一種實用的開關磁阻電機控制器設計

摘 要:為了滿足大部分通用調速場合性能的要求，提出一套實用的開關磁阻電機控制器設計方案。控制器硬件采用微控制器與可編程邏輯器件結合的設計方法。其中，MCU采用51系列的8位混合信號微控制器，邏輯電路采用MAX7000系列的CPLD。軟件設計采用C51語言與匯編語言相結合的方法。在此對一些關鍵的技術問題提出解決方案，包括上、下限電流斬波的軟、硬件設計，角度控制的軟件實現，位置信號的軟件抗干擾設計等。測試結果表明，該控制器可滿足設計要求，具備生產條件。

關鍵詞:開關磁阻電機控制器;微控制器;可編程邏輯器件;軟件調角度

中圖分類號:TM352;TP274文獻標識碼:B

文章編號: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

開關磁阻電機調速系統(SRD)具有高效節能，調速范圍寬，適用范圍廣，簡單可靠及成本低等一系列優點\\1 硬件設計方案\\2 軟件設計方案

MCU選用增強型51系列8位芯片。由于開關磁阻電機的控制程序較為復雜，而且實時性要求很高，因此主體編程語言選用C51，對于實時性要求很高的程序段，則采用匯編語言編寫，內嵌到C程序中進行編譯鏈接，以增加程序執行的速度。

MCU的程序采用結構化程序設計方法，包含初始化模塊、鍵盤處理模塊、顯示模塊、轉子位置檢測模塊、轉速計算模塊、閉環控制模塊、制動控制模塊、PWM驅動模塊、角度調制模塊、簡易PLC控制模塊、通信模塊、故障檢測模塊及中斷處理模塊，這些模塊可設定優先級，在主程序中進行調度，形成完整的開關磁阻電機控制程序。

MCU復位或上電后，程序先經初始化過程，然后再進入主循環程序。該主循環程序包括故障檢測狀態、等待電機運行狀態、電機運行狀態、電機制動狀態等。每一個運行狀態又運行多種任務，如鍵盤讀取、顯示、讀取開關量與模擬量、輸出開關量與模擬量、串行通信、電機控制等任務，不同的狀態運行不同的任務。

在程序初始化模塊，控制器上電或復位后，首先執行初始化程序，初始化寄存器、RAM、變量，然后，對顯示進行初始化，讀取E2PROM中存貯的參數，初始化外圍接口寄存器等。在鍵盤處理模塊，CPU接收到鍵盤中斷后，讀取按鍵編碼，然后經過軟件消抖，根據讀取的按鍵編碼執行相應的操作，包括電機起動停止、運行數據顯示、參數設置等。在顯示模塊中，上電或復位后，數碼管將顯示電機的轉速。為了進行轉速計算，在每一臺電機的轉子上都安裝一個齒盤，固定在定子上的位置傳感器根據轉子的轉動產生周期性位置編碼脈沖，通過這些位置脈沖計算轉速。選用SILABS公司的C8051F120 MCU進行角度調制。根據前一個脈沖的寬度和時刻確定開通或關斷的相，以及開通角和關斷角的數值，然后通過定時器控制HSO的輸出。采用轉矩作為切換條件，若系統在最大電流斬波值情況下無法輸出設定轉矩，則在保持最大電流斬波值的情況下，開始調節開通角及關斷角，以達到設定轉矩輸出;若負載轉矩減小，則先調節開通角及關斷角;若輸出轉矩仍大于設定轉矩，則關閉開通角及關斷角的調節，轉入電流調節模式。

在軟件上實現容錯功能，若干擾脈沖的寬度小于1 μs，則CPU進入位置中斷后，在讀取位置編碼時，干擾脈沖已經消失，讀取的位置編碼與上一次位置編碼相同，這時可以判斷為干擾脈沖，不執行控制程序，退出中斷;若干擾脈沖的寬度大于1 μs，則CPU進入位置中斷后，在讀取的位置編碼與上一次不同，但與根據電機轉向判斷的正確位置編碼也不同，這種情況說明為干擾脈沖，也可能為永久性故障。這時需要清空記錄位置脈沖時間的隊列，重新計算轉速，同時導通和關斷相應的相。如果以上錯誤重復出現，在1 s內出現的次數超過了設定值，則可能是永久性故障。這是由于元器件損壞、傳輸線路錯誤或機械故障導致，這時需要保護停機，排除故障后再重新運行。

