基于DSP的大功率SRM全數字控制系統
摘要：設計了一種大功率開關磁阻電機（SRM）全數字控制系統。該系統采用高性能的數字信號處理器（DSP）TMS320F2812和單片機（MCU）89C52主—從雙處理器結構，為了減少外圍分立器件，增加系統可靠性和抗干擾性，應用了復雜可編程邏輯器件（CPLD）EPM7064S；控制策略采用電流斬波控制（CCC）。132kW大功率SRM控制系統成功應用于礦山矸石山絞車，由現場運行結果表明：速度跟蹤性能和抗干擾能力強，電流波形接近理想方波，完全滿足了工業現場的應用需求。進一步驗證了該系統設計的合理性。
1 引言
隨著微電子技術和微處理器的發展，電機控制技術也取得了突破性進展。開關磁阻電機（switched reluctance motor，簡稱SRM）是最近10年來才引起人們注意的一種新型機電一體化可調速電機，由于其內部沒有轉子繞組，具有永磁性能，因此結構簡單堅固、價格低廉、可靠性高。開關磁阻電機驅動系統（SRD）僅需要單方向電流，因此基于IGBT的電力電子驅動電路簡單可靠，具有靈活的可控性，易于實現4象限運行，系統動態響應快，在寬廣的轉速和功率范圍內都具有高輸出和高效率。SRD啟動及低速時轉矩大，轉速調節范圍大。SRD各相獨立工作，在缺相的情況下仍能運行，系統容錯能力強。SRM用作驅動系統，與直流、交流驅動系統相比，在結構、性能、體積和成本等各方面都具有很大的優勢，使得SRD特別適合作為煤礦井下、井上大功率防爆絞車驅動系統。
本文為矸石山絞車開發了132kW大功率開關磁阻電機調速系統。首先分析了開關磁阻電機的數學模型及控制原理，然后設計了一種基于DSP，MCU的主—從雙處理器和CPLD的全數字通用控制器，采用數字電流斬波控制方式，編寫了雙閉環控制軟件；現場運行表明，該系統設計合理。
2 開關磁阻電機的數學模型
相數為m開關磁阻電機理想線性矩陣方程：
式中：U為相電壓列矢量，U＝（U1，U2，…Um）T；ψ為相電壓列矢量，ψ＝（ψ1，ψ2，ψm）T；R為相電壓列矢量R＝diag[R1，R2，…，Rm]；L－1（θ）為相電感方陣的逆陣，L－1（θ）＝diag[1/L1（θ），1/L2（θ），…，l/Lm（θ）]；TL負載轉矩；D為摩擦系數；J為轉動慣量；ωt為角速度。
SRM的轉矩是由磁路選擇最小磁阻結構的趨勢而產生的。通常SRM的轉矩根據磁共能計算，即
式中：θ為轉子位置角；i為繞組電流。
基于線性模型，式（2）可簡化為
3 電流斬波控制（CCC）
開關磁阻電機工作在電動模式下時，在運動電勢的抑制下電流變化平緩因此相對容易控制。通常采用與直流電動機調速系統類似的控制方法，對相電流進行采樣，將給定的電流與反饋電流差值作為PWM的占空比計算依據，對電流進行閉環PI調節。
開關磁阻電機工作在制動模式下，電磁轉矩方向與轉速方向相反。從軸上輸入的機械能轉變為電能。如果沒有位能負載拖動，在制動轉矩的減速作用下，轉子很快被制動到轉速為零。理想的電動制動、電流波形如圖1所示。
在圖1中，θa到θb區間處于電機電動運行的勵磁階段，θ2到θ3是輸出有效電動轉矩階段，θc到θd是該相關斷區間。在勵磁階段，由于相電感較小，故該相電流很快建立達到電動電流iref。在θ2到θc通過PWM來保持電流的理想方波狀態。θc到θd間迅速關斷開關管，避免相電流續流到電感下降區間對轉矩產生反作用。
