基于80C196KC 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于80C196KC開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)李華柏黃杰（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412008）摘要：分析了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)理，設(shè)計(jì)了一套基于80C196KC的數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)，系統(tǒng)采用角度位置控制方式，實(shí)行電流內(nèi)環(huán)﹑電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制。仿真研究表明，該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在寬廣速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電的目標(biāo)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)發(fā)電機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，缺相故障運(yùn)行時(shí)，具有較好的容錯(cuò)運(yùn)行能力。關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，角度位置控制，雙閉環(huán)控制，數(shù)模混合控制系統(tǒng)DesignofControlSystemsforSwitchedReluctanceGeneratorBasedon80C196KCLiHuabo（HunanRailwayProfessionalTechnologyCollege,HunanZhuzhou,Abstrct:Generationmechanizationofswitchedreluctancegeneratorisanalyzed,andanintegrateddigitalandanalogcontrolsystembasedon80C196KCmicrochipisdesigned.Thesystemiscontrolledbymeansofanglepositioncontrolmethodandcurrentinner-loopandvoltageexternal-loopdoubleclosed-loopregulation.Theresearchresultsfromsimulationshowthatthecontrolsystemscanmadeswitchedreluctancegeneratorachievethegoalofoutputtinghighqualityvoltageoverawidespeedrange.Thegenerationsystemshaveexcellentdynamiccharacteristicswhiletheloadchangessuddenly,andhavegoodfault-tolerantoperationcapabilitywhileswitchedreluctancegeneratorisinphase-lackingoperationstate.Keywords:Switchedreluctancegenerator,Anglepositioncontrol,Doubleclosed-loopcontrol,Integrateddigitalandanalogcontrolsystem0引言開關(guān)磁阻電機(jī)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它繼承了磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單﹑堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)，又在高度發(fā)展的電力電子和微機(jī)控制技術(shù)的支持下獲得了良好的可控性，因此，它在驅(qū)動(dòng)調(diào)速領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用[2]。發(fā)電運(yùn)行與電動(dòng)運(yùn)行作為開關(guān)磁阻電機(jī)的兩種不同的運(yùn)行狀態(tài)有著對(duì)稱性，研究表明，開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)也具有許多獨(dú)特的特性與優(yōu)點(diǎn)，目前在發(fā)電領(lǐng)域已受到了越來(lái)越多的重視。本文在分析三相6/4結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(SwitchedReluctanceGenerator，以下簡(jiǎn)稱SRG)工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套基于MCS80C196KC單片機(jī)的數(shù)模混合控制系統(tǒng)。1SRG結(jié)構(gòu)及工作原理SRG主要由磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器及檢測(cè)電路四個(gè)主要部分構(gòu)成，如圖1所示。