基于DSP的開關磁阻電機驅動系統的設計

0.引言

開關磁阻電機SRM（Switched Reluctance Motor）是典型的機電一體化系統，具有結構簡單，運行可靠，效率高及成本低等突出優點。 本文選用Motorola公司開發的專門用于電機控制的16 位定點DSP芯片DSP56F805設計了三相（6/4）SRM雙閉環驅動系統。該芯片指令執行速度快，資源豐富，為高性能的開關磁阻電機的控制提供了可靠的信息處理與控制。

1．SRM驅動系統的描述

SRM驅動系統主要由SRM、控制器、功率變換器、位置檢測裝置和電流檢測裝置等組成。本文設計的開關磁阻電機驅動系統采用速度電流雙閉環的控制方式，其系統結構框圖如圖1所示。

位置檢測裝置對SRM的轉子位置進行檢測，為任意時刻轉子的速度計算和換相邏輯控制提供依據。電流檢測裝置用于檢測電機的相電流，以實現對電機相電流的控制。控制器要實現的功能有：根據轉子的位置信息完成轉子速度計算及確定導通相；根據轉速偏差，利用速度調節器完成速度環的控制；根據速度調節器輸出的參考電流數值與反饋相電流數值的偏差，通過電流調節器完成電流環的控制；根據速度調節器輸出的參考電流數值及實際轉速情況，通過角度控制確定相應的開通角和關斷角；根據轉子位置信息完成換向邏輯控制；通過PWM發生器向功率變換器輸出邏輯電平型的脈寬調制信號PWM。通過功率變換器驅動電機的轉動。

圖1 SRM調速系統的結構框圖

2.控制電路硬件部分設計

控制電路根據外部輸入，綜合處理電機轉子位置、電流、電壓和溫度等反饋信號，通過分析計算，按一定的控制策略向功率變換器發出PWM控制信號，以控制電機的運轉。同時，該電路還具有過壓和超溫等保護功能。以DSP56F805為核心的控制電路硬件結構圖如圖2所示。

圖2 控制電路硬件結構框圖

鍵盤信號從DSP56F805的GPIO口引入，通過鍵盤操作實現轉速、轉向、溫度和電壓等設定。數碼顯示通過SPI口來驅動，用于顯示電機轉速等信息。相電流、電壓和溫度信號輸入到ADC模塊進行模數轉換，以滿足控制的需要。正交解碼器的PHASEA0、PHASEA1和PHASEB0分別捕獲三路霍爾位置傳感器的跳變沿信號，用以計算電機轉速以及獲取轉子位置信息。同時，這些傳感器信號也被引入到3個GPIO口，控制芯片也可通過查詢這3個口的電平獲取轉子位置信息。DSP56F805芯片的脈寬調制模塊PWMA產生六路PWM方波信號。其中，PWMA0～PWMA2控制功率變換器高端3個IGBT，其輸出的PWM波形受電流調節器輸出信號的控制，通過改變PWM波形的占空比實現電機轉速的調節；PWMA3～PWMA5控制功率變換器低端的3個IGBT，其輸出PWM波形受開通關斷角及轉子位置信息控制，以實現邏輯換向控制。通過SCI口實現電機驅動系統與上位機的通訊。

3.控制系統的實現

3.1位置檢測與速度估算

系統采用3個霍爾傳感器進行位置檢測。這3個傳感器間隔120^。，當電機轉子轉動到相電感最大處時，相應霍爾傳感器就產生上跳沿，表明轉子和定子到達對齊位置。這樣，從3個霍爾傳感器輸出的3路方波信號周期為90^。，且相位差為15^。（如圖3所示）。DSP56F805通過正交解碼器的PHASEA0、PHASEB0和PHASEA1捕獲這三路傳感器信號的跳變沿；同時，也可通過查詢相應的三個GPIO口電平，獲取轉子位置信息。

圖3 三路霍爾傳感器輸出信號

在電機正常運轉的過程中，將DSP56F805的捕獲模塊設置為下跳沿觸發，當霍爾傳感器輸出信號的下跳沿到來時，DSP56805就產生一次捕獲中斷，通過讀取相鄰2次中斷的時間間隔，就可計算出電機的實際轉速。如果相鄰2次中斷的時間間隔為 ，那么電機的轉速 為：

