（电力电子与电力传动专业论文）开关磁阻电机控制策略的研究与实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 利用d s p 资源，确定控制器的硬件设计方案。同时，采用p i 控 制、电流斩波控制和模糊变角度控制相结合的控制策略，并详 细分析了模糊变角度控制的原理和具体实现方法，给出了模糊 控制表。 明确了系统地设计方案以后，在硬件设计中详细介绍了 1 m s 3 2 0 i 删a 最小系统的设计，输入信号接口电路的设计， 输出信号接口电路的设计和通信接口电路的设计，并且论述了 一些重要元件及其参数的选择方法。在软件设计中，介绍了d s p 内部资源分配情况，给出了控制系统主程序和各个子程序的流 程图，详细论述了双p i 控制、电流斩波控制和模糊变角度控制 的软件实现方法。 最后，将实验电机与设计的软、硬件控制系统联合进行调 试实验，测得各个运行状态下的电流波形，进行分析，验证设 计功能的实现。另外也提出自己工作中的不足及以后需要改进 的工作。 关键词：开关磁阻电机、d s p 、控制器、双p i 控制、电流斩波 控制、模糊变角度控制 丑 北京交通大学硕士学位论文 c o n t r o ls t r 姐卫g yr e s e a r c h a n dr e a l i z a n o nf o rs w i t c h e d t 1 l es w i “c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) h 弱b e e n 丽d e l y a p p l i e di nm i h t a r y ，c o m m e r c i a l 卸dc i v ne q u i p l n e n tb c c a u s eo ft h e a d v a n t a 零s o f n c x i b l ec o n n 试s 仃a t e 跏s i m p l 9 s t n l c t i 鹏，h i 曲 r e l i a b i l 时锄d 麟础e n te l e c t r i cc h a r a i m r i s 石c s p c o p l eh a v eb r 0 1 _ 曲t f o r w a r dh i 曲e rr c q u 伪tt ot h ef l l n c t i o fs r m ，w i t l lt h ea p p l i c a t i o n a f e ae x p 蹰d i n g n e 仃a d i t i o n a lc o n t r o l l e rf o rs r mb a s e do ns c m h a sb e e nh a r dt os a t i s 母p c 印l e ，谢ms h o n c o m i n gl i l 【el o wc 0 曲姐 剐：c u 船c y ，b i gt i p p l et o r q l l e ，s l o wf e a c 垃o ns p e e d ，e t c ，e x p o s e d t h e p a p e rp r e s c n t so n ec o n t r o u e rf o rs r m b 镐e do nd s pa i m i t l ga tt h e 3 0 k wt h r e ep h r a s e ( 1 z 偈) s r m ，柚da c h i e v e d 廿l ec o m p i l a t i o no f 珊 北京交通大学硕士学位论文 s o f t w a r eo nt h eb a s i s t 1 l ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es t a t eo fa r to fs r ma th o m ea n d a b r o a d ，t h e nd i s c i l s s e sm es r dp e 血册a n c ea n ds t r u 咖r e b e s i d e s ， t h eo p e r a t i o np r i n d p l e ，c o n t m li n o d ea n dt l l ep r o b l e m sw i t hs r m a r ca n a l y z e do nt h i sb a s i s 1 1 1 e p a p e r i n t r o d u c e sam e t l l o do fe s t a b l i s h i n g1 i n e a ra n d n o n l i i l e a rs i 叭l a t i o nm o d e lf o fs r di l l m 棚a b 柚d 百v e s w a v e f o 衄so fc i l n e n t ，s i n g l ep h a s et o r q u e ，t o t a lt o r q u e 锄ds p e e d u n d e rp i n 们l 咖t c g y 1 n h es i 眦l a 哟m o d e lg i v e su sd c e p e r k i - 口w l e d g eo fs r d 粕dp r c p a r c 矗d rt h cf i l n h e rc o n t r o ls t