| 基于DSP模糊控制的開關磁阻電機調速系統設計
何降彪，梁雨時，王世琥
(西安交通大學，陜西西安710049)
摘要：選用DsPTMs320F2812為主控芯片，設計了四相8／6極75 kw開關磁阻電機調速系統(sRD)。針對開關磁阻電機(sRM)存在的非線性問題，采用“P1+模糊”雙閉環算法分別對電機的繞組電流和轉速進行控制。實驗結果表明，該控制方法對于非線性嚴重的sRM具有很好的控制效果。
關鍵詞：開關磁阻電動機；非線性；數字信號處理器；模糊控制
O引言
開關磁阻電機(sRM)是80年代中期發展起來的新型電機，它融電力電子技術、微電子技術和電機控制技術于一體，為典型的機電一體化產品。開關磁阻電機調速系統(sRD)與直流調速系統和異步電動機變頻調速系統相比較，具有結構簡單、成本低、效率高、控制靈活、起動電流小、起動轉矩大、適用于惡劣環境等優點，因此近年來在牽引運輸、通用工業、家用電器等領域得到了廣泛應用。但是sRM具有嚴重的非線性及變結構、變參數特點，難以建立精確的數學模犁，且在不同的控制策略下其參數、結構都是變化的，因此固定參數的PID控制方式難以獲得理想的控制性能。針對上述問題，本文把高性能DsP和“模糊+PI”的雙閉環控制算法相結合，設計了四相8／6極sRM淵速系統，一定程度上解決了sRM非線性帶來的一系列問題。
1系統結構與控制策略
sRD系統主要由sRM、功率變換器、控制器、檢測單元四大部分組成。功率變換器是sRD系統能量傳輸的關鍵部分，起控制繞組的開關作用，是影響系統性能價格比的主要因素；控制器是sRD系統的核心部分，完成電流及轉速的調節，其性能的好壞直接影響電機的運行性能；檢測單元由位置檢測和電流檢測環節組成，提供轉了的位置信息從而確定各相繞組的開通與關斷，提供電流信息以采取相應的保護措施防止過電流。
sRD系統的主要功能是以轉速值為給定量，并要求sRM的轉速能自動跟隨給定量。為保證良好的淵速性能，sRD采用雙閉環控制系統。外環是轉速環，采用模糊算法，內環是電流環，采用經典PI算法。sRD系統的主要控制方式有：角度位置控制、電流斬波控制和電壓PwM控制。本系統采用電壓PwM控制，其特點是通過PwM方式調節繞組的電壓平均值，間接調節和限制過人的繞組電流，從而實現sRM調速。它既能用于轉速調節系統的高速運行，又適合于低速運行，而且抗負載擾動的動態響應快，控制起來比較容易。
2系統硬件設計
本文所設計的基于TMs320F2812的sRD硬件總體框架如圖l所示。TMs320F2812是TI公司推出的****一款DSP芯片，也是目前國際市場上****進、功能******的32位定點13DSP芯片，其指令處理速度可達150M／s。圖中，虛線框內的部分為TMS320F2812，系統的所有控制環節，包括電流環控制、轉速環控制、電機換向等全部由軟件完成，DsP直接輸出邏輯電平型的PwM控制信號驅動功率變換器工作，從而對sRM進行電流、速度控制。電流反饋信號是由霍爾電流專感器測得的，信號經過處理后送入_TMS320F2812內的ADc，轉換為數字量，構成電流環。速度反饋信號由位置傳感器獲取，經過調理后送入DSP的cAP單元，從而得到電機的速度和方向，買現速度的閉環控制。
2 1功率變換器設計
功率豐電路采用不對稱半橋電路，使得電機的每一相繞組能夠獨立控制，****限度地減少各相的關聯，保證電機各相獨立，避免了常規驅動電路上、下橋結構出現的換向直通現象，提高電機的運行可靠性。不對稱半橋電路的拓撲結構如圖2所示。
關于主開關器件的選擇，考慮到絕緣柵雙極晶體管(IGBT)具有功率損耗小、開關速度快、驅動電路簡單，并且兼有M0sFET高輸入阻抗和GTR通態飽和壓降低的優點，故選用了西門康公司生產的300A／1200v，型號為sKM300GBl23D的IGBT作為主電路開關。
