蔡 燕,尹 磊,姜文濤

(天津工業(yè)大學(xué),天津300387)

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡稱SRM)是20世紀(jì)80年代迅猛發(fā)展起來的一種新型調(diào)速電機(jī),因結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于牽引運(yùn)輸、家用電器、航空工業(yè)等行業(yè)[1-5]。但磁路的高度飽和及獨(dú)特的雙凸極結(jié)構(gòu)決定了SRM具有很強(qiáng)的非線性,加大了對(duì)電機(jī)控制的難度,限制了SRM的推廣與應(yīng)用。近年來國內(nèi)外學(xué)者嘗試結(jié)合先進(jìn)的智能控制策略來實(shí)現(xiàn)SRM的控制[6-8]。由于SRM具有高度非線性特性,很難得到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,使得一般的離線仿真對(duì)SRM優(yōu)化控制的研究與實(shí)際情況存在較大偏差。為此,本文基于dSPACE半實(shí)物仿真技術(shù)將SRM以實(shí)物的形式連接在仿真回路中,構(gòu)建了SRM調(diào)速系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái),用于進(jìn)行SRM控制策略的研究。

dSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)是dSPACE公司研發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試平臺(tái)[9]。硬件系統(tǒng)由處理器板、I/O板卡組成,具有高速的計(jì)算能力;同時(shí),快捷方便軟件環(huán)境可實(shí)現(xiàn)代碼生成/下載及系統(tǒng)的試驗(yàn)/調(diào)試。在dSPACE強(qiáng)大的軟硬件支撐下,解決了電機(jī)控制策略研究時(shí)所遇到種種難題。

本文以dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)為控制核心,結(jié)合SRM與dSPACE的特點(diǎn),構(gòu)建了基于dSPACE的SRM調(diào)速系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)。并在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了SRM 3種控制方式,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SRM調(diào)速系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行電機(jī)控制策略研究的可行性,為進(jìn)行SRM調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化控制創(chuàng)造了條件。

1 SRM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(以下簡稱SRD)主要由SRM、功率變換器、控制器及位置檢測器等組成。其中,SRM在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換;功率變換器是SRM運(yùn)行所需能量的供給者,通常使用交流電經(jīng)整流橋整流后的直流電源作為功率變換器的輸入,變換器在控制信號(hào)的控制下為SRM提供能量。控制器作為SRD的控制中樞,依照檢測電路的電流、電壓、轉(zhuǎn)速等信號(hào),給出功率變換器的控制信號(hào)。SRM運(yùn)行時(shí)需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置實(shí)現(xiàn)各相繞組的開通與關(guān)斷,所以實(shí)時(shí)位置檢測是電機(jī)控制中不可或缺的一環(huán)。

圖1 SRD結(jié)構(gòu)框圖

2 SRD半實(shí)物仿真平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

基于dSPACE的SRD半實(shí)物仿真平臺(tái)主要由dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和基于dSPACE的SRD硬件平臺(tái)組成,這兩部分又可分成若干小部分。圖2為SRD半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 SRD半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.1 dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

本文采用的dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是以DS1005PPC控制板為核心,配以DS5202電機(jī)板卡而組成的DS1005標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)。DS1005PPC控制板處理器采用 POWERPC750FX,主頻高達(dá)800 MHz,I/O管理能力及數(shù)學(xué)運(yùn)算能力都非常強(qiáng),滿足SRM高性能控制要求;DS5202是專用的電機(jī)控制板卡,包含了建立SRD控制模型所需I/O接口,通過利用DS5202板卡的8通道模擬量輸入接口可以實(shí)現(xiàn)繞組電流、電壓的采集;同時(shí)可以利用PWM信號(hào)生成器結(jié)合6通道的數(shù)字TTL輸出電路接口,生成及輸出PWM信號(hào)控制功率器件的開通與關(guān)斷。

2.2 功率變換器

仿真平臺(tái)采用三相不對(duì)稱半橋電路變換器,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,不對(duì)稱半橋電路每一相都由兩只開關(guān)器件和兩只續(xù)流二極管構(gòu)成,該結(jié)構(gòu)使各相繞組之間互不影響、相互獨(dú)立。電機(jī)運(yùn)行時(shí),每相繞組都存在勵(lì)磁、續(xù)流及退磁3種運(yùn)行狀態(tài),以A相為例:當(dāng)QAH,QAL都導(dǎo)通時(shí),外加電壓+US加在A相繞組兩側(cè),A相繞組勵(lì)磁產(chǎn)生勵(lì)磁電流iA,此時(shí)A相處于勵(lì)磁狀態(tài);當(dāng)A相繞組的開關(guān)管QAL導(dǎo)通且QAH關(guān)斷時(shí),此時(shí)A相繞組兩側(cè)電壓為0,A相繞組電流iA流過開關(guān)管QAL和二極管DAL,此時(shí)繞組為續(xù)流狀態(tài);當(dāng)A相繞組的開關(guān)管QAH和QAL都關(guān)斷時(shí),此時(shí)外加電源-US加在A相繞組兩側(cè),A相繞組電流iA流經(jīng)二極管DAH和DAL,將電機(jī)繞組儲(chǔ)存的能量以電能的形式回饋給電源側(cè),此時(shí)繞組處于退磁狀態(tài)。

