呂 豐，王 勇，裴秀高

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

在電氣傳動(dòng)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，20世紀(jì)80年代國(guó)際上推出一種新型交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)——開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Driver，SRD).它融新的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)——開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體，兼有異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn).我國(guó)于1984年前后以較高起點(diǎn)開(kāi)始SRD的研究、開(kāi)發(fā)工作，已研制出0.05～50 kW的20多個(gè)規(guī)格的SRD.目前，SRD的開(kāi)發(fā)范圍已經(jīng)達(dá)到轉(zhuǎn)矩為0.01～10 Nm，功率為0.01～5 000 kW，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)100 kr/min，規(guī)格已從多相發(fā)展到單相、兩相，電機(jī)形式也從旋轉(zhuǎn)形發(fā)展到直線(xiàn)型.SRD的應(yīng)用領(lǐng)域已從最初側(cè)重于牽引運(yùn)輸發(fā)展到工業(yè)、航空工業(yè)和家用電器等多個(gè)領(lǐng)域.

本文主要設(shè)計(jì)完成了380 V(AC)，4相8/6極，7.5 kW開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng).本系統(tǒng)以TI公司生產(chǎn)的TMS320F240DSP作為CPU的控制芯片，采用PI數(shù)字調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相對(duì)應(yīng)的接口電路.

1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換電路、DSP控制器、位置傳感器4大部分構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 SRD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器及其電路分析

功率變換器的性能和形式將直接影響SRM的效率、成本和可靠性，合理設(shè)計(jì)功率變換器是提高整個(gè)SRD性?xún)r(jià)比的關(guān)鍵.

功率變換器主要有3個(gè)作用:一是開(kāi)關(guān)作用，使繞組與電源接通或斷開(kāi);二是為繞組的儲(chǔ)能提供回饋途徑;三是為SRM提供電能，滿(mǎn)足機(jī)械能的轉(zhuǎn)換.由于SRD功率變換器只需要給SRM提供單向電流，故比異步電動(dòng)機(jī)PWM變換器簡(jiǎn)單可靠.然而SRM的工作電流、電壓波形并非正弦波，而且波形系統(tǒng)運(yùn)行條件及電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)較難制定，這就使得定額計(jì)算和確定主開(kāi)關(guān)器件較為復(fù)雜.常見(jiàn)的SRM功率變換器有3種:一是雙繞組功率變換器;二是不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換器;三是H橋式功率變換器.

2.1.1 整流電路

SRD采用交流電源供電，而整流電路的作用是將交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源，以供逆變電路使用.整流電路的進(jìn)線(xiàn)為三相三線(xiàn)制，并采用三相橋式整流電路，由6個(gè)整流二極管組成.電路的交流輸入端為 L1，L2，L3，接三相電源，線(xiàn)電壓為 380 V，50 Hz.

整流電路的電壓峰值為三相電壓峰值:

其平均值為:

整流電路如圖2所示.

圖2 三相橋式整流電路

電容器Cd1和Cd2對(duì)整流電路起濾波作用.三相三線(xiàn)整流電路的優(yōu)點(diǎn)是直流輸出電壓脈動(dòng)較小，負(fù)載電流增大時(shí)平均電壓下降較少，且不造成供電系統(tǒng)零線(xiàn)電流.

2.1.2 主開(kāi)關(guān)器件的選型

SR電動(dòng)機(jī)功率變換器的主開(kāi)關(guān)器件選擇與電動(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、并聯(lián)運(yùn)行的難易性、峰值電流定額的比值大小及市場(chǎng)普及性有關(guān).就當(dāng)前電力電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀而言，有普通晶閘管、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR)、功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、智能功率模塊(IPM)可供選擇.

普通晶閘管的開(kāi)關(guān)頻率低(200 Hz以下)，限制了SRD在斬波工作模式下的運(yùn)行性能，這使得其很難在中小功率的SRD中廣泛使用.而GTR容量有限，主要是電流容量與耐壓之間尚有難以克服的矛盾，且GTR的電壓、電流過(guò)載能力差，容易發(fā)生二次擊穿而損壞，保護(hù)較困難.GTO管降壓比普通晶閘管高，工作頻率較GTR低，緩沖電路的損耗較大，門(mén)極控制較復(fù)雜，因此在小功率高性能的SRD中，其與GTR，MOSFET，IGBT相比并不占優(yōu)勢(shì)，而MOSFET單管功率很難做得很大.IGBT兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，因而性能更為優(yōu)異.

智能功率模塊(IPM)是把控制芯片與控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱和欠壓保護(hù)電路，以及自診斷電路組合起來(lái)，密封裝在同一絕緣外殼內(nèi)，稱(chēng)之為智能化電力半導(dǎo)體模塊.本文的功率變換器采用三菱公司第3代智能化IPM模塊，并復(fù)合了高速(開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)20 kHz)、低開(kāi)關(guān)損耗的IGBT功率器件和優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)電路，減少了外圍接口電路的器件數(shù)量.此外，通過(guò)使用先進(jìn)的電流傳感器芯片，IPM能連續(xù)、高效地對(duì)功率器件的電流大小進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并提供有效的過(guò)電流和短路保護(hù).同時(shí)，模塊集成了過(guò)熱和欠壓保護(hù)，使系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步提高.

