基于两步换相控制策略的SR电机直接数字控制系统设计

2007-01-04 来源：中国电机工程学报

1　引言

　　开关型磁阻（SR）电机调速系统（SRD）结构简单、坚固、成本低，调速性能优良，在宽广的调速范围内均具有较高的效率，应用前景十分广阔。但由于SR电机的双凸极结构和采用开关性的供电电源，振动、噪声是其突出的问题，这已成为SRD在更多范围内推广应用发挥其特长的主要障碍。过去人们对SRD的研究主要集中在SR电机本体设计、功率变换器及速度控制策略研究上，因为研究难度大，目前，只有少量文献论及SR电机振动、噪声研究［1～5］。
　　
　　文［1］基于时域分析，得出结论：SR电机相绕组关断所激发的冲击振动是最主要的振动、噪声来源。为削弱这一振动，文［1］提出将相电流关断过程分成两步的“两步换相法”（参见图1）：第一步仅关断K1，相电压Up由＋Us负跃变至0 V；第二步再关断K2，这时Up由0 V负跃变到－Us。控制第二步与第一步时间间隔为定子固有频率对应周期的一半，这样，第二步与第一步产生的冲击振动相位差为180°，因而相互抵消。WUC．Y．等率先将“两步换相法”引入SRD系统设计，在CCC方式和APC方式两种工况下取得良好抑制振动、噪声效果［1］，但其采用不对称半桥主电路，四相（8／6）SR电机需要8只主开关器件和8只续流二极管，未能充分体现单极性的SR电机功率变换器结构简单、开关器件少的优势，影响了系统的经济性。

　　本文采用一种新型的只有6只主开关器件的四相率变换器[6]，在以8098单片机为控制核心的SRD设计中，引入两步换相控制策略，在电压PWM和APC两种工况下，显著地抑制了SR电机的振动和噪声。

2　系统描述

　　
　　为实现多数传动装置需要的转矩／转速特性：从静止到基速具有恒转矩，在基速以上具有恒功率特性，系统采取的控制策略为基速ωb以下，电压PWM控制，输出恒转矩特性；基速ωb以上，角度位置控制（APC），输出恒功率特性。为简化控制规律，采取将关断角θoff固定在一个由实验得到的最优角度22°处，仅调节起始开通角θon。
　　
　　8098单片机定时采样由转子位置传感器获得的反馈速度，与由键盘敲入的给定速度比较，误差经数字PI调节，再经软件处理，根据反馈速度的大小是否在基速以上转换成PWM脉冲或控制角度的APC单脉冲的控制参数。微机控制器根据转子位置控制对应相绕组的导通或关断，输出对应的PWM脉冲或APC单脉冲，经功率变换器，实现对SR电机的控制。为简化硬件电路，PWM控制、APC脉冲控制、速度检测、PI调节器均由软件实现；为提高过流保护动作的快速性，采用硬件过流保护电路。
　　
　　样机为0．75 k W四相（8／6）SR电机，功率变换器以GTR作为主开关器件，采用图2所示的功率主电路。

　　图2电路的拓扑结构由Pollock等率先提出［6］，其基本上保留了不对称半桥线路的优点，所用开关器件又较不对称半桥少，具有较高的性能／价格比。
　　
　　与常规SR电机直接数字控制系统（DDC）换相逻辑控制不同，既要满足SR电机电动运行换相要求，又要满足两步换相要求是制定6只主开关换相规则的原则，显然，这限制相绕组的最大导通角θc不得超过30°。

3　系统硬件设计

3．1　微机控制器硬件框图

　　以8098单片机为核心的微机控制器硬件框图如图3所示。

　　由图3可见，控制器主要由8098单片机，外接EPROM27128、专用键盘显示器接口芯片8279、位置译码及换相控制电路、电流检测与过流保护电路组成。由于基速以下采用的是电压PWM方式，为防止GTR因过流而损坏，设计了过流保护电路。对四相SR电机，其交叉相（即A、C相和B、D相）的导通区间一般不会重叠，因此可采取A相和C相、B相和D相分别共用一个电流传感器（LEM模块），对四相电流检测，如图2所示。
　　
　　两路转子位置信号分别送8098的高速输入口HSI0和HSI1，HSI中断服务程序与高速输出HSO0～HSO3和位置译码及换相控制电路配合，用于控制6只主开关的导通、关断，实现SR电机电动运行的换相要求及两步换相要求，HSI中断服务程序还用于速度的采样。

3．2　位置译码及换相控制电路设计

　　图2中K1、K3、K4、K6均作为第一步换相开关，与两绕组相连的公共开关K2、K5则作为第二步换相开关。位置检测采用如图4所示的光敏式转子位置传感器半数检测方案。转盘的齿、槽数与转子的凸极、凹槽数一样，均为6，且均匀分布，所占角度均为30°，转盘安装在转子轴上并同步旋转，图中S、P为光电脉冲发生器，当转盘凸齿转到开槽的S、P位置时，发光管被遮住而使其输出状态为0，没有被遮住时，其输出状态为1，则在一个转子角周期（60°）内，S、P产生2个相位差为15°，占空比为50％的方波信号，其组合成4种不同的状态，分别对应四相绕组不同的参考位置。设θc对应的时间为tc，两步换相的时间间隔为tm，则APC方式下SR电机逆时针换相规则（正转换相规则）为：
　　
　　（1）若S＝0，且P由0跃变到1，则K1、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
　　（2）若P＝1，且S由0跃变到1，则K4、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
　　（3）若S＝1，且P由1跃变到0，则K3、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
　　（4）若P＝0，且S由1跃变到0，则K6、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断。

