基于兩步換相控制策略的SR電機直接數字控制系統設計
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1 引言
開(kāi)關(guān)型磁阻（SR）電機調速系統（SRD）結構簡(jiǎn)單、堅固、成本低，調速性能優(yōu)良，在寬廣的調速范圍內均具有較高的效率，應用前景十分廣闊。但由于SR電機的雙凸極結構和采用開(kāi)關(guān)性的供電電源，振動(dòng)、噪聲是其突出的問(wèn)題，這已成為SRD在更多范圍內推廣應用發(fā)揮其特長(cháng)的主要障礙。過(guò)去人們對SRD的研究主要集中在SR電機本體設計、功率變換器及速度控制策略研究上，因為研究難度大，目前，只有少量文獻論及SR電機振動(dòng)、噪聲研究［1～5］。
文［1］基于時(shí)域分析，得出結論：SR電機相繞組關(guān)斷所激發(fā)的沖擊振動(dòng)是最主要的振動(dòng)、噪聲來(lái)源。為削弱這一振動(dòng)，文［1］提出將相電流關(guān)斷過(guò)程分成兩步的“兩步換相法”（參見(jiàn)圖1）：第一步僅關(guān)斷K1，相電壓Up由＋Us負躍變至0 V；第二步再關(guān)斷K2，這時(shí)Up由0 V負躍變到－Us?？刂频诙脚c第一步時(shí)間間隔為定子固有頻率對應周期的一半，這樣，第二步與第一步產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)相位差為180°，因而相互抵消。WUC．Y．等率先將“兩步換相法”引入SRD系統設計，在CCC方式和APC方式兩種工況下取得良好抑制振動(dòng)、噪聲效果［1］，但其采用不對稱(chēng)半橋主電路，四相（8／6）SR電機需要8只主開(kāi)關(guān)器件和8只續流二極管，未能充分體現單極性的SR電機功率變換器結構簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)器件少的優(yōu)勢，影響了系統的經(jīng)濟性。
本文采用一種新型的只有6只主開(kāi)關(guān)器件的四相率變換器[6]，在以8098單片機為控制核心的SRD設計中，引入兩步換相控制策略，在電壓PWM和APC兩種工況下，顯著(zhù)地抑制了SR電機的振動(dòng)和噪聲。
2 系統描述
為實(shí)現多數傳動(dòng)裝置需要的轉矩／轉速特性：從靜止到基速具有恒轉矩，在基速以上具有恒功率特性，系統采取的控制策略為基速ωb以下，電壓PWM控制，輸出恒轉矩特性；基速ωb以上，角度位置控制（APC），輸出恒功率特性。為簡(jiǎn)化控制規律，采取將關(guān)斷角θoff固定在一個(gè)由實(shí)驗得到的最優(yōu)角度22°處，僅調節起始開(kāi)通角θon。
8098單片機定時(shí)采樣由轉子位置傳感器獲得的反饋速度，與由鍵盤(pán)敲入的給定速度比較，誤差經(jīng)數字PI調節，再經(jīng)軟件處理，根據反饋速度的大小是否在基速以上轉換成PWM脈沖或控制角度的APC單脈沖的控制參數。微機控制器根據轉子位置控制對應相繞組的導通或關(guān)斷，輸出對應的PWM脈沖或APC單脈沖，經(jīng)功率變換器，實(shí)現對SR電機的控制。為簡(jiǎn)化硬件電路，PWM控制、APC脈沖控制、速度檢測、PI調節器均由軟件實(shí)現；為提高過(guò)流保護動(dòng)作的快速性，采用硬件過(guò)流保護電路。
樣機為0．75 k W四相（8／6）SR電機，功率變換器以GTR作為主開(kāi)關(guān)器件，采用圖2所示的功率主電路。
圖2電路的拓撲結構由Pollock等率先提出［6］，其基本上保留了不對稱(chēng)半橋線(xiàn)路的優(yōu)點(diǎn)，所用開(kāi)關(guān)器件又較不對稱(chēng)半橋少，具有較高的性能／價(jià)格比。
與常規SR電機直接數字控制系統（DDC）換相邏輯控制不同，既要滿(mǎn)足SR電機電動(dòng)運行換相要求，又要滿(mǎn)足兩步換相要求是制定6只主開(kāi)關(guān)換相規則的原則，顯然，這限制相繞組的最大導通角θc不得超過(guò)30°。
3 系統硬件設計
3．1 微機控制器硬件框圖
以8098單片機為核心的微機控制器硬件框圖如圖3所示。
