專利名稱：單電流傳感器的開關磁阻電機控制裝置及其實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor,簡稱SRM)雙相導通時的相 電流檢測方法及控制，特別是一種單電流傳感器的四相(8/6極)開關磁阻電機控制裝 置及其實現(xiàn)方法。
背景技術：
眾所周知，單向、脈動以及波形隨著運行方式、運行條件不同而變化很大是開關磁 阻電機相電流的基本特點。繞組中相電流的控制是整個開關磁阻電機(SRM)調速系統(tǒng)的 核心內(nèi)容，電流控制的好壞直接影響到系統(tǒng)的調速性能，電流脈動太大還可能導致轉矩 脈動加大，電機噪聲也將會變大。傳統(tǒng)的電流滯環(huán)控制雖然能快速地增加或者減小電流， 但是帶來的負面效應是開關頻率、開關損耗加大，尤其是大功率的開關磁阻電機調速系 統(tǒng)，開關損耗將限制其在大功率場合的應用。由此可知，開關磁阻電機電流控制器應具 備如下性能特點快速性能好，從電流檢測到控制主開關器件動作的延時應盡量??；被 測主電路與控制電路之間應該有良好隔離，且有一定的抗干擾能力；靈敏度高，檢測頻 帶范圍寬，可檢測多次諧波成分的直流電流；單向電流檢測，在一定工作范圍內(nèi)具有良好的線性度。應該指出，開關磁阻電機電流斬波控制(ccc)工作方式的一般方法是每相串入一個電流傳感器，對四相(8/6極)開關磁阻電機，這就需要用四個電流傳感器， 這無疑增加了成本，使系統(tǒng)復雜，調節(jié)麻煩。事實上，開關磁阻電機正常運行時，即使 存在兩相導通重疊，亦并非是所有的相繞組同時導通的，這就為減少電流傳感器數(shù)量提 供了可能性。之前對四相開關磁阻電機電流的控制，由于其相鄰相的導通區(qū)間可能發(fā)生 重疊，但交叉相(即A相、C相和B相、D相)的導通區(qū)間一般不會重疊，而且電流斬波 控制方式的放電時間短，因此當C相(或D相)開始斬波時，A相(或B相)的電流已 經(jīng)衰減至零，故可以采用A相和C相、B相和D相共用一套電流傳感器，即可對四相電 流按順序進行斬波控制。目前通用的開關磁阻電機均采用上述方式進行電流檢測，但是， 本著減少電流檢測器件數(shù)目、簡化A/D轉換及DSP控制器處理的目的，并且為了使電流 控制速度加快，同時提高系統(tǒng)整體響應速度，本發(fā)明解決了用一個電流傳感器控制四相 (8/6極)開關磁阻電機的相電流。
鑒于開關磁阻電機功率變換器中，輸出的相電流是單向脈動的，可用如下幾種檢測 電流的方法電阻采樣檢測電流法、直流電流互感器檢測電流法、霍爾元件采樣檢測電 流法、磁敏電阻采樣檢測電流法。其中電阻采樣檢測電流法簡單易行，但有附加損耗， 且易引入主電路的強電干擾。而后幾種方式都要進行電流的磁通密度變換，霍爾元件采 樣檢測電流法由于其實用性，得到越來越廣泛的應用?；魻栯娏鱾鞲衅魇菄H上電子線 路中普遍采用的電流檢測及過電流保護元件，其最大優(yōu)點是測量精度高、線性度好、響
應快速，可以做到電隔離檢測。利用霍爾效應檢測電流目前有直接檢測式和磁場平衡式 兩種方法。直接檢測式霍爾電流傳感器的主要不足是當被測電流過大時，為不使磁路飽 和，保證測量的線性度，必須相應增大鐵心的截面積，這就造成檢測裝置的體積過大。 而磁場平衡式霍爾電流傳感器(簡稱LEM)把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路 集成在一起，具有測量、反饋、保護三重功能。LEM模塊通過磁場的補償，鐵心內(nèi)的磁 通保持為零，使其尺寸、重量顯著減小，使用方便，電流過載能力強，因此成為開關磁 阻電機中 一種理想的電流檢測方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電流傳感器的開關磁阻電機控制裝置及其實現(xiàn)方法。它屬 于單電流傳感器四相(8/6極)開關磁阻電機控制器，解決了開關磁阻電機由于相電流 單向、脈動等難以精確控制的問題，以及穿孔式霍爾電流傳感器檢測雙相導通時電流的 實現(xiàn)方法。
