CN111628680A - 一种开关磁阻电机嵌入式控制系统 - Google Patents

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张珂
巩士磊
阎明
张战
袁利
李祥阳
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Abstract

本发明公开一种开关磁阻电机嵌入式控制系统,属于电机控制领域。嵌入式系统具有专用化和微型化的特点,其功能完全“嵌入”到器件的内部。单片机、DSP、FPGA、ARM等是常用的嵌入式硬件平台芯片,用户根据系统需求选择上述芯片进行设计开发,可以构成相应的工控嵌入式系统。并可以根据系统目标进行成本、功能、体积等多方面的优化设计。本发明设计了两套嵌入式控制电路,分别基于DSP控制系统和FPGA控制系统。本发明首先测定了各元器件对开关磁阻电机位置信号的延迟特性,随后测定了程序结构对于系统位置信号响应的影响,并分别比较了DSP与FPGA的延迟特性。比较了PI控制与FPGA控制两种控制手段的控制效果,选择出最优的控制算法。最后搭建以FPGA为控制核心的开关磁阻电机嵌入式控制系统,并对系统性能进行测定,并验证其可行性。

Description

一种开关磁阻电机嵌入式控制系统
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机嵌入式控制系统,具体涉及到一种开关磁阻电机嵌入式控制系统硬件以及软件设计及其测试。
背景技术
开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SRM),是20世纪70年代提出的一种新型电机,因其具有开关性和磁阻性而得名。开关性是指电机定子各相绕组必须工作于一种连续的开关模式;磁阻性是指定、转子具有可变磁阻回路,并且电机运转符合“磁阻最小原理”。开关磁阻电动机特殊的“双凸极”结构,“磁阻最小”运行原理和“开关性”的运行方式,决定了其转矩不是连续的,而是脉冲式的,其合成转矩也不是一个恒定值,而是具有一定的谐波分量,尤其低速运行时,转矩脉动更加明显。另外,SRM系统振动和噪声较大。为更好发挥开关磁阻电机的优势,同时克服开关磁阻电机的缺点,出现两种思路:其一是在充分研究开关磁阻电机结构的基础上,准确建立其数学模型,据此进行控制。然而开关磁阻电机的具体参数受到多方面的影响,统一的数学模型并不适用于某个具体的电机系统本身,这种方法现在多停留在理论研究或仿真阶段,尚难应用于实际,但对实际应用的研究有着其指导意义。其二是采用现代控制理论,不需要知道开关磁阻电机的准确模型,根据实验或者自适应的方法对控制参数进行调整即可达到较好的控制性能,比如采用改进的PI控制策略、模糊控制策略、滑模变结构控制策略、混合遗传算法控制策略、人工神经网络算法控制策略等等,不一而足,各有特点。
根据国际电气和电子工程师协会(IEEE)和英国电气工程师协会(U.K.Institution of Electrical Engineer)对嵌入式系统的定义,其为针对某一特定应用,对设备或装置进行控制、监视或者辅助操作的专用计算机系统。嵌入式系统具有专用化和微型化的特点,其功能完全“嵌入”到器件的内部。单片机、DSP、FPGA、 ARM等是常用的嵌入式硬件平台芯片,用户根据系统需求选择上述芯片进行设计开发,可以构成相应的工控嵌入式系统。并可以根据系统目标进行成本、功能、体积等多方面的优化设计。嵌入式系统广泛应用于工业控制、交通运输管理、家用电器、辅助医疗器械、电子商务终端、环境工程管理、航空航天、国防工业等诸多领域。
