開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

1、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞:數(shù)字信號(hào)處理器;開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng);TMS320F2407芯片 1 引言 20多年來(lái),開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究在國(guó)內(nèi)外都取得了很大的發(fā)展,而且作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),它兼有直流傳動(dòng)和普通交流傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家用電器、電動(dòng)車輛等諸多領(lǐng)域。伴隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)字信號(hào)處理理論與技術(shù)的不斷完善,數(shù)字信號(hào)處理器作為電子信息領(lǐng)域的新型高科技產(chǎn)品,更為電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字化控制注入了新的生機(jī)。隨著DSP在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用,基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究已如火如荼。 2 硬件設(shè)計(jì)方案 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是由SRM、功率變換電路、DSP控制器

2、、位置傳感器等組成。 2.1 功率變換器的設(shè)計(jì) 功率變換主電路的結(jié)構(gòu)型式很多,有不對(duì)稱半橋型、雙繞組型、電容裂相型、H型、電容轉(zhuǎn)儲(chǔ)型等。 可以用來(lái)構(gòu)成SRD功率變換器的主開(kāi)關(guān)器件主要有普通晶閘管、大功率晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。電動(dòng)機(jī)功率變換器主開(kāi)關(guān)器件的選擇與電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)、供電電壓、峰值電流、成本等有關(guān);另外還與主開(kāi)關(guān)器件本身的開(kāi)關(guān)速度、觸發(fā)難易、開(kāi)關(guān)損耗、抗沖擊性、耐用性及市場(chǎng)普及性有關(guān)系。 普通晶閘管是使用時(shí)間最長(zhǎng)、伏安容量最大,并且價(jià)格比較便宜,但是因?yàn)闆](méi)有自關(guān)斷能力,開(kāi)關(guān)頻率低,強(qiáng)迫換相電路成本高、

3、可靠性差,故不適宜做功率電路中開(kāi)關(guān)元件。 雙極型功率晶體管(GTR)的開(kāi)關(guān)頻率高,具有自關(guān)斷能力,在中、小容量的SRD應(yīng)用廣泛,但其電壓、電流過(guò)載能力差,承受浪涌電流的能力差,存在二次擊穿現(xiàn)象,不易保護(hù)。 可關(guān)斷晶閘管(GTO)在不斷關(guān)斷時(shí)要求相當(dāng)大的反向控制電流,關(guān)斷控制實(shí)現(xiàn)有難度,并存在管壓降比普通晶閘管高等不足,因此作為功率電路的開(kāi)關(guān)的應(yīng)用并不廣泛。 功率場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET是一種單極型的電壓控制器件,具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),但是容量有限制并且比雙極型功率晶體管通態(tài)壓降大,只適用于低電壓、小功率的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中。 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)是80年代出

4、現(xiàn)的新型復(fù)合開(kāi)關(guān)器件,具有工作頻率較高,控制實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,而且單管的電壓定額與電流定額也已經(jīng)做得很大,已經(jīng)可以滿足對(duì)本裝置功率器件的要求,因此經(jīng)綜合考慮選用IGBT作為本系統(tǒng)SRD功率變換器的主開(kāi)關(guān)器件。本文采用H型的功率電路,如圖1所示。 A、B、C、D為SRM四相繞阻,VD1-VD4為續(xù)流二極管,V1-V4為智能模塊IPM。AB,CB,CD,AD兩相同時(shí)通電,循環(huán)導(dǎo)通工作。若V1,V3同時(shí)導(dǎo)通,則A,B相通電。若V1關(guān)斷,V2閉合,則A相關(guān)斷,C相開(kāi)始導(dǎo)通,此時(shí),A相繞組將通過(guò)二極管VD1續(xù)流,C相繞組也構(gòu)成回路,使B相電流增大,中性點(diǎn)電位必然增高,促使A相續(xù)流迅速衰減,強(qiáng)行換相。緊接著關(guān)

5、斷V3,開(kāi)通V4,則C,D相導(dǎo)通,依次循環(huán)導(dǎo)通,電機(jī)就連續(xù)運(yùn)行起來(lái)。 2.2 主開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)電路模塊是EXB84I,該電路的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路集成化,抗干擾能力強(qiáng),速度較高,保護(hù)功能較完善,可實(shí)現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。 IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求注意以下幾個(gè)問(wèn)題:(1)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。IGBT的開(kāi)關(guān)速度與其柵極控制信號(hào)的變化速度密切相關(guān)。IGBT的柵極電壓源特性呈非線性電容性質(zhì),用小內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電,以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿,使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。(2)能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艍骸?3)能向IGBT提

