一种开关磁阻电机模数混合式控制系统的设计

作者：师争光 黄运生 陈学

欢迎访问e展厅 展厅 1 电动机展厅 三相异步电动机, 单相电机, 马达, 伺服电机, 直流电机, ... 摘 要：本文介绍了一种开关磁阻电机模数混合式控制系统的设计方案。分析了开关磁阻电机的数学模型和工作原理，提出基于定角度电压斩波方式的速度单闭环控制方案，控制回路采用模拟方式实现PI速度调节，反馈回路则采用以80C51为核心的单片机系统进行位置信号与反馈速度之间的转换处理，同时给出相应硬件结构。 关键词：开关磁阻电机，模拟控制，数字控制 1. 引言 开关磁阻电机以其结构简单、制造成本低、可控性好、工作可靠、效率高、综合性能优越等优点,在工业中获得了越来越广泛的应用。目前美国、加拿大、南斯拉夫等国已相继开展研究工作，并在系统的一体化设计、电动机的电磁分析、微机的应用、新型电力电子器件的应用、新型结构形式（如单相电机、无传感器电机等）的开发等方面取得进展。国内已有一批高校、研究所和工厂每年投入开关磁阻电机系统的开发和制造当中。本文基于定角度电压斩波控制策略，借用速度单闭环，采用模数混合的方式设计了一套简单实用的小功率开关磁阻电机的控制系统。 2. 开关磁阻电机控制系统的基本结构与原理 2.1 开关磁阻电机的线性数学模型【1】 开关磁阻电机属于双凸极可变磁阻电动机，其定、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组。在现有常规设计中，一般忽略铁心部分磁饱和，同时不考虑漏磁通，即磁通全部由气隙进出转子，在这种情况下，气隙磁导仅由定转子重合部分的极弧角度大小决定，即气隙磁导仅是转子转角 的函数。其电感随转角变化的曲线如图1所示： 分析可知，在电感曲线的上升段，通入绕组电流产生正向电磁转距，在电感曲线的下降段，通入绕组电流则产生反向电磁转距。因此通过改变绕组通电的时刻来改变转距方向，同时通过调节脉冲的宽度控制绕组电流的大小从而达到调节速度的目的。 2.2 系统原理框图[1][2] 模数混合控制系统结构框图如图2所示： 给定速度与反馈速度的偏差经速度调节器输出后，作为PWM电路的输入控制信号，控制调节一定频率的脉冲宽度，方波脉冲作用于功率电路，通过IGBT的开关作用，将施加到SR电动机相绕组上的直流电源电压斩波成对应频率和占空比的方波电压，从而改变相绕组两端电压的有效值，实现SR电动机的转速控制。 逻辑电路综合了角位移信号和控制方式输出一个符合电动机相数并实现调速控制的多路信号；位置检测信号经数字倍频与频压转换电路后，输出反馈速度。 3. 功率变换器的设计[2] 在SRM的常用功率变换器主电路中，常用的有电机双绕组型﹑电容裂相型﹑H桥型﹑以及不对称半桥型等，本文采用如图3设计方案，在实验中取得良好效果。设计针对8/6极开关磁阻电机，在上述电路中，我们将三相交流整流施加与电机绕组两端。以A相为例，各相只有一个可控器件T1和一个续流二极管DL1,可采用单相或双相方式进行，本文采用单相加以验证，当可控器件T1导通，整流电流经过绕组A，推动其产生电动转距；当其关断，绕组经二极管DL1续流，其中R2、C3起保护可控器件的作用。为避免启动过程中电流冲击，在C1路串联一大功率电阻R1，系统进入稳定运行状态后，将其断开。 4. 开关磁阻电机数模混合系统的设计 4.1 转子角位移检测[1][2] 适用于开关磁阻电机调速系统的角位移传感器型式很多，其中最常用的就是光电式，它的优势就是结构简单，位置精度高，但比较怕灰尘，需要有密封很好的防尘罩。本文采用四相8/6极结构，位置检测采用半数检测方案，步进角为15度，转子极距角为60度，转盘的齿﹑槽数与转子的凸极﹑凹槽数一样为6，且均布，所占角度均为30度，转盘安装在转子轴并同步旋转，夹角为75度的两光电脉冲发生器S1、S2分别固定在定子中心线左右两侧75/2度处。 当圆盘中凸起的齿转到开槽光电脉冲发生器S1、S2位置时，因其中发光管的光被遮住而使其输出状态为0，没有被遮住时，输出状态为1。则在一个转子角周期60度内，S1、S2产生两个相位差为15度，占空比为50％的方波信号。它组合成4种不同的状态，分别代表电动机四相绕组不同的参考位置。 图5所示的光电脉冲发生器输出的位置脉冲信号有一定的上升和下降沿。为此，光电三极管输出电压后我们采用一个滞后回线的比较器整形，以消除输出位置信号的“毛刺”及其上升和下降沿。 4.2 θoff、θon 的确定与启动方式[2] 分析上图1中电感曲线可知，改变θon使电感上升段电流变化，从而改变了电动机转距，改变θoff一般不影响电流峰值，但影响电流波形的宽度及其同电感曲线的相对位置。本文采用定角度斩波的控制方式，θoff则 和θon 应取兼顾高低速运行的中间值，其适用的调速范围一般不会太大，如比例为1：20。 电动机启动时，要求转子在任何位置下都能够以最大转距起动，所以此时需让绕组电流自然通断，本文的四相8/6极电动机取θon ＝0。 ，θoff ＝30。 ，但当速度逐渐升高，则应该使 θoff < 30。 ,否则会因续流而形成制动转距影响运行。 4.3 数字倍频与频压转化电路[3][4][5] 作为反馈检测环节，本文采用以80C51的单片机为核心的控制结构，通过两片定时/计数器芯片8253完成位置信号的倍频和频/压处理，信号输出DAC0832芯片和I/V转换电路。同时运用单片机系统处理电机的正反转，停车启动等相对简单，其P3.5 、P3.6端口输出正反转控制信号。 数字倍频电路选用芯片8253下，当两路位置信号异或之后机械角度为15度，作为图6中的原始位置脉冲送入系统结构，在8253下中计数器0对每个15度的方波Q计一次数，即申请一次中断，CPU响应读出计数器1对固定脉冲的计数值N并且清零，然后在将此值除以50，产生的值送入到计数器2中作为其时间常数值N/50，计数器2也由固定时钟脉冲计数，当回零时，便输出一个倍频后的脉冲F。若设15度中断脉冲对应的周期为T，而固定脉冲的周期为t,则倍频后脉冲的周期为Nt/50,且有Nt=T，则有TF＝T/50。可见输出的脉冲通过此环节实现了50倍频。 在数字频压转化电路中，所用策略基于电机的常用测速方法：M/T测速法。在实际应用的过程中，M测速法较适合高速段，而T测速法较适合低速段，两者相结合的这种方式即M/T法在数字测速中应用较为广泛。其测速公式如下： 其中f0表示时钟脉冲的频率，m1表示倍频后的位置脉冲个数，m2表示同时时间周期下高频时钟脉冲个数，P表示倍频后的电机旋转一周的脉冲个数。 在上面的硬件电路中，8253上的计数器0和计数器1分别对m1和m2进行计数，D触发器主要用来使m2的计数与测速脉冲计数同步，由于8253为下降沿计数，所以使用反相器M，启动测速和停止测速的信号由单片机80C51的P3.4口输出，P3.1口用于复位脉冲的输出。 其中8253是减法计数器，编程时，十六位的计数器的初始值置0000H，读数后也置0000H，在一个测速的采用周期内，允许的最大测速脉冲和时钟脉冲数应小于FFFFH。 数据处理后经DAC0832转化输出，应该注意为了得到实际中的模拟电压，在互补的电流输出端配合以I/V转换器。 4.4 正反转通电逻辑电路[1] 正反逻辑通电电路实际上是将位置信号转化为四相通电信号，这里采用74LS14反相缓冲器配合两片74LS09与门来实现，单片机其中两个端口信号控制其正反转逻辑的开通和切换，应特别注意信号的同步问题，保证转换信号具有相似的时间延迟时间，确保后面信号可靠触发。 4.5 速度调节器的设计[2] 根据系统原理，频/压转化过来的信号经过模拟速度调节器的处理，输出控制信号送给PWM发生装置，最后控制功率变换器件的逻辑顺序。速度调节器以OP07为核心，采用PI算法，如图8。R6可以调节速度给定，同时和Vout进行比较，R8、C4构成PI运算电路，其中参数可调，VD1为调节器输出限幅钳位二极管， PI路并联的开关J是为了防止漂移输出引起传动系统误动作而设置的，在零输入条件下，往往出现漂移，引起系统的“爬行”，即在停车状态下，开关J闭合，即PI调节器没被投入，输出为零；相反，工作状态下，开关J处于打开状态，PI调节器投入系统。 5 结论 本文针对2.2KW的小型开关磁阻电机设计了该数模混合控制系统，最高转速为1500r/min,对抗干扰和动态响应要求不很高的情况，采用这种方式十分有效。由于控制系统的设计是基于一定简化处理的SR电动机小信号线性化动态模型，自然与实际运行的SRD存在较大的差异，仍旧需要在参数，结构和功能上进一步优化。 该系统保持最大力矩启动进入稳态后，调节 在7.5度左右， 在22.5度左右，系统运行稳定，速度保持平滑上升；减小 速度明显速度降低，到一定程度会出现脉动；增大 的幅度大于 ，电机会明显加速，到 为17.5度以上，由于前沿脉冲过窄，电机脉动十分明显，所以在调节过程中，要求调节程度保持在一定的范围内。本系统经测试运行稳定，设计简单，可用于功率要求不高的应用场合。 参考文献： [1] 胡崇岳.交流调速技术[M].机械工业出版社.1998.198页-203页 [2] 王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术[M].机械工业出版社. 1995.101页-102页 [3] 罗桂娥.模拟电子技术基础[M].中南大学出版社.2005.203页-205页 [4] 李铁才,杜坤梅编著.电机控制技术[M].哈尔滨工业大学出版社.2000.155页-159页 [5] 李仁定.电机的微机控制[M].机械工业出版社.1999.101页-103页 作者简介：师争光（1983－），男，陕西咸阳人，湖南中南大学信息科学与工程学院在读硕士研究生，研究方向：控制理论与控制工程(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/26/2008)