圖3 不對(duì)稱半橋功率電路

2.3 信號(hào)檢測與驅(qū)動(dòng)電路

采用LEM系列霍爾傳感器對(duì)電流、電壓信號(hào)進(jìn)行采樣,電流、電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后送至DS5202板卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子附近的霍爾位置傳感器用于獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào),位置信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后送至DS5202板卡的傳感器接口完成信號(hào)采樣。由于dSPACE輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力弱,不能直接用于 SRM的驅(qū)動(dòng)控制,因此加入EXB841驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng),同時(shí)加入保護(hù)電路,有效地保障平臺(tái)安全運(yùn)行。

3 SRD半實(shí)物仿真平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

基于dSPACE的軟件設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)控制器DSP或MCU的軟件編程更加快捷方便。dSPACE的軟件包括實(shí)現(xiàn)軟件與實(shí)驗(yàn)軟件。其中,實(shí)現(xiàn)軟件包括MATLAB/Simulink,RTI,RTW等,主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)模型搭建、硬件代碼自動(dòng)生成及下載。ControlDesk作為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)軟件,與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互式操作,提供整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的綜合管理。

3.1 SRD控制模型

dSPACE的模塊化編程思想使得開發(fā)模型只需拖拽集成化的功能模塊即可,無需編寫大量的程序代碼,節(jié)省了大量的時(shí)間與精力,研究人員可以致力于電機(jī)控制策略的研究。本文基于dSPACE開發(fā)了SRD控制模型,如圖4所示。SRD控制模型采用多任務(wù)模式,將SRM的控制策略分配到不同任務(wù)中,其中包括Digin中斷任務(wù)、PWM同步中斷任務(wù)、Time B任務(wù)等,不同的任務(wù)具有不同的功能。

為了整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的安全性,通過設(shè)置Digin中斷模塊實(shí)現(xiàn)硬件電流保護(hù),當(dāng)硬件電路監(jiān)測到某相電流超過設(shè)定值時(shí),硬件保護(hù)電路的輸出電平就會(huì)發(fā)生變化,Digin7輸入接口產(chǎn)生一個(gè)中斷,觸發(fā)中斷任務(wù)后就會(huì)關(guān)斷DS5202的數(shù)字輸出。

實(shí)驗(yàn)中SRM三相繞組電流電壓信號(hào)的采集通過Time B中斷任務(wù)實(shí)現(xiàn)的,采集頻率是由DS1005的Time B定時(shí)中斷控制器控制的,定時(shí)值為0.000 075 s。

PWM中斷任務(wù)承擔(dān)了調(diào)速系統(tǒng)的大部分任務(wù),除了負(fù)責(zé)電流斬波、電壓斬波、角度位置控制實(shí)施及切換等任務(wù),同時(shí)還要完成位置信號(hào)采集、轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制、功率變換器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出等。

圖4 SRD控制模型

3.2 基于ControlDesk的上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

ControlDesk是dSPACE公司開發(fā)的實(shí)驗(yàn)工具軟件。作為系統(tǒng)調(diào)試以及實(shí)時(shí)監(jiān)測的主要完成者,它可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測、變量和參數(shù)的可視化管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與回放及故障測試等功能。ControlDesk為實(shí)驗(yàn)過程提供了豐富的虛擬儀表,構(gòu)建實(shí)驗(yàn)過程環(huán)境快捷方便,僅需從元件庫拖到編輯界面,并關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)變量文件即可。本文設(shè)計(jì)的SRD上位機(jī)界面如圖5所示,結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求,在ControlDesk界面觀測記錄的信號(hào)主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、三相電流信號(hào)、電壓、轉(zhuǎn)矩信號(hào)等;在線設(shè)置與修改的參數(shù)包含電流環(huán)PI參數(shù)、轉(zhuǎn)速環(huán)PI參數(shù);同時(shí)設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行起?？刂?、軟件硬件保護(hù)設(shè)置以及速度顯示窗口;同時(shí)將實(shí)時(shí)參數(shù)及顯示信號(hào)鏈接到ControlDesk顯示界面。

圖5 SRD上位機(jī)界面(截圖)

3.3 SRM的控制方式

整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的控制是以轉(zhuǎn)速值為給定量,保證電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定量,為了保證良好的調(diào)速效果,采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。

