摘 要：本文介紹了一種開關(guān)磁阻電機模數(shù)混合式控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。分析了開關(guān)磁阻電機的數(shù)學(xué)模型和工作原理，提出基于定角度電壓斬波方式的速度單閉環(huán)控制方案，控制回路采用模擬方式實現(xiàn)PI速度調(diào)節(jié)，反饋回路則采用以80C51為核心的單片機系統(tǒng)進(jìn)行位置信號與反饋速度之間的轉(zhuǎn)換處理，同時給出相應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機，模擬控制，數(shù)字控制 [align=center]One Kind of Analog and Digital Mixed System Design for Switched Reluctance Motor SHI zheng-guang, HUANG yun-sheng, CHEN xue （School of Information Science & Engineering,Central South University. changsha 410083 China） 師爭光，黃運生，陳學(xué) （中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）[/align] Abstract: This article introduces one kind of analog and digital mixed system design proposal for switched reluctance motor. It briefly analyses the math model and principle of the switched reluctance motor, and proposes single speed closed-loop control plan which is based on the fixed angle voltage wave-cut control mode. The control loop selects the simulation method to realize the PI speed regulation, the feedback loop uses 80C51 as the core monolithic integrated circuit system carries on the position signal and feedback speed transformation processing, at the same time, the article gives the corresponding hardware architecture. Key words: switched reluctance motor; analogous control; digital control 1. 引言 開關(guān)磁阻電機以其結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、可控性好、工作可靠、效率高、綜合性能優(yōu)越等優(yōu)點,在工業(yè)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。目前美國、加拿大、南斯拉夫等國已相繼開展研究工作，并在系統(tǒng)的一體化設(shè)計、電動機的電磁分析、微機的應(yīng)用、新型電力電子器件的應(yīng)用、新型結(jié)構(gòu)形式（如單相電機、無傳感器電機等）的開發(fā)等方面取得進(jìn)展。國內(nèi)已有一批高校、研究所和工廠每年投入開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的開發(fā)和制造當(dāng)中。本文基于定角度電壓斬波控制策略，借用速度單閉環(huán)，采用模數(shù)混合的方式設(shè)計了一套簡單實用的小功率開關(guān)磁阻電機的控制系統(tǒng)。 2. 開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與原理 2.1 開關(guān)磁阻電機的線性數(shù)學(xué)模型【1】 開關(guān)磁阻電機屬于雙凸極可變磁阻電動機，其定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組。在現(xiàn)有常規(guī)設(shè)計中，一般忽略鐵心部分磁飽和，同時不考慮漏磁通，即磁通全部由氣隙進(jìn)出轉(zhuǎn)子，在這種情況下，氣隙磁導(dǎo)僅由定轉(zhuǎn)子重合部分的極弧角度大小決定，即氣隙磁導(dǎo)僅是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角 的函數(shù)。其電感隨轉(zhuǎn)角變化的曲線如圖1所示： 分析可知，在電感曲線的上升段，通入繞組電流產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)距，在電感曲線的下降段，通入繞組電流則產(chǎn)生反向電磁轉(zhuǎn)距。因此通過改變繞組通電的時刻來改變轉(zhuǎn)距方向，同時通過調(diào)節(jié)脈沖的寬度控制繞組電流的大小從而達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的。 