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基于兩步換相控制策略的SR電機直接數(shù)字控制系統(tǒng)設計

發(fā)布時間:2008/6/3 0:00:00 訪問次數(shù):529

王宏華

1 引言

  開關(guān)型磁阻(sr)電機調(diào)速系統(tǒng)(srd)結(jié)構(gòu)簡單、堅固、成本低,調(diào)速性能優(yōu)良,在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的效率,應用前景十分廣闊。但由于sr 電機的雙凸極結(jié)構(gòu)和采用開關(guān)性的供電電源,振動、噪聲是其突出的問題,這已成為srd在更多范圍內(nèi)推廣應用發(fā)揮其特長的主要障礙。過去人們對srd的研究主要集中在sr電機本體設計、功率變換器及速度控制策略研究上,因為研究難度大,目前,只有少量文獻論及sr電機振動、噪聲研究[1~5]。
  
  文[1]基于時域分析,得出結(jié)論:sr電機相繞組關(guān)斷所激發(fā)的沖擊振動是最主要的振動、噪聲來源。為削弱這一振動,文[1]提出將相電流關(guān)斷過程分成兩步的“兩步換相法”(參見圖1):第一步僅關(guān)斷k1,相電壓up由+us負躍變至0 v;第二步再關(guān)斷k2,這時up由0 v負躍變到-us。控制第二步與第一步時間間隔為定子固有頻率對應周期的一半,這樣,第二步與第一步產(chǎn)生的沖擊振動相位差為180°,因而相互抵消。 wuc.y.等率先將“兩步換相法”引入srd系統(tǒng)設計,在ccc方式和apc方式兩種工況下取得良好抑制振動、噪聲效果[1],但其采用不對稱半橋主電路,四相(8/6)sr電機需要8只主開關(guān)器件和8只續(xù)流二極管,未能充分體現(xiàn)單極性的sr電機功率變換器結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件少的優(yōu)勢,影響了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

  本文采用一種新型的只有6只主開關(guān)器件的四相率變換器[6],在以8098單片機為控制核心的srd設計中,引入兩步換相控制策略,在電壓pwm和apc兩種工況下,顯著地抑制了sr電機的振動和噪聲。

2 系統(tǒng)描述

  
  為實現(xiàn)多數(shù)傳動裝置需要的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性:從靜止到基速具有恒轉(zhuǎn)矩,在基速以上具有恒功率特性,系統(tǒng)采取的控制策略為基速ωb以下,電壓pwm控制,輸出恒轉(zhuǎn)矩特性;基速ωb以上,角度位置控制(apc),輸出恒功率特性。為簡化控制規(guī)律,采取將關(guān)斷角θoff固定在一個由實驗得到的最優(yōu)角度22°處,僅調(diào)節(jié)起始開通角θon。
  
  8098單片機定時采樣由轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得的反饋速度,與由鍵盤敲入的給定速度比較,誤差經(jīng)數(shù)字pi 調(diào)節(jié),再經(jīng)軟件處理,根據(jù)反饋速度的大小是否在基速以上轉(zhuǎn)換成pwm脈沖或控制角度的apc單脈沖的控制參數(shù)。微機控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置控制對應相繞組的導通或關(guān)斷,輸出對應的pwm脈沖或apc單脈沖,經(jīng)功率變換器,實現(xiàn)對sr電機的控制。為簡化硬件電路,pwm控制、apc脈沖控制、速度檢測、pi調(diào)節(jié)器均由軟件實現(xiàn);為提高過流保護動作的快速性,采用硬件過流保護電路。
  
  樣機為0.75 k w四相(8/6)sr電機,功率變換器以gtr作為主開關(guān)器件,采用圖2所示的功率主電路。


  圖2電路的拓撲結(jié)構(gòu)由pollock等率先提出[6],其基本上保留了不對稱半橋線路的優(yōu)點,所用開關(guān)器件又較不對稱半橋少,具有較高的性能/價格比。
  
  與常規(guī)sr電機直接數(shù)字控制系統(tǒng)(ddc)換相邏輯控制不同,既要滿足sr電機電動運行換相要求,又要滿足兩步換相要求是制定6只主開關(guān)換相規(guī)則的原則,顯然,這限制相繞組的最大導通角θc不得超過30°。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 微機控制器硬件框圖


  以8098單片機為核心的微機控制器硬件框圖如圖3所示。


  由圖3可見,控制器主要由8098單片機,外接eprom27128、專用鍵盤顯示器接口芯片 8279、位置譯碼及換相控制電路、電流檢測與過流保護電路組成。由于基速以下采用的是電壓pwm方式,為防止gtr因過流而損壞,設計了過流保護電路。對四相sr電機,其交叉相(即a、c相和b、d相)的導通區(qū)間一般不會重疊,因此可采取a相和c相、b相和d相分別共用一個電流傳感器(lem模塊),對四相電流檢測,如圖2所示。
  
  兩路轉(zhuǎn)子位置信號分別送8098的高速輸入口hsi0和hsi1,hsi中斷服務程序與高速輸出hso0~hso3和位置譯碼及換相控制電路配合,用于控制6只主開關(guān)的導通、關(guān)斷,實現(xiàn)sr電機電動運行的換相要求及兩步換相要求,hsi中斷服務程序還用于速度的采樣。

