基于CPU和CPLD的開關磁阻電機調速系統設計
謝衛才，許志偉，林友杰
(湖南工程學院，湖南湘潭411101)
摘要：開關磁阻電動機調速系統是一種新型調速系統，文章介紹了開關磁阻電動機調速系統的基本原理，并設計了一種用cPu+cPLD實現的開關磁j且電動機調速系統，進行了實驗并測試出各類數據和曲線，測定了開關磁阻電動機淵速系統的性能，實驗證明該系統運行可靠。
關鍵詞：開關磁阻電動機；調速；cPu+cPLD；斬波控制；角度位置控制
0前言
現代開關磁阻電機是磁阻電動機和電力電子技術相結合而產生的一種機電一體化的控制裝置，又稱開關磁阻電機調速系統(switched Reluctance Motor Drives，sRD)，是20世紀90年代迅猛發展起來的一種新型調速電機驅動系統。它的結構簡單堅固，調速范圍寬，調速性能優異，而且在整個調速范圍內都具有較高的效率，系統可靠性高，是各國研究和開發的熱點之一。產品已開始應用于電動車驅動、家用電器、通用工業、航空工業和伺服系統等各個領域，呈現強大的發展潛力。sRD電機的結構比籠型異步電動機簡單，但sR電機的控制要求根據負載和運行條件的不同，在不同的轉子相對位置下通斷各相繞組的主開關器件，這樣既提高了電機控制的靈活性，也增加了電機運行控制的復雜性。顯然，如果不采用軟件與硬件相結合的數字控制系統對sR電機進行控制，sRD性能的提高必然受到一定的限制，同時控制器的硬件電路亦將過于復雜和龐大。因此，為了簡化控制電路，充分利用sR電機控制方式靈活多變的優點，完善系統的功能，有必要使用數字控制系統對sR電機進行控制。本文設計了一個以cPu+cPLD為控制核心的開關磁阻電動機調速系統。
1開關磁阻電動機調速系統構成及控制方式
sRD系統主要由四部分組成：sR電機本體、功率變換器、控制器及位置和電流檢測器。它們之間的關系如圖l所示。
sR電動機是整個系統的執行部件，功率變換器向sR電動機提供運轉所需要的能量，其本身由蓄電池或交流電源整流后得到的直流電供電。它主要由功率開關和續流等電路組成，實現電能的轉換和能量回饋。它的主電路的結構形式與供電電壓、電動機相數及主開關器件種類等有關。
位置檢測器是轉子位置及速度等信號的提供者，是用來確定轉子磁極的相對位置。控制器必須借助位置檢測器獲得的轉子位置信息，以保證在恰當時刻接通或斷開相應的相繞組，以產生不同的電磁轉矩，獲得不同的轉速、轉向及運行狀態。控制器是系統的中樞，它綜合處理速度指令、速度返饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信號，從而控制功率變換器中主開關器件的工作狀態，實現對sR電動機運行狀態的最終控制。
開關磁阻電動機的控制參數為：定子繞組電壓Us、開通角θo與關斷角θoff。雙凸極磁阻電動機的控制就是如何合理改變這三個控制參數以達到運行要求。根據改變控制參數的不同方式，開關磁阻電動機有3種控制方式，即角度位置控制(Angular Positlon control，簡稱APc)、電流斬波控制(cuITent chopping contr01，簡稱ccc)與電壓控制(vo1tage coIltrol，簡稱vc)。其中，APc是電壓保持不變，通過改變開通角和關斷角調節電機轉矩大小，適于電機較高速區，但是對于每一個由轉速與轉矩確定的運行點，開通角與關斷角有多種組合，每一種組合對應不同的性能，具體操作較復雜，且很難得到滿意的性能。ccc_股應用于電機低速區，是為限制電流超過功率開關元件和電機允許的****電流而采取的方法，ccc實際上是調節電壓的有效值，與APc類似，它也可以隨轉速、負載要求調節開關角；vc是在固定的開關角條件下，通過調節繞組電壓來控制電機轉速，它分直流側PWM斬波調壓、相開關斬波調壓與無斬波調壓，而無斬波調壓是通過調節整流電壓以響應電機轉速要求，在整個速度范圍內只有一個運行模式，即單脈沖方式。
2基于cPu+cPLD開關磁阻電機控制器設計
開關磁阻電機是典型的機電一體化裝置，即磁阻電機的正常運行，離不開電機控制器。控制器是系統的中樞，它綜合處理速度指令、速度返饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信號，從而控制功率變換器中主開關器件的工作狀態，實現對sR電動機運行狀態的最終控制。開關磁阻電機的控制方式，是研究開關磁阻電動機調速系統中的一個非常重要的問題，本章設計了實現開關磁阻電機的控制原理的cPu+cPLD控制器。本系統設計原理框圖如圖2所示。
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