雙凸極磁阻電機(jī)是整個(gè)SRG系統(tǒng)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，它的定子與轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)；功率變換器(圖中僅畫出功率變換器的一相)是連接電源和電動(dòng)機(jī)繞組的開關(guān)部件，通過(guò)它可以將電源能量饋入電機(jī)，對(duì)繞組進(jìn)行勵(lì)磁，也可將電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)儲(chǔ)能反饋回電源，實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行。控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。圖1開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1Structureofswitchedreluctancegenerator開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：(1)當(dāng)磁路為線性時(shí)，SRG的電感僅為角位移的函數(shù)，與電流無(wú)關(guān)。所以:(2)將式（2）代入式（1）得：（3）式中：i為相電流，L是相電感，θ是轉(zhuǎn)子位置角。根據(jù)式(3)，電磁轉(zhuǎn)矩的方向是由相電流所對(duì)應(yīng)的相電感的變化率決定的。若相電流處于區(qū)間時(shí)則產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)；若相電流處于的區(qū)間時(shí)則產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)工作在制動(dòng)或發(fā)電狀態(tài)[1]。只要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來(lái)控制主開關(guān)通斷角度，使相電流主要集中在的區(qū)間，就可以使SR電機(jī)在運(yùn)行時(shí)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能向外輸出。圖２是發(fā)電運(yùn)行時(shí)相電流波形與相電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖所示，在θ=θ1時(shí)刻主開關(guān)S1，S2開始導(dǎo)通，在θ=θ2時(shí)刻主開關(guān)關(guān)斷，θ1～θ2階段為勵(lì)磁階段，SRG吸收電能；θ＞θ2階段為發(fā)電階段，D1與D2導(dǎo)通續(xù)流，電機(jī)向外輸出電能。很顯然，SRG一相的發(fā)電輸出功率為發(fā)電功率和勵(lì)磁功率之差。圖２相電流與相電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2Correspondingrelationsforphasecurrentwithinductance2發(fā)電運(yùn)行時(shí)的控制策略發(fā)電運(yùn)行的控制目標(biāo)是高效率地產(chǎn)生輸出電流以維持額定的輸出電壓。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是變化的，負(fù)載也可能發(fā)生變化，控制方案應(yīng)該使系統(tǒng)在速度和負(fù)載的一定變化范圍內(nèi)，維持輸出電壓的穩(wěn)定，保持系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。因此控制模式的選擇對(duì)于系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定是至關(guān)重要的。角度位置控制模式是通過(guò)調(diào)節(jié)開通角θon﹑關(guān)斷角θoff來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制，進(jìn)而控制輸出功率[3]。圖3與圖4分別是角度位置控制方式下改變?chǔ)萶n與改變?chǔ)萶ff時(shí)的相電流仿真波形，由圖可知，固定θoff，提前θon，或者固定θon，增大θoff，都可以使繞組勵(lì)磁的時(shí)間增加，相電流的峰值增加，電流波形變寬。SRG發(fā)電運(yùn)行時(shí)，當(dāng)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生較大的變化，如轉(zhuǎn)速增加，如果開通角與關(guān)斷角固定，那么建立電流的時(shí)間相對(duì)將縮短，導(dǎo)致勵(lì)磁電流減小，影響SRG的發(fā)電能力。所以當(dāng)SRG處于高速發(fā)電運(yùn)行時(shí)，要保證輸出功率的穩(wěn)定，適時(shí)地調(diào)整開通角與關(guān)斷角的大小是有效的控制方法之一，如將開通角提前，將關(guān)斷角推后，都能增大勵(lì)磁電流，提高SRG的發(fā)電輸出功率。圖3改變開通角時(shí)的相電流波形Fig.3Phasecurrentwavewhileturn-onanglechanges圖4改變關(guān)斷角時(shí)的相電流波形Fig.4Phasecurrentwavewhileturn-offanglechangesθon與θoff可以單獨(dú)作控制變量,也可以同時(shí)作為控制變量，但同時(shí)作控制變量將使系統(tǒng)變得復(fù)雜，降低運(yùn)行的可靠性，因此適宜采用一個(gè)參數(shù)作變量，另一個(gè)參數(shù)則經(jīng)優(yōu)化固定。圖4表明，相電流對(duì)關(guān)斷角的變化很敏感，θoff較小的角度變化會(huì)引起相電流峰值的較大變化，所以可控性較差。開通角在一定范圍內(nèi)與輸出功率呈較好的線性關(guān)系[5]。綜合這兩個(gè)因素，本文采用θon作控制變量的角度位置控制模式，用查表方式優(yōu)化固定θoff，通過(guò)PID調(diào)節(jié)θon來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率[2]。