本實(shí)用新型涉及的是一種開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為近些年新興起的一種無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，它涉及到微電子、電力電子技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)及制造、微型計(jì)算機(jī)控制，機(jī)電一體化工程應(yīng)用等多個(gè)學(xué)科與領(lǐng)域，具有傳統(tǒng)異步電機(jī)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所不具備的一些優(yōu)點(diǎn)。
(1) 電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，制作工藝簡易，生產(chǎn)成本低。電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)沒有繞組，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，能夠高轉(zhuǎn)速運(yùn)行而不產(chǎn)生形變，機(jī)械強(qiáng)度超過其他類型電機(jī)。電機(jī)繞組集中在定子側(cè)，易于電機(jī)冷卻，能適合于高溫、強(qiáng)振等惡劣環(huán)境；
(2) 較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。功率變換器為單極性，主開關(guān)與電機(jī)的繞組串聯(lián)，不會(huì)出現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)或者直流無刷電機(jī)中功率變換器可能出現(xiàn)的短路可能；功率變換器由直流電源提供電壓，在磁路和電路上各相之間相互獨(dú)立，可缺相運(yùn)行，可靠性大大提高；
(3) 起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩較大，電流較小，因此對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響小，可應(yīng)用于重載起動(dòng)以及負(fù)載頻繁變化的場合；電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)效率高，調(diào)速范圍寬，容易實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制運(yùn)行。
(4) 可控參數(shù)多，調(diào)整性能好。控制開關(guān)磁阻電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的可控參數(shù)有開通角，關(guān)斷角，相電流大小及繞組電壓等，根據(jù)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行要求，選擇不同的控制方法和參數(shù)可以使電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)。
但同時(shí)也存在許多問題需要優(yōu)化解決。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)為雙凸極并采用開關(guān)形式的供電電源，使運(yùn)行過程中的邊緣磁通引起電流變化的非線性，同時(shí)由于轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子角度和電流之間的關(guān)系為非線性，導(dǎo)致電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩不能保持穩(wěn)定，存在著不可避免的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。此外，電機(jī)在換相期間，由于相電流快速變化使電機(jī)定子徑向振動(dòng)產(chǎn)生的電磁噪聲也不能忽略。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決上述問題，本實(shí)用新型提出了一種開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)，用于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪聲。
本實(shí)用新型提出的一種開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)，包括隔離變壓器、調(diào)壓器、整流電路、起動(dòng)電路、濾波電路、功率變換電路、DSP控制器、電流檢測電路、位置傳感器、按鍵和液晶顯示器，其中，380V交流電源經(jīng)過隔離變壓器后，由調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)壓，通過整流電路得到所需的直流電，為功率變換電路提供電源，電流檢測電路檢測開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組的相電流，位置傳感器檢測開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，并且檢測到的相電流和轉(zhuǎn)子位置被輸入到 DSP 控制器進(jìn)行運(yùn)算處理，DSP控制器輸出的 PWM 信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)功率變換電路中的開關(guān)器件，所述按鍵和液晶顯示器和DSP控制器連接。
附圖說明
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的一種開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
為了更好的理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型提供的實(shí)施例。
該開關(guān)磁組電機(jī)控制系統(tǒng)主要包括電源、隔離變壓器、調(diào)壓器、功率變換電路、整流濾波電路、電流檢測電路及位置檢測電路等。其中，380V交流電源經(jīng)過隔離變壓器后，由調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)壓，通過整流濾波電路得到所需的直流電，為功率變換器提供電源。DSP 輸出的 PWM 信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離后，送到 IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)功率變換電路中的開關(guān)器件。電流檢測分別由霍爾電流傳感器來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路送到 DSP 的 ADC 模塊來實(shí)現(xiàn)檢測。
本實(shí)用新型選擇性能更為強(qiáng)大的TMS320F28335作為DSP控制芯片的主控制器。TMS320F28335的時(shí)鐘頻率高達(dá)150 MHz ，具有高性能的32位單精度浮點(diǎn)單元(FPU)，采用哈佛總線架構(gòu)，快速處理中斷響應(yīng)，有2M×16位的尋址范圍，片內(nèi)閃存256 K ×16 位，34K×16位SARAM，內(nèi)部集成I2C總線，具有低功耗和省電模式，功能非常強(qiáng)大。
