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1、中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集 基于 DSP 的大功率开关磁阻电机全数字控制系统 在矿山绞车上的应用 谭国俊 王思建 蒯松言 郭秋敏 中国矿业大学，江苏 徐州 221008 摘 要 本文设计了一种大功率开关磁阻电机（SRM）全数字控制系统。该系统采用高性能的数字信号处理器（DSP）TMS320F2812 和单片机（MCU）89C52 主-从双处理器结构，为了减少外围分立器件，增加系统可靠性和抗干扰性，应用了复杂可编程逻辑器件（CPLD）EPM7064S；控制策略采用电流斩波控制（CCC） 。132KW 大功率 SRM 控制系统成功应用于矿山矸石山绞车，由现场运行结果表明：速度
2、跟踪性能和抗干扰能力强，电流波形接近理想方波，完全满足了工业现场的应用需求。进一步验证了该系统设计的合理性。 关键词 开关磁阻电机、SRM、DSP、CPLD、大功率 A Fully Digital Control System for High Power Switched Reluctance Motor for Mine Hoist based on DSP Abstract-A high performance fully digital control system for the control of a high power Switched Reluctance Motor (S
3、RM) for mine hoist system has been presented in this paper. Dual processors architecture is adopted in this system based on high performance Digital Signal Processor (DSP) TMS320F2812 and Micro Controller Unit (MCU) 89C52. Complex Programmable Logic Device (CPLD) EPM7064S instead of some apart devic
4、es is used in order to simplify the exterior circuit and improve the reliability of the system. 132KW high power SRM control system is applied successfully to a hoist carrying waste rocks of mine. The results indicate that the speed tracking performance is prompt, anti-disturbance is strong and the
5、current is close to ideal square waveform. The system is fully met the industry need demonstrate that the system is designed reasonably. Keywords- Switched Reluctance Motor, SRM, DSP, CPLD, high power 1引言 随着微电子技术和微处理器的发展，电机控制技 术也取得的突破性发展。开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)是最近十年来才引起人 们注意的一种新型机电一体
6、化可调速电机，由于其内 部没有转子绕组，具有永磁性能，因此结构简单坚固、 价格低廉、可靠性高。开关磁阻电机驱动系统(SRD) 仅需要单方向电流,因此基于IGBT的电力电子驱动电 路简单可靠，具有灵活的可控性,易于实现四象限运 行， 系统动态响应快,在宽广的转速和功率范围内都具 有高输出和高效率。 SRD启动及低速时转矩大,转速调 节范围大。 SRD各相独立工作,在缺相的情况下仍能运 行,系统容错能力强。SRM用作驱动系统,与直流、交 流驱动系统相比,在结构、性能、体积和成本等各方面都具有很大的优势,使得SRD特别适合作为煤矿井下、 井上大功率防爆绞车驱动系统。 本文为矸石山绞车开发了132KW
7、大功率开关磁阻 电机调速系统。首先分析了开关磁阻电机的数学模型 及控制原理，然后设计了一种基于DSP、MCU的主- 从双处理器和CPLD的全数字通用控制器， 采用数字电 流斩波控制方式，编写了双闭环控制软件；现场运行 表明，该系统设计合理。 2开关磁阻电机的数学模型 相数为m的开关磁阻电机理想线性矩阵方程： U+=)(RLdtd1(1) 中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集 lrrTd)(dL JJD dtd= 121(2) rdtd= (3) i)(L1= (4) 其中： U相电压列矢量，T m)U,U,U(?21=U； i相电压列矢量，T m)i ,i ,i (?21=i； 相
8、电压列矢量，T m),(=?21； R相绕组电阻方阵，R,R,RdiagRm?21=； )(L1相电感方阵的逆阵，)(L/,),(L/),(L/diag)(Lm=111211?。 lT负载转矩；D为摩擦系数；J为转动惯量；r为角速度。 SRM 的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势 而产生的。通常 SRM 的转矩根据磁共能计算，即 ),i(W) i ,T(= (5) 式中： 转子位置角； i绕组电流。 基于线性模型，上式可简化为， ddLiLi),i(T22 21 21= (6) 3电流斩波控制（CCC） 开关磁阻电机工作在电动模式下时，在运动电势 的抑制下电流变化平缓因此相对容易控制。通常采用