开关磁阻电机嵌入式控制系统,是以嵌入式控制芯片为控制中枢,以功率变换器作为电能转换的重要环节,以开关磁阻电机作为最终被控对象和执行机构,辅以光耦隔离电路、驱动电路、位置检测电路、电流检测电路、键盘和LCD显示电路以及上位机通讯电路等有机组合构成的一个运动控制系统。
发明内容
针对上述技术中存在的问题,本发明提出一种开关磁阻电机嵌入式控制系统。
为实现上述技术目的,本发明采用如下的技术方案予以实现:
本发明在于,针对硬件设计,FPGA电源模块选择稳压电源芯片LM1117- 3.3V、LM1117-2.5V和LM1117-1.2V,其输出电流最大值为800mA,可以满足一般系统的需要,以5V直流电源供电,稳定输出FPGA所需的3.3V、2.5V和1.2V 电压,采用LM1117的供电电路结构简单,成本很低。FPGA时钟电路采用50MHz 和30MHz两片有源晶振分别构成两路外部时钟电路,输入到FPGA内clk类引脚,配置中可选择不同的时钟频率适应不同的需求。FGPA采用SRAM查找表的方式实现其逻辑功能,而SRAM在断电后内部数据也将丢失。因此在FPGA外部,必须配备断电后数据不丢失的存储器,以使FPGA上电后能够从存储器中加载比特流文件实现其逻辑配置。
DSP TMS320F28335的I/O端口电压为3.3V,内核电压为1.9V或1.8V,其中1.8V最高支持135MHz系统时钟,1.9V最高支持150MHz系统时钟。本发明选用美国TI公司的双路输出的低压差电压调整器TPS767D301。DSP时钟电路选用30MHz有源晶振来产生外部时钟信号输入到DSP XCLKIN管脚,此时将 X1管脚接地,X2管脚悬空。时钟输入引脚前端串联22Ω小电阻进行阻抗匹配,防止串扰和浪涌电流,减小高频噪声和边沿过冲。DSP系统调试中采用XDS510- USB仿真器通过JTAG(IEEE.1149标准协议的Joint Test Action Group)接口对DSP进行访问。实现在线仿真调试、程序下载固化等。
本发明在于,开关磁阻电机运行必须实时检测定转子的相对位置,因此,位置信号检测与处理是至关重要的一个环节,影响控制策略的实现,关系到整个系统控制性能的好坏。在控制版对位置信号处理过程中,不可避免会产生延迟,使得位置信号输入和开关信号输出间并不是瞬时对应的。在性能要求一般的场合,这些延迟往往微不足道。但对于一些要求更高的场合,如超高速运行、APC控制、高精度伺服控制等,评估这些延迟并作相应的处理就是必要的
有益效果:
本发明所述的一种开关磁阻电机嵌入式控制系统,给出了本发明开关磁阻电机嵌入式控制系统的控制方案。针对开关磁阻电机调速控制,进行了模糊调节器的分析和设计。设计了开关磁阻电机控制系统的功率变换器、驱动电路、位置检测电路以及电流检测电路。分别基于DSP和FPGA两种芯片进行了开关磁阻电机嵌入式控制器的设计。硬件方面设计了DSP最小系统、FPGA最小系统、位置信号整形与光电隔离电路、输出信号逻辑综合与光电隔离电路以及上位机通讯电路,并对控制电路板的位置信号响应延迟进行了测试。
附图说明
图1是本发明的开关磁阻电机嵌入式控制系统实验平台示意图。
图2是本发明的实验平台的实拍照片。。
图3是本发明的DSP响应位置信号延迟实测波形图。
图4是本发明的三种模式位置信号响应延迟实测波形图。
图5是本发明的控制算法对比实验转速曲线图(0-1000-2000-1000r/min)。
图6是本发明的模糊控制转速阶跃响应曲线。
图7是本发明的开环运行PWM占空比递增转速实测曲线。
