基于DSP的開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的設計

作者：時間：2008-05-30 來源：網(wǎng)絡

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摘要：根據(jù)SRM工作原理，設計了基于 DSP56F805的三相（6/4）SRM雙閉環(huán)驅動 系統(tǒng)。分析了一種三相SRM起動方法，對速度和電流環(huán)分別采用了積分分離PI控制算法和增量式PID控制算法。合理的硬件資源利用和較好的控制軟件設計，使得SRM運行穩(wěn)定可靠，相電流波形得到改善。
關鍵詞：SRM；DSP56F805；起動；積分分離PI；增量式PID

0.引言

開關磁阻電機SRM（Switched Reluctance Motor）是典型的機電一體化系統(tǒng)，具有結構簡單，運行可靠，效率高及成本低等突出優(yōu)點。本文選用Motorola公司開發(fā)的專門用于電機控制的16 位定點DSP芯片DSP56F805設計了三相（6/4）SRM雙閉環(huán)驅動 系統(tǒng)。該芯片指令執(zhí)行速度快，資源豐富，為高性能的開關磁阻電機的控制提供了可靠的信息處理與控制。

1．SRM驅動系統(tǒng)的描述

SRM驅動系統(tǒng)主要由SRM、控制器、功率變換器、位置檢測裝置和電流檢測裝置等組成。本文設計的開關磁阻電機驅動系統(tǒng)采用速度電流雙閉環(huán)的控制方式，其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

位置檢測裝置對SRM的轉子位置進行檢測，為任意時刻轉子的速度計算和換相邏輯控制提供依據(jù)。電流檢測裝置用于檢測電機的相電流，以實現(xiàn)對電機相電流的控制。控制器要實現(xiàn)的功能有：根據(jù)轉子的位置信息完成轉子速度計算及確定導通相；根據(jù)轉速偏差，利用速度調節(jié)器完成速度環(huán)的控制；根據(jù)速度調節(jié)器輸出的參考電流數(shù)值與反饋相電流數(shù)值的偏差，通過電流調節(jié)器完成電流環(huán)的控制；根據(jù)速度調節(jié)器輸出的參考電流數(shù)值及實際轉速情況，通過角度控制確定相應的開通角和關斷角；根據(jù)轉子位置信息完成換向邏輯控制；通過PWM發(fā)生器向功率變換器輸出邏輯電平型的脈寬調制信號PWM。通過功率變換器驅動電機的轉動。

圖1 SRM調速系統(tǒng)的結構框圖

2.控制電路硬件部分設計

控制電路根據(jù)外部輸入，綜合處理電機轉子位置、電流、電壓和溫度等反饋信號，通過分析計算，按一定的控制策略向功率變換器發(fā)出PWM控制信號，以控制電機的運轉。同時，該電路還具有過壓和超溫等保護功能。以DSP56F805為核心的控制電路硬件結構圖如圖2所示。

圖2 控制電路硬件結構框圖

鍵盤信號從DSP56F805的GPIO口引入，通過鍵盤操作實現(xiàn)轉速、轉向、溫度和電壓等設定。數(shù)碼顯示通過SPI口來驅動，用于顯示電機轉速等信息。相電流、電壓和溫度信號輸入到ADC模塊進行模數(shù)轉換，以滿足控制的需要。正交解碼器的PHASEA0、PHASEA1和PHASEB0分別捕獲三路霍爾位置傳感器的跳變沿信號，用以計算電機轉速以及獲取轉子位置信息。同時，這些傳感器信號也被引入到3個GPIO口，控制芯片也可通過查詢這3個口的電平獲取轉子位置信息。DSP56F805芯片的脈寬調制模塊PWMA產(chǎn)生六路PWM方波信號。其中，PWMA0～PWMA2控制功率變換器高端3個IGBT，其輸出的PWM波形受電流調節(jié)器輸出信號的控制，通過改變PWM波形的占空比實現(xiàn)電機轉速的調節(jié)；PWMA3～PWMA5控制功率變換器低端的3個IGBT，其輸出PWM波形受開通關斷角及轉子位置信息控制，以實現(xiàn)邏輯換向控制。通過SCI口實現(xiàn)電機驅動系統(tǒng)與上位機的通訊。

3.控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1位置檢測與速度估算

系統(tǒng)采用3個霍爾傳感器進行位置檢測。這3個傳感器間隔120^。，當電機轉子轉動到相電感最大處時，相應霍爾傳感器就產(chǎn)生上跳沿，表明轉子和定子到達對齊位置。這樣，從3個霍爾傳感器輸出的3路方波信號周期為90^。，且相位差為15^。（如圖3所示）。DSP56F805通過正交解碼器的PHASEA0、PHASEB0和PHASEA1捕獲這三路傳感器信號的跳變沿；同時，也可通過查詢相應的三個GPIO口電平，獲取轉子位置信息。

