摘要  設(shè)計(jì)了一種大功率開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）全數(shù)字控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）TMS320F2812和單片機(jī)（MCU）89C52主-從雙處理器結(jié)構(gòu)，為了減少外圍分立器件，增加系統(tǒng)可靠性和抗干擾性，應(yīng)用了復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）EPM7064S；控制策略采用電流斬波控制（CCC）。132 kW大功率SRM控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于礦山矸石山絞車(chē)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明速度跟蹤性能和抗干擾能力強(qiáng)，電流波形接近理想方波，完全滿(mǎn)足了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求。進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。 
    關(guān)鍵字  開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī);數(shù)字信號(hào)處理器；復(fù)雜可編程邏輯器件；大功率 
A Fully Digital Control System for High Power Switched Reluctance Motor for Mine Hoist based on DSP 
TAN Guojun,WANG Sijian,KUAI Songyan,GUO Qiumin 
(China Universtiy of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu 221008,China) 
    Abstract  A high perbbbbance fully digital control system for the control of a high power switched reluctance motor (SRM) for mine hoist system has been presented. Dual processors architecture based on high perbbbbance digital signal processor (DSP) TMS320F2812 and micro controller unit (MCU) 89C52 is adopted in this system. Complex programmable logic device (CPLD) EPM7064S instead of some discrete devices is used in order to simplify the exterior circuit and improve the reliability of the system. 132 kW high power SRM control system is successfully applied to a hoist carrying waste rocks of mine. 
    Keywords  switched reluctance motor(SRM);DSP;CPLD; high power  
   

 0 引言

隨著微電子技術(shù)和微處理器的發(fā)展，電機(jī)控制技術(shù)也取得的突破性發(fā)展。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor,簡(jiǎn)稱(chēng)SRM)是最近十年來(lái)才引起人們注意的一種新型機(jī)電一體化可調(diào)速電機(jī)，由于其內(nèi)部沒(méi)有轉(zhuǎn)子繞組，具有永磁性能，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、價(jià)格低廉、可靠性高。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)僅需要單方向電流,且各相獨(dú)立工作,在缺相的情況下仍能運(yùn)行,系統(tǒng)容錯(cuò)能力強(qiáng)。SRM用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),與直流、交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比,在結(jié)構(gòu)、性能、體積和成本等各方面都具有很大的優(yōu)勢(shì), 使得SRD特別適合作為煤礦井下、井上大功率防爆絞車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

本文為矸石山絞車(chē)開(kāi)發(fā)了132 kW大功率開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。首先分析了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制原理，然后設(shè)計(jì)了一種基于DSP、MCU的主—從雙處理器和CPLD 的全數(shù)字通用控制器，采用數(shù)字電流斬波控制方式，編寫(xiě)了雙閉環(huán)控制軟件；現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

相數(shù)為m的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)理想線性矩陣方程為

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式中：U為相電壓列矢量，U=(U1,U2,……，Um)T；

i為相電流列矢量，i=（i1,i2,……,im）T；

Ψ為相繞阻磁鏈列矢量，Ψ=(Ψ1, Ψ2……，Ψm)T；

R為相繞組電阻方陣，R=diag[R1,R2,……，Rm]；

L-1(θ)為相電感方陣的逆陣，L-1(θ)=diag[1/L1(θ)，1/L2(θ),……1/Lm(θ)];

T1為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

D為摩擦系數(shù)；

J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ωr為角速度。

SRM 的轉(zhuǎn)矩是由磁路選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)而產(chǎn)生的。通常SRM的轉(zhuǎn)矩根據(jù)磁共能計(jì)算，即

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式中：θ為轉(zhuǎn)子位置角；

i為繞組電流。

基于線性模型，式（5）可簡(jiǎn)化為

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2 電流斬波控制（CCC）

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)工作在電動(dòng)模式下時(shí)，在運(yùn)動(dòng)電勢(shì)的抑制下電流變化平緩，因此相對(duì)容易控制。通常采用與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)類(lèi)似的控制方法，對(duì)相電流進(jìn)行采樣，將給定的電流與反饋電流差值作為PWM 的占空比計(jì)算依據(jù)，對(duì)電流進(jìn)行閉環(huán)PI 調(diào)節(jié)。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)工作在制動(dòng)模式下，電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反。從軸上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。如果沒(méi)有位能負(fù)載拖動(dòng)，在制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減速作用下，轉(zhuǎn)子很快被制動(dòng)到轉(zhuǎn)速為零。理想的電動(dòng)制動(dòng)、電流波形如圖1所示。

