开关磁阻电机调速系统在数控液压站中的应用.pdf

2 0 1 4年 4月 第4 2卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 4 Vo l _ 4 2 No ． 8 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 3 6 开关磁阻电机调速系统在数控液压站中的应用 虎恩典，丁晓军，索强强，胡时高 北方民族大学电气信息工程学院，宁夏银川7 5 0 0 2 1 摘要 针对某液压厂生产的数控液压站工作在保压时泵的功率浪费严重问题，提出运用开关磁阻电机 S R M驱动液 压站的方案。设计了一套以 T I 公司高性能电机控制专用数字信号处理器 D S P T M s 3 2 0 L F 2 4 0 7 A为核心控制器的开关磁阻 电机调速系统 ， 通过开关磁阻电机、功率变换器、功率变换器主开关器件驱动、位置检测、电流检测、转速显示和过流过 热保护一体化设计 ，优化电路结构和控制参数，实现了系统保压时的自适应流量控制 ， 使整个液压系统更节能。 关键词开关磁阻电机；S R D；数控液压站；节能 ；D S P ． 中圈分类号T P 2 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 81 1 0 5 Ap p l i c a t i o n o f S RD i n NC Hy d r a u l i c S t a t i o n H U E n d i a n ，D I N G X i a o j u n ，S U O Q i a n g q i a n g ，H U S h i g a o S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ，T h e N o r t h U n i v e r s i t y f o r E t h n i c s ， Y i n e h u a n N i n g x i a 7 5 0 0 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e s e ri o u s w a s t e o f p u mp p o we r i n h o l d i n g p r e s s u r e s t a g e i n t h e C NC h y d r a u l i c s t a t i o n wh i c h p r o d u c e d b y a h y d r a u l i cc t o w，a s c h e me wa s p r o p o s e d t h a t S RM wa s u s e d t o d ri v e t h e h y d r a u l i c s t a t i o n ． T h e s wi t c h e d r e l u c t a n c e mo t o r d r i v e s y s t e m w a s d e s i g n e d ， w i t h T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A D S P f o r h i - p e r f o r m a n c e m o t o r c o n t r o l ，m a d e i n T I C o ． ， a s c o r e c o n t r o l l e r ．B y t h e i n t e - g r a t e d d e s i gn w i t h s wi t c h e d r e l u c t a n c e mo t o r ，p o we r c o n v e r t e r a n d p o w e r c o n v e r t e r ma i n s wi t c h d e v i c e d r i v e r ，p o s i t i o n d e t e c t i o n a n d c u r r e n t s e n s i n g，d i s p l a y o f s p e e d a n d o v e r c u r r