在閉環控制模塊，根據實際反饋量與設定反饋量的差值，通過軟件PID算法，調節電機的轉速，使實際反饋量的值盡量與設定反饋量的值相等。在制動控制模塊，CPU根據轉子的位置信號施加一反向轉矩，并且根據設定的制動時間，控制制動能量的大小。在PMW驅動模塊，根據每相繞組的電流及轉速情況，控制PWM信號的占空比，從而控制輸出轉矩的大小。在簡易PLC控制模塊，CPU采集開關量輸入信號和模擬量輸入信號，根據設定的邏輯，控制開關量輸出的及模擬量輸出狀態。另外，根據開關量與模擬量狀態的不同組合方式，控制電機的運行狀態。在通信模塊，CPU通過RS 232和RS 485接口，與其他控制器或計算機進行通信。在故障檢測模塊，對響應時間要求較高的故障采用中斷程序進行處理，如過流、過壓信號;對響應時間要求較低的故障采用定時掃描的方法，如過熱、過載等。同時可以對故障信號進行濾波處理，防止干擾信號造成控制器的誤保護。

3 試驗與運行效果

在開關磁阻電機控制器調試完畢后，在淄博牽引電機公司中型電機試驗站對該調速裝置的各相性能指標進行了詳細的測試。測試用的功率變換器采用200 A/1 200 V的IGBT，其驅動電路采用的是EXB841。測試用的電機轉速為1 500 r/min，額定功率為37 kW，開關磁阻電機的定轉子為12/8極。

3.1 空載特性

在電機不帶任何負載情況下，開關磁阻電機的空載損耗很小，基本上是散熱風扇消耗與機械雜散損耗。額定轉速下的空載損耗在300 W左右，在100 r時只有50 W左右。

3.2 效率曲線

當電機運行在額定轉速1 500 r/min時，隨著負載的變化，系統的效率特性曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，在額定轉速下，負載變化對系統的效率影響不大，效率曲線比較平滑，效率基本都在80%以上。

當電機運行在1 000 r/min時，隨著負載的變化，系統的效率特性曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，在該轉速下，負載變化對系統的效率影響不大，效率曲線比較平滑，效率基本都在80%以上，這與額定轉速1 500 r/min時的效率基本相同。

當電機運行在500 r/min時，隨著負載的變化，系統的效率特性曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，該轉速下的效率比1 000 r/min時的效率略微降低，但仍在75%以上，負載變化對系統效率的影響不大，效率曲線比較平滑。

圖1 額定轉速(1 500 r/min)時的效率曲線

圖2 轉速為1 000 r/min時的效率曲線

圖3 轉速為500 r/min時的效率曲線

當開關磁阻電機調速系統工作在額定轉矩下，隨著轉速的變化，系統的效率曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，在輸出額定轉矩的情況下，系統整個轉速范圍內，效率都比較高，效率曲線比較平滑，但轉速對系統效率的影響不明顯。

3.3 過載能力

開關磁阻電機的過載能力很強，在每個轉速下，其過載能力基本上都在1.5倍以上。過載功率曲線如圖5所示。

圖4 額定轉矩不同轉速下的效率曲線

圖5 不同轉速下的最大輸出功率

3.4 控制器及電機的溫升

在額定負載(37 kW)和額定轉速(1 500 r/min)的情況下運行2.5 h后，基本上能達到熱穩定，這時控制器的散熱器溫升在15 ℃左右，電機定子的鐵心溫升在40 ℃左右，溫升曲線如圖6所示。由于試驗方法采用前90 min加110%負載，然后加100%負載測試溫升，所以IGBT和散熱器的溫度在90 min處會出現變化。

圖6 額定轉速額定功率下電機與控制器溫升

當電機運行在500 r/min時，在額定轉矩情況下，運行2.5 h后，基本上達到了熱穩定，這時控制器散熱器的溫升在15 ℃左右，與額定轉速下的溫升基本相同。電機定子鐵心在30 ℃左右，比額定轉速下的溫度降低了10 ℃。因此，開關磁阻電機可以在低速下長期運行，電機發熱小，調速范圍很寬。

4 結 語

經過各種測試及現場的應用表明，該控制器達到了設計要求，與電機組成的開關磁阻電機調速系統具有高效節能，調速范圍寬，低速下可長期運轉，起動轉矩高，起動電流低，可頻繁起停、正反轉切換，且動態響應性能好，過載能力強，可靠性高等優點。

由于在硬件上采用MCU+CPLD的設計方式，減小了控制電路的體積，增強了系統的抗干擾能力，增強了系統控制的靈活性。

由于采用了軟件調節開通角和關斷角、電流調節和角度調節的統一，提高了系統的動態響應性能，同時使該裝置具有調試簡單，控制器與電機自適應好等優點。

由于轉子位置的信號采集采用了軟件濾波算法，使得位置信號的抗干擾能力增強，電機可以與控制器的距離很遠，而且大功率電機的干擾也不會對位置信號造成干擾，保證了系統的可靠運行。

在調試過程中也發現有不足的地方，如轉速很低，且在恒轉矩運行時，轉矩脈動及低頻噪音較大。該問題可通過優化低速下繞組電流的波形及三相繞組導通與關斷的交疊角度，減小每一相導通周期內及換相時的轉矩脈動，從而減小低速時的噪音。

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