基于兩步換相控制策略的SR電機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1　引言

　　開關(guān)型磁阻（SR）電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、成本低，調(diào)速性能優(yōu)良，在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的效率，應(yīng)用前景十分廣闊。但由于SR電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和采用開關(guān)性的供電電源，振動(dòng)、噪聲是其突出的問題，這已成為SRD在更多范圍內(nèi)推廣應(yīng)用發(fā)揮其特長的主要障礙。過去人們對(duì)SRD的研究主要集中在SR電機(jī)本體設(shè)計(jì)、功率變換器及控制策略研究上，因?yàn)檠芯侩y度大，目前，只有少量文獻(xiàn)論及SR電機(jī)振動(dòng)、噪聲研究［1～5］。
　　
　　文［1］基于時(shí)域分析，得出結(jié)論：SR電機(jī)相繞組關(guān)斷所激發(fā)的沖擊振動(dòng)是最主要的振動(dòng)、噪聲來源。為削弱這一振動(dòng)，文［1］提出將相電流關(guān)斷過程分成兩步的“兩步換相法”（參見圖1）：第一步僅關(guān)斷K1，相電壓Up由＋Us負(fù)躍變至0 V；第二步再關(guān)斷K2，這時(shí)Up由0 V負(fù)躍變到－Us?？刂频诙脚c第一步時(shí)間間隔為定子固有頻率對(duì)應(yīng)周期的一半，這樣，第二步與第一步產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)相位差為180°，因而相互抵消。WUC．Y．等率先將“兩步換相法”引入SRD系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在CCC方式和APC方式兩種工況下取得良好抑制

振動(dòng)、噪聲效果［1］，但其采用不對(duì)稱半橋主，四相（8／6）SR電機(jī)需要8只主開關(guān)器件和8只續(xù)流二極管，未能充分體現(xiàn)單極性的SR電機(jī)功率變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)器件少的優(yōu)勢(shì)，影響了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

　　本文采用一種新型的只有6只主開關(guān)器件的四相率變換器[6]，在以8098單片機(jī)為控制核心的SRD設(shè)計(jì)中，引入兩步換相控制策略，在電壓PWM和APC兩種工況下，顯著地抑制了SR電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

2　系統(tǒng)描述
　　
　　為實(shí)現(xiàn)多數(shù)傳動(dòng)裝置需要的轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)速特性：從靜止到基速具有恒轉(zhuǎn)矩，在基速以上具有恒功率特性，系統(tǒng)采取的控制策略為基速ωb以下，電壓PWM控制，輸出恒轉(zhuǎn)矩特性；基速ωb以上，角度位置控制（APC），輸出恒功率特性。為簡(jiǎn)化控制規(guī)律，采取將關(guān)斷角θoff固定在一個(gè)由實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)角度22°處，僅調(diào)節(jié)起始開通角θon。
　　
　　8098單片機(jī)定時(shí)采樣由轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得的反饋速度，與由鍵盤敲入的給定速度比較，誤差經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)，再經(jīng)軟件處理，根據(jù)反饋速度的大小是否在基速以上轉(zhuǎn)換成PWM脈沖或控制角度的APC單脈沖的控制參數(shù)。微機(jī)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置控制對(duì)應(yīng)相繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷，輸出對(duì)應(yīng)的PWM脈沖或APC單脈沖，經(jīng)功率變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電機(jī)的控制。為簡(jiǎn)化硬件電路，PWM控制、APC脈沖控制、速度檢測(cè)、PI調(diào)節(jié)器均由軟件實(shí)現(xiàn)；為提高過流保護(hù)動(dòng)作的快速性，采用硬件過流保護(hù)電路。
　　
　　樣機(jī)為0．75 k W四相（8／6）SR電機(jī)，功率變換器以GTR作為主開關(guān)器件，采用圖2所示的功率主電路。

　　圖2電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由Pollock等率先提出［6］，其基本上保留了不對(duì)稱半橋線路的優(yōu)點(diǎn)，所用開關(guān)器件又較不對(duì)稱半橋少，具有較高的性能／價(jià)格比。
　　
　　與常規(guī)SR電機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）換相邏輯控制不同，既要滿足SR電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行換相要求，又要滿足兩步換相要求是制定6只主開關(guān)換相規(guī)則的原則，顯然，這限制相繞組的最大導(dǎo)通角θc不得超過30°。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3．1　微機(jī)控制器硬件框圖
　　以8098單片機(jī)為核心的微機(jī)控制器硬件框圖如圖3所示。