由圖3可見(jiàn)，控制器主要由8098單片機，外接EPROM27128、專(zhuān)用鍵盤(pán)顯示器接口芯片8279、位置譯碼及換相控制電路、電流檢測與過(guò)流保護電路組成。由于基速以下采用的是電壓PWM方式，為防止GTR因過(guò)流而損壞，設計了過(guò)流保護電路。對四相SR電機，其交叉相（即A、C相和B、D相）的導通區間一般不會(huì )重疊，因此可采取A相和C相、B相和D相分別共用一個(gè)電流傳感器（LEM模塊），對四相電流檢測，如圖2所示。
兩路轉子位置信號分別送8098的高速輸入口HSI0和HSI1，HSI中斷服務(wù)程序與高速輸出HSO0～HSO3和位置譯碼及換相控制電路配合，用于控制6只主開(kāi)關(guān)的導通、關(guān)斷，實(shí)現SR電機電動(dòng)運行的換相要求及兩步換相要求，HSI中斷服務(wù)程序還用于速度的采樣。
3．2 位置譯碼及換相控制電路設計
圖2中K1、K3、K4、K6均作為第一步換相開(kāi)關(guān)，與兩繞組相連的公共開(kāi)關(guān)K2、K5則作為第二步換相開(kāi)關(guān)。位置檢測采用如圖4所示的光敏式轉子位置傳感器半數檢測方案。轉盤(pán)的齒、槽數與轉子的凸極、凹槽數一樣，均為6，且均勻分布，所占角度均為30°，轉盤(pán)安裝在轉子軸上并同步旋轉，圖中S、P為光電脈沖發(fā)生器，當轉盤(pán)凸齒轉到開(kāi)槽的S、P位置時(shí)，發(fā)光管被遮住而使其輸出狀態(tài)為0，沒(méi)有被遮住時(shí)，其輸出狀態(tài)為1，則在一個(gè)轉子角周期（60°）內，S、P產(chǎn)生2個(gè)相位差為15°，占空比為50％的方波信號，其組合成4種不同的狀態(tài)，分別對應四相繞組不同的參考位置。設θc對應的時(shí)間為tc，兩步換相的時(shí)間間隔為tm，則APC方式下SR電機逆時(shí)針換相規則（正轉換相規則）為：
?。?）若S＝0，且P由0躍變到1，則K1、K2同時(shí)導通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
?。?）若P＝1，且S由0躍變到1，則K4、K5同時(shí)導通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
?。?）若S＝1，且P由1躍變到0，則K3、K2同時(shí)導通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
?。?）若P＝0，且S由1躍變到0，則K6、K5同時(shí)導通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷。
順時(shí)針轉動(dòng)的換相規則（反轉換相規則）為：
?。?）若S＝0，且P由1躍變到0，則K1、K2同時(shí)導通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
?。?）若P＝0，且S由0躍變到1，則K6、K5同時(shí)導通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
?。?）若S＝1，且P由0躍變到1，則K3、K2同時(shí)導通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷；
?。?）若P＝1，且S由1躍變到0，則K4、K5同時(shí)導通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷。
筆者利用8098硬件資源（HSI口、HSO口及P2．5）及少量外接的數字邏輯電路設計了實(shí)現上述換相控制的硬件電路。其中，HSO1、HSO3分別產(chǎn)生K2、K5的換相控制信號；HSO2、HSO0產(chǎn)生K1、K3、K4、K6的換相控制信號，因為采用外接邏輯電路構成了30°導通制的換相邏輯控制，因此A相（K1）、C相（K3）可共用HSO0，B相（K4）、D相（K6）可共用HSO2。8098片內的脈沖寬度調制器提供的PWM信號頻率固定為15．625kHz，這一斬波頻率對GTR而言偏高，故不采用片內的PWM方式，將P2．5作為普通輸出口，由軟件定時(shí)器T1、T2中斷形成定頻調寬的PWM脈沖，和HSO2、HSO0及外接邏輯電路一起為工作在PWM方式下K1、K3、K4、K6提供換相控制信號；若為APC方式，則將P2．5置0。由于兩步換相限制了θc不得超過(guò)30°，這降低了起動(dòng)性能，為此在起動(dòng)階段不采用兩步換相法，而采用兩相全開(kāi)通起動(dòng)方式，待起動(dòng)過(guò)程結束后，再切換到二步換相法。
