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1 引言 開關(guān)型磁阻（SR）電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、成本低，調(diào)速性能優(yōu)良，在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的效率，應(yīng)用前景十分廣闊。但由于SR電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和采用開關(guān)性的供電電源，振動(dòng)、噪聲是其突出的問題，這已成為SRD在更多范圍內(nèi)推廣應(yīng)用發(fā)揮其特長(zhǎng)的主要障礙。過去人們對(duì)SRD的研究主要集中在SR電機(jī)本體設(shè)計(jì)、功率變換器及速度控制策略研究上，因?yàn)檠芯侩y度大，目前，只有少量文獻(xiàn)論及SR電機(jī)振動(dòng)、噪聲研究。 文基于時(shí)域分析，得出結(jié)論：SR電機(jī)相繞組關(guān)斷所激發(fā)的沖擊振動(dòng)是最主要的振動(dòng)、噪聲來源。為削弱這一振動(dòng)，文提出將相電流關(guān)斷過程分成兩步的“兩步換相法”（參見圖1）：第一步僅關(guān)斷K1，相電壓Up由＋Us負(fù)躍變至0 V；第二步再關(guān)斷K2，這時(shí)Up由0 V負(fù)躍變到－Us�？刂频诙脚c第一步時(shí)間間隔為定子固有頻率對(duì)應(yīng)周期的一半，這樣，第二步與第一步產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)相位差為180°，因而相互抵消。WUC．Y．等率先將“兩步換相法”引入SRD系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在CCC方式和APC方式兩種工況下取得良好抑制振動(dòng)、噪聲效果，但其采用不對(duì)稱半橋主電路，四相（8／6）SR電機(jī)需要8只主開關(guān)器件和8只續(xù)流二極管，未能充分體現(xiàn)單極性的SR電機(jī)功率變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)器件少的優(yōu)勢(shì)，影響了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。 本文采用一種新型的只有6只主開關(guān)器件的四相率變換器，在以8098單片機(jī)為控制核心的SRD設(shè)計(jì)中，引入兩步換相控制策略，在電壓PWM和APC兩種工況下，顯著地抑制了SR電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。 2 系統(tǒng)描述 為實(shí)現(xiàn)多數(shù)傳動(dòng)裝置需要的轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)速特性：從靜止到基速具有恒轉(zhuǎn)矩，在基速以上具有恒功率特性，系統(tǒng)采取的控制策略為基速ωb以下，電壓PWM控制，輸出恒轉(zhuǎn)矩特性；基速ωb以上，角度位置控制（APC），輸出恒功率特性。為簡(jiǎn)化控制規(guī)律，采取將關(guān)斷角θoff固定在一個(gè)由實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)角度22°處，僅調(diào)節(jié)起始開通角θon。 8098單片機(jī)定時(shí)采樣由轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得的反饋速度，與由鍵盤敲入的給定速度比較，誤差經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)，再經(jīng)軟件處理，根據(jù)反饋速度的大小是否在基速以上轉(zhuǎn)換成PWM脈沖或控制角度的APC單脈沖的控制參數(shù)。微機(jī)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置控制對(duì)應(yīng)相繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷，輸出對(duì)應(yīng)的PWM脈沖或APC單脈沖，經(jīng)功率變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電機(jī)的控制。為簡(jiǎn)化硬件電路，PWM控制、APC脈沖控制、速度檢測(cè)、PI調(diào)節(jié)器均由軟件實(shí)現(xiàn)；為提高過流保護(hù)動(dòng)作的快速性，采用硬件過流保護(hù)電路。 樣機(jī)為0．75 k W四相（8／6）SR電機(jī)，功率變換器以GTR作為主開關(guān)器件，采用圖2所示的功率主電路。 圖2電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由Pollock等率先提出，其基本上保留了不對(duì)稱半橋線路的優(yōu)點(diǎn)，所用開關(guān)器件又較不對(duì)稱半橋少，具有較高的性能／價(jià)格比。 