摘要 設計了一種大功率開關磁阻電機（SRM）全數字控制系統。該系統采用高性能的數字信號處理器（DSP）TMS320F2812和單片機（MCU）89C52主-從雙處理器結構，為了減少外圍分立器件，增加系統可靠性和抗干擾性，應用了復雜可編程邏輯器件（CPLD）EPM7064S；控制策略采用電流斬波控制（CCC）。132 kW大功率SRM控制系統成功應用于礦山矸石山絞車，現場運行結果表明速度跟蹤性能和抗干擾能力強，電流波形接近理想方波，完全滿足了工業現場的應用需求。進一步驗證了該系統設計的合理性。
關鍵字 開關磁阻電機;數字信號處理器；復雜可編程邏輯器件；大功率
A Fully Digital Control System for High Power Switched Reluctance Motor for Mine Hoist based on DSP
TAN Guojun,WANG Sijian,KUAI Songyan,GUO Qiumin
(China Universtiy of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu 221008,China)
Abstract A high performance fully digital control system for the control of a high power switched reluctance motor (SRM) for mine hoist system has been presented. Dual processors architecture based on high performance digital signal processor (DSP) TMS320F2812 and micro controller unit (MCU) 89C52 is adopted in this system. Complex programmable logic device (CPLD) EPM7064S instead of some discrete devices is used in order to simplify the exterior circuit and improve the reliability of the system. 132 kW high power SRM control system is successfully applied to a hoist carrying waste rocks of mine.
Keywords switched reluctance motor(SRM);DSP;CPLD; high power
0 引言
隨著微電子技術和微處理器的發展，電機控制技術也取得的突破性發展。開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor,簡稱SRM)是最近十年來才引起人們注意的一種新型機電一體化可調速電機，由于其內部沒有轉子繞組，具有永磁性能，因此結構簡單堅固、價格低廉、可靠性高。開關磁阻電機驅動系統(SRD)僅需要單方向電流,且各相獨立工作,在缺相的情況下仍能運行,系統容錯能力強。SRM用于驅動系統,與直流、交流驅動系統相比,在結構、性能、體積和成本等各方面都具有很大的優勢, 使得SRD特別適合作為煤礦井下、井上大功率防爆絞車驅動系統。
本文為矸石山絞車開發了132 kW大功率開關磁阻電機調速系統。首先分析了開關磁阻電機的數學模型及控制原理，然后設計了一種基于DSP、MCU的主—從雙處理器和CPLD 的全數字通用控制器，采用數字電流斬波控制方式，編寫了雙閉環控制軟件；現場運行表明，該系統設計合理。
1 開關磁阻電機的數學模型
相數為m的開關磁阻電機理想線性矩陣方程為
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式中：U為相電壓列矢量，U=(U1,U2,……，Um)T；
i為相電流列矢量，i=（i1,i2,……,im）T；
Ψ為相繞阻磁鏈列矢量，Ψ=(Ψ1, Ψ2……，Ψm)T；
R為相繞組電阻方陣，R=diag[R1,R2,……，Rm]；
L-1(θ)為相電感方陣的逆陣，L-1(θ)=diag[1/L1(θ)，1/L2(θ),……1/Lm(θ)];
T1為負載轉矩；
D為摩擦系數；
J為轉動慣量；
ωr為角速度。
SRM 的轉矩是由磁路選擇最小磁阻結構的趨勢而產生的。通常SRM的轉矩根據磁共能計算，即
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式中：θ為轉子位置角；
i為繞組電流。
基于線性模型，式（5）可簡化為
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2 電流斬波控制（CCC）
開關磁阻電機工作在電動模式下時，在運動電勢的抑制下電流變化平緩，因此相對容易控制。通常采用與直流電動機調速系統類似的控制方法，對相電流進行采樣，將給定的電流與反饋電流差值作為PWM 的占空比計算依據，對電流進行閉環PI 調節。
