CN100596346C - 单电流传感器的开关磁阻电机控制装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单电流传感器的四相(8/6极)开关磁阻电机控制装置及其实现方法。它主要包括电流检测电路、功率变换器电路、A/D转换电路、数字信号处理(DSP)控制器电路和开关磁阻电机；功率变换器电路分别连接电流检测电路与开关磁阻电机，电流检测电路再与A/D转换电路相连，A/D转换电路与数字信号处理(DSP)控制电路连接。本结构简单，检测方便，可用于开关磁阻电机调速系统，如机器人、数控机床、雷达跟踪、火炮随动等系统，包括矿山、冶金、电力、化工、石油等行业，可以有效改善系统性能，提高控制精度。

Description

单电流传感器的开关磁阻电机控制装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，简称SRM)双相导通时的相电流检测方法及控制，特别是一种单电流传感器的四相(8/6极)开关磁阻电机控制装置及其实现方法。

背景技术

众所周知，单向、脉动以及波形随着运行方式、运行条件不同而变化很大是开关磁阻电机相电流的基本特点。绕组中相电流的控制是整个开关磁阻电机(SRM)调速系统的核心内容，电流控制的好坏直接影响到系统的调速性能，电流脉动太大还可能导致转矩脉动加大，电机噪声也将会变大。传统的电流滞环控制虽然能快速地增加或者减小电流，但是带来的负面效应是开关频率、开关损耗加大，尤其是大功率的开关磁阻电机调速系统，开关损耗将限制其在大功率场合的应用。由此可知，开关磁阻电机电流控制器应具备如下性能特点：快速性能好，从电流检测到控制主开关器件动作的延时应尽量小；被测主电路与控制电路之间应该有良好隔离，且有一定的抗干扰能力；灵敏度高，检测频带范围宽，可检测多次谐波成分的直流电流；单向电流检测，在一定工作范围内具有良好的线性度。应该指出，开关磁阻电机电流斩波控制(CCC)工作方式的一般方法是每相串入一个电流传感器，对四相(8/6极)开关磁阻电机，这就需要用四个电流传感器，这无疑增加了成本，使系统复杂，调节麻烦。事实上，开关磁阻电机正常运行时，即使存在两相导通重叠，亦并非是所有的相绕组同时导通的，这就为减少电流传感器数量提供了可能性。之前对四相开关磁阻电机电流的控制，由于其相邻相的导通区间可能发生重叠，但交叉相(即A相、C相和B相、D相)的导通区间一般不会重叠，而且电流斩波控制方式的放电时间短，因此当C相(或D相)开始斩波时，A相(或B相)的电流已经衰减至零，故可以采用A相和C相、B相和D相共用一套电流传感器，即可对四相电流按顺序进行斩波控制。目前通用的开关磁阻电机均采用上述方式进行电流检测，但是，本着减少电流检测器件数目、简化A/D转换及DSP控制器处理的目的，并且为了使电流控制速度加快，同时提高系统整体响应速度，本发明解决了用一个电流传感器控制四相(8/6极)开关磁阻电机的相电流。

鉴于开关磁阻电机功率变换器中，输出的相电流是单向脉动的，可用如下几种检测电流的方法：电阻采样检测电流法、直流电流互感器检测电流法、霍尔元件采样检测电流法、磁敏电阻采样检测电流法。其中电阻采样检测电流法简单易行，但有附加损耗，且易引入主电路的强电干扰。而后几种方式都要进行电流的磁通密度变换，霍尔元件采样检测电流法由于其实用性，得到越来越广泛的应用。霍尔电流传感器是国际上电子线路中普遍采用的电流检测及过电流保护元件，其最大优点是测量精度高、线性度好、响应快速，可以做到电隔离检测。利用霍尔效应检测电流目前有直接检测式和磁场平衡式两种方法。直接检测式霍尔电流传感器的主要不足是当被测电流过大时，为不使磁路饱和，保证测量的线性度，必须相应增大铁心的截面积，这就造成检测装置的体积过大。而磁场平衡式霍尔电流传感器(简称LEM)把互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起，具有测量、反馈、保护三重功能。LEM模块通过磁场的补偿，铁心内的磁通保持为零，使其尺寸、重量显著减小，使用方便，电流过载能力强，因此成为开关磁阻电机中一种理想的电流检测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流传感器的开关磁阻电机控制装置及其实现方法。它属于单电流传感器四相(8/6极)开关磁阻电机控制器，解决了开关磁阻电机由于相电流单向、脉动等难以精确控制的问题，以及穿孔式霍尔电流传感器检测双相导通时电流的实现方法。

本发明提供的一种单电流传感器(四相，8/6极)的开关磁阻电机控制装置主要包括：电流检测电路、功率变换器电路、A/D转换电路、数字信号处理(DSP)控制器电路和开关磁阻电机(SRM)；其连接方式是：功率变换器电路分别连接电流检测电路与开关磁阻电机，电流检测电路再与A/D转换电路相连，A/D转换电路与数字信号处理(DSP)控制电路连接。

