【導(dǎo)讀】機(jī)、電力電子開(kāi)關(guān)電路及驅(qū)動(dòng)控制部分組成的高性能調(diào)速系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)。良好的可控性能。因此，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在驅(qū)動(dòng)調(diào)速領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文首先介紹了課題研究背景和意義。給出了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的組成、運(yùn)行原。在Matlab/Simulink交互式仿真集成環(huán)。境下，對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模、仿真及分析。硬件、軟件設(shè)計(jì)方案。主要包括：DSPTMS320LF2407最小系統(tǒng)、位置檢測(cè)電路、電流檢。序、各功能子程序和各中斷服務(wù)子程序等。最后，以三相6/4結(jié)構(gòu)小功率開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作。為執(zhí)行元件，給出了仿真結(jié)果。

　　

【正文】 比較類(lèi)型 分流器 互感器 霍耳 光纖 1 插入損耗 有 無(wú) 無(wú) 無(wú) 2 布置方式 需串入主電路 開(kāi)孔，導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò) 開(kāi)孔，導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò) － 3 測(cè)量對(duì)象 直流、交 流、脈沖 交流 直流、交流、脈沖 直流、交流 4 電氣隔離 無(wú)隔離 隔離 隔離 隔離 5 精度 一般較低 較低 閉環(huán)型精度高 較高 6 頻帶響應(yīng) 10MHz 1kHz 50kHz 1MHz 7 使用方便性 小信號(hào)放大 需隔離處理 使用較簡(jiǎn)單 使用簡(jiǎn)單 － 8 適用場(chǎng)合 小電流 控制測(cè)量 交流測(cè)量 電網(wǎng)監(jiān)控 控制測(cè)量 高壓測(cè)量 電力系統(tǒng)常用 9 價(jià)格 較低 低 高 很高 電流通過(guò)檢測(cè)裝置輸入到系統(tǒng)的 ADC 端口， DSP 根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果和期望值之間章濤：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 進(jìn)行比較，根據(jù)電流誤差，控制器在每個(gè) PWM 周期開(kāi)始對(duì) PWM 脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè) IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三相繞組中電流的閉環(huán)控制。所以電流傳感器在系統(tǒng)中占有很重要的地位。 常見(jiàn)的電流檢測(cè)通常有 分流器、互感器、霍耳、光纖，表 是這幾種檢測(cè)裝置之間的比較，如上表從表中我們可看出：分流器成本低、頻響好但使用麻煩，互感器只能測(cè)量交流，霍耳傳感器性能好使用方便但價(jià)格稍高。對(duì)于大功率開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)來(lái)說(shuō)，屬于精度要求較高且價(jià)格不敏感的場(chǎng)合，霍耳電 流傳感器具有更好的性能價(jià)格比，出色的精度，良好的線(xiàn)性度，低溫漂，最佳的反應(yīng)時(shí)間，寬頻帶，原邊與副邊之間高度絕緣、無(wú)插入損壞，抗干擾能力強(qiáng)，可優(yōu)先選用。 霍耳傳感器基于霍耳效應(yīng)原理工作，產(chǎn)生的電壓為霍耳電壓。其大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。電流傳感器由帶有氣隙的磁心、置于氣隙中的霍耳器件和信號(hào)調(diào)理電路三部分組成。當(dāng)原邊導(dǎo)線(xiàn)經(jīng)過(guò)磁心的電流傳感器時(shí)，原邊電流 Ip 會(huì)產(chǎn)生磁力線(xiàn)，原邊磁力線(xiàn)集中在磁芯周?chē)?，?nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾器件可產(chǎn)生和原邊磁力線(xiàn)成正比的毫伏級(jí)電壓，調(diào)理電路把該電壓信轉(zhuǎn)變?yōu)楦边呺娏?Is。 本系統(tǒng)使用磁場(chǎng)平 衡式霍爾檢測(cè)器（ LEM 模塊）來(lái)檢測(cè)電機(jī)三相的電流。 LEM 的輸出經(jīng)過(guò)處理后輸入到 DSP 的 ADCIN0ADCIN2 的模數(shù)轉(zhuǎn)換口。根據(jù)實(shí)際需要，主開(kāi)關(guān)電流有效值是 ，主開(kāi)關(guān)電流峰值為 385A。我們選擇 LEM 傳感器為 LT308S7，其原邊電流測(cè)量范圍177。 500A, 原邊額定有效值電流 IPN＝ 300A, 副邊額定有效值電流 ISN＝150mA,線(xiàn)性度小于 ％，轉(zhuǎn)換率 KN =1： 2021。 通常采用精密電阻取樣，取樣電阻副邊輸出電流額定值應(yīng)小于電源電壓。推薦選用低溫漂（不大于 20ppm）高精度的金 屬膜電阻；因?yàn)榧纳姼休^大的原因，在高頻采樣場(chǎng)合，應(yīng)避免采用精密線(xiàn)繞電阻；采樣電阻的功率必須足夠大。圖 為電流采樣接法為三相中的一相，其余兩相與之相同。 