本發(fā)明提供的一種單電流傳感器(四相，8/6極)的開關磁阻電機控制裝置主要包括 電流檢測電路、功率變換器電路、A/D轉換電路、數(shù)字信號處理(DSP)控制器電路和開 關磁阻電機(SRM);其連接方式是功率變換器電路分別連接電流檢測電路與開關磁阻 電機，電流檢測電路再與A/D轉換電路相連，A/D轉換電路與數(shù)字信號處理(DSP)控制 電路連接。
所述的功率變換器電路包括整流電路、裂相電容分壓電路、半橋式逆變電路及開 關電源；其連接方式是交流電源接至整流電路，整流電路分別與裂相電容分壓電路、開關電源相連接，裂相電容分壓電路連接至半橋式逆變電路。
所述的功率變換器電路的A相和C相的一端通過霍爾電流檢測器(LEM)分別與功率 器件VT1和VT2相連，另一端與開關磁阻電機(SRM)的相應相連接；B相和D相的一端 分別與VD3、 VD4相連，另一端直接與開關磁阻電機(SRM)的相應相連接。
所述的單電流傳感器的開關磁阻電機控制裝置的實現(xiàn)方法包括的步驟
1) 選用四相(8/6極)開關磁阻電機功率主電路常用的拓撲結構——分裂式直流電 源的功率變換器，這種功率變換器主電路拓撲結構如附圖l所示。電路中將開關磁阻電機 的四相繞組接成附圖l所示形式，采用兩相通電方式，電路的續(xù)流和換相由續(xù)流二極管來 實現(xiàn)。其中，功率器件由脈寬調制信號(PWM)控制，根據(jù)脈寬調制信號(PWM)控制功 率主電路中功率器件的通斷，進而決定使電機某兩相產(chǎn)生電流通過功率主電路輸出，實 現(xiàn)開關磁阻電機的調速；并且此電路減少了功率器件的數(shù)量，換相時的電壓波動也較小。
2) 功率變換器電路分別輸出A、 B、 C、 D四相電流，其中B相和D相直接與開關磁阻電機相連，A相和C相經(jīng)由一個穿孔式霍爾電流檢測器與開關磁阻電機相連，用A相 和C相電流之和作為總的控制電流，來控制雙相運行時的四相(8/6極)開關磁阻電機。 開關磁阻電機通電順序依次為AB-BC-CD-DA，依次循環(huán)導通即可。
3) 將檢測出的電流信號I經(jīng)采樣電阻R變?yōu)殡妷盒盘?，放大、濾波后與A/D轉換電路相連，進行模擬/數(shù)字信號的轉換，最后將轉換后的數(shù)字信號送至DSP控制器的相應輸 入引腳，實現(xiàn)了開關磁阻電機雙相導通時的相電流控制。
本發(fā)明提供了一種單電流傳感器8/6極開關磁阻電機控制器裝置，克服了開關磁阻 電機由于相電流單向、脈動等難以精確控制的問題，進而找出穿孔式霍爾電流傳感器檢 測雙相導通時電流的實現(xiàn)方法，結構簡單，檢測方便。
本發(fā)明可組成高性能的開關磁阻電機伺服系統(tǒng)，該裝置結構簡單，可用于開關磁阻電 機調速系統(tǒng)，如機器人、數(shù)控機床、雷達跟蹤、火炮隨動等系統(tǒng)，包括礦山、冶金、電 力、化工、石油等行業(yè)，可以有效改善系統(tǒng)性能，提高控制精度。


圖l、本發(fā)明的系統(tǒng)功率主電路示意圖。
圖2、單電流傳感器原理示意圖。
圖3、本發(fā)明的電流波形圖。
具體實施例方式
結合附圖對本發(fā)明詳細描述如下
如附圖1所示，系統(tǒng)功率變換器主電路功率器件與開關磁阻電機的連接，采用兩相通 電方式，電路的續(xù)流和換相由續(xù)流二極管來實現(xiàn)。由脈寬調制信號(PWM)控制功率器件 的導通與關斷，實現(xiàn)開關磁阻電機的調速。運行時，開關磁阻電機按照AB-BC-CD-DA的順 序依次循環(huán)導通，各相均通過電流，由于是兩相同時導通，且開關磁阻電機的特點是相 電流單向流動，即A相有電流的時候C相則無電流通過，反之，C相有電流流過時A相則無 電流，再考慮續(xù)流，A相和C相的相電流即為當時導通相的實際電流。本發(fā)明中開關磁阻 電機的A相和C相通過一個穿孔式霍爾電流檢測器(LEM)，輸出的電流即為實際電流，進 而實現(xiàn)了對雙相運行時四相(8/6極)開關磁阻電機電流的控制。
