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        開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)微步控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

        2014-10-18 02:16:12
        天津科技 2014年3期
        關(guān)鍵詞:磁阻脈動(dòng)繞組

        唐 睿

        (長(zhǎng)城鉆探工程有限公司物資分公司 北京 100101)

        0 引 言

        開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor,簡(jiǎn)稱(chēng) SRM)是在磁阻電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高性能機(jī)電一體化電機(jī),因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低,且具有良好的可控性,應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展之中。

        不過(guò),開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最常見(jiàn)的應(yīng)用難點(diǎn)是對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不僅直接影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出特性,而且會(huì)加重電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲。因此,抑制開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究一直受到人們的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[1]將模糊推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合來(lái)控制電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但方案繁瑣,在實(shí)時(shí)控制方面存在困難,且控制性能與模糊規(guī)則過(guò)分依賴(lài)于樣本的選取。本文設(shè)計(jì)了基于微步控制策略的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)起到有效的控制,具有良好的推廣及應(yīng)用價(jià)值。

        1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)特性及原理

        開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極鐵心結(jié)構(gòu),定子和轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片迭壓而成。定子上有集中繞組,轉(zhuǎn)子上既無(wú)繞組也無(wú)永磁體。SRM 可以設(shè)計(jì)成多種不同相數(shù)結(jié)構(gòu),定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)也有多種不同的搭配。由于三相以下的 SRM 無(wú)自啟動(dòng)能力,目前應(yīng)用較多的是四相(8/6)結(jié)構(gòu)及三相(6/4)結(jié)構(gòu)。[2]

        開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”。磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合,而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí),必須使自己的主軸線(xiàn)與磁場(chǎng)的軸線(xiàn)重合。若改變通電電流的順序,則轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變。也就是說(shuō),轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與相繞組電流的方向無(wú)關(guān),而僅取決于相繞組通電的順序。

        以較普通的四相(8/6)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為例,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1所示,圖中只畫(huà)出了 A相繞組及其供電電路。當(dāng)定子 A1-A極勵(lì)磁時(shí),所產(chǎn)生的磁力促使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線(xiàn)S1-S與定子極軸線(xiàn)A1-A重合的位置,并使A相勵(lì)磁繞組的電感最大。以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對(duì)位置作為起始位置,順序給 BC-D-A相繞組通電,則轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。反之,若依次給 D-C-B-A相繞組通電,則電動(dòng)機(jī)會(huì)以逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)。

        圖1 4相8/6極SRM結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the 4 phase 8/6 pole SRM

        2 微步控制策略原理及實(shí)現(xiàn)

        SRM 的轉(zhuǎn)矩是由磁路選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)而產(chǎn)生的。由于SRM磁路的非線(xiàn)性,通常SRM的轉(zhuǎn)矩根據(jù)磁共能來(lái)計(jì)算,即:

        式中:θ為轉(zhuǎn)子位置角,i為繞組電流,k為電機(jī)相數(shù)。

        在忽略開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)磁路飽和及邊緣效應(yīng),且假定電感與電流無(wú)關(guān),而僅僅與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的情況下,則上式可簡(jiǎn)化為:

        式中:L為SRM相繞組的自感,其變化周期與轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)成正比。利用傅立葉分解,且忽略高次諧波的影響,則L可表示為:

        式中:L0、L1為電感的恒定分量和基波分量的幅值,Nr轉(zhuǎn)子齒數(shù),據(jù)此電磁轉(zhuǎn)矩可表示為:

        公式 4說(shuō)明每相繞組產(chǎn)生的基波電磁轉(zhuǎn)矩是一種空間正弦波,電磁轉(zhuǎn)矩的幅值和繞組磁動(dòng)勢(shì)平方成正比,電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定零位取決于該相磁極中心線(xiàn)的位置。[3]因此,用空間矢量Tk代表k相繞組的電磁轉(zhuǎn)矩,則Tk的相位和k相繞組磁極中心線(xiàn)一致。

        對(duì)于四相(8/6)SR 電動(dòng)機(jī)而言,A、B、C、D 四相繞組產(chǎn)生的穩(wěn)定零位在空間依次相差一個(gè)轉(zhuǎn)子步進(jìn)角,用機(jī)械角表示為 15,°,電角度為 90,°。如果依次給四相通入幅值相等的直流電,則轉(zhuǎn)矩矢量 TA、TB、Tc和 TD依次產(chǎn)生定位作用,開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將以步進(jìn)角15,°一步一步旋轉(zhuǎn)。如果忽略SR電機(jī)互感,允許將定位轉(zhuǎn)矩進(jìn)行矢量疊加,則得圖 2所示的轉(zhuǎn)矩星型圖,[6]其中 TAB、TBC、TCB和 TDA是兩相同時(shí)供電時(shí)產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩矢量,可以用矢量形式表示:

        TA比 TAB落后 45,°電角度,相當(dāng)于 1/8轉(zhuǎn)子齒距,按機(jī)械角度計(jì)算為 7.5,°。可以理解為 TAB和 TA錯(cuò)開(kāi)半個(gè)步進(jìn)角。轉(zhuǎn)矩星型圖中轉(zhuǎn)矩矢量間的相位關(guān)系只取決于定子磁極中心線(xiàn)間的距離。TA、TB、Tc和 TD為基本轉(zhuǎn)矩矢量,它們的相位取決于定子磁極中心線(xiàn)的空間位置,與各相繞組的電流大小無(wú)關(guān)。對(duì)于由基本轉(zhuǎn)矩矢量合成的轉(zhuǎn)矩 TAB、TBC,、TCD和 TDA稱(chēng)為派生轉(zhuǎn)矩矢量,而派生轉(zhuǎn)矩矢量的相位調(diào)節(jié)可以通過(guò)繞組電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

        圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩星型圖(7.5,°)Fig.2 Star chart of the motor torque(7.5,°)

        分析轉(zhuǎn)矩星型圖和派生轉(zhuǎn)矩矢量可以得出:既然能夠利用矢量和的方法,由基本轉(zhuǎn)矩TA和TB合成派生轉(zhuǎn)矩矢量 TAB,那就完全有可能調(diào)節(jié)電流的幅值來(lái)移動(dòng)派生轉(zhuǎn)矩TAB的相位,使它出現(xiàn)在基本轉(zhuǎn)矩矢量之間的任何相位上。采用矢量控制方法,各相的通電順序?yàn)椋?/p>

        正轉(zhuǎn)時(shí):A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A

        反轉(zhuǎn)時(shí):A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A

        如圖3所示,其步進(jìn)角為3.75,°。

        圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩星型圖(3.75,°)Fig.3 Star chart of the motor torque((3.75,°)

        為了保證恒轉(zhuǎn)矩,由圖2易得出,兩相同時(shí)通電時(shí)的電流為一相單獨(dú)通電時(shí)電流的0.717倍。而隨著電機(jī)每轉(zhuǎn)細(xì)分步數(shù)的增加,電機(jī)的步進(jìn)角逐漸減小,從而使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩具有很好的平滑性,達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。

        開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)微步驅(qū)動(dòng)的核心是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩矢量幅值相等,控制相繞組電流跟隨給定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的參考電流大小。而控制相繞組電流是以控制PWM功率變換器輸出脈寬被調(diào)制的功率開(kāi)關(guān)信號(hào)為直接控制量,使實(shí)際輸出電流按階梯波電流變化。所以 SRM的微步控制是靠調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由此可以得到SRM微步控制系統(tǒng)原理圖,如圖4所示。

        圖4 SRM微步控制系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of the micro-step switched reluctance drive control system

        3 SRM控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        根據(jù)圖4的微步控制系統(tǒng)原理圖,本文設(shè)計(jì)了基于 TMS320LF2407A的控制系統(tǒng),[4]該控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖 5所示。該系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器、DSP控制器、位置檢測(cè)和電流檢測(cè)等部分組成。DSP控制器[5]采用 TI公司生產(chǎn)的專(zhuān)用電機(jī)控制的信號(hào)處理器 TMS320LF2407A,它將 DSP的高速運(yùn)算能力和高效控制能力集于一體,保證了控制策略的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

        圖5 SRM控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.5 Block diagram of hardware design for the SRM

        微步控制系統(tǒng)控制器是以 TMS320LF2407A DSP為核心,根據(jù)轉(zhuǎn)速給定,綜合處理相電流檢測(cè)電路輸入的電流信號(hào),以及光電式位置傳感器輸入電路的位置檢測(cè)信號(hào);根據(jù)微步控制規(guī)律,調(diào)整各相輸出波形的占空比,通過(guò)光電隔離電路輸出到驅(qū)動(dòng)電路,控制主開(kāi)關(guān)器件的通斷,從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速;動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速以及其他信息通過(guò)人機(jī)界面輸出。同時(shí),復(fù)位電路、過(guò)流保護(hù)電路和欠壓過(guò)壓保護(hù)電路的存在,為系統(tǒng)的復(fù)位和正常運(yùn)行保駕護(hù)航。

        4 SRM控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        圖6 SRM控制程序結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure chart of control program for SRM

        本系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)采用DSP C語(yǔ)言編程實(shí)行模塊化設(shè)計(jì),增加了程序的可讀性和移植性。從最高層次上講,整個(gè)系統(tǒng)軟件程序分為初始化程序和主程序兩部分。初始化程序包括 DSP系統(tǒng)初始化、事件管理器初始化、中斷初始化、參數(shù)初始化、顯示初始化等初始化程序。初始化程序完成后,啟動(dòng)主程序。主程序根據(jù)電流信號(hào)、位置信號(hào)和當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),完成轉(zhuǎn)子位置計(jì)算、電流控制、轉(zhuǎn)速控制及其計(jì)算顯示等任務(wù)。圖6為SRM控制程序結(jié)構(gòu)圖。

        5 結(jié) 論

        通過(guò)對(duì) SRM 結(jié)構(gòu)及工作原理的研究,制定了系統(tǒng)的微步控制策略,并設(shè)計(jì)了功能較完善的控制軟件及硬件。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該控制系統(tǒng)能夠在低速狀態(tài)下有效地抑制開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),減小噪聲?!?/p>

        [1] 丁文,周會(huì)軍,魚(yú)振民. 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的智能抑制研究[J]. 微電機(jī),2006,39(2):7-14.

        [2] 王宏華. 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:12-20.

        [3] 宋桂英,李練兵,孫鶴旭,等. 基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)微步控制策略研究[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,32(6):39-44.

        [4] 李繼生,段秉龍,李文剛. 基于DSP的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù),2007,36(10):52-54.

        [5] 王曉明,王玲. 電動(dòng)機(jī)的 DSP控制[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

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