9、 与直流电动机调速系统类似的控制方法，对相电流进 行采样，将给定的电流与反馈电流差值作为 PWM 的 占空比计算依据，对电流进行闭环 PI 调节。 开关磁阻电机工作在制动模式下，电磁转矩方向 与转速方向相反。从轴上输入的机械能转变为电能。 如果没有位能负载拖动，在制动转矩的减速作用下， 转子很快被制动到转速为零。理想的电动制动、电流 波形如图 1 所示： 制动状态)(irefiLmax电动状态)(i)(i)(L123456efabcd图 1 系统理想的电动制动、电流波形 在图 1 中，a到b区间处于电机电动运行的励磁阶段，2到3是输出有效电动转矩阶段，c到d是该相关断区间。在励磁阶段，由于相电
10、感较小，故该 相电流很快建立达到电动电流refi。在2到c通过PWM 来保持电流的理想方波状态。c到d间迅速关断开关管，避免相电流续流到电感下降区间对转矩产 生反作用。 同样的，e到f区间处于电机制动运行的励磁阶段，f到5区间是输出有效制动转矩阶段，5到6是该相关断区间。在励磁阶段，由于相电感较大，故用 较大的占空比同时开通两个 IGBT， 使得该相电流尽快 建立达到制动电流refi。在f到5区间，主要克服反电动势， 使得电流维持在refi附近。在开通角和关断角固定的情况下采用一主开关管始终关断，另一开关管 PWM 斩波且其占空比由反电动势 EMF 的大小决定。5到6区间迅速关断开关管， 避免
11、相电流续流到电感上升区间。 4系统主回路 根据系统实际需求， 选用 IGBT 作为系统的功率变 换单元，采用了不对称半桥的拓扑结构，系统的主回 路方案如图 2 所示： L1L2L3JMRSTC1JM1JM2JR0R1C2I1AC3I2C4I3C5V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD0LALBLC图 2 主回路方案 图 2 中，L1、L2、L3 为滤波电抗器，C1 为滤波 电容，两者的作用是为了避免系统产生的高次谐波对 主电网造成影响。 当 SRD 系统的功率电路和交流电网中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集 接通时, 若回路中没有限制电流的元件, 则合闸
12、瞬间 整流电路中大的储能电容将电源短路, 电路中有较大 的浪涌电流。限制合闸浪涌电流的方法是在储能电容 回路串入限流电阻。合闸瞬间, 充电电阻 R0 串入电 容充电回路, 当充电完毕时, J 闭合将 R0 短接。R1 为放电电阻，是由 DSP 控制其所在支路开关的，当直 流母线上的电压高于预定数值的时候就打开此支路进 行放电。 电容组 C2 为充放电电容， 其作用为的是避免 在系统状态转换时电压冲击。I1、I2、I3 为三个 LEM 电流互感器，在进行处理后进入 DSP 控制系统进行 A/D 转换， 为双闭环系统中电流闭环的反馈。 LA， LB， LC 为开关磁阻电机的三个绕组。VD1VD6
13、为 IGBT 的续流二极管。 5控制器硬件和软件设计 5.1 控制器硬件设计 该控制系统是专为矿山矸石山绞车所设计的，由 于矿山电磁环境十分恶劣，并考虑到为以后系统升级 需要，因此对硬件设计基本要求为：强大的数学运算 能力，外设资源丰富，可靠性高，抗干扰能力强。 图 3 双处理器硬件结构框图 双处理器结构框图如图 3 所示，该控制系统主回 路采用以 IGBT 为功率变换单元的不对称半桥拓扑结 构；控制器由 DSP、MCU、双口 RAM、CPLD、存储 器和各种外围电路组成,外围电路主要包括:位置信号 输入电路、电流检测电路、过流检测电路、电压检测 电路、IGBT 驱动电路、键盘、显示电路和串口
14、通讯等。 5.1.1 主-从处理器 主处理器（TMS320F2812）采用TI公司专为数字 电机控制开发的新型混合信号32位DSP,该芯片可提 供每秒1.5亿次指令(150MIPS)，单周期32x32位MAC 功能,片上资源十分丰富，基于C/C+高效32位 TMS320C28TMxDSP核心，并可由虚拟浮点数学函数库来提供支持，该IQ数学函数库可大大简化多应用开 发系统，这种结合使设计人员在很短的时间内就可将 浮点算法通过端口与定点处理器相连。DSP主要完成 控制算法和PWM波形生成，由于F2812内部集成了两 组空间矢量PWM状态机、可编程的硬件死区单元，捕 获单元等功能， 因此非常适合开关
15、磁阻电机控制场合； 从处理器采用8位ATMEIL89C52MCU实现系统的外围 接口，包括负责I/O数据采集、键盘、显示和串口通讯 等慢速事件。 5.1.2 双口 RAM 主-从处理器之间靠双口RAM CY7C131实现数据 共享和传递控制信息。CY7C131具有两套相互独立、 完全对称的地址总线、数据总线和控制总线，它允许 两个CPU 同时读取任何存储单元（包括同时读同一地 址单元），但不允许同时对同一地址单元写或一读一 写，否则就会发生错误。双口RAM 中引入了仲裁逻 辑（忙逻辑）电路来解决这个问题：在双口RAM 的两 套控制线中, 各有一个BUSY引脚。 当两端的CPU不对 双口RAM的同一地址单元存取时, BUSYL=H、 BUSYR=H,可正常存储；当两端的CPU对双口RAM同 一地址单元存取时, 哪个端口的存取请求信号出现在 后, 则其对应的BUSY=L, 禁止其存取数据；在无法 判定两个端口存取请求信号出现的先后顺序时, 控制 线BUSYL、