　　顺时针转动的换相规则（反转换相规则）为：
　　（1）若S＝0，且P由1跃变到0，则K1、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
　　（2）若P＝0，且S由0跃变到1，则K6、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
　　（3）若S＝1，且P由0跃变到1，则K3、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
　　（4）若P＝1，且S由1跃变到0，则K4、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断。

　　笔者利用8098硬件资源（HSI口、HSO口及P2．5）及少量外接的数字逻辑电路设计了实现上述换相控制的硬件电路。其中，HSO1、HSO3分别产生K2、K5的换相控制信号；HSO2、HSO0产生K1、K3、K4、K6的换相控制信号，因为采用外接逻辑电路构成了30°导通制的换相逻辑控制，因此A相（K1）、C相（K3）可共用HSO0，B相（K4）、D相（K6）可共用HSO2。8098片内的脉冲宽度调制器提供的PWM信号频率固定为15．625kHz，这一斩波频率对GTR而言偏高，故不采用片内的PWM方式，将P2．5作为普通输出口，由软件定时器T1、T2中断形成定频调宽的PWM脉冲，和HSO2、HSO0及外接逻辑电路一起为工作在PWM方式下K1、K3、K4、K6提供换相控制信号；若为APC方式，则将P2．5置0。由于两步换相限制了θc不得超过30°，这降低了起动性能，为此在起动阶段不采用两步换相法，而采用两相全开通起动方式，待起动过程结束后，再切换到二步换相法。

4　软件设计

　　系统软件由主程序、中断服务程序、专用子程序组成。主程序初始化整个系统和将显示缓冲区的4位速度值送8279显示RAM；中断服务程序包括软件定时器T0、T1、T2中断服务程序、HSI中断服务程序、键盘中断服务程序。其中软件定时器T0中断服务程序完成速度环PI调节与控制参数、显示速度刷新；软件定时器T1、T2完成速度采样和电压PWM控制信号的生成；HSI中断服务程序在换相控制电路支持下实现如上所述的换相规则；键盘中断服务程序首先读取按下的键值，然后根据按下的键跳转到对应的功能模块控制系统程序的执行。专用子程序主要是四字节浮点运算子程序、十六进制数转换成BCD码子程序等。

　　主程序初始化系统时，将HSI方式设置为每次跳变触发，因此电机每转过一个步进角，HSI中断服务程序将被执行一次，其主要是通过测试HSI0（即S信号）和HSI1（即P信号）当前的状态给HSO－COMMAND寄存器装载相应的命令字和给HSO－TIME寄存器装载触发时间值使HSO0～HSO3产生所要求的输出信号。HSI中断服务程序在实现换相控制规则的同时，还实现了APC方式下的控制。为简化设计，采用将θoff固定在经实验获得的优化角22°处，而在速度环中调节θon。　

　　转速测量通过在采样周期内记录HSI事件触发的次数———转过的步进角（15°）数目N实现。

　　速度环程序在起动阶段每隔120 ms被调用一次；起动后若运行在基速以下每隔30 ms被调用一次，若运行在基速以上每隔12 ms被调用一次。速度环首先计算实际转速，然后判断电机是否已经起动。将电机转速低于50 r／min作为起动阶段，在起动阶段速度偏差不作PI调节运算，而是采取软件定时器T1中断服务程序中逐步加大斩波占空比的方法实现软起动功能。电机起动后，速度环每调用一次，都要进行一次速度偏差PI运算，然后刷新控制参数。

5　系统运行实验

　　以给电阻箱（ZB－120型）供电的直流发电机（Z2－31型，3 k W，3 000 r／min）作负载，对0．75 k W SRD系统负载运行的振动、噪声作了测试。图5为采用电压PWM方式，电机运行在547 r／min在机座表面所测振加速度波形，图6为APC方式下电机运行在1 433 r／min所测振动加速度波形图。

　　表1为测量距离取0．4 m左右，电机负载运行在不同速度下，声级计滤波网络采用A计权网络测得的总声级分贝（A）对比。
　　
　　图5、6表明系统引入两步换相法对SR电机定子振动有显著的抑制效果；表1表明两步换相法对噪声有明显抑制作用，虽然限于条件，背景噪声较大，测量的精确性不高，但从噪声的对比测试看，在有些工况下，两步换相法的总声级较传统换相法低3 dB（A）左右，相当于声功率降低了1倍左右，效果是显然的。

表１

参考文献：

［1］　Wu CY，et al．Analysis and reduction of vibration and acoustic?

noisein the switched reluctance drive［J］．IEEETrans on IA，1995，31（1）：91－98．
［2］　Cameron DE，etal．Theorigin and reduction of acoustil noiseindoubly salientvariable reluctance motors［J］．IEEETrans on IA，1992，28（6）：1250－1255
［3］　Blaabjerg F，et al．Investigation and reduction of acoustical noise　form switched reluctanec drives in current and voltage control [C].Proc.ICEM'94,1994.
?[4]?? 刘迪吉，曹志亮（Liu Diji,Cao Zhiliang).开关磁阻电动机振动噪声研究（Research on vibration and acoustic noise in switched reluctanec drines)[J].江苏机械制造与自动化（Jiangsu Machine　 Building＆Automation），1990，（3）：33－34．
［5］　王宏华，陈永校，许大中，等（Wang Honghua，Chen Yongxiao，XuDazhong，et al）．开关磁阻调速电机定子振动抑制（Thereduction ofvibrationintheswitched reluctance drive）［J］．电工技术学报（TransactionsofChina ElectrotechnicalSociety），1998，　　13（3）：9－12．
［6］　Pollock C，et al．Power convertercircuitsforswitched reluctance　　motor with the minimum number of switches［J］．IEE Proc，
1990，137（6）：373－384．

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