2.1.3 功率變換器的設(shè)計(jì)

本文控制對(duì)象為4相8/6極SR電動(dòng)機(jī)，相數(shù)為偶數(shù)，因此可選用H橋式功率變換器，主開(kāi)關(guān)器件為IPM，采用三相橋式全波整流電路供電，由此確定的功率變換器如圖3所示.

圖3 功率變換器結(jié)構(gòu)示意

圖3 中，SA，SB，SC，SD為智能模塊 IPM;VDA，VDB，VDC，VDD為續(xù)流二極管;C1，C2為濾波電容，其作用是對(duì)整流輸出電壓平滑濾波，并作出相應(yīng)的繞組能量回饋;R1，R2是為了平衡C1，C2兩端的電壓，兼有停機(jī)時(shí)為C1，C2提供放電回路的作用.AB，CB，CD，AD兩相同時(shí)通電，循環(huán)導(dǎo)通工作.若SA，SB同時(shí)導(dǎo)通，則 A，B 相通電.若 SA關(guān)斷，SC閉合，則A相關(guān)斷，C相開(kāi)始導(dǎo)通，A相繞組將通過(guò)二極管VDA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SC關(guān)斷，開(kāi)通SD，則C，D相導(dǎo)通，如此循環(huán)導(dǎo)通，電機(jī)就可連續(xù)運(yùn)行.

2.1.4 主開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)

為了能驅(qū)動(dòng)與IPM接口的高速光電耦合器HCPL4504，系統(tǒng)選用MC14504BCL和MC14503BCL，其中MC14504BCL將5 V的CMOS電平轉(zhuǎn)換為15 V的 CMOS電平，MC14503BCL用于驅(qū)動(dòng)HCPL4504.

當(dāng)MC14503BCL輸出低電平，HCPL4504的副邊低電平IPM導(dǎo)通;反之IPM關(guān)斷.另外，僅靠IPM內(nèi)部保護(hù)電路不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)，而要使系統(tǒng)真正安全、可靠地運(yùn)行，需要外圍保護(hù)電路的輔助.TMS320F240數(shù)字信號(hào)處理器的事件管理器模塊包含一個(gè)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳PDPINT，當(dāng)該引腳被拉低時(shí)，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài).因此，PDPINT可用來(lái)為監(jiān)控程序提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)的異常情況，并實(shí)現(xiàn)故障保護(hù).將作為4相定子繞組開(kāi)關(guān)的IPM的故障信號(hào)接到光耦TLP521-1上，并與DSP的PDPINT引腳連接.當(dāng)PDPINT引腳被拉低為低電平時(shí)，DSPF240內(nèi)部定時(shí)器立即停止工作，而所有PWM輸出呈高阻態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào).

2.2 位置檢測(cè)的硬件實(shí)現(xiàn)

位置反饋是SRD系統(tǒng)必不可少的組成部分，位置檢測(cè)是確定定子、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，DSP根據(jù)位置信號(hào)進(jìn)行換相，并用于轉(zhuǎn)矩估算.

本系統(tǒng)采用光電式位置傳感器，它由靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分組成.前者包括紅外發(fā)光二極管、紅外光敏三極管和輔助電路;后者為與SRM轉(zhuǎn)子同軸安裝的30°間隔的6齒遮光盤(pán)，遮光盤(pán)與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，通過(guò)遮光盤(pán)的遮光、透光，使光敏元件產(chǎn)生導(dǎo)通與關(guān)斷信號(hào).對(duì)于4相8/6極SR電動(dòng)機(jī)，在定子上安裝兩個(gè)相距75°的光敏傳感器，并輸出兩路相位差15°和占空比為50%的方波信號(hào)，就組合成了4種不同的狀態(tài)，分別代表電動(dòng)機(jī)4相繞組的不同的參考位置.TMS320F240的兩個(gè)捕獲單元CAP1和CAP2分別檢測(cè)這兩路信號(hào).當(dāng)捕獲輸入引腳上檢測(cè)到一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)，定時(shí)器T1或T2的值被捕獲并儲(chǔ)存在相應(yīng)的兩級(jí)深度FIFO堆棧中.

位置信號(hào)的上、下跳變均引起捕獲中斷，即每15°產(chǎn)生一次捕獲中斷，而運(yùn)行捕獲中斷服務(wù)程序則要根據(jù)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置信號(hào).由SRM換相邏輯確定電機(jī)對(duì)應(yīng)繞組的關(guān)斷與導(dǎo)通，并根據(jù)測(cè)周法計(jì)算電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速.

位置檢測(cè)電路如圖4所示.

