一种基于数字信号处理器的开关磁阻电动机与发电机控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)的开关磁阻电动机/发电机(Switched Reluctance Dynamo/Generator,SRD/G)系统的控制策略、控制方案，以及DSP硬件控制器设计。通过启动阶段控制策略控通过角度位置控制确定功率变换器中每相开关管的允许导通区间；通过发电阶段控制策略实现对蓄电池充电的有效控制；并通过控制器采用TMS320F240型DSP处理器,适合于对功率变换器和SRD/G电机的电流、电压、温度、角度位置速度等物理量的检测和控制。

A switched reluctance motor and generator control system based on digital signal processor

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字信号处理器的开关磁阻电动机与发电机控制系统
本专利技术涉及基于数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)的开关磁阻电动机与发电机(SwitchedReluctanceDynamo/Generator,SRD/G)系统的控制策略与控制方案。
技术介绍
目前国内汽车的起动机和发电机都是分开的，一般起动机采用有刷直流电动机，而发电机常采用带整流管和电压调节器的交流发电机。本专利技术将上述二者合一将可能节省汽车空间，提高设备的利用率。有一些进口的轿车或轻型客车、货车上采用了直流发电式起动机，将起动机与发电机合二为一，起动时，由起动开关将其连接成复激式直流电动机；起动后，则成为并激式直流发电机。本专利技术研究用开关磁阻起动/发电机取代传统直流起动；发电机，将克服直流电机的许多弊端，具有无比的优越性。目前汽车电源系统采用的是恒压充电方式，这种充电方式和主要缺点是充电电流大小不能调整，所以不能保证蓄电池彻底充足电，也不能用于蓄电池的初充电和去硫充电，对于汽车使用的蓄电池，为了防止其产生硫化故障，必须定期(每两个月)拆下用恒流充电法充电一次。专利技术中开关磁阻发电机可直接输出可控的脉冲直流电，非常适合于蓄电池贮存电能，并且可以通过DSP控制实现智能化充电，从而可以充分发挥蓄电池的效能，并提高蓄电池的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：为了实现开关磁阻电机电动和发电的平稳控制，本专利技术提供一种基于DSP的控制策略。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于DSP的控制系统策略和控制装置，包括:(1)启动阶段控制策略(a)由角度位置控制确定功率变换器中每相开关管的允许导通区间，在这一阶段上述导通区间的开通角控制信号基本与检测到的该相位置信号同步，而关断角控制信号需超前电感最高点一段时间，这是因为若在电感最高点关断开关管，则此时存在的电流会导致制动转矩的产生，从而阻碍电机加速；而提前一段时间关断是为了保证电流在进入电感下降区前降为零。(b)由角度位置控制确定的该区间内给定电流的最大值Imax和最小值Imin不变。当电流传感器检测的绕组电流衰减到设定最小值Imin时，控制开关管重新开通，如此反复。在电流持续期间，平均电流近似为也可采用定关断时间Δt的方法，即每当电流传感器检测的绕组电流超过Imax时，就使相应开关管关断Δt时间后再控制开关管重新开通。这种方法的优点是能控制开关管的开关频率，从而限制开关管的开关损耗。此阶段的控制见图1。(2)发电阶段控制策略当开关磁阻电机运行转速高于某特定值时，若蓄电池剩余电量小于某一下限，则要求开关磁阻电机工作在发电状态，向蓄电池充电并为负载提供电源。根据蓄电池的充电特性，可分二阶段充电，即主充、均充，见图2。(a)单节蓄电池端电压低于2.40V时，采用大电流恒流充电，此时充电电流为0.2CA(C为蓄电池容量)；(b)单节蓄电池端电压上升到2.4V时，约已充入80％的电量，此时应转换到第二阶段，维持2.4V电压进行恒压充电。当蓄电池组因向负载提供较大电流，造成容量不足时，单节蓄电池电压会跌至2.3V以下，此时，将自动将发电机充电工作状态转换为第一阶段，如此循环。(3)控制器设计控制器采用TMS320F240型数字信号处理器(DSP),适合于对功率变换器和SR电机的电流、电压、温度、角度位置速度等物理量的检测和控制，结构如图5所示。图6给出了DSP工作时的硬件框图，如图所示：DSP的高速A/D口检测电流以及蓄电池电压的大小，通过数字化的PI运算，DSP给出电流斩波限的大小并通过数字I/O口输入D/A转换单元，转换单元输出斩波限的模拟量大小；滞环控制器得到斩波限以后产生斩波信号；DSP的捕获单元通过捕获转子位置信号的跳沿，计算出转子位置以及电机转速，查表得到在此速度段发电机的优化开通角关断角大小，由数字I/O口给出θ1、θ2信号；斩波信号与θ1、θ2信号以及电路的过流过压信号一起输入可编程逻辑芯片，经过逻辑运算以后给出开关管的驱动信号。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是起动阶段控制原理图。图2是二阶段充电曲线。图3是电流调节原理图。图4是电压调节原理图。图5是SRD/G控制系统构成图。