12／8极开关磁阻电机双闭环控制系统设计

梁涛年，李 勇，杜吉林，郑小东

（1.浙江三星机电股份有限公司，浙江 温州325401；2.哈尔滨工业大学 电气工程系，黑龙江 哈尔滨150001）

1 引言

开关磁阻电机SRM（Switched Reluctance Motor）是遵循“磁阻最小原理”设计的双凸极非线性可变磁阻电动机。由于SRM 结构简单、调速范围广、效率高、损耗小、控制灵活、可靠性高等特点，已经成为目前研究的热点［1］。开关磁阻电机控制系统要求实时性高，它需要实时地判断转子位置、相电流等信息，进而控制SRM 的换相，实现电机的连续运转。要达到开关磁阻电机性能最优，不仅要设计合理可靠的硬件电路，而且要设计合适的控制策略和控制算法［2］。

文献［3］采用双极性励磁策略，通过以DSP 搭建控制器电路，对8／6 极开关磁阻电机进行了实验，验证了控制策略的可行性。文献［4］针对传统光电传感器所存在的问题，提出了一种应用于直线开关磁阻电机发电控制系统的直接位置检测传感器技术，设计了功率变换器主电路和基于单片机的控制系统，实现了电机的发电运行控制。文献［5］针对4kW、四相8／6 极开关磁阻电机，采用V850 单片机为控制核心设计了控制硬件系统，采用电流环闭环控制策略设计了软件系统。文献［6］采用无位置传感器检测转子位置，设计了7.5kW4 相（8／6 极）开关磁阻电机调速系统。文献［7］利用MCF5213 芯片设计控制系统，并采用角度控制与电压斩波相结合的控制策略，实验表明该系统具有良好的运行特性。

本文以三相12／8 极36kW 开关磁阻电机为控制对象，以美国产16 位DSP TMS320LF2407A 为主控制芯片设计了硬件电路，采用双闭环速度控制策略设计了控制系统软件。同时对功率驱动电路、转子位置信号检测与整形滤波电路及电流检测电路的设计进行了详细的介绍，并通过软件流程图的方式阐明了控制系统软件流程与工作过程。最后通过实验表明该控制策略的合理有效性。

2 控制系统组成

开关磁阻电机控制系统是一种新型机电一体化交流调速系统，主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器、位置检测器和电流检测器5 个部分组成如图1所示。

习惯上把电源、功率变换器、检测器和处理器合称为控制器。功率变换电路是控制电路与开关磁阻电机之间的桥梁，而在控制器和功率变换电路还需要一个重要的衔接单元，即驱动电路。

图1 开关磁阻电机控制系统结构框图

2.1 开关磁阻电机

开关磁阻电机是整个系统的执行元件，采用双凸极结构设计，并且一般定子和转子相数不等，以便能使电机自起动。电机转子由导磁硅钢片叠制而成，用于给定子绕组提供磁通路。本设计中采用三相12／8 极开关磁阻电机。

2.2 功率变换器

功率变换器是系统的能量转换元件，在控制器指令下起开关作用，能够使各相绕组及时开通、断开，保证电机产生预期的电磁转矩，且为各相绕组储能提供回馈途径。

2.3 控制器

控制器是开关磁阻电机调速系统的控制核心，它综合处理位置传感器和电流传感器反馈的位置信号和电流信号，向功率开关等器件提供控制指令，并采样并处理各种保护信号，实现对SR 电机的运行状态控制。

2.4 位置检测器

开关磁阻电机是一种自同步电机，需要位置检测和电流检测以进行闭环控制。位置检测器检测转子位置以及计算电机速度。在本控制系统中，位置检测采用两个间隔为15°的光电耦合开关作为位置传感器检测位置信号。电流检测提供电流信息来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电流。电流检测通过霍尔式电流传感器对每相电流进行检测。在本设计中，将采集到的电压信号通过外部引脚输入到DSP 的A／D 转换接口，将模拟信号转换为数字信号进行软件判断控制。

