何降彪，梁雨时，王世琥

    (西安交通大学，陕西西安710049)

    摘要：选用DsPTMs320F2812为主控芯片，设计了四相8／6极75 kw开关磁阻电机调速系统(sRD)。针对开关磁阻电机(sRM)存在的非线性问题，采用“P1+模糊”双闭环算法分别对电机的绕组电流和转速进行控制。实验结果表明，该控制方法对于非线性严重的sRM具有很好的控制效果。

    关键词：开关磁阻电动机；非线性；数字信号处理器；模糊控制

  O引言

    开关磁阻电机(sRM)是80年代中期发展起来的新型电机，它融电力电子技术、微电子技术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化产品。开关磁阻电机调速系统(sRD)与直流调速系统和异步电动机变频调速系统相比较，具有结构简单、成本低、效率高、控制灵活、起动电流小、起动转矩大、适用于恶劣环境等优点，因此近年来在牵引运输、通用工业、家用电器等领域得到了广泛应用。但是sRM具有严重的非线性及变结构、变参数特点，难以建立精确的数学模犁，且在不同的控制策略下其参数、结构都是变化的，因此固定参数的PID控制方式难以获得理想的控制性能。针对上述问题，本文把高性能DsP和“模糊+PI”的双闭环控制算法相结合，设计了四相8／6极sRM渊速系统，一定程度上解决了sRM非线性带来的一系列问题。

  1系统结构与控制策略

    sRD系统主要由sRM、功率变换器、控制器、检测单元四大部分组成。功率变换器是sRD系统能量传输的关键部分，起控制绕组的开关作用，是影响系统性能价格比的主要因素；控制器是sRD系统的核心部分，完成电流及转速的调节，其性能的好坏直接影响电机的运行性能；检测单元由位置检测和电流检测环节组成，提供转了的位置信息从而确定各相绕组的开通与关断，提供电流信息以采取相应的保护措施防止过电流。

    sRD系统的主要功能是以转速值为给定量，并要求sRM的转速能自动跟随给定量。为保证良好的渊速性能，sRD采用双闭环控制系统。外环是转速环，采用模糊算法，内环是电流环，采用经典PI算法。sRD系统的主要控制方式有：角度位置控制、电流斩波控制和电压PwM控制。本系统采用电压PwM控制，其特点是通过PwM方式调节绕组的电压平均值，间接调节和限制过人的绕组电流，从而实现sRM调速。它既能用于转速调节系统的高速运行，又适合于低速运行，而且抗负载扰动的动态响应快，控制起来比较容易。

  2系统硬件设计

本文所设计的基于TMs320F2812的sRD硬件总体框架如图l所示。TMs320F2812是TI公司推出的****一款DSP芯片，也是目前国际市场上****进、功能******的32位定点13DSP芯片，其指令处理速度可达150M／s。图中，虚线框内的部分为TMS320F2812，系统的所有控制环节，包括电流环控制、转速环控制、电机换向等全部由软件完成，DsP直接输出逻辑电平型的PwM控制信号驱动功率变换器工作，从而对sRM进行电流、速度控制。电流反馈信号是由霍尔电流专感器测得的，信号经过处理后送入_TMS320F2812内的ADc，转换为数字量，构成电流环。速度反馈信号由位置传感器获取，经过调理后送入DSP的cAP单元，从而得到电机的速度和方向，买现速度的闭环控制。

 

2 1功率变换器设计

    功率丰电路采用不对称半桥电路，使得电机的每一相绕组能够独立控制，****限度地减少各相的关联，保证电机各相独立，避免了常规驱动电路上、下桥结构出现的换向直通现象，提高电机的运行可靠性。不对称半桥电路的拓扑结构如图2所示。

关于主开关器件的选择，考虑到绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有功率损耗小、开关速度快、驱动电路简单，并且兼有M0sFET高输入阻抗和GTR通态饱和压降低的优点，故选用了西门康公司生产的300A／1200v，型号为sKM300GBl23D的IGBT作为主电路开关。

lGBT的驱动选用日本富士公司的lGBT专用高速型驱动模块ExB841，它可用于驱动400A，600V以下或300A／1200v以下的IGBT，整个电路信号延迟时间不超过1 μs，****工作频率可达40kHz，它只需外部提供一个+20v的单电源，内部自己产生+15v(开通)和一5v(关断)的驱动电压。模块采用高速光耦隔离，并有短路保护及慢速关断功能，对本系统比较适用。IGBT驱动电路如图3所示。

