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基于两步换相控制策略的SR电机直接数字控制系统设计

发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:524

王宏华

1 引言

  开关型磁阻(sr)电机调速系统(srd)结构简单、坚固、成本低,调速性能优良,在宽广的调速范围内均具有较高的效率,应用前景十分广阔。但由于sr 电机的双凸极结构和采用开关性的供电电源,振动、噪声是其突出的问题,这已成为srd在更多范围内推广应用发挥其特长的主要障碍。过去人们对srd的研究主要集中在sr电机本体设计、功率变换器及速度控制策略研究上,因为研究难度大,目前,只有少量文献论及sr电机振动、噪声研究[1~5]。
  
  文[1]基于时域分析,得出结论:sr电机相绕组关断所激发的冲击振动是最主要的振动、噪声来源。为削弱这一振动,文[1]提出将相电流关断过程分成两步的“两步换相法”(参见图1):第一步仅关断k1,相电压up由+us负跃变至0 v;第二步再关断k2,这时up由0 v负跃变到-us。控制第二步与第一步时间间隔为定子固有频率对应周期的一半,这样,第二步与第一步产生的冲击振动相位差为180°,因而相互抵消。 wuc.y.等率先将“两步换相法”引入srd系统设计,在ccc方式和apc方式两种工况下取得良好抑制振动、噪声效果[1],但其采用不对称半桥主电路,四相(8/6)sr电机需要8只主开关器件和8只续流二极管,未能充分体现单极性的sr电机功率变换器结构简单、开关器件少的优势,影响了系统的经济性。

  本文采用一种新型的只有6只主开关器件的四相率变换器[6],在以8098单片机为控制核心的srd设计中,引入两步换相控制策略,在电压pwm和apc两种工况下,显著地抑制了sr电机的振动和噪声。

2 系统描述

  
  为实现多数传动装置需要的转矩/转速特性:从静止到基速具有恒转矩,在基速以上具有恒功率特性,系统采取的控制策略为基速ωb以下,电压pwm控制,输出恒转矩特性;基速ωb以上,角度位置控制(apc),输出恒功率特性。为简化控制规律,采取将关断角θoff固定在一个由实验得到的最优角度22°处,仅调节起始开通角θon。
  
  8098单片机定时采样由转子位置传感器获得的反馈速度,与由键盘敲入的给定速度比较,误差经数字pi 调节,再经软件处理,根据反馈速度的大小是否在基速以上转换成pwm脉冲或控制角度的apc单脉冲的控制参数。微机控制器根据转子位置控制对应相绕组的导通或关断,输出对应的pwm脉冲或apc单脉冲,经功率变换器,实现对sr电机的控制。为简化硬件电路,pwm控制、apc脉冲控制、速度检测、pi调节器均由软件实现;为提高过流保护动作的快速性,采用硬件过流保护电路。
  
  样机为0.75 k w四相(8/6)sr电机,功率变换器以gtr作为主开关器件,采用图2所示的功率主电路。


  图2电路的拓扑结构由pollock等率先提出[6],其基本上保留了不对称半桥线路的优点,所用开关器件又较不对称半桥少,具有较高的性能/价格比。
  
  与常规sr电机直接数字控制系统(ddc)换相逻辑控制不同,既要满足sr电机电动运行换相要求,又要满足两步换相要求是制定6只主开关换相规则的原则,显然,这限制相绕组的最大导通角θc不得超过30°。

3 系统硬件设计

3.1 微机控制器硬件框图


  以8098单片机为核心的微机控制器硬件框图如图3所示。


  由图3可见,控制器主要由8098单片机,外接eprom27128、专用键盘显示器接口芯片 8279、位置译码及换相控制电路、电流检测与过流保护电路组成。由于基速以下采用的是电压pwm方式,为防止gtr因过流而损坏,设计了过流保护电路。对四相sr电机,其交叉相(即a、c相和b、d相)的导通区间一般不会重叠,因此可采取a相和c相、b相和d相分别共用一个电流传感器(lem模块),对四相电流检测,如图2所示。
  
  两路转子位置信号分别送8098的高速输入口hsi0和hsi1,hsi中断服务程序与高速输出hso0~hso3和位置译码及换相控制电路配合,用于控制6只主开关的导通、关断,实现sr电机电动运行的换相要求及两步换相要求,hsi中断服务程序还用于速度的采样。