所述的功率变换器电路包括：整流电路、裂相电容分压电路、半桥式逆变电路及开关电源；其连接方式是：交流电源接至整流电路，整流电路分别与裂相电容分压电路、开关电源相连接，裂相电容分压电路连接至半桥式逆变电路。

所述的功率变换器电路的A相和C相的一端通过霍尔电流检测器(LEM)分别与功率器件VT1和VT2相连，另一端与开关磁阻电机(SRM)的相应相连接；B相和D相的一端分别与VD3、VD4相连，另一端直接与开关磁阻电机(SRM)的相应相连接。

所述的单电流传感器的开关磁阻电机控制装置的实现方法包括的步骤：

1)选用四相(8/6极)开关磁阻电机功率主电路常用的拓扑结构——分裂式直流电源的功率变换器，这种功率变换器主电路拓扑结构如附图1所示。电路中将开关磁阻电机的四相绕组接成附图1所示形式，采用两相通电方式，电路的续流和换相由续流二极管来实现。其中，功率器件由脉宽调制信号(PWM)控制，根据脉宽调制信号(PWM)控制功率主电路中功率器件的通断，进而决定使电机某两相产生电流通过功率主电路输出，实现开关磁阻电机的调速；并且此电路减少了功率器件的数量，换相时的电压波动也较小。

2)功率变换器电路分别输出A、B、C、D四相电流，其中B相和D相直接与开关磁阻电机相连，A相和C相经由一个穿孔式霍尔电流检测器与开关磁阻电机相连，用A相和C相电流之和作为总的控制电流，来控制双相运行时的四相(8/6极)开关磁阻电机。开关磁阻电机通电顺序依次为AB-BC-CD-DA，依次循环导通即可。

3)将检测出的电流信号I经采样电阻R变为电压信号，放大、滤波后与A/D转换电路相连，进行模拟/数字信号的转换，最后将转换后的数字信号送至DSP控制器的相应输入引脚，实现了开关磁阻电机双相导通时的相电流控制。

本发明提供了一种单电流传感器8/6极开关磁阻电机控制器装置，克服了开关磁阻电机由于相电流单向、脉动等难以精确控制的问题，进而找出穿孔式霍尔电流传感器检测双相导通时电流的实现方法，结构简单，检测方便。

本发明可组成高性能的开关磁阻电机伺服系统，该装置结构简单，可用于开关磁阻电机调速系统，如机器人、数控机床、雷达跟踪、火炮随动等系统，包括矿山、冶金、电力、化工、石油等行业，可以有效改善系统性能，提高控制精度。

附图说明

图1、本发明的系统功率主电路示意图。

图2、单电流传感器原理示意图。

图3、本发明的电流波形图。

具体实施方式

结合附图对本发明详细描述如下：

如附图1所示，系统功率变换器主电路功率器件与开关磁阻电机的连接，采用两相通电方式，电路的续流和换相由续流二极管来实现。由脉宽调制信号(PWM)控制功率器件的导通与关断，实现开关磁阻电机的调速。运行时，开关磁阻电机按照AB-BC-CD-DA的顺序依次循环导通，各相均通过电流，由于是两相同时导通，且开关磁阻电机的特点是相电流单向流动，即A相有电流的时候C相则无电流通过，反之，C相有电流流过时A相则无电流，再考虑续流，A相和C相的相电流即为当时导通相的实际电流。本发明中开关磁阻电机的A相和C相通过一个穿孔式霍尔电流检测器(LEM)，输出的电流即为实际电流，进而实现了对双相运行时四相(8/6极)开关磁阻电机电流的控制。

本发明主要包括：电流检测电路、功率变换器电路、A/D转换电路、DSP控制电路和开关磁阻电机。

选用四相(8/6极)开关磁阻电机功率主电路常用的拓扑结构——分裂式直流电源的功率变换器，这种功率变换器主电路拓扑结构如图1所示。电路中将开关磁阻电机的四相绕组接成附图1所示形式，采用两相通电方式，电路的续流和换相由续流二极管来实现，其中，功率器件由脉宽调制信号(PWM)控制，根据脉宽调制信号(PWM)控制功率主电路中功率器件的通断，进而决定开关磁阻电机AB、BC、CD、DA相的导通顺序，使电机某两相产生电流通过功率主电路输出。结合图2所示，具体实现方式如下：A相和C相的一端通过霍尔电流检测器(LEM)分别与功率器件VT1和VT2相连，另一端与开关磁阻电机(SRM)的相应相连接。B相和D相的一端分别与VD3、VD4相连，另一端直接与开关磁阻电机(SRM)的相应相连接。再将检测出的电流信号I经采样电阻R变为电压信号，放大、滤波后与A/D转换电路相连，实现模拟/数字信号的转换，最后将转换后的数字信号送至DSP控制器的相应输入引脚。