　　由圖3可見，控制器主要由8098單片機(jī)，外接EPROM27128、專用鍵盤顯示器接口芯片8279、位置譯碼及換相控制電路、電流檢測(cè)與過流保護(hù)電路組成。由于基速以下采用的是電壓PWM方式，為防止GTR因過流而損壞，設(shè)計(jì)了過流保護(hù)電路。對(duì)四相SR電機(jī)，其交叉相（即A、C相和B、D相）的導(dǎo)通區(qū)間一般不會(huì)重疊，因此可采取A相和C相、B相和D相分別共用一個(gè)電流傳感器（LEM模塊），對(duì)四相電流檢測(cè)，如圖2所示。
　　
　　兩路轉(zhuǎn)子位置信號(hào)分別送8098的高速輸入口HSI0和HSI1，HSI中斷服務(wù)與高速輸出HSO0～HSO3和位置譯碼及換相控制電路配合，用于控制6只主開關(guān)的導(dǎo)通、關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)SR電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行的換相要求及兩步換相要求，HSI中斷服務(wù)程序還用于速度的采樣。

3．2　位置譯碼及換相控制電路設(shè)計(jì)

　　圖2中K1、K3、K4、K6均作為第一步換相開關(guān)，與兩繞組相連的公共開關(guān)K2、K5則作為第二步換相開關(guān)。位置檢測(cè)采用如圖4所示的光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器半數(shù)檢測(cè)方案。轉(zhuǎn)盤的齒、槽數(shù)與轉(zhuǎn)子的凸極、凹槽數(shù)一樣，均為6，且均勻分布，所占角度均為30°，轉(zhuǎn)盤安裝在轉(zhuǎn)子軸上并同步旋轉(zhuǎn)，圖中S、P為光電脈沖發(fā)生器，當(dāng)轉(zhuǎn)盤凸齒轉(zhuǎn)到開槽的S、P位置時(shí)，發(fā)光管被遮住而使其輸出狀態(tài)為0，沒有被遮住時(shí)，其輸出狀態(tài)為1，則在一個(gè)轉(zhuǎn)子角周期（60°）內(nèi)，S、P產(chǎn)生2個(gè)相位差為15°，占空比為50％的方波信號(hào)，其組合成4種不同的狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)四相繞組不同的參考位置。設(shè)θc對(duì)應(yīng)的時(shí)間為，兩步換相的時(shí)間間隔為tm，則APC方式下SR電機(jī)逆時(shí)針換相規(guī)則（正轉(zhuǎn)換相規(guī)則）為：
　　
　　（1）若S＝0，且P由0躍變到1，則K1、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若P＝1，且S由0躍變到1，則K4、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若S＝1，且P由1躍變到0，則K3、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若P＝0，且S由1躍變到0，則K6、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷。

　　順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的換相規(guī)則（反轉(zhuǎn)換相規(guī)則）為：
　?。?）若S＝0，且P由1躍變到0，則K1、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若P＝0，且S由0躍變到1，則K6、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　　（3）若S＝1，且P由0躍變到1，則K3、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
　?。?）若P＝1，且S由1躍變到0，則K4、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷。

　　筆者利用809

8硬件資源（HSI口、HSO口及P2．5）及少量外接的數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)上述換相控制的硬件電路。其中，HSO1、HSO3分別產(chǎn)生K2、K5的換相控制信號(hào)；HSO2、HSO0產(chǎn)生K1、K3、K4、K6的換相控制信號(hào)，因?yàn)椴捎猛饨舆壿嬰娐窐?gòu)成了30°導(dǎo)通制的換相邏輯控制，因此A相（K1）、C相（K3）可共用HSO0，B相（K4）、D相（K6）可共用HSO2。8098片內(nèi)的脈沖寬度調(diào)制器提供的PWM信號(hào)頻率固定為15．625kHz，這一斬波頻率對(duì)GTR而言偏高，故不采用片內(nèi)的PWM方式，將P2．5作為普通輸出口，由軟件定時(shí)器T1、T2中斷形成定頻調(diào)寬的PWM脈沖，和HSO2、HSO0及外接邏輯電路一起為工作在PWM方式下K1、K3、K4、K6提供換相控制信號(hào)；若為APC方式，則將P2．5置0。由于兩步換相限制了θc不得超過30°，這降低了起動(dòng)性能，為此在起動(dòng)階段不采用兩步換相法，而采用兩相全開通起動(dòng)方式，待起動(dòng)過程結(jié)束后，再切換到二步換相法。

4　軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件由主、中斷服務(wù)程序、專用子程序組成。主程序初始化整個(gè)系統(tǒng)和將顯示緩沖區(qū)的4位值送8279顯示RAM；中斷服務(wù)程序包括軟件定時(shí)器T0、T1、T2中斷服務(wù)程序、HSI中斷服務(wù)程序、鍵盤中斷服務(wù)程序。其中軟件定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序完成速度環(huán)PI調(diào)節(jié)與控制參數(shù)、顯示速度刷新；軟件定時(shí)器T1、T2完成速度采樣和電壓PWM控制信號(hào)的生成；HSI中斷服務(wù)程序在換相控制電路支持下實(shí)現(xiàn)如上所述的換相規(guī)則；鍵盤中斷服務(wù)程序首先讀取按下的鍵值，然后根據(jù)按下的鍵跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的功能模塊控制系統(tǒng)程序的執(zhí)行。專用子程序主要是四字節(jié)浮點(diǎn)運(yùn)算子程序、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼子程序等。

