基于单片机的开关磁阻电机调速系统的研究

1、 电工电气 (2011 No.3基于单片机的开关磁阻电机调速系统的研究摘 要 :介绍了开关磁阻电机调速系统的组成,以 MC 9S12DG128BV 单片机为控制器核心,设计并 搭建了开关磁阻电机调速系统实验平台,利用改进的模糊 PI 控制策略实现转速闭环控制,以使不同负 载情况下电机具有良好的调速功能。实验结果显示, 该系统具有良好的动态和静态特性, 满足设计要求。关键词 :开关磁阻电机 ; 模糊 PI 控制 ; 调速 中图分类号 :TM33 文献标识码 :A 文章编号 :1007-3175(201103-0012-05朱莉莉,谢方南,刘俊纯(中国矿业大学 信息与电气工程学院,江苏 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作者简介:朱莉莉(1985- ,女,硕士研究生,研究方向为开关

5、磁阻电机及其控制。0 引言开关磁阻电机调速系统(SRD兼具了直流电机 和交流电机调速系统的特性,可实现无级调速且节 能效果明显, 是未来比较有竞争力的调速系统 1。具 有良好动静态特性的SRD是进一步推广开关磁阻电 机(SRM应用的基础,而控制器又是SRD的中枢,一 款性价比高的控制器不仅可以减少SRD的成本,如 加以优良的控制策略可以实现SRD良好的运行特性 和控制品质 2。本设计中控制器核心采用性价比较 高的16位单片机MC 9S12DG128BV。此类单片机与其 他种类的单片机相比,在同样速度下所使用的时钟 频率要低的多,因而使得其抗干扰能力强、高频噪 声低,更适合在工控及恶劣环境下工作

6、 3。由于SRM磁路和电路的非线性特性,很难得到 SRM准确的数学模型,当SRD应用于负载变动较大的 场合时,传统的PI控制方法就很难满足控制的要求。模糊控制器无需准确的数学模型,将模糊控制 器和传统的PI控制器相结合设计出模糊PI控制器, 使 得系统在负载变化时能够根据要求改变PI控制器的 参数,满足系统的要求 4。1 SRD的组成开关磁阻电机调速系统(SRD由开关磁阻电机 (SRM、功率变换器、控制器和检测单元等部分构 成 1。本实验平台利用磁粉制动器模拟加载及负载 变化的情况,系统组成框图如图1所示。SRD图1 系统组成框图基于单片机的开关磁阻电机调速系统的研究13电工电气 (2011

7、No.3SRM为功率250W的四相8/6结构,定子的8个凸 极上绕有集成绕组,径向相对的绕组串联构成一 相,由此构成 Z 1、 Z 2、 Z 3、 Z 4四相。依次给四相绕 组通电,电机按照通电相反的方向旋转;改变绕组 通电的顺序则电机旋转方向改变,由此实现电机的 正反转运行。功率变换器主电路采用不对称半桥型结构,如 图2所示。SRM由单极性供电,电源通过两个主开关 和相绕组连接,因此避免了电源短路的故障。采用 不对称半桥型结构,电机的每相绕组相互独立,一 相桥臂的故障不会影响其他桥臂的正常运行,从而 增加了系统的容错性。SRM可由蓄电池或者交流电 经整流后供电,本设计采用48V蓄电池供电。检

8、测单元由电流检测和位置检测构成。电流检 测通过串接在绕组中的LEM电流传感器采集电流信 号经变换后输入到单片机中,实现电流的过电流保 护。位置传感器采用两个光电式位置传感器,相差 75°的两个光电位置传感器固定在定子上,其中一 个传感器对准定子凸极的中心,和转子具有相同结 构的遮光盘同轴安装在转子上,当转子转动时,位 置传感器输出相差15°的方波信号经变换后输入单 片机。磁粉制动器由稳流电源供电,通过改变加载 在磁粉制动器的直流电流值来改变制动力矩大小。2 控制器控制器的核心采用Freescale公司推出的16位MC 9212DG128BV单片机,其内部集成了128KB的