其控制框圖如圖5。為了輸出平穩(wěn)的直流電，輸出端還需并聯(lián)電容進(jìn)行濾波。濾波電容是一個(gè)比較大的滯后環(huán)節(jié)，會(huì)影響電壓外環(huán)的響應(yīng)速度。為改善本系統(tǒng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)輸出電壓的動(dòng)態(tài)特性，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，當(dāng)外界負(fù)載突變或者受到外來(lái)干擾時(shí)，即使電壓外環(huán)尚未迅速響應(yīng)，電流內(nèi)環(huán)也可以起到迅速調(diào)節(jié)的作用，保證輸出電壓的穩(wěn)定，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。圖5角度控制方式實(shí)現(xiàn)框圖Fig.5Diagramofanglepositioncontrolmethod3基于80C196KC數(shù)模混合控制器的SRG發(fā)電運(yùn)行時(shí)，一般運(yùn)行于較高的轉(zhuǎn)速，因?yàn)榈退俨焕诎l(fā)電功率的輸出，而高速運(yùn)行對(duì)控制的實(shí)時(shí)性有較高的要求。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制時(shí)，單片機(jī)一方面要完成電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的數(shù)據(jù)處理，另一方面還要完成對(duì)相電流的采樣、信號(hào)比較等工作,導(dǎo)致CPU的負(fù)擔(dān)較重，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性會(huì)受到影響，故SRG不宜采用全數(shù)字控制[2]。本文采用了一種以MCS80C196KC單片機(jī)為核心的數(shù)?；旌峡刂品椒?，圖6是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖6ＳＲＧ控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6StructurediagramofSRGcontrolsystems數(shù)字控制電路部分包196CPU、存儲(chǔ)擴(kuò)展電路、位置檢測(cè)電路、參數(shù)顯示及接口電路。196CPU是控制電路的核心，負(fù)責(zé)狀態(tài)檢測(cè)、角度控制、參數(shù)優(yōu)化、轉(zhuǎn)速計(jì)算等工作，根據(jù)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速查表給定關(guān)斷角θoff的值，根據(jù)優(yōu)化的開關(guān)角，給出主開關(guān)管的開通、關(guān)斷信號(hào)等；存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序；位置傳感器輸入電路將位置信號(hào)送入單片機(jī)的HIS口，HSI口監(jiān)測(cè)位置變化并設(shè)置位置信號(hào)的上跳沿觸發(fā)HSI中斷[2]。HSI中斷程序完成電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，并將處理后的位置信息送給196CPU，然后通過(guò)HSO接口輸出信號(hào)分別控制A，B，C三相。系統(tǒng)相電流與電壓的檢測(cè)﹑開通角的PID調(diào)節(jié)及故障保護(hù)等功能由模擬電路實(shí)現(xiàn)，模擬電路完成信號(hào)采集后，將結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行綜合處理，大大簡(jiǎn)化了CPU數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。這種數(shù)?；旌峡刂破鞒浞职l(fā)揮了數(shù)字控制與模擬控制各自的長(zhǎng)處，是一種高性能、高可靠性的控制器。4仿真分析4.1負(fù)載突變時(shí)SRG的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，SRG必須及時(shí)響應(yīng)負(fù)載的變化，保持電壓穩(wěn)定以滿足負(fù)載要求。下面通過(guò)負(fù)載突變時(shí)輸出電壓的仿真波形來(lái)驗(yàn)證SRG電壓開環(huán)與閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，時(shí)間t從0到0.04秒，負(fù)載為8kW，在0.04秒負(fù)載突加為9.2kW，在0.08秒負(fù)載突減為4kW。圖7是負(fù)載突加﹑電壓開環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)的輸出電壓仿真波形，圖8是系統(tǒng)采用閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)的仿真波形。圖7電壓開環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)輸出電壓仿真波形Fig.7Outputvoltagewaveinvoltageopen-loopcontrol圖8（a）負(fù)載突變時(shí)輸出電壓的波形圖8（b）輸出電壓局部放大波形圖8負(fù)載突變﹑電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)的輸出電壓波形Fig.8Outputvoltagewaveinvoltageclosed-loopcontrolwhiletheloadchangessuddenly仿真結(jié)果表明，電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng)負(fù)載突變，SRG的輸出電壓基本保持穩(wěn)定，電壓紋波與幅度很小，總體對(duì)負(fù)載突變的瞬時(shí)性較好，過(guò)渡時(shí)間很短。