基于無位置傳感的開關磁阻電機試驗系統研究

陳運亮

（江蘇省高淳中等專業學校，南京 214028）

基于無位置傳感的開關磁阻電機試驗系統研究

陳運亮

（江蘇省高淳中等專業學校，南京 214028）

提出一種基于最小二乘支持向量機的開關磁阻電機轉子位置估計的新方法，形成一個理想的支持向量機結構來實現電機電流、磁鏈與轉子位置之間的非線性映射，實現開關磁阻電機的轉子位置估計。完成以DSP TMS320F28335作為控制核心的開關磁阻電機試驗系統硬件設計，給出電流斬波、轉子位置估算、相切換程序的流程圖和轉速估算的算法，并利用Matlab對開關磁阻電機調速系統實現仿真。

無位置傳感器開關磁阻電機系統

開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，SRM）具有結構簡單、工作可靠、運行效率高、制造成本低、控制靈活、調速性能好，適用于惡劣環境運行等諸多優點。由其構成的開關磁阻電機調速系統（Switched Reluctance Motor Drive，SRD）是一種新型的無極調速系統，兼有交、直流兩類調速系統的優點，在較廣的轉速和功率范圍內，控制靈活，易于實現各種轉矩-速度特性，能四象限運行，具有較強的再生制動能力等，引起了國內外學者的普遍關注。SRD是一種新型的機電一體化無極調速系統，其技術涉及電機設計、微電子技術、電力電子技術、電機控制等學科。SRD系統在家用電器、通用工業、伺服與調速系統、牽引電機、高轉速電機等方面得到了廣泛的應用［1-3］。

1　TMS320F28335 DSP芯片

TMS320F28335型數字信號處理器與以往的定點 DSP相比，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據以及程序存儲量大、A/D轉換更精確快速等特點。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，片內包含一個32位浮點處理單元（FPU），16通道12位AD轉換器、2個采樣保持器、采樣精度為12位、轉換時間為80ns、量程為0～3V，高達18路PWM輸出，其中6路為150ps分辨率的HRPWM，88個GPIO，8個外部中斷，6個捕捉單元（eCAP），2個正交脈沖編碼電路（eQEP），6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF。

基于LS-SVM的開關磁阻電機的無位置傳感器試驗系統需要實時處理大量的數據和復雜的控制算法，TMS320F28335強大的數字信號處理能力、強大的事件管理能力及良好的編程能力為精準快速地計算轉子位置和轉速，及時調整控制方式提供了良好的環境。

2　系統硬件設計

無位置傳感器開關磁阻電機系統主要由電源、功率變換器、DSP控制器、驅動電路、采樣電路、開關磁阻電機本體和顯示等組成。其中，采樣電路獲得相電流、相電壓信號，經過信號調理電路送至DSP的AD模塊，由TMS320F28335完成磁鏈計算、轉子位置估計、控制方式、換相邏輯信號的產生、轉速估算與調節等一系列控制，并與上位機和顯示通信來顯示電機運行狀態。SRD系統軟件總體結構如圖1所示。

圖1　SRD系統軟件總體結構

2.1功率變換器設計

功率變換器采用三相不對稱半橋結構，不存在橋臂直通現象。相繞組之間完全獨立，系統控制靈活、可靠性高。結構如圖2所示。

圖2　不對稱半橋線路拓撲結構

2.2驅動電路設計

功率場效應管MOSFET作為主開關，型號為IRFP450，其漏源電壓，連續漏極電流?？紤]到主電路為高電壓、大電流，而控制單元為低電壓、小電流的情況，為了使它們之間隔離，提高系統抗干擾能力，根據功率變換電路結構，選用具有光電隔離的驅動芯片TLP250。該芯片是一種可直接驅動小功率MOSFET的功率型光耦，其最大的驅動能力達1.5A。選用TLP250芯片即實現了功率變換電路與控制電路的可靠隔離，又具備了直接驅動MOSFET的能力，使驅動電路簡單。以A相為例，如圖3所示。

由DSP給出的驅動信號，經邏輯電路進行邏輯轉換來控制TLP250發光二極管陰極（CATHODE）。當CATHODE為低電平時，TLP250輸出高電平，功率MOSFET導通；反之，當CATHODE為高電平時，TLP250輸出低電平，功率MOSFET關斷。

圖3　MOSFET驅動電路

2.3主開關管緩沖電路設計

主開關如果突然關斷，由于電機繞組呈電感特性，繞組電流不能突變，但卻會產生很高的瞬時電壓尖峰。如果主開關工作頻率較高，該電壓尖峰有可能超出主開關最高耐壓值的許多倍，這是不允許的。因此，需要在主開關的漏源極之間并聯一個緩沖吸收電路。圖4顯示了主開關關斷時有、無緩沖電路時負載曲線的比較。圖5則為RCD關斷緩沖電路。RS為漏感儲能釋放電阻，DS為抑制集電極尖峰電壓阻尼振蕩二極管，CS為開斷吸收電容，以減少開關管的關斷損耗和保護瞬間尖峰電壓擊穿開關管。參數計算的依據為：