圖4 位置檢測(cè)電路

3 控制器軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 SRD控制策略分析

在啟動(dòng)過(guò)程中，SR電機(jī)始終工作在有位置檢測(cè)的自同步狀態(tài).在啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在0～50 r/min區(qū)間時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，電流的變化率很大，在此期間進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)會(huì)很危險(xiǎn).因此，在這一階段SR電機(jī)一般采用電流斬波控制方式限制啟動(dòng)電流的幅值，有效控制繞組電流的大小，便于調(diào)節(jié)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以避免在啟動(dòng)堵轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生電流超調(diào)現(xiàn)象，并能保證啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn).

在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)采用電壓PWM控制模式，電壓PWM閉環(huán)調(diào)速，給定速度與反饋速度的偏差經(jīng)速度控制器輸出后即由速度PI控制子程序計(jì)算出電壓的控制量作為PWM電路的占空比給定值，控制一定頻率的輸出方波脈沖寬度.寬度被調(diào)制的方波脈沖信號(hào)加載到基極驅(qū)動(dòng)電路中，以控制IPM的導(dǎo)通與關(guān)斷.另外，將施加到SRM繞組上的直流電壓斬波變成對(duì)應(yīng)頻率和占空比的方波電壓，從而改變了繞組兩端電壓的有效值，實(shí)現(xiàn)SRM轉(zhuǎn)速控制.

在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，接收到反轉(zhuǎn)命令時(shí)，系統(tǒng)封鎖PWM信號(hào)，并判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速是否降為零.當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降為零后，系統(tǒng)就開(kāi)始反方向進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，其運(yùn)行過(guò)程和正向時(shí)相似.

3.2 控制器程序框架設(shè)計(jì)

控制器程序是用TMS320F24x的匯編語(yǔ)言編制實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)控制是由2個(gè)循環(huán)主程序和3個(gè)中斷子程序配合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)的.系統(tǒng)初始化包括:系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、中斷設(shè)置、事件管理器設(shè)置、ID配置，以及用戶(hù)變量定義;循環(huán)主程序包括停機(jī)等待循環(huán)主程序和電機(jī)運(yùn)行主程序;3個(gè)中斷子程序包括T1周期中斷、捕獲中斷和PDPINT中斷.

3.3 系統(tǒng)抗干擾措施

由于大多數(shù)的工業(yè)控制采用單片機(jī)，因此單片機(jī)的抗干擾措施就顯得尤為重要.要解決單片機(jī)抗干擾措施，必須先找出干擾源，然后采用單片機(jī)軟、硬件技術(shù)來(lái)解決.

干擾源主要來(lái)自外部電源、內(nèi)部電源，以及空中、周?chē)姶艌?chǎng).外部干擾源主要通過(guò)I/O口輸入等.

硬件系統(tǒng)采用了以下抗干擾措施.

(1)系統(tǒng)控制電路的電源采用模擬電源，即通過(guò)橋式整流后再經(jīng)過(guò)電容、電感濾波及電源變換芯片得到.IPM的電源采用開(kāi)關(guān)電源，但其交變電壓和電流會(huì)通過(guò)電路的元器件對(duì)CPU產(chǎn)生很強(qiáng)的尖峰干擾和諧振干擾.

(2)A/D轉(zhuǎn)換輸入端加低通濾波器.另外，回路與控制回路通過(guò)金屬屏蔽板進(jìn)行隔離.

(3)主回路與控制回路通過(guò)金屬屏蔽板進(jìn)行隔離.

(4)主回路與控制回路之間的引線(xiàn)采用屏蔽電纜.

(5)模擬地與數(shù)字地分開(kāi)，通過(guò)電感相連.

(6)每個(gè)芯片的VCC和GND間連接0.01 μF的電容.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)象為4相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，額定功率為7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，轉(zhuǎn)速范圍為50～2 500 r/min.圖5為低速運(yùn)行定角度電流斬波的電流波形圖.

圖5 電流斬波控制繞組電流波形

從圖5可以看出，繞組電流受斬波電流給定值控制.圖6為電機(jī)運(yùn)行在2 000 r/min時(shí)繞組電流波形，此時(shí)開(kāi)通角為3.1°，關(guān)斷角為11.2°.從圖6可以看出電機(jī)運(yùn)行較為穩(wěn)定，波形波動(dòng)較小，從而說(shuō)明抗干擾措施效果明顯.

圖6 電壓PWM控制繞組電流波形

5 結(jié)論

(1)利用TI新一代面向電機(jī)控制的高集成度TMS320F240數(shù)字信號(hào)處理器的內(nèi)部資源，如A/D，PWM，定時(shí)器，捕獲單元等，并采用新型的功率控制模塊(IPM)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，大大減小了控制器的體積和重量;

(2)給出了具體的抗干擾措施，使得系統(tǒng)控制頻率較高、電機(jī)運(yùn)行噪音小、性能穩(wěn)定.另外，模塊化的程序易于擴(kuò)充，方便與其他先進(jìn)控制方法相結(jié)合.

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