图8是本发明的转速闭环阶跃响应曲线。
图9是本发明的转速闭环负载扰动实验转速曲线图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行进一步阐述。
开关磁阻电机调速控制实验系统由三相12/8极小功率SRM(额定转矩1.0N·m,额定电压DC12V)、DSP控制器、FPGA控制器、驱动电路、功率变换器、电流传感器、位置传感器、转速测量装置、示波器、辅助电源系统和主电电源等部分构成,其结构如图1所示。
辅助电源系统为控制器和驱动电路供电,主电电源为功率变换器供电,给电机提供能量。PC机作为程序开发的载体,通过仿真器与控制电路板相连,作为上位机与控制电路板串口互联。示波器是实验测试装置,用于采集转速、电流波形。图2为实验平台的实拍照片。其中图2(a)为实验样机,图2(b)为功率变换器,图2(c)为DSP控制器和驱动电路,图2(d)为FPGA控制器和驱动电路。
设置DSP(TMS320F28335)捕获单元ECAP在输入信号上升沿时产生中断。中断服务子程序首先根据位置信号,控制对应相开通关断的延迟实验测试波形如图3(a)所示;中断服务子程序首先测速,即执行一段测速代码,然后根据位置信号控制对应相开通关断的延迟实测波形如图3(b)所示。
分别采用三种模式对FPGA位置信号延迟进行实验测试。组合逻辑模式位置信号响应延迟实测波形如图4(a)所示;扫描模式位置信号响应延迟实测波形如图4(b)所示;边沿检测模式位置信号响应延迟实测波形如图4(c)所示。
设计了PI、FUZZY两种控制程序,图5给出两种控制程序下的调速曲线。采用PI控制并对参数进行调整,获得较好的调速曲线如图5(a)所示,采用 FUZZY控制时,同等条件下调速曲线如图5(b)所示。分析图5,PI、Fuzzy控制算法都具有调节转速的作用。由于PI是线性调节器,直接应用与开关磁阻电机这样的强非线性系统中时效果并不理想,图4(a)显示该算法应用于SRM调速时候,出现了较大的超调量,较长的调节时间。相反,图4(b)中Fuzzy控制算法的非线性和专家经验化参数设计,则实现了较好转速闭环控制,其超调量小,转速平稳。
上文验证了在SRM电机调速时,Fuzzy控制的效果优于PI控制。图6给出 Fuzzy控制下,不同给定转速的阶跃响应曲线。其中图6(a)给定转速阶跃信号为0-600-1000-600-0r/min,图6(b)给定转速阶跃信号为0-800-1200-800r/min。
图7给出固定开通角0°机械角度,关断角15°机械角度,PWM占空比从0 以10%递增到100%情况下,SRM空载转速曲线。
分析图7,开环空载下,PWM占空比线性递增,稳定转速并非线性递增,这是以电压PWM方式调速时候采取非线性模糊控制的原因之一。开环运行下,由于电压PWM占空比固定,供电电压的波动、负载的变化都会导致转速的不稳定,图中可以看出,速度上升后逐渐下降,这是由于功率变换器、电机绕组温度升高、损耗增加而导致实际形成转矩的电流有所下降导致的。
图8给出转速闭环模糊控制下,不同目标转速的实际转速阶跃响应曲线。其中8(a)为400r/min目标转速,8(b)为600r/min目标转速,8(c)为800r/min 目标转速,8(d)为1000r/min目标转速,8(e)为1400r/min目标转速,8(f) 为1800r/min目标转速。
为检验基于FPGA的SRM嵌入式控制系统模糊控制策略的抗负载扰动性能,进行突加负载和突卸负载实验。图9(a)为1000r/min目标转速时负载扰动实测波形图,图9(b)为1800r/min目标转速时负载扰动实测波形图。