圖3 三路霍爾傳感器輸出信號

在電機正常運轉的過程中，將DSP56F805的捕獲模塊設置為下跳沿觸發(fā)，當霍爾傳感器輸出信號的下跳沿到來時，DSP56805就產(chǎn)生一次捕獲中斷，通過讀取相鄰2次中斷的時間間隔，就可計算出電機的實際轉速。如果相鄰2次中斷的時間間隔為，那么電機的轉速為：

= （r/min）

3.2起動和換相

電機起動時，如果初始導通相判斷有誤，會使得電機出現(xiàn)反轉，造成電機運轉的紊亂。因此，初始位置時，電機導通相的正確判斷是本論文首先需要解決的一個關鍵問題。

電機處于靜止時，控制器通過讀取三路霍爾傳感器的狀態(tài)獲取電機轉子位置信息。從圖3中可以看出，當從三路霍爾傳感器獲取的位置信息分別為“110”、“101”和“011”時，在15^。的機械角范圍內，對應的C、B和A相電感分別處于上升階段。在這種情況下，只需給相應的C、B或A相通電就能產(chǎn)生要求的起動轉矩,起動效果較好。

當從傳感器獲取的位置信息為“100”、“010”和“001”時，在15^。的機械角內對應相電感并不是持續(xù)上升。當位置信息為“100”時，A相電感因處于下降階段產(chǎn)生負轉矩，B相電感在此機械角區(qū)間的開始段因電感不變存在零轉矩的情況， C相的電感在此機械角區(qū)間的結束階段因電感不變也存在零轉矩的情況。如果僅給B相或C相通電起動效果不好。因此，需給B和C兩相同時通電。同理，當位置信息為“010”需給A和C兩相同時通電；當位置信息為“001”需給A和B兩相同時通電。

如果電機是單相通電起動，設置DSP56F805的捕獲功能模塊為下跳沿觸發(fā)后，電機由起動狀態(tài)直接進入運行狀態(tài)，開始正常換相。如果電機是兩相同時通電起動，首先將捕獲功能模塊設置為上跳沿觸發(fā)。在電機起動過程中，如果A相傳感器輸出信號產(chǎn)生上跳沿，關閉A相，B相保持通電；如果B相傳感器輸出信號產(chǎn)生上跳沿，關閉B相，A相保持通電；如果C相傳感器輸出信號產(chǎn)生上跳沿，關閉C相，B相保持通電。當從兩相導通起動轉入一相導通后，將捕獲功能模塊設置為下跳沿觸發(fā)，電機由起動狀態(tài)進入運行狀態(tài)，開始正常換相。

在電機正常換相過程中，如果傳感器輸出信號產(chǎn)生下跳沿，DSP56F805的捕獲模塊將會產(chǎn)生捕獲中斷，在捕獲中斷中確定導通相，完成換向邏輯的控制。

3.3相電流檢測

通過在相電流電路中串入一個分流電阻，測得其上的電壓降以實現(xiàn)相電流檢測。采樣電阻上的電壓降經(jīng)濾波放大后輸入到DSP56F805的ADC模塊。由于系統(tǒng)中對功率開關的控制采用的是斬單管的方式，相電流并不是一直能從采樣電阻上測到，只有在上下兩個功率開關都開或都關的時候才可在采樣電阻上測得。因此，電流采樣需與PWM頻率同步。同時，將電流的零點設置在ADC轉換范圍的一半處，使得采樣電阻上的正負電壓降都能被檢測到。

3.4.控制策略與控制算法的實現(xiàn)

SRM的速度控制是通過速度調節(jié)器和電流調節(jié)器來實現(xiàn)的?？紤]到積分環(huán)對大超調量的延遲性，為使系統(tǒng)有較快的響應，在速度環(huán)回路中串接一個積分分離開關，對速度環(huán)采用積分分離的PI控制算法。對電流環(huán)采用增量式PID控制算法。

依據(jù)電流環(huán)的輸出值CMP，對DSP56F805的PWM模塊的相應寄存器進行設置，則可從PWM模塊輸出占空比可變的PWM波形，從而實現(xiàn)對功率變換器高端的3個IGBT進行控制。

4.結論

本文以電機專用芯片DSP56F805為核心，成功實現(xiàn)了SRM速度電流雙閉環(huán)控制。文中作者的創(chuàng)新點是在提出了一種簡單適用的三相SRM的起動方法的同時，對速度環(huán)和電流環(huán)分別采用了積分分離PI控制算法和增量式PID控制算法，電機起動性能較好，相電流波形得到較好的改善。圖4給出了電機起動時速度波形。其中，圖a為速度和電流環(huán)均采用PID控制時的速度波形，圖b為采用本文算法時的速度波形。從圖中可以看出，當速度和電流環(huán)均采用PID方式時超調量大，響應速度慢，系統(tǒng)調節(jié)時間長，而采用本文提出的控制方式時超調量明顯減少，速度響應快。