圖 LEM 電流傳感器接線(xiàn) 位置檢測(cè) 對(duì)于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，位置信號(hào)具有決定作用，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)必須工作在位置閉環(huán)控制方式下，系統(tǒng)運(yùn)行絕對(duì)依賴(lài)于位置信號(hào)的準(zhǔn)確獲取，電機(jī)需要通過(guò)位置信號(hào)來(lái)決定哪一相應(yīng)該導(dǎo)通以及在什么時(shí)刻開(kāi)通和關(guān)斷。如何獲得位置信號(hào)就成為一個(gè)需要研究的問(wèn)題，最直接的方式莫過(guò)于加 一個(gè)檢測(cè)裝置，直接來(lái)探測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置，這個(gè)裝置就是位置傳感器，它能準(zhǔn)確測(cè)定轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置。 對(duì)于本系統(tǒng)中三相 6/4 極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，可用三個(gè)光敏式位置傳感器 (光電耦合開(kāi)關(guān) )檢測(cè)位置信號(hào)。三個(gè)光電耦合開(kāi)關(guān)之間的夾角為 30186。，通過(guò)三個(gè)位置傳感器，可得到相電感變化與位置信號(hào)輸出之間的關(guān)系，它規(guī)定了控制程序的換相策略，是保證電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的基本條件。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 4 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電機(jī)控制專(zhuān)用 DSP 雖然有許多共同之處，但是具體實(shí)現(xiàn)時(shí)還是有所不同， 特別是芯片的引腳功能和外圍接口電路的配合等需要設(shè)計(jì)者認(rèn)真考慮。因此 ， 在進(jìn)行電機(jī)控制的DSP 方案設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行軟硬件功能的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)一般采用模塊化設(shè)計(jì)方法，軟件設(shè)計(jì)則主要考慮控制策略、算法流程以及中斷的處理等 .本章對(duì)基于 DSP 的 SRM 控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件部分主要是主電路及控制電路。主電路其實(shí)就是由功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的變換器，控制電路相當(dāng)于系統(tǒng)的大腦，它的作用是控制、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)工作?？刂齐娐方邮懿⑻幚韥?lái)自控制臺(tái)的各種主令信息，根據(jù)位置傳感器的位置信號(hào)以及電流傳感器的電流值等， 在一定的控制原則下，綜合這些狀態(tài)信息通過(guò)一定的算法得出相應(yīng)的指令，用這些指令來(lái)控制主電路產(chǎn)生有一定的相序有一定通斷時(shí)刻的相電流，使得開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在給定的狀態(tài)，并在這期間完成相應(yīng)的保護(hù)、顯示等輔助功能。 SRD 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 系統(tǒng)的硬件電路是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分，它應(yīng)能準(zhǔn)確、快速的檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)中所有物理量的檢測(cè)、計(jì)算、判斷和處理，并且能完成通訊、顯示等功能。本文的調(diào)速系統(tǒng)主要包括三相（ 6/4）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、位置檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、以TMS320LF2407 為核心的控制 器、液晶顯示電路以及鍵盤(pán)輸入電路等。下面將詳細(xì)介紹各個(gè)部分的功能以及器件的選用。 基于 DSP的 SRD控制器 基于 DSP 的 SRD 系統(tǒng)硬件介紹 利用 TMS320LF2407 豐富的片上外設(shè)資源 ,加上簡(jiǎn)單的邏輯控制電路和開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)以上所述的各種開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制方式。整個(gè)控制器在硬件上可分為 DSP 系統(tǒng)板、功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)接口板和功率主電路板 ,結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 TMS320LF2407 片上事件管理器的 PWM 輸出管腳的極性可編程 ,當(dāng)設(shè)置為“高 (低 )有效”時(shí) ,可產(chǎn)生固定頻率的 PWM 波形 ,用于 SRM 的電壓 PWM 控制 。當(dāng)設(shè)置為“強(qiáng)制高 (低 )”時(shí) ,可方便地產(chǎn)生頻率可變的 PWM 波形 ,用于 SRM 的電流 PWM 控制。