e n t a n d o v e r h e a t i n g p r o t e c t i o n，w e o p t i mi z e c i r c u i t s t r u c t u r e a n d c o n t r o l p a r a me t e r s a n d r e a l i z e a d a p t i v e fl o w c o n t r o l i n t h e h o l d i n g p r e s s u r e ，mo r e e n e r g y - e f f i c i e n c y o f t h e e n t i r e h y d r a u l i c s y s t e m w a s r e a l i z e d ． Ke y wo r d s S w i t c h e d r e l u c t a n c e mo t o r ；S RD；NC h y d r a u l i c s t a t i o n；En e r g y s a v i n g ；DS P 近年来，随着科学技术的不断进步 ，制造业正向 着节能、环保、低碳、低噪的方向发展。某厂生产的 由三相交流异步电动机驱动的数控机床液压系统虽在 传统液压站的基础上做了改进 ，可以驱动负载正常工 作 ，可靠性提高了，但功率消耗较大，浪费依 旧严 重 ，实际应用不理想。采用开关磁阻电机来驱动数控 机床液压系统 ，问题迎刃而解 ，节能将近 2 ／ 3 。开关 磁阻电机不仅具有变频调速系统的一系列优点，还具 有比变频调速系统更高的电能一机械能转换效率，现 已广泛应用于塑料机械、矿山机械、油田、机床、造 纸机械、风机 、空气压缩机、电动车、风力发电以及 需要调速的一切场合。文中将开关磁阻电机调速系统 运用于数控液压站中，实现了液压泵的自动调速、高 响应的机械特性和节能式流量的自适应控制 ，实现了 工件夹紧、工进等一系列驱动负载的动力要求 ，使整 个液压系统更节能。 1 系统的节能原理 该厂生产的液压站在保压时，是在电机转速不变 的情况下，靠变量泵偏心调节流量来保持压力恒定 的。即保压时 ，系统压力达到变量泵所调定 的压力， 在电机转速不变的情况下，泵的输出流量减小，当泵 的工作压力达到某一极限值时，限压弹簧被压缩到最 短 ，定子移到最右端 ，偏心趋近于零 ，这时泵的输 出 流量接近为零。因此电机输出功率 P大部分被浪费。 而文中所提出的液压系统，如图 1 所示 ，溢流阀 5作 安全 阀用 ，电磁换 向阀 6用来改变活 塞运 动方 向，活 塞运动速度是通过改变泵4的输出流量来调节的。 图 1 系统原理图 1 -- 液 压 缸 2 -- 压 力继 电器 3 -- 油 箱 4 一单向变量叶片泵 -- 溢 流 阔 电磁换向阀 收稿 日期 2 0 1 3 0 22 1 作者简介虎恩典 1 9 5 6 一 ，学士，教授，硕士研究生导师，主要从事智能仪器仪表和智能控制等研究工作。Em a i l h e d e n d i a n 1 2 6 ． c o m。通信作者 丁晓军 ，Em a i l d x j a b c 8 8 8 1 6 3 ． c o rn。 第 8期 虎恩典 等开关磁阻电机调速系统在数控液压站中的应用 1 1 1 系统在保压时，通过变量泵来自动调节流量的同 时降低电机转速，实现节能。当需要卸荷时，触动数 控机床上相应按钮 ，使电磁换向阀 6左移，实现卸 荷。下面推导系统的节能原理。 ‘ 由文献 [ 1 ]可知，泵的输出功率 P等于泵实际 输出流量 g与泵进出口压差 △ p的乘积 ，即 P△ p g 1 而实际流量 q可以表示为泵的理论流量 V n 排量 转速与容积效率 。 的乘积，即 g ‘ n ‘ 。 2 易知，在保证系统压力差 △ p不变的情况下，通过 限压弹簧事先设定好变量泵调定压力，根据调定压力， 变量泵自动调节输出流量来保持压力恒定。从理论上 讲，可以降低电机转速至很小，使系统在保压时的功 率趋近于零 ，达到相当节能的效果。但实际上，受泵 的低转自吸性能的限制，系统保压时电机转速有个最 小值 n 此时，系统保压时液压能损耗功率为 P P b V n m i n 7 7 。 3 而原系统的液压动力装置在保压时液压能的损耗 功率 P 为 P b V n 叩 。 