基于單片機的開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的研究

1、 電工電氣 (2011 No.3基于單片機的開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的研究摘 要 :介紹了開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的組成,以 MC 9S12DG128BV 單片機為控制器核心,設計并 搭建了開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺,利用改進的模糊 PI 控制策略實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,以使不同負 載情況下電機具有良好的調(diào)速功能。實驗結果顯示, 該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性, 滿足設計要求。關鍵詞 :開關磁阻電機 ; 模糊 PI 控制 ; 調(diào)速 中圖分類號 :TM33 文獻標識碼 :A 文章編號 :1007-3175(201103-0012-05朱莉莉,謝方南,劉俊純(中國礦業(yè)大學 信息與電氣工程學院,江蘇 徐州 22

2、1008Abstract: Introduction was made to the composition of a switched reluctance motor (SRM speed regulation system with MC9S12DG128BV microcontroller unit as its control core. The experimental platform of the SRM speed regulation system was designed and built. The im-proved fuzzy PI control strategy

3、 was used to achieve rotation speed closed loop control so as to make the motor keep good speed regula-tion functions under different load conditions. Experimental results show that the system meets design requirements with good dynamic and static characteristics.Key words: switched reluctance motor

4、; fuzzy PI control; speed regulationZHU Li-li, XIE Fang-nan, LIU Jun-chun(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, ChinaStudy on Switched Reluctance Motor Speed Regulation SystemBased on Microcontroller作者簡介:朱莉莉(1985- ,女,碩士研究生,研究方向為開關

5、磁阻電機及其控制。0 引言開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)(SRD兼具了直流電機 和交流電機調(diào)速系統(tǒng)的特性,可實現(xiàn)無級調(diào)速且節(jié) 能效果明顯, 是未來比較有競爭力的調(diào)速系統(tǒng) 1。具 有良好動靜態(tài)特性的SRD是進一步推廣開關磁阻電 機(SRM應用的基礎,而控制器又是SRD的中樞,一 款性價比高的控制器不僅可以減少SRD的成本,如 加以優(yōu)良的控制策略可以實現(xiàn)SRD良好的運行特性 和控制品質(zhì) 2。本設計中控制器核心采用性價比較 高的16位單片機MC 9S12DG128BV。此類單片機與其 他種類的單片機相比,在同樣速度下所使用的時鐘 頻率要低的多,因而使得其抗干擾能力強、高頻噪 聲低,更適合在工控及惡劣環(huán)境下工作

6、 3。由于SRM磁路和電路的非線性特性,很難得到 SRM準確的數(shù)學模型,當SRD應用于負載變動較大的 場合時,傳統(tǒng)的PI控制方法就很難滿足控制的要求。模糊控制器無需準確的數(shù)學模型,將模糊控制 器和傳統(tǒng)的PI控制器相結合設計出模糊PI控制器, 使 得系統(tǒng)在負載變化時能夠根據(jù)要求改變PI控制器的 參數(shù),滿足系統(tǒng)的要求 4。1 SRD的組成開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)(SRD由開關磁阻電機 (SRM、功率變換器、控制器和檢測單元等部分構 成 1。本實驗平臺利用磁粉制動器模擬加載及負載 變化的情況,系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。SRD圖1 系統(tǒng)組成框圖基于單片機的開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的研究13電工電氣 (2011

7、No.3SRM為功率250W的四相8/6結構,定子的8個凸 極上繞有集成繞組,徑向相對的繞組串聯(lián)構成一 相,由此構成 Z 1、 Z 2、 Z 3、 Z 4四相。依次給四相繞 組通電,電機按照通電相反的方向旋轉(zhuǎn);改變繞組 通電的順序則電機旋轉(zhuǎn)方向改變,由此實現(xiàn)電機的 正反轉(zhuǎn)運行。功率變換器主電路采用不對稱半橋型結構,如 圖2所示。SRM由單極性供電,電源通過兩個主開關 和相繞組連接,因此避免了電源短路的故障。采用 不對稱半橋型結構,電機的每相繞組相互獨立,一 相橋臂的故障不會影響其他橋臂的正常運行,從而 增加了系統(tǒng)的容錯性。SRM可由蓄電池或者交流電 經(jīng)整流后供電,本設計采用48V蓄電池供電。檢

8、測單元由電流檢測和位置檢測構成。電流檢 測通過串接在繞組中的LEM電流傳感器采集電流信 號經(jīng)變換后輸入到單片機中,實現(xiàn)電流的過電流保 護。位置傳感器采用兩個光電式位置傳感器,相差 75°的兩個光電位置傳感器固定在定子上,其中一 個傳感器對準定子凸極的中心,和轉(zhuǎn)子具有相同結 構的遮光盤同軸安裝在轉(zhuǎn)子上,當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,位 置傳感器輸出相差15°的方波信號經(jīng)變換后輸入單 片機。磁粉制動器由穩(wěn)流電源供電,通過改變加載 在磁粉制動器的直流電流值來改變制動力矩大小。2 控制器控制器的核心采用Freescale公司推出的16位MC 9212DG128BV單片機,其內(nèi)部集成了128KB的

