馬 迅

(電子科技大學(xué)空天科學(xué)技術(shù)研究院,四川成都 611731)

0 引 言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)是一種新型的機(jī)電一體化調(diào)速系統(tǒng),集開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SR電機(jī))與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體,是現(xiàn)代交流調(diào)速領(lǐng)域的熱門研究課題[1].與傳統(tǒng)的交直流傳動(dòng)系統(tǒng)相比,SR電機(jī)不但保持了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn),而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固,成本低,工作可靠,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速范圍寬,控制靈活等優(yōu)點(diǎn)[2,3].SRD主要由SR電機(jī)、功率變換器、控制器和檢測(cè)器4部分組成[3,4](見(jiàn)圖1).

圖1 SRD基本構(gòu)成示意圖

由于本系統(tǒng)控制對(duì)象為4相8/6極SR電機(jī),額定功率1.5 kW.在設(shè)計(jì)時(shí),系統(tǒng)采用“H”橋式功率主電路,用兩塊IPM并聯(lián),簡(jiǎn)化了硬件電路,提高了系統(tǒng)集成度和可靠度,同時(shí),采用電流、速度雙閉環(huán)PI控制兩相導(dǎo)通模式,電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小,運(yùn)行更為平穩(wěn).

1 功率變換電路設(shè)計(jì)

在功率變換電路設(shè)計(jì)上,本文采用“H”橋式功率主電路,該主電路具有最少的開(kāi)關(guān)管數(shù),且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.同時(shí),為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,電路采用智能功率模塊(IPM)FCAS50SN60作為功率變換器的主電路.額定電流為50A的FCAS50SN60將高壓IC(HVIC)和低壓IC(LVIC)、IG BT、快速恢復(fù)二極管和電熱調(diào)節(jié)器集成在Mini-DIP封裝中,其集成的欠電壓鎖定(UVLO)和短路(SC)保護(hù)功能保證其實(shí)現(xiàn)出色的可靠性.

圖2 功率變換電路基本結(jié)構(gòu)

功率變換電路如圖2所示,由兩塊IPM組成.其中,IG BT1和D1組成IPM1的上側(cè),IG BT2和D2組成SPM1的下側(cè).同樣,在SPM2中IG BT3,D3組成上側(cè),IG BT4,D4組成下側(cè).4個(gè)IG BT與二極管的中間分別連接A,B,C,D四相繞組,四相繞組另一端接在一起.

FCAS50SN60為單電源15 V供電,高端IG BT通過(guò)自舉電路產(chǎn)生的懸浮電源VBS供電.懸浮電源VBS由自舉電阻R和自舉二極管D對(duì)自舉電容CBOOT充電(見(jiàn)圖3).當(dāng) VS被高端開(kāi)關(guān)上拉到較高電壓時(shí),由VBS對(duì)該自舉電容充電,附加在VS電壓上.電路的工作原理為,當(dāng) VS通過(guò)負(fù)載被拉到地時(shí),15 V VCC電源通過(guò)自舉二極管DBS給自舉電容CBOOT充電,由此給VBS提供一個(gè)浮動(dòng)電源.

圖3 HVIC自舉電路

當(dāng)高端IG BT開(kāi)通時(shí),自舉二極管必須能阻止高壓.由于電源最大額定電壓值為450 V,加上浪涌電壓50 V,再考慮100 V的裕量,故二極管耐壓應(yīng)該在600 V以上,且要求在最小導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)對(duì)自舉電容快速充電,反向恢復(fù)時(shí)間小于100 ns.因此,本系統(tǒng)自舉二極管選擇快速恢復(fù)二極管UF4007.

當(dāng)高端IG BT導(dǎo)通時(shí),自舉電容兩端電壓VBS會(huì)逐漸減小,電容存儲(chǔ)的電量被IG BT等電路消耗.自舉電容的選擇應(yīng)滿足IG BT導(dǎo)通所消耗的電量,使其不至于進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài),其最小電荷Qbs為,

其中:Qg為柵極電荷總量,f為器件工作頻率,Icbs(leak)為自舉電容漏電荷,Qls為內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換器所需的電荷工作時(shí),自舉電容要能夠提供這些電荷,并且保持電壓高于IG BT工作電壓,這里取最小電容值的2倍.

其中:C為自舉電容,Vf為自舉二極管正向壓降, VGSMIN為最小的柵—源極電壓.將參數(shù)帶入式(1)、(2),計(jì)算得 Cbs≥16μF.此外,自舉電容又不能太大,否則可能在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到供電電壓,故取Cbs=18μF.

4路DSP輸出PWM輸入信號(hào),并通過(guò)高速光耦T LP2630隔離驅(qū)動(dòng)A、B、C、D相IG BT.兼顧模塊工作頻率和盡量的減少SRM振動(dòng)和噪聲,故PWM工作頻率定為6 kHz.

2 功率變換電路工作模式分析與設(shè)計(jì)

功率變換電路是電機(jī)電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能過(guò)程的關(guān)鍵執(zhí)行部件,因此功率變換器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能起著至關(guān)重要的作用[4,5].對(duì)于本文的四相8/6極SR電機(jī)采用“H”橋式逆變電路,其有2種斬波工作模式.

2.1 四相斬波工作模式

在一個(gè)導(dǎo)通區(qū)間內(nèi),上下開(kāi)關(guān)管要擔(dān)任換相任務(wù),同時(shí)對(duì)上下開(kāi)關(guān)管同時(shí)進(jìn)行斬波控制.具體過(guò)程是,Q1和Q2是同時(shí)進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)斷進(jìn)行PWM斬波的,當(dāng)Q1、Q2關(guān)斷時(shí),相繞組的儲(chǔ)能只能通過(guò)VD1、VD2續(xù)流,回饋電源.其續(xù)流途徑如圖4所示.

圖4 “H”橋式逆變電路和四相斬波續(xù)流工作模式

2.2 兩相斬波工作模式

在一個(gè)導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)只對(duì)上橋臂(或下橋臂)進(jìn)行PWM斬波控制,而另一個(gè)開(kāi)關(guān)管始終處于開(kāi)通狀態(tài).不妨假定只對(duì)上橋臂Q1和Q3進(jìn)行PWM控制.在A、B兩相繞組導(dǎo)通區(qū)間內(nèi),Q1進(jìn)行PWM斬波控制,Q2始終導(dǎo)通.其續(xù)流途徑如圖5所示.

圖5 兩相斬波續(xù)流工作模式

2.3 電路工作模式設(shè)計(jì)

對(duì)于兩相斬波續(xù)流模式,以Q1斬波關(guān)斷,Q3導(dǎo)通為例,因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率很高,τ值較大,每一個(gè)斬波過(guò)程可以近似看成緩慢的直線下降過(guò)程,直至下一次Q1導(dǎo)通.令,L(θ,i)=LA(θ,i)+LB(θ,i),RS為相繞組內(nèi)阻,忽略開(kāi)關(guān)管內(nèi)阻和續(xù)流二級(jí)管內(nèi)阻可得,

解上式方程,從而得到,

式中,τ=L(θ,i)/RS.

為了確定τ的數(shù)量級(jí),以便估算,不妨取,L(θ, i)=50 mH,RS=8Ω,從而得到,τ=6.2 ms.PWM頻率為6 kHz,周期約為0.17 ms,遠(yuǎn)小于τ值,相繞組電流下降緩慢.續(xù)流期間,繞組兩端電壓近似為零,電流下降緩慢,關(guān)斷相存儲(chǔ)的電能沒(méi)有回饋給電源,相繞組電流平穩(wěn),有利于減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng).

對(duì)于四相斬波續(xù)流模式,Q1,Q4同時(shí)關(guān)斷斬波,RS為相繞組內(nèi)阻,忽略開(kāi)關(guān)管內(nèi)阻和續(xù)流二級(jí)管內(nèi)阻,續(xù)流回路可以看作一個(gè)電感不為0的零輸入二階電路,可得.

解上式方程,從而得到,

式中

根據(jù)疊加原理,

由式(7)可知,電感儲(chǔ)能需要向電容單向回饋電能,繞組電流按指數(shù)規(guī)律衰減得更快.這時(shí),相繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電源電壓方向相反.繞組中電流下降較快,有利于電機(jī)換相,但電流上下波動(dòng)很大,電機(jī)脈動(dòng)較大.

根據(jù)四相斬波續(xù)流模式和兩相斬波續(xù)流模式的優(yōu)缺點(diǎn),本控制系統(tǒng)低速階段采用兩項(xiàng)斬波續(xù)流模式,以減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),而電機(jī)轉(zhuǎn)速在800 rpm以上時(shí)采用四相斬波續(xù)流模式.

