開關磁阻電機調速系統電流環的數字控制

    邱亦慧，馬志源，詹瓊華

    (華中理工大學，湖北  武漢  430074)

  摘  要：在闡述殲關磁阻電機驅動系統(SRD)電流環數字控制原理以及對兩種可行方案進行分析比較的基礎上，提出了一種新的更適合開關磁阻電機的混合式解決方案，并分別得到實驗結果。結果表明，開關磁阻電機電流環的數字控制不僅足完全可行的，而且較傳統的模擬方案有著不可忽視的優勢。

  關鍵詞：開關磁阻電饑；數字電流環；電壓PWM；電流跟蹤

1  引  言

    SRD作為一種新興的凋速系統，以其結構簡單、控制方便、可靠性高、成本低等特點，在同類產品中具有很強的競爭力，其潛力不可估量。在數字控制浪潮的沖擊下，SRD系統也早已從剛開始的全模擬控制向數字控制轉變．但由于軟硬件等各方面的限制，國內開關磁阻電機電流環的控制仍舊是在CPU片外的模擬控制．而電流環的控制對開關磁阻電機來說是一個關鍵，因此在很大程度上影響了SRD優越性的進一步發揮。同時，越來越廣泛的應用領域決定了其對驅動系統有著越來越高的要求，尤其在響應速度和運行可靠性、靈活性等方面，這也對傳統的模擬解決方案提出了很大的挑戰，要求盡早完成電流環的數字化控制這一工作。

    近年，數字信號處理技術的快速發展以及高集成度高速的電機控制專用數字信號處理芯片的出現使得開關磁阻電機驅動系統的全面數字化尤其是電流控制的數字化成為可能，正是在這一基礎上，本文提出了兩種實現電流環數字控制的策略，并通過實驗論證和相互比較，說明兩種策略都是可行的，但各有所長，為了得到能仗開關磁阻電機各方面性能更好的電流波形，作者提出了一種集二者之長的混合式解決方案，從而對提高SRD的效率、降低噪聲和轉矩脈動具有很大意義。

2開關磁阻電機數字電流環的基本原理與兩種控制策略

2．1  基本原理

    當開關磁阻電機處于非高速運行時，繞組反電勢較小，故如不加控制，電流可以沖到很高值，在這種情況下，往往采用固定相繞組開通、關斷角，利用電流環控制得到一定大小和波形的電流，從而得到所需的電機功率、轉矩和轉速等參數。在目前理論研究的基礎上，認為方波是一種適合于開關磁阻電機的理想電流波形。

    因此電流環所要完成的任務是比較實際電流和參考電流(即方波幅值)，并根據兩者差距來決定輸出電流控制信號，使實際電流盡快達到參考電流缸；改變參考電流值，就改變了電機的最終輸出。在傳統的模擬控制中，存在多種控制策略，如電流上下限控制、電流跟蹤控制、電壓PWM控制等，這些策略都可以用數字控制實現，且在數字控制中，這一任務主要由軟件完成，由于對軟件的修改十分靈活方便，算法的嘗試可以多種多樣，因此數字控制更靈活、更有效、更精確，對開關磁阻電機控制中長期困擾人們的一些難題，如噪聲和振動，很有可能提供一個優秀的解決方案，但數字控制和模擬控制的基本原理是一

致的，如圖1所示。

    顯而易見，控制的關鍵在于詞節器算法的選擇與優化，也正是由于調節器算法的多樣性和靈活性，決定了數字電流環控制策略的多樣性和靈活性。在本文中，作者闡述了兩種控制策略的數字實現，即電壓PWM控制和電流跟蹤控制。

2．2電壓PWM控制

    電壓PwM控制的核心思想是根據當前周期采樣電流和參考電流的差值確定下一周期的PwM脈沖的導通占空比。由于二者之間的關系十分復雜，還受各種其它參數如電壓、負載等的影響，故需要一個比較復雜的算法來根據輸入確定輸出，并確保系統具有良好的動、穩態性能，如圖2所示，一般采用的算法有PID算法、模糊算法、神經網絡算法、自適應算法等。

2．3電流跟蹤控制

    電流跟蹤控制的思想比較簡單，即當前周期的控制信號總是要當前電流趨向參考電流。如果當前周期的參考電流與采樣電流的偏差小于零，則立即關斷相應相主開關，反之，即立即開通相應相主開關。因此它不像電壓PWM控制，有一個周期的延遲，其算法框圖如圖3所示。

3數字電流環的軟硬件實現及實驗結果

3．1軟硬件實現

    在硬件上作者采用TI公司的TMs320F240芯片作為CPU核心來設計實現SRM控制器的硬件系統，從