9、Flash EEPROM、8KB的RAM和2KB的EEPROM,可以满足 中小系统的电机控制而无需外部扩展存储器;DG128采用的封装有80引脚和112引脚两种,I/O资源丰 富,大多数I/O具有三种功能,可根据实际情况选 择其中的一种功能; MCU对外部晶振无特殊要求, 在 任意外部晶振工作情况下都可以通过内部的锁Z 1S 11S 2D 2Z 2S 33S 4D 4Z 3S 55S 6D 6Z 4S 77S 8D 8C+48V 图2 不对称半桥型功率变换器相环使工作频率可高达50MHz,即总线频率高达 25MHz,可以实现一般电机要求的实时性控制;MCU 支持BDM(单线背景调试模式,可以在

10、线设置硬件 断点并且可以方便查看任意存储器中的数值,方便 初期的设计工作。本设计中MCU硬件结构框图如图3所示。本系统采用转速闭环控制方式,P、Q位置信号经 过高速光耦合器进入MCU的输入捕捉引脚PT0、 PT1, 通 过P、Q位置信号的四种不同状态(00,01,11,10 判断当前转子与定子的相对位置,由MCU输出相应 的开关信号控制功率变换器主开关的导通或关断, 从而使相绕组接通或者关断电压,此外位置信号为数 字算法计算当前转速提供依据。电流信号经变换后 输入单片机的模数转换模块实现过电流保护。电压 PWM为功率变换器的斩波管提供信号,通过改变PWM 的占空比改变加在相绕组上的电压从而进行

11、转速调 节。通过上位机或键盘可以向系统发出指令,如目 标转速、正反转等,液晶显示当前电机运行的转速 等信息。本系统采用12MHz的晶振,通过设置锁相环模 块使内部总线频率提高到24MHz(内部总线频率最 高为25MHz;定时器模块对总线频率进行8分频并 设中断,因此一次中断时间约为21.85ms;PWM模 块经分频后的频率为3kHz。输入捕捉模块设置为 上升沿和下降沿同时捕捉方式,用来捕捉位置信号 的状态。3 模糊PI转速闭环调节器在调速系统中传统的PID控制方法有了比较广 泛的运用,但是由于SRM没有准确的数学模型,这 给PID控制方法的参数设置带来了很大的困难,而 模糊控制则不需要系统准确

12、的数学模型,比较适合图3 MCU硬件结构框图基于单片机的开关磁阻电机调速系统的研究 电工电气 (2011 No.3SRD控制系统。 当SRD系统驱动类似风机类的负载, 由 于负载的变化情况较频繁,传统的PID控制方法难 以实现系统的控制要求。为了避免噪声和数据误差 对差分环节造成较大的影响,本设计采用数字PI控 制作为转速闭环的调节器,根据实际情况通过模糊 控制设置PI的比例因子 K P 和积分因子 K I ,使系统能 够快速稳定的达到控制要求。其控制结构框图如图 4所示,其中 E 为转速差, E c 为转速差的变化率。3.1 数字PI转速闭环调节器模拟PI控制器算法如公式(1所示:将上式离散

13、化,公式(1中的各项可以近似表 示为:公式(4中 T 为采样时间, k 为采样次数。为方 便将采样时间序列 kT 用 k 简化表示,则公式(1离 散化后的表达式为:由公式(5可以得到前一刻(k -1 T 的输出:公式(5减公式(6可得第 k 时刻的输出增量:公式(7中, K P 为比例因子, K I 为积分因子。 图4 模糊PI转速调节器示意图数字PI转速闭环调节器的输出增量转换为电机 的控制量PWM的占空比,从而对电机的转速进行调 节。3.2 Fuzzy控制的基本原理Fuzzy控制的基本原理如图5所示。本文中的模糊PI转速调节器只针对SRM启动及 稳定运行的情况,而SRM停车时则采用自然停车