= （r/min）

3.2起動和換相

電機起動時，如果初始導通相判斷有誤，會使得電機出現反轉，造成電機運轉的紊亂。因此，初始位置時，電機導通相的正確判斷是本論文首先需要解決的一個關鍵問題。

電機處于靜止時，控制器通過讀取三路霍爾傳感器的狀態獲取電機轉子位置信息。從圖3中可以看出，當從三路霍爾傳感器獲取的位置信息分別為“110”、“101”和“011”時，在15^。的機械角范圍內，對應的C、B和A相電感分別處于上升階段。在這種情況下，只需給相應的C、B或A相通電就能產生要求的起動轉矩,起動效果較好。

當從傳感器獲取的位置信息為“100”、“010”和“001”時，在15^。的機械角內對應相電感并不是持續上升。當位置信息為“100”時，A相電感因處于下降階段產生負轉矩，B相電感在此機械角區間的開始段因電感不變存在零轉矩的情況， C相的電感在此機械角區間的結束階段因電感不變也存在零轉矩的情況。如果僅給B相或C相通電起動效果不好。因此，需給B和C兩相同時通電。同理，當位置信息為“010”需給A和C兩相同時通電；當位置信息為“001”需給A和B兩相同時通電。

如果電機是單相通電起動，設置DSP56F805的捕獲功能模塊為下跳沿觸發后，電機由起動狀態直接進入運行狀態，開始正常換相。如果電機是兩相同時通電起動，首先將捕獲功能模塊設置為上跳沿觸發。在電機起動過程中，如果A相傳感器輸出信號產生上跳沿，關閉A相，B相保持通電；如果B相傳感器輸出信號產生上跳沿，關閉B相，A相保持通電；如果C相傳感器輸出信號產生上跳沿，關閉C相，B相保持通電。當從兩相導通起動轉入一相導通后，將捕獲功能模塊設置為下跳沿觸發，電機由起動狀態進入運行狀態，開始正常換相。

在電機正常換相過程中，如果傳感器輸出信號產生下跳沿，DSP56F805的捕獲模塊將會產生捕獲中斷，在捕獲中斷中確定導通相，完成換向邏輯的控制。

3.3相電流檢測

通過在相電流電路中串入一個分流電阻，測得其上的電壓降以實現相電流檢測。采樣電阻上的電壓降經濾波放大后輸入到DSP56F805的ADC模塊。由于系統中對功率開關的控制采用的是斬單管的方式，相電流并不是一直能從采樣電阻上測到，只有在上下兩個功率開關都開或都關的時候才可在采樣電阻上測得。因此，電流采樣需與PWM頻率同步。同時，將電流的零點設置在ADC轉換范圍的一半處，使得采樣電阻上的正負電壓降都能被檢測到。

3.4.控制策略與控制算法的實現

SRM的速度控制是通過速度調節器和電流調節器來實現的。考慮到積分環對大超調量的延遲性，為使系統有較快的響應，在速度環回路中串接一個積分分離開關 ，對速度環采用積分分離的PI控制算法。對電流環采用增量式PID控制算法。

依據電流環的輸出值CMP，對DSP56F805的PWM模塊的相應寄存器進行設置，則可從PWM模塊輸出占空比可變的PWM波形，從而實現對功率變換器高端的3個IGBT進行控制。

4.結論

本文以電機專用芯片DSP56F805為核心，成功實現了SRM速度電流雙閉環控制。文中作者的創新點是在提出了一種簡單適用的三相SRM的起動方法的同時，對速度環和電流環分別采用了積分分離PI控制算法和增量式PID控制算法，電機起動性能較好，相電流波形得到較好的改善。圖4給出了電機起動時速度波形。其中，圖a為速度和電流環均采用PID控制時的速度波形，圖b為采用本文算法時的速度波形。從圖中可以看出，當速度和電流環均采用PID方式時超調量大，響應速度慢，系統調節時間長，而采用本文提出的控制方式時超調量明顯減少，速度響應快。

a) 速度和電流環均采用PID時速度波形

b)采用本文算法時的速度波形

圖4啟動速度波形

參考文獻

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