开关磁阻电机调速系统在数控液压站中的应用

虎恩典，丁晓军，索强强，胡时高

(北方民族大学电气信息工程学院，宁夏银川 750021)

开关磁阻电机调速系统在数控液压站中的应用

虎恩典，丁晓军，索强强，胡时高

(北方民族大学电气信息工程学院，宁夏银川 750021)

针对某液压厂生产的数控液压站工作在保压时泵的功率浪费严重问题，提出运用开关磁阻电机 (SRM)驱动液压站的方案。设计了一套以TI公司高性能电机控制专用数字信号处理器 (DSP)TMS320LF2407A为核心控制器的开关磁阻电机调速系统，通过开关磁阻电机、功率变换器、功率变换器主开关器件驱动、位置检测、电流检测、转速显示和过流过热保护一体化设计，优化电路结构和控制参数，实现了系统保压时的自适应流量控制，使整个液压系统更节能。

开关磁阻电机;SRD;数控液压站;节能;DSP

近年来，随着科学技术的不断进步，制造业正向着节能、环保、低碳、低噪的方向发展。某厂生产的由三相交流异步电动机驱动的数控机床液压系统虽在传统液压站的基础上做了改进，可以驱动负载正常工作，可靠性提高了，但功率消耗较大，浪费依旧严重，实际应用不理想。采用开关磁阻电机来驱动数控机床液压系统，问题迎刃而解，节能将近2/3。开关磁阻电机不仅具有变频调速系统的一系列优点，还具有比变频调速系统更高的电能—机械能转换效率，现已广泛应用于塑料机械、矿山机械、油田、机床、造纸机械、风机、空气压缩机、电动车、风力发电以及需要调速的一切场合。文中将开关磁阻电机调速系统运用于数控液压站中，实现了液压泵的自动调速、高响应的机械特性和节能式流量的自适应控制，实现了工件夹紧、工进等一系列驱动负载的动力要求，使整个液压系统更节能。

1 系统的节能原理

该厂生产的液压站在保压时，是在电机转速不变

的情况下，靠变量泵偏心调节流量来保持压力恒定的。即保压时，系统压力达到变量泵所调定的压力，在电机转速不变的情况下，泵的输出流量减小，当泵的工作压力达到某一极限值时，限压弹簧被压缩到最短，定子移到最右端，偏心趋近于零，这时泵的输出流量接近为零。因此电机输出功率P大部分被浪费。而文中所提出的液压系统，如图1所示，溢流阀5作安全阀用，电磁换向阀6用来改变活塞运动方向，活塞运动速度是通过改变泵4的输出流量来调节的。

图1 系统原理图

系统在保压时，通过变量泵来自动调节流量的同时降低电机转速，实现节能。当需要卸荷时，触动数控机床上相应按钮，使电磁换向阀6左移，实现卸荷。下面推导系统的节能原理。

由文献［1］可知，泵的输出功率P等于泵实际输出流量q与泵进出口压差Δp的乘积，即:

而实际流量q可以表示为泵的理论流量V·n(排量×转速)与容积效率ηpv的乘积，即:

易知，在保证系统压力差Δp不变的情况下，通过限压弹簧事先设定好变量泵调定压力，根据调定压力，变量泵自动调节输出流量来保持压力恒定。从理论上讲，可以降低电机转速至很小，使系统在保压时的功率趋近于零，达到相当节能的效果。但实际上，受泵的低转自吸性能的限制，系统保压时电机转速有个最小值nmin。此时，系统保压时液压能损耗功率为Pb:

而原系统的液压动力装置在保压时液压能的损耗功率为:

保压时，前者转速为1 500 r/min，后者要求转速保持到500 r/min。这里做粗略计算，认为V、Δp基本不变:

因此文中提出的液压站在保压时，比原系统要节能2/3［2］。

2 开关磁阻电机调速系统设计

文中设计的2.2 kW开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Driver，SRD)以TI公司的高性能电机控制专用芯片DSP(TMS320LF2407A)为核心，该系统的设计包括硬件和软件两大部分。控制器结构框图如图2所示。

图2 SRD控制框图

系统总体控制方案为:低速时，采用定角度和电压PWM组合控制;高速时，采用变角度和电压PWM组合控制。具体过程为:当工进时，需要升压，压力继电器断开，此时DSP检测到IOPB7引脚为高电平，通过软件编程给定转速为1 500 r/min，当压力足够时，需要保压，压力继电器闭合，此时DSP检测到IOPB7引脚为低电平，通过软件编程使给定转速平滑降为500 r/min(具体细节见软件设计)。就这样，通过压力继电器的通断来改变DSP的给定转速，从而实现工件夹紧、工进等一系列驱动负载的动力要求。当转速给定后，DSP的I/O口和捕获口接收光电式位置传感器的输出信号，来判断转子的位置和计算电动机的转速，DSP的A/D转换模块将霍尔电流传感器检测出来的电流模拟信号转换为数字信号，DSP的SPI模块负责电动机转速的实时显示，DSP的PWM输出来控制IGBT的驱动芯片。对DSP进行编程，利用给定转速和反馈转速之差作PI调节，实现电压PWM控制，利用A/D转换的电流数字信号作电流限幅控制，利用霍尔电流传感器检测的电流模拟信号来实现系统的过流保护功能，系统的低压电源部分采用开关电源供电，系统的主电路电源采用三相交流电经过整流来提供。

2.1 硬件设计

硬件设计部分主要有功率变换器主电路的选择、功率变换器主开关器件驱动设计、位置检测环节的设计、电流检测环节的设计、主控制器接口电路和转速显示部分设计，以及过流保护部分设计。

2.1.1 功率变化器主电路

开关磁阻电机控制器功率拓扑结构有很多种，考虑到文中设计是产品开发的试验阶段，主要侧重于系统的可靠性和整体性能，所以设计的功率变换器的主电路为半桥式结构，三相六管，选用IGBT作为主开关器件，快恢复二极管RHR15120作续流二极管。

2.1.2 功率变换器主开关器件驱动设计

随着大电流高电压IGBT的模块化，集成化的专用芯片也己经商品化，其性能比分立式电路要好，从而促使整机的可靠性更高，体积更小。系统功率变换器的主开关器件选用的就是大电流高电压的IGBT模块，使用富士公司的EXB841为其驱动芯片［3］。对于三相六管的功率变换器主电路，则需要6套这样的驱动电路。通过软件编程，在每一相导通的时候，上桥臂的开关管作电压PWM控制，下桥臂开关管一直导通。所以，3个上桥臂IGBT的驱动电路+20 V电源需要分开提供，3个下桥臂IGBT可以使用同一个+20 V电源供电，因此三相六管的功率变换器主电路共需要4个独立的+20 V电源。

2.1.3 位置检测环节的设计

开关磁阻电机调速系统采用光电式位置传感器，光电式位置传感器由槽型光耦和与电动机转子同结构的齿盘两个部分组成。对于三相12/8极开关磁阻电机，需要3个槽型光耦，它们相互间隔60°，分别固定在电动机的机壳上，3个槽型光耦(#a、#b、#c)与电动机定子的相对位置如图3所示。3个槽型光藕将输出3路信号，经过外围电路的整形，得到3路与转子位置相关的方波信号。位置传感器外围整形电路如图4所示 (仅画出1路)。3个槽型光耦#a、#b、#c经过分压电路输出分别为O、P、Q，信号波形为方波，高电平为+3.3 V，低电平接近0。

图3 转子位置传感器安装位置

图4 位置传感器外围整形电路结构 (仅画出1路)

2.1.4 电流检测环节的设计

图5 GS040GT特性曲线

电流检测环节使用的是霍尔电流传感器，型号为GS040GT，其特性曲线如图5所示。考虑到开关磁阻电机驱动的负载较小，将霍尔电流传感器安装在主回路中，测总的电流。电流检测信号的作用:(1)用来反馈给主控制芯片做电流限幅PWM控制;(2)用来实现过流保护功能。

2.1.5 主控制器接口电路和转速显示部分设计

该系统采用TI公司的TMS320LF2407A DSP作为主控芯片，此款芯片与一般的微控制器芯片相比，具有低功耗和高速度的特点。低功耗有利电池供电的应用场合;而高速度非常适用于电动机的实时控制［5］。主控制器接口电路如图6所示。输入信号有过流过热、压力继电器、总电流以及3路转子位置信号。输入信号不能直接送给DSP，DSP可承受的最高电压是3.3 V，所以常常采用分压和钳位电路。输出为6路PWM信号，经过6路驱动芯片EXB841功率放大，控制6个IGBT的开通、关断，从而控制电机循环运行。

图6 主控制器接口电路

转速的实时显示采用DSP芯片的串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)模块来实现。本设计选用发光数码管 (四位)来在线显示转速，利用74LS164移位寄存器来实现8位并行输出扩展，驱动发光数码管［4］。

2.1.6 过流过热保护电路设计

过流和过热是设计电机控制器所必须考虑的，开关磁阻电机调速系统也不例外。文中对过流做以下处理:当3 V≤Vid＜4 V时，也就是总电流在20～60 A之间，认为电流很大，但并不过流，此时通过硬件电路实时检测总电流来降低IGBT的导通脉宽;当Vid≥4 V时，也就是总电流大于等于60 A，认为过流，此时DSP引脚PDPINTA有效，6路PWM输出高阻态，同时通过硬件封锁6路IGBT，实现硬软件双重保护。同时，通过温度传感器实时检测功率变换器主电路工作温度，一旦出现过热，立即进行过热保护。

2.2 软件设计

主控制芯片TMS320LF24O7A DSP芯片指令执行速度快，而且支持高级计算机语言编程。所以系统的软件设计采用C语言和汇编混合编程，不仅保证了执行效率，而且缩短了调试周期。系统软件程序主要由初始化程序、主程序、定时器周期中断INT2服务子程序和捕获中断INT4服务子程序四部分组成［5］。程序中用到的标志位如表1所示。

表1 程序中用到的标志位介绍

2.2.1 初始化程序

初始化程序框图如图7所示。

图7 初始化程序框图

2.2.2 主程序

主程序框图如图8所示。

图8 主程序框图

2.2.3 定时器T1周期中断服务子程序

定时器周期中断INT2服务子程序流程图如图9所示。

图9 定时器周期中断INT2服务子程序流程图

2.2.4 捕获中断服务子程序

捕获中断INT4服务子程序流程图如图10所示。

图10 捕获中断INT4服务子程序流程图

3 仿真分析

以一台三相12/8极、2.2 kW开关磁阻电机作为样机，仿真分析如下:

工进时，转速需要升至1 500 r/min，其转速和相电流 (A相)波形如图11、图12所示。

图11 工进时，转速变化曲线(满载)

图12 工进时，相电流变化曲线 (满载)

保压时，转速需保持在500 r/min，其转速和相电流波形 (A相)如图13、图14所示。

图13 保压时，转速变化曲线(满载)

图14 保压时，相电流变化曲线 (满载)

4 结论

在该厂原有数控机床液压站的基础上，从节能出发，设计出了基于开关磁阻电机的液压站节能控制系统。由仿真分析知:该系统工进时，转速上升平稳，当转速小于1 280 r/min时，电流限幅起主导作用;当转速大于1 280 r/min时，电压PWM起主导作用，相电流过渡平滑;保压时，转速降落平滑，稳定较快，相电流变化较平稳。因此，该系统设计合理，切实可行，实际节能效果良好。

【1】姜继海，宋锦春，高常识.液压与气压传动［M］.北京:高等教育出版社，2002.

【2】李帅，虎恩典，李祖军，等.开关磁阻电机在数控液压站节能中的应用［J］.机床与液压，2012，40(2):47－48.

【3】金英.3 kW开关磁阻电动机调速系统设计［D］.杭州:浙江大学，2005.

【4】王晓明，王玲.电动机的DSP控制——TI公司DSP应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004.

【5】DiRenzo M T.Switched Reluctance Motor Control-Basic Operation and Example Using the TMS320F240［R］.Texas Instruments Incorporated.Application Report，SPRA420A，2000.

Application of SRD in NC Hydraulic Station

HU Endian，DING Xiaojun，SUO Qiangqiang，HU Shigao
(School of Electrical and Information Engineering，The North University for Ethnics，Yinchuan Ningxia 750021，China)

For the serious waste of pump power in holding pressure stage in the CNC hydraulic station which produced by a hydraulic factory，a scheme was proposed that SRM was used to drive the hydraulic station.The switched reluctance motor drive system was designed，with TMS320LF2407A(DSP for high-performance motor control，made in TI Co.，)as core controller.By the integrated design with switched reluctance motor，power converter and power converter main switch device driver，position detection and current sensing，display of speed and overcurrent and overheating protection，we optimize circuit structure and control parameters and realize adaptive flow control in the holding pressure，more energy-efficiency of the entire hydraulic system was realized.

Switched reluctance motor;SRD;NC hydraulic station;Energy saving;DSP

TP29

B

1001－3881(2014)8－110－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.036

2013－02－21

虎恩典 (1956—)，学士，教授，硕士研究生导师，主要从事智能仪器仪表和智能控制等研究工作。E－mail: hed_endian@126.com。通信作者:丁晓军，E－mail:dxjabc888@163.com。