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基于两步换相法的SR电机调速系统的设计

日期:2020-01-06编辑作者:公司产品

  型磁阻(SR)电机调速系统(SRD)结构简单、坚固、成本低,调速性能优良,在宽广的调速范围内均具有较高的效率,应用前景十分广阔。但由于SR电机的双凸极结构和采用开关性的供电电源,、噪声是其突出的问题,这已成为SRD在更多范围内推广应用发挥其特长的主要障碍。过去人们对SRD的研究主要集中在SR电机本体设计、功率变换器及速度控制策略研究上,因为研究难度大,目前,只有少量文献论及SR电机振动、噪声研究。

  文基于时域分析,得出结论:SR电机相绕组关断所激发的冲击振动是最主要的振动、噪声来源。为削弱这一振动,文提出将相电流关断过程分成两步的“两步换相法”(参见图1):第一步仅关断K1,相电压Up由+Us负跃变至0 V;第二步再关断K2,这时Up由0 V负跃变到-Us。控制第二步与第一步时间间隔为定子固有频率对应周期的一半,这样,第二步与第一步产生的冲击振动相位差为180°,因而相互抵消。WUC.Y.等率先将“两步换相法”引入SRD系统设计,在CCC方式和APC方式两种工况下取得良好抑制振动、噪声效果,但其采用不对称半桥主电路,四相(8/6)SR电机需要8只主开关器件和8只续流二极管,未能充分体现单极性的SR电机功率变换器结构简单、开关器件少的优势,影响了系统的经济性。

  本文采用一种新型的只有6只主开关器件的四相率变换器,在以8098单片机为控制核心的SRD设计中,引入两步换相控制策略,在电压PWM和APC两种工况下,显着地抑制了SR电机的振动和噪声。

  为实现多数传动装置需要的转矩/转速特性:从静止到基速具有恒转矩,在基速以上具有恒功率特性,系统采取的控制策略为基速ωb以下,电压PWM控制,输出恒转矩特性;基速ωb以上,角度位置控制(APC),输出恒功率特性。为简化控制规律,采取将关断角θoff固定在一个由实验得到的最优角度22°处,仅调节起始开通角θon。

  8098单片机定时采样由转子位置传感器获得的反馈速度,与由键盘敲入的给定速度比较,误差经数字PI调节,再经软件处理,根据反馈速度的大小是否在基速以上转换成PWM脉冲或控制角度的APC单脉冲的控制参数。微机控制器根据转子位置控制对应相绕组的导通或关断,输出对应的PWM脉冲或APC单脉冲,经功率变换器,实现对SR电机的控制。为简化硬件电路,PWM控制、APC脉冲控制、速度检测、PI调节器均由软件实现;为提高过流保护动作的快速性,采用硬件过流保护电路。

  样机为0.75 k W四相(8/6)SR电机,功率变换器以GTR作为主开关器件,采用图2所示的功率主电路。

  图2电路的拓扑结构由Pollock等率先提出,其基本上保留了不对称半桥线路的优点,所用开关器件又较不对称半桥少,具有较高的性能/价格比。

  与常规SR电机直接数字控制系统(DDC)换相逻辑控制不同,既要满足SR电机电动运行换相要求,又要满足两步换相要求是制定6只主开关换相规则的原则,显然,这限制相绕组的最大导通角θc不得超过30°。

  由图3可见,控制器主要由8098单片机,外接EPROM27128、专用键盘8279、位置译码及换相控制电路、电流检测与过流保护电路组成。由于基速以下采用的是电压PWM方式,为防止GTR因过流而损坏,设计了过流保护电路。对四相SR电机,其交叉相(即A、C相和B、D相)的导通区间一般不会重叠,因此可采取A相和C相、B相和D相分别共用一个电流传感器(LEM模块),对四相电流检测,如图2所示。

  两路转子位置信号分别送8098的高速输入口HSI0和HSI1,HSI中断服务程序与高速输出HSO0~HSO3和位置译码及换相控制电路配合,用于控制6只主开关的导通、关断,实现SR电机电动运行的换相要求及两步换相要求,HSI中断服务程序还用于速度的采样。