式中：tf為開關管的關斷時間，Iph為相電流，US為電源電壓，f為電流斬波頻率。

圖4　關斷時的負載線圖

圖5　主開關關斷保護電路

2.4電流檢測設計

霍爾傳感器檢測電流信號。為了使采樣輸出的電壓與DSP的AD端口電壓等級匹配，電路中設置了信號調理電路。為避免在電機運行時出現過電流，使霍爾傳感器輸出電壓過高而損壞DSP接口，在信號調理輸出端需增加穩壓管1N4728A。

2.5保護電路設計

本系統主要考慮過電流保護。電流保護限的參考值根據繞組允許最大電流值和功率主開關承受最大電流值確定。采用不帶自恢復的封鎖性保護電路，如圖6所示。圖中比較器是帶正反饋的滯環比較器，目的是避免輸入信號在比較限上下時出現抖動而導致誤觸發。

圖6　保護電路

3　系統軟件設計

SRM低速運行采用CCC控制，高速運行時采用APC控制。圖7所示SRD系統控制軟件由主程序、初始化程序和中斷服務子程序構成。

圖7　SRD系統主程序及初始化程序

圖8給出了開關磁阻電機低速運行時電流斬波控制的流程圖，包括判斷加電相、開通關斷角檢測、電流檢測、電流限幅比較等。

3.1位置估計及相切換程序

SRM無位置傳感器控制采用磁鏈-電流-位置角度法。根據它們之間的關系，得到轉子位置。而實際過程中并不需要轉子位置的信息，只需判斷相應的換相位置，各相繞組就能輪流導通。因此，轉子位置檢測就可以簡化為換相位置檢測，即只需將對應當前電流的換相位置磁鏈與積分計算得到的估算磁鏈相進行比較。如果前者大于后者，則換相位置還未到，繼續導通當前相；反之，則認為換相位置已到，關斷當前相，導通下一相。這就是簡化磁鏈法的思想。

采用最小二乘支持向量機無位置傳感器來間接獲得SRM轉子位置信息，通過實時檢測繞組的電壓、電流值，經過調理電路，經AD轉換端口輸入到DSP磁鏈估算模塊，利用最小二乘支持向量機估算出轉子位置估計值θ?和速度估算值ω?，根據簡化磁鏈的思想執行相切換控制程序。獲得位置信息后，相繞組切換子程序，根據估算的位置值決定當前應當開通的相。當θ?大于開通角θoff時，導通相繞組；當θ?大于關斷角θoff時，關斷相繞組。位置估算流程圖如圖9所示。

圖8　SRM電流斬波流程圖

圖9　位置估算流程圖

3.2速度估算程序

Δθ=15°，另設兩次兩個特定相鄰兩個轉子位置定時器差值為m，則轉速nr為：

為了消除干擾，平滑速度估計值需要采用IIR和FIR組合數字濾波算法，對轉速進行數字濾波。計算公式如下：

4　實驗仿真結果分析

以低速運行CCC控制和高速運行APC控制相結合的方式進行仿真實驗。下面是Matlab仿真波形，其中圖10為相電流波形。從圖中可以看出，開關磁阻電機啟動運行時，繞組電流值受斬波電流限的控制，使繞組電流被限制在190～210A。當轉速上升到一定程度后，電機在APC控制下運行，此時電流波形穩定。圖11為SRM轉矩波形。在啟動過程中，由于電流斬波的原因，轉矩脈動比較大。當電機進入高速運行時，換相過程中為避免繞組電流進入電感下降區域產生制動轉矩，需要提前關斷繞組電流，因此也會產生轉矩脈動。但于啟動過程相比，此脈動要小。

圖10　SRM繞組電流波形

圖11　SRM轉矩波形

5　總結

本文提出一種基于最小二乘支持向量機的開關磁阻電機轉子位置估計的新方法。該方法降低了SRM無位置傳感器建模的復雜度、泛化能力強，結果精度高。研究表明，LS-SVM計算速度快、精確度高，能夠實現SRM轉子位置檢測要求。

［1］王宏華.開關型磁阻電動機調速控制技術［M］.北京：機械工業出版社，1995.

［2］吳建華.開關磁阻電機設計與應用［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［3］詹瓊華.開關磁阻電動機［M］.武漢：華中理工大學出版社，1992.

［4］Echenique E，Dixon J，Cárdenas R，et al.Sensorless Control for a Switched Reluctance Wind Generator，based on Current Slopes and Neural Networks［J］.Industrial Electronics，2009，56（3）：817-825.

［5］夏長亮，王明超，史婷娜，等.基于神經網絡的開關磁阻電機無位置傳感器控制 ［J］.中國電機工程學報，2005，25（13）：123-128.

［6］夏長亮，謝細明，史婷娜，等.開關磁阻電機小波神經網絡無位置傳感器控制［J］.電工技術學報，2008，23（7）：33-38.

Research on Switched Reluctance Motor Test System based on Non Position Sensor

CHEN Yunliang
（secondary professional school，Gaochun，Nanjing 214028）

This paper presents a new method based on least squares support vector machine for switched reluctance motor rotor position estimation and formed a ideal structure of support vector machines can realize nonlinear mapping between the motor current，flux and rotor position，switch reluctance motor rotor position estimation. Complete with the DSP TMS320F28335 as the core control of switched reluctance motor test system hardware design，given chopping current，rotor position estimation，phase switching program flow chart and the speed estimation algorithm in MATLAB，and simulation realization of switched reluctance motor drive system.

no position sensor，switched reluctance motor，system