2.2 系統(tǒng)原理框圖[1][2] 模數(shù)混合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示： 給定速度與反饋速度的偏差經(jīng)速度調(diào)節(jié)器輸出后，作為PWM電路的輸入控制信號，控制調(diào)節(jié)一定頻率的脈沖寬度，方波脈沖作用于功率電路，通過IGBT的開關(guān)作用，將施加到SR電動機相繞組上的直流電源電壓斬波成對應(yīng)頻率和占空比的方波電壓，從而改變相繞組兩端電壓的有效值，實現(xiàn)SR電動機的轉(zhuǎn)速控制。 邏輯電路綜合了角位移信號和控制方式輸出一個符合電動機相數(shù)并實現(xiàn)調(diào)速控制的多路信號；位置檢測信號經(jīng)數(shù)字倍頻與頻壓轉(zhuǎn)換電路后，輸出反饋速度。 3. 功率變換器的設(shè)計[2] 在SRM的常用功率變換器主電路中，常用的有電機雙繞組型﹑電容裂相型﹑H橋型﹑以及不對稱半橋型等，本文采用如圖3設(shè)計方案，在實驗中取得良好效果。設(shè)計針對8/6極開關(guān)磁阻電機，在上述電路中，我們將三相交流整流施加與電機繞組兩端。以A相為例，各相只有一個可控器件T1和一個續(xù)流二極管DL1,可采用單相或雙相方式進(jìn)行，本文采用單相加以驗證，當(dāng)可控器件T1導(dǎo)通，整流電流經(jīng)過繞組A，推動其產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)距；當(dāng)其關(guān)斷，繞組經(jīng)二極管DL1續(xù)流，其中R2、C3起保護(hù)可控器件的作用。為避免啟動過程中電流沖擊，在C1路串聯(lián)一大功率電阻R1，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)后，將其斷開。 [align=center] 圖3 SRD功率變換電路原理圖[/align] 4. 開關(guān)磁阻電機數(shù)?；旌舷到y(tǒng)的設(shè)計 4.1 轉(zhuǎn)子角位移檢測[1][2] 適用于開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的角位移傳感器型式很多，其中最常用的就是光電式，它的優(yōu)勢就是結(jié)構(gòu)簡單，位置精度高，但比較怕灰塵，需要有密封很好的防塵罩。本文采用四相8/6極結(jié)構(gòu)，位置檢測采用半數(shù)檢測方案，步進(jìn)角為15度，轉(zhuǎn)子極距角為60度，轉(zhuǎn)盤的齒﹑槽數(shù)與轉(zhuǎn)子的凸極﹑凹槽數(shù)一樣為6，且均布，所占角度均為30度，轉(zhuǎn)盤安裝在轉(zhuǎn)子軸并同步旋轉(zhuǎn)，夾角為75度的兩光電脈沖發(fā)生器S1、S2分別固定在定子中心線左右兩側(cè)75/2度處。 當(dāng)圓盤中凸起的齒轉(zhuǎn)到開槽光電脈沖發(fā)生器S1、S2位置時，因其中發(fā)光管的光被遮住而使其輸出狀態(tài)為0，沒有被遮住時，輸出狀態(tài)為1。則在一個轉(zhuǎn)子角周期60度內(nèi)，S1、S2產(chǎn)生兩個相位差為15度，占空比為50％的方波信號。它組合成4種不同的狀態(tài)，分別代表電動機四相繞組不同的參考位置。 [align=center] 圖4 .光電脈沖發(fā)生器電路[/align] 圖5所示的光電脈沖發(fā)生器輸出的位置脈沖信號有一定的上升和下降沿。為此，光電三極管輸出電壓后我們采用一個滯后回線的比較器整形，以消除輸出位置信號的“毛刺”及其上升和下降沿。 4.2 θ[sub]off[/sub]、θ[sub]on [/sub]的確定與啟動方式[2] 分析上圖1中電感曲線可知，改變θ[sub]on[/sub]使電感上升段電流變化，從而改變了電動機轉(zhuǎn)距，改變θ[sub]off[/sub]一般不影響電流峰值，但影響電流波形的寬度及其同電感曲線的相對位置。本文采用定角度斬波的控制方式，θ[sub]off[/sub]則 和θ[sub]on [/sub]應(yīng)取兼顧高低速運行的中間值，其適用的調(diào)速范圍一般不會太大，如比例為1：20。 電動機啟動時，要求轉(zhuǎn)子在任何位置下都能夠以最大轉(zhuǎn)距起動，所以此時需讓繞組電流自然通斷，本文的四相8/6極電動機取θ[sub]on[/sub] ＝0[sup]。[/sup] ，θ[sub]off[/sub] ＝30[sup]。[/sup] ，但當(dāng)速度逐漸升高，則應(yīng)該使 θ[sub]off[/sub] < 30[sup]。[/sup] ,否則會因續(xù)流而形成制動轉(zhuǎn)距影響運行。 4.3 數(shù)字倍頻與頻壓轉(zhuǎn)化電路[3][4][5] 作為反饋檢測環(huán)節(jié)，本文采用以80C51的單片機為核心的控制結(jié)構(gòu)，通過兩片定時/計數(shù)器芯片8253完成位置信號的倍頻和頻/壓處理，信號輸出DAC0832芯片和I/V轉(zhuǎn)換電路。同時運用單片機系統(tǒng)處理電機的正反轉(zhuǎn)，停車啟動等相對簡單，其P3.5 、P3.6端口輸出正反轉(zhuǎn)控制信號。 數(shù)字倍頻電路選用芯片8253下，當(dāng)兩路位置信號異或之后機械角度為15度，作為圖6中的原始位置脈沖送入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在8253下中計數(shù)器0對每個15度的方波Q計一次數(shù)，即申請一次中斷，CPU響應(yīng)讀出計數(shù)器1對固定脈沖的計數(shù)值N并且清零，然后在將此值除以50，產(chǎn)生的值送入到計數(shù)器2中作為其時間常數(shù)值N/50，計數(shù)器2也由固定時鐘脈沖計數(shù)，當(dāng)回零時，便輸出一個倍頻后的脈沖F。若設(shè)15度中斷脈沖對應(yīng)的周期為T，而固定脈沖的周期為t,則倍頻后脈沖的周期為Nt/50,且有Nt=T，則有TF＝T/50?？