開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的軟硬件設計

1、開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的軟硬件設計關鍵詞:數(shù)字信號處理器;開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng);TMS320F2407芯片 1 引言 20多年來,開關磁阻電機的研究在國內(nèi)外都取得了很大的發(fā)展,而且作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng),它兼有直流傳動和普通交流傳動的優(yōu)點,已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)、家用電器、電動車輛等諸多領域。伴隨著微電子技術的迅速發(fā)展和數(shù)字信號處理理論與技術的不斷完善,數(shù)字信號處理器作為電子信息領域的新型高科技產(chǎn)品,更為電機系統(tǒng)的數(shù)字化控制注入了新的生機。隨著DSP在電機控制領域的應用,基于DSP的開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的研究已如火如荼。 2 硬件設計方案 開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)是由SRM、功率變換電路、DSP控制器

2、、位置傳感器等組成。 2.1 功率變換器的設計 功率變換主電路的結構型式很多,有不對稱半橋型、雙繞組型、電容裂相型、H型、電容轉(zhuǎn)儲型等。 可以用來構成SRD功率變換器的主開關器件主要有普通晶閘管、大功率晶體管(GTR)、可關斷晶閘管(GTO)、MOS場效應晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。電動機功率變換器主開關器件的選擇與電動機的功率等級、供電電壓、峰值電流、成本等有關;另外還與主開關器件本身的開關速度、觸發(fā)難易、開關損耗、抗沖擊性、耐用性及市場普及性有關系。 普通晶閘管是使用時間最長、伏安容量最大,并且價格比較便宜,但是因為沒有自關斷能力,開關頻率低,強迫換相電路成本高、

3、可靠性差,故不適宜做功率電路中開關元件。 雙極型功率晶體管(GTR)的開關頻率高,具有自關斷能力,在中、小容量的SRD應用廣泛,但其電壓、電流過載能力差,承受浪涌電流的能力差,存在二次擊穿現(xiàn)象,不易保護。 可關斷晶閘管(GTO)在不斷關斷時要求相當大的反向控制電流,關斷控制實現(xiàn)有難度,并存在管壓降比普通晶閘管高等不足,因此作為功率電路的開關的應用并不廣泛。 功率場效應管 MOSFET是一種單極型的電壓控制器件,具有驅(qū)動電路簡單、開關速度快、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,但是容量有限制并且比雙極型功率晶體管通態(tài)壓降大,只適用于低電壓、小功率的開關磁阻電機系統(tǒng)中。 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)是80年代出

4、現(xiàn)的新型復合開關器件,具有工作頻率較高,控制實現(xiàn)比較簡單,而且單管的電壓定額與電流定額也已經(jīng)做得很大,已經(jīng)可以滿足對本裝置功率器件的要求,因此經(jīng)綜合考慮選用IGBT作為本系統(tǒng)SRD功率變換器的主開關器件。本文采用H型的功率電路,如圖1所示。 A、B、C、D為SRM四相繞阻,VD1-VD4為續(xù)流二極管,V1-V4為智能模塊IPM。AB,CB,CD,AD兩相同時通電,循環(huán)導通工作。若V1,V3同時導通,則A,B相通電。若V1關斷,V2閉合,則A相關斷,C相開始導通,此時,A相繞組將通過二極管VD1續(xù)流,C相繞組也構成回路,使B相電流增大,中性點電位必然增高,促使A相續(xù)流迅速衰減,強行換相。緊接著關

5、斷V3,開通V4,則C,D相導通,依次循環(huán)導通,電機就連續(xù)運行起來。 2.2 主開關驅(qū)動電路的設計 本系統(tǒng)采用的驅(qū)動電路模塊是EXB84I,該電路的優(yōu)點是驅(qū)動電路集成化,抗干擾能力強,速度較高,保護功能較完善,可實現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動。 IGBT對驅(qū)動電路的要求注意以下幾個問題:(1)動態(tài)驅(qū)動能力強。能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。IGBT的開關速度與其柵極控制信號的變化速度密切相關。IGBT的柵極電壓源特性呈非線性電容性質(zhì),用小內(nèi)阻的驅(qū)動源對柵極電容充放電,以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿,使IGBT的開關損耗盡量小。(2)能向IGBT提供適當?shù)恼驏艍骸?3)能向IGBT提