本發(fā)明主要包括電流檢測電路、功率變換器電路、A/D轉換電路、DSP控制電路和 開關磁阻電機。
選用四相(8/6極)開關磁阻電機功率主電路常用的拓撲結構——分裂式直流電源的 功率變換器，這種功率變換器主電路拓撲結構如圖l所示。電路中將開關磁阻電機的四相 繞組接成附圖l所示形式，采用兩相通電方式，電路的續(xù)流和換相由續(xù)流二極管來實現(xiàn)， 其中，功率器件由脈寬調制信號(PWM)控制，根據(jù)脈寬調制信號(PWM)控制功率主電 路中功率器件的通斷，進而決定開關磁阻電機AB、 BC、 CD、 DA相的導通順序，使電機某 兩相產(chǎn)生電流通過功率主電路輸出。結合圖2所示，具體實現(xiàn)方式如下A相和C相的一端 通過霍爾電流檢測器(LEM)分別與功率器件VT 1和VT2相連，另 一端與開關磁阻電機(SRM) 的相應相連接。B相和D相的一端分別與VD3、 VD4相連，另一端直接與開關磁阻電機(SRM) 的相應相連接。再將檢測出的電流信號I經(jīng)采樣電阻R變?yōu)殡妷盒盘?，放大、濾波后與A/D 轉換電路相連，實現(xiàn)模擬/數(shù)字信號的轉換，最后將轉換后的數(shù)字信號送至DSP控制器的 相應輸入引腳。
所述的單電流傳感器四相開關磁阻電機電流檢測裝置選用穿孔式霍爾電流檢測器-H0NEYWELL公司提供的CSNP661，該產(chǎn)品屬于閉環(huán)電流傳感器，是基于霍爾效應及零磁場 平衡原理(反饋系統(tǒng))來測量電流的，傳感器內(nèi)部磁場總是被控制在零點，用以平衡零 磁場的電流是流過導體的初級電流乘以初次線圈的比例系數(shù)。閉環(huán)電流則為傳感器的輸 出，且反映初級電流任何時候被次級線圈減少的關系。且原/副邊電路之間是電氣絕緣的， 可以測量直流、交流和脈沖電流，電流輸出可通過外接電阻轉換為電壓輸出?；诖耍?本發(fā)明中將A、 B、 C、 D四相的一端與功率變換器主電路功率器件相連，B相和D相的另一 端直接與開關磁阻電機(SRM)相連，A相和C相的另一端經(jīng)由霍爾電流檢測器(LEM)與 開關磁阻電機相連，用A相和C相電流之和作為總的控制電流，來控制雙相運行時的四相(8/6極)開關磁阻電機。
所述的單電流傳感器四相開關磁阻電機電流檢測裝置的DSP控制電路所用的核心芯 片是DSP控制器，它屬于一個單片微處理系統(tǒng)，包括有中央處理單元CPU,還包括片內(nèi) 程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、輸入/輸出接口、中斷管理系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)視等CPU的基本支持 接口以及片內(nèi)外設。片內(nèi)外設包括A/D轉換(ADC)模塊、串行通信接口 (SCI)模塊、 串行外設接口 (SPI)模塊、事件管理(EV)模塊等。本發(fā)明通過DSP來控制功率電路中 主功率元件的如相導通、關斷角、電流幅值、繞阻電壓等工作參數(shù)。
如圖3所示，以四相(8/6極)開關磁阻電機為例，電機按照AB-BC-CD-DA的順序依次 循環(huán)導通，電流波形如圖所示。I—DA、 I一AB、 I一BC、 I—CD分別為相應的雙相導通時的電 流，由于是兩相同時導通，且開關磁阻電機的特點是相電流單向流動，艮PA相有電流的時 候C相則無電流通過，反之，C相有電流流過時A相則無電流，再考慮續(xù)流，A相(I—A)和 C (I一C)相的相電流即為當時導通相的實際電流。按照本發(fā)明提供的單電流傳感器開關 磁阻電機控制裝置，本發(fā)明中開關磁阻電機的A相和C相通過一個穿孔式霍爾電流檢測器(LEM)，即為輸出的A相和C相的相電流即為當時導通相的實際電流。實現(xiàn)了對開關磁阻 電機的調速、穩(wěn)速運行、停止、正反轉、制動等狀態(tài)的控制。
