关键词：开关磁阻电机（SRM）；速度检测；角度细化；
开关磁阻电动机实施位置闭环控制的基础是正确测量转子的实际位置，在数字式交流伺服系统中，通常采用增量式光电脉冲编码器或绝对式光电脉冲编码器或旋转变压器来检测电动机的位置和速度反馈信息。随着电子技术的迅速发展，技术人员提出了“锁相跟踪和测速”的方法[1]，用该方法除了可以实现开关磁阻电机位置信息的角度细化，同时可得到电机在高速运行或低速运行时较精确的转速信息。本文讨论了检测开关磁阻电机位置信息的锁相测速方法的原理、实现方法，重点介绍用SOPC技术[2]实现SRM位置信息角度细化和锁相测速的设计思想。
一．用SOPC技术实现转子位置的检测
1．转子位置检测
典型四相8/6结构开关磁阻电动机的光电式位置检测器是与电机转子同轴，转盘为6齿槽结构，齿槽等宽为300，两个光电传感器固定在电机壳上。彼此相隔150。当转子转动时，传感器输出可获P、Q两个信号，经过精细安装和调整的转盘和传感器的位置，P、Q信号可作为相主开关的触发信息，实现固定周期导通的模式控制[4]。
开关磁阻电动机是通过调整开通角θ1和关断角θ2来实现电机的电流控制，从而使电机的转速、转矩及工作转态得到调节控制，因此从转子位置的基本信号上获得转子位置信息的参考基准点及角度细化是十分关键的一个环节[3]。
用基本信号的上下跳变作为参考基准信息，以Q信号的上跳沿，作为正转电动运行B相导通的基准点，Q信号的下跳沿则作为制动和反转电动运行B相导通的基准点。位置检测器的机械位置可以精确调整，逻辑电路可以选择不同的基本信号的跳变信息，而角度细化的目的是提高角度控制分辨率，这些都是实现精确检测和控制的关键。
2．基于SOPC技术实现转子位置角度细化的设计
全数字锁相环路(DPLL)就是环路部件全部数字化，采用数字鉴相器（DPD）、数字环路滤波器(DLF)、数控振荡器(DCO)M分频器构成的锁相环路。是通过比较输入信号和振荡器输出信号之间的相位差，产生误差控制信号来调整振荡器的频率，以达到与输入信号同频同相的目的。
根据锁相环的原理，在鉴相器和压控振荡器之间加一个M分频器，则可以完成倍频的功能。开关磁阻电机锁相环测速的技术利用锁相环有倍频功能的特点，对转子位置基本信号实现高倍倍频，从而获得分辨率较高的角度细分控制，达到转子旋转角度细化的目的。
全数字锁相环路实现对角度细分的方法是利用转子位置的参考基准点，记取位置检测基本信号的一周期（或1/3周期、/1/4周期）内的标准频率脉冲，并通过锁相倍频的方法来实现。而SOPC是基于FPGA解决方案的SOC，SOPC的设计是以IP为基础的，它以硬件描述语言VHDL为主要设计手段，借助于以计算机为平台的EDA工具进行的。锁相环作为一个相位误差控制系统功能模块可以嵌入FPGA中，构成片内转子位置的角度细化的模块。
图1所示是用VHDL语言结合原理图设计实现开关磁阻电动机角度细分的控制原理框图。图中（Ⅰ）所示是采用状态转移时序逻辑的信号鉴相器，相位误差信号up和dn利用负脉冲信号的出现和其宽度反映了两个输入脉冲信号的频率变化和相位差。该鉴相器易于在FPGA器件中实现，在程序设计中加有处理毛刺信号的环节。
图1 开关磁阻电动机角度细分的控制原理
Fig.1 Control theory of the fractionize point view of SRM
比例积分特性的控制逻辑实现的数字环路滤波的原理如图2(Ⅱ)所示，鉴相器产生相位误差有效信号up和dn经同步调整模块转换为加计数和减计数的脉冲序列后，送入比例控制通道和积分控制通道。经过比例、积分分频器和可逆计数器的处理，得到的比例控制参数NP和积分控制参数NI的和N既锁相环振荡器的控制参数。
数字控制振荡器由加法器和可控计数分频器两个模块组成。考虑到提高输出信号的角度控制精度，并能减少锁相环输出信号的相位抖动，在用VHDL语言的实现加法器时，选择了包含有小数分频的设计方法。
