基于变速积分pid的开关磁阻电动机调速系统

    王歆．田雨波．王宝忠

    (江苏科技大学，江苏镇江212003)

    摘要：在分析了开关磁阻电动机闭环速度控制方案的基础上，针对pid算法在开关磁阻电动机应用中出现的问题，给出了相应的解决方法，提出了非线性变速积分pii)算法．并成功地解决了在低采样周期时pid算法的积分饱和问题。

    关键词：开关磁阻电动机；pid控制；非线性变速积分

0引  言

    低制造成本、高可靠性和高能量转换效率是机电运动控制系统的发展趋势。开关磁阻电动机结构简单，适合在恶劣环境下运行，只在定子上有绕组，没有转子铜耗。因此开关磁阻驱动系统迎合了机电运动控制系统的发展趋势，融合了电力电子技术和现代控制算法发展成果，成为近年机电运动控制领域的研究热点。近年来已广泛应用于家电、汽车、数控机床、机器人等领域。

1开关磁阻电机的速度控制方案

    对开关磁阻电动机转速的控制一般采用闭环控制。与开环控制相比，速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比，其性能大大提高；理想空载转速相同时，闭环系统的静差率(额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比)要小得多；当要求的静差率相同时，闭环调速系统的调速范围可以大大提高。开关磁阻电动机的速度控制方案如图1所示。

    开关磁阻电动机控制器是电机调速运行的中枢，它综合处理各种位置、速度等给定信号，给出相应的相通断、系统保护、显示等信号。且根据键盘输入的指令如起动、停止、速度设置等和传感器提供的各种信号(如位置、电流等)输出相通断信号，驱动主开关管的开通与关断，驱使电动机转子转动。tms320f240芯片是ti公司专门针对电机、逆变器、机器人等控制而设计的，它配置了完善的外围设备，且可设置六个优先级的中断。此款芯片在电机调速领域的整体来说，无论是从计算速度、精度、内外部资源还是性价比上，都优于传统的一系列单片机，所以本设计中选用tms320f40来作为控制器的cpu。

    如图2所示，整个控制器单元主要包括最小系统电路、位置检测电路、电流检测电路、倍频电路、过流、过压及欠压保护电路、转换电路、电流斩波电路以及人机交互电路等。

    闭环速度调节器采用比例积分微分控制(简称pid控制)，是按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器。pid调节器控制结构简单，不一定需要系统的数学模型，参数容易整定，在长期应用中已积累了丰富的经验。将它移植到计算机控制系统，通过软件予以实现，对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果。pid调节器虽然易于使用，但在设计、调试开关磁阻电动机控制器的过程中常常会遇到pid调节器易受干扰、采样精度的影响等问题，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。所以，在不影响控制精度的前提下对pid控制算法加以改进，关系到整个开关磁阻电动机控制器设计的成败。

2设定速度和获取电机转速

    开关磁阻电动机转速系统采用光电式位置传感器，它由静止和转动两部分组成，前者包括红外发光二极管、红外光敏二极管和辅助电路；后者为srm转子同轴安装的6齿遮光盘，每齿间隔30^o，遮光盘与电机同步旋转，通过遮光盘的遮光、透光，使光敏元件产生导通与关断信号。对于四相8／6极开关磁阻电动机，在定子上安装两个相距75^o的光敏传感元件经输入电路处理，输出两路相位差15^o、占空比为50％的方波信号，它组合成四种不同的状态，分别代表电动机四相绕组不同的参考位置。tms320f240的两个捕获单元capl、cap2分别检测这两路信号。当捕获输入引脚上检测到一个转换时，定时器tl或t2的值被捕获并存储在相应的两级深度fifo堆栈中。位置信号的上、下跳变均因起捕获口中断，即每15^o产生一次捕获口中断，cap的中断服务程序根据转子的瞬时位置信号，由srm电机换相逻辑，确定电机对应绕组关断与导通，并根据测周法计算电机的实际转速。

两路位置信号输入捕获口，每一次跳变上升沿或下降沿都要产生一次捕获中断，读取相应捕获堆栈寄存器即可计算出各路信号相邻两个跳变之间的标准脉冲个数n，捕获功能以定时器2为时间基准，定时器2计数频率为l. 25 mhz。根据t测速法，可得如下转速计算公式：