基于dsp的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)功率變換器設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-07-15 15:59 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 常用的關(guān)系為其Ns=Nr+2，從自起動能力及能否正反轉(zhuǎn)考慮，應(yīng)選擇相數(shù)m≥3,一般來說，相數(shù)少則功率變換電路簡單，成本也低。目前常用的是8/6，6/4兩種結(jié)構(gòu)。當(dāng)A組繞組單獨(dú)通電時(shí)，通過導(dǎo)磁體的轉(zhuǎn)子凸極在AA。軸線上建立磁路并迫使轉(zhuǎn)子凸極轉(zhuǎn)到AA。 軸線重合的位子，如圖2a)所示。這時(shí)將A相斷電，B相通電，就會通過轉(zhuǎn)子凸極在BB。 軸線上建立磁路，因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)子并不處于磁阻最小位置，磁阻轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動到2b)的位置。這時(shí)將B相斷電，C相通電，根據(jù)“磁阻最小原理”，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到2c)的位置。當(dāng)C相斷電，D相通電后，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)到圖2d)位置。這樣，四相繞組按ABCD順序輪流通電，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋過一個(gè)極距角。不斷按照這個(gè)順序換相通電，電動機(jī)就會連續(xù)轉(zhuǎn)動。若改變換相通電順序?yàn)镈CBA，則電動機(jī)就會反轉(zhuǎn)。由此還可以得出一個(gè)結(jié)論：改變電動機(jī)轉(zhuǎn)向與電流方向無關(guān)，而只與通電順序有關(guān)。若改變換相電流的大小，就會改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此如果能控制開關(guān)磁阻電動機(jī)的換相、換相順序和電流大小，就能達(dá)到控制該電動機(jī)的目的。 a) A相通電 b) B相通電 c) C相通電 d) D相通電 開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理 SR電機(jī)的控制方式改變外施電壓，或者改變開關(guān)角均能有效的改變轉(zhuǎn)速的值。若與開關(guān)角有關(guān)的參數(shù)無關(guān)，則正比于，改變其外施電壓就會改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，SR電動機(jī)轉(zhuǎn)速的可控變量一般有加于相繞組兩端的電壓、開通角和關(guān)斷角三個(gè)參數(shù)。SR電動機(jī)的控制方式主要針對以上幾個(gè)可控變量來進(jìn)行控制，一般分為:角度位置控制方式(Angular Position Control，簡稱APC控制)、電流斬波控制方式(Chopped Current Control，簡稱CCC控制)和電壓PWM控制方式。SR電動機(jī)的各種控制方式的區(qū)別是對以上幾個(gè)參數(shù)的控制方法不同，下面將進(jìn)行詳細(xì)的討論和分析。（ＡＰＣ）在直流電壓的斬波頻率和占空比確定時(shí)，加于相繞組兩端的電壓大小不變的情況下，可通過調(diào)節(jié)SR電動機(jī)的主開關(guān)器件的開通角,和關(guān)斷角的值，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和速度的調(diào)節(jié)，此種方法便稱之為角度位置控制(APC)。尤其是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動勢較大，電機(jī)繞組電流相對較小時(shí)，最宜采用此種控制方式。角度位置控制是通過控制開通角,和關(guān)斷角來改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對位置，這樣就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。在電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使電流波形的主要部分位于電感波形的上升段；在電動機(jī)制動運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使電流波形位于電感波形的下降段。改變開通角，可以改變電流的波形寬度、電流波形的峰值和有效值大小以及電流波形與電感波形們相對位置；改變關(guān)斷角一般不影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對位置，電流有效值也隨之變化，因此同樣對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒有那么大。故一般采用固定關(guān)斷角，改變開通角的控制方式。 但是，角度位置控制不太適用于低速。因?yàn)檗D(zhuǎn)速降低時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動勢減小，使電流峰值增大，必須進(jìn)行限流，因此角度位置控制一般用于轉(zhuǎn)速較高的應(yīng)用場合。(CCC) 在SR電動機(jī)起動、低、中速運(yùn)行時(shí)，電壓不變，旋轉(zhuǎn)電動勢引起的壓降小，電感上升期的時(shí)間長，而的值卻相當(dāng)大。為避免過大的電流脈沖峰值超過功率開關(guān)元件和電機(jī)允許的最大電流，通常會采用電流斬波的控制方式來限制電流的大小。 