开关磁阻电机调速系统的软硬件设计

1、开关磁阻电机调速系统的软硬件设计关键词:数字信号处理器;开关磁阻电机调速系统;TMS320F2407芯片 1 引言 20多年来,开关磁阻电机的研究在国内外都取得了很大的发展,而且作为一种新型调速驱动系统,它兼有直流传动和普通交流传动的优点,已经广泛应用于工业、家用电器、电动车辆等诸多领域。伴随着微电子技术的迅速发展和数字信号处理理论与技术的不断完善,数字信号处理器作为电子信息领域的新型高科技产品,更为电机系统的数字化控制注入了新的生机。随着DSP在电机控制领域的应用,基于DSP的开关磁阻电机调速系统的研究已如火如荼。 2 硬件设计方案 开关磁阻电机调速系统是由SRM、功率变换电路、DSP控制器

2、、位置传感器等组成。 2.1 功率变换器的设计 功率变换主电路的结构型式很多,有不对称半桥型、双绕组型、电容裂相型、H型、电容转储型等。 可以用来构成SRD功率变换器的主开关器件主要有普通晶闸管、大功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、MOS场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。电动机功率变换器主开关器件的选择与电动机的功率等级、供电电压、峰值电流、成本等有关;另外还与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关损耗、抗冲击性、耐用性及市场普及性有关系。 普通晶闸管是使用时间最长、伏安容量最大,并且价格比较便宜,但是因为没有自关断能力,开关频率低,强迫换相电路成本高、

3、可靠性差,故不适宜做功率电路中开关元件。 双极型功率晶体管(GTR)的开关频率高,具有自关断能力,在中、小容量的SRD应用广泛,但其电压、电流过载能力差,承受浪涌电流的能力差,存在二次击穿现象,不易保护。 可关断晶闸管(GTO)在不断关断时要求相当大的反向控制电流,关断控制实现有难度,并存在管压降比普通晶闸管高等不足,因此作为功率电路的开关的应用并不广泛。 功率场效应管 MOSFET是一种单极型的电压控制器件,具有驱动电路简单、开关速度快、热稳定性好等优点,但是容量有限制并且比双极型功率晶体管通态压降大,只适用于低电压、小功率的开关磁阻电机系统中。 绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)是80年代出

4、现的新型复合开关器件,具有工作频率较高,控制实现比较简单,而且单管的电压定额与电流定额也已经做得很大,已经可以满足对本装置功率器件的要求,因此经综合考虑选用IGBT作为本系统SRD功率变换器的主开关器件。本文采用H型的功率电路,如图1所示。 A、B、C、D为SRM四相绕阻,VD1-VD4为续流二极管,V1-V4为智能模块IPM。AB,CB,CD,AD两相同时通电,循环导通工作。若V1,V3同时导通,则A,B相通电。若V1关断,V2闭合,则A相关断,C相开始导通,此时,A相绕组将通过二极管VD1续流,C相绕组也构成回路,使B相电流增大,中性点电位必然增高,促使A相续流迅速衰减,强行换相。紧接着关

5、断V3,开通V4,则C,D相导通,依次循环导通,电机就连续运行起来。 2.2 主开关驱动电路的设计 本系统采用的驱动电路模块是EXB84I,该电路的优点是驱动电路集成化,抗干扰能力强,速度较高,保护功能较完善,可实现IGBT的最优驱动。 IGBT对驱动电路的要求注意以下几个问题:(1)动态驱动能力强。能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。IGBT的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IGBT的栅极电压源特性呈非线性电容性质,用小内阻的驱动源对栅极电容充放电,以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿,使IGBT的开关损耗尽量小。(2)能向IGBT提供适当的正向栅压。(3)能向IGBT提

6、供足够的反向栅压。在IGBT关断期间,由于电路中其它部分工作,会在栅极电路中产生一些高频振荡信号,这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态,增加管子的功耗,重则将使逆变电路处于短路直通状态,因此,最好给应处于截止状态的IGBT加反向栅压(幅值一般为:5V15V),使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。(4)有足够的输入、输出电隔离能力。驱动器具有电隔离能力,可以保证设备的正常工作,但是这种隔离不应影响驱动信号的正常传输。(5)具有栅压限幅电路,保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压为20V,驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。(6)理想的驱动电路要求输入、输出信号传输无延时。这一方面

7、能够减少系统响应滞后,另一方面能提高保护的快速性。 2.3 位置传感器设计 位置检测器作用是向DSP端口正确提供转子位置信息。本系统的转子位置信号传感器是由光电传感元件(固定部分)和光电盘(旋转部分)构成。结构如图2,齿盘上6个间隔30的齿槽,与电机转子同轴。光电传感器S、 P固定在电机机壳上,当齿遮挡传感器的光路,光敏管处于截止状态;当光敏管受光导通。电机旋转时,传感器输出30的方波信号,如图3表示电机转动时两个位置传感器输出信号。 电机速度的检测主要是通过检测传感器输出信号来实现的。可以采用检测脉冲宽度、频压转换或其它方式来实现,本文采用的是脉冲宽度测速法。图4中高电平部分表示电机转子转过

8、30度即一周的1/12所需的时间t,设对应的电机转速为n,则有:360nt/60=30即nt=5 式中n为电机转速,单位为转/分;t为电机转过1/12周所需时间,单位为s。由上式可知,若测的位置传感器信号脉冲宽度t,则可以获得电机当前转速n,且有:n=5 /t。DSP事件管理器中的捕获单元捕获位置传感器的方波输入信号,DSP通过软件编程可以计算出位置传感器脉冲宽度的时间t,从而计算出转速n。 3 软件设计方案 3.1 控制算法 采用了DSP数字PI调节器,实现SRM的闭环控制. PI控制的原理是根据给定值与实际输出值之间的偏差E(t)来进行控制的,将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成

9、PI调节器,对受控对象进行控制。 3.2 软件结构 本系统采用了全数字速度闭环控制系统软件的主要功能是根据转子位置状态和实际转速发出相应绕组开、关信号。软件部分包括一个主程序和若干个中断服务子程序,其中主程序对整个系统以及DSP内部环境进行初始化协调;子程序主要包括启动、运行部分。根据SRD的控制思想以及软件编程思想,设计出如图4所示软件系统结构框图。 (1)CAP捕获程序中配置捕获单元,这个模块对位置传感器输入的两路信号同时进行捕获,即通过捕获上升沿或下降沿对它们的脉冲宽度进行捕获,同时启动通用定时器对脉冲进行计数。 (2) 速度计算程序通过位置信号生成的频率或时钟信号计算速度值。 (3)速度给定通过电位器调节从模数转换器(ADC)模数模块来输入,利用ADC的一个模拟输入通道来获取采样值,接着进行模数转换,转换后的数据结果保存在该通道的结果寄存器中,并且对这一通道可以进行多次采样。 (4)数字PI算法实现速度闭环调节控制。 (5)PWM 输出程序软件模块在系统输入的基础上,通过比较,输出了PWM控制信号。 4 总结 试验表明基于DSP的开关磁阻电机调速