4 保压时，前者转速为 1 5 0 0 r ／ ra i n ，后者要求转速 保持到 5 0 0 r ／ ra i n 。这里做粗略计算，认为 、△ p基 本不变 一Pb⋯ nmi n 一 ， P 一 n一1 5 0 0 3 因此文中提出的液压站在保压时，比原系统要节 能 2 ／ 3 。 2 开关磁阻电机调速系统设计 文 中设计 的 2 ． 2 k W 开关 磁 阻电机调 速 系统 S w i t c h e d R e l u c t a n c e D r i v e r ，S R D 以 T I 公司的高性 能电机控制专用芯片 D S P T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A为核 心 ，该系统的设计包括硬件和软件两大部分。控制器 结构框图如图2所示。 图 2 S R D控制框 图 系统总体控制方案为低速时，采用定角度和电 幅控制，利用霍尔电流传感器检测的电流模拟信号来 压 P WM组合控制；高速时，采用变角度和电压 P WM 实现系统的过流保护功能，系统的低压电源部分采用 组合控制。具体过程为当工进时，需要升压 ，压力 开关电源供电，系统的主电路电源采用三相交流电经 继电器断开，此时 D S P检测到 I O P B 7引脚为高电平 ， 过整流来提供。 通过软件编程给定转速为 1 5 0 0 r ／ m i n ，当压力足够 2 ． 1 硬件设计 时，需要保压，压力继电器闭合 ，此 时 D S P检测到 硬件设计部分主要有功率变换器主电路的选择、 I O P B 7引脚为低电平 ，通过软件编程使给定转速平滑 功率变换器主开关器件驱动设计、位置检测环节的设 降为 5 0 0 r ／ m i n 具体细节见软件设计 。就这样 ，通 计、电流检测环节的设计、主控制器接口电路和转速 过压力继电器的通断来改变 D S P的给定转速，从而 显示部分设计，以及过流保护部分设计。 实现工件夹紧、工进等一系列驱动负载的动力要求。 2 ． 1 ． 1 功率变化器主电路 当转速给定后，D S P的l V O口和捕获口接收光电式位 开关磁阻电机控制器功率拓扑结构有很多种，考 置传感器的输出信号，来判断转子的位置和计算电动 虑到文中设计是产品开发的试验阶段，主要侧重于系 机的转速，D S P的 A ／ D转换模块将霍尔电流传感器 统的可靠性和整体性能，所以设计的功率变换器的主 检测出来的电流模拟信号转换为数字信号，D S P的 电路为半桥式结构 ，三相六管，选用 I G B T作为主开 S P I 模块负责 电动机转速的实时显示，D S P的 P WM 关器件，快恢复二极管 R H R 1 5 1 2 0作续流二极管。 输出来控制 I G B T的驱动芯片。对 D S P进行编程 ，利 2 ． 1 ． 2 功率变换器主开关器件驱动设计 用给定转速 和反馈转速之差作 P I 调节，实现电压 随着大电流高电压 I G B T的模块化，集成化的专 P WM控制，利用 A ／ D转换的电流数字信号作电流限 用芯片也已经商品化，其性能比分立式电路要好，从 1 1 2 机床与液压 第4 2卷 而促使整机的可靠性更高，体积更小。系统功率变 换器 的主开关 器件选 用 的就 是大 电流高 电压 的 I G B T 模块，使用富士公司的 E X B 8 4 1为其驱动芯片 。对 于三相六管的功率变换器主电路 ，则需要 6套这样的 驱动电路。通过软件编程 ，在每一相导通的时候 ，上 桥臂 的开关管作 电压 P WM控 制 ，下桥 臂开关 管一直 导通 。所 以 ，3 个上 桥臂 I G B T的驱 动 电路 2 0 V电 源需要分开提供，3个下桥臂 I G B T可以使用 同一个 2 0 V电源供电，因此三相六管的功率变换器主电 路共需要 4个独立 的 2 0 V电源 。 2 ． 1 ． 3 位置检测环节的设计 开关磁 阻电机 调速系统采用 光电式位置传 感 器 ，光电式位置传感器由槽型光耦和与电动机转子 同结构的齿盘两个部分组成。对于三相 1 2 ／ 8极开 关磁阻 电机 ，需要 3个槽 型光耦 ，它们相互 间隔 6 0 。 ，分别 固定 在 电动 机 的机 壳 上 ，3个 槽 型 光 耦 a 、 b 、 c 与 电动 机定 子 的相对 位 置 如 图 3所 示 。3个槽型光藕将输出 3路信号 ，经过外围电路 的整形 ，得到 3路与转子位置相关 的方波信号。