同樣的，θe到θf區間處于電機制動運行的勵磁階段，θf到θ5區間是輸出有效制動轉矩階段，θ5到θ6是該相關斷區間。在勵磁階段，由于相電感較大，故用較大的占空比同時開通兩個IGBT，使得該相電流盡快建立達到制動電流iref。在θf到θ5區間，主要克服反電動勢，使得電流維持在iref附近。在開通角和關斷角固定的情況下采用一主開關管始終關斷，另一開關管PWM斬波且其占空比由反電動勢EMF的大小決定。θ5到θ6區間迅速關斷開關管，避免相電流續流到電感上升區間。
4 系統主回路
根據系統實際需求，選用IGBT作為系統的功率變換單元，采用了不對稱半橋的拓撲結構，系統的主回路方案如圖2所示。
圖2中，L1，L2，L3為濾波電抗器，C1為濾波電容，兩者的作用是為了避免系統產生的高次諧波對主電網造成影響。當SRD系統的功率電路和交流電網接通時，若回路中沒有限制電流的元件，則合閘瞬間整流電路中大的儲能電容將電源短路，電路中有較大的浪涌電流。即使是上百瓦數量級的供電電源，合閘浪涌電流都可能高達100～200A，這樣大的浪涌電流不僅會引起電源開關觸點的熔接，輸入熔斷器熔斷，也會干擾相鄰的用電設備。限制合閘浪涌電流的方法是在儲能電容回路串入限流電阻。合閘瞬間，充電電阻R0串入電容充電回路，當直流母線電壓大于400V的時候，J閉合將R0短接。R1為放電電阻，是由DSP控制其所在支路開關的，當直流母線上的電壓高于預定數值的時候就打開此支路進行放電。電容組C2為充放電電容，其作用為的是避免在系統狀態轉換時電壓沖擊。TA1，TA2，TA3為3個LEM電流互感器，在進行處理后進入DSP控制系統進行A/D轉換，為雙閉環系統中電流閉環的反饋。LA，LB，LC為開關磁阻電機的3個繞組。VD1～VD6為IGBT的續流二極管。
5 控制器硬件和軟件設計
5.1 控制器硬件設計
該控制系統是專為礦山矸石山絞車所設計的，由于礦山電磁環境十分惡劣，并考慮到為以后系統升級需要，因此對硬件設計基本要求為：強大的數學運算能力，外設資源豐富，可靠性高，抗干擾能力強。
雙處理器結構框圖如圖3所示，該控制系統主回路采用以IGBT為功率變換單元的不對稱半橋拓撲結構；控制器由DSP，MCU，雙口RAM，CPLD，存儲器和各種外圍電路組成，外圍電路主要包括：位置信號輸入電路、電流檢測電路、過流檢測電路、電壓檢測電路、IGBT驅動電路、鍵盤、顯示電路和串口通訊等。
5.1.1 主－從處理器
主處理器（TMS320F2812）采用TI公司專為數字電機控制開發的新型混合信號32位DSP，該芯片可提供每秒1.5億次指令（150 MI/s），單周期32×32位MAC功能，片上資源十分豐富，基于C/C＋＋高效32位TMS320C28XTMDSP核心，并可由虛擬浮點數學函數庫來提供支持，該IQ數學函數庫可大大簡化多應用開發系統，這種結合使設計人員在幾秒鐘內就可將浮點算法通過端口與定點處理器相連。DSP主要完成控制算法和PWM波形生成，由于F2812內部集成了兩組空間矢量PWM狀態機、可編程的硬件死區單元，捕獲單元等功能，因此非常適合開關磁阻電機控制場合；從處理器采用8位ATMEIL89C52MCU實現系統的外圍接口，包括負責I/O數據采集、鍵盤、顯示和串口通訊等慢速事件。
5.1.2 雙口RAM
