基于DSP的开关磁阻电机直接转矩控制系统设计与实现

2022-11-02胡春龙

电气自动化 2022年5期

胡春龙

(陕西国防工业职业技术学院, 陕西西安 710300)

0 引言

开关磁阻电机(switched reluctance motor，SRM)最早是以磁阻式电机的形式出现的，兼具有交、直流电机的优良特性[1]。近年来，针对SRM提出了多种控制方法。文献[2-3]提出了一种直接瞬时转矩控制方法，无需观测定子磁链，直接依据开通与关断角划分扇区，但无法限制换向区相电流，电流峰值较大。文献[4]提出了PWM调制方法，通过对各相绕组电压占空比实时调整来得到最优的电压空间矢量，但功率器件开关频率大，损耗大。文献[5]提出了一种电压空间矢量控制，按照转子磁链定向，通过坐标矢量变换实现了励磁电流与转矩电流的解耦，但系统性能受电机参数影响较大，且较难观测到转子磁链。

本文提出了一种Bang-Bang调节下的直接转矩控制方法，以定子各相绕组的三种电平状态组成电压空间矢量，依据转矩、磁链的变化量通过Bang-Bang控制实时选择出最优的电压空间矢量，从而达到对转矩的直接控制。这种方法有效避免了SRM复杂的数学模型和非线性等问题，降低了转矩脉动。

1 SRM直接转矩控制原理

SRM的双凸极结构决定了各相工作的独立性，以A相为例，设定子绕组连接在不对称半桥式功率变换器的一路输出上，如图1所示。

图1 SRM结构原理(A相)

从图1可知：当开关管S1、S2同时闭合时，A相绕组得到正电压U，用“1”来表示；当S1、S2一个闭合一个关断时，绕组得到零电压，用“0”来表示；当S1、S2同时关断时，绕组得到负电压-U，用“-1”来表示。从电机运行的有效性上看，四相SRM可构造出八个空间对称的电压矢量和磁链扇区，下面分析电压空间矢量的作用对磁链和转矩的影响。

根据电路的基本定则，回路中各相绕组的电压方程可以表示为：

(1)

式中:U为A相定子相电压；R为相电阻；i为相电流；ψ(θ，i)为相磁链；θ为转子位置角。

在较短时间内可忽略定子相电阻，故式(1)又可以近似写成：

Δψ(θ,i)=UΔt

(2)

从式(2)可以看出，磁链的变化受控于电压的作用，可以通过选择一组最优的电压空间矢量来满足磁链的变化过程。接下来从转矩控制入手，推导转矩公式。

由式(1)又可知，电源输入功率在不考虑定子绕组时可以表示成：

(3)

式中：i为相电流;θ为转子位置角。θ均为关于时间t的函数，在较短时间内，磁能We=Pedt又可以表示为：

(4)

从式(4)可得电磁转矩为：

(5)

又知SRM的电流在一个周期内基本不变，且工作状态常为磁饱和，因此磁场储能也不会随位置角变化。这样电磁转矩又可写成：

(6)

从式(6)可以看出，转矩的变化受控于电流和磁链对位置角的导数，而电流在半桥式变换器的回路中始终为正，故转矩仅取决于磁链的变化。而从式(2)可知，磁链的变化是通过电压空间矢量的作用来实现的，这样转矩的变化亦可通过选择合适的电压空间矢量来得到满足[6-8]。

表1为转矩、磁链在不同变化组合下的四相SRM直接转矩控制开关表。

表1 四相SRM直接转矩控制开关表

2 系统硬件设计

以TMS320F2812型DSP为主控制器，搭建了四相8/6极SRM直接转矩控制硬件试验平台，分别由功率变换电路、驱动电路、电压电流检测电路和位置检测电路等组成，如图2所示。

图2 系统硬件结构框图

图3为一相绕组功率驱动电路，功率变换器以MOSFET为主开关器件，通过芯片IR2110驱动，输入端由光电耦合器6N136进行隔离，其中Vcc和Vdd均取+15 V，VCC通过二极管D4、电容C1、负载以及开关管S2给自举电容C1充电。当输入为高电平时，功率管S1、S2得到驱动信号闭合；当输入为低电平时，功率管S1、S2断开。