  图2中K1、K3、K4、K6均作为第一步换相开关,与两绕组相连的公共开关K2、K5则作为第二步换相开关。位置检测采用如图4所示的光敏式转子位置传感器半数检测方案。转盘的齿、槽数与转子的凸极、凹槽数一样,均为6,且均匀分布,所占角度均为30°,转盘安装在转子轴上并同步旋转,图中S、P为光电脉冲发生器,当转盘凸齿转到开槽的S、P位置时,发光管被遮住而使其输出状态为0,没有被遮住时,其输出状态为1,则在一个转子角周期(60°)内,S、P产生2个相位差为15°,占空比为50%的方波信号,其组合成4种不同的状态,分别对应四相绕组不同的参考位置。设θc对应的时间为tc,两步换相的时间间隔为tm,则APC方式下SR电机逆时针换相规则(正转换相规则)为:

  (1)若S=0,且P由0跃变到1,则K1、K2同时导通,且分别经tc、tc+tm后关断;

  (2)若P=1,且S由0跃变到1,则K4、K5同时导通,且分别经tc、tc+tm后关断;

  (3)若S=1,且P由1跃变到0,则K3、K2同时导通,且分别经tc、tc+tm后关断;

  (4)若P=0,且S由1跃变到0,则K6、K5同时导通,且分别经tc、tc+tm后关断。

  (1)若S=0,且P由1跃变到0,则K1、K2同时导通,且分别经tc、tc+tm后关断;

  (2)若P=0,且S由0跃变到1,则K6、K5同时导通,且分别经tc、tc+tm后关断;

  (3)若S=1,且P由0跃变到1,则K3、K2同时导通,且分别经tc、tc+tm后关断;

  (4)若P=1,且S由1跃变到0,则K4、K5同时导通,且分别经tc、tc+tm后关断。

  利用8098硬件资源(HSI口、HSO口及P2.5)及少量外接的数字逻辑电路设计了实现上述换相控制的硬件电路。其中,HSO1、HSO3分别产生K2、K5的换相控制信号;HSO2、HSO0产生K1、K3、K4、K6的换相控制信号,因为采用外接逻辑电路构成了30°导通制的换相逻辑控制,因此A相(K1)、C相(K3)可共用HSO0,B相(K4)、D相(K6)可共用HSO2。8098片内的脉冲宽度调制器提供的PWM信号频率固定为15.625kHz,这一斩波频率对GTR而言偏高,故不采用片内的PWM方式,将P2.5作为普通输出口,由软件定时器T1、T2中断形成定频调宽的PWM脉冲,和HSO2、HSO0及外接逻辑电路一起为工作在PWM方式下K1、K3、K4、K6提供换相控制信号;若为APC方式,则将P2.5置0。由于两步换相限制了θc不得超过30°,这降低了起动性能,为此在起动阶段不采用两步换相法,而采用两相全开通起动方式,待起动过程结束后,再切换到二步换相法。

  系统软件由主程序、中断服务程序、专用子程序组成。主程序初始化整个系统和将显示缓冲区的4位速度值送8279显示RAM;中断服务程序包括软件定时器T0、T1、T2中断服务程序、HSI中断服务程序、键盘中断服务程序。其中软件定时器T0中断服务程序完成速度环PI调节与控制参数、显示速度刷新;软件定时器T1、T2完成速度采样和电压PWM控制信号的生成;HSI中断服务程序在换相控制电路支持下实现如上所述的换相规则;键盘中断服务程序首先读取按下的键值,然后根据按下的键跳转到对应的功能模块控制系统程序的执行。专用子程序主要是四字节浮点运算子程序、十六进制数转换成BCD码子程序等。

  主程序初始化系统时,将HSI方式设置为每次跳变触发,因此电机每转过一个步进角,HSI中断服务程序将被执行一次,其主要是通过测试HSI0(即S信号)和HSI1(即P信号)当前的状态给HSO-COMMAND寄存器装载相应的命令字和给HSO-TIME寄存器装载触发时间值使HSO0~HSO3产生所要求的输出信号。HSI中断服务程序在实现换相控制规则的同时,还实现了APC方式下的控制。为简化设计,采用将θoff固定在经实验获得的优化角22°处,而在速度环中调节θon。

  转速测量通过在采样周期内记录HSI事件触发的次数———转过的步进角(15°)数目N实现。

  速度环程序在起动阶段每隔120 ms被调用一次;起动后若运行在基速以下每隔30 ms被调用一次,若运行在基速以上每隔12 ms被调用一次。速度环首先计算实际转速,然后判断电机是否已经起动。将电机转速低于50 r/min作为起动阶段,在起动阶段速度偏差不作PI调节运算,而是采取软件定时器T1中断服务程序中逐步加大斩波占空比的方法实现软起动功能。电机起动后,速度环每调用一次,都要进行一次速度偏差PI运算,然后刷新控制参数。