r a t e g y l e s e a r c l l 加m i n gt oa c h i e v e c l l r a t e ，f a 瓯柚de f f e c d v ec o n 仃d l ，d s p 1 m s 3 2 0 i 量2 4 0 7 ai sm e d 勰t h e 眦i nc t d 0 lc h i p 柚dt h e n 缸0 1 1 e rha r l 如a r cs c h e m ei sd e t e 砌i i n e d ，t a l 【i n gg d o da d v 柚t a g e 0 fd s eb 瞄i d e s ，n l r c o n 臼f o lm 酬l o d sa r es t a l e di nt h e n 扫o l s c h e m ei n c l u d i l 喀c u 仃e n t - c h 叩伽l t l o l 柚df u z z y 锄西e “c h 卸g i n g c o n n d l 。n e 也c s i sa l d i s c l l 嫩s 舭p r i n c i p l ea n dr e a l i z a b l e m e t h o do ff 眦z yc h a 呼n g 柚酉e 咖删，a n df t l n h c fg i v e s 如z 珂 o o n d lt a b l e 北京交通大学硕士学位论文 a f t e rt h es y s t e ms c h e m ei sd e t e m l i n e d ，t h et h e s i si n t r o d u c e s t h ed e t a i lc i f c u i t si n c l u d i n gt h el e a s ts y s t e md e s i g nb a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，i n t e r f a c ec i i c u i t so fi n p u ts i g n a l ，o u t p u ts i g n a l a n dc o m m u n i c a t i o n s i g n a l i n t l l e d e s i g n o f s o f t w a r e ， t h e c o n f i g u r a t i o no fi n t e rr e s o u r c eo fd s pi si n 的d u c e d ，a n dt h en o w c h a r to fm a i ns o f t w a r cp r o g r a m sa r ep r e s e n t t h er e a l i z a t i o nw a yo f s o 脚a r ef o rd o u b l ep ic o n t r o l ，c u 玎e n tc h o pc o n t m l 锄df i l z z y c h a n g i n ga n g l ec o n t r o la r ep a r t i c u l a d yd i s c u s s e d f i n a l l y ，t h ew h o l es y s t e md e b u g g i n gi si n t m d u c e d ，w i mt h e a n a l y s i so ft h ec u r r e n tw a v e f b 珊t e s t e da te a c h 叩e r a t i o ns l a t ea i l d t h ed e s i g nc a p a b i l i t yp r o v e d b e s i d e s ，m e1 a c ka n dt h ew o r kw h i c h n c e dt 0i m p r o v e0 f m yw o r ka r ea l s o 皿e s e n t k e y 舶r d s ： s 珊，d s p ，伽t r o l l e r d o u b l ep ic o n t f o l ，c 响e n tc h o p c o n t r 0 1 ，f h z z ya n 羽ec h 卸舀n gc o n t r o l v 北京交通大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电机作为一种机电能量转换装置，在国民经济各个领域起到了举足轻 重的作用，根据转矩产生的原理不同，电机分成电磁式和变磁阻式。本文 研究的对象开关磁阻( s r ) 电机属于变磁阻式，根据磁阻最小原理运行。 s r 电机调速系统，是2 0 世纪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， 兼有交流变频调速系统的电动机结构简单、坚固耐用、无刷、无整流子和 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咖。 1 2 开关磁阻电机在国内外的研究、发展、应用概况 上个世纪7 0 年代初期，k e d s 大学的步迸电机和磁阻电机研究小组首 创了一个开关磁阻电机雏形，试验结果表明，开关磁阻电机可以在电向电 流驱动下四象限运行，功率变换气所需的开关数为最少；而且电机系统的 成本也是最小，明显低于同等的感应电机，因此，1 9 7 2 年他们进一步对半 导体开关电路的小功率电机进行了研究。