开关磁阻电机控制系统设计与仿真范盼飞;张团善;杨斌;王国庆;何文莉【摘要】In order to improve the speed-governing performance of the switched reluctance motor at different speeds and reduce the torque ripple,a control system of switched reluctance motor is designed.A high-performance DSP (TMS570LS1227) being used as the main controlchip,magnetic encoder AS5040 measures the rotor position,the gate driver IR2130 receives six-way PWM waves and controls IBGT tube off and on.The current tracking control is adopted at low speed,and the phase voltage PWM chopping control at medium and high speed.Under theMatlab/Simulink environment the linear system model is simulated,and a real machine debugging conducted with a switched reluctancemotor,which proves the system runs smoothly with a high-speed performance,and can also effectively inhibit torque ripple and noise of the switched reluctance motor.%为了提高开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor)在不同速度运转时的调速性能,降低转矩脉动,设计了一款开关磁阻电机控制系统.控制系统采用高性能DSP(TMS570LS1227)作为主控芯片,磁编码器AS5040测定转子位置,门极驱动器IR2130接收六路PWM波控制IBGT管的通断.低速运行时采用电流跟踪控制,中、高速时采用相电压PWM斩波控制,在Matlab/Simulink环境下对系统线性模型进行了仿真,并对一台开关磁阻电机进行实机调试.测试结果证明所设计系统运行平稳,调速性能优良,能有效地抑制开关磁阻电机的转矩脉动和噪声.【期刊名称】《西安工程大学学报》【年(卷),期】2017(031)001【总页数】7页(P88-94)【关键词】开关磁阻电机;电流跟踪控制;电压斩波【作者】范盼飞;张团善;杨斌;王国庆;何文莉【作者单位】西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TM352;TM301.2开关磁阻电机双凸极的结构以及它的开关性(电机工作在连续的开关供电模式),决定了开关磁阻电机具有一定的固有转矩脉动,无法平稳运行,工作在低速时还伴有较大的电磁噪声,根据SRM的可控量及调速性能,在不同的速度段运行时具有角度位置控制、电流斩波、电压斩波等不同方式[1-3].目前有许多学者对SRM的控制系统做了研究,文献[4]依据开通角和关断角随电机转速变化而改变的原理设计了基于DSPACE开发平台的控制系统,虽然缩短了开发周期,但是电流峰值由旋转电动势限制,低速时该电动势减小,电流等值会超标,其他控制手段进行限流;文献[5]提出一种DTC策略下的转矩双滞环控制器,通过判断开关磁阻电机启动转矩偏差,选择空间矢量,该方法只适合于开关磁阻电机在启动阶段的控制,无法完整解决开关磁阻电机的转矩脉动问题;文献[6]和文献[7]分别采用电流双闭环和优化开关角的方法抑制转矩脉动,然而在电机换相控制时瞬间电流过大,产生负转矩,导致转矩脉动；文献[8]提出一种将上上一周期偏差和当前周期叠加到被控对象进行控制的方法,对具有周期性扰动的SRM系统有良好效果,但是抗负载扰动动态性能较差.本文在研究开关磁阻电机的调速特性,建立数学模型之后,采用高性能DSP(TMS570LS1227)作为主控芯片,以速度作为外环,电流控制为内环,电机在低速运行时采用间接转矩控制,对相电流进行跟踪控制,在中、高速运行时采用电压PWM斩波控制,并设计了开关磁阻电机的硬件驱动电路和软件控制程序,有效地改善了开关磁阻电机运行时的转矩脉动,提高了电机转速控制精度.根据机电关系方程式,有在线性模型中简化方程根据式(2)和(3)得以上各式中Te为转矩;θ为转子角位置;ik为k相绕组的相电流;Wm为磁储能;Ψ为相绕组的磁链;L为绕组电感.由式(4)可知,开关磁阻电机的矩角特性,当dL/dθ≥0时,由于转角的增大,电机电感上升,产生正转矩,当dL/dθ≤0时,产生一个负转矩,因此可以通过控制相绕组电流的通断,改变转矩方向[10-12].由此可知,SRM的每一相的转矩特性可以用转矩——电流——角度来描述,相邻两相相差一个步矩角,当转矩达到最大时开始降落,最大的转矩降落出现在相邻两相的矩角特性曲线重叠处,此时正是开关磁阻电机换相的瞬间,当前相不再产生电磁转矩,下一个导通相不能产生所需转矩,该转矩降落大时转矩脉动大.因此选用合适的控制技术,减小开关磁阻电机相邻两相绕组之间的最大转矩降落,可以有效地抑制转矩脉动[13-15].