（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的开关磁阻电机数字化控制系统的研究与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r 矗c m 融n 弘t l l i s t h e s i 3 i 曲喇u c e d l h e 出v e 蛔印蹦t o f n 地s r ds y s 白b m i n c a 锄d 抵a da n da l c x p 描s 岱t h em a i l i 糟辩呲h 鹌p 销舡t h e ni ta n a l y z o dt h e c o n 丘母l r j 瓶蛆d 珀m 髓e f i s t i 岛l l l e 蛐m a t l l 坞0 0 m p o s i i l go fs rm o t 0 b 锄dm e 伽嚏i 仃o l 蛐雠e 科u s c di nt l l i sm 髂i st h a ti sc t 】町c n ta p l 娃n gc c 咀h d la tl o w 印峨d ，v 越y i n g 柚g l e & v o l t a g e p w mo 鲫蛔ia t h i 曲印。札b e s “蛔，i t p 惜衄t e d h a w t o 崩此跫t h e d o i l b l e c l o 静1 0 0 p a n dv 哪m g 锄g l e 鲫曲吣ls t r a t e g i 伪 b 勰e d 蚰n 讧s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aw h i c hi sm a d eb y1 1 ，l i n t ls rm o t o rm e 吐湖 a d o p 蜘d o 曲l ec l o i o o pp id i g j t a l 删璐衄吕s a l do 眦p h 撇o n o 行s i 印a l v o i 忸鲈 f w m s i 舶a l ，倒盯哪曲川 p i n gs i 脚i a la n di n c c 擎a t e d 曲时c i = 唧t 孤dv o l t a g ep l m e c 6 0 n s i 剧i a l st od r i v el ( m t a i l d 也e ni tp 嘲锄t 。dt h el l 鼍卧h 毽坤d 髓i g ni i l c l l l d i n g 伽【嗍ta i l d p o s i t i o ns 雠s o ri n p u tc i r 诚坞a 巾p r o 删c i r c 诚s ，v o l t a 萨p w m 汹i t 1 9 9 i c i i l t e 霉a t c dd r c l l i te l c m 谨叮枷l ef i 】呶i o n s 觚dd 舒i g no fe v e r yd i ta 心i l l u m 证a t e d d e 协i l 硼y f i n a l l y 吐mi 鹳獬o f e m ca n dd e b u g g i n g t i c e sa r e 既p 嘲s e d mo r d e ft om o v et l l ec 0 叮e c t i o no f m ec o n t r o ls 蟑咖d 黜i g i l i tg a v eo u t 血e e x p e f i m e n tr 铷l to f h a r d 咄锄ds o f t w a r ed e b u g g i n g 锄dm ee x p e f i e i l c e o fs rm o t o r a c c o r d i f i gt o 也el o a d e d 舳dn o n l o a d 既p e d e n c l 舡、，嚣i t 舭a l y z 酣m ew a v 鹤觚d p r o v i d c dac o n c i 璐i o n 1 皿y w o r d s ；s 谢t c h e dr d u c t a r - m o t o r ；d s p ；1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；d i g i 协lc o r l 血o l ； d o u b l ec l o s e l 0 0 p c l a s s n 0 ：【请输入分类号，以分号分隔。】 