基于CPU和CPLD的开关磁阻电机调速系统设计
谢卫才，许志伟，林友杰
(湖南工程学院，湖南湘潭411101)
摘要：开关磁阻电动机调速系统是一种新型调速系统，文章介绍了开关磁阻电动机调速系统的基本原理，并设计了一种用cPu+cPLD实现的开关磁j且电动机调速系统，进行了实验并测试出各类数据和曲线，测定了开关磁阻电动机渊速系统的性能，实验证明该系统运行可靠。
关键词：开关磁阻电动机；调速；cPu+cPLD；斩波控制；角度位置控制
0前言
现代开关磁阻电机是磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化的控制装置，又称开关磁阻电机调速系统(switched Reluctance Motor Drives，sRD)，是20世纪90年代迅猛发展起来的一种新型调速电机驱动系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高，是各国研究和开发的热点之一。产品已开始应用于电动车驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域，呈现强大的发展潜力。sRD电机的结构比笼型异步电动机简单，但sR电机的控制要求根据负载和运行条件的不同，在不同的转子相对位置下通断各相绕组的主开关器件，这样既提高了电机控制的灵活性，也增加了电机运行控制的复杂性。显然，如果不采用软件与硬件相结合的数字控制系统对sR电机进行控制，sRD性能的提高必然受到一定的限制，同时控制器的硬件电路亦将过于复杂和庞大。因此，为了简化控制电路，充分利用sR电机控制方式灵活多变的优点，完善系统的功能，有必要使用数字控制系统对sR电机进行控制。本文设计了一个以cPu+cPLD为控制核心的开关磁阻电动机调速系统。
1开关磁阻电动机调速系统构成及控制方式
sRD系统主要由四部分组成：sR电机本体、功率变换器、控制器及位置和电流检测器。它们之间的关系如图l所示。
sR电动机是整个系统的执行部件，功率变换器向sR电动机提供运转所需要的能量，其本身由蓄电池或交流电源整流后得到的直流电供电。它主要由功率开关和续流等电路组成，实现电能的转换和能量回馈。它的主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件种类等有关。
位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者，是用来确定转子磁极的相对位置。控制器必须借助位置检测器获得的转子位置信息，以保证在恰当时刻接通或断开相应的相绕组，以产生不同的电磁转矩，获得不同的转速、转向及运行状态。控制器是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度返馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信号，从而控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对sR电动机运行状态的最终控制。
开关磁阻电动机的控制参数为：定子绕组电压Us、开通角θo与关断角θoff。双凸极磁阻电动机的控制就是如何合理改变这三个控制参数以达到运行要求。根据改变控制参数的不同方式，开关磁阻电动机有3种控制方式，即角度位置控制(Angular Positlon control，简称APc)、电流斩波控制(cuITent chopping contr01，简称ccc)与电压控制(vo1tage coIltrol，简称vc)。其中，APc是电压保持不变，通过改变开通角和关断角调节电机转矩大小，适于电机较高速区，但是对于每一个由转速与转矩确定的运行点，开通角与关断角有多种组合，每一种组合对应不同的性能，具体操作较复杂，且很难得到满意的性能。ccc_股应用于电机低速区，是为限制电流超过功率开关元件和电机允许的****电流而采取的方法，ccc实际上是调节电压的有效值，与APc类似，它也可以随转速、负载要求调节开关角；vc是在固定的开关角条件下，通过调节绕组电压来控制电机转速，它分直流侧PWM斩波调压、相开关斩波调压与无斩波调压，而无斩波调压是通过调节整流电压以响应电机转速要求，在整个速度范围内只有一个运行模式，即单脉冲方式。
2基于cPu+cPLD开关磁阻电机控制器设计
开关磁阻电机是典型的机电一体化装置，即磁阻电机的正常运行，离不开电机控制器。控制器是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度返馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信号，从而控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对sR电动机运行状态的最终控制。开关磁阻电机的控制方式，是研究开关磁阻电动机调速系统中的一个非常重要的问题，本章设计了实现开关磁阻电机的控制原理的cPu+cPLD控制器。本系统设计原理框图如图2所示。
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