該控制系統(tǒng)的電源分為高壓和低壓兩部分，其中高壓電源主要為開關(guān)磁阻電機(jī)供電，低壓電源主要用于控制以及數(shù)據(jù)通信。
從電網(wǎng)引出的三相交流電經(jīng)過三相干式隔離變壓器和三相接觸式調(diào)壓器后作為高壓電源。隔離變壓器的作用是為了提高用電安全性及電能質(zhì)量。其工作原理與普通干式變壓器相同，在一次測與二次側(cè)上電氣隔離，通過電磁感應(yīng)原理工作，而且隔離變壓器二次側(cè)對(duì)地懸浮，與大地之間沒有電位差，此外，變壓器的鐵芯可以抑制高頻雜波干擾。隔離變壓器的變比為 1，需要增加調(diào)壓器來改變電壓大小。接觸式調(diào)壓器本質(zhì)上是一種自耦變壓器，其輸出電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)。接觸式調(diào)壓器的繞組采用絕緣銅線，去掉部分線圈表面的絕緣層，當(dāng)電刷沿著線圈表面滑動(dòng)時(shí)，就會(huì)連續(xù)地改變變壓器匝數(shù)比，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)壓。系統(tǒng)中采用的調(diào)壓器輸入電壓為 380V ，輸出0－430 V，變壓器容量為15 kVA 。
低壓電源包括+24V，±15V，+5V 電源。+24V 主要用于繼電器供電，由 AC/DC 開關(guān)電源提供。±15V主要用于霍爾傳感器供電，IGBT 驅(qū)動(dòng)電路供電，集成運(yùn)算放大器供電等，由 AC/DC 開關(guān)電源提供。開關(guān)電源有體積小，集成度好，效率高等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)置 EMI濾波器，輸出波紋小，電壓穩(wěn)定。+5V 電源主要用于位置傳感器供電，光耦電源等，由DC/DC 模塊電源 WD5-12s05A1 提供。其輸入電壓為 9－18V，輸出5V。
整流電路采用三相整流模塊來實(shí)現(xiàn)，可以降低電路成本并簡化電路設(shè)計(jì)。經(jīng)過計(jì)算后選用 MDS 100A1600V 三相整流橋模塊，該整流橋模塊是一個(gè)由六個(gè)二極管組成的三相橋式電路，主要作用是將三相交流電整流為直流電，輸出的最大電流為 100A ，最大電壓為1600V 。
380 V 交流電經(jīng)過三相整流模塊輸出電壓為脈動(dòng)的直流電壓，為此需要在整流電路后加入濾波電路。整流橋輸出電壓平均值為輸入相電壓的2.34－2.45倍，即 514－539V。本實(shí)用新型中采用 4 個(gè)330 μF/450V 電解電容，首先將兩個(gè)串聯(lián)，然后并聯(lián)，以提高電壓容量。采用 1 個(gè)大容量的吸收電容接在母線的兩側(cè)，其型號(hào)為 C12P47K 941 - F.47MFD 。通過大容量電容的濾波作用，就可以得到輸出穩(wěn)定無脈動(dòng)的高壓直流電。
由于濾波電容在起動(dòng)瞬間由于充電會(huì)造成很大的沖擊電流，進(jìn)而影響母線上并聯(lián)器件的正常工作，甚至可能燒毀器件，為此設(shè)計(jì)了電阻與繼電器并聯(lián)電路作為起動(dòng)電路。起動(dòng)電路中，電機(jī)起動(dòng)時(shí)電容經(jīng)過充電電阻后充電，減小了過大的尖峰電流，電容充電一段時(shí)間后，控制繼電器使其吸合，將電阻短路，完成整個(gè)起動(dòng)過程。
功率變換器主要負(fù)責(zé)為開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)提供電能，通過對(duì)功率開關(guān)管發(fā)出開通與關(guān)斷的控制信號(hào)來達(dá)到對(duì)電機(jī)的控制。功率變換器設(shè)計(jì)是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的核心部分。功率變換器包括電路結(jié)構(gòu)的選擇以及主開關(guān)器件的選擇。綜合考慮電機(jī)性能與設(shè)計(jì)成本，本實(shí)用新型采用不對(duì)稱半橋型。
電流檢測電路是開關(guān)磁阻電機(jī)速度控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，用來檢測繞組的相電流，將檢測到的數(shù)據(jù)反饋到 DSP 控制芯片進(jìn)行運(yùn)算處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。本實(shí)用新型中相電流由霍爾電流傳感器來測量。傳感器型號(hào)為 TBC50PH，該系列霍爾傳感器為雙閉環(huán)，初級(jí)與次級(jí)之間絕緣，具有精度高、反應(yīng)時(shí)間迅速，而且抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可用于測量直流、交流以及脈動(dòng)電流。TBC50PH 電源電壓為15V ，額定輸入電流 50A，測量直流電流范圍0－150V ，匝數(shù)比為 1：3125，內(nèi)部測量電阻為250Ω。
電機(jī)的相電流經(jīng)過霍爾傳感器，霍爾元件在磁動(dòng)勢(shì)平衡穩(wěn)定后，依據(jù)傳感器匝數(shù)比輸出電流并流過內(nèi)部測量電阻，在傳感器輸出端就可以得到與被測電流數(shù)量關(guān)系成一定比例的電壓。由于 DSP 控制芯片的輸入電壓不能超過 3.3V，而且為了防止功率變換電路產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)影響電流檢測結(jié)果，需要對(duì)傳感器檢測到的信號(hào)量增加信號(hào)調(diào)理電路，才可以送入 DSP 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。
開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測是為了得到定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，要滿足檢測的準(zhǔn)確度，可靠性，抗干擾能力等要求。常見的位置傳感器有光敏式，磁敏式，霍爾式，光電編碼器等，其輸出均為數(shù)字信號(hào)。
本實(shí)用新型中采用光敏式位置傳感器，它包括光電脈沖發(fā)生器及遮光盤，其中遮光盤的齒，槽數(shù)與轉(zhuǎn)子凸極，凹槽數(shù)相等。光電脈沖發(fā)生器和接收器固定在定子機(jī)殼上，遮光盤則固定在轉(zhuǎn)子軸上，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
該開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)可以控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)低壓啟動(dòng)，并良好運(yùn)行，減小了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪聲。