基于两步换相控制策略的SR电机直接数字控制系统设计

1　引言

开关型磁阻（SR）电机调速系统（SRD）结构简单、坚固、成本低，调速性能优良，在宽广的调速范围内均具有较高的效率，应用前景十分广阔。但由于SR电机的双凸极结构和采用开关性的供电电源，振动、噪声是其突出的问题，这已成为SRD在更多范围内推广应用发挥其特长的主要障碍。过去人们对SRD的研究主要集中在SR电机本体设计、功率变换器及速度控制策略研究上，因为研究难度大，目前，只有少量文献论及SR电机振动、噪声研究。

文基于时域分析，得出结论：SR电机相绕组关断所激发的冲击振动是最主要的振动、噪声来源。为削弱这一振动，文提出将相电流关断过程分成两步的“两步换相法”（参见图1）：第一步仅关断K1，相电压Up由＋Us负跃变至0 V；第二步再关断K2，这时Up由0 V负跃变到－Us。控制第二步与第一步时间间隔为定子固有频率对应周期的一半，这样，第二步与第一步产生的冲击振动相位差为180°，因而相互抵消。WUC．Y．等率先将“两步换相法”引入SRD系统设计，在CCC方式和APC方式两种工况下取得良好抑制振动、噪声效果，但其采用不对称半桥主电路，四相（8／6）SR电机需要8只主开关器件和8只续流二极管，未能充分体现单极性的SR电机功率变换器结构简单、开关器件少的优势，影响了系统的经济性。

本文采用一种新型的只有6只主开关器件的四相率变换器，在以8098单片机为控制核心的SRD设计中，引入两步换相控制策略，在电压PWM和APC两种工况下，显著地抑制了SR电机的振动和噪声。



2　系统描述

为实现多数传动装置需要的转矩／转速特性：从静止到基速具有恒转矩，在基速以上具有恒功率特性，系统采取的控制策略为基速ωb以下，电压PWM控制，输出恒转矩特性；基速ωb以上，角度位置控制（APC），输出恒功率特性。为简化控制规律，采取将关断角θoff固定在一个由实验得到的最优角度22°处，仅调节起始开通角θon。

8098单片机定时采样由转子位置传感器获得的反馈速度，与由键盘敲入的给定速度比较，误差经数字PI调节，再经软件处理，根据反馈速度的大小是否在基速以上转换成PWM脉冲或控制角度的APC单脉冲的控制参数。微机控制器根据转子位置控制对应相绕组的导通或关断，输出对应的PWM脉冲或APC单脉冲，经功率变换器，实现对SR电机的控制。为简化硬件电路，PWM控制、APC脉冲控制、速度检测、PI调节器均由软件实现；为提高过流保护动作的快速性，采用硬件过流保护电路。

样机为0．75 k W四相（8／6）SR电机，功率变换器以GTR作为主开关器件，采用图2所示的功率主电路。



图2电路的拓扑结构由Pollock等率先提出，其基本上保留了不对称半桥线路的优点，所用开关器件又较不对称半桥少，具有较高的性能／价格比。

与常规SR电机直接数字控制系统（DDC）换相逻辑控制不同，既要满足SR电机电动运行换相要求，又要满足两步换相要求是制定6只主开关换相规则的原则，显然，这限制相绕组的最大导通角θc不得超过30°。

3　系统硬件设计

3．1　微机控制器硬件框图

以8098单片机为核心的微机控制器硬件框图如图3所示。



由图3可见，控制器主要由8098单片机，外接EPROM27128、专用键盘显示器接口芯片8279、位置译码及换相控制电路、电流检测与过流保护电路组成。由于基速以下采用的是电压PWM方式，为防止GTR因过流而损坏，设计了过流保护电路。对四相SR电机，其交叉相（即A、C相和B、D相）的导通区间一般不会重叠，因此可采取A相和C相、B相和D相分别共用一个电流传感器（LEM模块），对四相电流检测，如图2所示。

两路转子位置信号分别送8098的高速输入口HSI0和HSI1，HSI中断服务程序与高速输出HSO0～HSO3和位置译码及换相控制电路配合，用于控制6只主开关的导通、关断，实现SR电机电动运行的换相要求及两步换相要求，HSI中断服务程序还用于速度的采样。

3．2　位置译码及换相控制电路设计

图2中K1、K3、K4、K6均作为第一步换相开关，与两绕组相连的公共开关K2、K5则作为第二步换相开关。位置检测采用如图4所示的光敏式转子位置传感器半数检测方案。转盘的齿、槽数与转子的凸极、凹槽数一样，均为6，且均匀分布，所占角度均为30°，转盘安装在转子轴上并同步旋转，图中S、P为光电脉冲发生器，当转盘凸齿转到开槽的S、P位置时，发光管被遮住而使其输出状态为0，没有被遮住时，其输出状态为1，则在一个转子角周期（60°）内，S、P产生2个相位差为15°，占空比为50％的方波信号，其组合成4种不同的状态，分别对应四相绕组不同的参考位置。设θc对应的时间为tc，两步换相的时间间隔为tm，则APC方式下SR电机逆时针换相规则（正转换相规则）为：

（1）若S＝0，且P由0跃变到1，则K1、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（2）若P＝1，且S由0跃变到1，则K4、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（3）若S＝1，且P由1跃变到0，则K3、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（4）若P＝0，且S由1跃变到0，则K6、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断。

顺时针转动的换相规则（反转换相规则）为：
（1）若S＝0，且P由1跃变到0，则K1、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（2）若P＝0，且S由0跃变到1，则K6、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（3）若S＝1，且P由0跃变到1，则K3、K2同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断；
（4）若P＝1，且S由1跃变到0，则K4、K5同时导通，且分别经tc、tc＋tm后关断。



笔者利用8098硬件资源（HSI口、HSO口及P2．5）及少量外接的数字逻辑电路设计了实现上述换相控制的硬件电路。其中，HSO1、HSO3分别产生K2、K5的换相控制信号；HSO2、HSO0产生K1、K3、K4、K6的换相控制信号，因为采用外接逻辑电路构成了30°导通制的换相逻辑控制，因此A相（K1）、C相（K3）可共用HSO0，B相（K4）、D相（K6）可共用HSO2。8098片内的脉冲宽度调制器提供的PWM信号频率固定为15．625kHz，这一斩波频率对GTR而言偏高，故不采用片内的PWM方式，将P2．5作为普通输出口，由软件定时器T1、T2中断形成定频调宽的PWM脉冲，和HSO2、HSO0及外接逻辑电路一起为工作在PWM方式下K1、K3、K4、K6提供换相控制信号；若为APC方式，则将P2．5置0。由于两步换相限制了θc不得超过30°，这降低了起动性能，为此在起动阶段不采用两步换相法，而采用两相全开通起动方式，待起动过程结束后，再切换到二步换相法。