4 軟件設計
系統軟件由主程序、中斷服務(wù)程序、專(zhuān)用子程序組成。主程序初始化整個(gè)系統和將顯示緩沖區的4位速度值送8279顯示RAM；中斷服務(wù)程序包括軟件定時(shí)器T0、T1、T2中斷服務(wù)程序、HSI中斷服務(wù)程序、鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序。其中軟件定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序完成速度環(huán)PI調節與控制參數、顯示速度刷新；軟件定時(shí)器T1、T2完成速度采樣和電壓PWM控制信號的生成；HSI中斷服務(wù)程序在換相控制電路支持下實(shí)現如上所述的換相規則；鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序首先讀取按下的鍵值，然后根據按下的鍵跳轉到對應的功能模塊控制系統程序的執行。專(zhuān)用子程序主要是四字節浮點(diǎn)運算子程序、十六進(jìn)制數轉換成BCD碼子程序等。
主程序初始化系統時(shí)，將HSI方式設置為每次跳變觸發(fā)，因此電機每轉過(guò)一個(gè)步進(jìn)角，HSI中斷服務(wù)程序將被執行一次，其主要是通過(guò)測試HSI0（即S信號）和HSI1（即P信號）當前的狀態(tài)給HSO－COMMAND寄存器裝載相應的命令字和給HSO－TIME寄存器裝載觸發(fā)時(shí)間值使HSO0～HSO3產(chǎn)生所要求的輸出信號。HSI中斷服務(wù)程序在實(shí)現換相控制規則的同時(shí)，還實(shí)現了APC方式下的控制。為簡(jiǎn)化設計，采用將θoff固定在經(jīng)實(shí)驗獲得的優(yōu)化角22°處，而在速度環(huán)中調節θon?！?BR>
轉速測量通過(guò)在采樣周期內記錄HSI事件觸發(fā)的次數———轉過(guò)的步進(jìn)角（15°）數目N實(shí)現。
速度環(huán)程序在起動(dòng)階段每隔120 ms被調用一次；起動(dòng)后若運行在基速以下每隔30 ms被調用一次，若運行在基速以上每隔12 ms被調用一次。速度環(huán)首先計算實(shí)際轉速，然后判斷電機是否已經(jīng)起動(dòng)。將電機轉速低于50 r／min作為起動(dòng)階段，在起動(dòng)階段速度偏差不作PI調節運算，而是采取軟件定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序中逐步加大斬波占空比的方法實(shí)現軟起動(dòng)功能。電機起動(dòng)后，速度環(huán)每調用一次，都要進(jìn)行一次速度偏差PI運算，然后刷新控制參數。
5 系統運行實(shí)驗
以給電阻箱（ZB－120型）供電的直流發(fā)電機（Z2－31型，3 k W，3 000 r／min）作負載，對0．75 k W SRD系統負載運行的振動(dòng)、噪聲作了測試。圖5為采用電壓PWM方式，電機運行在547 r／min在機座表面所測振加速度波形，圖6為APC方式下電機運行在1 433 r／min所測振動(dòng)加速度波形圖。
表1為測量距離取0．4 m左右，電機負載運行在不同速度下，聲級計濾波網(wǎng)絡(luò )采用A計權網(wǎng)絡(luò )測得的總聲級分貝（A）對比。
圖5、6表明系統引入兩步換相法對SR電機定子振動(dòng)有顯著(zhù)的抑制效果；表1表明兩步換相法對噪聲有明顯抑制作用，雖然限于條件，背景噪聲較大，測量的精確性不高，但從噪聲的對比測試看，在有些工況下，兩步換相法的總聲級較傳統換相法低3 dB（A）左右，相當于聲功率降低了1倍左右，效果是顯然的。
表１
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