3 控制器硬件设计

本设计的主控芯片采用TMS320LF2407A，它具有更高的精度和速度，而且存储量大，具有逻辑控制功能和各种中断处理能力以及丰富的数字输入／输出接口、通信接口、专用电动机控制PWM 输出口和指令集，各种控制硬件集成在同一芯片中。它能处理各种输入信号、输出PWM 信号用于控制功率器件的开关，响应各种保护信号，做出相应保护措施等。12／8 相开关磁阻电机控制系统硬件原理图如图2所示。

控制系统硬件原理图如图2所示。控制系统由数字处理器DSP、外部时钟源和外围电路构成。外围电路主要包括位置信号检测与整形电路、电流检测与信号处理电路、功率变换电路等组成。

图2 控制系统硬件原理图

数字处理器DSP 利用转子位置传感器、电流传感器以及保护电路反馈的信号，测量当前转子的位置、绕组电流的大小，通过DSP 计算出当前转子速度、转子位置及相电流值，并准确地给出转子绕组的通电时刻、换相时刻以及响应过压和过流保护等功能。

3.1 功率器件驱动电路设计

在开关磁阻电机调速系统中，由于控制电路不能直接驱动电机，要想实现对电机的有效驱动，需要一个重要的中间环节，即功率驱动电路。功率驱动电路是DSP 与开关磁阻电机之间的桥梁和重要的链接单元，直接影响着开关磁阻电机调速系统的性能。

在本设计中，功率变换器主电路采用不对称半桥式结构，驱动电路采用HCPL316J 作为驱动芯片，与其它驱动芯片相比，HCPL316J 增加了过流保护、欠压保护和IGBT 软关断的功能。驱动电路如图3所示。图中，C＿QD 接所驱动IGBT的集电极，当该IGBT 的管压降高过（大 于 5.6V），HCPL316J 的 6 脚（FAULT）自动锁存驱动信号，且输出一个故障信号HP＿Fault。

3.2 转子位置信号检测与整形滤波电路

开关磁阻电机调速系统是一个位置闭环检测控制系统，位置检测是开关磁阻电机的重要环节。转子位置传感器主要用来检测转子的相对位置，通过DSP 对控制算法进行运算后，给IGBT 发送控制指令，驱动IGBT开关管的开通、关闭，并计算出各相绕组通电顺序及电机当前转速。位置信号检测与整形电路如图4所示，图中470Ω 为光电开关的限流电阻，22k 为光电开关的上拉电阻。位置信号经过TLP521 光电耦合器进行滤波，再经过74LS14 进行整形，然后送入DSP 的CAP 捕获端口，进行换相和测速控制。

3.3 电流检测与信号处理电路

图3 基于HCPL316J 的驱动电路

图4 位置信号检测与整形电路

图5 电流检测与信号处理电路

电流检测是SRM 调速系统直接转矩补偿控制需的信号，也是实现过流保护所需的信号。本设计中电流检测采用霍尔传感器，通过检测调理电路把检测到的三相电流送入DSP 的AD 口进行采样处理，并通过DSP 对控制算法进行运算，实现直接转矩补偿控制，其电流检测电路图如图5所示。选择的电流传感器型号为TBC500LTB，经过信号I／V转换，输出0－4V 电压信号，其中4V 对应600A。由于电流的峰值保护值设定为540A，则此时对应的电流传感器的输出信号为3.6V 的电压信号，经过R128 和R129 分压调理后将电压值调理到3.24V，输入到TL084 运算放大器。然后信号（图5中I1）送入DSP 的AD 口；为了防止电压信号过高损坏DSP（TMS320LF2407 的AD 口最高输入电压为3.3V），采用1N4148 进行嵌位保护。

4 控制器软件设计

SRM 控制系统是实时性软件控制系统。根据SRM 电机控制流程和软件功能的实现，可以将程序分为主程序和中断服务程序两个模块。主程序实现各个子程序初始化，完成后进入系统运行状态，等待响应各个中断，并对任务进行调度和管理。