致谢 两年半的研究生时光转眼间就要过去，在我的研究生学习阶段即将结束之际， 我要向我的老师们和同学们，还有在背后支持我的家人表达深深的谢意。 首先，我谨向我的导师王艳副教授以及殷天明老师致以最真挚的感谢和敬意! 在平时的学习生活中，王老师给予我的无私帮助、悉心指点和谆谆教诲，使我把 握了有关课题内容的前沿知识，使我在研究生学业中学有所成。王老师严谨、勤 勉、踏实的治学作风，平易近人的处世性格，渊博的知识和勇于开拓的科学精神， 使我受益匪浅。此外，在课题的研究过程中，还要感谢殷老师对我悉心的指导及 帮助，在他的帮助下我的课题得以顺利地进行。在此要衷心地感谢北京通大华泉 科技有限公司为我提供了s r 电机的试验平台，使我的课题得以顺利地完成 同时借此机会，我要向在我两年半研究生的生涯中给我帮助关怀的同学表达 深深感激和祝福。首先感谢褚军舰、郭传伟师兄、贺颖莉、张申君师姐对我的指 导和帮助；感谢与我并肩作战的实验室同窗李彩虹、吕海臣、冯华和梁洁给我的 支持和关怀，他们给了我战胜困难的勇气和力量；感谢实验室的师弟师妹在课题 研究过程中，给我协助。 我还要把本篇论文献给我的家人，来报答二十多年养育之恩，正是他们帮助 和支持使我一路走到现在。 最后，再次向所有帮助过我的人表示衷心的感谢! 焦洋 2 0 0 72 月于北京交通大学 1 1 引言 l 绪论 随着我国经济的高速发展，如何综合利用能源促使经济继续和谐、健康、高 速可持续发展已经成为关系到国家生存和民族发展的重要问题。据研究发现，6 0 7 0 的电能是由电动机所消耗的，其中交流电机占8 0 左右，且大多数为恒速运行 的感应电动机。在其余2 傩需要调速的传动系统中，较多为直流电动机调速系统“1 。 随着电力电子技术的发展和各种新型电力电子器件的不断涌现，国内外学术 界和产业界越来越重视采用电力电子技术实现电动机调速节能，出现了一系列现 代调速系统，如感应电动机变频调速系统、无刷直流电动机调速系统、开关磁阻 电动机调速系统等。 其中开关磁阻电机调速系统，是2 0 世纪8 0 年代兴起的一种新型机电一体化 交流调速系统。它是融新型电动机结构与现代电力电子技术、控制技术于一体， 既有交流变频调速系统的电动机结构简单、坚固耐用、无刷、无整流子的特点， 又有直流调速系统的调速性能好、控制电路简单、输出特性变化灵活、能频繁正 反转和起动制动、在负载和转速变化时均有较高效率以及能适应恶劣环境等优点， 是一种性能价格比较高的无级调速系统。 1 2s r 电机调速系统的产生与国内外研究现状 开关磁阻电机基本原理最早提出在1 9 世纪4 0 年代，当时的研究人员认为利 用顺序磁拉力使电动机旋转是简单可行的。1 8 4 2 年，英国的a b e r d e 髓和d a v i d s o n 制造出了最初的s r 电机模型，但是因为当时的科技条件落后，电动机的运行特性 很差。以后的1 0 0 多年间，开关磁阻电机的发展缓慢。 直至2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管的研制投产为开关磁阻电机的研究发展 提供了重要的物质条件。1 9 6 7 年，英国的l d s 大学开始对开关磁阻电机进行深 入研究；研究结果表明：开关磁阻电机可在单向电流下四象限运行，功率变换器 无论用晶体管还是用普通晶闸管，所需的开关数都是最少的；电动机成本也明显 低于同容量的异步电动机。1 9 7 3 年英国的n o m n g h 锄大学也开始对开关磁阻电机 攻关。1 9 7 5 年，上述两所大学的研究小组联合参加了c l l l o d a i c a l 有限公司 发起的制造蓄电池车辆驱动装置的研究工作，并成功研制了用于电动汽车的5 0 k w 的开关磁阻电机装置，其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置 1 9 8 0 年，l 血大学的i 矗w 啪s 教授及其同事总结了自己的研究成果，发表 了题为可变速的开关型磁阻电动机的论文，率先将“开关磁阻”( s 谢劬e d r e l u c t a l l ) 术语用于径向气隙电动机，它标志着s r 电机正式走入历史舞台。该 论文系统阐述了s r 电机的基本原理及基本设计理论，研究了s r 电机的特性及其 控制方式，这些工作被公认为s l u 订研究的奠基之作“1 9 8 3 年，英国的1 a 8 cd f i 代 公司将世界上第一台开关磁阻电动机传动装置商品投向市场( 7 5 k w ，1 5 0 0 r 细i n ) ； 1 9 8 4 年又推出4 2 2k w 四个规格的系列产品。