【正文】 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 路主開關(guān)管的通斷。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。圖 所示為顯示子程序流程圖。 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。 開始 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)子位置測量值更新 3 速度測量值更新 4 角度測量值更新 章濤：開關(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。 （ 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。 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。其重點(diǎn)就是電流控制部分。背景程序中實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換、故障診斷子程序、IGBT的過流、 過壓保護(hù)等功能、雙口 RAM讀寫。 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。 電流指令值與檢測到的實(shí)際電流值比較，形成電流偏差，控制 PWM 信號(hào)的脈寬。 [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 為簡化起見，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)。 （ 5）鍵盤、顯示電路 :F240 有獨(dú)立的 I/O 空間和總線。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 。 （ 3）轉(zhuǎn)速計(jì)算： CAP 單元不僅能檢測信號(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)確地控制各相的開通和關(guān)斷。 （ 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)。DSP 最小系統(tǒng)還包括 32K 的 16 位快速 RAM、 20MHz 時(shí)鐘電路、看門狗電路、電壓監(jiān)測及復(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 DSP 的 ADC 模塊輸入，實(shí)際速度由位置傳感器來檢測、通過捕獲單元輸入。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。 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 。 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 ,加上簡單的邏輯控制電路和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)以上所述的各種開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制方式。本文的調(diào)速系統(tǒng)主要包括三相（ 6/4）開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、位置檢測電路、電流檢測電路、以TMS320LF2407 為核心的控制 器、液晶顯示電路以及鍵盤輸入電路等。控制電路接受并處理來自控制臺(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)信息通過一定的算法得出相應(yīng)的指令，用這些指令來控制主電路產(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。 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 開關(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。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)。通過三個(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。 對(duì)于本系統(tǒng)中三相 6/4 極開關(guān)磁阻電機(jī)，可用三個(gè)光敏式位置傳感器 (光電耦合開關(guān) )檢測位置信號(hào)。 圖 LEM 電流傳感器接線 位置檢測 對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來說，位置信號(hào)具有決定作用，因?yàn)殚_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)依賴于位置信號(hào)的準(zhǔn)確獲取，電機(jī)需要通過位置信號(hào)來決定哪一相應(yīng)該導(dǎo)通以及在什么時(shí)刻開通和關(guān)斷。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，在高頻采樣場合，應(yīng)避免采用精密線繞電阻；采樣電阻的功率必須足夠大。 500A, 原邊額定有效值電流 IPN＝ 300A, 副邊額定有效值電流 ISN＝150mA,線性度小于 ％，轉(zhuǎn)換率 KN =1： 2021。根據(jù)實(shí)際需要，主開關(guān)電流有效值是 ，主開關(guān)電流峰值為 385A。 本系統(tǒng)使用磁場平 衡式霍爾檢測器（ LEM 模塊）來檢測電機(jī)三相的電流。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。 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。 常見的電流檢測通常有 分流器、互感器、霍耳、光纖，表 是這幾種檢測裝置之間的比較，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，互感器只能測量交流，霍耳傳感器性能好使用方便但價(jià)格稍高。 電流檢測裝置 表 檢測裝置的比較 序號(hào) 比較類型 分流器 互感器 霍耳 光纖 1 插入損耗 有 無 無 無 2 布置方式 需串入主電路 開孔，導(dǎo)線穿過 開孔，導(dǎo)線穿過 － 3 測量對(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 使用較簡單 使用簡單 － 8 適用場合 小電流 控制測量 交流測量 電網(wǎng)監(jiān)控 控制測量 高壓測量 電力系統(tǒng)常用 9 價(jià)格 較低 低 高 很高 電流通過檢測裝置輸入到系統(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。 （ 6）由于 IGBT 在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。 （ 4）在關(guān)斷過程中，為盡快抽取存儲(chǔ)的電荷，須施加一個(gè)負(fù)偏壓，但此負(fù)壓受 IGBT的 G、 D 極間最大反向耐壓的限制，一般?。?2V～ 5V。 （ 2）用小內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿，使 IGBT 的開關(guān)損耗盡量小。一個(gè)具有保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路不但能在正常工作狀態(tài)下給 IGBT 提供所需的驅(qū)動(dòng)功率，在異常工作狀態(tài)下能起到保護(hù) IGBT 的作用，而且應(yīng)當(dāng)能使電力電子系統(tǒng)中的 IGBT 有很好的替換特性。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 表 器件選型 名稱 型號(hào) 備注 IGBT DIM400DDM17A000 60A/1700V 續(xù)流二極管 DFM600LXS18 60A/1800V 快恢復(fù) 電容器 HCGF VF 800/6600? IGBT驅(qū)動(dòng)電路 由于 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種電壓控制型功率器件，它所需驅(qū)動(dòng)功率小，控制電路簡單，導(dǎo)通壓降低，且具有較大的安全工作區(qū)和短路承受能力。開關(guān)磁阻電機(jī)額定狀態(tài)工作時(shí) IGBT 的開關(guān)電流可達(dá)到 倍的有效值電流，所以 IGBT 電流定額為： AII srm ss ?? 續(xù)流二極管承受沖擊電流的能力強(qiáng) ，其電流定額可按 SrmsI 來確定： AII S r m sVD 5 6 . ??? （ 3）平滑濾波電容器的計(jì)算 三相全波整流輸出電壓的脈動(dòng)周期 PT ( msTP 1 ???)，而濾波電容 C 與負(fù)載等效電阻 R f 的乘積 (時(shí)間常數(shù) ) 應(yīng)遠(yuǎn)大于脈動(dòng)周期 PT ，也即 : (3 ~ 5)fPRT179。 （ 1）主電路元器件電壓定額 三相全波整流輸出的直流電壓： sU = 240 V 主開關(guān)管和續(xù)流二極管承受的電壓最大值等于直流電源電壓最大值，考慮到 2~3 倍的電壓裕量 (這里選 倍 )，則主開關(guān)器件和續(xù)流二極管的耐壓定額為： VUUU sr V Dr I G B T ????? 考慮到一定的裕量，整流二極管、續(xù)流二極管和主開關(guān)器件的電壓定額均取為 700V。功率變換電路采用三相 SRD 系統(tǒng)最常用的主電路形式 —— 雙開關(guān)型主電路 開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器工作時(shí)，主開關(guān)管承受的電壓最大值等于直流電源電壓最大值 ,考慮到主開關(guān)和續(xù)流二極管開關(guān) 過程中要能承受一定的瞬間過電壓，所選器件的電壓定額應(yīng)留有安全裕量。 VD1～ VD6 為 IGBT 的續(xù)流二極管 [25]。合閘瞬間，充電電阻 R0串入電容充電回路，待充電結(jié)束后， J 閉合將 R0 短接。這個(gè)電流的大小隨電源開關(guān)合閘瞬間交流電壓的相位及輸入回路的內(nèi)阻不同而不同，即使是上百瓦數(shù)量級(jí)的供電電源，合閘浪涌電流大都高達(dá) 100A～ 200A 之巨，這樣大的浪 涌電流不僅會(huì)引起電源開關(guān)觸點(diǎn)的熔接，輸入熔斷器熔斷，也會(huì)干擾相鄰的用電設(shè)備，就儲(chǔ)能電容器和整流器本身而言，多次而反復(fù)地經(jīng)受大電流沖擊，性能會(huì)逐漸變壞。 每相需 要兩個(gè)主開關(guān)管，除了電動(dòng)機(jī)繞組與每相開關(guān)串聯(lián)，不存在上、下橋臂直通的隱患。當(dāng) V V2 導(dǎo)通的時(shí)候， VD VD2 截止，外加電源 Us 加至 A 相繞組的兩端，產(chǎn)生相電流 Ia；當(dāng) V1 或者V2 關(guān)斷的時(shí)候， A 相繞組產(chǎn)生的變壓器電動(dòng)勢下負(fù)上正，則 VD1 或 VD2 正向?qū)ǎ?Ia 通過 VD VD2 及儲(chǔ)能電容 Cs 續(xù)流， Cs 將儲(chǔ)存 A 相繞組的部分磁場能量。 [6] 綜上所述，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際要求選用了 IGBT 作為系統(tǒng)的功率變換單元，采用了不對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示： 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 三相不對(duì)稱半橋型主電路 以 A 相為例，每相有兩個(gè)主開關(guān)管（即主開關(guān)器件） V V2 和續(xù)流二極管 VD VD2。其中，普通晶閘管因?yàn)闆]有自關(guān)斷能力，開關(guān)頻率低，強(qiáng)迫換相電路成本高、可靠性差，構(gòu)成的 SRD 總體性能有局限性； GTR 的電壓、電流過載能力差，承受浪涌電流的能力差，存在二次擊穿現(xiàn)象，不易保護(hù)； GTO 在不斷關(guān)斷時(shí)要求相當(dāng)大的反向控制電流，關(guān)斷控制實(shí)現(xiàn)有難度，并存在管壓降比普通晶閘管高、工作頻率較 GTR 低，緩沖電路的損耗較大、門極控制較復(fù)雜等缺點(diǎn)； MOSFET 單管功率難以做得很大，若將多個(gè)單管并聯(lián)以擴(kuò)大容量，勢必增大控制的難度并降低裝置的可靠性； IGBT 綜合了 MOSFET 控制極輸入阻抗高和 GTR 通態(tài)飽和壓降低的優(yōu)點(diǎn)，具有工作頻率較高，而且單管的電壓定額與電流定額也已將做得很大，已經(jīng)可以滿足功率器件的要求。 （ 6） 能將繞組儲(chǔ)能回饋給電源。 （ 4） 具備迅速增加相繞組電流的能力。 （ 2） 可將電源電壓全部加給電動(dòng)機(jī)相繞組。 SRD 系統(tǒng)的性能和成本在很大程度上取決于功率變換器，因此要合理設(shè)計(jì)功率變換器。 圖 斬單管 章濤：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 3 系統(tǒng)主電路 系統(tǒng)整體框架 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (SRD)是由 SR 電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換電路、控制電路及位置、電流檢測器構(gòu)成，如 圖所示。相電流不經(jīng)電源 續(xù)流，其續(xù)流路徑如下圖 所示。其特點(diǎn)為：在續(xù)流段，繞組兩端的電壓近似為 U，因而電流脈動(dòng)大，振動(dòng)噪聲都較大，但有能量回饋。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 02?3?4?5??i onoffLL 圖 電壓斬波控制電流波形 電壓斬波 PWM 控制又可分為斬雙管和斬單管兩種方式： ?斬雙管方式 斬雙管方式采用的方法是對(duì)每相的上、下主開關(guān)管 T T2 的相控觸發(fā)脈沖信號(hào)同時(shí)施加 PWM 調(diào)制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速控制。 [5,12]