  以给电阻箱(ZB-120型)供电的直流发电机(Z2-31型,3 k W,3 000 r/min)作负载,对0.75 k W SRD系统负载运行的振动、噪声作了测试。图5为采用电压PWM方式,电机运行在547 r/min在机座表面所测振加速度波形,图6为APC方式下电机运行在1 433 r/min所测振动加速度波形图。

  表1为测量距离取0.4 m左右,电机负载运行在不同速度下,声级计滤波网络采用A计权网络测得的总声级分贝(A)对比。

  图5、6表明系统引入两步换相法对SR电机定子振动有显著的抑制效果;表1表明两步换相法对噪声有明显抑制作用,虽然限于条件,背景噪声较大,测量的精确性不高,但从噪声的对比测试看,在有些工况下,两步换相法的总声级较传统换相法低3 dB(A)左右,相当于声功率降低了1倍左右,效果是显然的。

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  AEDR-850x编码器是世界上最小的 3通道光学编码器,其数字输出采用反射技术用于运动控制。编码器设计工作在-20°以上; C至85度C温度范围因此适用于商业和工业终端应用。 这个 3通道光学编码器在单个封装中装有LED光源和光电检测电路。 3.95 mm(长)x 3.4 mm(宽)x 0.9562 mm(H)的小尺寸使其可用于存在尺寸和空间限制的各种微型商业应用中。 AEDR-850x系列编码器提供双通道正交数字输出和第三通道索引数字输出。由于TTL兼容,AEDR-850X 3通道光学编码器的输出可以直接与大多数信号处理电路连接。因此,编码器提供了极大的设计灵活性,并且易于集成到现有系统中。 功能 功能 世界上最小的3通道反射技术编码器。 表面贴装无引脚封装3.95 mm(长)x 3.4 mm(宽)x 0.9562 mm(高) 3渠道;用于方向感应的双通道正交数字输出和第三通道,索引数字输出。 内置插补器,通过外部引脚分配可选1x,2x和4x因子 兼容TTL 单5V电源 -20 C至85度C绝对工作温度 编码分辨率:294至304(线/英寸) 指数门控,门控 360 e AEDR-8502-102的订购数量为100件。 应用 闭环步进电机 微型电机 打印机 复印机...

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  AEDR-850x编码器是世界上最小的 3通道光学编码器,其数字输出采用反射技术用于运动控制。编码器设计工作在-20°以上; C至85度C温度范围因此适用于商业和工业终端应用。 这个 3通道光学编码器在单个封装中装有LED光源和光电检测电路。 3.95 mm(长)x 3.4 mm(宽)x 0.9562 mm(H)的小尺寸使其可用于存在尺寸和空间限制的各种微型商业应用中。 AEDR-850x系列编码器提供双通道正交数字输出和第三通道索引数字输出。由于TTL兼容,AEDR-850X 3通道光学编码器的输出可以直接与大多数信号处理电路连接。因此,编码器具有出色的设计灵活性,可轻松集成到现有系统中。 功能 功能 世界上最小的3通道反射技术编码器。 表面贴装无引脚封装3.95 mm(长)x 3.4 mm(宽)x 0.9562 mm(高) 3通道;用于方向感应的双通道正交数字输出和第三通道,索引数字输出。 内置插补器,通过外部引脚分配可选1x,2x和4x因子 兼容TTL 单5V电源 -20 C至85度C绝对工作温度 编码分辨率:294至304(线/英寸) 指数选通,门控180 e AEDR-8501-102的订购数量为100件。 应用程序 闭环步进电机 微型电机 打印机 复印机 读卡器 扫描仪...

  AEDR-850x编码器是世界上最小的 3通道光学编码器,带有数字输出,采用反射技术进行运动控制。编码器设计工作在-20°以上; C至85度C温度范围因此适用于商业和工业终端应用。 这个 3通道光学编码器在单个封装中装有LED光源和光电检测电路。 3.95 mm(长)x 3.4 mm(宽)x 0.9562 mm(H)的小尺寸使其可用于存在尺寸和空间限制的各种微型商业应用中。 AEDR-850x系列编码器提供双通道正交数字输出和第三通道索引数字输出。由于TTL兼容,AEDR-850X 3通道光学编码器的输出可以直接与大多数信号处理电路连接。因此,编码器提供了极大的设计灵活性,并且易于集成到现有系统中。 功能 功能 世界上最小的3通道反射技术编码器。 表面贴装无引脚封装3.95 mm(长)x 3.4 mm(宽)x 0.9562 mm(高) 3渠道;用于方向感应的双通道正交数字输出和用于方向数字输出的第三通道。 内置插补器,通过外部引脚分配可选1x,2x和4x因子 兼容TTL 单5V电源 -20 C至85度C绝对工作温度 编码分辨率:294至304(线/英寸) 指数选通,门控90 e AEDR-8500-100的订购数量为1,000件。 应用 闭环步进器电机 微型电机 打印机 复印机 读卡器 扫...