2 2转子位置检测

转子位置信号主要作用有两个：一是精确指示定子与转子相对位置关系；二是实时计算电机转速。本文采用的位置传感器是****式编码器。在一个转子角周期内产生两个信号，相位差为15^o，它组合成4种不同的状态，分别代表电机四相绕组不同的参考位置。转子位置信号如图4所示。位置信号经过光耦隔离和整形后送给DsP捕获单元，通过捕获单元cAPl～2捕获电平跳变，用于确定转子运行时的位置和电机转速。

 

 

2 3绕组电流检测

系统采用霍尔电流传感器(HAIL)来测量绕组电流。因为主电路是较高频率的开关电路，电压输出型HAIL传感器容易受到较大干扰，故采用电流输出型HAIL传感器，传感器输出的信号经过采样、滤波等处理，送到DsP的ADc接口，从而得到绕组电流信号。

3系统软件设计

软件设计采用了DsPc语言编程，实现模块化编程，尽量把共用的程序编写成具有不同功能的子程序，增加程序的可读性和移植性。SPD系统软件设计主要包括：主程序、AD中断子程序、电流与速度控制子程序以及系统初始化子程序。下面，分别从控制算法、软件流程等方面对SRD系统软件部分进行介绍。

3 1速度控制

速度控制采用模糊控制算法。所设计模糊控制器首先应把输入变量由自然语言(包括数值信息)转化为模糊控制器所能识别的数值信息，然后进行模糊推理，把得到的结果进行模糊化。这里我们选取7个常用的语言变量值，即负大(NB)、负中(NM)、负小(Ns)、零(zE)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)。速度误差E、误差变化量E。及控制量变化U的模糊子集均为{NB，NM，Ns，zE，Ps，PM，PB)语言变量论域上的模糊子集由隶属度函数μ(x)描述。各变量的隶属函数关系如图5所示。速度误差、误差变化量及控制量变化均采用均匀分布三角形隶属度函数，同时，使用：Mamdani算法进行模糊推理口。

 

3 2电流控制

电流闭环控制用PI控制算法，PI控制算法是PlD控制的一种特殊情况，这里首先对PID的数学模型进行分析说明。

PID控制器是指将偏差的比例（P）、积分（I）和微分(D)通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控制对象进行控制。PID控制器优点是它的结构简单，参数容易调整。

采用增量式PID算法：

增量式PID控制算法与位置式控制算法相比，计算量小得多，因此在实际中得到广泛应用。另外，在sRD系统的电流控制中，由于PID控制中的微分项对电流变化率过于敏感造成系统不稳定，所以常常去掉微分项，故采用PI控制。

3 3软件流程

程序启动后，首先对整个系统进行初始化，然后程序进入一个循环，反复查询AD转换是否完成，如果完成，计算并修改输出值，同时把当前的转速等信息输出到显示模块。图6为主程序和AD中断流程图，图7为电流反馈、速度反馈及系统初始化程序流程图。

 

4实验研究

实验对象为四相8／6极sRM，额定转速为4000 r/min，控制方式为电压PwM斩波控制。在空载情况下进行实验。实验测得的相绕组电流波形如图8所示，转速跟随曲线如图9所示。

实验结果表明：本系统有着良好的调速性能，系统的动态响应速度较快、有着很好的动、静态特性。

5结论

实现了基于DSPTMS320F2812的“PI+模糊”SRD双闭环控制。实验结果表明，系统具有动态相应快、稳定性好等优点，一定程度上解决了SRM的非线性造成的难以控制问题，为SRD数字控制的发展提供了一些有益的参考，是一种较为实用的方法。

参考文献

[1]  王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术[M]北京机械工业出版社，1995

[2]  苏奎峰TMS320F2812原理与开发[M]北京：电子工业出版社，2005 1

[3]  陶永华新型PID控制及其应用[M]北京机械工业出版社，2005

[4]  何莉，万沛霖,肖蕙蕙PID型模糊控制器在开关磁阻电机驱动系统中的应用[J]中小型电机，2004，31(4)