6、供足夠的反向柵壓。在IGBT關斷期間,由于電路中其它部分工作,會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號,這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài),增加管子的功耗,重則將使逆變電路處于短路直通狀態(tài),因此,最好給應處于截止狀態(tài)的IGBT加反向柵壓(幅值一般為:5V15V),使IGBT在柵極出現(xiàn)開關噪聲時仍能可靠截止。(4)有足夠的輸入、輸出電隔離能力。驅(qū)動器具有電隔離能力,可以保證設備的正常工作,但是這種隔離不應影響驅(qū)動信號的正常傳輸。(5)具有柵壓限幅電路,保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓為20V,驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。(6)理想的驅(qū)動電路要求輸入、輸出信號傳輸無延時。這一方面

7、能夠減少系統(tǒng)響應滯后,另一方面能提高保護的快速性。 2.3 位置傳感器設計 位置檢測器作用是向DSP端口正確提供轉(zhuǎn)子位置信息。本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置信號傳感器是由光電傳感元件(固定部分)和光電盤(旋轉(zhuǎn)部分)構成。結構如圖2,齒盤上6個間隔30的齒槽,與電機轉(zhuǎn)子同軸。光電傳感器S、 P固定在電機機殼上,當齒遮擋傳感器的光路,光敏管處于截止狀態(tài);當光敏管受光導通。電機旋轉(zhuǎn)時,傳感器輸出30的方波信號,如圖3表示電機轉(zhuǎn)動時兩個位置傳感器輸出信號。 電機速度的檢測主要是通過檢測傳感器輸出信號來實現(xiàn)的。可以采用檢測脈沖寬度、頻壓轉(zhuǎn)換或其它方式來實現(xiàn),本文采用的是脈沖寬度測速法。圖4中高電平部分表示電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過

8、30度即一周的1/12所需的時間t,設對應的電機轉(zhuǎn)速為n,則有:360nt/60=30即nt=5 式中n為電機轉(zhuǎn)速,單位為轉(zhuǎn)/分;t為電機轉(zhuǎn)過1/12周所需時間,單位為s。由上式可知,若測的位置傳感器信號脈沖寬度t,則可以獲得電機當前轉(zhuǎn)速n,且有:n=5 /t。DSP事件管理器中的捕獲單元捕獲位置傳感器的方波輸入信號,DSP通過軟件編程可以計算出位置傳感器脈沖寬度的時間t,從而計算出轉(zhuǎn)速n。 3 軟件設計方案 3.1 控制算法 采用了DSP數(shù)字PI調(diào)節(jié)器,實現(xiàn)SRM的閉環(huán)控制. PI控制的原理是根據(jù)給定值與實際輸出值之間的偏差E(t)來進行控制的,將偏差的比例(P)和積分(I)通過線性組合構成

9、PI調(diào)節(jié)器,對受控對象進行控制。 3.2 軟件結構 本系統(tǒng)采用了全數(shù)字速度閉環(huán)控制系統(tǒng)軟件的主要功能是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)和實際轉(zhuǎn)速發(fā)出相應繞組開、關信號。軟件部分包括一個主程序和若干個中斷服務子程序,其中主程序?qū)φ麄€系統(tǒng)以及DSP內(nèi)部環(huán)境進行初始化協(xié)調(diào);子程序主要包括啟動、運行部分。根據(jù)SRD的控制思想以及軟件編程思想,設計出如圖4所示軟件系統(tǒng)結構框圖。 (1)CAP捕獲程序中配置捕獲單元,這個模塊對位置傳感器輸入的兩路信號同時進行捕獲,即通過捕獲上升沿或下降沿對它們的脈沖寬度進行捕獲,同時啟動通用定時器對脈沖進行計數(shù)。 (2) 速度計算程序通過位置信號生成的頻率或時鐘信號計算速度值。 (3)速度給定通過電位器調(diào)節(jié)從模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模數(shù)模塊來輸入,利用ADC的一個模擬輸入通道來獲取采樣值,接著進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結果保存在該通道的結果寄存器中,并且對這一通道可以進行多次采樣。 (4)數(shù)字PI算法實現(xiàn)速度閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。 (5)PWM 輸出程序軟件模塊在系統(tǒng)輸入的基礎上,通過比較,輸出了PWM控制信號。 4 總結 試驗表明基于DSP的開關磁阻電機調(diào)速