權利要求
1、一種單電流傳感器的開關磁阻電機控制裝置，其特征在于它主要包括電流檢測電路、功率變換器電路、A/D轉換電路、數(shù)字信號處理(DSP)控制器電路和開關磁阻電機；功率變換器電路分別連接電流檢測電路與開關磁阻電機，電流檢測電路再與A/D轉換電路相連，A/D轉換電路與數(shù)字信號處理(DSP)控制電路連接。
2、 按照權利要求1所述的單電流傳感器的開關磁阻電機控制裝置，其特征在于所述的功率變換器電路包括整流電路、裂相電容分壓電路、半橋式逆變電路及開關電源； 其連接方式是交流電源接至整流電路，整流電路分別與裂相電容分壓電路、開關電源 相連接，裂相電容分壓電路連接至半橋式逆變電路。
3、 按照權利要求l所述的單電流傳感器的開關磁阻電機控制裝置，其特征在于所述 的功率變換器電路的A相和C相的一端通過霍爾電流檢測器(LEM)分別與功率器件VT1 和VT2相連，另一端與開關磁阻電機(SRM)的相應相連接；B相和D相的一端分別與VD3、 VD4相連，另一端直接與開關磁阻電機(SRM)的相應相連接。
4、 按照權利要求1所述的單電流傳感器的開關磁阻電機控制裝置，其特征在于所述 的數(shù)字信號處理(DSP)控制器是TMS320LF240X。
5、 按照權利要求l所述的單電流傳感器的開關磁阻電機控制裝置，其特征在于實現(xiàn) 方法包括的步驟1) 采用兩相通電方式，電路的續(xù)流和換相由續(xù)流二極管來實現(xiàn)，其中，功率器件由 脈寬調制信號(PWM)控制，根據(jù)脈寬調制信號(PWM)控制功率主電路中功率器件的通 斷，進而決定使電機某兩相產(chǎn)生電流通過功率主電路輸出，實現(xiàn)開關磁阻電機的調速；2) 功率變換器電路分別輸出A、 B、 C、 D四相電流，用A相和C相電流之和作為總 的控制電流，來控制雙相運行時的四相(8/6極)開關磁阻電機，開關磁阻電機通電順 序依次為AB-BC-CD-DA,依次循環(huán)導通；3) 將檢測出的電流信號I經(jīng)采樣電阻R變?yōu)殡妷盒盘?，放大、濾波后與A/D轉換電 路相連，進行模擬/數(shù)字信號的轉換，最后將轉換后的數(shù)字信號送至DSP控制器的相應輸 入引腳，實現(xiàn)了開關磁阻電機雙相導通時的相電流控制。
6、 權利要求l所述的單電流傳感器的開關磁阻電機控制裝置的應用，其特征在于它 可用于機器人、數(shù)控機床、雷達跟蹤獲火炮隨動系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單電流傳感器的四相(8/6極)開關磁阻電機控制裝置及其實現(xiàn)方法。它主要包括電流檢測電路、功率變換器電路、A/D轉換電路、數(shù)字信號處理(DSP)控制器電路和開關磁阻電機；功率變換器電路分別連接電流檢測電路與開關磁阻電機，電流檢測電路再與A/D轉換電路相連，A/D轉換電路與數(shù)字信號處理(DSP)控制電路連接。本結構簡單，檢測方便，可用于開關磁阻電機調速系統(tǒng)，如機器人、數(shù)控機床、雷達跟蹤、火炮隨動等系統(tǒng)，包括礦山、冶金、電力、化工、石油等行業(yè)，可以有效改善系統(tǒng)性能，提高控制精度。
文檔編號H02P6/16GK101202526SQ200710059958
公開日2008年6月18日 申請日期2007年10月19日 優(yōu)先權日2007年10月19日
發(fā)明者劉漢奎, 孫鶴旭, 煒 張, 硯 董, 易 鄭, 雷兆明 申請人:河北工業(yè)大學