基于DSP的开关磁阻电机驱动系统的设计

时间：2008-05-30 09:55:00

关键字： DSP 开关磁阻电机电机驱动系统 BSP

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[导读]根据SRM工作原理，设计了基于DSP56F805的三相（6/4）SRM双闭环驱动系统。分析了一种三相SRM起动方法，对速度和电流环分别采用了积分分离PI控制算法和增量式PID控制算法。

摘要：根据SRM工作原理，设计了基于DSP56F805的三相（6/4）SRM双闭环驱动系统。分析了一种三相SRM起动方法，对速度和电流环分别采用了积分分离PI控制算法和增量式PID控制算法。合理的硬件资源利用和较好的控制软件设计，使得SRM运行稳定可靠，相电流波形得到改善。
关键词：SRM；DSP56F805；起动；积分分离PI；增量式PID

0.引言

开关磁阻电机SRM（Switched Reluctance Motor）是典型的机电一体化系统，具有结构简单，运行可靠，效率高及成本低等突出优点。本文选用Motorola公司开发的专门用于电机控制的16 位定点DSP芯片DSP56F805设计了三相（6/4）SRM双闭环驱动系统。该芯片指令执行速度快，资源丰富，为高性能的开关磁阻电机的控制提供了可靠的信息处理与控制。

1．SRM驱动系统的描述

SRM驱动系统主要由SRM、控制器、功率变换器、位置检测装置和电流检测装置等组成。本文设计的开关磁阻电机驱动系统采用速度电流双闭环的控制方式，其系统结构框图如图1所示。

位置检测装置对SRM的转子位置进行检测，为任意时刻转子的速度计算和换相逻辑控制提供依据。电流检测装置用于检测电机的相电流，以实现对电机相电流的控制。控制器要实现的功能有：根据转子的位置信息完成转子速度计算及确定导通相；根据转速偏差，利用速度调节器完成速度环的控制；根据速度调节器输出的参考电流数值与反馈相电流数值的偏差，通过电流调节器完成电流环的控制；根据速度调节器输出的参考电流数值及实际转速情况，通过角度控制确定相应的开通角和关断角；根据转子位置信息完成换向逻辑控制；通过PWM发生器向功率变换器输出逻辑电平型的脉宽调制信号PWM。通过功率变换器驱动电机的转动。

图1 SRM调速系统的结构框图

2.控制电路硬件部分设计

控制电路根据外部输入，综合处理电机转子位置、电流、电压和温度等反馈信号，通过分析计算，按一定的控制策略向功率变换器发出PWM控制信号，以控制电机的运转。同时，该电路还具有过压和超温等保护功能。以DSP56F805为核心的控制电路硬件结构图如图2所示。

图2 控制电路硬件结构框图

键盘信号从DSP56F805的GPIO口引入，通过键盘操作实现转速、转向、温度和电压等设定。数码显示通过SPI口来驱动，用于显示电机转速等信息。相电流、电压和温度信号输入到ADC模块进行模数转换，以满足控制的需要。正交解码器的PHASEA0、PHASEA1和PHASEB0分别捕获三路霍尔位置传感器的跳变沿信号，用以计算电机转速以及获取转子位置信息。同时，这些传感器信号也被引入到3个GPIO口，控制芯片也可通过查询这3个口的电平获取转子位置信息。DSP56F805芯片的脉宽调制模块PWMA产生六路PWM方波信号。其中，PWMA0～PWMA2控制功率变换器高端3个IGBT，其输出的PWM波形受电流调节器输出信号的控制，通过改变PWM波形的占空比实现电机转速的调节；PWMA3～PWMA5控制功率变换器低端的3个IGBT，其输出PWM波形受开通关断角及转子位置信息控制，以实现逻辑换向控制。通过SCI口实现电机驱动系统与上位机的通讯。

3.控制系统的实现

3.1位置检测与速度估算

系统采用3个霍尔传感器进行位置检测。这3个传感器间隔120^。，当电机转子转动到相电感最大处时，相应霍尔传感器就产生上跳沿，表明转子和定子到达对齐位置。这样，从3个霍尔传感器输出的3路方波信号周期为90^。，且相位差为15^。（如图3所示）。DSP56F805通过正交解码器的PHASEA0、PHASEB0和PHASEA1捕获这三路传感器信号的跳变沿；同时，也可通过查询相应的三个GPIO口电平，获取转子位置信息。