與常規(guī)SR電機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）換相邏輯控制不同，既要滿足SR電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行換相要求，又要滿足兩步換相要求是制定6只主開關(guān)換相規(guī)則的原則，顯然，這限制相繞組的最大導(dǎo)通角θc不得超過30°。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3．1 微機(jī)控制器硬件框圖 以8098單片機(jī)為核心的微機(jī)控制器硬件框圖如圖3所示。 由圖3可見，控制器主要由8098單片機(jī)，外接EPROM27128、專用鍵盤顯示器接口芯片8279、位置譯碼及換相控制電路、電流檢測(cè)與過流保護(hù)電路組成。由于基速以下采用的是電壓PWM方式，為防止GTR因過流而損壞，設(shè)計(jì)了過流保護(hù)電路。對(duì)四相SR電機(jī)，其交叉相（即A、C相和B、D相）的導(dǎo)通區(qū)間一般不會(huì)重疊，因此可采取A相和C相、B相和D相分別共用一個(gè)電流傳感器（LEM模塊），對(duì)四相電流檢測(cè)，如圖2所示。 兩路轉(zhuǎn)子位置信號(hào)分別送8098的高速輸入口HSI0和HSI1，HSI中斷服務(wù)程序與高速輸出HSO0～HSO3和位置譯碼及換相控制電路配合，用于控制6只主開關(guān)的導(dǎo)通、關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)SR電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行的換相要求及兩步換相要求，HSI中斷服務(wù)程序還用于速度的采樣。 3．2 位置譯碼及換相控制電路設(shè)計(jì) 圖2中K1、K3、K4、K6均作為第一步換相開關(guān)，與兩繞組相連的公共開關(guān)K2、K5則作為第二步換相開關(guān)。位置檢測(cè)采用如圖4所示的光敏式轉(zhuǎn)子位置傳感器半數(shù)檢測(cè)方案。轉(zhuǎn)盤的齒、槽數(shù)與轉(zhuǎn)子的凸極、凹槽數(shù)一樣，均為6，且均勻分布，所占角度均為30°，轉(zhuǎn)盤安裝在轉(zhuǎn)子軸上并同步旋轉(zhuǎn)，圖中S、P為光電脈沖發(fā)生器，當(dāng)轉(zhuǎn)盤凸齒轉(zhuǎn)到開槽的S、P位置時(shí)，發(fā)光管被遮住而使其輸出狀態(tài)為0，沒有被遮住時(shí)，其輸出狀態(tài)為1，則在一個(gè)轉(zhuǎn)子角周期（60°）內(nèi)，S、P產(chǎn)生2個(gè)相位差為15°，占空比為50％的方波信號(hào)，其組合成4種不同的狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)四相繞組不同的參考位置。設(shè)θc對(duì)應(yīng)的時(shí)間為tc，兩步換相的時(shí)間間隔為tm，則APC方式下SR電機(jī)逆時(shí)針換相規(guī)則（正轉(zhuǎn)換相規(guī)則）為： （1）若S＝0，且P由0躍變到1，則K1、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷； （2）若P＝1，且S由0躍變到1，則K4、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷； （3）若S＝1，且P由1躍變到0，則K3、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷； （4）若P＝0，且S由1躍變到0，則K6、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷。 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的換相規(guī)則（反轉(zhuǎn)換相規(guī)則）為： （1）若S＝0，且P由1躍變到0，則K1、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷； （2）若P＝0，且S由0躍變到1，則K6、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷； （3）若S＝1，且P由0躍變到1，則K3、K2同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷； （4）若P＝1，且S由1躍變到0，則K4、K5同時(shí)導(dǎo)通，且分別經(jīng)tc、tc＋tm后關(guān)斷。 筆者利用8098硬件資源（HSI口、HSO口及P2．5）及少量外接的數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)上述換相控制的硬件電路。其中，HSO1、HSO3分別產(chǎn)生K2、K5的換相控制信號(hào)；HSO2、HSO0產(chǎn)生K1、K3、K4、K6的換相控制信號(hào)，因?yàn)椴捎猛饨舆壿嬰娐窐?gòu)成了30°導(dǎo)通制的換相邏輯控制，因此A相（K1）、C相（K3）可共用HSO0，B相（K4）、D相（K6）可共用HSO2。8098片內(nèi)的脈沖寬度調(diào)制器提供的PWM信號(hào)頻率固定為15．625kHz，這一斬波頻率對(duì)GTR而言偏高，故不采用片內(nèi)的PWM方式，將P2．5作為普通輸出口，由軟件定時(shí)器T1、T2中斷形成定頻調(diào)寬的PWM脈沖，和HSO2、HSO0及外接邏輯電路一起為工作在PWM方式下K1、K3、K4、K6提供換相控制信號(hào)；若為APC方式，則將P2．