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计算机测量与控制.2004.12(2) Computer Measurement &Control
工业控制
收稿日期:2003-04-03
作者简介：茅靖峰(1976-)，男，浙江省宁波市人，硕士生，助教，主要从事基于DSP 的电机控制方面的研究。
赵德安(1959-)，男，江苏省常州市人，教授，主要从事计算机控制和电力电子技术方面的研究。
文章编号:1671-4598(2004)02-0140-03 中图分类号:T M 301 2 文献标识码:B
茅靖峰
1,2
，方天治1，赵德安
1
(1.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212013; 2.南通工学院自动化系，江苏南通 226007)
摘要：介绍了开关磁阻发电机(SRG )的基本原理及系统构成，分析了开通角、关断角对发电运行性能的影响，开发了一套以T M S320F240为控制核心的车用SRG 系统。提出了一种用T M S320F 240型DSP 编程产生角度位置控制信号的方法，具体阐述了该程序各组成部分的原理及功能。
关键词：开关磁阻发电机;T M S320F240；角度位置控制
Angle Position Control of Switched Reluctance G enerator for Cars Based on DSP
汽车发电机
Mao Jingfeng
1,2
,Fang Tianzhi 1,Zhao Dean
1
(1.Inst itute of Electrical and Information Engineering ,Jiangsu U niversit y ,Zhenjiang 212013,China;
2.Automation Department,Nantong Institute of T echnology ,Nanto ng 226007,China)
Abstract:T he basic t heory and the system structur e of the sw itched reluctance generator (SRG)are introduced,and the influence o f sw itching-on and sw itching -off angle on the performance of generating is discussed.A mentioned SRG system controlled by T M S320F240has been presented.What s more,the article puts forw ard to a solution that could produces the signal of angle position control by prog ramming w ith T M S320F240DSP,and it ex plor es the detailed theory and function about all the components of t he pro -g ramme.
Key words:sw itched reluctance generator;T M S320F 240;ang le position control
0 引言
开关磁阻电动机(SRM )转子无绕组、无刷，适用于宽转速范围内运行；容错性好，可靠性高；相对于一般的汽车发电机，其比功率高、效率高。故很适合作为一种新型的汽车发电机使用。
T MS320F240是美国T I 公司生产的面向电机控制的微控制器，其运算速度快，每条指令执行周期只需50ns；其完善的事件管理器包括捕获单元、PWM 波发生电路等，适用于几乎所有类型电机的高精度、高效、全变速控制场合。
1 SRG 原理、构成及角度位置控制
图1所示
SRG 为三相6/4结构。其定、转子为双
凸极结构，定子上绕有集中绕组，各相磁路磁阻及相绕组的电感随转子位置的变化而变化，如忽略磁路饱和的影响，把相绕组轴线与转子槽轴线重合的位置定义为 =0 ，该位置相电感为最小值。则相绕组和转子齿轴线重合位置为 =45 ，此位置电感为最大值。如图2(a)
图1 SRG 电机结构及主电路拓扑示意图
图2 SRG 典型相电流波形
所示，相电感L ( )将随转子齿距角 r 作周期性变化。当磁路不饱和时,SR 电机产生的转矩为:
T em (i, )=(1/2)i 2
( L / )(1)
式中,i 相电流;L 相电感。由此可得:SR 电机电磁转矩的方向是由相电流相对于相电感位置决定的，当相电流处于区间 L / >0时，产生正转矩，电动运行；处于区间 L / <0时产生负转矩，发电运行。图2(b)为线性模式下电动状态一相典型相电流波形。图
第2期茅靖峰，等：基于DSP 的车用开关磁阻发电机的角度位置控制 141
2(c)为发电相电流波形, 1是开通角, 2是关断角。从 1到 2之间为励磁阶段，此后为发电阶段。
显然，主开关通断角度 1, 2影响着发电时输出相电流的波形，而相电流波形又决定了输出功率的大小，所以主开关通断角度决定了输出功率的大小。因此对主开关通断角度进行控制有着很重要的意义，而在不同的转速有相应的最优开关角，根据不同的优化目标，可通过实验得到一系列转速下最优开关角的数据列表存于DSP 的相关单元中待用。
我们开发的这套车用SRG 系统由电机、发动机、功率变换器、DSP 控制器、电流检测器、位置检测器、蓄电池等组成。以电机作为SRG 的原动机，发动机为其负载，蓄电池分时完成SRG 励磁和电能存储的功能。以下具体描述SRG 角度位置控制的发电运行实现方法。
2 角度位置控制信号的实现方法
该系统使用的电机是三相6/4结构SRM/G，采用三个光敏式转子位置传感器(即光电传感器，两两夹角30 )检测速度及位置信号。其光电脉冲的发生及接收部分固定在定子上(或机壳上)。另有4齿槽转盘固定在转子轴上。当转子旋转时，光电元件产生三路相位依次相差30 的方波信号,
如图3所示，每一相90 电工角度的前半周期均为电感上升区。则转子旋转一周，光电传感器向外输出12个脉冲。
图3 三路光电脉冲及综合信号间的关系示意图
产生的三路光电脉冲信号，一方面经逻辑组合电路综合后(该信号在转子每转一周的情况下有12个脉冲，如图3所示)送入TMS320F240的CAP 单元，通过一定算法得到转速n ( )，供查询最优开关角之用；另一方面分别送入TMS320F240的数字I/O 口(IOPA0~2)。经编程处理后的角度位置控制信号由IOPB0~2输出。
文章所述的角度位置控制原理如下：对于6/4极开关磁阻发电机需产生三路控制信号去控制每一相。某一相的开(关)角控制信号是依靠在另两相(或其本身相)的跳沿后延迟特定的时间，继而在该相对应的输出口输出开关信号来实现的。依靠哪一相的跳沿以及延迟多少时间都要看开(关)角落在哪个角度范围。
例如设开通角 on
[30 ,45 ]，对照图3可以看出:A 相的开通角控制信号应在B 相的上跳沿之后延迟( on -30 )这么大的角度所对应的时间处给出。为了
编程方便，我们可以通过读入任意时刻三相光电脉冲的电平状态来确定跳变事件，所以我们将电机一个电工角度周期[0 ,90 ]划分为6个状态，如图3所示，状态值STATE 分别取02H 、04H 、06H 、08H 、0AH 、0CH ，对应的三相光电脉冲状态ZCBA 如图3所示。当每次捕获中断发生时，在该中断子程序中
读出ZCBA，确定状态值STATE (从而知道是哪相发生了何种跳变)，在指定的跳变后延迟特定时间输出控制信号。根据这个思想，我们可将每种状态和所对应的控制信号列成真值表，以方便编程。因为文章谈及的6/4极开关磁阻发电机样机，开通角 on
[30 ,45 ]，控制信号所对应的状态值STATE =02H 、OR 06H 、OR 0AH；关断角 o ff [45 ,60 ]OR [60 ,75 ]，故需区别对待，当 off
[45 ,60 ]，控制信号对应的状态值STATE=04H 、OR 08H 、OR 0CH；而当 of f
[60 ,75 ]，控制信号对应状态值STATE =02H 、OR 06H 、OR 0AH ，与 on 一样，该真值表如表1所示。
表1 光电脉冲电平状态与角度位置控制信号的关系STATE ZCBA GWFLG=0GWFLG=1
02H 101 C ON
B OFF
04H
001 C OFF
06H 011 A ON
C OFF
08H 010 A OFF
0AH 110 B O N
A OFF 0CH
100
B OFF
3 用TM S320F240汇编指令集产生角度位置控制信
号
该程序分为3大部分：主程序、CAP 中断服务子程序、定时器1中断服务子程序。各部分程序实现功能如下:
3 1 主程序
主程序完成的主要功能为：由转速确定最优开关角，并计算得到开关角对应的延迟时间(定时器计数值)。主程序的开始部分是进行对系统配置和相关变量的初始化工作。设置IOPA0~2为输入口，接收三相光电脉冲信号；设置IOPB0~2为输出控制口，输出角度位置控制信号。在软件开中断后，主程序进入一个循环工作体DOJOB，并等待中断请求的出现。DOJOB 完成的功能为：先将CAP 中断服务子程序中捕获到的值(即综合信号一个脉冲、电工角度15 所对应的计数值，变量COL)除某一系数得到此时电机的转速，通过查表获得该转速下的最优开关控制角。将导通角和关断角的绝对分量去掉，使其角度值在[0 ,15 ]区间上，进而计算出相对的开通角延迟计数时间ONCNT 和关断角延迟计数时间OFFCNT，以准备定时器T 1的设置。这其中由于关断角落在两个区间，故要加以区分，分别处
142 计算机测量与控制 第12卷
图4 CAP I SR 流程图
理，关断角区间标志位GWFLG，标志了当前关断角所在的区间。
3 2 CAP 中断服务子程序
CAP ISR 完成的主要功能为：捕获到用于计算电机转速及角度控制信号延迟时间的单脉冲周期的计数值COL；读入三相光电编码状态ZCBA，据此得到转子状态STATE，进入相应的子程序，将开关角的延迟计数值赋给定时器T 1的周期和比较寄存器。启动T1计数器，以单增方式计数，为T 1比较和周期中断作准备。
在读入PADAT DIR 0~2，赋给变量ZCBA，得到该时刻的三相光电脉冲后，程序根据ZCBA 值对STATE 赋值，并跳转到与该状态对应的处理程序。
当STATE=02H 、OR 06H 、OR 0AH 时，对应真值表表1，此时看标志位GWFLG 的值，当GWFLG=1时，关断角 off [60 ,75 ]，再观察图3发现开通关断角控制信号同时出现在以上三状态中的任一状态当中(只是开通、关断的相不一样，这将在T1ISR 中加以处理)，故需在以上三状态中的任一状态当中两次输出控制信号量，为了节省片内资源，我们只采用了一个定时器T1，但用到了它的两个中断 比较和周期中断。又因为两个控制信号对应的延迟时间大小关系不定，故需在比较大小之后，将ONCNT 、OFFCN
T 中小的赋给比较寄存器T 1CM P，大的则赋给T1PER，并以标志变量ROTO 标志ONCNT 与OFFCNT 间的大小关系。另一方面，当GWFLG=0时，关断角 off
[45 ,60 ]，三相关断角控制信号出现在另外三种状态中(见图3及
表1)，故此时只需将开通角对应的延迟时间ONCNT 赋给T1PER，而T1CMP 置0。
当STATE=04H 、OR 08H 、OR 0CH 时，对应表1看GWFLG 的值，当GWFLG=1时，程序无需处理，直接返回；而当GWFLG=0时，三相关断角控制信号恰好出现在以上三状态中，故此时需将关断角延迟时间OFFCNT 赋给T1PER，而T1CM P 置0。
具体程序见图4，有两点问题需要指出:(1)由于本样机的有效发电转速在一千转以上，故在定时器分频系数为1时也不会发生定时器溢出的事件，因此文章在此略去溢出处理段;(2)为了保证控制器突加时的系统同步，程序中加入控制输出使能标志位。即从突加控制器起到第2次捕获发生时，均输出关断信号。3 3 定时器中断服务子程序
定时器T1使能了两个中断，比较中断和周期中断。这两个中断是根据电机当前转速下特定的开通关断角和电机转子位置来共同决定角度控制开关信号的发送。
周期中断时，令T1停止计数，根据状态值STATE 跳转进入相应的处理程序段。其中当STATE =02H 、O
R 06H 、OR 0AH 时，对应真值表看ROTO 值，当ROTO=0，说明ONCNT OFFCNT，则此时向指定相输出开通角控制信号 高电平，在比较中断中向另一相输出低电平；而当ROTO=1，则向指定相输出关断角控制信号 低电平，在比较中断中向另一相输出高电平。另一方面，当STA TE 为另三种状态时，对应表1，程序向指定相输出低电平关断信号。比较中断时，根据状态值STATE 跳转至相应处理子程序。其中当STA TE =02H 、OR 06H 、OR 0AH 时，对应表1并看ROTO 值，与周期ISR 中的处理相对应，不再赘述。STATE 为另三种状态值时，比较ISR 无需处理，直接返回。
4 结论
文章重点分析了开关磁阻发电机角度位置控制算法，进行了软件实现和硬件逻辑电路的设计制作，通过了模拟现场状态环境下的系统集成测试。研究表明该控制系统在较宽转速范围内具有良好的稳定性、可靠性，并有较强的容错性能。该系统的研制成功为进一步完善开关磁阻电机多态运行方式的理论研究和软硬件设计打下了较好的基础。
参考文献:
[1]刘迪吉，张焕春，傅丰礼，等.开关磁阻调速电动机[M ].
北京：机械工业出版社,1994.
[2]刘闯，朱学忠，刘迪吉，等.基于微机控制的开关磁阻发电机研究[J].电力电子技术,1999,(5):7-9.
[3]T M S320C24xDSP 控制器参考手册[Z].武汉:P&S 武汉力源
电子股份有限公司,1998.
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