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基于DSP的開關磁阻電機驅動系統的設計

基于DSP的開關磁阻電機驅動系統的設計

發布日期:2014-12-10 15:27 來源: 點擊:

  開關磁阻電機SRM(Switched Reluctance Motor)是典型的机电一体化系统,具有结构简单,运行可靠,效率高及成本低等突出优点。 本文选用Motorola公司开发的专门用于电机控制的16 位定点DSP芯片DSP56F805设计了三相(6/4)SRM双闭环驱动系统。该芯片指令执行速度快,资源丰富,为高性能的开关磁阻電機的控制提供了可靠的信息處理與控制。 

  1.SRM驅動系統的描述 

  SRM驱动系统主要由SRM、控制器、功率变换器、位置检测装置和电流检测装置等组成。本文设计的開關磁阻電機驱动系统采用速度电流双闭环的控制方式,其系统结构框图如图1所示。 

  位置檢測裝置對SRM的轉子位置進行檢測,爲任意時刻轉子的速度計算和換相邏輯控制提供依據。電流檢測裝置用于檢測電機的相電流,以實現對電機相電流的控制。控制器要實現的功能有:根據轉子的位置信息完成轉子速度計算及確定導通相;根據轉速偏差,利用速度調節器完成速度環的控制;根據速度調節器輸出的參考電流數值與反饋相電流數值的偏差,通過電流調節器完成電流環的控制;根據速度調節器輸出的參考電流數值及實際轉速情況,通過角度控制確定相應的開通角和關斷角;根據轉子位置信息完成換向邏輯控制;通過PWM發生器向功率變換器輸出邏輯電平型的脈寬調制信號PWM。通過功率變換器驅動電機的轉動。 

  2.控制電路硬件部分設計 

  控制電路根據外部輸入,綜合處理電機轉子位置、電流、電壓和溫度等反饋信號,通過分析計算,按一定的控制策略向功率變換器發出PWM控制信號,以控制電機的運轉。同時,該電路還具有過壓和超溫等保護功能。鍵盤信號從DSP56F805的GPIO口引入,通過鍵盤操作實現轉速、轉向、溫度和電壓等設定。數碼顯示通過SPI口來驅動,用于顯示電機轉速等信息。相電流、電壓和溫度信號輸入到ADC模塊進行模數轉換,以滿足控制的需要。正交解碼器的PHASEA0、PHASEA1和PHASEB0分別捕獲三路霍爾位置傳感器的跳變沿信號,用以計算電機轉速以及獲取轉子位置信息。同時,這些傳感器信號也被引入到3個GPIO口,控制芯片也可通過查詢這3個口的電平獲取轉子位置信息。DSP56F805芯片的脈寬調制模塊PWMA産生六路PWM方波信號。其中,PWMA0~PWMA2控制功率變換器高端3個IGBT,其輸出的PWM波形受電流調節器輸出信號的控制,通過改變PWM波形的占空比實現電機轉速的調節;PWMA3~PWMA5控制功率變換器低端的3個IGBT,其輸出PWM波形受開通關斷角及轉子位置信息控制,以實現邏輯換向控制。通過SCI口實現電機驅動系統與上位機的通訊。 

  3.控制系統的實現 

  3.1位置檢測與速度估算 

  系統采用3個霍爾傳感器進行位置檢測。這3個傳感器間隔120,當電機轉子轉動到相電感最大處時,相應霍爾傳感器就産生上跳沿,表明轉子和定子到達對齊位置。這樣,從3個霍爾傳感器輸出的3路方波信號周期爲90。,且相位差爲15。(如圖3所示)。DSP56F805通過正交解碼器的PHASEA0、PHASEB0和PHASEA1捕獲這三路傳感器信號的跳變沿;同時,也可通過查詢相應的三個GPIO口電平,獲取轉子位置信息。 

  3.2起動和換相 

  電機起動時,如果初始導通相判斷有誤,會使得電機出現反轉,造成電機運轉的紊亂。因此,初始位置時,電機導通相的正確判斷是本論文首先需要解決的一個關鍵問題。電機處于靜止時,控制器通過讀取三路霍爾傳感器的狀態獲取電機轉子位置信息。從圖3中可以看出,當從三路霍爾傳感器獲取的位置信息分別爲“110”、“101”和“011”時,在15。的機械角範圍內,對應的C、B和A相電感分別處于上升階段。在這種情況下,只需給相應的C、B或A相通電就能産生要求的起動轉矩,起動效果較好。 

  当从传感器获取的位置信息为“100”、“010”和“001”时,在15。的机械角内对应相电感并不是持续上升。当位置信息为“100”时,A相电感因处于下降阶段产生负转矩,B相电感在此机械角区间的开始段因电感不变存在零转矩的情况, C相的电感在此机械角区间的结束阶段因电感不变也存在零转矩的情况。如果仅给B相或C相通电起动效果不好。因此,需给B和C两相同时通电。同理,当位置信息为“010”需给A和C两相同时通电;当位置信息为“001”需给A和B两相同时通电。 

  如果電機是單相通電起動,設置DSP56F805的捕獲功能模塊爲下跳沿觸發後,電機由起動狀態直接進入運行狀態,開始正常換相。如果電機是兩相同時通電起動,首先將捕獲功能模塊設置爲上跳沿觸發。在電機起動過程中,如果A相傳感器輸出信號産生上跳沿,關閉A相,B相保持通電;如果B相傳感器輸出信號産生上跳沿,關閉B相,A相保持通電;如果C相傳感器輸出信號産生上跳沿,關閉C相,B相保持通電。當從兩相導通起動轉入一相導通後,將捕獲功能模塊設置爲下跳沿觸發,電機由起動狀態進入運行狀態,開始正常換相。 

  在電機正常換相過程中,如果傳感器輸出信號産生下跳沿,DSP56F805的捕獲模塊將會産生捕獲中斷,在捕獲中斷中確定導通相,完成換向邏輯的控制。 

  3.3相電流檢測 

  通過在相電流電路中串入一個分流電阻,測得其上的電壓降以實現相電流檢測。采樣電阻上的電壓降經濾波放大後輸入到DSP56F805的ADC模塊。由于系統中對功率開關的控制采用的是斬單管的方式,相電流並不是一直能從采樣電阻上測到,只有在上下兩個功率開關都開或都關的時候才可在采樣電阻上測得。因此,電流采樣需與PWM頻率同步。同時,將電流的零點設置在ADC轉換範圍的一半處,使得采樣電阻上的正負電壓降都能被檢測到。 

  3.4.控制策略與控制算法的實現 

  SRM的速度控制是通过速度调节器和电流调节器来实现的。考虑到积分环对大超调量的延迟性,为使系统有较快的响应,在速度环回路中串接一个积分分离开关 ,对速度环采用积分分离的PI控制算法。对电流环采用增量式PID控制算法。 


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