主－從處理器之間靠雙口RAM CY7C131實現數據共享和傳遞控制信息。CY7C131具有兩套相互獨立、完全對稱的地址總線、數據總線和控制總線，它允許兩個CPU同時讀取任何存儲單元（包括同時讀同一地址單元），但不允許同時對同一地址單元寫或一讀一寫，否則就會發生錯誤。雙口RAM中引入了仲裁邏輯（忙邏輯）電路來解決這個問題：在雙口RAM的兩套控制線中，各有一個BUSY引腳。當兩端的CPU不對雙口RAM的同一地址單元存取時，BUSYL＝H、BUSYR＝H，可正常存儲；當兩端的CPU對雙口RAM同一地址單元存取時，哪個端口的存取請求信號出現在后，則其對應的BUSY＝L，禁止其存取數據；在無法判定兩個端口存取請求信號出現的先后順序時，控制線BUSYL，BUSYR只有一個為低電平。這樣，就能保證對應于BUSY＝H的端口能進行正常存取，對應于BUSY＝L的端口不能存取，從而避免了兩個CPU同時競爭地址資源而引發錯誤的可能。
然而，由于DSP為低功耗，其邏輯電平電壓等級為3.3 V與CY7C131邏輯電平并不匹配，不能直接將它們的數據線和地址線相連。本系統采用電平轉換芯片74LVT16245實現電平轉換。將DSP設為L（左CPU），單片機設為R（右CPU），則其原理圖如圖4所示，A0H～A9H是DSP通過SN74LVTH245驅動后的5V電平的地址總線，D0H～D7H是DSP通過SN74LVTH245驅動后的5V電平的數據總線，它們分別連接到CY7C131的L端的地址數據總線上。AD0～AD7是單片機的P0口地址數據復用口，連接到CY7C131的R端的數據總線上，B0～B9則是單片機的10位地址總線連接到了CY7C131的R端地址總線上。R/WA和R/WB是DSP和89C52對雙口RAM的讀寫控制信號。HBUSYL和BUSYR分別代表兩個處理器對同一地址的讀寫沖突。CS1A和CS1B是DSP和單片機的地址、讀寫控制、空間分配信號進入CPLD進行地址譯碼的輸出，指示了雙口RAM在兩個處理器中的地址。
CY7C131為1K×8位雙口RAM，故DSP和MCU交換數據以字節為單位。DSP對雙口RAM讀、寫時<
1 引言
隨著微電子技術和微處理器的發展，電機控制技術也取得了突破性進展。開關磁阻電機（switched reluctance motor，簡稱SRM）是最近10年來才引起人們注意的一種新型機電一體化可調速電機，由于其內部沒有轉子繞組，具有永磁性能，因此結構簡單堅固、價格低廉、可靠性高。開關磁阻電機驅動系統（SRD）僅需要單方向電流，因此基于IGBT的電力電子驅動電路簡單可靠，具有靈活的可控性，易于實現4象限運行，系統動態響應快，在寬廣的轉速和功率范圍內都具有高輸出和高效率。SRD啟動及低速時轉矩大，轉速調節范圍大。SRD各相獨立工作，在缺相的情況下仍能運行，系統容錯能力強。SRM用作驅動系統，與直流、交流驅動系統相比，在結構、性能、體積和成本等各方面都具有很大的優勢，使得SRD特別適合作為煤礦井下、井上大功率防爆絞車驅動系統。
本文為矸石山絞車開發了132kW大功率開關磁阻電機調速系統。首先分析了開關磁阻電機的數學模型及控制原理，然后設計了一種基于DSP，MCU的主—從雙處理器和CPLD的全數字通用控制器，采用數字電流斬波控制方式，編寫了雙閉環控制軟件；現場運行表明，該系統設計合理。
2 開關磁阻電機的數學模型
相數為m開關磁阻電機理想線性矩陣方程：