位 置传感器外围整形电路如图 4所示 仅画出 1 路 。 3个槽型光耦 a 、 b 、 c 经过分压电路输出分别为 O、P 、Q，信号波形为方波，高电平为 3 ． 3 V，低 电平接 近 0 。 定 子f l 2 1 转 子 8 图3 转子位置传感器安装位置 I C2 0 A I C2 0 D 图4 位置传感器外围整形电路结构 仅画出 1 路 2 ． 1 ． 4电流检测环节 的设计 电流 检 测 环 节 使 用 的是 霍 尔 电 流 传 感 器 ， 型号为 G S 0 4 0 G T，其特 性曲线如图 5所示。考 虑到 开关 磁 阻 电机驱 动 的负载较小 ，将霍 尔电 流传感器安装在主 回路 中，测 总 的 电 流。 电 流 检测信号 的作用 1 图5 G S IMO G T 性曲线 用来反馈给主控制芯片做电流限幅 P WM控制； 2 用来实现过流保护功能。 2 ． 1 ． 5 主控制器接口电路和转速显示部分设计 该系统采用 T I 公司的 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A D S P作为 主控芯片，此款芯片与一般的微控制器芯片相比，具 有低功耗和高速度的特点 。低功耗有利 电池供 电的应 用场合；而高速度非常适用于电动机的实时控制 。 主控制器接 口电路如图 6所示。输入信号有过流过 热、压力继电器、总电流以及 3 路转子位置信号。输 入信号不能直接送给 D S P， D S P可承受的最高电压是 3 ． 3 V，所以常常采用分压和钳位 电路。输 出为 6路 P WM信号 ，经过 6路驱动芯片 E X B 8 4 1功率放大 ， 控制 6 个 I G B T的开通、关断，从而控制电机循环运 行 。 过热 过 流 Vi d 压 力继 电器 O P Q 两 P W M1 AD0 PW M 2 1 O PB7 PW M 3 CAP I PW M 4 I OP B4 P W M 5 I O PB4 PW M 6 CAP1 S P I SI M O I OP B4 S PI CLK 图6 主控制器接 口电路 转速 的实时 显示采 用 D S P芯 片 的 串行外 设 接 口 S e ri a l P e ri p h e r a l I n t e r f a c e ，S P I 模 块来实现。本设 计选用 发光数 码 管 四位 来在 线显 示 转速 ，利用 7 4 L S 1 6 4移位寄存器来实现 8位并行输出扩展，驱动 发光数码管 。 2 ． 1 ． 6过流过 热 保护 电路 设计 过流和过热是设计电机控制器所必须考虑的，开 关磁阻电机调速系统也不例外。文中对过流做以下处 理 当 3 V≤V i 4 V时 ，也就是 总电流在 2 0～ 6 O A 之间，认为电流很大 ，但并不过流，此时通过硬件电 路实时检测总电流来降低 I G B T的导通脉宽 ；当 v i ≥ 4 V时，也就是总电流大于等于6 0 A，认为过流 ，此 时 D S P引脚 P D P I N T A有 效 ，6路 P WM输 出高阻 态 ， 同时通过硬件封锁 6路 I G B T ，实现硬软件双重保护。 同时，通过温度传感器实时检测功率变换器主电路工 作温度 ，一旦出现过热，立即进行过热保护。 2 ． 2 软 件 设计 主控制芯片 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A D S P芯片 指令 执行 速度快 ，而且支持高级计算机语言编程。所以系统的 软件设计采用 c语言和汇编混合编程，不仅保证 了 执行效率，而且缩短了调试周期。系统软件程序主要 由初始化程序、主程序、定时器周期中断 I N T 2服务 子程序和捕获中断 I N T 4服务子程序 四部分组成 。 程序中用到的标志位如表 1 所示。 第 8 期 虎恩典 等 开关磁阻电机调速系统在数控液压站中的应用 1 1 3 表 1 程序中用到的标志位介绍 标志 含义 V R U V M U V D C o u n t S l i c e 转速给定更新标志 转速更新标志 位置更新标志 更新转速显示标志 当前 I S R的计数计时器 I S R的片段 2 ． 2 ． 1 初始化程序 初始化程序框图如图7所示。 图7 初始化程序框图 2 ． 2 ． 