1 9 7 5 年与n m 曲g h 锄大学密切 合作，开发出用于5 0 千瓦的电平汽车的驱动装置，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田。 自2 0 世纪舳年代以来，开关磁阻电机受到各国学者和企业界的关注， 1 9 8 0 年英国成立了一家开关磁阻电机驱动装置有限公司，在1 9 8 4 年的一 一4 一 北京交通大学硕士学位论文 次国际销售会议上推出了4 2 2 k w 四个规格的系列产品。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1 0 w 到5 m w ，最大转速高达1 0 0 0 0 0 r m i n 。 我国对s r m 的研究并不晚，但1 9 8 5 年才开始真正进行规模研究工作， 并且s r d 研究被列入我国中小型电机“七五”科研规划项目。现在已有 一大批高等院校，研究所和工厂从事s r d 的研究开发工作。由于借鉴国 外的一些经验，因此我国s r d 的开发研究起点较高，进展较快。我国白 行研制的开关磁阻电机调速系统已经应用于几个工业部门的十几种机械 上，包括矿山机器、龙门刨床，造纸机，电动车，抽油机等，解决了传统 调速电机( 直流电机、滑差电机、变频异步电机等) 难以解决的问题。 1 3s r 电机调速系统的基本部件 1 3 1 开关磁阻驱动系统的组成渤 _ - _ - _ ： 开关磁阻电机驱动系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v c ，简称s r d ) 由开关 磁阻电机( s w i 妇dr d u c t 柚c cm m o l 简称s r m ) ，功率变换器，控制器和 检测器四个部分组成，是2 0 世纪8 0 年代迅猛发展起来的一种新型调速电 机驱动系统。如图1 1 所示 图卜1 开关磁阻电机阐速系统的组成框图 f i 9 1 一lb 1 0 c kd i a 鲫0 ft h es 肪s y s t 一5 一 北京交通大学硕士学位论文 开关磁阻电机具有可控参数多，损耗小，效率高，起动电流小，起动 转矩大等优点；开关磁阻电机的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优 异，可以与直流电动机婉美，而且在整个调速范围内都具有较高的效率， 系统的可靠性高，因此开关磁阻电机在电气化传动领域获得广泛的应用。 1 3 2 开关磁阻电机结构 开关磁阻电机是s i m 中实现机电能量转换的部件，也是s r d 区别于 其他电机驱动系统的主要标志。s r m 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。s r m 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 k w 三相( 1 2 8 极) 电机，如图1 2 所示。 图卜21 2 8 极s 聪定，转子剖面图 f i 9 1 - 2s t a t o r r o t o rs t i d i a g r 8 珀0 f1 2 8s 跚 开关磁阻电机由于其双凸极结构、磁路和电路的非线性、开关性等特点， 定子绕组电流和磁通波形极不规则。但是开关磁阻电机运行理论与任何电 磁式机电装置运行理论本质上没有区别。 1 3 3 功率变换器 功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给s 跚。三 相电源经过整流后得到的直流电源经过功率变化器的适当转换，给s 跚供 电。由于s 跚绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较筒 一6 一 北京交通大学硕士学位论文 单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可以避免直接短路故障。 本系统所采用的s 跚功率变换器主电路为不对称半桥形，如图卜3 所 示。以a 相为例，每相有两个主开关管v l 和v 2 及续流二极管v d l 和v d 2 。 根据控制方式的不同，可以分成斩单管控制和斩双管控制。 其中斩单管控制是指在某一段时间内，v 1 、v 2 中的一个保持开通状态， 对另一个开关管进行控制，假定v l 保持开通，对v 2 进行控制，当v 2 开 通时，v d l 和v d 2 截止，外加电源u 。加至a 相绕组，产生电流i a ，当v 2 关断时，a 相绕组产生的变压嚣电压势极性如图示，v l ，a 相绕组和v d l 形成续流回路，电感放电。反之，则v 2 ，a 和、，d 2 构成续流回路。 + 图卜3 不对称半桥型功率变换主电路 f i 9 1 3s c h 鲫a t i cd i a 咖o f s y 衄e t r yh a l f _ b r “g ep 唧ri n v e r t e r 其中斩双管控制是指上下两个主开关管同时导通和关断。当v l 、v 2 导通时，v d l 和、d 2 截止，外加电源u 。加至a 相绕组的两端，产生相电流 i 。；当v l 、v 2 关断时，a 相绕组产生的变压器电压势极性如图示，则、，d 1 、 v d 2 正向导通，i 。通过v d l 、1 i ，d 2 及储能电容c 。