开关磁阻电机调速系统半实物仿真平台设计

蔡 燕,尹 磊,姜文涛

(天津工业大学,天津300387)

0 引 言

开关磁阻电机(以下简称SRM)是20世纪80年代迅猛发展起来的一种新型调速电机,因结构简单、可靠性高、调速范围宽、调速性能好等优点被广泛应用于牵引运输、家用电器、航空工业等行业[1-5]。但磁路的高度饱和及独特的双凸极结构决定了SRM具有很强的非线性,加大了对电机控制的难度,限制了SRM的推广与应用。近年来国内外学者尝试结合先进的智能控制策略来实现SRM的控制[6-8]。由于SRM具有高度非线性特性,很难得到准确的数学模型,使得一般的离线仿真对SRM优化控制的研究与实际情况存在较大偏差。为此,本文基于dSPACE半实物仿真技术将SRM以实物的形式连接在仿真回路中,构建了SRM调速系统的半实物仿真平台,用于进行SRM控制策略的研究。

dSPACE半实物仿真系统是dSPACE公司研发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试平台[9]。硬件系统由处理器板、I/O板卡组成,具有高速的计算能力;同时,快捷方便软件环境可实现代码生成/下载及系统的试验/调试。在dSPACE强大的软硬件支撑下,解决了电机控制策略研究时所遇到种种难题。

本文以dSPACE实时仿真系统为控制核心,结合SRM与dSPACE的特点,构建了基于dSPACE的SRM调速系统半实物仿真平台。并在平台上实现了SRM 3种控制方式,通过实验验证了SRM调速系统半实物仿真平台进行电机控制策略研究的可行性,为进行SRM调速系统的优化控制创造了条件。

1 SRM调速系统结构

如图1所示,开关磁阻电机调速系统(以下简称SRD)主要由SRM、功率变换器、控制器及位置检测器等组成。其中,SRM在系统中负责实现机电能量转换;功率变换器是SRM运行所需能量的供给者,通常使用交流电经整流桥整流后的直流电源作为功率变换器的输入,变换器在控制信号的控制下为SRM提供能量。控制器作为SRD的控制中枢,依照检测电路的电流、电压、转速等信号,给出功率变换器的控制信号。SRM运行时需要根据转子位置实现各相绕组的开通与关断,所以实时位置检测是电机控制中不可或缺的一环。

图1 SRD结构框图

2 SRD半实物仿真平台硬件设计

基于dSPACE的SRD半实物仿真平台主要由dSPACE实时仿真系统和基于dSPACE的SRD硬件平台组成,这两部分又可分成若干小部分。图2为SRD半实物仿真平台结构图。

图2 SRD半实物仿真平台结构图

2.1 dSPACE实时仿真系统

本文采用的dSPACE实时仿真系统是以DS1005PPC控制板为核心,配以DS5202电机板卡而组成的DS1005标准组件系统。DS1005PPC控制板处理器采用 POWERPC750FX,主频高达800 MHz,I/O管理能力及数学运算能力都非常强,满足SRM高性能控制要求;DS5202是专用的电机控制板卡,包含了建立SRD控制模型所需I/O接口,通过利用DS5202板卡的8通道模拟量输入接口可以实现绕组电流、电压的采集;同时可以利用PWM信号生成器结合6通道的数字TTL输出电路接口,生成及输出PWM信号控制功率器件的开通与关断。

2.2 功率变换器

仿真平台采用三相不对称半桥电路变换器,其结构如图3所示,不对称半桥电路每一相都由两只开关器件和两只续流二极管构成,该结构使各相绕组之间互不影响、相互独立。电机运行时,每相绕组都存在励磁、续流及退磁3种运行状态,以A相为例:当QAH,QAL都导通时,外加电压+US加在A相绕组两侧,A相绕组励磁产生励磁电流iA,此时A相处于励磁状态;当A相绕组的开关管QAL导通且QAH关断时,此时A相绕组两侧电压为0,A相绕组电流iA流过开关管QAL和二极管DAL,此时绕组为续流状态;当A相绕组的开关管QAH和QAL都关断时,此时外加电源-US加在A相绕组两侧,A相绕组电流iA流经二极管DAH和DAL,将电机绕组储存的能量以电能的形式回馈给电源侧,此时绕组处于退磁状态。

图3 不对称半桥功率电路

2.3 信号检测与驱动电路

采用LEM系列霍尔传感器对电流、电压信号进行采样,电流、电压信号经调理电路处理后送至DS5202板卡进行AD转换。安装在电机转子附近的霍尔位置传感器用于获取转子位置信号,位置信号经调理电路处理后送至DS5202板卡的传感器接口完成信号采样。由于dSPACE输出信号驱动能力弱,不能直接用于 SRM的驱动控制,因此加入EXB841驱动电路实现电机的驱动,同时加入保护电路,有效地保障平台安全运行。

3 SRD半实物仿真平台软件设计

基于dSPACE的软件设计相比于传统控制器DSP或MCU的软件编程更加快捷方便。dSPACE的软件包括实现软件与实验软件。其中,实现软件包括MATLAB/Simulink,RTI,RTW等,主要负责系统模型搭建、硬件代码自动生成及下载。ControlDesk作为系统的实验软件,与控制系统实现交互式操作,提供整个实验过程的综合管理。