電機(jī)在低速運(yùn)行階段,旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢壓降小,電流上升速度快,此時(shí)通過電流斬波控制(CCC)對(duì)相電流進(jìn)行限定,避免過大電流對(duì)電機(jī)及開關(guān)器件的損害,起到有效的保護(hù)和調(diào)節(jié)作用。電機(jī)在中速運(yùn)行階段,采用固定角度的電壓斬波控制(CVC),通過占空比的變化調(diào)節(jié)繞組電壓的平均值,從而間接控制繞組電流,實(shí)現(xiàn)快速有效的電機(jī)調(diào)速。轉(zhuǎn)速上升至高速階段時(shí),電機(jī)采用角度位置控制(APC),通過改變主開關(guān)器件的開通角與關(guān)斷角調(diào)節(jié)相電流波形,實(shí)現(xiàn)SRM電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。

本文中,在0～300 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)域采用電流斬波控制,300～800 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)域采用電壓斬波控制,800 r/min以上轉(zhuǎn)速區(qū)域采用角度位置控制,3種控制方式有效組合共同實(shí)現(xiàn)電機(jī)全速范圍的調(diào)速運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于dSPACE的SRD半實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)三相12/8極SRM進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖6為SRD半實(shí)物仿真平臺(tái)實(shí)物圖,其中SRM參數(shù)如下:額定功率1.5 kW,額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min,額定電壓514 V。電機(jī)負(fù)載選用磁粉制動(dòng)器,磁粉制動(dòng)器在通電后會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生電磁場,磁粉在磁力線作用下形成磁粉鏈,把內(nèi)外轉(zhuǎn)子聯(lián)接起來,從而達(dá)到傳遞、制動(dòng)扭矩的目的,起到負(fù)載的作用。

圖6 SRD半實(shí)物仿真平臺(tái)實(shí)物圖

低速運(yùn)行時(shí)電機(jī)采用電流斬波控制,圖7為采用電流斬波控制,當(dāng)轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為200 r/min和2 N·m時(shí)三相電流波形。

圖7 電流斬波控制下的三相電流波形

電機(jī)在中速階段采用電壓斬波控制,圖8為轉(zhuǎn)速600 r/min且轉(zhuǎn)矩負(fù)載6 N·m時(shí)的SRM三相電流波形與三相電壓波形。

圖8 電壓斬波控制下的三相電流電壓波形

電機(jī)進(jìn)入高速時(shí)切換至角度位置控制,定義定子齒中心線與轉(zhuǎn)子槽中心線對(duì)齊位置時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角為0°。圖9為當(dāng)轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為1 500 r/min和9.5 N·m,控制開通角和關(guān)斷角分別為θon=-6°和θoff=94°時(shí)的 SRM轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和三相繞組電流的實(shí)驗(yàn)波形。

圖9 角度位置控制下轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和三相電流波形

基于構(gòu)建的SRD半實(shí)物仿真平臺(tái)可進(jìn)行SRM全速范圍的調(diào)速運(yùn)行,可實(shí)現(xiàn)多種控制方式的實(shí)驗(yàn)研究。該平臺(tái)對(duì)于分析SRM的輸出性能以及優(yōu)化SRM的控制策略和優(yōu)化控制參數(shù)具有重要意義。

5 結(jié) 語

由于SRM在磁路高度飽和的非線性特征,很難建立精確的數(shù)學(xué)模型,增加了SRM控制策略研究的難度。為此,本文以dSPACE半實(shí)物仿真技術(shù)為基礎(chǔ),通過SRD控制原型硬件系統(tǒng)與SRM樣機(jī)連接,構(gòu)建了SRD半實(shí)物仿真平臺(tái),并采用3種控制方式實(shí)現(xiàn)了SRM全速范圍的調(diào)速運(yùn)行。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所構(gòu)建的SRD半實(shí)物仿真平臺(tái)的正確性,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)SRM優(yōu)化控制提供了有利的條件。

[1] 王宏華.開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[2] 朱曰瑩,趙桂范.電動(dòng)汽車用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(11):88-98.

[3] SCHULZ S E,RAHMAN K M.High-performance digital PI current regulator for EV switched reluctance motor drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2003,39(4):1118-1126.

[4] 花為,華浩,趙桂書,等.一種用于電動(dòng)自行車的高性能開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2014,46(1):37-43.

[5] 陳梁遠(yuǎn),李黎川.一種往復(fù)開關(guān)磁阻直線電機(jī)的設(shè)計(jì)與控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(3):130-136.

[6] 王喜蓮,許振亮.基PI參數(shù)自適應(yīng)的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速控制研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(16):4215-4223.

[7] 夏長亮,陳自然,李斌.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)磁阻電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(19):127-132.

[8] 梁得亮,丁文,于振民.基于自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)建模方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(9):86-92.

[9] 恒潤科技.dSPACE-基于Windows平臺(tái)的實(shí)時(shí)快速原型及半實(shí)物仿真的一體化解決途徑[Z].恒潤科技公司,2001.