所述的单电流传感器四相开关磁阻电机电流检测装置选用穿孔式霍尔电流检测器-HONEYWELL公司提供的CSNP661，该产品属于闭环电流传感器，是基于霍尔效应及零磁场平衡原理(反馈系统)来测量电流的，传感器内部磁场总是被控制在零点，用以平衡零磁场的电流是流过导体的初级电流乘以初次线圈的比例系数。闭环电流则为传感器的输出，且反映初级电流任何时候被次级线圈减少的关系。且原/副边电路之间是电气绝缘的，可以测量直流、交流和脉冲电流，电流输出可通过外接电阻转换为电压输出。基于此，本发明中将A、B、C、D四相的一端与功率变换器主电路功率器件相连，B相和D相的另一端直接与开关磁阻电机(SRM)相连，A相和C相的另一端经由霍尔电流检测器(LEM)与开关磁阻电机相连，用A相和C相电流之和作为总的控制电流，来控制双相运行时的四相(8/6极)开关磁阻电机。

所述的单电流传感器四相开关磁阻电机电流检测装置的DSP控制电路所用的核心芯片是DSP控制器，它属于一个单片微处理系统，包括有中央处理单元CPU，还包括片内程序存储器、数据存储器、输入/输出接口、中断管理系统和系统监视等CPU的基本支持接口以及片内外设。片内外设包括A/D转换(ADC)模块、串行通信接口(SCI)模块、串行外设接口(SPI)模块、事件管理(EV)模块等。本发明通过DSP来控制功率电路中主功率元件的如相导通、关断角、电流幅值、绕阻电压等工作参数。

如图3所示，以四相(8/6极)开关磁阻电机为例，电机按照AB-BC-CD-DA的顺序依次循环导通，电流波形如图所示。I_DA、I_AB、I_BC、I_CD分别为相应的双相导通时的电流，由于是两相同时导通，且开关磁阻电机的特点是相电流单向流动，即A相有电流的时候C相则无电流通过，反之，C相有电流流过时A相则无电流，再考虑续流，A相(I_A)和C(I_C)相的相电流即为当时导通相的实际电流。按照本发明提供的单电流传感器开关磁阻电机控制装置，本发明中开关磁阻电机的A相和C相通过一个穿孔式霍尔电流检测器(LEM)，即为输出的A相和C相的相电流即为当时导通相的实际电流。实现了对开关磁阻电机的调速、稳速运行、停止、正反转、制动等状态的控制。

Claims (4)

1、一种单电流传感器的开关磁阻电机控制装置，它主要包括电流检测电路、功率变换器电路、A/D转换电路、数字信号处理控制器电路和开关磁阻电机；

功率变换器电路分别连接电流检测电路与开关磁阻电机，电流检测电路再与A/D转换电路相连，A/D转换电路与数字信号处理控制电路连接；

所述的功率变换器电路包括：整流电路、裂相电容分压电路、半桥式逆变电路及开关电源；其连接方式是：交流电源接至整流电路，整流电路分别与裂相电容分压电路、开关电源相连接，裂相电容分压电路连接至半桥式逆变电路；其特征在于：

所述的功率变换器电路的A相和C相的一端通过霍尔电流检测器(LEM)分别与功率器件VT1和VT2相连，另一端与开关磁阻电机的相应相连接；B相和D相的一端分别与续流二极管VD3、续流二极管VD4相连，另一端直接与开关磁阻电机的相应相连接。

2、按照权利要求1所述的单电流传感器的开关磁阻电机控制装置，其特征在于所述的数字信号处理控制器是TMS320LF240X。

3、按照权利要求1所述的单电流传感器的开关磁阻电机控制装置的控制电机方法，其特征在于包括如下的步骤：

1)采用两相通电方式，电路的续流和换相由续流二极管来实现，其中，功率器件由脉宽调制信号控制，根据脉宽调制信号控制功率主电路中功率器件的通断，进而决定使电机某两相产生电流通过功率主电路输出，实现开关磁阻电机的调速；

2)功率变换器电路分别输出A、B、C、D四相电流，用A相和C相电流之和作为总的控制电流，来控制双相运行时的四相8/6极开关磁阻电机，开关磁阻电机通电顺序依次为AB-BC-CD-DA，依次循环导通；

3)将检测出的电流信号I经采样电阻R变为电压信号，放大、滤波后与A/D转换电路相连，进行模拟/数字信号的转换，最后将转换后的数字信号送至DSP控制器的相应输入引脚，实现了开关磁阻电机双相导通时的相电流控制。

4、按照权利要求1所述的单电流传感器的开关磁阻电机控制装置的应用，其特征在于它可用于机器人、数控机床、雷达跟踪或火炮随动系统。

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