利用捕獲單元 ,可根據(jù)兩路正交的位置信號(hào) ,實(shí)現(xiàn)軟件角度細(xì)分 ,用于精確計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速 ,實(shí)現(xiàn)角度控制。 章濤：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 結(jié)構(gòu)框圖 （ 1）控制器： TMS320F2407 核心 實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制 DSP 具有 PWM 發(fā)生單元，可產(chǎn)生16 路 PWM 信號(hào) 。DSP 最小系統(tǒng)還包括 32K 的 16 位快速 RAM、 20MHz 時(shí)鐘電路、看門(mén)狗電路、電壓監(jiān)測(cè)及復(fù)位電路、與上位機(jī)進(jìn)行通信的 RS232 通信電路 給 定速度通過(guò) DSP 的 ADC 模塊輸入，實(shí)際速度由位置傳感器來(lái)檢測(cè)、通過(guò)捕獲單元輸入。 DSP 利用 PI算法通過(guò)比較單元和 PWM 發(fā)生單元輸出 PWM 信號(hào)， PWM 信號(hào)經(jīng)光電隔離輸入到功率器件的驅(qū)動(dòng)電路，控制器件開(kāi)、關(guān)，實(shí)現(xiàn) SRM 閉環(huán)調(diào)速。 （ 2）位置信號(hào)輸入電路：光電傳感器反饋轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。通過(guò) F2407 的捕獲單元(CAP1～ 4) 對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)。 （ 3）轉(zhuǎn)速計(jì)算： CAP 單元不僅能檢測(cè)信號(hào)的變化 ,而且還能記錄兩次信號(hào)變化的時(shí)間間隔，由此可以確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置 ,并可計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行 速度，進(jìn)而準(zhǔn)確地控制各相的開(kāi)通和關(guān)斷。 （ 4) 電流檢測(cè)電路 :使用磁場(chǎng)平衡式霍爾檢測(cè)器 (LEM 模塊 ) 來(lái)檢測(cè)電機(jī)的三相電流。LEM 的輸出一方面輸入到 F240 的 A/D 轉(zhuǎn)換口 ,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后用以控制電流斬波限 。一方面輸入到保護(hù)電路 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)功率變換器主開(kāi)關(guān)的過(guò)流保護(hù)。 （ 5）鍵盤(pán)、顯示電路 :F240 有獨(dú)立的 I/O 空間和總線(xiàn)。用 I/O 口組成矩陣式鍵盤(pán) ,通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI)顯示運(yùn)行狀態(tài)。 [21,22] 控制策略 P I P W M 功 率 變換 器S R 電 動(dòng)機(jī)+rwrwrw+ 圖 控制策略 為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，采用 PID 算法進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)，由于 SR 電機(jī)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)際只需 PI 調(diào)節(jié)。 （ 1）雙閉環(huán)：轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán) 速度反饋信號(hào)取自位置傳感器的轉(zhuǎn)子信號(hào)，被給定轉(zhuǎn)速相減后作為電流指令值。 電流指令值與檢測(cè)到的實(shí)際電流值比較，形成電流偏差，控制 PWM 信號(hào)的脈寬。 閉環(huán)調(diào)節(jié)： PID 或模糊控制等 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 （ 2）控制方式： 低速時(shí)，固定開(kāi)關(guān)角，電流 PWM 斬波 (CCC) 高速時(shí) , 角度位置控制（ APC） +PWM 控制 軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的控制軟件分兩大部分，一部分是以電流控制方法為核心 的主控板上 DSP的電機(jī)控制軟件，另一部分是以行程給定為核心的 PLC操作臺(tái)軟件。 基于 DSP的 SRM控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包括初始化子程序、中斷服務(wù)子程序 (ISR)轉(zhuǎn)速環(huán) PI調(diào)節(jié)程序和電流環(huán) PI調(diào)節(jié)程序和背景程序。主程序協(xié)調(diào)各個(gè)子程序之間的運(yùn)行；初始化子程序處理 DSP管腳，特別是事件管理器 EVA的功能設(shè)置和 DSP的特殊功能寄存器的設(shè)置；中斷服務(wù)程序中執(zhí)行相與相之間的切換、轉(zhuǎn)速計(jì)算；轉(zhuǎn)速環(huán) PI調(diào)節(jié)程序和電流環(huán) PI調(diào)節(jié)程序來(lái)計(jì)算 PWM的占空比控制繞組中的相電流。背景程序中實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換、故障診斷子程序、IGBT的過(guò)流、 過(guò)壓保護(hù)等功能、雙口 RAM讀寫(xiě)。