紀艷華， 錢佳利

(1.上海電視大學，上海 200433;2.科孚德機電(上海)有限公司，上海 201100)

0 引言

開關磁阻電機調速系統(Switched Reluctance Motor Driver System，SRD)由雙凸極開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)、功率變換器、控制器及檢測器等組成。與傳統的直流和交流調速系統相比，不僅保持了感應電機的全部優(yōu)點，而且電機結構簡單、控制方便、運行可靠、成本低，效率高。本文設計的SRM全數字控制系統選用TI公司的DSP芯片TMS32OF2407作為主控制器，Xilinx公司的FPGA芯片XC2S150E作為輔助控制器，構成硬件控制方案。

由于SRD系統的非線性，使得用普通的定參數PID調節(jié)器進行速度閉環(huán)調節(jié)時，控制性能不夠理想。模糊控制是目前應用較多的一種智能控制方法，無需被控對象準確的數學模型即能實現較好的控制效果。如今SRM正越來越多的被用于高速甚至超高速場合，這對控制系統的實時性也提出了更高的要求。由于FPGA具有現場可編程的特點，并且它使用系統內可再編程技術，使系統內的硬件功能可以像軟件一樣被編程，并隨時配置，使得所有的邏輯電路都在一個芯片上實現，省去了芯片之間的連線，硬件可靠性高，運算速度快，所以更適合應用于高速電機的調速系統中。

全數字化SRM的控制器將高性能DSP與先進的模糊控制算法相結合，把FPGA和數字電路的設計相結合，克服了模擬元器件的缺點，并且解決了SRM的非線性帶來的一系列問題。

1 SRD系統的組成

SRD主要由SRM、功率變換器、控制器、位置檢測器四部分組成，見圖1。SRM是SRD中實現機電能量轉換的部件，也是SRD有別于其他電機調速系統的主要標志。功率變換器向SRM提供運轉所需的能量，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電?？刂破魇钦麄€調速系統的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關器件的工作狀態(tài)，實現對SRM運行狀態(tài)的控制［1］。

圖1 SRD結構框圖

在SRD中，功率變換器是整個系統的重要組成部分，通過工作在開關狀態(tài)執(zhí)行控制輸出信號，將電源電能在適當時段提供給各相繞組，來驅動轉子旋轉，因此功率變換器的設計必須與電機及控制器一起綜合考慮，使其能協調工作。本文采用雙開關式功率變換器主電路，如圖2所示，并以IGBT作為主開關器件，其驅動電路使用IR公司的浮地驅動芯片 IR2130。由于不同轉子位置SRM的相繞組電感是不同的，所以控制相繞組通電時刻即可改變電流的大小及波形，由此將產生不同的電磁轉矩、轉速、轉向及運行狀態(tài)。因此，為了以最有效的方式產生所需的轉矩，控制器必須借助從位置傳感器獲得的轉子位置信息，以保證在合適的時刻接通或斷開相應的相繞組。

圖2 功率變換器主電路

2 基于DSP和FPGA的全數字調速控制系統

由于采用了DSP和FPGA并行處理數據和控制的方法，所以需要對DSP和FPGA實現的功能進行合理的劃分。圖3是DSP和FPGA之間的接口和功能分配圖。

圖3 DSP與FPGA的接口與功能分配圖

本設計中，DSP主要用于模糊控制算法的實現，并負責模擬量的采集和控制量的輸出，而FPGA則完成速度檢測、驅動與保護、位置細分等工作。同時，為了保證DSP與FPGA之間正確的數據交換，由主要輸出量對系統的可靠性進行檢測。DSP與FPGA之間通過目前電子設計中大量采用的FIFO接口聯系在一起。

目前國內外對于如何利用DSP實現模糊控制算法的研究相對較成熟，可見，FPGA的設計與應用即成為整個設計成敗的關鍵。

FPGA片內的斬波滯環(huán)計數器模塊接收三路斬波信號，承擔CCC控制方式中的定Δt斬波，并輸出邏輯綜合后的三相功率變換器驅動信號［4］;位置綜合與倍頻模塊接收經整形的三路光電位置信號，綜合出256倍頻信號，送入DSP中用于角度控制;控制邏輯綜合模塊接收系統保護等信號，當電流超過上限值后產生低電平信號，FPGA利用此低電平信號封鎖輸出信號，實現斬波控制策略，同時也是一種對系統進行電流保護的措施。

3 FPGA實現位置綜合與倍頻功能

FPGA在全數字控制系統中要實現相當多的功能，在此不一一列舉，因位置檢測是SRM工作的一大特點，故僅以位置綜合與倍頻電路為例做詳細介紹。

3.1 位置檢測電路

位置傳感器的作用是向FPGA提供轉子位置的正確信息，本文中的轉子位置信號傳感器采用光電編碼盤，由傳感器元件(固定在定子上)和光電齒盤(固定在轉子上)構成，如圖4所示。