lGBT的驅動選用日本富士公司的lGBT專用高速型驅動模塊ExB841，它可用于驅動400A，600V以下或300A／1200v以下的IGBT，整個電路信號延遲時間不超過1 μs，****工作頻率可達40kHz，它只需外部提供一個+20v的單電源，內部自己產生+15v(開通)和一5v(關斷)的驅動電壓。模塊采用高速光耦隔離，并有短路保護及慢速關斷功能，對本系統比較適用。IGBT驅動電路如圖3所示。
2 2轉子位置檢測
轉子位置信號主要作用有兩個：一是精確指示定子與轉子相對位置關系；二是實時計算電機轉速。本文采用的位置傳感器是****式編碼器。在一個轉子角周期內產生兩個信號，相位差為15o，它組合成4種不同的狀態，分別代表電機四相繞組不同的參考位置。轉子位置信號如圖4所示。位置信號經過光耦隔離和整形后送給DsP捕獲單元，通過捕獲單元cAPl～2捕獲電平跳變，用于確定轉子運行時的位置和電機轉速。
2 3繞組電流檢測
系統采用霍爾電流傳感器(HAIL)來測量繞組電流。因為主電路是較高頻率的開關電路，電壓輸出型HAIL傳感器容易受到較大干擾，故采用電流輸出型HAIL傳感器，傳感器輸出的信號經過采樣、濾波等處理，送到DsP的ADc接口，從而得到繞組電流信號。
3系統軟件設計
軟件設計采用了DsPc語言編程，實現模塊化編程，盡量把共用的程序編寫成具有不同功能的子程序，增加程序的可讀性和移植性。SPD系統軟件設計主要包括：主程序、AD中斷子程序、電流與速度控制子程序以及系統初始化子程序。下面，分別從控制算法、軟件流程等方面對SRD系統軟件部分進行介紹。
3 1速度控制
速度控制采用模糊控制算法。所設計模糊控制器首先應把輸入變量由自然語言(包括數值信息)轉化為模糊控制器所能識別的數值信息，然后進行模糊推理，把得到的結果進行模糊化。這里我們選取7個常用的語言變量值，即負大(NB)、負中(NM)、負小(Ns)、零(zE)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)。速度誤差E、誤差變化量E。及控制量變化U的模糊子集均為{NB，NM，Ns，zE，Ps，PM，PB)語言變量論域上的模糊子集由隸屬度函數μ(x)描述。各變量的隸屬函數關系如圖5所示。速度誤差、誤差變化量及控制量變化均采用均勻分布三角形隸屬度函數，同時，使用：Mamdani算法進行模糊推理口。
3 2電流控制
電流閉環控制用PI控制算法，PI控制算法是PlD控制的一種特殊情況，這里首先對PID的數學模型進行分析說明。
PID控制器是指將偏差的比例（P）、積分（I）和微分(D)通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控制對象進行控制。PID控制器優點是它的結構簡單，參數容易調整。
采用增量式PID算法：
增量式PID控制算法與位置式控制算法相比，計算量小得多，因此在實際中得到廣泛應用。另外，在sRD系統的電流控制中，由于PID控制中的微分項對電流變化率過于敏感造成系統不穩定，所以常常去掉微分項，故采用PI控制。
3 3軟件流程
程序啟動后，首先對整個系統進行初始化，然后程序進入一個循環，反復查詢AD轉換是否完成，如果完成，計算并修改輸出值，同時把當前的轉速等信息輸出到顯示模塊。圖6為主程序和AD中斷流程圖，圖7為電流反饋、速度反饋及系統初始化程序流程圖。
4實驗研究
實驗對象為四相8／6極sRM，額定轉速為4000 r/min，控制方式為電壓PwM斬波控制。在空載情況下進行實驗。實驗測得的相繞組電流波形如圖8所示，轉速跟隨曲線如圖9所示。
實驗結果表明：本系統有著良好的調速性能，系統的動態響應速度較快、有著很好的動、靜態特性。
5結論
實現了基于DSPTMS320F2812的“PI+模糊”SRD雙閉環控制。實驗結果表明，系統具有動態相應快、穩定性好等優點，一定程度上解決了SRM的非線性造成的難以控制問題，為SRD數字控制的發展提供了一些有益的參考，是一種較為實用的方法。
參考文獻
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