單片機(jī)執(zhí)行主控板和 PLC的之間通過(guò)雙口RAM的數(shù)據(jù)交換、數(shù)字量輸入輸出子程序、通訊子程序、顯示子程序。其重點(diǎn)就是電流控制部分。 主控板上還有 CPLD的程序，其功能在硬件設(shè)計(jì)中已經(jīng)進(jìn)行了討論，編寫(xiě)和仿真都在MAXPLUS2中進(jìn)行，相對(duì)簡(jiǎn)單，就不再贅述。 DSP 軟件整體流程如圖 所示： 圖 基于 TMS320LF2407 DSP 的 SRD 系統(tǒng)控制流程 軟件主要由以下程序模塊組成： （ 1）主程序 — 通過(guò)調(diào)用各子程序，執(zhí)行相 應(yīng)的控制指令，在后臺(tái)完成調(diào)速功能。 （ 2）初始化程序 — DSP 控制器內(nèi)部集成了許多外圍器件，如 A/D 轉(zhuǎn)換， EV 模塊等，在系統(tǒng)工作之前，需要對(duì)硬件初始化，同時(shí)還要對(duì)有關(guān)控制標(biāo)志，初始參數(shù)，開(kāi)關(guān)量，工作單元及中斷系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以保證各功能單元按設(shè)計(jì)要求工作。 （ 3）定時(shí)器中斷 — 完成電流 PWM 控制，轉(zhuǎn)速 PI 控制，轉(zhuǎn)相控制以及角度和位置的估計(jì)等功能。 （ 4）捕獲中斷 — 對(duì)捕獲單元檢測(cè)的位置信號(hào)進(jìn)行判斷并處理。 開(kāi)始 初始化 1DSP 設(shè)置 2 事件管理器初始化 3 SRM 控制參數(shù)初始化 4 使能中斷 5 開(kāi)始后臺(tái)程序運(yùn)行 執(zhí)行程序 后臺(tái)程序 1 速度估計(jì) 2 可視化反饋 定時(shí)器中斷 1 電流控制 2 位置估計(jì) 3 角度估計(jì) 4 換相控制 5 速度控制 捕獲中斷 1 保存捕獲的數(shù)據(jù) 2 轉(zhuǎn)子位置測(cè)量值更新 3 速度測(cè)量值更新 4 角度測(cè)量值更新 章濤：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 主程序的設(shè)計(jì) 主程序的流程圖如圖 所示。主程序主要完成的程序包括 :調(diào)用系統(tǒng)初始化子程序、起動(dòng)子 程序、電機(jī)工作方式判斷子程序、顯示子程序以及數(shù)據(jù)通信，并隨時(shí)檢查接受鍵盤(pán)信號(hào)和上位機(jī)信號(hào)。 系 統(tǒng) 初 始 化 子 程 序鍵 值 判 斷 子 程 序啟 動(dòng) 命 令 ？啟 動(dòng) 子 程 序啟 動(dòng) 成 功故 障 子 程 序電 機(jī) 工 作 方 式 判 斷 子 程 序顯 示 子 程 序數(shù) 據(jù) 通 訊 子 程 序停 止 命 令停 止 子 程 序NYYN結(jié) 束主 程 序 圖 主程序流程圖 功能子程序設(shè)計(jì) 功能子程序包括顯示子程序和顯示刷新子程序，具有相應(yīng)的模塊化的功能。 子程序顯示 顯示子程序用來(lái)將待顯示的數(shù)據(jù)顯示在 3 位半 LCD 上。圖 所示為顯示子程序流程圖。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 開(kāi) 始取 待 顯 示 數(shù) 據(jù)從 低 位 到 高 位 提 前 顯 示 數(shù) 據(jù) 的 各 位提 取 符 號(hào) 和 小 數(shù) 點(diǎn)屏 蔽 無(wú) 效 零 位驅(qū) 動(dòng) L C D 顯 示返 回 圖 所示顯示子程序流程圖 中斷子程 序設(shè)計(jì) 中斷子程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因?yàn)檎麄€(gè) SR 電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)是靠捕獲轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)而觸發(fā)中斷來(lái)控制的。在捕獲中斷中要處理的事物很多，包括相導(dǎo)通判斷、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算以及最優(yōu)角度值的計(jì)算等。而在系統(tǒng)的運(yùn)行期間，還有外圍和系統(tǒng)的其它中斷如 : PWM 中斷子程序 , 鍵盤(pán)中斷子程序等要進(jìn)行處理。因此，如何處理和安排這些中斷，分配這些中斷的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)中斷的嵌套和 CPU 時(shí)間的合理分配，是系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。在整個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)中，位置信號(hào)的捕獲中斷應(yīng)該是除系統(tǒng)保護(hù)中斷以外的最高級(jí)別的中斷，這樣才能保證電機(jī)的順利運(yùn)轉(zhuǎn)。 PWM 中斷子程序 本系統(tǒng)中將輸出 6 路單邊沿的 PWM 信號(hào)控制功率電路中的 6 路主開(kāi)關(guān)管的通斷。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， PWM 中斷子程序中不僅要輸出 PWM 值，而且還要完成電流采樣、電流A/D 轉(zhuǎn)換、判斷過(guò)電流、電流環(huán)的調(diào)節(jié)以及計(jì)算新的 PWM 的值等 章濤：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22