  AEDR-850x编码器是世界上最小的 3通道光学编码器,其数字输出采用反射技术用于运动控制。编码器设计工作在-20°以上; C至85度C温度范围因此适用于商业和工业终端应用。 这个 3通道光学编码器在单个封装中装有LED光源和光电检测电路。 3.95 mm(长)x 3.4 mm(宽)x 0.9562 mm(H)的小尺寸使其可用于存在尺寸和空间限制的各种微型商业应用中。 AEDR-850x系列编码器提供双通道正交数字输出和第三通道索引数字输出。由于TTL兼容,AEDR-850X 3通道光学编码器的输出可以直接与大多数信号处理电路连接。因此,编码器具有出色的设计灵活性,智能蓝牙模块可轻松集成到现有系统中。 功能 功能 世界上最小的3通道反射技术编码器。 表面贴装无引脚封装3.95 mm(长)x 3.4 mm(宽)x 0.9562 mm(高) 3通道;用于方向感应的双通道正交数字输出和第三通道,索引数字输出。 内置插补器,通过外部引脚分配可选1x,2x和4x因子 兼容TTL 单5V电源 -20 C至85度C绝对工作温度 编码分辨率:294至304(线/英寸) 指数门控,门控 360 e AEDR-8502-100的订购数量为1,000件。 应用 闭环步进电机 微型电机 打印机 复印机 读卡器 扫描仪 投...

  AEDR-8320系列是采用反射技术进行运动控制的最小光学编码器之一。编码器将发射器和检测器组合在一个表面贴装无引线封装中。当与编码轮或线性编码条一起使用时,编码器将旋转或线性运动转换为模拟输出。 AEDR-8320系列提供运动传感,是大批量应用的理想选择。它的小尺寸和表面贴装封装使其成为打印机,复印机,读卡器和许多消费产品的理想选择,特别是在空间和重量受设计限制的情况下。 另外,AEDR-8320提供模拟输出,可以进行插值以获得更高的分辨率,从而满足不同应用的不同分辨率需求。特性 反光技术 表面贴装小外形无引线封装 用于方向感测的双通道模拟输出 单5.0V电源 -40 C至85 C绝对工作温度 分辨率:7.09行/ mm(180行/英寸) 应用程序 电机 已安装的编码器 XY表 Pick&放置机器 安全摄像机 打印机 复印机 CD / DVD刻录机 读卡器...

  HEDR-54xx系列编码器的定心工具。它将底板与电机轴对齐。 应用 背光按钮/开关

  AEAT-84AD提供光电机械单元的所有功能,以便通过单圈绝对值编码器实现绝对多圈编码器,组合容量最高可达30扩展温度下的位。 该单元由一个IR-LED电路板,一个光电晶体管(PT)电路板和布置在PCB之间的6或7个齿轮组成。 功能 16384(14bits)转数版 光学,绝对多圈装配,最大值。直径55毫米,典型高度12.2毫米。 工作温度-40C至125C 机械联轴器采用14齿齿轮小齿轮,模块为0.3 运行速度高达12,000 rpm 用于电源和信号的2x4极引脚条 应用 机器人 li

  Broadcom的AEAT-84AD通过提供多圈功能增强了AEAS-7000单圈模块的功能,并且无需对齐(通过其即插即用功能)。值得注意的是,它能够在高达125℃的温度下运行,使应用程序在更恶劣的操作环境中使用。 Broadcom的AEAT-84AD是一个附加模块,可为AEAS-7000增加电机轴转数计数能力,AEAS-7000是业界最小的高端产品。速度,即插即用的绝对编码器。 AEAS-7000绝对编码器和AEAT-84AD轴转数计数模块的组合采用模块化方法,与其他方法相比,可将组装步骤数减少到4个这需要多达8个步骤。编码器组合还可将所需组件数量从大约120个减少到4个,从而降低了库存,制造和采购成本。因此,客户的供应链正在简化!此外,它还通过业界首创的即插即用功能消除了对多个校准调整的需求,从而缩短了制造商的设计周期。 绝对编码器用于需要有关组件位置信息的机器之前发生任何动作。 AEAS-7000 / AEAT-84AD的位置分辨率范围为12位至16位,结合12位或14位旋转计数分辨率。 功能 4096(12bits)转数版 光学,绝对多圈装配,最大值直径55 mm,典型高度12.2 mm。 工作温度-40C至125C 通过14齿齿轮小齿轮机械联轴器,模块为0.3 工作速度高达12...