梢娸敵龅拿}沖通過此環(huán)節(jié)實現(xiàn)了50倍頻。 在數(shù)字頻壓轉(zhuǎn)化電路中，所用策略基于電機的常用測速方法：M/T測速法。在實際應(yīng)用的過程中，M測速法較適合高速段，而T測速法較適合低速段，兩者相結(jié)合的這種方式即M/T法在數(shù)字測速中應(yīng)用較為廣泛。其測速公式如下： 其中f[sub]0[/sub]表示時鐘脈沖的頻率，m[sub]1[/sub]表示倍頻后的位置脈沖個數(shù)，m[sub]2[/sub]表示同時時間周期下高頻時鐘脈沖個數(shù)，P表示倍頻后的電機旋轉(zhuǎn)一周的脈沖個數(shù)。 在上面的硬件電路中，8253上的計數(shù)器0和計數(shù)器1分別對m[sub]1[/sub]和m[sub]2[/sub]進(jìn)行計數(shù)，D觸發(fā)器主要用來使m[sub]2[/sub]的計數(shù)與測速脈沖計數(shù)同步，由于8253為下降沿計數(shù)，所以使用反相器M，啟動測速和停止測速的信號由單片機80C51的P3.4口輸出，P3.1口用于復(fù)位脈沖的輸出。 其中8253是減法計數(shù)器，編程時，十六位的計數(shù)器的初始值置0000H，讀數(shù)后也置0000H，在一個測速的采用周期內(nèi)，允許的最大測速脈沖和時鐘脈沖數(shù)應(yīng)小于FFFFH。 數(shù)據(jù)處理后經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)化輸出，應(yīng)該注意為了得到實際中的模擬電壓，在互補的電流輸出端配合以I/V轉(zhuǎn)換器。 4.4 正反轉(zhuǎn)通電邏輯電路[1] 正反邏輯通電電路實際上是將位置信號轉(zhuǎn)化為四相通電信號，這里采用74LS14反相緩沖器配合兩片74LS09與門來實現(xiàn)，單片機其中兩個端口信號控制其正反轉(zhuǎn)邏輯的開通和切換，應(yīng)特別注意信號的同步問題，保證轉(zhuǎn)換信號具有相似的時間延遲時間，確保后面信號可靠觸發(fā)。 [align=center] 圖6 正反邏輯控制電路[/align] 4.5 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計[2] 根據(jù)系統(tǒng)原理，頻/壓轉(zhuǎn)化過來的信號經(jīng)過模擬速度調(diào)節(jié)器的處理，輸出控制信號送給PWM發(fā)生裝置，最后控制功率變換器件的邏輯順序。速度調(diào)節(jié)器以O(shè)P07為核心，采用PI算法，如圖8。R6可以調(diào)節(jié)速度給定，同時和Vout進(jìn)行比較，R8、C4構(gòu)成PI運算電路，其中參數(shù)可調(diào)，VD1為調(diào)節(jié)器輸出限幅鉗位二極管， PI路并聯(lián)的開關(guān)J是為了防止漂移輸出引起傳動系統(tǒng)誤動作而設(shè)置的，在零輸入條件下，往往出現(xiàn)漂移，引起系統(tǒng)的“爬行”，即在停車狀態(tài)下，開關(guān)J閉合，即PI調(diào)節(jié)器沒被投入，輸出為零；相反，工作狀態(tài)下，開關(guān)J處于打開狀態(tài)，PI調(diào)節(jié)器投入系統(tǒng)。 [align=center] 圖7 速度調(diào)節(jié)器[/align] 5 結(jié)論 本文針對2.2KW的小型開關(guān)磁阻電機設(shè)計了該數(shù)模混合控制系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速為1500r/min,對抗干擾和動態(tài)響應(yīng)要求不很高的情況，采用這種方式十分有效。由于控制系統(tǒng)的設(shè)計是基于一定簡化處理的SR電動機小信號線性化動態(tài)模型，自然與實際運行的SRD存在較大的差異，仍舊需要在參數(shù)，結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)一步優(yōu)化。 該系統(tǒng)保持最大力矩啟動進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，調(diào)節(jié) 在7.5度左右， 在22.5度左右，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，速度保持平滑上升；減小 速度明顯速度降低，到一定程度會出現(xiàn)脈動；增大 的幅度大于 ，電機會明顯加速，到 為17.5度以上，由于前沿脈沖過窄，電機脈動十分明顯，所以在調(diào)節(jié)過程中，要求調(diào)節(jié)程度保持在一定的范圍內(nèi)。本系統(tǒng)經(jīng)測試運行穩(wěn)定，設(shè)計簡單，可用于功率要求不高的應(yīng)用場合。 參考文獻(xiàn)： [1] 胡崇岳.交流調(diào)速技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社.1998.198頁-203頁 [2] 王宏華.開關(guān)型磁阻電動機調(diào)速控制技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社. 1995.101頁-102頁 [3] 羅桂娥.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].中南大學(xué)出版社.2005.203頁-205頁 [4] 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