此后，西方主要工业发达国家，如 英、美、法、德、意、加拿大、日等，及新加坡、埃及、韩国等国家和地区，相 继开展了s r d 方面的研究工作。近2 0 年来，随着电力电子技术和微电子技术的 迅猛发展，开关磁阻电机的发展取得了明显的进步，已成功的应用于电动机驱动， 通用工业，家用电器，纺织机械等各个领域，功率范围从l o w 到5 m w ，最大转 速高达l o o o o o 增m 。 我国对s r 电机调速系统的开发研究开始于1 9 8 4 年，被列为中小型电机“七 五科研规划项目”。发展至现在，国内已有大批高等院校、科研院所、生产企业从 事s r 电机调速系统的开发研究工作，先后有我校及北京纺织机械研究所、南京航 空航天大学、浙江大学，东南大学、福州大学、华中理工大学、华南理工大学、 中国矿业大学、合肥工业大学、哈尔滨电工学院、南京调速电机厂、山东淄博电 机二厂、西安微电机研究所、上海电科所、上海中达斯米克公司等。目前，国内 s r 电机的研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上，已有十余家 单位推出不同性能、用途、功率( 1 k w 到5 5 l 【w ) 的多规格系列产品，应用于油f r 、 中央空调、纺织、冶金、机械、运输等多种行业、场所的数十种生产机械中，并 且还在向电动汽车等新兴领域发展n ，。 s r 电机作为一种新技术，虽然有广阔的前景，但从目前发展水平来看，无论 是在理论研究上还在实际应用上，仍存在许多问题。其研究焦点嘲嘟目前主要集中 在： l 、如何建立具有非线性、变结构、变参数特征的s r 电机调速系统实用动态 模型； 2 、如何有效地回收绕组释放的磁场能量，性能的精确估算； 3 、如何进一步减少s r 电机振动和噪声；如何优选导通角、关断角及寻求新 的控制方案； 4 、如何进一步提高s r 电机调速系统中电动机、功率变换器及控制器三者之 间的协调设计水平开发特殊结构和特殊用途及多容量等级的s r 电机调速系统； 5 、如何开发研制无位置传感器的s r 电机调速系统等。 1 3 选题背景 在课题组老师的带领下，本课题组已经成功地开发出基于8 9 c 5 l 单片机的 1 5 k w ，2 2 k w ，3 0 k w ，4 5 k w 等一系列s r 电机及其控制系统，并已投入到工程实 际应用当中，如油田抽油机、电动汽车、中央空调等，取得良好的经济和社会效 益。 在生产实践和实际工程中发现，以8 9 c 5 l 为主控芯片，利用模拟电路实现p i 控制的s r 电机控制器仍有较大的不足，即p i 等参数不能灵活地通过软件改变， 而需要进行硬件调整；由于8 9 c 5 l 是8 位单片机，很难实现先进的控制策略，且 执行耗时因其外部晶体振荡频率为6 1 2 m h z ，指令周期为l 脚，对于高精度调速 控制有一定的困难；同时对于各个级别千瓦数的s r 电机控制器的通用性问题也凸 现出来为了解决上述问题，也为了使现有s r 电机调速系统更具竞争力，本课题 组运用1 r i 公司的d s p 芯片1 m s 3 2 0 l f 2 0 0 0 系列来代替原有主控芯片，来设计开 发新型s r 电机控制器。课题组前辈尝试运用了新的控制核心，i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 来 代替原有的8 9 c 5 l 。本设计正是在前人基础上全面设计s r 电机调速系统数字化控 制系统，在硬件设计上尽量做到电路简化，去除不必要的电路使系统更加稳定； 在软件设计上以原有8 9 c 5 1 程序为参考，按照d s p 特点编写新的控制软件。 1 4 完成工作 本论文以t i 公司1 m s 3 2 0 u 2 4 0 7 a 为主控制芯片，设计了s r 电机数字控制 系统。完成硬件电路的设计，印刷电路板的制作，硬件部分电路调试，并在此基 础上完成软件部分设计与软硬件的联合调试。运用低速时定角度电流斩波电流和 高速时变角度电压斩波相结合的控制方式，完成了空载和负载试验。 本论文主要论述以下几方面： l 、综述和介绍s r 电机及其调速系统的发展历史、主要优势和应用领域，以及 本课题选题背景与完成工作。 2 、对s r 电机调速系统的运行原理及s r 电机调速系统的基本结构进行了详细 地阐述。同时论述了双闭环控制和变角度控制的设计原理与实现方法。 3 、详细论述了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的s r 电机控制器的硬件电路设计，及硬 件设计调试中注意事项。 