式中：U為相電壓列矢量，U＝（U1，U2，…Um）T；ψ為相電壓列矢量，ψ＝（ψ1，ψ2，ψm）T；R為相電壓列矢量R＝diag[R1，R2，…，Rm]；L－1（θ）為相電感方陣的逆陣，L－1（θ）＝diag[1/L1（θ），1/L2（θ），…，l/Lm（θ）]；TL負載轉矩；D為摩擦系數；J為轉動慣量；ωt為角速度。
SRM的轉矩是由磁路選擇最小磁阻結構的趨勢而產生的。通常SRM的轉矩根據磁共能計算，即
式中：θ為轉子位置角；i為繞組電流。
基于線性模型，式（2）可簡化為
3 電流斬波控制（CCC）
開關磁阻電機工作在電動模式下時，在運動電勢的抑制下電流變化平緩因此相對容易控制。通常采用與直流電動機調速系統類似的控制方法，對相電流進行采樣，將給定的電流與反饋電流差值作為PWM的占空比計算依據，對電流進行閉環PI調節。
開關磁阻電機工作在制動模式下，電磁轉矩方向與轉速方向相反。從軸上輸入的機械能轉變為電能。如果沒有位能負載拖動，在制動轉矩的減速作用下，轉子很快被制動到轉速為零。理想的電動制動、電流波形如圖1所示。
在圖1中，θa到θb區間處于電機電動運行的勵磁階段，θ2到θ3是輸出有效電動轉矩階段，θc到θd是該相關斷區間。在勵磁階段，由于相電感較小，故該相電流很快建立達到電動電流iref。在θ2到θc通過PWM來保持電流的理想方波狀態。θc到θd間迅速關斷開關管，避免相電流續流到電感下降區間對轉矩產生反作用。
同樣的，θe到θf區間處于電機制動運行的勵磁階段，θf到θ5區間是輸出有效制動轉矩階段，θ5到θ6是該相關斷區間。在勵磁階段，由于相電感較大，故用較大的占空比同時開通兩個IGBT，使得該相電流盡快建立達到制動電流iref。在θf到θ5區間，主要克服反電動勢，使得電流維持在iref附近。在開通角和關斷角固定的情況下采用一主開關管始終關斷，另一開關管PWM斬波且其占空比由反電動勢EMF的大小決定。θ5到θ6區間迅速關斷開關管，避免相電流續流到電感上升區間。
4 系統主回路
根據系統實際需求，選用IGBT作為系統的功率變換單元，采用了不對稱半橋的拓撲結構，系統的主回路方案如圖2所示。
圖2中，L1，L2，L3為濾波電抗器，C1為濾波電容，兩者的作用是為了避免系統產生的高次諧波對主電網造成影響。當SRD系統的功率電路和交流電網接通時，若回路中沒有限制電流的元件，則合閘瞬間整流電路中大的儲能電容將電源短路，電路中有較大的浪涌電流。即使是上百瓦數量級的供電電源，合閘浪涌電流都可能高達100～200A，這樣大的浪涌電流不僅會引起電源開關觸點的熔接，輸入熔斷器熔斷，也會干擾相鄰的用電設備。限制合閘浪涌電流的方法是在儲能電容回路串入限流電阻。合閘瞬間，充電電阻R0串入電容充電回路，當直流母線電壓大于400V的時候，J閉合將R0短接。R1為放電電阻，是由DSP控制其所在支路開關的，當直流母線上的電壓高于預定數值的時候就打開此支路進行放電。電容組C2為充放電電容，其作用為的是避免在系統狀態轉換時電壓沖擊。TA1，TA2，TA3為3個LEM電流互感器，在進行處理后進入DSP控制系統進行A/D轉換，為雙閉環系統中電流閉環的反饋。LA，LB，LC為開關磁阻電機的3個繞組。VD1～VD6為IGBT的續流二極管。
5 控制器硬件和軟件設計
5.1 控制器硬件設計
該控制系統是專為礦山矸石山絞車所設計的，由于礦山電磁環境十分惡劣，并考慮到為以后系統升級需要，因此對硬件設計基本要求為：強大的數學運算能力，外設資源豐富，可靠性高，抗干擾能力強。
