基于DSP模糊控制的開關磁阻電機調速系統設計

    何降彪，梁雨時，王世琥

    (西安交通大學，陜西西安710049)

    摘要：選用DsPTMs320F2812為主控芯片，設計了四相8／6極75 kw開關磁阻電機調速系統(sRD)。針對開關磁阻電機(sRM)存在的非線性問題，采用“P1+模糊”雙閉環算法分別對電機的繞組電流和轉速進行控制。實驗結果表明，該控制方法對于非線性嚴重的sRM具有很好的控制效果。

    關鍵詞：開關磁阻電動機；非線性；數字信號處理器；模糊控制

  O引言

    開關磁阻電機(sRM)是80年代中期發展起來的新型電機，它融電力電子技術、微電子技術和電機控制技術于一體，為典型的機電一體化產品。開關磁阻電機調速系統(sRD)與直流調速系統和異步電動機變頻調速系統相比較，具有結構簡單、成本低、效率高、控制靈活、起動電流小、起動轉矩大、適用于惡劣環境等優點，因此近年來在牽引運輸、通用工業、家用電器等領域得到了廣泛應用。但是sRM具有嚴重的非線性及變結構、變參數特點，難以建立精確的數學模犁，且在不同的控制策略下其參數、結構都是變化的，因此固定參數的PID控制方式難以獲得理想的控制性能。針對上述問題，本文把高性能DsP和“模糊+PI”的雙閉環控制算法相結合，設計了四相8／6極sRM淵速系統，一定程度上解決了sRM非線性帶來的一系列問題。

  1系統結構與控制策略

    sRD系統主要由sRM、功率變換器、控制器、檢測單元四大部分組成。功率變換器是sRD系統能量傳輸的關鍵部分，起控制繞組的開關作用，是影響系統性能價格比的主要因素；控制器是sRD系統的核心部分，完成電流及轉速的調節，其性能的好壞直接影響電機的運行性能；檢測單元由位置檢測和電流檢測環節組成，提供轉了的位置信息從而確定各相繞組的開通與關斷，提供電流信息以采取相應的保護措施防止過電流。

    sRD系統的主要功能是以轉速值為給定量，并要求sRM的轉速能自動跟隨給定量。為保證良好的淵速性能，sRD采用雙閉環控制系統。外環是轉速環，采用模糊算法，內環是電流環，采用經典PI算法。sRD系統的主要控制方式有：角度位置控制、電流斬波控制和電壓PwM控制。本系統采用電壓PwM控制，其特點是通過PwM方式調節繞組的電壓平均值，間接調節和限制過人的繞組電流，從而實現sRM調速。它既能用于轉速調節系統的高速運行，又適合于低速運行，而且抗負載擾動的動態響應快，控制起來比較容易。

  2系統硬件設計

本文所設計的基于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，也是目前國際市場上****進、功能******的32位定點13DSP芯片，其指令處理速度可達150M／s。圖中，虛線框內的部分為TMS320F2812，系統的所有控制環節，包括電流環控制、轉速環控制、電機換向等全部由軟件完成，DsP直接輸出邏輯電平型的PwM控制信號驅動功率變換器工作，從而對sRM進行電流、速度控制。電流反饋信號是由霍爾電流專感器測得的，信號經過處理后送入_TMS320F2812內的ADc，轉換為數字量，構成電流環。速度反饋信號由位置傳感器獲取，經過調理后送入DSP的cAP單元，從而得到電機的速度和方向，買現速度的閉環控制。

 

2 1功率變換器設計

    功率豐電路采用不對稱半橋電路，使得電機的每一相繞組能夠獨立控制，****限度地減少各相的關聯，保證電機各相獨立，避免了常規驅動電路上、下橋結構出現的換向直通現象，提高電機的運行可靠性。不對稱半橋電路的拓撲結構如圖2所示。

關于主開關器件的選擇，考慮到絕緣柵雙極晶體管(IGBT)具有功率損耗小、開關速度快、驅動電路簡單，并且兼有M0sFET高輸入阻抗和GTR通態飽和壓降低的優點，故選用了西門康公司生產的300A／1200v，型號為sKM300GBl23D的IGBT作為主電路開關。

lGBT的驅動選用日本富士公司的lGBT專用高速型驅動模塊ExB841，它可用于驅動400A，600V以下或300A／1200v以下的IGBT，整個電路信號延遲時間不超過1 μs，****工作頻率可達40kHz，它只需外部提供一個+20v的單電源，內部自己產生+15v(開通)和一5v(關斷)的驅動電壓。模塊采用高速光耦隔離，并有短路保護及慢速關斷功能，對本系統比較適用。IGBT驅動電路如圖3所示。

2 2轉子位置檢測

轉子位置信號主要作用有兩個：一是精確指示定子與轉子相對位置關系；二是實時計算電機轉速。本文采用的位