Claims (4)

1.一种开关磁阻电机嵌入式控制系统,其特征在于,系统硬件设计包含以下步骤:
A.外电路设计。功率变换器采用三相不对称半桥结构,每相由两个开关管和两个续流二极管构成,虽然所用器件较多,但能实现各相绕组供电的完全独立控制,比较灵活,且容错性能较好。驱动电路采用集成控制芯片IR2110,一片IR2110芯片可以同时驱动两个MOSFET,三相不对称半桥式功率变换器共需3片IR2110。位置检测采用光电式位置全数检测方法,共需三只光电传感器,依次错开60°角,分布在机壳同一个圆周上。将一只光电传感器固定于某相定子极中心线下侧11.25°处,另外两个光电传感器分别安装于该相定子极中心线下侧71.25°和131.25°处。遮光盘极数与转子相对应,为八齿八槽,且齿槽宽度相等,均匀布置于圆周。电流检测电路使用霍尔传感器,为获得较好的电流信息,采用两级运放电路进行耦合隔离,构成信号调理电路;为防止输出电压超出0-3.3V的范围,在末端设计了二极管钳位电路。
B.控制电路板设计。FPGA电源模块选择稳压电源芯片LM1117-3.3V、LM1117-2.5V和LM1117-1.2V,其输出电流最大值为800mA,可以满足一般系统的需要,以5V直流电源供电,稳定输出FPGA所需的3.3V、2.5V和1.2V电压,采用LM1117的供电电路结构简单,成本很低。FPGA时钟电路采用50MHz和30MHz两片有源晶振分别构成两路外部时钟电路,输入到FPGA内clk类引脚,配置中,可选择不同的时钟频率适应不同的需求。DSP电源模块选用美国TI公司的双路输出的低压差电压调整器TPS767D301,TPS767D301片内有两个电压调整器,支持独立供电,输出电压一路固定为3.3V,另一路可通过外接电阻进行调节,其电压范围为1.5~5.5V。DSP时钟电路采用外部时钟和利用芯片内部晶体振荡器为TMS320F28335提供时钟输入,时钟输入引脚前端串联22Ω小电阻进行阻抗匹配,防止串扰和浪涌电流,减小高频噪声和边沿过冲。DSP系统调试中采用XDS510-USB仿真器通过JTAG(IEEE.1149标准协议的JointTest Action Group)接口对DSP进行访问。实现在线仿真调试、程序下载固化等。
C.位置信号整形与光电隔离电路设计。以高速光电隔离器件6N137为界,其前级电路CD40106是带有施密特触发器功能的反相器,以15V供电,对位置信号进行初步整形,后级74LS04为TTL非门器件,以5V供电。该电路实现了对位置信号的隔离和整形,消除了毛刺,给控制器进行开通关断相的切换提供了可信的位置信息。
2.根据权利要求1中所述的开关磁阻电机嵌入式控制系统的硬件设计,对开关磁阻电机嵌入式控制系统进行延迟性能测试。开关磁阻电机运行必须实时检测定转子的相对位置,因此,位置信号检测与处理是至关重要的一个环节,影响控制策略的实现,关系到整个系统控制性能的好坏。采用光电传感器进行定转子相对位置的检测,控制板又对位置信号进行了波形调理、光电隔离、电平转换,其间不可避免存在传输延迟;同时嵌入式控制器处理位置信号存在算法延迟和传输延迟。以上延迟使得位置信号输入和开关信号输出间并不是瞬时对应的。
3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机嵌入式控制系统,对PI控制算法和Fuzzy控制算法进行控制效果比较。PI子程序是数字增量式PI算法的具体实现,其控制参量为转速偏差和转速偏差的变化,控制输出为PWM占空比增量。Fuzzy子程序是模糊控制算法的具体实现,模糊控制采用查表法实现,即用转速偏差和转速偏差的变化量作为行列参数的依据,查找模糊控制表,给出PWM占空比增量,并计算当前PWM占空比输出值。
4.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机嵌入式控制系统,其特征在于:控制器方面,FPGA、DSP均可实现对SRM电机的控制,且均能实现不同的控制算法,其中FPGA在逻辑处理方面的的性能优于DSP,但是DSP设计比较成熟,开发较容易。算法方面,由于SRM系统的非线性特点,采用线性PI控制器效果不佳,而采用融合专家经验的Fuzzy控制器则取得了很好的效果,具有响应迅速,转速平稳,抗负载扰动能力强的优点。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010026138A1 (en) * 2000-03-30 2001-10-04 Lim Jun-Young Single-phase switched reluctance motor driving apparatus and method
CN101202526A (zh) * 2007-10-19 2008-06-18 河北工业大学 单电流传感器的开关磁阻电机控制装置及其实现方法
CN107979308A (zh) * 2016-10-21 2018-05-01 南京理工大学 一种开关磁阻电机的控制系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010026138A1 (en) * 2000-03-30 2001-10-04 Lim Jun-Young Single-phase switched reluctance motor driving apparatus and method
CN101202526A (zh) * 2007-10-19 2008-06-18 河北工业大学 单电流传感器的开关磁阻电机控制装置及其实现方法
CN107979308A (zh) * 2016-10-21 2018-05-01 南京理工大学 一种开关磁阻电机的控制系统

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