| 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�？刂破鞅仨毥柚恢脵z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�？刂破魇窍到y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�？刂破魇窍到y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。
其中，兩個PI閉環的構成和PWM信號的產生由模擬電路實現，89c5l單片機負責判斷轉子位置信息，并綜合各種保護信號和給定信息，以及轉速情況，給出相通斷信號及低速下的電流斬波限定值。PwM信號、相通斷信號、斬波信號及電流保護信號相結合產生IGBT管的觸發信號。
在本系統中，單片機的主要作用就是根據外部操作要求和位置傳感器的狀態決定相輸出信號，除此之外還兼有過壓、欠壓、過載、堵轉等保護功能和系統狀態顯示功能。
變換電路是將由電機位置傳感器送回的三相位置信號變換成15o方波，作為表示電機速度的數字脈沖序列(1轉發出24個脈沖)。此速度信號一方面直接供給PI調節，以提供速度反饋與給定速度相比較，產生控制信號；另一方面直接送回單片機做速度信號，位置信號同時直接送入單片機檢測。
PI調節電路有速度環和電流環兩個環，分別對速度和電流信號實行比例積分調節。
PwM電路是將PI調節給出的控制量(模擬量)變換成頻率一定、脈沖寬度隨控制量變化的脈寬調制信號，然后分成兩路分別供給功率電路的上下橋臂開關元件。電流處理電路包括電流保護電路和電流斬波電路。電流信號調理后供給電流Pl調節電路；電流保護電路是將電流值與設定值比較，若超過限定值則關斷功率元件；電流斬波電路是將電流信號與單片機計算給定的電流值比較，當超過給定值時則關斷開關元件，低于給定值則開通開關元件，從而實現低速斬波控制。
D／A是將單片機給定的電壓數字信號轉變為模擬信號，供給電流比較器作斬波給定值。
優先編碼器是將各種給定信號(如正反轉、制動、起動等)和保護信號(如過溫、過壓等)實行優先編碼，供給單片機判斷以實現系統控制。邏輯綜合電路是將PwM信號、cPu給定的相通斷信號、斬波信號和電流保護信號進行綜合(以四與門實現)，然后控制功率開關元件的開關狀態。顯示電路用以電動機實際運行情況(轉速、轉向)及故障情況用數碼管和發光管顯示出來。倍頻電路是將速度方波信號細分，實現角度細分，以實現精確角度控制。
此系統的正常工作過程如下：首先在控制手柄上給出起動信號，與過溫、過壓等保護信號進行優先級編碼，在檢測系統狀態一切正常的情況下，根據位置傳感器提供的電機轉子位置信號，由單片機給出相通斷信號；消除誤差的PwM信號由兩個模擬PI環產生；綜合保護和電流斬波信號給出IGBT的驅動信號。該信號控制功率電路向電動機繞組通電，使電動機轉子轉動。當轉子轉過一定角度時，由單片機根據位置信號的變化使電動機通電相改變。當電機處于低速時，采用電流斬波方式，單片機發出斬波電流上限值，由單穩態觸發器固定給出每次電流下降的時間。當電動機轉速達一定值時，控制由斬波控制轉為角度控制。當操作命令改變時，控制電路改變工作邏輯，通過控制功率電路使電動機實現操作要求。若運行中出現故障，控制電路通過關斷功率電路實現保護，并通過顯示電路顯示故障。
cPLD(cornplex Pmgrarmmable Logic Design)是復雜可編程邏輯設計，采用軟件編程實現描述硬件電路特征，經過軟件調試和仿真，通過驗證后，寫入芯片電路實現硬件；修改時，可擦除后重新寫入程序�？梢詫崿F各種復雜邏輯運算實現高度集成，減小電路板體積，減少易受干擾源數目，司買現IsP(In—system Program)，便于修改電路，不再重新制版。采用top_down設汁方法，使設計調試周期大大縮短。
