于DSP的开关磁阻电机数字电流控制研究．微特电机，2001年第2期3．江康源．船舶动力装置发展的新趋势．船舶工程，1999年第3期