基于變速積分pid的開關磁阻電動機調速系統
王歆．田雨波．王寶忠
(江蘇科技大學，江蘇鎮江212003)
摘要：在分析了開關磁阻電動機閉環速度控制方案的基礎上，針對pid算法在開關磁阻電動機應用中出現的問題，給出了相應的解決方法，提出了非線性變速積分pii)算法．并成功地解決了在低采樣周期時pid算法的積分飽和問題。
關鍵詞：開關磁阻電動機；pid控制；非線性變速積分
0引 言
低制造成本、高可靠性和高能量轉換效率是機電運動控制系統的發展趨勢。開關磁阻電動機結構簡單，適合在惡劣環境下運行，只在定子上有繞組，沒有轉子銅耗。因此開關磁阻驅動系統迎合了機電運動控制系統的發展趨勢，融合了電力電子技術和現代控制算法發展成果，成為近年機電運動控制領域的研究熱點。近年來已廣泛應用于家電、汽車、數控機床、機器人等領域。
1開關磁阻電機的速度控制方案
對開關磁阻電動機轉速的控制一般采用閉環控制。與開環控制相比，速度控制閉環系統的機械特性有以下優越性：閉環系統的機械特性與開環系統機械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉速相同時，閉環系統的靜差率(額定負載時電機轉速降落與理想空載轉速之比)要小得多；當要求的靜差率相同時，閉環調速系統的調速范圍可以大大提高。開關磁阻電動機的速度控制方案如圖1所示。
開關磁阻電動機控制器是電機調速運行的中樞，它綜合處理各種位置、速度等給定信號，給出相應的相通斷、系統保護、顯示等信號。且根據鍵盤輸入的指令如起動、停止、速度設置等和傳感器提供的各種信號(如位置、電流等)輸出相通斷信號，驅動主開關管的開通與關斷，驅使電動機轉子轉動。tms320f240芯片是ti公司專門針對電機、逆變器、機器人等控制而設計的，它配置了完善的外圍設備，且可設置六個優先級的中斷。此款芯片在電機調速領域的整體來說，無論是從計算速度、精度、內外部資源還是性價比上，都優于傳統的一系列單片機，所以本設計中選用tms320f40來作為控制器的cpu。
如圖2所示，整個控制器單元主要包括最小系統電路、位置檢測電路、電流檢測電路、倍頻電路、過流、過壓及欠壓保護電路、轉換電路、電流斬波電路以及人機交互電路等。
閉環速度調節器采用比例積分微分控制(簡稱pid控制)，是按偏差的比例、積分和微分進行控制的調節器。pid調節器控制結構簡單，不一定需要系統的數學模型，參數容易整定，在長期應用中已積累了豐富的經驗。將它移植到計算機控制系統，通過軟件予以實現，對于大多數控制對象都能獲得滿意的控制效果。pid調節器雖然易于使用，但在設計、調試開關磁阻電動機控制器的過程中常常會遇到pid調節器易受干擾、采樣精度的影響等問題，且受數字量上下限的影響易產生上下限積分飽和而失去調節作用。所以，在不影響控制精度的前提下對pid控制算法加以改進，關系到整個開關磁阻電動機控制器設計的成敗。
2設定速度和獲取電機轉速
開關磁阻電動機轉速系統采用光電式位置傳感器，它由靜止和轉動兩部分組成，前者包括紅外發光二極管、紅外光敏二極管和輔助電路；后者為srm轉子同軸安裝的6齒遮光盤，每齒間隔30o，遮光盤與電機同步旋轉，通過遮光盤的遮光、透光，使光敏元件產生導通與關斷信號。對于四相8／6極開關磁阻電動機，在定子上安裝兩個相距75o的光敏傳感元件經輸入電路處理，輸出兩路相位差15o、占空比為50％的方波信號，它組合成四種不同的狀態，分別代表電動機四相繞組不同的參考位置。tms320f240的兩個捕獲單元capl、cap2分別檢測這兩路信號。當捕獲輸入引腳上檢測到一個轉換時，定時器tl或t2的值被捕獲并存儲在相應的兩級深度fifo堆棧中。位置信號的上、下跳變均因起捕獲口中斷，即每15o產生一次捕獲口中斷，cap的中斷服務程序根據轉子的瞬時位置信號，由srm電機換相邏輯，確定電機對應繞組關斷與導通，并根據測周法計算電機的實際轉速。
兩路位置信號輸入捕獲口，每一次跳變上升沿或下降沿都要產生一次捕獲中斷，讀取相應捕獲堆棧寄存器即可計算出各路信號相鄰兩個跳變之間的標準脈沖個數n，捕獲功能以定時器2為時間基準，定時器2計數頻率為l. 25 mhz。根據t測速法，可得如下轉速計算公式：
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