在系统中,霍尔传感器采集到转子的位置信号通过信号调理电路后传到控制器。控制器根据根据霍尔信号计算当前转速做为内环的反馈,然后对判断下一额阶段A、B、C三相导通关断状态进行判断,据此推出其开通角与关断角。外环速度换的输出信号作为内环电流环的输入信号。另外,采集到的电流信号发送到控制器DSP上,作为转速闭环的实时输入信号。系统PI输出最终会改变PWM波的脉冲宽度。从而改变电机绕组相电流有效值。
开关磁阻电机可控参数多,包括电机相电压UK、相电流iK、开通角θon和关断角角θoff等参数,根据不同的矩速区采取不同的控制方式,通常分为以下三种控制方式:电流斩波控制(Current Chopping Control,简称CCC)、电压斩波控制方式(Chopping Voltage Control简称CVC)、角度位置控制(AngularPositionContro,简称APC),在不同的转速采用不一样的控制方式,下边我们详细的介绍我们系统怎么来实现这三种控制方法。
开关磁阻电机结构相对比较简单、调速便利,但是其双凸结构及电磁非线性特性严重制约它在工业领域的应用。基于文章设计的TMS320LF28335的开关磁阻电机调速系统,在不同矩速区实现了电流斩波控制、电压斩波控制和角度位置控制三种控制模式。并分类阐述了三种控制策略的优缺点,分析了其应用范围。
角度位置控制是指在绕组电压一定的情形下,通过改变开通角θon和关断角θoff来改变绕组通电、断电时刻,调节相电流的波形。以此来实现转速闭环控制。
本系统利用DSP定时器捕获单元检测SR电机的位置信号的跳沿,根据捕获信号计算信号周期与电机转速。同时利用它的比较单元在不受中断的影响下,按设定角度输出角度位置信号控制脉冲[5]。
开关磁阻电机因其结构相对比较简单坚固、成本低廉、控制参数多、效率高、适于高速与恶劣环境运行等优点慢慢的受到市场的喜爱,但是其电机本身其非线性与转矩脉动大特点限制SR电机在工业领域的广泛应用[1]。文章中的开关磁阻电机调速系统是以德州仪器公司的TMS320LF28335为控制器,响应速度快、有着非常丰富的I/O口,能产生16路的PWM(脉宽调制),硬件结构相对比较简单。性能优良。SR电机可控参数多、控制灵活,在对SR电机建立线性模型后,在不同励磁方式,可分为三种不同的控制模式:电流斩波控制(CCC)、电压斩波控制(CVC)、角度位置控制(APC)[2]。
[2]王宏华.开关磁阻电机调速控制技术[M].北京:机械工业出版社,1999.
[3]王俊利.开关磁阻电机的电流斩波控制[J].电子技术与软件工程,2013.
[4]荣晓明.基于dspace的开关磁阻电机系统的设计[D].天津工业大学,2014.
[5]蒋冬青,朱学忠.高速开关磁阻电动机角度位置控制实现方法研究[J].微电机,2008.
对于霍尔传感器传上来的位置信号很重要。首先位置信号要为角度位置控制提供初始信号,我们用过DSP计算电机转速也是通过捕获一个周期的位置信号来计算,所以角度位置控制特别依赖位置信号的实时性。
电流斩波控制适合电机低速运行阶段,具有简单直接、可控性好的特点。与电压斩波方式相比具有较小的开关损耗、转矩平稳可靠,适合转矩调节系统。它的缺点明显:斩波频率不固定,随着绕组电流误差的变化而变化,不利于电磁噪声的消除。
电压斩波控制适用于高速和低速运行,系统在有负载扰动时,会做出较快的动态响应。缺点是低速运行时转矩波动较大。
角度位置控制不适合低速运行,一般适用于较高转速的控制。角度位置控制的调节转矩范围大,同时能通过角度优化使电机在不同负载下保持比较高地效率。
[1]吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京:中国电力出版社,2010.
在启动时或者电机低速运行时,反电动势较小,电机绕组电流上升很快并迅速达到峰值,为了尽最大可能避免过大的电流对IGBT及电机绕组造成损害,需要对电流峰值进行限定,因此能采用电流的斩波控制,获取低转速下恒转矩的机械特性[3]。
文章设计开关磁阻电机调速系统基于TMS320LF28335为控制器,其操控方法:设定相电流的上限值imax与电流下限值imin及相应的电压值Umax与Umin,然后通过霍尔传感器所获的电流值经过相应的信号调理后转换为电压信号,采集到的电压信号与设定的电压上下限值作比较,如果该电压值大于设定的电压下限值,功率电路相应导通的功率开关导通,此时电流随之增大,电压值也大;在电压信号增大的期间电压信号一直反馈到电路,当电压值大于到Umax时,功率电路相应导通相功率开关关断,电流开始减小,电压相应的下降。这样反反复复通过IGBT的关断导通将电压值限定在最大值与最源自文库值之间,相应的其电流限定在我们设定的上下限之间。只要转速限定在我们的设计要求下就就形成了电流斩波图形,对换相后的绕组仍然采用电流斩波控制。
开关磁阻电机调速系统(简称SRD)由开关磁阻电机、功率电路、控制器以及位置、电流检测装置组成,如图1所示。
SR电机是开关磁阻电机调速系统中实现机电能量转换的部件。功率电路把交流电变为电机可接受脉冲直流电,在SRD系统中,功率电路具有十分重要的作用。控制器是SRD系统的大脑。电流传感器、位置传感器提供的反馈信息都由控制器做多元化的分析处理,并据此对电路中IGBT的关断作出判断,实现对SR电机的控制,电流检测:检测电机相绕组的电流的大小,實现系统电流反馈信息。位置检测:用绝对编码器检测定转子相对位置,为控制器作出换相操作及计算电机转速提供信号。
电压斩波控制是固定开通角θon、关断角θoff不变,对功率开关器件IGBT采用PWM工作模式。我们固定脉冲的周期不变,通过调节占空比来调整加在绕组两端电压平均值,从而改变绕组电流有效值大小。增大脉冲频率会使电流波形更加的平滑、电机出力增大、噪声减小,但对功率开关器件工作频率要求会慢慢的高,经济性也随之增加[4]。