摘 要:為了滿足大部分通用調(diào)速場(chǎng)合性能的要求，提出一套實(shí)用的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案?？刂破饔布捎梦⒖刂破髋c可編程邏輯器件結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。其中，MCU采用51系列的8位混合信號(hào)微控制器，邏輯電路采用MAX7000系列的CPLD。軟件設(shè)計(jì)采用C51語言與匯編語言相結(jié)合的方法。在此對(duì)一些關(guān)鍵的技術(shù)問題提出解決方案，包括上、下限電流斬波的軟、硬件設(shè)計(jì)，角度控制的軟件實(shí)現(xiàn)，位置信號(hào)的軟件抗干擾設(shè)計(jì)等。測(cè)試結(jié)果表明，該控制器可滿足設(shè)計(jì)要求，具備生產(chǎn)條件。

關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻電機(jī)控制器;微控制器;可編程邏輯器件;軟件調(diào)角度

中圖分類號(hào):TM352;TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)02-207-04

Practical Design of Switched Reluctance Motor Controller

ZHANG Guiyu，WEI Zhaogang

(Shandong Vocational College of Industry，Zibo，256414，China)

Abstract:A design scheme for the controller based on fundamental theory and control strategy of the switched reluctance motor is introduced.In order to meet requirement for the universal variable_speed，low cost and massive application，the hardware designs are based on the MCU and CPLD method.The universal 8_bits 51 series MCU and the MAX7000 series CPLD are selected.To meet the requirement for real_time and maintenance，C51 and assemble languages are used together to program the 51 MCU.The key problems including upper and lower current chopping，angle control by software，anti_jamming for the rotor position signal etc are solved.The results indicate that the advantages of SRD are very evident and can be put into production.

Keywords:switched reluctance motor drives;micro controller unit;complex programmable logic device;angle controlling by software

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SRD)具有高效節(jié)能，調(diào)速范圍寬，適用范圍廣，簡(jiǎn)單可靠及成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)\\1 硬件設(shè)計(jì)方案\\2 軟件設(shè)計(jì)方案

MCU選用增強(qiáng)型51系列8位芯片。由于開關(guān)磁阻電機(jī)的控制程序較為復(fù)雜，而且實(shí)時(shí)性要求很高，因此主體編程語言選用C51，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的程序段，則采用匯編語言編寫，內(nèi)嵌到C程序中進(jìn)行編譯鏈接，以增加程序執(zhí)行的速度。

MCU的程序采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，包含初始化模塊、鍵盤處理模塊、顯示模塊、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、閉環(huán)控制模塊、制動(dòng)控制模塊、PWM驅(qū)動(dòng)模塊、角度調(diào)制模塊、簡(jiǎn)易PLC控制模塊、通信模塊、故障檢測(cè)模塊及中斷處理模塊，這些模塊可設(shè)定優(yōu)先級(jí)，在主程序中進(jìn)行調(diào)度，形成完整的開關(guān)磁阻電機(jī)控制程序。

MCU復(fù)位或上電后，程序先經(jīng)初始化過程，然后再進(jìn)入主循環(huán)程序。該主循環(huán)程序包括故障檢測(cè)狀態(tài)、等待電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)等。每一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)又運(yùn)行多種任務(wù)，如鍵盤讀取、顯示、讀取開關(guān)量與模擬量、輸出開關(guān)量與模擬量、串行通信、電機(jī)控制等任務(wù)，不同的狀態(tài)運(yùn)行不同的任務(wù)。