在圖1中，θa到θb區(qū)間電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行的勵(lì)磁階段，θ2到θ3區(qū)間是輸出有效電動(dòng)轉(zhuǎn)矩階段，θc到θd是該相關(guān)斷區(qū)間。在勵(lì)磁階段，由于相電感較小，故該相電流很快建立并達(dá)到電動(dòng)電流iref 。在θ2到θc通過(guò)PWM 來(lái)保持電流的理想方波狀態(tài)。θc到θd區(qū)間迅速關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，避免相電流續(xù)流到電感下降區(qū)間對(duì)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生反作用。

同樣的，θe到θf(wàn)區(qū)間電機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行的勵(lì)磁階段，θf(wàn)到θ5區(qū)間是輸出有效制動(dòng)轉(zhuǎn)矩階段，θ5到θ6是該相關(guān)斷區(qū)間。在勵(lì)磁階段，由于相電感較大，故用較大的占空比同時(shí)開(kāi)通兩個(gè)IGBT，使得該相電流盡快建立并達(dá)到制動(dòng)電流iref。在θf(wàn)到θ5區(qū)間，主要克服反電動(dòng)勢(shì)，使得電流維持在iref附近。在開(kāi)通角和關(guān)斷角固定的情況下采用一主開(kāi)關(guān)管始終關(guān)斷，另一開(kāi)關(guān)管PWM斬波且其占空比由反電動(dòng)勢(shì)EMF的大小決定。θ5到θ6區(qū)間迅速關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，避免相電流續(xù)流到電感上升區(qū)間。

3 系統(tǒng)主回路

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，選用IGBT作為系統(tǒng)的功率變換單元，采用了不對(duì)稱(chēng)半橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的主回路方案如圖2所示。

圖2 中，L1、L2、L3 為濾波電抗器，C1 為濾波電容，兩者的作用是為了避免系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波對(duì)主電網(wǎng)造成影響。當(dāng)SRD系統(tǒng)的功率電路和交流電網(wǎng)接通時(shí), 若回路中沒(méi)有限制電流的元件, 則合閘瞬間整流電路中大的儲(chǔ)能電容將電源短路, 電路中有較大的浪涌電流。限制合閘浪涌電流的方法是在儲(chǔ)能電容回路串入限流電阻R0。合閘瞬間R0串入電容充電回路,當(dāng)充電完畢時(shí), J閉合將R0短接。R1為放電電阻，是由DSP控制其所在支路開(kāi)關(guān)的，當(dāng)直流母線上的電壓高于預(yù)定數(shù)值的時(shí)候就打開(kāi)此支路進(jìn)行放電。電容組C2為充放電電容，其作用為的是避免在系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)電壓沖擊。I1、I2、I3 為三個(gè)LEM電流互感器，在進(jìn)行處理后進(jìn)入DSP控制系統(tǒng)

進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，為雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流閉環(huán)的反饋。LA，LB，LC為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的三個(gè)繞組。VD1～VD6 為IGBT的續(xù)流二極管。

4 控制器硬件和軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

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該控制系統(tǒng)是專(zhuān)為礦山矸石山絞車(chē)所設(shè)計(jì)的，由于礦山電磁環(huán)境十分惡劣，并考慮到以后系統(tǒng)升級(jí)需要，因此對(duì)硬件設(shè)計(jì)基本要求為強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，外設(shè)資源豐富，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

雙處理器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，該控制系統(tǒng)主回路采用以IGBT 為功率變換單元的不對(duì)稱(chēng)半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；控制器由DSP、MCU、雙口RAM、CPLD、存儲(chǔ)器和各種外圍電路組成,外圍電路主要包括位置信號(hào)輸入電路、電流檢測(cè)電路、過(guò)流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤(pán)、顯示電路和串口通訊等。

4.1.1 主- 從處理器

主處理器（TMS320F2812）采用TI 公司專(zhuān)為數(shù)字電機(jī)控制開(kāi)發(fā)的新型混合信號(hào)32 位DSP,該芯片可提供每秒1.5億次指令(150MIPS)，單周期32x32位MAC 功能,片上資源十分豐富，基于C/C++ 高效32位TMS320C28xTM DSP核心，并可由虛擬浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)來(lái)提供支持，該IQ數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)可大大簡(jiǎn)化多應(yīng)用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，這種結(jié)合使設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)就可將浮點(diǎn)算法通過(guò)端口與定點(diǎn)處理器相連。DSP 主要完成控制算法和PWM 波形生成，由于F2812內(nèi)部集成了兩組空間矢量PWM狀態(tài)機(jī)、可編程的硬件死區(qū)單元，捕獲單元等功能，因此非常適合開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制場(chǎng)合；從處理器采用8 位ATMEIL89C52MCU實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的外圍接口，包括負(fù)責(zé)I/O數(shù)據(jù)采集、鍵盤(pán)、顯示和串口通訊等慢速事件。