图6是DSP硬件框图。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于DSP的控制系统策略和控制装置，包括:(1)启动阶段控制策略此时开关磁阻电机实际上工作在电动状态，从外界吸收电能。控制策略上可使开关磁阻电机在该阶段始终提供可能的最大电磁转矩，加速起动。由相电流产生的电磁转矩为由于是一个与电机的结构、材料有关的变量，只要在上升区保持i最大，即能保证开关磁阻电机输出电磁转矩Tem最大。由于该阶段处于低速运行区，反电势较小，电流变化率大，为避免电流上升过快，超过功率开关元件和电机允许的最大电流，故采用角度位置控制加斩波限流的方式。(a)由角度位置控制确定功率变换器中每相开关管的允许导通区间，在这一阶段上述导通区间的开通角控制信号基本与检测到的该相位置信号同步，而关断角控制信号需超前电感最高点一段时间，这是因为若在电感最高点关断开关管，则此时存在的电流会导致制动转矩的产生，从而阻碍电机加速；而提前一段时间关断是为了保证电流在进入电感下降区前降为零。(b)在由角度位置控制确定的该区间内给定电流的最大值Imax和最小值Imin不变。当电流传感器检测的绕组电流衰减到设定最小值Imin时，控制开关管重新开通，如此反复。在电流持续期间，平均电流近似为也可采用定关断时间Δt的方法，即每当电流传感器检测的绕组电流超过Imax时，就使相应开关管关断Δt时间后再控制开关管重新开通。这种方法的优点是能控制开关管的开关频率，从而限制开关管的开关损耗。此阶段的控制见图1。(2)发电阶段控制策略当开关磁阻电机运行转速高于某特定值时，若蓄电池剩余电量小于某一下限，则要求开关磁阻电机工作在发电状态，向蓄电池充电并为负载提供电源。根据蓄电池的充电特性，可分二阶段充电，即主充、均充，见图2。(a)单节蓄电池端电压低于2.40V时，采用大电流恒流充电，此时充电电流为0.2CA(C为蓄电池容量)；(b)单节蓄电池端电压上升到2.4V时，约已充入80％的电量，此时应转换到第二阶段，维持2.4V电压进行恒压充电。当蓄电池组因向负载提供较大电流，造成容量不足时，单节蓄电池电压会跌至2.3V以下，此时，将自动将发电机充电工作状态转换为第一阶段，如此循环。恒流调节和恒压调节的原理图分别见图3和图4。电流和电压控制亦可采用斩波控制方案，以斩波阈值控制励磁电流ic的大小，使得在开通角θ1至关断角θ2范围内励磁电流不超过控制值。调节斩波阈值即可控制输出电流和电压的大小。采用这种控制策略，控制器根据位置传感器的输入信号，计算出当前SR电机的转速和位置，通过查表确定并输出优化的关断角θ2、开通角θ1，电流实际值偏离给定值的误差信号经PID运算后得到该转速下的最优Ic。(3)控制器设计控制器采用TMS320F240型数字信号处理器(DSP)。该处理器是用于电机控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数字信号处理器(DSP)的开关磁阻电机(SRD/G)控制系统，其特征在于，包括：(1)启动阶段控制策略(a)由角度位置控制确定功率变换器中每相开关管的允许导通区间，在这一阶段上述导通区间的开通角控制信号基本与检测到的该相位置信号同步。(b)在由角度位置控制确定的该区间内给定电流的最大值Imax和最小值Imin不变。(2)发电阶段控制策略(a)单节蓄电池端电压低于2.40V时，采用大电流恒流充电，此时充电电流为0.2CA(C为蓄电池容量)；(b)单节蓄电池端电压上升到2.4V时，约已充入80％的电量，此时应转换到第二阶段，维持2.4V电压进行恒压充电。(3)控制器设计控制器采用TMS320F240型数字信号处理器(DSP)，适合于对功率变换器和SR电机的电流、电压、温度、角度位置速度等物理量的检测和控制。此外，该系统还包括以下几个部分：(a)电流传感器采集的母线电流信号，电压传感器采集的电压信号，并进行数字化处理；(b)位置传感器采集转子位置信号；(c)通过单片机或DSP对采集的电流电压信号进行实时的数字PI运算，给出电流斩波限Ichop；对采集的转子位置信号进行解算，给出相应的θ1,θ2；(d)Ichop，θ1,θ2以及绕组相电流Iphase作为滞环控制器的输入信号，滞环控制器输出最终的开关管驱动信号(另外，在当电机处于起动阶段时，滞环控制器的输入端Ichop信号换成给定的Imax及Imin信号)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字信号处理器(DSP)的开关磁阻电机(SRD/G)控制系统，其特征在于，包括：(1)启动阶段控制策略(a)由角度位置控制确定功率变换器中每相开关管的允许导通区间，在这一阶段上述导通区间的开通角控制信号基本与检测到的该相位置信号同步。(b)在由角度位置控制确定的该区间内给定电流的最大值Imax和最小值Imin不变。(2)发电阶段控制策略(a)单节蓄电池端电压低于2.40V时，采用大电流恒流充电，此时充电电流为0.2CA(C为蓄电池容量)；(b)单节蓄电池端电压上升到2.4V时，约已充入80％的电量，此时应转换到第二阶段，维持2.4V电压进行恒压充电。(3)控制器设计控制器采用TMS320F240...

【专利技术属性】
技术研发人员：史兵，乔建光，段锁林，王朋，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32