基于DSP的开关磁阻电机驱动系统的设计

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    摘要：根据SRM工作原理，设计了基于DSP56F805的三相（6/4）SRM双闭环驱动系统。分析了一种三相SRM起动方法，对速度和电流环分别采用了积分分离PI控制算法和增量式PID控制算法。合理的硬件资源利用和较好的控制软件设计，使得SRM运行稳定可靠，相电流波形得到改善。
关键词：SRM；DSP56F805；起动；积分分离PI；增量式PID

0.引言

开关磁阻电机SRM（Switched Reluctance Motor）是典型的机电一体化系统，具有结构简单，运行可靠，效率高及成本低等突出优点。 本文选用Motorola公司开发的专门用于电机控制的16 位定点DSP芯片DSP56F805设计了三相（6/4）SRM双闭环驱动系统。该芯片指令执行速度快，资源丰富，为高性能的开关磁阻电机的控制提供了可靠的信息处理与控制。

1．SRM驱动系统的描述

SRM驱动系统主要由SRM、控制器、功率变换器、位置检测装置和电流检测装置等组成。本文设计的开关磁阻电机驱动系统采用速度电流双闭环的控制方式，其系统结构框图如图1所示。

位置检测装置对SRM的转子位置进行检测，为任意时刻转子的速度计算和换相逻辑控制提供依据。电流检测装置用于检测电机的相电流，以实现对电机相电流的控制。控制器要实现的功能有：根据转子的位置信息完成转子速度计算及确定导通相；根据转速偏差，利用速度调节器完成速度环的控制；根据速度调节器输出的参考电流数值与反馈相电流数值的偏差，通过电流调节器完成电流环的控制；根据速度调节器输出的参考电流数值及实际转速情况，通过角度控制确定相应的开通角和关断角；根据转子位置信息完成换向逻辑控制；通过PWM发生器向功率变换器输出逻辑电平型的脉宽调制信号PWM。通过功率变换器驱动电机的转动。

图1 SRM调速系统的结构框图

2.控制电路硬件部分设计

控制电路根据外部输入，综合处理电机转子位置、电流、电压和温度等反馈信号，通过分析计算，按一定的控制策略向功率变换器发出PWM控制信号，以控制电机的运转。同时，该电路还具有过压和超温等保护功能。以DSP56F805为核心的控制电路硬件结构图如图2所示。

图2  控制电路硬件结构框图

键盘信号从DSP56F805的GPIO口引入，通过键盘操作实现转速、转向、温度和电压等设定。数码显示通过SPI口来驱动，用于显示电机转速等信息。相电流、电压和温度信号输入到ADC模块进行模数转换，以满足控制的需要。正交解码器的PHASEA0、PHASEA1和PHASEB0分别捕获三路霍尔位置传感器的跳变沿信号，用以计算电机转速以及获取转子位置信息。同时，这些传感器信号也被引入到3个GPIO口，控制芯片也可通过查询这3个口的电平获取转子位置信息。DSP56F805芯片的脉宽调制模块PWMA产生六路PWM方波信号。其中，PWMA0～PWMA2控制功率变换器高端3个IGBT，其输出的PWM波形受电流调节器输出信号的控制，通过改变PWM波形的占空比实现电机转速的调节；PWMA3～PWMA5控制功率变换器低端的3个IGBT，其输出PWM波形受开通关断角及转子位置信息控制，以实现逻辑换向控制。通过SCI口实现电机驱动系统与上位机的通讯。

3.控制系统的实现

3.1位置检测与速度估算

系统采用3个霍尔传感器进行位置检测。这3个传感器间隔120。，当电机转子转动到相电感最大处时，相应霍尔传感器就产生上跳沿，表明转子和定子到达对齐位置。这样，从3个霍尔传感器输出的3路方波信号周期为90。，且相位差为15。（如图3所示）。DSP56F805通过正交解码器的PHASEA0、PHASEB0和PHASEA1捕获这三路传感器信号的跳变沿；同时，也可通过查询相应的三个GPIO口电平，获取转子位置信息。

图3  三路霍尔传感器输出信号

在电机正常运转的过程中，将DSP56F805的捕获模块设置为下跳沿触发，当霍尔传感器输出信号的下跳沿到来时，DSP56805就产生一次捕获中断，通过读取相邻2次中断的时间间隔，就可计算出电机的实际转速。如果相邻2次中断的时间间隔为 ，那么电机的转速 为：

= （r/min）

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