圖4 光電編碼盤示意圖

光電三極管的通斷信號輸出到LM324放大器，經比較器輸出給CD40106施密特觸發(fā)器整形，整形后輸入給CD4009反向器，此反向器可以將+15 V信號變換為+5 V信號，然后再將S1、S2、S3 信號異或得到脈沖信號 S。S1、S2、S3、S 信號波形(軸端順時針方向轉動)如圖5所示。S1、S2、S3三路信號進行異或所得到的15°方波信號S(分辨率為7.5°)可直接用于定角度的電流斬波和電壓斬波控制，但不能用于角度控制［2］。因為角度控制的分辨率要求很高，所以必須利用角度細分電路將15°的方波細分，使控制器實現角度控制所需的角度精確定位。

3.2 FPGA實現倍頻邏輯電路

本文中角度細分電路采用數字鎖相環(huán)［3］，將三路位置傳感器信號異或以后的15°方波信號，倍頻為256個小周期信號(對應0.06°)，提高角度控制的分辨率，從而使控制器能夠準確的在導通角θon和θoff處輸出相應的相通斷信號來實現SRM的角度控制。

圖5 三相位置信號關系

圖6是設計的鎖相環(huán)結構框圖，其中，U1(f)是S1、S2、S3三路信號異或得到的15°方波信號，加/減計數器產生的信號就是所需的倍頻信號。鎖相環(huán)包括可逆計數器、加/減計數器和異或門鑒相器等幾部分。異或門鑒相器比較輸入U1(f)和N分頻器信號的相位差，其輸出信號j作為可逆計數器計數方向的控制信號。當j為低電平時，可逆計數器做加計數;反之，當j為高電平時，可逆計數器做減計數。當可逆計數器計數的差值超過設定的模數時，可逆計數器發(fā)出借位或進位信號，從而控制加/減脈沖計數器以控制輸出脈沖頻率，使N分頻后的信號與輸入信號頻率一致，這樣就實現了倍頻功能。

圖6 倍頻電路邏輯框圖

4 仿真分析與試驗驗證

選用三相6/4 SRM，控制器為本文設計的基于DSP和FPGA的全數字控制器，轉速環(huán)的模糊控制算法由DSP實現，使用MATLAB/Simulink方框圖、相應的MATLAB函數、參數構建出仿真模型。圖7所示為基于仿真模型，在分別采用文中設計的全數字控制和采用傳統PID控制情況下得到的轉速抗干擾波形圖。干擾源采用MATLAB中的Uniform Random Number，幅值為5，采樣時間為0.01，來仿真電機在旋轉過程中受到的負載擾動。通過對比可見，在施加相同負載擾動的情況下，全數字控制有著較強的抗干擾性能。

圖7 轉速抗干擾波形圖

將使用VHDL語言設計的程序下載到FPGA芯片后，與DSP構成全數字控制系統，并應用于對三相6/4極SRM的實時控制中。當電機轉速恒定在1 500 r/min時，突加1.146 N·m的負載力矩，速度隨即下降到1 420 r/min，但只用約47 ms的時間就又恢復到了1 500 r/min，試驗得到的轉速響應曲線如圖8所示。

圖8 突加負載時轉速響應曲線

從仿真和試驗的結果可看出，所設計的基于DSP和FPGA的全數字SRM調速系統具有令人滿意的控制性能，實時性強、動態(tài)性能好、轉矩脈動小，抗干擾能力強。

5 結語

FPGA適合于時序、組合等邏輯電路應用場合，其可代替幾十甚至上百塊通用IC芯片，FPGA實際上就是一個子系統部件。但系統越復雜，FPGA內部所需要的邏輯單元越多，價格就越昂貴，因此考慮到目前系統的成本，本文中FPGA在全數字控制系統中只實現比較簡單的控制算法，更多的是擴展了DSP的功能。

今后隨著電子技術的不斷發(fā)展，FPGA更可實現模糊控制之類的控制算法［5］，甚至可以嘗試將DSP做入FPGA芯片，直至實現無CPU控制。這樣不僅可以使控制器節(jié)省空間，更可以提高控制的速度和精度，從而拓寬SRM的實用領域。

［1］王宏華.開關磁阻電機調速控制技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1995.

［2］李天博.開關磁阻電動機調速性能的研究［J］.微特電機，2006(10):23-25.

［3］馬慶強.細分驅動技術在開關磁阻電機控制系統的應用［J］.國內外機電一體化技術，2006，9(1):68-71.

［4］李仁果.開關磁阻電機數字控制系統的研究和實現［J］.計算機仿真，2004(6):105-107.

［5］KIM D J.An implementation of fuzzy logic controller on the reconfigurable FPGA systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2000 ，47(3)，703-715.