由sRM原理框圖可看出，系統中的外圍電路大部分是邏輯電路，可以實現硬件語言描述，而且可以嘗試將單片機做入cPLD芯片，體積會更小，甚至可以將控制器與電機做到一起，不再分立�？梢允箂RM控制器的設計達到更高水平。
圖3是采用cPLD設計后的電路原理圖。已經將前面設計的原理圖中的倍頻電路、優先編碼器、邏輯綜合電路和其它邏輯處理做到cPLD的芯片中了，因為此系統目前用的是模擬量的PI調節，所以PWM受模擬量控制，以改變脈寬；當以后改進為數字Pl調節后，PWM電路也可以做到cPLD芯片中了，而數字PI可以以軟件實現，就更節省了硬件規模。
3實驗波形與分析
試驗裝置是以扭矩傳感器同軸連接SRM和直流測功機電磁調速電機連接于測功機另一端，使三者同軸旋轉，以直流測功機作為SRM的負載，同時扭矩傳感器可以測試SRM輸出扭矩、功率和轉速；通過調節直流測功機中發電機的勵磁電流或電樞電阻來調整開關磁阻電動機的輸出功率，電動機的轉速由控制器調節，通過電流和電壓傳感器，得到不同轉速、不同輸出功率下的轉矩、繞組端電壓和繞組電流。數字存儲示波器用來檢測電流、電壓波形，分析調速系統在不同運行狀態的控制特性。
從圖4的波形圖分析可以得到，電機繞組的電流波形隨轉速的變化相應地改變，當電機轉速逐漸降低時，電機繞組電流波形的后部出現了一個電流尖脈沖，這個尖脈沖隨轉速的降低逐漸增大。這是由于在保持電機輸出功率不變的條件下，電機轉速降低，需要的轉矩增大，要求更大的繞組電流，必須使繞組的導通時間延長，當開關的關斷角由電感曲線的上升段逐步延伸到定轉子磁極完全重疊段時，電機電感相對于轉子位置的變化率已非常小，抑制電流增大的旋轉電動勢趨于零，繞組電流在外電壓的作用下，僅受自身電阻和電感等因素的影響，因而在此區段電流呈上升趨勢。隨著轉速的繼續降低，關斷角繼續后延，電流在這一區域的導通時間延長，電流繼續增大，甚至出現急劇增大現象，以致在電機繞組電流波形的后部出現了電流尖脈沖。
圖5給出的是電機輸出功率為10kw時，繞組電壓隨轉速的變化的波形圖�？梢钥闯�，繞組
電壓的作用周期隨轉速的升高而逐漸減小，幅值隨轉速的升高而增大。這是由于工作在PwM方式下的主電路開關元件，在相繞組導通期間的開關頻率是隨著轉速的升高而減小的，在斬波頻率不變的情況下，只有相應地增大占空比，即增加繞組每一斬波周期內的導通時間，相應地增大電流值，才能保證電機不會因開關導通次數的減少使繞組電流有效值下降過多，保持電機的出力不變。從波形圖中還可以得知，電機繞組的導通區間與關斷區間的長度隨轉速的升高而減小。開關導通后，整流橋的輸出電壓正向加在電機繞組兩端；開關關斷后的電壓斬波續流期問，與電機繞組相連的兩個開關只關斷一個，繞組為零電壓續流，當換相時，與繞組相連的兩個開關都關斷，電源電壓反向作用在電機繞組兩端。由此可見，繞組電壓隨轉速的升高而增大。
4結語
開關磁阻電機能夠正常工作的關鍵是每相開關導通、關斷的實時控制，對起動、運行、故障保護也要實時控制。開關磁阻電機調速系統控制器是控制電動機運行的核心，其性能的好壞直接影響到電動機運行的性能。本論文分析了開關磁阻電機基本控制原理及基本控制策略，針對開關磁阻電機控制方式和特點，對其控制器進行了總體設計，本系統采用PI控制方式，以轉速為控制對象，采用雙閉環結構、模擬和數字相結合的控制策略。設計選用cPu+cPLD，cPLD主要用于cPu外部邏輯電路，原理圖中的倍頻電路、優先編碼器、邏輯綜合電路和其它邏輯處理做到cPLD的芯片中，通過實驗，測量樣機的實際輸出曲線，驗證變換器、控制器設計的合理性；整個系統的設計基本上達到了設計的要求，運行工作狀態正常，并且有如F特點：控制板核心由cPu+cPLD設計，集成度高，結構簡單，抗干擾性強；針對不同負載，可設定為轉矩給定或速度給定；功率元件選型恰當，工作可靠；驅動電路工作可靠，保護功能強；控制電源電壓穩定；整個系統運行協調，體現了sRD系統的各個優點。
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