開關磁阻電機工作在制動模式下，電磁轉矩方向與轉速方向相反。從軸上輸入的機械能轉變為電能。如果沒有位能負載拖動，在制動轉矩的減速作用下，轉子很快被制動到轉速為零。理想的電動制動、電流波形如圖1所示。
在圖1中，θa到θb區間電機處于電動運行的勵磁階段，θ2到θ3區間是輸出有效電動轉矩階段，θc到θd是該相關斷區間。在勵磁階段，由于相電感較小，故該相電流很快建立并達到電動電流iref 。在θ2到θc通過PWM 來保持電流的理想方波狀態。θc到θd區間迅速關斷開關管，避免相電流續流到電感下降區間對轉矩產生反作用。
同樣的，θe到θf區間電機處于制動運行的勵磁階段，θf到θ5區間是輸出有效制動轉矩階段，θ5到θ6是該相關斷區間。在勵磁階段，由于相電感較大，故用較大的占空比同時開通兩個IGBT，使得該相電流盡快建立并達到制動電流iref。在θf到θ5區間，主要克服反電動勢，使得電流維持在iref附近。在開通角和關斷角固定的情況下采用一主開關管始終關斷，另一開關管PWM斬波且其占空比由反電動勢EMF的大小決定。θ5到θ6區間迅速關斷開關管，避免相電流續流到電感上升區間。
3 系統主回路
根據系統實際需求，選用IGBT作為系統的功率變換單元，采用了不對稱半橋的拓撲結構，系統的主回路方案如圖2所示。
圖2 中，L1、L2、L3 為濾波電抗器，C1 為濾波電容，兩者的作用是為了避免系統產生的高次諧波對主電網造成影響。當SRD系統的功率電路和交流電網接通時, 若回路中沒有限制電流的元件, 則合閘瞬間整流電路中大的儲能電容將電源短路, 電路中有較大的浪涌電流。限制合閘浪涌電流的方法是在儲能電容回路串入限流電阻R0。合閘瞬間R0串入電容充電回路,當充電完畢時, J閉合將R0短接。R1為放電電阻，是由DSP控制其所在支路開關的，當直流母線上的電壓高于預定數值的時候就打開此支路進行放電。電容組C2為充放電電容，其作用為的是避免在系統狀態轉換時電壓沖擊。I1、I2、I3 為三個LEM電流互感器，在進行處理后進入DSP控制系統
進行A/D 轉換，為雙閉環系統中電流閉環的反饋。LA，LB，LC為開關磁阻電機的三個繞組。VD1～VD6 為IGBT的續流二極管。
4 控制器硬件和軟件設計
4.1 控制器硬件設計
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該控制系統是專為礦山矸石山絞車所設計的，由于礦山電磁環境十分惡劣，并考慮到以后系統升級需要，因此對硬件設計基本要求為強大的數學運算能力，外設資源豐富，可靠性高，抗干擾能力強。
雙處理器結構框圖如圖3所示，該控制系統主回路采用以IGBT 為功率變換單元的不對稱半橋拓撲結構；控制器由DSP、MCU、雙口RAM、CPLD、存儲器和各種外圍電路組成,外圍電路主要包括位置信號輸入電路、電流檢測電路、過流檢測電路、電壓檢測電路、IGBT驅動電路、鍵盤、顯示電路和串口通訊等。
4.1.1 主- 從處理器
主處理器（TMS320F2812）采用TI 公司專為數字電機控制開發的新型混合信號32 位DSP,該芯片可提供每秒1.5億次指令(150MIPS)，單周期32x32位MAC 功能,片上資源十分豐富，基于C/C++ 高效32位TMS320C28xTM DSP核心，并可由虛擬浮點數學函數庫來提供支持，該IQ數學函數庫可大大簡化多應用開發系統，這種結合使設計人員在很短的時間內就可將浮點算法通過端口與定點處理器相連。DSP 主要完成控制算法和PWM 波形生成，由于F2812內部集成了兩組空間矢量PWM狀態機、可編程的硬件死區單元，捕獲單元等功能，因此非常適合開關磁阻電機控制場合；從處理器采用8 位ATMEIL89C52MCU實現系統的外圍接口，包括負責I/O數據采集、鍵盤、顯示和串口通訊等慢速事件。
4.1.2 雙口RAM
主- 從處理器之間靠雙口RAMCY7C131 實現數據共享和傳遞控制信息。CY7C131具有兩套相互獨立、完全對稱的地址總線、數據總線和控制總線，它允許兩個CPU同時讀取任何存儲單元（包括同時讀_%o__同一地址單元），但不允許同時對同一地址單元寫或一讀一寫，否則就會發生錯誤。雙口RAM中引入了仲裁邏輯（忙邏輯）電路來解決這個問題：在雙口RAM的兩套控制線中,各有一個BUSY引腳。當兩端的CPU不對雙口RAM的同一地址單元存取時, BUSYL=
H、BUSYR=H,可正常存儲；當兩端的CPU 對雙口RAM同一地址單元存取時,哪個端口的存取請求信號出現在后,則其對應的BUSY=L,禁止其存取數據；在無法判定兩個端口存取請求信號出現的先后順序時,控制線BUSYL、BUSYR只有一個為低電平。這樣,就能保證對應于BUSY=H 的端口能進行正常存取,對應于BUSY=L的端口不能存取,從而避免了兩個CPU同時競爭地址資源而引發錯誤的可能。