模块中参数的设定是根据被锁信号频率的局部动态数学传递函数模型确定，根据具体的应用需要主要考虑:⑴被锁信号的频率（fmin、fmax）和锁相同步的分频倍数M，fmas <100fmin；⑵选择小数分频位数k,一般k应满足:2k<M；⑶计算并确定比例分频和积分分频的倍数(取整数倍)。
转子的位置检测的精确与锁相环的三个重要指标：锁相范围、锁相速度和稳定性参数的设定直接有关。上述设计的开关磁阻电动机角度细分的控制模块，充分利用了鉴相脉冲所包含的相位误差信息，采用具有比例积分特性的控制逻辑代替传统的数字环路滤波的方法，提高了锁相性能。由此设定的锁相环在不同的被锁频点的局部范围内都具有一致的锁相速度和稳定性。该控制模块在QuartusII软件中完成Nios系统的综合、硬件优化、适配、编程下载和硬件系统测试，并下载到SOPC实验开发系统中实现，经测试证明产生的倍频信号稳定且精度高。
二．基于SOPC实现对开关磁阻电机速度的检测
在开关磁阻电机运行在高速和低速的工作状态下，采用锁相测速可以获得一个始终跟随电机转速值的并行的测速结果，此刻测速单元与伺服系统的主CPU并行地工作着。测速周期短，测量精度也高。
图2 锁相测速的控制模块
Fig.2 Module of control circuit about speed measure of Phase Lock
基于SOPC实现的速度检测的主要功能是实现锁相测速环路的控制调节，其中速频转换控制算法对锁相测速环路的测速精度和测速的动态跟踪起到了关键的作用。锁相测速环节的控制模块如图2所示，来自电机Q信号倍频角度细分产生的p脉冲fe与来自数字控制锁相环节的脉冲fd分别经过clock标准时钟的同步处理，随着脉冲的输入，输出信号Q的相位将超前 的角度（A为脉冲相位同步中计数器的计数初值预置值，n为输入脉冲的个数），即由脉冲相位同步变换成相位信号Q1和Q2。在鉴相器中，对两路相位脉冲进行分析和判断，为下一级模块提供Q1和Q2的相位状态及计算的相位差。速频转换控制运算模块根据相位差计算得到脉冲宽度，并算出并行输出的测速数据；同时输出转速数据经数字控制锁相产生脉冲频率fd，用来跟踪电机Q信号倍频角度细分的P输出脉冲的频率fe,从而跟踪了电机的转速。程序在Quartus II软件编译，通过编译并进行了仿真（图3）,DOUT是输出的转速数据，其数据为八位二进制数。其仿真波形证明输出的数据随着给定的频率fe的变化而变化，能准确的反映电机的转速。
图3 锁相测速电路仿真波形
Fig.3 Simulation waveform of circuit to speed measure of Phase Lock
三．结束语
用SOPC技术实现的开关磁阻电机位置信息及速度检测的系统，充分利用了锁相环的锁相性能，该控制系统具有足够宽的频率调节范围，为测速系统提供了快速可靠的响应能力和良好的稳定性。它可以迅速的反映开关磁阻电机的位置信息，准确的计算出其电机转速；作为独立的位置信息模块单元，节省了主控制系统的资源，为开关磁阻电机控制奠定了基础。
参考文献
［1］ 李宁．运动控制理论．北京：高教出版社，2004
［2］ 潘松. SOPC技术实用教程.北京：清华大学出版社，2005
[ 3 ] 王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术[M].武汉：华中理工大学出版社，1998
[ 4 ] STIEBLER M，LIU K E，Analytical model of switched reluctance machines[J].IEEE Trans. on Energy Conversion,1999,14(4): 1100-1105
[ 5 ] 李肃刚等. 一种改进的全数字锁相环设计[J]. 微计算机信息.，2005，9-1：42-43