3.2 位置译码及换相控制电路设计

  图2中k1、k3、k4、k6均作为第一步换相

王宏华

1 引言

  开关型磁阻(sr)电机调速系统(srd)结构简单、坚固、成本低,调速性能优良,在宽广的调速范围内均具有较高的效率,应用前景十分广阔。但由于sr 电机的双凸极结构和采用开关性的供电电源,振动、噪声是其突出的问题,这已成为srd在更多范围内推广应用发挥其特长的主要障碍。过去人们对srd的研究主要集中在sr电机本体设计、功率变换器及速度控制策略研究上,因为研究难度大,目前,只有少量文献论及sr电机振动、噪声研究[1~5]。
  
  文[1]基于时域分析,得出结论:sr电机相绕组关断所激发的冲击振动是最主要的振动、噪声来源。为削弱这一振动,文[1]提出将相电流关断过程分成两步的“两步换相法”(参见图1):第一步仅关断k1,相电压up由+us负跃变至0 v;第二步再关断k2,这时up由0 v负跃变到-us。控制第二步与第一步时间间隔为定子固有频率对应周期的一半,这样,第二步与第一步产生的冲击振动相位差为180°,因而相互抵消。 wuc.y.等率先将“两步换相法”引入srd系统设计,在ccc方式和apc方式两种工况下取得良好抑制振动、噪声效果[1],但其采用不对称半桥主电路,四相(8/6)sr电机需要8只主开关器件和8只续流二极管,未能充分体现单极性的sr电机功率变换器结构简单、开关器件少的优势,影响了系统的经济性。

  本文采用一种新型的只有6只主开关器件的四相率变换器[6],在以8098单片机为控制核心的srd设计中,引入两步换相控制策略,在电压pwm和apc两种工况下,显著地抑制了sr电机的振动和噪声。

2 系统描述

  
  为实现多数传动装置需要的转矩/转速特性:从静止到基速具有恒转矩,在基速以上具有恒功率特性,系统采取的控制策略为基速ωb以下,电压pwm控制,输出恒转矩特性;基速ωb以上,角度位置控制(apc),输出恒功率特性。为简化控制规律,采取将关断角θoff固定在一个由实验得到的最优角度22°处,仅调节起始开通角θon。
  
  8098单片机定时采样由转子位置传感器获得的反馈速度,与由键盘敲入的给定速度比较,误差经数字pi 调节,再经软件处理,根据反馈速度的大小是否在基速以上转换成pwm脉冲或控制角度的apc单脉冲的控制参数。微机控制器根据转子位置控制对应相绕组的导通或关断,输出对应的pwm脉冲或apc单脉冲,经功率变换器,实现对sr电机的控制。为简化硬件电路,pwm控制、apc脉冲控制、速度检测、pi调节器均由软件实现;为提高过流保护动作的快速性,采用硬件过流保护电路。
  
  样机为0.75 k w四相(8/6)sr电机,功率变换器以gtr作为主开关器件,采用图2所示的功率主电路。


  图2电路的拓扑结构由pollock等率先提出[6],其基本上保留了不对称半桥线路的优点,所用开关器件又较不对称半桥少,具有较高的性能/价格比。
  
  与常规sr电机直接数字控制系统(ddc)换相逻辑控制不同,既要满足sr电机电动运行换相要求,又要满足两步换相要求是制定6只主开关换相规则的原则,显然,这限制相绕组的最大导通角θc不得超过30°。

3 系统硬件设计

3.1 微机控制器硬件框图


  以8098单片机为核心的微机控制器硬件框图如图3所示。


  由图3可见,控制器主要由8098单片机,外接eprom27128、专用键盘显示器接口芯片 8279、位置译码及换相控制电路、电流检测与过流保护电路组成。由于基速以下采用的是电压pwm方式,为防止gtr因过流而损坏,设计了过流保护电路。对四相sr电机,其交叉相(即a、c相和b、d相)的导通区间一般不会重叠,因此可采取a相和c相、b相和d相分别共用一个电流传感器(lem模块),对四相电流检测,如图2所示。
  
  两路转子位置信号分别送8098的高速输入口hsi0和hsi1,hsi中断服务程序与高速输出hso0~hso3和位置译码及换相控制电路配合,用于控制6只主开关的导通、关断,实现sr电机电动运行的换相要求及两步换相要求,hsi中断服务程序还用于速度的采样。

3.2 位置译码及换相控制电路设计

  图2中k1、k3、k4、k6均作为第一步换相

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