2 主程序 主程序框图如图 8 所示。 图8 主程序框图 2 ． 2 ． 3 定时器 T 1 周期 中断服务子程序 定时器周期 中断 I N T 2服务子程序流程 图如 图9 所示 。 图9 定时器周期中断 I N T 2服务子程序流程图 2 ． 2 ． 4 捕获中断服务子程序 捕获中断 I N T 4服务子程序流程图如图 1 0所示。 图 1 O 捕获中断 I N T 4服务子程序流程图 1 1 4 机床与液压 第4 2卷 3仿真分析 以一台三相 1 2 ／ 8极 、2 ． 2 k W 开关 磁阻 电机作 为 样 机 ，仿 真分析如下 工进时，转速需要升至 1 5 0 0 r ／ m i n ，其转速和相 电流 A相波形如图 1 1 、图 1 2所示。 1 2 1 0 8 6 4 2 0 ．2 ／ ／ I r ， 1 0 ．0 5 0 ． 1 0 ． 1 5 0 ． 2 0 ． 2 5 0 ． 3 0 ． 3 5 0 ． 4 0 ． 4 5 0 ． 5 t ／ s 图 1 1 工进时，转速变化曲线 满载 0 0 ． 0 5 0 ． 1 0 ． 1 5 0 ． 2 0 ． 2 5 0 ． 3 0 ． 3 5 0 ． 4 0 ． 4 5 0 ． 5 t ／ s 图 1 2 工进时 ，相电流变化曲线 满载 保压时，转速需保持在 5 0 0 r ／ m i n ，其转速和相 电流波形 A相如图 1 3 、图 1 4所示。 { { L I l 0 0 ． 0 5 0 ． 1 0 ． 1 5 0 ． 2 0 ． 2 5 0 ． 3 0 ． 3 5 0 ． 4 0 ． 4 5 0 ． 5 t ／ s 图 1 3 保压时 ，转速变化曲线 满载 图 1 4 保压时，相电流变化曲线 满载 4结论 在该厂原有数控机床液压站的基础上，从节能出 发 ，设计出了基于开关磁阻电机的液压站节能控制系 统。由仿真分析知 该系统工进时，转速上升平稳 ， 当转速小于 1 2 8 0 r ／ m i n时，电流限幅起主导作用 ； 当转速大于 1 2 8 0 r ／ m i n时，电压 P WM起主导作用 ， 相电流过渡平滑；保压时，转速降落平滑，稳定较 快，相电流变化较平稳。因此，该系统设计合理 ，切 实可行，实际节能效果良好。 参考文献 【 1 】姜继海， 宋锦春， 高常识． 液压与气压传动[ M] ． 北京 高 等教育出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 2 】李帅， 虎恩典， 李祖军， 等． 开关磁阻电机在数控液压站 节能中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 2 4 7 4 8 ． 【 3 】 金英． 3 k W 开关磁阻电动机调速系统设计 [ D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】 王晓明， 王玲． 电动机的 D S P 控制T I 公司 D S P 应用 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 5 】 D i R e n z o M T ． S w i t c h e d R e l u c t a n c e M o t o r C o n t r o l - B a s i c O por - a t i o n and E x a m p l e U s i n g t h e T MS 3 2 0 F 2 4 0 [ R] ． T e x a s I n s t r u - me n t s I n c o r p o r a t e d ． A p p l i c a t i o n Re p o r t ， S P RA 4 2 0 A， 2 0 0 0 ． 上接第 2 5页 后的螺杆钻具拆装架如图 1 0所示。该结构大大提高 了工作效率和作业质量 ，也提升了拆装架产品本身的 价值 ，具有很广阔的市场应用前景。 图 1 0 改进后固定钳整体概念图 参考文献 【 1 】 符达 国外螺杆钻具发展近况 [ J ] ． 石油矿场机械， 1 9 8 5 ， 1 4 3 3 6 4 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