4.1 控制系统状态流程

控制软件是基于状态流程图设计的，图6所示是SRM 电机控制状态流程图，显示了相互之间的状态转移关系。当SRM 的电机控制器上电复位时，软件将对所有程序变量进行初始化并对所有的外围设备进行初始化使能。当这些动作完成后，电机进入待机状态，等待启动指令。当控制器接收到启动指令后，立即调用电机运行程序，并对电机控制所使用的变量进行初始化，然后对分数阶转速控制器中使用的控制参数进行初始化。在子程序的最后，将清除中断标志并使能中断。一旦电机运行子程序完成变量初始化，状态流程图中所有的其它功能皆由中断服务程序控制来实现。

图6 SRM 控制状态流程图

4.2 双闭环速度控制器设计

SRM 电机调速系统采用双闭环控制结构，其控制结构框图如图7所示。内环为电流环，通过安装在各相的电流传感器采样各相电流作为反馈信号。它根据速度控制环的输出快速地调节电流，使系统有较好的动态响应。外环为速度环，在闭环回路中，通过实测转速与给定转速比较，计算出误差补偿量，进行转速调节。速度环利用分数阶控制器来完成转速闭环中误差控制，使稳态误差为零。通过给定转速与反馈转速的误差计算出电流给定信号，作为内环电流环的输入。

图7 双闭环控制结构框图

分数阶PⅠλ控制器是传统整数阶PI 控制器的广义化形式，它包含一个积分阶次，其中λ 可以在（0，2）内任意取值。它是把传统的整数阶PI 控制器推广到任意阶领域。由于分数阶PⅠλ控制器比传统的整数阶PI 控制器多了一个控制参数，且参数的取值范围比较大，因此，其鲁棒性要比整数阶PI控制器强，并能取得一些优于整数阶PI 控制器的控制效果［8］。

其控制算法如下：

式中：u（t）为t 时刻调节器的输出；Kp为比例常数；KⅠ为积分常数；e（t）为t 时刻调节器的偏差；D-λ为任意阶积分项，其中λ 为积分阶次。

根据实际响应情况，设置速度闭环控制器控制参数，可得到较好的控制效果。图8所示为设定转速为500r／min 时，双闭环控制策略下合成转矩波形图。从图8可以看出，在双闭环控制策略下电机的合成转矩在长时间范围内保持基本不变，扭矩波动范围很小，表明了控制系统的鲁棒性强和控制策略的可行性，获得了良好控制效果。

图8 双闭环控制策略下合成扭矩波形

5 结论

本文以三相12／8开关磁阻电机作为硬件设计和软件设计对象，利用光电式位置传感器实现位置闭环控制；采用DSP TMS320LF2407A 为主控制芯片，功率变换器选用三相不对称半桥式。控制系统的硬件设计了位置信号检测与整形电路、电流检测与处理电路等，通过这些电路的设计，构成了完整的开关磁阻电机控制系统的设计。

在硬件设计的基础上，以控制系统的功能为模块，设计了控制系统的软件控制状态流程及结构。在系统设计中，采用了电流内环，速度外环的双闭环数字PI 控制算法。其中速度环调节器采用分数阶控制算法。通过实验验证了设计的控制系统及控制策略的可行性和系统的鲁棒稳定性。

［1］吴红星，谢宗武，张 强.基于DSP 的电动机控制技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［2］詹琼华，刘迪吉，高 超.开关磁阻电机驱动系统的工业应用［J］.电工技术杂志，1994，（04）：32－3.

［3］刘晓庆，张代润.8／6 极开关磁阻电机的双极性励磁策略研究［J］.电源学报，2011，2（34）：45－50.

［4］周 宣.直线开关磁阻电机发电控制系统设计［J］.电机与控制应用，2011，38（4）：25－30.

［5］王 宇，王大方，赵桂范.轻型电动车用开关磁阻电机驱动系统设计［J］.嵌入式系统应用，2010，26（12－2）：26－28.

［6］吕 丰，王 勇，裴秀高.基于TMS320F240 DSP 的开关磁阻电机调速系统［J］.上海电力学院学报，2010，26（1）：36－40.

［7］基于MCF5213 的开关磁阻电机控制系统设计［J］.电机与控制应用，2013，38（3）：23－27.

［8］梁涛年，陈建军.分数阶参数不确定系统的控制器.控制理论与应用，2011，28（3）：400－406.