在程序初始化模塊，控制器上電或復(fù)位后，首先執(zhí)行初始化程序，初始化寄存器、RAM、變量，然后，對(duì)顯示進(jìn)行初始化，讀取E2PROM中存貯的參數(shù)，初始化外圍接口寄存器等。在鍵盤處理模塊，CPU接收到鍵盤中斷后，讀取按鍵編碼，然后經(jīng)過軟件消抖，根據(jù)讀取的按鍵編碼執(zhí)行相應(yīng)的操作，包括電機(jī)起動(dòng)停止、運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置等。在顯示模塊中，上電或復(fù)位后，數(shù)碼管將顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，在每一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上都安裝一個(gè)齒盤，固定在定子上的位置傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生周期性位置編碼脈沖，通過這些位置脈沖計(jì)算轉(zhuǎn)速。選用SILABS公司的C8051F120 MCU進(jìn)行角度調(diào)制。根據(jù)前一個(gè)脈沖的寬度和時(shí)刻確定開通或關(guān)斷的相，以及開通角和關(guān)斷角的數(shù)值，然后通過定時(shí)器控制HSO的輸出。采用轉(zhuǎn)矩作為切換條件，若系統(tǒng)在最大電流斬波值情況下無法輸出設(shè)定轉(zhuǎn)矩，則在保持最大電流斬波值的情況下，開始調(diào)節(jié)開通角及關(guān)斷角，以達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)矩輸出;若負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，則先調(diào)節(jié)開通角及關(guān)斷角;若輸出轉(zhuǎn)矩仍大于設(shè)定轉(zhuǎn)矩，則關(guān)閉開通角及關(guān)斷角的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)入電流調(diào)節(jié)模式。

在軟件上實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能，若干擾脈沖的寬度小于1 μs，則CPU進(jìn)入位置中斷后，在讀取位置編碼時(shí)，干擾脈沖已經(jīng)消失，讀取的位置編碼與上一次位置編碼相同，這時(shí)可以判斷為干擾脈沖，不執(zhí)行控制程序，退出中斷;若干擾脈沖的寬度大于1 μs，則CPU進(jìn)入位置中斷后，在讀取的位置編碼與上一次不同，但與根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)向判斷的正確位置編碼也不同，這種情況說明為干擾脈沖，也可能為永久性故障。這時(shí)需要清空記錄位置脈沖時(shí)間的隊(duì)列，重新計(jì)算轉(zhuǎn)速，同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷相應(yīng)的相。如果以上錯(cuò)誤重復(fù)出現(xiàn)，在1 s內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)超過了設(shè)定值，則可能是永久性故障。這是由于元器件損壞、傳輸線路錯(cuò)誤或機(jī)械故障導(dǎo)致，這時(shí)需要保護(hù)停機(jī)，排除故障后再重新運(yùn)行。

在閉環(huán)控制模塊，根據(jù)實(shí)際反饋量與設(shè)定反饋量的差值，通過軟件PID算法，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使實(shí)際反饋量的值盡量與設(shè)定反饋量的值相等。在制動(dòng)控制模塊，CPU根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)施加一反向轉(zhuǎn)矩，并且根據(jù)設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間，控制制動(dòng)能量的大小。在PMW驅(qū)動(dòng)模塊，根據(jù)每相繞組的電流及轉(zhuǎn)速情況，控制PWM信號(hào)的占空比，從而控制輸出轉(zhuǎn)矩的大小。在簡(jiǎn)易PLC控制模塊，CPU采集開關(guān)量輸入信號(hào)和模擬量輸入信號(hào)，根據(jù)設(shè)定的邏輯，控制開關(guān)量輸出的及模擬量輸出狀態(tài)。另外，根據(jù)開關(guān)量與模擬量狀態(tài)的不同組合方式，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在通信模塊，CPU通過RS 232和RS 485接口，與其他控制器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。在故障檢測(cè)模塊，對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求較高的故障采用中斷程序進(jìn)行處理，如過流、過壓信號(hào);對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求較低的故障采用定時(shí)掃描的方法，如過熱、過載等。同時(shí)可以對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行濾波處理，防止干擾信號(hào)造成控制器的誤保護(hù)。

3 試驗(yàn)與運(yùn)行效果

在開關(guān)磁阻電機(jī)控制器調(diào)試完畢后，在淄博牽引電機(jī)公司中型電機(jī)試驗(yàn)站對(duì)該調(diào)速裝置的各相性能指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試。測(cè)試用的功率變換器采用200 A/1 200 V的IGBT，其驅(qū)動(dòng)電路采用的是EXB841。測(cè)試用的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定功率為37 kW，開關(guān)磁阻電機(jī)的定轉(zhuǎn)子為12/8極。

3.1 空載特性

在電機(jī)不帶任何負(fù)載情況下，開關(guān)磁阻電機(jī)的空載損耗很小，基本上是散熱風(fēng)扇消耗與機(jī)械雜散損耗。額定轉(zhuǎn)速下的空載損耗在300 W左右，在100 r時(shí)只有50 W左右。