6、供足夠的反向柵壓。在IGBT關(guān)斷期間,由于電路中其它部分工作,會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào),這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài),增加管子的功耗,重則將使逆變電路處于短路直通狀態(tài),因此,最好給應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加反向柵壓(幅值一般為:5V15V),使IGBT在柵極出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。(4)有足夠的輸入、輸出電隔離能力。驅(qū)動(dòng)器具有電隔離能力,可以保證設(shè)備的正常工作,但是這種隔離不應(yīng)影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正常傳輸。(5)具有柵壓限幅電路,保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓為20V,驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極。(6)理想的驅(qū)動(dòng)電路要求輸入、輸出信號(hào)傳輸無(wú)延時(shí)。這一方面

7、能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后,另一方面能提高保護(hù)的快速性。 2.3 位置傳感器設(shè)計(jì) 位置檢測(cè)器作用是向DSP端口正確提供轉(zhuǎn)子位置信息。本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)傳感器是由光電傳感元件(固定部分)和光電盤(旋轉(zhuǎn)部分)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖2,齒盤上6個(gè)間隔30的齒槽,與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸。光電傳感器S、 P固定在電機(jī)機(jī)殼上,當(dāng)齒遮擋傳感器的光路,光敏管處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)光敏管受光導(dǎo)通。電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),傳感器輸出30的方波信號(hào),如圖3表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)位置傳感器輸出信號(hào)。 電機(jī)速度的檢測(cè)主要是通過(guò)檢測(cè)傳感器輸出信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？梢圆捎脵z測(cè)脈沖寬度、頻壓轉(zhuǎn)換或其它方式來(lái)實(shí)現(xiàn),本文采用的是脈沖寬度測(cè)速法。圖4中高電平部分表示電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)

8、30度即一周的1/12所需的時(shí)間t,設(shè)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為n,則有:360nt/60=30即nt=5 式中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速,單位為轉(zhuǎn)/分;t為電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)1/12周所需時(shí)間,單位為s。由上式可知,若測(cè)的位置傳感器信號(hào)脈沖寬度t,則可以獲得電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速n,且有:n=5 /t。DSP事件管理器中的捕獲單元捕獲位置傳感器的方波輸入信號(hào),DSP通過(guò)軟件編程可以計(jì)算出位置傳感器脈沖寬度的時(shí)間t,從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速n。 3 軟件設(shè)計(jì)方案 3.1 控制算法 采用了DSP數(shù)字PI調(diào)節(jié)器,實(shí)現(xiàn)SRM的閉環(huán)控制. PI控制的原理是根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值之間的偏差E(t)來(lái)進(jìn)行控制的,將偏差的比例(P)和積分(I)通過(guò)線性組合構(gòu)成

9、PI調(diào)節(jié)器,對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。 3.2 軟件結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)采用了全數(shù)字速度閉環(huán)控制系統(tǒng)軟件的主要功能是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)和實(shí)際轉(zhuǎn)速發(fā)出相應(yīng)繞組開(kāi)、關(guān)信號(hào)。軟件部分包括一個(gè)主程序和若干個(gè)中斷服務(wù)子程序,其中主程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)以及DSP內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行初始化協(xié)調(diào);子程序主要包括啟動(dòng)、運(yùn)行部分。根據(jù)SRD的控制思想以及軟件編程思想,設(shè)計(jì)出如圖4所示軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 (1)CAP捕獲程序中配置捕獲單元,這個(gè)模塊對(duì)位置傳感器輸入的兩路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行捕獲,即通過(guò)捕獲上升沿或下降沿對(duì)它們的脈沖寬度進(jìn)行捕獲,同時(shí)啟動(dòng)通用定時(shí)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 (2) 速度計(jì)算程序通過(guò)位置信號(hào)生成的頻率或時(shí)鐘信號(hào)計(jì)算速度值。 (3)速度給定通過(guò)電位器調(diào)節(jié)從模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模數(shù)模塊來(lái)輸入,利用ADC的一個(gè)模擬輸入通道來(lái)獲取采樣值,接著進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果保存在該通道的結(jié)果寄存器中,并且對(duì)這一通道可以進(jìn)行多次采樣。 (4)數(shù)字PI算法實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。 (5)PWM 輸出程序軟件模塊在系統(tǒng)輸入的基礎(chǔ)上,通過(guò)比較,輸出了PWM控制信號(hào)。 4 總結(jié) 試驗(yàn)表明基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速