雙處理器結構框圖如圖3所示，該控制系統主回路采用以IGBT為功率變換單元的不對稱半橋拓撲結構；控制器由DSP，MCU，雙口RAM，CPLD，存儲器和各種外圍電路組成，外圍電路主要包括：位置信號輸入電路、電流檢測電路、過流檢測電路、電壓檢測電路、IGBT驅動電路、鍵盤、顯示電路和串口通訊等。
5.1.1 主－從處理器
主處理器（TMS320F2812）采用TI公司專為數字電機控制開發的新型混合信號32位DSP，該芯片可提供每秒1.5億次指令（150 MI/s），單周期32×32位MAC功能，片上資源十分豐富，基于C/C＋＋高效32位TMS320C28XTMDSP核心，并可由虛擬浮點數學函數庫來提供支持，該IQ數學函數庫可大大簡化多應用開發系統，這種結合使設計人員在幾秒鐘內就可將浮點算法通過端口與定點處理器相連。DSP主要完成控制算法和PWM波形生成，由于F2812內部集成了兩組空間矢量PWM狀態機、可編程的硬件死區單元，捕獲單元等功能，因此非常適合開關磁阻電機控制場合；從處理器采用8位ATMEIL89C52MCU實現系統的外圍接口，包括負責I/O數據采集、鍵盤、顯示和串口通訊等慢速事件。
5.1.2 雙口RAM
主－從處理器之間靠雙口RAM CY7C131實現數據共享和傳遞控制信息。CY7C131具有兩套相互獨立、完全對稱的地址總線、數據總線和控制總線，它允許兩個CPU同時讀取任何存儲單元（包括同時讀同一地址單元），但不允許同時對同一地址單元寫或一讀一寫，否則就會發生錯誤。雙口RAM中引入了仲裁邏輯（忙邏輯）電路來解決這個問題：在雙口RAM的兩套控制線中，各有一個BUSY引腳。當兩端的CPU不對雙口RAM的同一地址單元存取時，BUSYL＝H、BUSYR＝H，可正常存儲；當兩端的CPU對雙口RAM同一地址單元存取時，哪個端口的存取請求信號出現在后，則其對應的BUSY＝L，禁止其存取數據；在無法判定兩個端口存取請求信號出現的先后順序時，控制線BUSYL，BUSYR只有一個為低電平。這樣，就能保證對應于BUSY＝H的端口能進行正常存取，對應于BUSY＝L的端口不能存取，從而避免了兩個CPU同時競爭地址資源而引發錯誤的可能。
然而，由于DSP為低功耗，其邏輯電平電壓等級為3.3 V與CY7C131邏輯電平并不匹配，不能直接將它們的數據線和地址線相連。本系統采用電平轉換芯片74LVT16245實現電平轉換。將DSP設為L（左CPU），單片機設為R（右CPU），則其原理圖如圖4所示，A0H～A9H是DSP通過SN74LVTH245驅動后的5V電平的地址總線，D0H～D7H是DSP通過SN74LVTH245驅動后的5V電平的數據總線，它們分別連接到CY7C131的L端的地址數據總線上。AD0～AD7是單片機的P0口地址數據復用口，連接到CY7C131的R端的數據總線上，B0～B9則是單片機的10位地址總線連接到了CY7C131的R端地址總線上。R/WA和R/WB是DSP和89C52對雙口RAM的讀寫控制信號。HBUSYL和BUSYR分別代表兩個處理器對同一地址的讀寫沖突。CS1A和CS1B是DSP和單片機的地址、讀寫控制、空間分配信號進入CPLD進行地址譯碼的輸出，指示了雙口RAM在兩個處理器中的地址。
CY7C131為1K×8位雙口RAM，故DSP和MCU交換數據以字節為單位。DSP對雙口RAM讀、寫時<
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