基于DSP模糊控制的开关磁阻电机调速系统设计

    何降彪，梁雨时，王世琥

    (西安交通大学，陕西西安710049)

    摘要：选用DsPTMs320F2812为主控芯片，设计了四相8／6极75 kw开关磁阻电机调速系统(sRD)。针对开关磁阻电机(sRM)存在的非线性问题，采用“P1+模糊”双闭环算法分别对电机的绕组电流和转速进行控制。实验结果表明，该控制方法对于非线性严重的sRM具有很好的控制效果。

    关键词：开关磁阻电动机；非线性；数字信号处理器；模糊控制

  O引言

    开关磁阻电机(sRM)是80年代中期发展起来的新型电机，它融电力电子技术、微电子技术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化产品。开关磁阻电机调速系统(sRD)与直流调速系统和异步电动机变频调速系统相比较，具有结构简单、成本低、效率高、控制灵活、起动电流小、起动转矩大、适用于恶劣环境等优点，因此近年来在牵引运输、通用工业、家用电器等领域得到了广泛应用。但是sRM具有严重的非线性及变结构、变参数特点，难以建立精确的数学模犁，且在不同的控制策略下其参数、结构都是变化的，因此固定参数的PID控制方式难以获得理想的控制性能。针对上述问题，本文把高性能DsP和“模糊+PI”的双闭环控制算法相结合，设计了四相8／6极sRM渊速系统，一定程度上解决了sRM非线性带来的一系列问题。

  1系统结构与控制策略

    sRD系统主要由sRM、功率变换器、控制器、检测单元四大部分组成。功率变换器是sRD系统能量传输的关键部分，起控制绕组的开关作用，是影响系统性能价格比的主要因素；控制器是sRD系统的核心部分，完成电流及转速的调节，其性能的好坏直接影响电机的运行性能；检测单元由位置检测和电流检测环节组成，提供转了的位置信息从而确定各相绕组的开通与关断，提供电流信息以采取相应的保护措施防止过电流。

    sRD系统的主要功能是以转速值为给定量，并要求sRM的转速能自动跟随给定量。为保证良好的渊速性能，sRD采用双闭环控制系统。外环是转速环，采用模糊算法，内环是电流环，采用经典PI算法。sRD系统的主要控制方式有：角度位置控制、电流斩波控制和电压PwM控制。本系统采用电压PwM控制，其特点是通过PwM方式调节绕组的电压平均值，间接调节和限制过人的绕组电流，从而实现sRM调速。它既能用于转速调节系统的高速运行，又适合于低速运行，而且抗负载扰动的动态响应快，控制起来比较容易。

  2系统硬件设计

本文所设计的基于TMs320F2812的sRD硬件总体框架如图l所示。TMs320F2812是TI公司推出的****一款DSP芯片，也是目前国际市场上****进、功能******的32位定点13DSP芯片，其指令处理速度可达150M／s。图中，虚线框内的部分为TMS320F2812，系统的所有控制环节，包括电流环控制、转速环控制、电机换向等全部由软件完成，DsP直接输出逻辑电平型的PwM控制信号驱动功率变换器工作，从而对sRM进行电流、速度控制。电流反馈信号是由霍尔电流专感器测得的，信号经过处理后送入_TMS320F2812内的ADc，转换为数字量，构成电流环。速度反馈信号由位置传感器获取，经过调理后送入DSP的cAP单元，从而得到电机的速度和方向，买现速度的闭环控制。

 

2 1功率变换器设计

    功率丰电路采用不对称半桥电路，使得电机的每一相绕组能够独立控制，****限度地减少各相的关联，保证电机各相独立，避免了常规驱动电路上、下桥结构出现的换向直通现象，提高电机的运行可靠性。不对称半桥电路的拓扑结构如图2所示。

关于主开关器件的选择，考虑到绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有功率损耗小、开关速度快、驱动电路简单，并且兼有M0sFET高输入阻抗和GTR通态饱和压降低的优点，故选用了西门康公司生产的300A／1200v，型号为sKM300GBl23D的IGBT作为主电路开关。

lGBT的驱动选用日本富士公司的lGBT专用高速型驱动模块ExB841，它可用于驱动400A，600V以下或300A／1200v以下的IGBT，整个电路信号延迟时间不超过1 μs，****工作频率可达40kHz，它只需外部提供一个+20v的单电源，内部自己产生+15v(开通)和一5v(关断)的驱动电压。模块采用高速光耦隔离，并有短路保护及慢速关断功能，对本系统比较适用。IGBT驱动电路如图3所示。

2 2转子位置检测

转子位置信号主要作用有两个：一是精确指示定子与转子相对位置关系；二是实时计算电机转速。本文采用的位