3.2 位置譯碼及換相控制電路設計

  圖2中k1、k3、k4、k6均作為第一步換相

王宏華

1 引言

  開關(guān)型磁阻(sr)電機調(diào)速系統(tǒng)(srd)結(jié)構(gòu)簡單、堅固、成本低,調(diào)速性能優(yōu)良,在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的效率,應用前景十分廣闊。但由于sr 電機的雙凸極結(jié)構(gòu)和采用開關(guān)性的供電電源,振動、噪聲是其突出的問題,這已成為srd在更多范圍內(nèi)推廣應用發(fā)揮其特長的主要障礙。過去人們對srd的研究主要集中在sr電機本體設計、功率變換器及速度控制策略研究上,因為研究難度大,目前,只有少量文獻論及sr電機振動、噪聲研究[1~5]。
  
  文[1]基于時域分析,得出結(jié)論:sr電機相繞組關(guān)斷所激發(fā)的沖擊振動是最主要的振動、噪聲來源。為削弱這一振動,文[1]提出將相電流關(guān)斷過程分成兩步的“兩步換相法”(參見圖1):第一步僅關(guān)斷k1,相電壓up由+us負躍變至0 v;第二步再關(guān)斷k2,這時up由0 v負躍變到-us?刂频诙脚c第一步時間間隔為定子固有頻率對應周期的一半,這樣,第二步與第一步產(chǎn)生的沖擊振動相位差為180°,因而相互抵消。 wuc.y.等率先將“兩步換相法”引入srd系統(tǒng)設計,在ccc方式和apc方式兩種工況下取得良好抑制振動、噪聲效果[1],但其采用不對稱半橋主電路,四相(8/6)sr電機需要8只主開關(guān)器件和8只續(xù)流二極管,未能充分體現(xiàn)單極性的sr電機功率變換器結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件少的優(yōu)勢,影響了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

  本文采用一種新型的只有6只主開關(guān)器件的四相率變換器[6],在以8098單片機為控制核心的srd設計中,引入兩步換相控制策略,在電壓pwm和apc兩種工況下,顯著地抑制了sr電機的振動和噪聲。

2 系統(tǒng)描述

  
  為實現(xiàn)多數(shù)傳動裝置需要的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性:從靜止到基速具有恒轉(zhuǎn)矩,在基速以上具有恒功率特性,系統(tǒng)采取的控制策略為基速ωb以下,電壓pwm控制,輸出恒轉(zhuǎn)矩特性;基速ωb以上,角度位置控制(apc),輸出恒功率特性。為簡化控制規(guī)律,采取將關(guān)斷角θoff固定在一個由實驗得到的最優(yōu)角度22°處,僅調(diào)節(jié)起始開通角θon。
  
  8098單片機定時采樣由轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得的反饋速度,與由鍵盤敲入的給定速度比較,誤差經(jīng)數(shù)字pi 調(diào)節(jié),再經(jīng)軟件處理,根據(jù)反饋速度的大小是否在基速以上轉(zhuǎn)換成pwm脈沖或控制角度的apc單脈沖的控制參數(shù)。微機控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置控制對應相繞組的導通或關(guān)斷,輸出對應的pwm脈沖或apc單脈沖,經(jīng)功率變換器,實現(xiàn)對sr電機的控制。為簡化硬件電路,pwm控制、apc脈沖控制、速度檢測、pi調(diào)節(jié)器均由軟件實現(xiàn);為提高過流保護動作的快速性,采用硬件過流保護電路。
  
  樣機為0.75 k w四相(8/6)sr電機,功率變換器以gtr作為主開關(guān)器件,采用圖2所示的功率主電路。


  圖2電路的拓撲結(jié)構(gòu)由pollock等率先提出[6],其基本上保留了不對稱半橋線路的優(yōu)點,所用開關(guān)器件又較不對稱半橋少,具有較高的性能/價格比。
  
  與常規(guī)sr電機直接數(shù)字控制系統(tǒng)(ddc)換相邏輯控制不同,既要滿足sr電機電動運行換相要求,又要滿足兩步換相要求是制定6只主開關(guān)換相規(guī)則的原則,顯然,這限制相繞組的最大導通角θc不得超過30°。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 微機控制器硬件框圖


  以8098單片機為核心的微機控制器硬件框圖如圖3所示。


  由圖3可見,控制器主要由8098單片機,外接eprom27128、專用鍵盤顯示器接口芯片 8279、位置譯碼及換相控制電路、電流檢測與過流保護電路組成。由于基速以下采用的是電壓pwm方式,為防止gtr因過流而損壞,設計了過流保護電路。對四相sr電機,其交叉相(即a、c相和b、d相)的導通區(qū)間一般不會重疊,因此可采取a相和c相、b相和d相分別共用一個電流傳感器(lem模塊),對四相電流檢測,如圖2所示。
  
  兩路轉(zhuǎn)子位置信號分別送8098的高速輸入口hsi0和hsi1,hsi中斷服務程序與高速輸出hso0~hso3和位置譯碼及換相控制電路配合,用于控制6只主開關(guān)的導通、關(guān)斷,實現(xiàn)sr電機電動運行的換相要求及兩步換相要求,hsi中斷服務程序還用于速度的采樣。

3.2 位置譯碼及換相控制電路設計

  圖2中k1、k3、k4、k6均作為第一步換相

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