　　主程序初始化系統(tǒng)時(shí)，將HSI方式設(shè)置為每次跳變觸發(fā)，因此電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步進(jìn)角，HSI中斷服務(wù)程序?qū)⒈粓?zhí)行一次，其主要是通過測(cè)試HSI0（即S信號(hào)）和HSI1（即P信號(hào)）當(dāng)前的狀態(tài)給HSO－COMMAND寄存器裝載相應(yīng)的命令字和給HSO－TIME寄存器裝載觸發(fā)時(shí)間值使HSO0～HSO3產(chǎn)生所要求的輸出信號(hào)。HSI中斷服務(wù)程序在實(shí)現(xiàn)換相控制規(guī)則的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了APC方式下的控制。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用將θoff固定在經(jīng)實(shí)驗(yàn)獲得的優(yōu)化角22°處，而在速度環(huán)中調(diào)節(jié)θon?！?/P>

　　轉(zhuǎn)速測(cè)量通過在采樣周期內(nèi)記錄HSI事件觸發(fā)的次數(shù)———轉(zhuǎn)過的步進(jìn)角（15°）數(shù)目N實(shí)現(xiàn)。

　　速度環(huán)程序在起動(dòng)階段每隔120 ms被調(diào)用一次；起動(dòng)后若運(yùn)行在基速以下每隔30 ms被調(diào)用一次，若運(yùn)行在基速以上每隔12 ms被調(diào)用一次。速度環(huán)首先計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速，然后判斷電機(jī)是否已經(jīng)起動(dòng)。將電機(jī)轉(zhuǎn)速低于50 r／min作為起動(dòng)階段，在起動(dòng)階段速度偏差不作PI調(diào)節(jié)運(yùn)算，而是采取軟件定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序中逐步加大斬波占空比的方法實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)功能。電機(jī)起動(dòng)后，速度環(huán)每調(diào)用一次，都要進(jìn)行一次速度偏差PI運(yùn)算，然后刷新控制參數(shù)。

5　系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

　　以給電阻箱（ZB－120型）供電的直流發(fā)電機(jī)（Z2－31型，3 k W，3 000 r／min）作負(fù)載，對(duì)0．75 k W SRD系統(tǒng)負(fù)載運(yùn)行的振動(dòng)、噪聲作了測(cè)試。圖5為采用電壓PWM方式，電機(jī)運(yùn)行在547 r／min在機(jī)座表面所測(cè)振加速度波形，圖6為APC方式下電機(jī)運(yùn)行在1 433 r／min所測(cè)振動(dòng)加速度波形圖。

 

        表1為測(cè)量距離取0．4 m左右，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行在不同速度下，聲級(jí)計(jì)濾波網(wǎng)絡(luò)采用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的總聲級(jí)分貝（A）對(duì)比。
　　
　　圖5、6表明系統(tǒng)引入兩步換相法對(duì)SR電機(jī)定子振動(dòng)有顯著的抑制效果；表1表明兩步換相法對(duì)噪聲有明顯抑制作用，雖然限于條件，背景噪聲較大，測(cè)量的精確性不高，但從噪聲的對(duì)比測(cè)試看，在有些工況下，兩步換相法的總聲級(jí)較傳統(tǒng)換相法低3 dB（A）左右，相當(dāng)于聲功率降低了1倍左右，效果是顯然的。

 

 

參考文獻(xiàn)：

［1］　Wu CY，et al．Analysis and reduction of vibration and acoustic?

noisein the swihed reluctance drive［J］．IEEETrans on IA，1995，31（1）：91－98．
［2］　Cameron DE，etal．Theorigin and reduction of acoustil noiseindoubly salientvariable reluctance motors［J］．IEEETrans on IA，1992，28（6）：1250－1255
［3］　Blaabjerg F，et al．Investigation and

reduction of acoustical noise　form switched reluctanec drives in current and voltage control [C]'94,1994.
?[4]?? 劉迪吉，曹志亮（Liu Diji,Cao Zhiliang).開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲研究（Research on vibration and acoustic noise in switched reluctanec drines)[J].江蘇機(jī)械制造與自動(dòng)化（Jiangsu Machine　 Building＆Automation），1990，（3）：33－34．
［5］　王宏華，陳永校，許大中，等（Wang Honghua，Chen Yongxiao，XuDazhong，et al）．開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)定子振動(dòng)抑制（Thereduction ofvibrationintheswitched reluctance drive）［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)（TransactionsofChina ElectrotechnicalSociety），1998，　　13（3）：9－12．
［6］　Pollock C，et al．Power convertercircuitsforswitched reluctance　　motor with the minimum number of switches［J］．IEE Proc，
1990，137（6）：373－384．

（轉(zhuǎn)載）