3 控制策略和信號(hào)檢測(cè)電路

控制系統(tǒng)采用專用電機(jī)控制芯片dsPIC33FJ16-MC304型DSC為主控芯片[6],其無(wú)縫集成了單片機(jī)(MCU)的控制功能和數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,DSP)的計(jì)算能力.4路獨(dú)立的PWM輸出,控制電機(jī)A、B、C、D相IG BT通斷,兩路輸出在下降沿捕捉光電傳感器電平變化,3路AD采樣分別采樣SR電機(jī)轉(zhuǎn)速和霍爾電流傳感器信號(hào).

系統(tǒng)起動(dòng)采用定角度兩相電流斬波控制限制電流的幅值.在任一瞬間,有兩相同時(shí)通電起動(dòng),每相通電1/2轉(zhuǎn)子極距角60°.這時(shí),在轉(zhuǎn)子0°～60°的周期內(nèi),SR電機(jī)各相通電順序?yàn)镈A—AB—BC—CD—DA.采用兩相同時(shí)通電是因?yàn)樵谙到y(tǒng)啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)速為零,因而旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)也為零,若加額定電壓直接起動(dòng),相電流將過(guò)大,由此產(chǎn)生的過(guò)大動(dòng)態(tài)沖擊轉(zhuǎn)矩可能損壞SRM和功率部分.起動(dòng)后,系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)雙閉環(huán)控制.因?yàn)镾RD本身具有比較好的動(dòng)態(tài)性能[5],加之系統(tǒng)對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)要求不高,因此,系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)算法.電流內(nèi)環(huán)迅速響應(yīng),提高系統(tǒng)的抗干擾性.另外,電流內(nèi)環(huán)提供的限幅值也就是電流允許的最大值,當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)或發(fā)生其他過(guò)流時(shí)電流回路被關(guān)斷,起保護(hù)作用.轉(zhuǎn)速由相鄰兩個(gè)步進(jìn)脈沖的間隔時(shí)間來(lái)計(jì)算.位置檢測(cè)采用半數(shù)檢測(cè)方式,兩個(gè)光電式傳感器器相隔15°安裝檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置,將兩個(gè)位置信號(hào)接至DSP以計(jì)算相對(duì)位置和轉(zhuǎn)速.

同時(shí),系統(tǒng)采用3.3 V霍爾電流傳感器進(jìn)行相電流檢測(cè),A和C相各接一個(gè)電流傳感器.將信號(hào)入dsPIC33F的ADC引腳產(chǎn)生預(yù)先設(shè)定的ADC中斷并執(zhí)行中斷服務(wù)程序,從而實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本控制系統(tǒng)在MTS-I電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理,得到了其啟動(dòng)曲線如圖6所示.

圖6 MTS-I電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)上的啟動(dòng)曲線

圖7為MTS-I電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)上的負(fù)載響應(yīng)曲線.如圖7所示,該電機(jī)在額定狀態(tài)下,負(fù)載超過(guò)5 N·M,并且在短時(shí)間增加與減少負(fù)載的過(guò)程中,其回復(fù)響應(yīng)時(shí)間均小于1 s,滿足了電機(jī)的控制要求.同時(shí),在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,我們使用手持式測(cè)速儀在額定電壓下測(cè)定10組數(shù)據(jù)再通過(guò)Matlab多項(xiàng)式數(shù)據(jù)擬合得到電機(jī)空載閉環(huán)調(diào)速曲線(見(jiàn)圖8).圖8曲線表明電機(jī)在空載下有較好的調(diào)速效果.

圖7 MTS-I電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)上的負(fù)載響應(yīng)曲線

圖8 空載閉環(huán)調(diào)速曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本控制系統(tǒng)SR電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小,運(yùn)行平穩(wěn),電機(jī)振動(dòng)噪聲小,靜態(tài)調(diào)速精度較高.

4.2 結(jié) 論

控制系統(tǒng)采用dsPIC33FJ16MC304高性能電機(jī)控制芯片作為主控芯片,其豐富的外設(shè),簡(jiǎn)化了外圍硬件設(shè)計(jì)和復(fù)雜度;主電路采用“H”橋式結(jié)構(gòu),并運(yùn)用兩塊 IPM并聯(lián)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)的集成度、抗干擾性、穩(wěn)定性和可靠性,固定開(kāi)通角和關(guān)斷角使用兩相同時(shí)導(dǎo)通電流PWM斬波起動(dòng)和運(yùn)行,系統(tǒng)起動(dòng)平穩(wěn),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小.

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