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)

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1、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75kW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)(S州)存在的非線性問題，采用“PI+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0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)

2、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)模型，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調(diào)速系統(tǒng)，一定程度上解

3、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)子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。為保證良好的調(diào)速性能，SRD采用雙

4、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)和限制過大的繞組電流，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1所示。TMS320F2812是TI公．146．司推出的最新一款DSP芯片，也是目前國(guó)際市場(chǎng)上最先進(jìn)、功

5、能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片，其指令處理速度可達(dá)150M／s121。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)是由霍爾電流傳感器測(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，實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。圖1SRD系統(tǒng)硬件框圖2．1功率變換

6、器設(shè)計(jì)功率主電路采用不對(duì)稱半橋電路，使得電機(jī)的每一相繞組能夠獨(dú)立控制，最大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。圖2功率變換器主電路關(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MOSFET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)。IGBT的驅(qū)動(dòng)選用日本富士公司的IGBT專

7、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1us，最高工作頻率可達(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)．．147．．速。本文采用的位置傳感器是絕對(duì)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

8、為15。，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