9、Flash EEPROM、8KB的RAM和2KB的EEPROM,可以滿足 中小系統(tǒng)的電機控制而無需外部擴展存儲器;DG128采用的封裝有80引腳和112引腳兩種,I/O資源豐 富,大多數(shù)I/O具有三種功能,可根據(jù)實際情況選 擇其中的一種功能; MCU對外部晶振無特殊要求, 在 任意外部晶振工作情況下都可以通過內(nèi)部的鎖Z 1S 11S 2D 2Z 2S 33S 4D 4Z 3S 55S 6D 6Z 4S 77S 8D 8C+48V 圖2 不對稱半橋型功率變換器相環(huán)使工作頻率可高達50MHz,即總線頻率高達 25MHz,可以實現(xiàn)一般電機要求的實時性控制;MCU 支持BDM(單線背景調(diào)試模式,可以在

10、線設置硬件 斷點并且可以方便查看任意存儲器中的數(shù)值,方便 初期的設計工作。本設計中MCU硬件結構框圖如圖3所示。本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式,P、Q位置信號經(jīng) 過高速光耦合器進入MCU的輸入捕捉引腳PT0、 PT1, 通 過P、Q位置信號的四種不同狀態(tài)(00,01,11,10 判斷當前轉(zhuǎn)子與定子的相對位置,由MCU輸出相應 的開關信號控制功率變換器主開關的導通或關斷, 從而使相繞組接通或者關斷電壓,此外位置信號為數(shù) 字算法計算當前轉(zhuǎn)速提供依據(jù)。電流信號經(jīng)變換后 輸入單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)過電流保護。電壓 PWM為功率變換器的斬波管提供信號,通過改變PWM 的占空比改變加在相繞組上的電壓從而進行

11、轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)。通過上位機或鍵盤可以向系統(tǒng)發(fā)出指令,如目 標轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)等,液晶顯示當前電機運行的轉(zhuǎn)速 等信息。本系統(tǒng)采用12MHz的晶振,通過設置鎖相環(huán)模 塊使內(nèi)部總線頻率提高到24MHz(內(nèi)部總線頻率最 高為25MHz;定時器模塊對總線頻率進行8分頻并 設中斷,因此一次中斷時間約為21.85ms;PWM模 塊經(jīng)分頻后的頻率為3kHz。輸入捕捉模塊設置為 上升沿和下降沿同時捕捉方式,用來捕捉位置信號 的狀態(tài)。3 模糊PI轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)器在調(diào)速系統(tǒng)中傳統(tǒng)的PID控制方法有了比較廣 泛的運用,但是由于SRM沒有準確的數(shù)學模型,這 給PID控制方法的參數(shù)設置帶來了很大的困難,而 模糊控制則不需要系統(tǒng)準確

12、的數(shù)學模型,比較適合圖3 MCU硬件結構框圖基于單片機的開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的研究 電工電氣 (2011 No.3SRD控制系統(tǒng)。 當SRD系統(tǒng)驅(qū)動類似風機類的負載, 由 于負載的變化情況較頻繁,傳統(tǒng)的PID控制方法難 以實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。為了避免噪聲和數(shù)據(jù)誤差 對差分環(huán)節(jié)造成較大的影響,本設計采用數(shù)字PI控 制作為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的調(diào)節(jié)器,根據(jù)實際情況通過模糊 控制設置PI的比例因子 K P 和積分因子 K I ,使系統(tǒng)能 夠快速穩(wěn)定的達到控制要求。其控制結構框圖如圖 4所示,其中 E 為轉(zhuǎn)速差, E c 為轉(zhuǎn)速差的變化率。3.1 數(shù)字PI轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)器模擬PI控制器算法如公式(1所示:將上式離散

13、化,公式(1中的各項可以近似表 示為:公式(4中 T 為采樣時間, k 為采樣次數(shù)。為方 便將采樣時間序列 kT 用 k 簡化表示,則公式(1離 散化后的表達式為:由公式(5可以得到前一刻(k -1 T 的輸出:公式(5減公式(6可得第 k 時刻的輸出增量:公式(7中, K P 為比例因子, K I 為積分因子。 圖4 模糊PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器示意圖數(shù)字PI轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出增量轉(zhuǎn)換為電機 的控制量PWM的占空比,從而對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào) 節(jié)。3.2 Fuzzy控制的基本原理Fuzzy控制的基本原理如圖5所示。本文中的模糊PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器只針對SRM啟動及 穩(wěn)定運行的情況,而SRM停車時則采用自然停車

14、 法,不使用模糊PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。模糊控制器的輸入 變量為給定轉(zhuǎn)速(用 X 表示及規(guī)定時間內(nèi)(本文用定 時器定時0.1s的轉(zhuǎn)速變化(用 Y 表示,輸出變量輸入變量給定轉(zhuǎn)速 X 、0.1s內(nèi)的轉(zhuǎn)速變化 Y 及 輸出變量的論域設為7個等級,輸入變量的論域 為1,2,3,4,5,6,7,輸出變量的論域為 1/7,1/6,1/5,1/4,1/3,1/2,1。本文中 SRM的目標轉(zhuǎn)速為1001500r/min,規(guī)定時間內(nèi) 的轉(zhuǎn)速變化量為20300r/min。目標轉(zhuǎn)速小于 100r/min按照100r/min計算,大于1500r/min按 照1500r/min計算;轉(zhuǎn)速變化小于20r/min按照 20r/m

15、in計算,大于300r/min按照300r/min計算。由 此得到輸入變量的量化因子:K x =7/(1500-100=0.005; K y =7/(300-20= 0.025。由于本文中的模糊PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器只針對SRM啟 動及穩(wěn)定運行的情況,因此輸入變量的模糊子集選 為正小(PS,正中(PM,正大(PL,模糊子集的 隸屬度函數(shù)如表1所示,對 X 、 Y 進行賦值。目標轉(zhuǎn)速給定時,計算規(guī)定時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速變化(1u (t =K P e (t (t d t (2t =kT (k =0,1,2,(3e (t =e (kT (4j =0ke (t d t e (jT =e (jT j =0k圖5 Fuz

16、zy控制的基本原理表1 模糊子集的隸屬度賦值表模糊語言值00.51(5u (k =K (6u (k -1=K (7u (k =K e (k -e (k e (k =K P e (k -e (k -1+K P e (k =K P e (k -e (k -1+K I e (k = K P ×E c +K I ×ETT ITT I基于單片機的開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的研究15電工電氣 (2011 No.3情況,即可知轉(zhuǎn)速上升的快慢程度。當目標轉(zhuǎn)速 比較低時,若轉(zhuǎn)速上升過快,則要降低比例因子 K P 和積分因子 K I ,使其上升速度減慢,否則會出現(xiàn)超 調(diào);當目標轉(zhuǎn)速比較高時,若轉(zhuǎn)速上

17、升過慢,則 要增大比例因子 K P 和積分因子 K I ,使其上升速度加 快, 否則電機的上升時間過長。 按照上述的原則, 可 得模糊控制規(guī)則表如表2所示。采用最大隸屬度法對輸出變量進行模糊判決得 到模糊控制決策表如表3所示。輸出變量 Z 為比例因子 K P 和積分因子 K I 的公因子,在本系統(tǒng)中 K P Z , K I Z 。4 軟件設計本系統(tǒng)的程序由各個子程序構成,包括系統(tǒng) 初始化子程序、開關信號輸出子程序、轉(zhuǎn)速計算 子程序、軟啟動子程序、模糊控制子程序、PI控 制子程序、中斷子程序等。采用中斷方式可以節(jié) 省MCU的運行時間。中斷程序包括位置輸入信號 中斷子程序、上位機中斷子程序、鍵盤中

18、斷子程 序。系統(tǒng)采用電壓PWM的控制方法,啟動時為防止 啟動電流過大而采用軟起動方法,即PWM占空比由 小逐步增大,啟動過程(轉(zhuǎn)速在60r/min以內(nèi)結 束后通過模糊PI轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)器改變PWM的占空 比,從而改變加在SRM定子繞組上的電壓實現(xiàn)調(diào)速 的功能。系統(tǒng)的主程序流程圖,輸入捕捉中斷流 程圖,定時器中斷流程圖分別如圖6中a、b、c 所示。5 實驗結果在搭建的實驗平臺上,對電機進行加載的實 驗。圖7、圖8分別為目標轉(zhuǎn)速為400r/min,負載為 0.1N·m及目標轉(zhuǎn)速為600r/min,負載為0.5N·m時的SRM轉(zhuǎn)速及電流波形示意圖,由位置信號經(jīng)頻 壓轉(zhuǎn)換電路接入示波

19、器得到。表2 模糊控制規(guī)則表X Y PS PM PL PS PM PM PS PM PL PM PS PLPLPMPM表3 模糊控制決策表X Y 123456711/41/51/51/61/61/71/721/41/41/51/51/61/61/731/31/41/41/51/51/61/641/31/31/41/41/51/51/651/21/31/31/41/41/51/561/21/21/31/31/41/41/5711/21/21/31/31/41/4圖6 軟件流程圖1814基于單片機的開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的研究 a主程序流程圖 c定時器中斷流程圖b輸入捕捉中斷流程圖 電工電氣 (2011 No.3根據(jù)實驗結果可知,目標轉(zhuǎn)速為400r/min,負載為0.1N·m的情況下電機的上升時間約為1.5s, 無 超調(diào);目標轉(zhuǎn)速為600r/min,負載為0.5N·m的情 況下電機的上升時間約為1.2s,無超調(diào);電機能 夠穩(wěn)定運行。6 結語本系統(tǒng)以Freescale公司推出的16位單片機 MC 9S12DG128BV為控制器核心設計并搭建了開關磁 阻電機調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺,對傳統(tǒng)的PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行改進,利用模糊方法對PI的比例因子和積分因 子進行調(diào)節(jié),使電機在不同轉(zhuǎn)速和負