4 、详细论述了s r 电机控制软件部分设计，并给出了各个主要程序的程序流程 图，编程注意事项，并完成了控制系统的软硬件联合调试。 5 、在完成所设计控制器与s r 电机、功率变换器的联合调试的基础上，给出了 空载和负载实验波形，并进行了分析，最后指出了系统存在的不足及今后努 力的方向 4 2s r 电机控制系统设计的基本原理 s r 电机控制器是由s r 电机调速系统的重要组成部分。它与s r 电机、功率变 换器以及检测装置相互协调工作，共同构成传动系统。随着现代电力电子技术和 微机控制技术的发展，s r 电机调速系统逐渐在电气传动领域占据了一席之地，并 展现出良好的发展态势川。本章主要介绍了s r 电机的结构、运行原理，以及s r 电机调速系统中的功率变换器、检测器和控制系统双闭环控制的设计原理。 2 1s r 电机的结构及其运行原理 2 1 1s r 电机的结构 s r 电机的定子、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。定子上有集中绕组， 转子上既无绕组也无永磁体川。s r 电机可以设计成多种不同相数结构，定转子极 数有多种不同的搭配，本设计的控制对象是3 0 l 【w 三相( 1 2 8 极) 电机，其定转 子结构如图2 1 所示，它转子上没有绕组，定子每相绕组采用四极并联结构。 图2 一l1 2 8 极s 跚定转子剖面掏 f i 9 2 - ls 协t o 川b 瞬s e c 娃锄d i a g r a mo f1 2 8s 蹦 s r 电机作为一种新型调速电动机，有如下优点： l 、可控参数多，调速性能好，且可以四相限运行，能实现特定要求的调速控 制； 2 、转子没有绕组也没有永久磁铁，由硅钢片叠压而成，定子为集中绕组，结 构简单坚固。一般说来，中小功率的通用型s r 电机调速系统的成本低于同功率的 异步电机变频调速系统，特别是小功率s r 电机调速系统具有较高的性能价格比； 3 、转子无绕组，励磁损耗主要产生在定子，屯机易于冷却【5 】，且在很宽的调速 范围内效率和功率因数都较高； 4 、能够在非常高的转速下运行； 5 、较小的起动电流，能取得较大的起动转矩，起动时没有冲击电流； s 6 、坚固耐用，特适用于环境比较恶劣的场合，如高温和强振动环境； 7 、s r 电机由单相电流驱动，逆变器电路中每相可以只用一个开关器件，因此 线路简单，可靠性高，成本低。 由于s r 电机的双凸极结构和磁路饱和的非线性影响嘲，使s r 电机的合成转矩 是含有一定谐波分量的脉动转矩，谐波的存在对s r 电机的低速运行性能有影响。 同时由于功率变换器输出的是不规则电流脉冲，一般导致振动噪声较大、低速转 矩脉动较大；因为需要根据定、转子的相对位置来导通对应项，所以电机需要外 加位置检测器；而且它不能像异步电动机那样可以直接接入电网作稳速运行，而 是必须与控制器一同使用等。 2 1 2s r 电机的运行原理 s r 电机是基于磁通总是沿磁阻最小( 磁导最大) 的路径闭合的原理运行的当定、 转子齿中心线不重合，即磁阻不为最小时，磁场就会产生拉力，形成磁阻转矩，使转 子转到磁阻最小的位置。如图2 - 2 ，本设计所采用的s r 电机为1 2 ，8 极结构。转子由硅 钢片叠成，定子上缠有绕组，可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式，使得 在相应的极上得到径向磁场。转子上带有位曼检测器以提供转子位置信号，使定子绕 组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行网。 e 图2 2s r 电动机的1 ：作原理 f 啦2w b r kp 血c i p l eo f s i t m 图2 - 2 表示该电机的一相电路的绕组接线原理图，s l 、s 2 是电子开关，d l 、d 2 是二极管，e 是直流电源。