续流，c 。将吸收a 相绕组的 部分磁场能量。 考虑到负电压续流电流谐波成分多，转矩脉动大的因素，本系统采用 斩单管方式。 1 3 4s 刚控制器 控制器是系统的中枢。它综合处理速度指令、及电流传感器、位置传 一，一 北京交通大学硕士学位论文 感器的反馈信息，通过一定的控制策略来控制功率变换器中主开关器件的 工作状态，实现对s r m 运行状态的控制，因此控制器设计的优劣及控制策 略的科学与否对于s r m 运行效果起着决定性的作用。 1 3 5 检测器 位置检测是通过位置传感器来完成。位置传感器的作用是向控制器 正确提供转子位置信息。本系统的转子位置信号传感器是由光电传感元件 和光电盘构成，其中光电传感元件是固定在定子上，而光电盘转子同轴旋 转。在系统中，电机每相各用一只光电传感元件，它由安装底座、红外 发光二极管和红外光电三极管组成。在发光二极管和光电三极管之间有一 个槽，当槽中无遮挡物时，光线能够照射到光电三极管上，光电三极管饱 和导通；当光线被遮挡时，光电三极管截止。通过适当的外接电路就可以 把光电三极管电平高低的变化转化为转子的位置信号阿。 光电盘是与电机转子同轴旋转，均匀开有与转子同等数目齿槽的齿槽 盘。齿槽盘与固定的光电传感元件同轴，转子旋转时，齿槽盘的齿槽从光 电传感元件的槽中顺序穿过，当它的齿进入槽中时便遮挡住发光二极管的 光线，使光电三极管处于截止状态，其集电极输出高电平给单片机；当光 电盘的槽在这一位置时，发光二极管的光线能够照射到光电三极管，使之 饱和导通，集电极输出低电平给单片机。所以电机旋转时，每只传感器都 可以经整形获得方波。 电流检测是通过电流传感器来获得的。本系统中用的电流传感器为科 海公司生产的磁平衡式电流传感器k t l 0 0 p ，它的电流测量范围为 0 - 一1 5 0 a ，电源电压1 5 v ，精度为1 ，绝缘电压为3 k v ，输出电流为0 一1 0 0 n i ， 频率范围可达1 0 0 翻z 【1 5 l 。 1 4s r 电机的运行原理 开关磁阻电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，常用的有1 2 倍极， 8 6 极等。转子由硅钢片叠成，定予e 缠有绕组，可根据需要采用串联、并联 或串并联结合的形式，使得在相应的殴上得到径向磁场。转子上带有位置检测 一8 一 北京交通大学硕士学位论文 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 唧。下面以本系统的1 2 8 极三相开关磁阻电机为例，详细介绍开关磁阻电机 的运行原理。 图1 _ 4 表示该电机的一相电路的原理示意图，s 、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。 e 图卜4 开关磁阻电动机的工作原理 f i g 卜4 霄o r kp r i n c i p l eo fs 删 当定子a 相磁极轴线q a 与转子磁极轴线o a 不重合时，开关s 1 、s z 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、定子极、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 向定予a 相磁极轴线q a 趋近。当 q 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 z 、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 。，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 。以此类推，定子绕组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tr ( tr = 2 n r ) ，对于三相1 2 8 极歼籽龋l 电机r 一9 一 北京交通大学硕士学位论文 ，= 3 6 0 。8 = 4 5 。，定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了3 3 0 。= 9 0 。空间角。可见，连续不断地按a _ b c 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 p b - a 的方向逆 时针旋转。如果按a c b _ a 的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着 a c b a 的方向转动，转子则沿着与之相反的a b _ c a 方向顺时针旋转。 1 5s r 驱动系统的结构与性能特点 ( 1 ) 电动机结构简单、成本低、适于高速 开关磁阻电动机的突出优点是转子上没有任何型式的绕组，成本低： 转予的机械强度高，电动机可高速运转而不致变形：转子转动惯量小，易 于加、减速在定子方砸，它只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘结 构简单，并且发热大部分在定子，易于冷却阿。 ( 2 ) 功率电路简单可靠 因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流， 放功率电路可以做到每楣一个功率开关，电路结构简单。另外，系统中每 个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通短路现象。因此 开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，既降低了成 本，又具有高的工作可靠性。 ( 3 ) 效率高、功耗小 s r d 系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机转子不 存在绕组铜耗。 另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负 载下实现高效优化控制。图卜5 给出了典型产品的输出特性和效率曲线， 其系统效率在很宽的范围内都在8 7 以上，这是其他一些调速系统不易达 到的。 北京交通大学硕士学位论文 愿r w i n ) 图卜5 开关磁阻电动机实测性能曲线 f i g 卜5m e a s u r ep e r f o r m a n c ec u r v eo fs 删 ( 4 ) 高起动转矩、低起动电流 从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧得到较大的起动转矩是本系统 的一大特点。典型产品的数据是：当达到1 0 0 9 6 额定转矩时，只需1 5 的额 定电流。 ( 5 ) 可控参数多，调整性能好 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和方法至少有四种： 控制开通角；控制关断角；控制相电流幅值；控制相绕组电压。 可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行要求和 电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态( 如 出力最大、效率最高等) ，还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲 线。 1 6s r 电机控制运行方式 1 6 1 电流斩波控制方式 如图l - 6 所示，在o = o m 时，功率电路开关元件接通( 称相导通) ， 北京交通大学硕士学位论文 绕组电流从零开始上升，当电流增长到一定峰值i t 时，是绕组断电( 称斩 波关断) ，电流快速下降。经时间t - 后，对绕组重新通电( 称斩波导通) 。 如此反复通电断电，形成斩波电流波形，直至在o = oo f f 时实行相关断， 电流衰减至零。 在本控制方式中，选择oo n 和oo f f 能使电流波形的主要部分置于电感 的上升段或下降段，使电机处于电动运行或制动运行。控制i 的大小能调 节电流峰值，起到电动机转矩和转速的作用。斩波周期t 主要由t 一决定。 t 小则电流的平均值与峰值之比增大，有利于在一定电流峰值下提高电机 出力。同时有利于降低噪声，如使斩波频率大于1 6 l ( z 时，可使斩波噪声 频率避开人耳听觉范围。但要取得较小的t ，则要求功率电路开关元件工 作频率提高，需选择高频开关元件，成本较高，且开关损耗较大“1 。 固卜6 电流斩波工作方式 f i g l 6c u r r e n tc h o p - 珈出0 d e 1 6 2 变角度控制方式 角度控制方法叩控制开通角o m 和关断角oo f f 。在o 。至eo f f 之间对 绕组加正电压，在绕组中建立和维持电流，在oo r r 之后一段时间内，对绕 组加反电压，电流续流并快速下降，直至消失。 一1 2 一 北京交通大学硕士学位论文 由式乙= 型笔竖= i f 2 嚣可得，s r 电机的电磁转矩的正负极性和 电流波形相对于绕组电感的位置有关。改变om 和o 。r r 可以改变电流波形 与绕组电感波形的相对位置，使该电流波形的主要部分位于电感波形上升 段，此时电机处于电动运行状态；反之，使电流波形位于电感的下降段， 则电机处于制动运行状态。 在电动状态下，若开通角o 。提前，则在最小电感区段电流上升时间 加长，电流波形电流的波形加宽，而且电流的峰值加大，因此可以通过改 变o 。来改变电机的转矩，当电机的负载一定时，速度也进一步改变。改 变o0 f f 一般不改变电流峰值，但是可以改变电流宽度及电流和绕组的相对 位置“1 。 对应三种不同触发角8m 的电流波形。观察图卜7 可以得出以下结论： 1 、减小o 。即oo n 向o 方向移动，电流幅值就随之而增加。 、 、 瓞 、 一 、 ， 、 、 r o 图l - 7 电流与电感的关系图 f i g 卜7t b er e l 8 t i o ns h i pb e t 霄e e nc u r r e n ta n di n d u c t a n c e 2 、可以通过调节导通角o ，( 即oo f f - o m ) 的大小来调节电流宽度 3 、若关断角不够靠前，可能导致在电感的下降阶段i 续流还没结束，从 而产生制动转矩，降低s r 电机的效率。 一1 3 一 北京交通大学硕士学位论文 1 6 3 电压斩波控制方式 电压斩波控制方法即在o 。一oo r r 通电区间内，开关管按脉冲宽度调 制( p 删) 方式工作。这里脉冲周期t 固定，占空比可调。改变占空比， 则绕组电压的平均值变化，绕组电流也相应变化，从而实现转速和转矩的 调节。提高脉冲频率，则电流波形比较平滑，电机出力大，噪声减小，但 功率开关元件工作频率增大。 电压斩波控制方式通过p 删方式调节绕组电压平均值，进而能间接限 制和调节过大的绕组电流，故既能用于高速运行，又适合于低速运行。该 控制方式适合作转速调节系统，此时抗负载扰动的动态响应较快，但低速 运行时转矩脉动较大。 1 7s r d 系统存在的问题 性能优良的电气传动都需要调速电动机，先进的机电一体化调速电动 机，正是顺应了这种趋势的需要。开关磁阻电机从作为一种新技术，从目 前发展水平来看，无论是在理论上还在应用上，仍有许多问题要解决和研 究。目前s r d 的研究困难嘲与焦点主要集中在： ( 1 ) 、如何建立具有非线性、变结构、交参数特征的s i t d 实用动态模型， 如何进行s r 电动机三维场的研究；加强铁心损耗的理论研究。关键是如 何建立准确、实用的铁心损耗计算模型和分析与澳i 试手段： ( 2 ) 、加强对转矩脉动及噪声的理论研究。减少s r 电动机振动和噪声的 关键在于减小作用的径向力的大小。从控翻角度来看，主要是优选导通角、 关断角及寻求新的控制方案，尽可能调节好各相工作参数的对称性； ( 3 ) 、进一步提高s r d 中电动机、功率变换器及控斜器三者之间的协调 设计水平，开发特殊结构和特殊用途及多容量等级的s i ： 北京交通大学硕士学位论文 ( 4 ) 、如何有效地回收绕组释放的磁场能量，性能的精确估算，包括整个 系统稳态和动态性能的数字仿真； ( 5 ) 无位置传感器的s r d 系统的研制，位置闭环控制是开关磁阻电动 机的基本特征， 它的存在会使电机结构简单的优点变得逊色，降低了可靠性a 为此探索实 用的无位置检测器方案是十分引人注目的课题： ( 6 )处理器和专用集成电路的应用，主要是根据不同的控制方案选择 合适的微处理器以及控制电路的 s i c 设计； 1 8 本课题主要研究内容 本课题，设计了以t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主控制芯片的s r 电机数 字控制系统，设计了与开关磁阻电机的接口相应的电路。目前已完成硬件 电路的设计和调试，并在此基础上采用p i 控制、电流斩波控制和模糊变 角度控制相结合的控制策略并加以实现，取得了一定的成果。 本论文主要论述以下几方面： 1 、论述了s r 电机运行原理、结构特点、控制方式和存在问题。 2 、提出一种s r 电机实用动态仿真模型的建立方法，经过验证该动态模 型能够较精确地反映实际电机的特性，为控制策略的研究奠定基础。 3 、提出s r 电机控制系统的硬件设计及控制策略总体方案，选用p i 控 制、电流斩波控制和模糊变角度控制相结合的控制策略，并详细论 述了模糊变角度控制的原理及实现方法。 4 、详细论述了基于d s p 的s r 电机控制器的硬件设计，为控制软件的实 现搭建了一个较好的平台。 5 、论述了s r 电机控制软件的编写过程，给出了控制流程图。 6 、给出了实验波形，并且进行了分析，提出了系统存在的不足之处和 将来继续努力的方向。 北京交通大学硕士学位论文 1 9 本章小结 本章从s r 电机的概念入手，首先讲述了s r 电机在国内外的研究、发展、 应用概况，同时分析了其运行原理和s r 驱动系统的结构，并且提出了s r d 的性能特点、控制方式及存在问题，最后讲述了本课题的主要研究方向和 论文主要内容。为整篇论文的论述作铺垫。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章s r 电机动态建模与仿真研究 s r 电机与传统的直流电机和交流电机相比具有结构简单、运行可靠、 节省能源、效率高，可控参数多等优点，但是s r 电机存在着磁通密度的 高饱和与绕组电流的非正弦两个特点，使得它在低速时有较大的转矩波动 0 1 。并且在高速运行时，由于续流时间相对变长，导致在电感下降区电流 值不为零，产生负转矩，使s r 电机的效率降低。为了使电机具有效率高、 转矩波动小、响应快的特性，建立一个能够精确反映s r m 特性的模型，并 针对该模型采取合适的控制策略，是研究控制策略行之有效的办法。由于 仿真能够很直观看到控制策略的优劣，方便参数的调整与策略的的修改， 大大缩短了开发周期，对s r m 进行仿真“”已经成为开展研究工作的重要手 段之一。 由于m a t l a b 可以提供几种不同的数字解析技术，并且提供不同领域 的现成模块，如模糊逻辑控制模块，神经网络模块等，便于先进控制策略 的设计。本章以3 0 肼1 2 8 极的开关磁阻电机为对象，基于t 1 曲建立了 开关磁阻电机的线性和非线性本体模型，并在此基础上，采用p i 控制策 略进行仿真，得到相关波形。 2 2s r 电机的数学模型 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并假设开关磁阻电机的相数为 m ，备相结构和参数对称。设p = l ，m ，p 相的电压、磁链、电阻和电 一1 7 一 北京交通大学硕士学位论文 流及转矩分别为u 。、1 l r ，、r p 、i ，、t p ，转子位置角为o ，转速为u 。 1 ) 电压方程 根据有关定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变 化而产生的感应电势作用之和，第p 相绕组电压方程： 驴 鲁 ( 2 - 1 ) 2 ) 磁链方程 一= t b ，i ，i 。；印 ( 2 2 ) 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转子位置 角的函数，由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便 于计算，在开关磁阻电机的计算中一般忽略相间互感，不考虑两相以上电 流导通时定、转子轭部饱和在各相之间产生的相互影响，这时磁链方程可 近似成： = 霉9 ，印= 三0 ，砂， ( 2 _ 3 ) 3 ) 转矩方程 根据机电能量转换原理，开关磁阻电机的电磁转矩表示为磁共能对转 予位置增加的速率 耳：掣：吨。印 ( 2 叫 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成， ，、 t = 砷，8 ) ( 2 - 5 ) 4 ) 机械运动方程 ，兰竺：西一暑一曰 ( 2 6 ) 疵 北京交通大学硕士学位论文 d 日 一= 出 ( 2 7 ) 其中，j 、b 、t 1 分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩。 2 3 数学模型的求解方法 上述数学模型由于其严重的非线性，不可能得出解析解。因此，在性 能分析求解数学模型时不得不在实用和理想之间寻求一种妥善的处理方 法。到目前为止，人们针对磁链的变化，采用了以下几种方法建立模型i 1 ) 理想线性模型法 2 ) 准线性模型法 3 ) 非线性模型法非线性函数拟合模型法 4 ) 查表法 其中理想线性模型不计电机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电 流的大小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，可采用开关磁阻电机的理想 线性模型将磁链v 。近似为电流i - 的线性函数，这种方法可了解电机工作 的基本特性和各参数闯的相互关系。 查表法是把实测或计算所得的等角度、等电流间隔电机磁特性数据 1 l r ( i ，o ) 反演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据i ( 节，o ) ，连同矩 角特性数据t ( i ，o ) 以表格形式存入计算机中，然后用查表法数值求解非 线性模型，这种方法避免了电感的计算，较为直接、也较为精确，既可用 于稳态分析，也可用于解瞬态问题。 本章针对理想线性模型法和查表法分别建立了s r 电机线性仿真模型 和非线性仿真模型。 北京交通大学硕士学位论文 2 4s r 电机线性仿真模型的建立 2 4 1 线性模型中重要参数的特性 s r 电机线性模型建立过程中，一些重要的参数如电感、磁链、转矩等 都是利用该参数的线性数学模型，通过编程，封装在s i m u l i n k 模块中实 现的，下面先主要介绍相关参数的特性。 1 、电感特性翻 不计电机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的大小无关，且 不考虑磁场边缘扩散效应，相绕组电感随转子位置角。周期性变化的曲线 如图2 1 所示。 岱口h囊t 轧 图2 一l 相绕组电感与转子位置角的位置关系图 p i 9 2 一lp o s i t i o nr e l a t i b e t 帕e nt i n d i n gi n d u c t 8 n c ea n d r o t o rp o s i t i a n g l es c h 伽a t i c 令bs 为定子磁极弧度，br 为转子磁极弧度， ，为转子极距。图中 横坐标为转予位置角( 机械角) ，坐标原点o = 0 为基准点，对应于定子凸 极中心与转子凹槽中心重合的位置，此时相电感为最小值h l n ”生咚剑 ( 2 8 ) 为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置。在ol o2 区域内 一麓 北京交通大学硕士学位论文 电感保持最小值k i i l ： 口， 2 ( 2 9 ) 系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重合处，此时定、转子全部重叠， 相电感变为最大值l 一： 疗。罨 ! ：! 壁二二壁! 1 2 ( 2 一l o ) 为转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置，在83 一e4 区域内 是最大电感l 一：ol 、o5 均为转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。 由此得到线性s r 电机绕组电感与转子位置角之间关系的函数形式： 蚺臣 日s 疗s 岛 岛s p s 岛 岛s 口s 幺 ( 2 1 1 ) 幺s 疗s 嚷 式中：k 刍 兰堕。生哇生业 口3 一日2卢5 2 、磁链特性 当s r 电机由恒定直流电源u s 供电时，可写出一相电路电压方程式为： 弧= d 妒出+ j 汲 ( 2 1 2 ) 式中+ u r 励磁阶段相绕组两端的外加电压 u 譬一开关关断后续流阶段相绕组两端所加的电压 绕组电阻压降i r 与dv d t 相比很小，可忽略，由此引起的误差不会 超过线性化假设所带来的误差，式( 2 1 2 ) 可简化成下式： 矾；警= 等警= 等 浯m md ed ld e 北京交通大学硕士学位论文 d 妒：皇生d 疗( 2 1 4 ) 。 式中：。转子角速度 主开关器件s l 、s 2 导通时( t = o ) ，此时oo = oo n 1 l r o = 0 ，式( 2 - 1 3 ) 取“+ ”，积分并代入初始条件，得到通电期问磁链解析式为： 妒p ) = 等g 一口。) c ， 当oo = oo 廿时，主开关器件s 1 、s 2 关断，此时 妒硝- ! f ，m x i 警( 9 前一口。) 一等饥( 2 - 1 6 ) 式中：eo = oo 一o m 为一相绕组的导通角 关断期间，利用式( 2 - 1 6 ) 作为初始条件，式( 2 1 3 ) 取“一”得到 续流阶段磁链解析式为： 妒p ) - 告( 2 口研一口。一日) c 枷， 根据式( 2 1 5 ) 及( 2 1 7 ) ，可画出磁链v 随转子位置角。的变化曲线， 如图2 - 2 所示j 妒。 妒。 二二二：；三乏彳、i：二。一。 i 0 e 。e 畦2 8 皤一e 。8 图2 2 相绕组磁链与转予位置角关系困 f i 9 2 2r e l a t i o nb e t 聃e np h 嘲臀i n g d i n gf l u x 蛐dr o t o rp o s i t i a i l g l e 一2 2 北京交通大学硕士学位论文 3 、电流特性 通过相绕组的电流可由式( 2 1 3 ) 得到： 璩：华；工萼+ f 车：三李甜 ( 2 - 1 8 ) m d tmd t 一 整理后得： 孤，旃也 = l _ + l _ ( 2 1 9 ) dtd t 1 + 绕组通电期间，u s 前取“+ ”，断电期间取“一”。 由于绕组电感l ( 8 ) 的表达式( 2 1 1 ) 是分段线性解析式，因此 需分段给初始条件求解绕组电流。设定开通角o 。n 在o ，oz 内，关断角 o0 f f 在o2 o3 内。通过求解式( 2 1 8 ) ，代入相应的电感值与电流初值可 以得到相电流解析表达式： f p ) ； 岛s 目s 包 吼s p s 矽晡 9 咿s 口s 以 色s 口s 吼 b s 9 s 2 b 咿一p 。s 岛 ( 2 2 0 ) 分析以上公式可知，在电源电压u s 和转予角速度m 为常数的情况下， 电流波形与开通角oo n 、关断角eo f f 、最大电感l 一、最小电感k i n 、定子 极弧bs 等有关。 一一黼一一一一 北京交通大学硕士学位论文 4 、转矩特性 s r 电机的转矩公式如式( 2 2 1 ) 所示，在理想线性条件下，电感l 仅是转子位置角。的函数，由此得到瞬时转矩的表达式为： m1 2a 三 2 a 一 ( 各2 1 ) 将电感表达式( 2 1 1 ) 代入上式得： ri 式中k 的含义同式( 2 1 1 ) 2 4 2s r 电机单相线性仿真模型的建立 图2 3s r 电机一相线性仿真模型( s u b s y s t 栅1 3 ) f i g 3s i m u l i k d e lo fs r t o rs i n g l ep h a s e ( s u b s y s t 鲫1 3 ) 在图2 - 3 中，绕组电流滞环比较控髑模块用于控制s r m 绕组电流跟 踪期望电流变化。直接调用s 蛔u l i d 】【元件库中的滞环模块，设置相应滞环 一2 i 一 2 2 2( 如 肌加 如 v i 墨 口 8 口 8 v l v i s j 玑 如以 以 。争 北京交通大学硕士学位论文 宽度即可。其余模块均由m 棚a bf u n c t i o n 编写相应函数，它们分别是： 1 ) 、s w i t c h l o 一逻辑换相及功率变换器模块，根据转子角度位置和 s r 电机逻辑换相关系编写程序。 2 ) 、h i d u c t 锄c c l 0 一一由转子位置角和相磁通根据式( 2 7 ) 与公式 ( 2 1 1 ) 计算各自相电感时的电流值， 3 ) 、t o r o u e l o 一由转子位置角与电流根据式( 2 2 2 ) 计算相转矩。 4 ) 、m o d u l op 汜将转子位置角归算为一个周期内对应参考零角度 的值。 2 4 3s r 电机三相线性仿真模型的建立 在单相仿真模型的基础上，可以较容易的得到三相s r 电机模型，由 于三相s r 中每相电感相隔2 矗x ( 毒。毒) ，因此在本次设计中相邻两相电 感相隔1 5 度，即一旦其中一相模型确定下来，该模型的输入角度加减1 5 度就是另外两相所对应的模型，即在开通断角固定条件下，a 相开通1 5 度 后b 相开通，再过1 5 度后c 向开通。 图2 4 三相( 1 2 8 扳) s r 电机线性仿真模型 f i 9 2 - 4s i w l i i i l cm o d e lo ft h r e ep h a s e s ( 1 2 8 ) s rm o t o r 一2 5 北京交通大学硕士学位论文 s r 电机三相非线性仿真模型如图2 4 所示，s u b s y s t e m 、s u b s y s t e m l 、 s u b s y s t e m 2 分别代表s r 电机的a 、b 、c 每相转矩输出合成后得到s r m 的 合成电磁转矩。 图2 4 的中间部分为机电能量转换部分。j 为转动惯量，f 为摩擦系数， t l 是负载转矩，输出是角速度u 。角速度u 积分后得到位置检测需要的转 子位置角。 2 4 4 仿真结果 电源电压u s = 5 1 3 v ，优化参数o 。= 5 。、o 。f f = 2 1 5 。嘲，负载为7 n m 时，仿真模型在采取p i 控制方式下的一相电感、电流、转矩和合成转矩 和转速波形如图2 5 所示。 图2 5 ( a ) s r 电机残性电感仿真波形 f i 9 2 5 ( a ) s r