然而，由于DSP 為低功耗，其邏輯電平電壓等級為3.3V與CY7C131 邏輯電平并不匹配，不能直接將它們的數據線和地址線相連。本系統采用電平轉換芯片74LVT16245實現電平轉換。將DSP設為L(左CPU)，單片機設為R(右CPU)，則其原理圖如圖4 所示，A0H～A9H 是DSP通過SN74LVTH245驅動后的5V 電平的地址總線，D0H～D7H 是DSP 通過SN74LVTH245驅動后的5V電平的數據總線，它們分別連接到CY7C131 的L 端的地址數據總線上。AD0～AD7是單片機的P0口地址數據復用口，連接到CY7C131 的R 端的數據總線上，B0～B9 則是單片機的10位地址總線連接到了CY7C131的R端地址總線上。R/WA和R/WB是DSP 和89C52 對雙口RAM 的讀寫控制信號。HBUSYL 和BUSYR 分別代表兩個處理器對同一地址的讀寫沖突。CS1A 和
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CS1B 是DSP和單片機的地址、讀寫控制、空間分配信號進入CPLD進行地址譯碼的輸出，指示了雙口RAM在兩個處理器中的地址。
CY7C131 為1K×8 位雙口RAM，故DSP 和MCU交換數據以字節為單位。DSP對雙口RAM讀、寫時高8位數據線無效。系統運行時DSP將采集和運算得到的速度、電流、電壓通過雙口RAM 傳給單片機。單片機也可以將采集到的鍵盤輸入和通訊參數通過雙口RAM送給DSP處理。
4.1.3 復雜可編程邏輯器件（CPLD）
選用了復雜可編程邏輯器件（CPLD），不僅使設計的產品達到小型化、集成化、高可靠性和抗干擾性, 大大縮短了設計周期, 減少了設計費用, 而且CPLD還具有在系統編程(In-System Programmable,簡稱ISP)能力,使控制系統的設計、開發、更新與維護變得非常方便。
CPLD1(EPM7064S)芯片在系統中主要起到保護功能，DSP的可靠復位，轉子位置脈沖處理，DSP 外部I/O空間地址分配，單片機地址分配管理，雙口RAM 讀寫控制等；另外CPLD2 (XC9572) 芯片主要起到PWM脈沖隔離及再分配處理作用。
4.2 控制器軟件設計
該控制系統軟件采用雙閉環結構———速度外環和電流內環。速度環采用PI調節器，通過簡化磁鏈法比較得出的速度反饋信號與速度給定相減作為PI調節器的輸入。速度調節器的輸出信號作為內環的電流給定, 與傳感器測到的實際電流值比較形成電流偏差，作為電流調節器的給定，通過電流調節器輸出的PWM信號控制電機繞組上電流的大小。
本文采用簡化磁鏈法估算換相位置。開關磁阻電機的一相電壓方程為
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從而一相繞組磁鏈表達式為
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如果已知時刻0到時刻賊間每一時刻的電壓值怎和電流值蚤以及時刻0的初始磁鏈值Ψ(0) ,就可以積分算出繞組當前時刻賊的實際磁鏈鬃。轉子位置茲為繞組磁鏈鬃和繞組電流蚤的函數,并且可以證明其為單值函數。如果已知當前時刻賊的繞組磁鏈鬃和繞組電流蚤,則可以知道轉子位置茲。電機單相輪流導通時,只要判斷是否已達到換向位置，因此只需將對應當前電流的換向位置磁鏈與積分計算得到的估算磁鏈相比較。算法實現時測試存儲最大電感位置的磁鏈—電流曲線, 然后從當前電流查到對應最大電感位置的參考磁鏈。
系統軟件設計需要考慮主、從處理器之間的同步問題。在實際使用中采用雙口RAM中的幾個地址完成同步。DSP在初始化過程中將00H地址設置為00H，單片機在復位完成后將00H改寫為FFH，DSP在檢查到00H地址內容改變后，雙方同步即可完成。
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主處理器DSP程序包括磁鏈計算、電流環程序和速度環程序。這三個程序均由DSP定時中斷服務程序完成。DSP完成相繞組電壓、電流A/D采樣并實時計算當前磁鏈的大小，由磁鏈值和事先存儲在內存中換向位置磁鏈值比較，得出換向信號。同時還要完成速度環和電流環，并由電流環給出IGBT 的PWM脈沖。圖5給出了部分中斷程序流程圖
5 現場運行結果
132 kW大功率開關磁阻電機全數字控制系統應用于平頂山礦業集團十礦矸石山絞車，現場電流實測波形如圖6、圖7所示。
由圖6和圖7的電動和制動電流斬波波形及重載運行時的電流波形可以看出系統在正常運行時電流波形接近理想方波, 說明電機的電流控制方法與系統軟硬件結合完好。
圖8中速度給定（下通道）及實際速度測量結果（上通道）表明系統的超調量小于5％，證明速度跟隨性能好。
6 結語
132 kW大功率SRM控制系統成功地應用于礦山矸石山絞車，現場運行結果表明速度跟蹤性能和抗干擾能力強，電流波形接近理想方波，完全滿足了工業現場的應用需求，這進一步驗證了該系統設計的合理性。
作者簡介：
譚國俊(1962- ),男, 中國礦業大學教授,博士生導師,主要從事電力電子與電力傳動、電機及其控制方面的教學與研究。
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