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而 变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最 大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 当定子a 相磁极轴线0 a 与转子磁极轴线o a 不重合时，开关s 1 、s 2 合上， a 相绕组通电，电动机内建立起以o a 为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定 予极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的此时磁路 6 的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力 线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线o a 向定子a 相磁极轴线o a 趋近。当o a 和o a 轴线重合时，转子已达到平衡位置， 即当a 相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。此时打开a 相开关s l 、s 2 ，合上 b 相开关，即在a 相断电的同时b 相通电，建立以b 相定子磁极为轴线的磁场， 电动机内磁场沿顺时针方向转过3 0 0 转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针 方向转过1 5 0 。以此类推，定予绕组a - b c 三相轮流通电一次，转子逆时针转动 了一个转子极距州静= 2 m ，对于三相l 嬲极s r 电机仃= 3 卯o 扣筘o 。定予磁 极产生的磁场轴线则顾时针移动了3 3 口吒如。空间角p j 。 如此类推，连续不断地按a b a 的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机 内磁场轴线沿a - b c a 的方向不断移动，转子沿a - c b a 的方向逆时针旋转。如 果按a c 岳a 的顺序给定予各相绕组轮流通电，则磁场沿着a c & a 的方向转动， 转子则沿着与之相反的a b d a 方向顺时针旋转。可见，改变定予各相通电次序， 电机将改变转向，但相电流方向的改变不会影响转子的转向；改变每相的通电时 刻，可以使s r 电机运行在电动机或发电机工作状态。 2 2s r 电机调速系统 2 2 1s r 电机调速系统的组成 s r 电机调速系统由s r 电机，功率变换器，控制器和检测器四个部分组成【7 j 。 如图2 3 所示。s r 电机调速系统的基本工作原理阐述如下：根据设定的转速、机 械负载情况和位置检测器提供的转予位置信号，控制器通过一定的算法给出相应 的控制电流，并适时的给出定子线圈地换相控制信号，使电机运转。调速系统是 一个闭环系统，需要实时地根据转速反馈值计算出电流的给定值，再与电流检测 值相较，得出相应控制信号，从而保证电机转速地稳定。 幽2 3s r 电机调速系统的组成框图 f i 簖一3b l o c kd i a g r a mo f m es r ds y s t e m 7 2 2 2 功率变换器 本s r 电机调速系统所采用的是三相不对称半桥型s r 电机功率变换主电路嘲。 如图2 4 所示。其工作原理为：以a 相为例，每相有两个主开关管s l 和s 2 及续 流二极管v l 和、r 2 ，其中上下两只主开关管是同时导通和关断的。当s l 、s 2 导通 时v l 和v 2 截止，外加电源u b 加至a 相绕组的两端，产生相电流i - ；当s l 、s 2 关断时则v 1 、v 2 正向导通，a 相绕组产生的变压器电动势极性如图2 4 中箭头方 向。 幽2 - 4 不对称半桥型功率变换主电路 f i g2 _ 4s c h 锄a n cd i 4 9 r a mo f a s y 加m 鼬叮h a l f - b r i d g ep o w 盯h w 舶茚 当忽略铁耗和各种附加损耗时，s r 电机工作时的能量转换过程为：通电相绕 组的电感处在电感上升区域内 ，所以为了调节器零点可 d 对消掉控制对象的大时间常数极点，选择：f i = 乙。可选择刀= 2 磊，d z 。根据s r 电机参数可褥到；玉，口= o 2 3 4 1 4 0 i s ；不= o 2 0 3 s ；= o 0 0 2 2 5 s 。虽然理论上算出五和 z ，但在实际应用中还应根据电机运行情况下来调整p i 参数。 2 、转速环 上面的作法是在“小信号”下才有足够近似程度。对于难以建立精确的动态模型 s r 电机调速系统，外环转速环也选择p i 调节器。p i 调节器的优点在于即使受控 对象的模型未知的情况下其比例、积分常数亦可以通过系统的实际运行现场整 定出来【n 】。 根据p l 参数对系统动、静态特性的影响，可对调节器的参数采取凑试法进行 整定，首先确定采样周期，本系统采样周期为l o