5置0。由于兩步換相限制了θc不得超過30°，這降低了起動(dòng)性能，為此在起動(dòng)階段不采用兩步換相法，而采用兩相全開通起動(dòng)方式，待起動(dòng)過程結(jié)束后，再切換到二步換相法。 4 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件由主程序、中斷服務(wù)程序、專用子程序組成。主程序初始化整個(gè)系統(tǒng)和將顯示緩沖區(qū)的4位速度值送8279顯示RAM；中斷服務(wù)程序包括軟件定時(shí)器T0、T1、T2中斷服務(wù)程序、HSI中斷服務(wù)程序、鍵盤中斷服務(wù)程序。其中軟件定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序完成速度環(huán)PI調(diào)節(jié)與控制參數(shù)、顯示速度刷新；軟件定時(shí)器T1、T2完成速度采樣和電壓PWM控制信號(hào)的生成；HSI中斷服務(wù)程序在換相控制電路支持下實(shí)現(xiàn)如上所述的換相規(guī)則；鍵盤中斷服務(wù)程序首先讀取按下的鍵值，然后根據(jù)按下的鍵跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的功能模塊控制系統(tǒng)程序的執(zhí)行。專用子程序主要是四字節(jié)浮點(diǎn)運(yùn)算子程序、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼子程序等。 主程序初始化系統(tǒng)時(shí)，將HSI方式設(shè)置為每次跳變觸發(fā)，因此電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步進(jìn)角，HSI中斷服務(wù)程序?qū)⒈粓?zhí)行一次，其主要是通過測(cè)試HSI0（即S信號(hào)）和HSI1（即P信號(hào)）當(dāng)前的狀態(tài)給HSO－COMMAND寄存器裝載相應(yīng)的命令字和給HSO－TIME寄存器裝載觸發(fā)時(shí)間值使HSO0～HSO3產(chǎn)生所要求的輸出信號(hào)。HSI中斷服務(wù)程序在實(shí)現(xiàn)換相控制規(guī)則的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了APC方式下的控制。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用將θoff固定在經(jīng)實(shí)驗(yàn)獲得的優(yōu)化角22°處，而在速度環(huán)中調(diào)節(jié)θon�！� 轉(zhuǎn)速測(cè)量通過在采樣周期內(nèi)記錄HSI事件觸發(fā)的次數(shù)———轉(zhuǎn)過的步進(jìn)角（15°）數(shù)目N實(shí)現(xiàn)。 速度環(huán)程序在起動(dòng)階段每隔120 ms被調(diào)用一次；起動(dòng)后若運(yùn)行在基速以下每隔30 ms被調(diào)用一次，若運(yùn)行在基速以上每隔12 ms被調(diào)用一次。速度環(huán)首先計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速，然后判斷電機(jī)是否已經(jīng)起動(dòng)。將電機(jī)轉(zhuǎn)速低于50 r／min作為起動(dòng)階段，在起動(dòng)階段速度偏差不作PI調(diào)節(jié)運(yùn)算，而是采取軟件定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序中逐步加大斬波占空比的方法實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)功能。電機(jī)起動(dòng)后，速度環(huán)每調(diào)用一次，都要進(jìn)行一次速度偏差PI運(yùn)算，然后刷新控制參數(shù)。 5 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn) 以給電阻箱（ZB－120型）供電的直流發(fā)電機(jī)（Z2－31型，3 k W，3 000 r／min）作負(fù)載，對(duì)0．75 k W SRD系統(tǒng)負(fù)載運(yùn)行的振動(dòng)、噪聲作了測(cè)試。圖5為采用電壓PWM方式，電機(jī)運(yùn)行在547 r／min在機(jī)座表面所測(cè)振加速度波形，圖6為APC方式下電機(jī)運(yùn)行在1 433 r／min所測(cè)振動(dòng)加速度波形圖。 表1為測(cè)量距離取0．4 m左右，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行在不同速度下，聲級(jí)計(jì)濾波網(wǎng)絡(luò)采用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的總聲級(jí)分貝（A）對(duì)比。 圖5、6表明系統(tǒng)引入兩步換相法對(duì)SR電機(jī)定子振動(dòng)有顯著的抑制效果；表1表明兩步換相法對(duì)噪聲有明顯抑制作用，雖然限于條件，背景噪聲較大，測(cè)量的精確性不高，但從噪聲的對(duì)比測(cè)試看，在有些工況下，兩步換相法的總聲級(jí)較傳統(tǒng)換相法低3 dB（A）左右，相當(dāng)于聲功率降低了1倍左右，效果是顯然的。 |