14、 法,不使用模糊PI转速调节器。模糊控制器的输入 变量为给定转速(用 X 表示及规定时间内(本文用定 时器定时0.1s的转速变化(用 Y 表示,输出变量输入变量给定转速 X 、0.1s内的转速变化 Y 及 输出变量的论域设为7个等级,输入变量的论域 为1,2,3,4,5,6,7,输出变量的论域为 1/7,1/6,1/5,1/4,1/3,1/2,1。本文中 SRM的目标转速为1001500r/min,规定时间内 的转速变化量为20300r/min。目标转速小于 100r/min按照100r/min计算,大于1500r/min按 照1500r/min计算;转速变化小于20r/min按照 20r/m

15、in计算,大于300r/min按照300r/min计算。由 此得到输入变量的量化因子:K x =7/(1500-100=0.005; K y =7/(300-20= 0.025。由于本文中的模糊PI转速调节器只针对SRM启 动及稳定运行的情况,因此输入变量的模糊子集选 为正小(PS,正中(PM,正大(PL,模糊子集的 隶属度函数如表1所示,对 X 、 Y 进行赋值。目标转速给定时,计算规定时间内的转速变化(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图5 Fuz

16、zy控制的基本原理表1 模糊子集的隶属度赋值表模糊语言值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基于单片机的开关磁阻电机调速系统的研究15电工电气 (2011 No.3情况,即可知转速上升的快慢程度。当目标转速 比较低时,若转速上升过快,则要降低比例因子 K P 和积分因子 K I ,使其上升速度减慢,否则会出现超 调;当目标转速比较高时,若转速上

17、升过慢,则 要增大比例因子 K P 和积分因子 K I ,使其上升速度加 快, 否则电机的上升时间过长。 按照上述的原则, 可 得模糊控制规则表如表2所示。采用最大隶属度法对输出变量进行模糊判决得 到模糊控制决策表如表3所示。输出变量 Z 为比例因子 K P 和积分因子 K I 的公因子,在本系统中 K P Z , K I Z 。4 软件设计本系统的程序由各个子程序构成,包括系统 初始化子程序、开关信号输出子程序、转速计算 子程序、软启动子程序、模糊控制子程序、PI控 制子程序、中断子程序等。采用中断方式可以节 省MCU的运行时间。中断程序包括位置输入信号 中断子程序、上位机中断子程序、键盘中

18、断子程 序。系统采用电压PWM的控制方法,启动时为防止 启动电流过大而采用软起动方法,即PWM占空比由 小逐步增大,启动过程(转速在60r/min以内结 束后通过模糊PI转速闭环调节器改变PWM的占空 比,从而改变加在SRM定子绕组上的电压实现调速 的功能。系统的主程序流程图,输入捕捉中断流 程图,定时器中断流程图分别如图6中a、b、c 所示。5 实验结果在搭建的实验平台上,对电机进行加载的实 验。图7、图8分别为目标转速为400r/min,负载为 0.1N·m及目标转速为600r/min,负载为0.5N·m时的SRM转速及电流波形示意图,由位置信号经频 压转换电路接入示波

19、器得到。表2 模糊控制规则表X Y PS PM PL PS PM PM PS PM PL PM PS PLPLPMPM表3 模糊控制决策表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图6 软件流程图1814基于单片机的开关磁阻电机调速系统的研究 a主程序流程图 c定时器中断流程图b输入捕捉中断流程图 电工电气 (2011 No.3根据实验结果可知,目标转速为400r/min,负载为0.1N·m的情况下电机的上升时间约为1.5s, 无 超调;目标转速为600r/min,负载为0.5N·m的情 况下电机的上升时间约为1.2s,无超调;电机能 够稳定运行。6 结语本系统以Freescale公司推出的16位单片机 MC 9S12DG128BV为控制器核心设计并搭建了开关磁 阻电机调速系统实验平台,对传统的PI转速调节器进行改进,利用模糊方法对PI的比例因子和积分因 子进行调节,使电机在不同转速和负