4.1.2 雙口RAM

主- 從處理器之間靠雙口RAMCY7C131 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和傳遞控制信息。CY7C131具有兩套相互獨(dú)立、完全對(duì)稱(chēng)的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，它允許兩個(gè)CPU同時(shí)讀取任何存儲(chǔ)單元（包括同時(shí)讀_%o__同一地址單元），但不允許同時(shí)對(duì)同一地址單元寫(xiě)或一讀一寫(xiě)，否則就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。雙口RAM中引入了仲裁邏輯（忙邏輯）電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：在雙口RAM的兩套控制線中,各有一個(gè)BUSY引腳。當(dāng)兩端的CPU不對(duì)雙口RAM的同一地址單元存取時(shí), BUSYL=

H、BUSYR=H,可正常存儲(chǔ)；當(dāng)兩端的CPU 對(duì)雙口RAM同一地址單元存取時(shí),哪個(gè)端口的存取請(qǐng)求信號(hào)出現(xiàn)在后,則其對(duì)應(yīng)的BUSY=L,禁止其存取數(shù)據(jù)；在無(wú)法判定兩個(gè)端口存取請(qǐng)求信號(hào)出現(xiàn)的先后順序時(shí),控制線BUSYL、BUSYR只有一個(gè)為低電平。這樣,就能保證對(duì)應(yīng)于BUSY=H 的端口能進(jìn)行正常存取,對(duì)應(yīng)于BUSY=L的端口不能存取,從而避免了兩個(gè)CPU同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)地址資源而引發(fā)錯(cuò)誤的可能。

然而，由于DSP 為低功耗，其邏輯電平電壓等級(jí)為3.3V與CY7C131 邏輯電平并不匹配，不能直接將它們的數(shù)據(jù)線和地址線相連。本系統(tǒng)采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVT16245實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。將DSP設(shè)為L(zhǎng)(左CPU)，單片機(jī)設(shè)為R(右CPU)，則其原理圖如圖4 所示，A0H～A9H 是DSP通過(guò)SN74LVTH245驅(qū)動(dòng)后的5V 電平的地址總線，D0H～D7H 是DSP 通過(guò)SN74LVTH245驅(qū)動(dòng)后的5V電平的數(shù)據(jù)總線，它們分別連接到CY7C131 的L 端的地址數(shù)據(jù)總線上。AD0～AD7是單片機(jī)的P0口地址數(shù)據(jù)復(fù)用口，連接到CY7C131 的R 端的數(shù)據(jù)總線上，B0～B9 則是單片機(jī)的10位地址總線連接到了CY7C131的R端地址總線上。R/WA和R/WB是DSP 和89C52 對(duì)雙口RAM 的讀寫(xiě)控制信號(hào)。HBUSYL 和BUSYR 分別代表兩個(gè)處理器對(duì)同一地址的讀寫(xiě)沖突。CS1A 和

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CS1B 是DSP和單片機(jī)的地址、讀寫(xiě)控制、空間分配信號(hào)進(jìn)入CPLD進(jìn)行地址譯碼的輸出，指示了雙口RAM在兩個(gè)處理器中的地址。

CY7C131 為1K×8 位雙口RAM，故DSP 和MCU交換數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位。DSP對(duì)雙口RAM讀、寫(xiě)時(shí)高8位數(shù)據(jù)線無(wú)效。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)DSP將采集和運(yùn)算得到的速度、電流、電壓通過(guò)雙口RAM 傳給單片機(jī)。單片機(jī)也可以將采集到的鍵盤(pán)輸入和通訊參數(shù)通過(guò)雙口RAM送給DSP處理。

4.1.3 復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）

選用了復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD），不僅使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品達(dá)到小型化、集成化、高可靠性和抗干擾性, 大大縮短了設(shè)計(jì)周期, 減少了設(shè)計(jì)費(fèi)用, 而且CPLD還具有在系統(tǒng)編程(In-System Programmable,簡(jiǎn)稱(chēng)ISP)能力,使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、更新與維護(hù)變得非常方便。