3.1 SRD控制模型

dSPACE的模块化编程思想使得开发模型只需拖拽集成化的功能模块即可,无需编写大量的程序代码,节省了大量的时间与精力,研究人员可以致力于电机控制策略的研究。本文基于dSPACE开发了SRD控制模型,如图4所示。SRD控制模型采用多任务模式,将SRM的控制策略分配到不同任务中,其中包括Digin中断任务、PWM同步中断任务、Time B任务等,不同的任务具有不同的功能。

为了整个调速系统的安全性,通过设置Digin中断模块实现硬件电流保护,当硬件电路监测到某相电流超过设定值时,硬件保护电路的输出电平就会发生变化,Digin7输入接口产生一个中断,触发中断任务后就会关断DS5202的数字输出。

实验中SRM三相绕组电流电压信号的采集通过Time B中断任务实现的,采集频率是由DS1005的Time B定时中断控制器控制的,定时值为0.000 075 s。

PWM中断任务承担了调速系统的大部分任务,除了负责电流斩波、电压斩波、角度位置控制实施及切换等任务,同时还要完成位置信号采集、转速/电流双闭环控制、功率变换器驱动信号输出等。

图4 SRD控制模型

3.2 基于ControlDesk的上位机界面设计

ControlDesk是dSPACE公司开发的实验工具软件。作为系统调试以及实时监测的主要完成者,它可以实现数据的实时观测、变量和参数的可视化管理、实验数据的记录与回放及故障测试等功能。ControlDesk为实验过程提供了丰富的虚拟仪表,构建实验过程环境快捷方便,仅需从元件库拖到编辑界面,并关联对应变量文件即可。本文设计的SRD上位机界面如图5所示,结合实验需求,在ControlDesk界面观测记录的信号主要包括电机转速、三相电流信号、电压、转矩信号等;在线设置与修改的参数包含电流环PI参数、转速环PI参数;同时设定系统运行起停控制、软件硬件保护设置以及速度显示窗口;同时将实时参数及显示信号链接到ControlDesk显示界面。

图5 SRD上位机界面(截图)

3.3 SRM的控制方式

整个调速系统的控制是以转速值为给定量,保证电机转速跟随给定量,为了保证良好的调速效果,采用转速外环、电流内环的双闭环控制。

电机在低速运行阶段,旋转电动势压降小,电流上升速度快,此时通过电流斩波控制(CCC)对相电流进行限定,避免过大电流对电机及开关器件的损害,起到有效的保护和调节作用。电机在中速运行阶段,采用固定角度的电压斩波控制(CVC),通过占空比的变化调节绕组电压的平均值,从而间接控制绕组电流,实现快速有效的电机调速。转速上升至高速阶段时,电机采用角度位置控制(APC),通过改变主开关器件的开通角与关断角调节相电流波形,实现SRM电磁转矩的调节。

本文中,在0～300 r/min转速区域采用电流斩波控制,300～800 r/min转速区域采用电压斩波控制,800 r/min以上转速区域采用角度位置控制,3种控制方式有效组合共同实现电机全速范围的调速运行。

4 实验结果

基于dSPACE的SRD半实物仿真平台对三相12/8极SRM进行了实验研究。图6为SRD半实物仿真平台实物图,其中SRM参数如下:额定功率1.5 kW,额定转速1 500 r/min,额定电压514 V。电机负载选用磁粉制动器,磁粉制动器在通电后会在内部产生电磁场,磁粉在磁力线作用下形成磁粉链,把内外转子联接起来,从而达到传递、制动扭矩的目的,起到负载的作用。

图6 SRD半实物仿真平台实物图

低速运行时电机采用电流斩波控制,图7为采用电流斩波控制,当转速和负载转矩分别为200 r/min和2 N·m时三相电流波形。

图7 电流斩波控制下的三相电流波形

电机在中速阶段采用电压斩波控制,图8为转速600 r/min且转矩负载6 N·m时的SRM三相电流波形与三相电压波形。

图8 电压斩波控制下的三相电流电压波形

电机进入高速时切换至角度位置控制,定义定子齿中心线与转子槽中心线对齐位置时的转子位置角为0°。图9为当转速和负载转矩分别为1 500 r/min和9.5 N·m,控制开通角和关断角分别为θon=-6°和θoff=94°时的 SRM转矩、转速和三相绕组电流的实验波形。

图9 角度位置控制下转速、转矩和三相电流波形

基于构建的SRD半实物仿真平台可进行SRM全速范围的调速运行,可实现多种控制方式的实验研究。该平台对于分析SRM的输出性能以及优化SRM的控制策略和优化控制参数具有重要意义。

5 结 语

由于SRM在磁路高度饱和的非线性特征,很难建立精确的数学模型,增加了SRM控制策略研究的难度。为此,本文以dSPACE半实物仿真技术为基础,通过SRD控制原型硬件系统与SRM样机连接,构建了SRD半实物仿真平台,并采用3种控制方式实现了SRM全速范围的调速运行。通过实验结果证明了所构建的SRD半实物仿真平台的正确性,为进一步实现SRM优化控制提供了有利的条件。

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