一种实用的开关磁阻电机控制器设计
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇一种实用的开关磁阻电机控制器设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要:为了满足大部分通用调速场合性能的要求,提出一套实用的开关磁阻电机控制器设计方案。控制器硬件采用微控制器与可编程逻辑器件结合的设计方法。其中,MCU采用51系列的8位混合信号微控制器,逻辑电路采用MAX7000系列的CPLD。软件设计采用C51语言与汇编语言相结合的方法。在此对一些关键的技术问题提出解决方案,包括上、下限电流斩波的软、硬件设计,角度控制的软件实现,位置信号的软件抗干扰设计等。测试结果表明,该控制器可满足设计要求,具备生产条件。
关键词:开关磁阻电机控制器;微控制器;可编程逻辑器件;软件调角度
中图分类号:TM352;TP274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2010)02-207-04
Practical Design of Switched Reluctance Motor Controller
ZHANG Guiyu,WEI Zhaogang
(Shandong Vocational College of Industry,Zibo,256414,China)
Abstract:A design scheme for the controller based on fundamental theory and control strategy of the switched reluctance motor is introduced.In order to meet requirement for the universal variable_speed,low cost and massive application,the hardware designs are based on the MCU and CPLD method.The universal 8_bits 51 series MCU and the MAX7000 series CPLD are selected.To meet the requirement for real_time and maintenance,C51 and assemble languages are used together to program the 51 MCU.The key problems including upper and lower current chopping,angle control by software,anti_jamming for the rotor position signal etc are solved.The results indicate that the advantages of SRD are very evident and can be put into production.
Keywords:switched reluctance motor drives;micro controller unit;complex programmable logic device;angle controlling by software
0 引 言
开关磁阻电机调速系统(SRD)具有高效节能,调速范围宽,适用范围广,简单可靠及成本低等一系列优点\1 硬件设计方案\2 软件设计方案
MCU选用增强型51系列8位芯片。由于开关磁阻电机的控制程序较为复杂,而且实时性要求很高,因此主体编程语言选用C51,对于实时性要求很高的程序段,则采用汇编语言编写,内嵌到C程序中进行编译链接,以增加程序执行的速度。
MCU的程序采用结构化程序设计方法,包含初始化模块、键盘处理模块、显示模块、转子位置检测模块、转速计算模块、闭环控制模块、制动控制模块、PWM驱动模块、角度调制模块、简易PLC控制模块、通信模块、故障检测模块及中断处理模块,这些模块可设定优先级,在主程序中进行调度,形成完整的开关磁阻电机控制程序。
MCU复位或上电后,程序先经初始化过程,然后再进入主循环程序。该主循环程序包括故障检测状态、等待电机运行状态、电机运行状态、电机制动状态等。每一个运行状态又运行多种任务,如键盘读取、显示、读取开关量与模拟量、输出开关量与模拟量、串行通信、电机控制等任务,不同的状态运行不同的任务。
在程序初始化模块,控制器上电或复位后,首先执行初始化程序,初始化寄存器、RAM、变量,然后,对显示进行初始化,读取E2PROM中存贮的参数,初始化接口寄存器等。在键盘处理模块,CPU接收到键盘中断后,读取按键编码,然后经过软件消抖,根据读取的按键编码执行相应的操作,包括电机起动停止、运行数据显示、参数设置等。在显示模块中,上电或复位后,数码管将显示电机的转速。为了进行转速计算,在每一台电机的转子上都安装一个齿盘,固定在定子上的位置传感器根据转子的转动产生周期性位置编码脉冲,通过这些位置脉冲计算转速。选用SILABS公司的C8051F120 MCU进行角度调制。根据前一个脉冲的宽度和时刻确定开通或关断的相,以及开通角和关断角的数值,然后通过定时器控制HSO的输出。采用转矩作为切换条件,若系统在最大电流斩波值情况下无法输出设定转矩,则在保持最大电流斩波值的情况下,开始调节开通角及关断角,以达到设定转矩输出;若负载转矩减小,则先调节开通角及关断角;若输出转矩仍大于设定转矩,则关闭开通角及关断角的调节,转入电流调节模式。
在软件上实现容错功能,若干扰脉冲的宽度小于1 μs,则CPU进入位置中断后,在读取位置编码时,干扰脉冲已经消失,读取的位置编码与上一次位置编码相同,这时可以判断为干扰脉冲,不执行控制程序,退出中断;若干扰脉冲的宽度大于1 μs,则CPU进入位置中断后,在读取的位置编码与上一次不同,但与根据电机转向判断的正确位置编码也不同,这种情况说明为干扰脉冲,也可能为永久性故障。这时需要清空记录位置脉冲时间的队列,重新计算转速,同时导通和关断相应的相。如果以上错误重复出现,在1 s内出现的次数超过了设定值,则可能是永久性故障。这是由于元器件损坏、传输线路错误或机械故障导致,这时需要保护停机,排除故障后再重新运行。
在闭环控制模块,根据实际反馈量与设定反馈量的差值,通过软件PID算法,调节电机的转速,使实际反馈量的值尽量与设定反馈量的值相等。在制动控制模块,CPU根据转子的位置信号施加一反向转矩,并且根据设定的制动时间,控制制动能量的大小。在PMW驱动模块,根据每相绕组的电流及转速情况,控制PWM信号的占空比,从而控制输出转矩的大小。在简易PLC控制模块,CPU采集开关量输入信号和模拟量输入信号,根据设定的逻辑,控制开关量输出的及模拟量输出状态。另外,根据开关量与模拟量状态的不同组合方式,控制电机的运行状态。在通信模块,CPU通过RS 232和RS 485接口,与其他控制器或计算机进行通信。在故障检测模块,对响应时间要求较高的故障采用中断程序进行处理,如过流、过压信号;对响应时间要求较低的故障采用定时扫描的方法,如过热、过载等。同时可以对故障信号进行滤波处理,防止干扰信号造成控制器的误保护。
3 试验与运行效果
在开关磁阻电机控制器调试完毕后,在淄博牵引电机公司中型电机试验站对该调速装置的各相性能指标进行了详细的测试。测试用的功率变换器采用200 A/1 200 V的IGBT,其驱动电路采用的是EXB841。测试用的电机转速为1 500 r/min,额定功率为37 kW,开关磁阻电机的定转子为12/8极。