CPLD1(EPM7064S)芯片在系統(tǒng)中主要起到保護(hù)功能，DSP的可靠復(fù)位，轉(zhuǎn)子位置脈沖處理，DSP 外部I/O空間地址分配，單片機(jī)地址分配管理，雙口RAM 讀寫(xiě)控制等；另外CPLD2 (XC9572) 芯片主要起到PWM脈沖隔離及再分配處理作用。

4.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)軟件采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)———速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，通過(guò)簡(jiǎn)化磁鏈法比較得出的速度反饋信號(hào)與速度給定相減作為PI調(diào)節(jié)器的輸入。速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為內(nèi)環(huán)的電流給定, 與傳感器測(cè)到的實(shí)際電流值比較形成電流偏差，作為電流調(diào)節(jié)器的給定，通過(guò)電流調(diào)節(jié)器輸出的PWM信號(hào)控制電機(jī)繞組上電流的大小。

本文采用簡(jiǎn)化磁鏈法估算換相位置。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的一相電壓方程為

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從而一相繞組磁鏈表達(dá)式為

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如果已知時(shí)刻0到時(shí)刻賊間每一時(shí)刻的電壓值怎和電流值蚤以及時(shí)刻0的初始磁鏈值Ψ(0) ,就可以積分算出繞組當(dāng)前時(shí)刻賊的實(shí)際磁鏈鬃。轉(zhuǎn)子位置茲為繞組磁鏈鬃和繞組電流蚤的函數(shù),并且可以證明其為單值函數(shù)。如果已知當(dāng)前時(shí)刻賊的繞組磁鏈鬃和繞組電流蚤,則可以知道轉(zhuǎn)子位置茲。電機(jī)單相輪流導(dǎo)通時(shí),只要判斷是否已達(dá)到換向位置，因此只需將對(duì)應(yīng)當(dāng)前電流的換向位置磁鏈與積分計(jì)算得到的估算磁鏈相比較。算法實(shí)現(xiàn)時(shí)測(cè)試存儲(chǔ)最大電感位置的磁鏈—電流曲線, 然后從當(dāng)前電流查到對(duì)應(yīng)最大電感位置的參考磁鏈。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)需要考慮主、從處理器之間的同步問(wèn)題。在實(shí)際使用中采用雙口RAM中的幾個(gè)地址完成同步。DSP在初始化過(guò)程中將00H地址設(shè)置為00H，單片機(jī)在復(fù)位完成后將00H改寫(xiě)為FFH，DSP在檢查到00H地址內(nèi)容改變后，雙方同步即可完成。

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主處理器DSP程序包括磁鏈計(jì)算、電流環(huán)程序和速度環(huán)程序。這三個(gè)程序均由DSP定時(shí)中斷服務(wù)程序完成。DSP完成相繞組電壓、電流A/D采樣并實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前磁鏈的大小，由磁鏈值和事先存儲(chǔ)在內(nèi)存中換向位置磁鏈值比較，得出換向信號(hào)。同時(shí)還要完成速度環(huán)和電流環(huán)，并由電流環(huán)給出IGBT 的PWM脈沖。圖5給出了部分中斷程序流程圖

5 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果

132 kW大功率開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)全數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用于平頂山礦業(yè)集團(tuán)十礦矸石山絞車(chē)，現(xiàn)場(chǎng)電流實(shí)測(cè)波形如圖6、圖7所示。

由圖6和圖7的電動(dòng)和制動(dòng)電流斬波波形及重載運(yùn)行時(shí)的電流波形可以看出系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)電流波形接近理想方波, 說(shuō)明電機(jī)的電流控制方法與系統(tǒng)軟硬件結(jié)合完好。

圖8中速度給定（下通道）及實(shí)際速度測(cè)量結(jié)果（上通道）表明系統(tǒng)的超調(diào)量小于5％，證明速度跟隨性能好。

6 結(jié)語(yǔ)

132 kW大功率SRM控制系統(tǒng)成功地應(yīng)用于礦山矸石山絞車(chē)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明速度跟蹤性能和抗干擾能力強(qiáng)，電流波形接近理想方波，完全滿(mǎn)足了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求，這進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

作者簡(jiǎn)介：
 
    譚國(guó)俊(1962- ),男, 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,主要從事電力電子與電力傳動(dòng)、電機(jī)及其控制方面的教學(xué)與研究。
 
參考文獻(xiàn)： 
 
   

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