這主要是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)通過(guò)電壓閉環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)開關(guān)角，從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)滿足負(fù)載突變的功率要求，所以對(duì)負(fù)載的變化響應(yīng)較為迅速。而開環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，由于負(fù)載突然加大，使得電容的放電量增加，而對(duì)電容的充電量不變，使得充電量小于放電量，輸出電壓逐步下降，在252V左右重新建立新的平衡。4.2缺相運(yùn)行時(shí)SRG的動(dòng)態(tài)特性SRG的故障包括電機(jī)故障和功率變換器故障，當(dāng)這些故障發(fā)生時(shí)，控制器檢測(cè)到該故障并封鎖故障相的觸發(fā)脈沖，使SRG運(yùn)行在缺相狀態(tài)。假設(shè)A相在0.024秒的時(shí)候發(fā)生開路故障，系統(tǒng)檢測(cè)到這一故障后，封鎖A相繞組的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)處于兩相運(yùn)行狀態(tài)。在閉環(huán)方式下，圖9反映了缺相故障時(shí)發(fā)電電壓的變化過(guò)程，圖10為故障相的電流波形，圖11為非故障相B相與C相的電流波形。圖9缺相故障運(yùn)行時(shí)的電壓變化過(guò)程Fig.9Voltagevariationprocessinstateofphase-lackingoperation圖10故障相的相電流仿真波形Fig.10Phasecurrentwaveoffaultphase圖11非故障相的相電流仿真波形Fig.11Phasecurrentwaveofnormalphase圖12非故障相正常工作與容錯(cuò)故障運(yùn)行時(shí)的相電流波形Fig.11Phasecurrentwaveofnormalphaseinstateofnormaloperationandfaultoperation圖12為非故障相B相與C相在正常發(fā)電運(yùn)行與故障發(fā)電運(yùn)行的相電流仿真波形的比較，波形1為正常工作時(shí)的相電流波形，波形2為故障后的相電流波形，可見(jiàn)故障發(fā)生后，非故障相B相與C相的相電流有了明顯的增加。SRG輸出的平穩(wěn)電壓實(shí)質(zhì)上是對(duì)濾波電容充放電平衡的結(jié)果，當(dāng)A相發(fā)生缺相故障時(shí)，繞組被切除，該相電流為零，其余兩相繼續(xù)工作，破壞了原有的充放電平衡狀態(tài)。在電壓閉環(huán)方式下發(fā)生缺相故障時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)非故障相的勵(lì)磁電流，發(fā)電電流增大，對(duì)濾波電容的充電量也增大，最終故障相的充電量由其余兩相補(bǔ)償，輸出電壓仍然保持原給定值。電壓閉環(huán)控制時(shí)發(fā)電運(yùn)行的不間斷供電可靠性很高，從容錯(cuò)的角度來(lái)說(shuō)，SRG明顯優(yōu)于其它類型的發(fā)電機(jī)。綜上分析，采用電壓與電流雙閉環(huán)控制時(shí)，不管是負(fù)載突變還是容錯(cuò)故障運(yùn)行，其實(shí)質(zhì)都是當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)角度位置控制方式調(diào)節(jié)開通角來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓與輸出功率的調(diào)節(jié)與控制。SRG的最終控制目標(biāo)是系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)特性，輸出穩(wěn)定的電壓，從這點(diǎn)而言，本文控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取得了較好的效果。結(jié)論角度位置控制方式，能在較寬的速度范圍內(nèi)使SRG有良好的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)特性；采用電流內(nèi)環(huán)﹑電壓外環(huán)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，SRG能及時(shí)響應(yīng)負(fù)載突變的變化，輸出電壓基本保持穩(wěn)定，當(dāng)電機(jī)缺相故障運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)仍然具有較好的容錯(cuò)工作能力與動(dòng)態(tài)特性；數(shù)模混合控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了數(shù)字控制與模擬控制各自的長(zhǎng)處，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度與控制的適時(shí)性。參考文獻(xiàn)：[1]吳建華，開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，北京：機(jī)械工業(yè)出版