  Broadcom® BCM81724是单芯片8倍; 56 Gb / s到16× 25 Gb / s NRZ倒档变速箱,8次; 56 Gb / s PAM-4直通模式PHY。它支持PAM-4和NRZ数据格式。它支持Retimer,Forward和Reverse Gearbox模式。它还支持1G,10G,25G,40G,50G,100G,200G和400G线卡应用。 片上时钟合成由低成本的156.25 MHz参考时钟执行高频,低抖动锁相环(PLL)。 BCM81724采用先进的低功耗16纳米CMOS技术制造,可提供19毫米和更短的时间; 19毫米,0.8毫米间距,484球BGA,符合RoHS标准的封装。 特性 主机端接口:30 dB 线 dB 芯片到模块(C2M)兼容 正向和反向变速箱模式和重定时器模式 支持前向纠错(FEC) 支持400G-CR8模式 线路侧接收器集成交流耦合电容 PAM-4和NRZ的多标准和线速支持 连续自适应均衡器 线路和系统侧环回 PRBS发电机/错误检查器 线路侧每个通道的眼睛监控,通过MDIO访问 单个低成本REFCLK输入 恢复时钟输出 支持SGMII传递 与Broadcom ASIC和商用交换机芯片互操作 低功耗16纳米CMOS设计 19毫米与时间; 19毫米BGA,0.8毫米球...

  HEDS-5500/5540,HEDS-5600/5640和HEDM-5500/5600是高性能,低成本,双通道和三通道光学增量编码器。这些编码器强调高可靠性,高分辨率和易于组装。 每个编码器都包含一个带透镜的LED​​光源,一个带探测器和输出电路的集成电路,以及一个在发射器和探测器IC之间旋转的码盘。 HEDS-5500/5600和HEDM-5500/5600的输出是两个正交的方波。除了两个通道正交之外,HEDS-5540和5640还具有第三通道索引输出。该指数输出为90度电高度,真正的指数脉冲,在码盘每旋转一圈时产生一次。 HEDS系列采用金属码轮,而HEDM系列采用胶片码盘,可实现分辨率到1024 CPR。 HEDM系列没有第三个通道索引。 这些编码器可以快速,轻松地安装到电机上。对于直径较大的电机,HEDM-5600和HEDS-5600/5640具有外部安装耳。 正交信号和索引脉冲通过位于0.1英寸中心的五个0.025英寸方形引脚进行访问。 / p

  目前可提供每转96到1024个计数的标准分辨率。有关其他分辨率,请咨询当地的Agilent Technologies销售代表。 功能 带有可选索引脉冲的双通道正交输出快速简便的装配无需信号调整外部安装耳可用低成本分辨率每转最多1024个计数小尺寸 -40°...

  AEDR-850x编码器是世界上最小的 3通道光学编码器,其数字输出采用反射技术用于运动控制。编码器设计工作在-20°以上; C至85度C温度范围因此适用于商业和工业终端应用。 这个 3通道光学编码器在单个封装中装有LED光源和光电检测电路。 3.95 mm(长)x 3.4 mm(宽)x 0.9562 mm(H)的小尺寸使其可用于存在尺寸和空间限制的各种微型商业应用中。 AEDR-850x系列编码器提供双通道正交数字输出和第三通道索引数字输出。由于TTL兼容,AEDR-850X 3通道光学编码器的输出可以直接与大多数信号处理电路连接。因此,编码器提供了极大的设计灵活性,并且易于集成到现有系统中。 功能 功能 世界上最小的3通道反射技术编码器。 表面贴装无引脚封装3.95 mm(长)x 3.4 mm(宽)x 0.9562 mm(高) 3通道;用于方向感应的双通道正交数字输出和第三通道,索引数字输出。 内置插补器,通过外部引脚分配可选1x,2x和4x因子 兼容TTL 单5V电源 -20 C至85度C绝对工作温度 编码分辨率:294至304(线/英寸) 指数选通,门控180 e AEDR-8501-100的订购数量为1,000件。 应用 关闭Loop步进电机 微型电机 打印机 复印机 读卡器 扫描仪 ...

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关键词: 智能蓝牙模块

科学家研发出可穿透细胞膜的药物递送纳米材料

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