基于CPU和CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計
謝衛(wèi)才，許志偉，林友杰
(湖南工程學(xué)院，湖南湘潭411101)
摘要：開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一種新型調(diào)速系統(tǒng)，文章介紹了開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，并設(shè)計了一種用cPu+cPLD實現(xiàn)的開關(guān)磁j且電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)行了實驗并測試出各類數(shù)據(jù)和曲線，測定了開關(guān)磁阻電動機(jī)淵速系統(tǒng)的性能，實驗證明該系統(tǒng)運(yùn)行可靠。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動機(jī)；調(diào)速；cPu+cPLD；斬波控制；角度位置控制
0前言
現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機(jī)是磁阻電動機(jī)和電力電子技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種機(jī)電一體化的控制裝置，又稱開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(switched Reluctance Motor Drives，sRD)，是20世紀(jì)90年代迅猛發(fā)展起來的一種新型調(diào)速電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)簡單堅固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，而且在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率，系統(tǒng)可靠性高，是各國研究和開發(fā)的熱點(diǎn)之一。產(chǎn)品已開始應(yīng)用于電動車驅(qū)動、家用電器、通用工業(yè)、航空工業(yè)和伺服系統(tǒng)等各個領(lǐng)域，呈現(xiàn)強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿�。sRD電機(jī)的結(jié)構(gòu)比籠型異步電動機(jī)簡單，但sR電機(jī)的控制要求根據(jù)負(fù)載和運(yùn)行條件的不同，在不同的轉(zhuǎn)子相對位置下通斷各相繞組的主開關(guān)器件，這樣既提高了電機(jī)控制的靈活性，也增加了電機(jī)運(yùn)行控制的復(fù)雜性。顯然，如果不采用軟件與硬件相結(jié)合的數(shù)字控制系統(tǒng)對sR電機(jī)進(jìn)行控制，sRD性能的提高必然受到一定的限制，同時控制器的硬件電路亦將過于復(fù)雜和龐大。因此，為了簡化控制電路，充分利用sR電機(jī)控制方式靈活多變的優(yōu)點(diǎn)，完善系統(tǒng)的功能，有必要使用數(shù)字控制系統(tǒng)對sR電機(jī)進(jìn)行控制。本文設(shè)計了一個以cPu+cPLD為控制核心的開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。
1開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成及控制方式
sRD系統(tǒng)主要由四部分組成：sR電機(jī)本體、功率變換器、控制器及位置和電流檢測器。它們之間的關(guān)系如圖l所示。
sR電動機(jī)是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部件，功率變換器向sR電動機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的能量，其本身由蓄電池或交流電源整流后得到的直流電供電。它主要由功率開關(guān)和續(xù)流等電路組成，實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和能量回饋。它的主電路的結(jié)構(gòu)形式與供電電壓、電動機(jī)相數(shù)及主開關(guān)器件種類等有關(guān)。
位置檢測器是轉(zhuǎn)子位置及速度等信號的提供者，是用來確定轉(zhuǎn)子磁極的相對位置。控制器必須借助位置檢測器獲得的轉(zhuǎn)子位置信息，以保證在恰當(dāng)時刻接通或斷開相應(yīng)的相繞組，以產(chǎn)生不同的電磁轉(zhuǎn)矩，獲得不同的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及運(yùn)行狀態(tài)�？刂破魇窍到y(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度返饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信號，從而控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對sR電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最終控制。
開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制參數(shù)為：定子繞組電壓Us、開通角θo與關(guān)斷角θoff。雙凸極磁阻電動機(jī)的控制就是如何合理改變這三個控制參數(shù)以達(dá)到運(yùn)行要求。根據(jù)改變控制參數(shù)的不同方式，開關(guān)磁阻電動機(jī)有3種控制方式，即角度位置控制(Angular Positlon control，簡稱APc)、電流斬波控制(cuITent chopping contr01，簡稱ccc)與電壓控制(vo1tage coIltrol，簡稱vc)。其中，APc是電壓保持不變，通過改變開通角和關(guān)斷角調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小，適于電機(jī)較高速區(qū)，但是對于每一個由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩確定的運(yùn)行點(diǎn)，開通角與關(guān)斷角有多種組合，每一種組合對應(yīng)不同的性能，具體操作較復(fù)雜，且很難得到滿意的性能。ccc_股應(yīng)用于電機(jī)低速區(qū)，是為限制電流超過功率開關(guān)元件和電機(jī)允許的****電流而采取的方法，ccc實際上是調(diào)節(jié)電壓的有效值，與APc類似，它也可以隨轉(zhuǎn)速、負(fù)載要求調(diào)節(jié)開關(guān)角；vc是在固定的開關(guān)角條件下，通過調(diào)節(jié)繞組電壓來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，它分直流側(cè)PWM斬波調(diào)壓、相開關(guān)斬波調(diào)壓與無斬波調(diào)壓，而無斬波調(diào)壓是通過調(diào)節(jié)整流電壓以響應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求，在整個速度范圍內(nèi)只有一個運(yùn)行模式，即單脈沖方式。
2基于cPu+cPLD開關(guān)磁阻電機(jī)控制器設(shè)計
開關(guān)磁阻電機(jī)是典型的機(jī)電一體化裝置，即磁阻電機(jī)的正常運(yùn)行，離不開電機(jī)控制器。控制器是系統(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度返饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信號，從而控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對sR電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最終控制。開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式，是研究開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的一個非常重要的問題，本章設(shè)計了實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的控制原理的cPu+cPLD控制器。本系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖2所示。
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