一般在低速運(yùn)行時(shí)，將使電機(jī)的開通角和關(guān)斷角保持不變，而主要靠控制斬波電流的大小來調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，工作在CCC方式下的斬波電流波形如圖31所示。 CCC方式下的斬波電流波形 在θ=θon 時(shí)，功率電路開關(guān)元件接通(稱相導(dǎo)通)，繞組電流從零開始上升，當(dāng)電流達(dá)到斬波電流上限值時(shí)，切斷繞組電流(稱斬波關(guān)斷)，繞組承受反壓，電流快速下降。經(jīng)時(shí)間，或電流降至斬波電流下限值時(shí)，重新導(dǎo)通(稱斬波導(dǎo)通)，重復(fù)上述過程，則形成斬波電流波形，直至?xí)r實(shí)行相關(guān)斷，電流衰減至零。 CCC控制方式又分為起動斬波模式、定角度斬波模式和變角度斬波模式。起動斬波模式是在SR電機(jī)起動時(shí)采用的，此時(shí)要求轉(zhuǎn)矩要大，同時(shí)又要限制相電流峰值，故通常固定開通角和關(guān)斷角，導(dǎo)通角值相對較大；定角度斬波模式通常在電機(jī)起動后，低速運(yùn)行時(shí)采用，導(dǎo)通角值保持不變，但值限定在一定范圍內(nèi)，相對較?。欢兘嵌葦夭Ｊ酵ǔＴ陔姍C(jī)中速運(yùn)行時(shí)采用，此時(shí)通過電流斬波、開通角、關(guān)斷角的同時(shí)起作用來進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。在～導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，使功率開關(guān)按PWM方式工作，其脈沖周期固定，占空比可調(diào)，在內(nèi)，繞組加正電壓，內(nèi)加零電壓或反電壓。改變占空比，則繞組電壓的平均值將會變化，進(jìn)而間接改變相繞組電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，這就是電壓斬波控制。與電流斬波控制方式類似，提高脈沖頻率，則電流波形比較平滑，電機(jī)出力增大，噪聲減小，但功率開關(guān)元件的工作頻率增大，成本有所增加。 電壓控制時(shí)的相電流波形電壓PWM控制通過調(diào)節(jié)相繞組電壓的平均值，進(jìn)而能間接地限制和調(diào)節(jié)相電流，因此既能用于高速調(diào)速系統(tǒng)，又能用于低速調(diào)速系統(tǒng)。電壓PWM控制法雖然簡單，迫調(diào)速范圍較小。其它特點(diǎn)則與電流斬波控制方式相反，它適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)載擾動的動態(tài)響應(yīng)快，缺點(diǎn)是低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動較大。綜合比較各方式的優(yōu)劣結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，決定采用電壓PWM控制。第三章 控制器設(shè)計(jì) TMS320LF2407DSP是TI公司專門針對電機(jī)，逆變器，機(jī)器人等控制而設(shè)計(jì)的，它配備了完善的外圍設(shè)備（如補(bǔ)貨單元,PWM單元，A/D單元，SPI等），不論是從計(jì)算速度，精度或是性價(jià)比上，還是從其發(fā)展前景上來考慮，TMS320LF2407都優(yōu)于傳統(tǒng)的951單片機(jī)，所以本設(shè)計(jì)采用TMS320LF2407替代傳統(tǒng)的51單片機(jī)來作為主控單元?？刂破鲉卧荢RD系統(tǒng)的核心部分，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。該單元主要包括ＴMS320LF2407處理器，位置檢測電路，電流檢測電路，及邏輯組合電路等。其中位置檢測電路用來提供轉(zhuǎn)子的位置信息來計(jì)算轉(zhuǎn)速，同時(shí)也用來決定電機(jī)各相繞組的通斷，由電流檢測電路提供繞組電流大小來完成電流斬波控制和對系統(tǒng)的過流保護(hù)動作。電源橋式整流功率變換主電路SRMDSP位置傳感器位置信號處理電路電流檢測電路IGBT驅(qū)動電路驅(qū)動電路驅(qū)動電路相通斷信號PWM信號 控制系統(tǒng)框圖下面簡單介紹一下位置檢測電路，電流檢測電路及邏輯組合電路。 ，四相SRM的兩路位置信號經(jīng)過反相器整理，CAP2當(dāng)捕獲輸入引腳檢測到一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)，定時(shí)器T2的值被捕獲并存儲在相應(yīng)的兩級FIFO堆棧中，位置信號的上下跳變均引起捕獲單元的中斷，即每隔15度產(chǎn)生一次捕獲口中斷，CAP的中斷服務(wù)程序可以根據(jù)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置信息進(jìn)行換相，并計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)子位置檢測電路 電流檢測電路 TMS320LF2407內(nèi)有兩個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換器，每次Ａ/D轉(zhuǎn)換最長時(shí)間66μs，兩個(gè)轉(zhuǎn)換可以并行工作，轉(zhuǎn)換結(jié)果存在一個(gè)兩級FIFO寄存器中，模擬輸入引腳ADCN00~ADCN07屬于模擬轉(zhuǎn)換單元1，ADCN16屬于模擬轉(zhuǎn)換單元2. 電流檢測采用兩個(gè)磁場平衡式霍爾電流傳感器（LEM模塊），電流傳感器的輸出經(jīng)比例調(diào)節(jié)電路變換至合適的范圍后，輸入到DSP的ADCN01,ADCN02引腳。 電流檢測電路 邏輯組合電路設(shè)置DSPTMS320LF2407的IOPE1IOPE6為相通斷信號，分別控制六路相通斷信號，設(shè)高電平為1，低電平為0,1表示相通，0表示斷開。設(shè)置IOPE16為I/O口功能，分別輸入到G
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