图3 三路霍尔传感器输出信号

在电机正常运转的过程中，将DSP56F805的捕获模块设置为下跳沿触发，当霍尔传感器输出信号的下跳沿到来时，DSP56805就产生一次捕获中断，通过读取相邻2次中断的时间间隔，就可计算出电机的实际转速。如果相邻2次中断的时间间隔为，那么电机的转速为：

= （r/min）

3.2起动和换相

电机起动时，如果初始导通相判断有误，会使得电机出现反转，造成电机运转的紊乱。因此，初始位置时，电机导通相的正确判断是本论文首先需要解决的一个关键问题。

电机处于静止时，控制器通过读取三路霍尔传感器的状态获取电机转子位置信息。从图3中可以看出，当从三路霍尔传感器获取的位置信息分别为“110”、“101”和“011”时，在15^。的机械角范围内，对应的C、B和A相电感分别处于上升阶段。在这种情况下，只需给相应的C、B或A相通电就能产生要求的起动转矩,起动效果较好。

当从传感器获取的位置信息为“100”、“010”和“001”时，在15^。的机械角内对应相电感并不是持续上升。当位置信息为“100”时，A相电感因处于下降阶段产生负转矩，B相电感在此机械角区间的开始段因电感不变存在零转矩的情况， C相的电感在此机械角区间的结束阶段因电感不变也存在零转矩的情况。如果仅给B相或C相通电起动效果不好。因此，需给B和C两相同时通电。同理，当位置信息为“010”需给A和C两相同时通电；当位置信息为“001”需给A和B两相同时通电。

如果电机是单相通电起动，设置DSP56F805的捕获功能模块为下跳沿触发后，电机由起动状态直接进入运行状态，开始正常换相。如果电机是两相同时通电起动，首先将捕获功能模块设置为上跳沿触发。在电机起动过程中，如果A相传感器输出信号产生上跳沿，关闭A相，B相保持通电；如果B相传感器输出信号产生上跳沿，关闭B相，A相保持通电；如果C相传感器输出信号产生上跳沿，关闭C相，B相保持通电。当从两相导通起动转入一相导通后，将捕获功能模块设置为下跳沿触发，电机由起动状态进入运行状态，开始正常换相。

在电机正常换相过程中，如果传感器输出信号产生下跳沿，DSP56F805的捕获模块将会产生捕获中断，在捕获中断中确定导通相，完成换向逻辑的控制。

3.3相电流检测

通过在相电流电路中串入一个分流电阻，测得其上的电压降以实现相电流检测。采样电阻上的电压降经滤波放大后输入到DSP56F805的ADC模块。由于系统中对功率开关的控制采用的是斩单管的方式，相电流并不是一直能从采样电阻上测到，只有在上下两个功率开关都开或都关的时候才可在采样电阻上测得。因此，电流采样需与PWM频率同步。同时，将电流的零点设置在ADC转换范围的一半处，使得采样电阻上的正负电压降都能被检测到。

3.4.控制策略与控制算法的实现

SRM的速度控制是通过速度调节器和电流调节器来实现的。考虑到积分环对大超调量的延迟性，为使系统有较快的响应，在速度环回路中串接一个积分分离开关，对速度环采用积分分离的PI控制算法。对电流环采用增量式PID控制算法。

依据电流环的输出值CMP，对DSP56F805的PWM模块的相应寄存器进行设置，则可从PWM模块输出占空比可变的PWM波形，从而实现对功率变换器高端的3个IGBT进行控制。

4.结论

本文以电机专用芯片DSP56F805为核心，成功实现了SRM速度电流双闭环控制。文中作者的创新点是在提出了一种简单适用的三相SRM的起动方法的同时，对速度环和电流环分别采用了积分分离PI控制算法和增量式PID控制算法，电机起动性能较好，相电流波形得到较好的改善。图4给出了电机起动时速度波形。其中，图a为速度和电流环均采用PID控制时的速度波形，图b为采用本文算法时的速度波形。从图中可以看出，当速度和电流环均采用PID方式时超调量大，响应速度慢，系统调节时间长，而采用本文提出的控制方式时超调量明显减少，速度响应快。