当SRM工作在低速时,相绕组中旋转电动势减小,相反相电流增长迅速,此时电机处于恒转矩状态,适用相电流斩波的控制方式,即跟踪相电流的控制方法,可以有效地限制相电流超过允许值,当SRM工作在中高速时,随着电机角速度增大,磁链和相电流减小迅速,转矩Te以平方下降,电机处于恒功率状态,此时采用PWM电压斩波的控制方式可以调节相绕组电压平均值,间接限制相电流,抗负载扰动动态性能更加优良[16-20].由开关磁阻电机的控制机理可知,控制相绕组电流或磁链大小可以间接完成转矩控制.本文采用TMS570LS1227作为控制芯片设计了开关磁阻电机的电流和转速的双闭环控制系统,如图1所示.速度控制器输入为SRM的给定转速与反馈速度的比较值,经过PI控制器处理,输出量为给定转矩Tref,经由转矩控制器的转矩分配函数处理,得出各相的参考电流,与各相绕组的反馈相电流比较运算,用PWM控制方式产生功率器件的开关信号.2.1 硬件设计2.1.1 磁编码器通信模块 SRM角度信号的采集采用非接触式磁旋转编码器AS5040.图2所示为磁编码器与单片机通信的硬件电路,AS5040通过串行输出接口与TMS570LS1227的SPI进行同步通信,AS5040输出最大值为1024的电角度值,对应角度信息为360°机械角度,角度信息将被用来完成开关磁阻电机的换相控制与速度测算,需要注意的是磁编码器输出信号为8位电角度信息加3位磁场信息,需要进行移位处理以保证准确性.2.1.2 驱动控制模块 SRM的驱动采用电压斩波(CVC)的方式.如图3所示,通过向高性能门集驱动器IR2130输入六路PWM波,可以使IGBT管工作在脉宽调制方式,脉冲周期固定,改变PWM波的占空比,可以调节绕组两端的电压平均值,间接改变绕组电流从而完成转速控制,此种方式适用于高低速运行,且抗扰动响应快.此外,IR2130的ITRIP、CA-、CAO引脚组成过流、欠压检测电路,系统欠电压时,因为功率器件达不到工作所需电压,会导致输出信号错乱,而过电流时,主回路或定子绕组电流超过允许值,会烧坏功率开关管,当检测到过流或欠压信号时,可以封锁输出,保护IGBT因驱动信号幅值不足或过流而损坏.2.1.3 电流检测模块三相开关磁阻电机控制系统需要3个电流传感器分别检测相电流及母线电流,图4所示为U相电流采集电路,电流传感器采用ACS756,有正电压输入、负电压输入、输出信号、电源电压和地5个端口,因为经过ACS756输出的采样电流信号为按比例缩小的电压信号,需要使用运算放大电路及滤波电路处理,防止后续电路对其产生干扰.如图4所示,运算放大电路设计为电压跟随电路使信号电压保持不变,为了消除采集电流信号的毛刺,添加了二阶低通滤波器,同时为防止采集到的信号电压过高损坏DSP,在电流信号进入DSP采样模块之前添加了3.3V钳位电路.2.2 软件设计该系统采用C语言编制完成,用来控制开关磁阻电机的转速闭环和电流闭环控制,主程序设计框图如图5所示.主程序主要由初始化程序和运行程序两大模块组成,在初始化程序完成DSP系统和SRM速度、位置等参数的初始化之后,进入无限循环的运行程序,在较低的优先级完成SRM速度测量及LED可视化输出.需要注意的是速度测量为双精度数据计算，在后台执行.SRM运行中的电流控制、位置检测、速度控制均在定时中断服务程序中进行,电机控制频率为换相控制和速度控制频率的5倍.采样中断程序由外部中断完成,频率由SRM的运行速度决定,转速越高,采样中断频率越高.为了验证所设计系统的性能,在Matlab/Simulink环境下,在不计算SRM相绕组的磁滞、涡流及互感利用模块库的条件下,建立了控制系统的线性仿真模型进行仿真实验.系统由SRM主体模块、电流控制模块、转速控制模块、转矩计算模块转角选择模块等部分组成,其中主体模块选用三相6极SRM电机,输入量为电机转速,输出量为各相电流,转速环由PI调节器构成电流环为PWM电压斩波控制器和相电流斩波控制器复合组成,电压PWM斩波频率为8kHz,母线电压220V,θon和θoff固定为10°和22°,PI调节参数KP=3.2,KI=0.6.图6为PWM波形、相电压、相电流、合成转矩的仿真图像,结果表明所设计控制系统各项指标都在合格范围,电磁转矩平稳,调速性能优良,可以有效地减小开关磁阻电机运行时的转矩脉动.本文开关磁阻电机控制系统选用TMS570LS1227为主控芯片采用低速相电流追踪控制,中、高速PWM电压斩波的控制策略,所设计控制系统可以有效抑制转矩脉动,系统精度高,硬件、软件系统运行可靠,具有使用价值.E-mail:****************FAN Panfei,ZHANG Tuanshan,YANG Bin,et al.Design and simulation of switched reluctance motor control system[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2016，31(1)：88-94.【相关文献】[1] 吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京:中国电力出版社2010:124-151.WU Hongxing.Switched reluctance motor system theory and controltechnology[M].Beijing:China Electric Power Press,2010:124-151.[2] 袁驰,范岩.基于DSP的开关磁阻电机控制系统设计[J].电力电子技术,2009,43(2):27-28. 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