3.2 效率曲線

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)，隨著負(fù)載的變化，系統(tǒng)的效率特性曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，在額定轉(zhuǎn)速下，負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)的效率影響不大，效率曲線比較平滑，效率基本都在80%以上。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在1 000 r/min時(shí)，隨著負(fù)載的變化，系統(tǒng)的效率特性曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，在該轉(zhuǎn)速下，負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)的效率影響不大，效率曲線比較平滑，效率基本都在80%以上，這與額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)的效率基本相同。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在500 r/min時(shí)，隨著負(fù)載的變化，系統(tǒng)的效率特性曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，該轉(zhuǎn)速下的效率比1 000 r/min時(shí)的效率略微降低，但仍在75%以上，負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)效率的影響不大，效率曲線比較平滑。

圖1 額定轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)時(shí)的效率曲線

圖2 轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)的效率曲線

圖3 轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)的效率曲線

當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作在額定轉(zhuǎn)矩下，隨著轉(zhuǎn)速的變化，系統(tǒng)的效率曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，在輸出額定轉(zhuǎn)矩的情況下，系統(tǒng)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，效率都比較高，效率曲線比較平滑，但轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)效率的影響不明顯。

3.3 過載能力

開關(guān)磁阻電機(jī)的過載能力很強(qiáng)，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下，其過載能力基本上都在1.5倍以上。過載功率曲線如圖5所示。

圖4 額定轉(zhuǎn)矩不同轉(zhuǎn)速下的效率曲線

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的最大輸出功率

3.4 控制器及電機(jī)的溫升

在額定負(fù)載(37 kW)和額定轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)的情況下運(yùn)行2.5 h后，基本上能達(dá)到熱穩(wěn)定，這時(shí)控制器的散熱器溫升在15 ℃左右，電機(jī)定子的鐵心溫升在40 ℃左右，溫升曲線如圖6所示。由于試驗(yàn)方法采用前90 min加110%負(fù)載，然后加100%負(fù)載測(cè)試溫升，所以IGBT和散熱器的溫度在90 min處會(huì)出現(xiàn)變化。

圖6 額定轉(zhuǎn)速額定功率下電機(jī)與控制器溫升

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在500 r/min時(shí)，在額定轉(zhuǎn)矩情況下，運(yùn)行2.5 h后，基本上達(dá)到了熱穩(wěn)定，這時(shí)控制器散熱器的溫升在15 ℃左右，與額定轉(zhuǎn)速下的溫升基本相同。電機(jī)定子鐵心在30 ℃左右，比額定轉(zhuǎn)速下的溫度降低了10 ℃。因此，開關(guān)磁阻電機(jī)可以在低速下長(zhǎng)期運(yùn)行，電機(jī)發(fā)熱小，調(diào)速范圍很寬。

4 結(jié) 語

經(jīng)過各種測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用表明，該控制器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，與電機(jī)組成的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有高效節(jié)能，調(diào)速范圍寬，低速下可長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，起動(dòng)電流低，可頻繁起停、正反轉(zhuǎn)切換，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，過載能力強(qiáng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

由于在硬件上采用MCU+CPLD的設(shè)計(jì)方式，減小了控制電路的體積，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)控制的靈活性。

由于采用了軟件調(diào)節(jié)開通角和關(guān)斷角、電流調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)的統(tǒng)一，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，同時(shí)使該裝置具有調(diào)試簡(jiǎn)單，控制器與電機(jī)自適應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。

由于轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)采集采用了軟件濾波算法，使得位置信號(hào)的抗干擾能力增強(qiáng)，電機(jī)可以與控制器的距離很遠(yuǎn)，而且大功率電機(jī)的干擾也不會(huì)對(duì)位置信號(hào)造成干擾，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

在調(diào)試過程中也發(fā)現(xiàn)有不足的地方，如轉(zhuǎn)速很低，且在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及低頻噪音較大。該問題可通過優(yōu)化低速下繞組電流的波形及三相繞組導(dǎo)通與關(guān)斷的交疊角度，減小每一相導(dǎo)通周期內(nèi)及換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而減小低速時(shí)的噪音。

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