（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的电动执行器数字控制系统研究与设计.pdf

t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e mo ft h e e l e c t r o n i ce x e c u t o rb a s e do nd s p a b s tr a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y ，t h es t a t u so ft h ee l e c t r o n i ce x e c u t o ri sh i g h e r t h a ne v e rb e f o r ei nt h ei n d u s t r yl o c a l ，e s p e c i a l l yi nt h ei n d u s t r yo fc h e m i s t r y ，m e t a l l u r g y a n de l e c t r i cp o w e rw h o s ea u t o m a t i o nr a t ei sh i g h e ra n dh i g h e r t h ea p p l i c a t i o no ft h e e l e c t r o n i ce x e c u t o re n s u r e st h es e c u r i t yo ft h ep r o d u c t i o ni nt h ed a n g e r o u sp l a c ea n dt h e p l a c er e q u i r i n gt e l e c o n t r o l ，i m p r o v e se f f i c i e n c yo ft h ep r o d u c t i o na n dt h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m t h ee l e c t r o n i ce x e c u t o rd e s i g n e du s e ss r ma si t se x e c u t em a c h i n et oi m p r o v e st h e d i s a d v a n t a g eo ft h ec l a s s i ce l e c t r o n i ce x e c u t o r ，t a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h es r mw h o h a sm a n ye x c e l l e n c ei n c l u d i n gl o wc o s t ，s m a l lm o m e n to fi n e r t i a ，h i 【g hw o r k i n g e f f i c i e n c y ，g o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n ds oo n t h ee l e c t r o n i ce x e c u t o ru s e sad i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o ro fc o t in a m e da st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a si t sm a i nc o n t r o lu n i t t h ed s p o fs e r i e s2 0 0 0i sd e s i g n e df o rm o b i l ec o n t r o ls y s t e m ，i t sa d v a n t a g es u c ha sf a s t o p e r a t i o ns p e e d ，h i g he f f i c i e n c y ，g o o di n t e g r a t i o no fp e r i p h e r a le l e m e n tm a k e s t h ed s p h a sg o o dc a p a b i l i t y t h i sa u t h o rt a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h ed s po fs e r i e s2 0 0 0 ，d e s i g n s ad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to f t h e a p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n sas e r i a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，r e a l i z e st h ec o n t r o la n dm o n i t o rf u n c t i o n s b e s i d e st h e s e ，i nt h e p r o c e s s o fp r a c t i c e ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e da n dp r a c t i c e dt h em e t h o do fr e s t r a i n i n g d i s t u r b ，i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h e s em e t h o dw i l lb e e x p o u n d e d i nt h et e x tb e l o w k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ce x e c u t o r ；s r m ；d s p ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；r e l i a b i l i t y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博d r 硕士学位论文：基王旦墨里的电麴垫堑墨数星控剑丕统硒究量遮盐：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 己经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：胡耕导师签名：i 獭 日期：切g 年月) 妒日 第1 章绪论 1 1 电动执行器的发展概况 电动执行器是电动单元组合仪表中的执行单元，广泛应用于冶金、电力、化 工等部门，是一种数量大、应用广泛的产品。它由控制电路和执行机构两个在电 路上完全独立的部分组成，接受来自调节器的电控信号，将其线性地转换成机械 转角或直线位移，用来操纵风门、挡板、阀门等调节机构，以实现自动控制。减 轻运行人员的体力劳动强度。阀门电动执行器既是一种电动阀门的部件，又是一 种工业控制自动化系统中的一个相当重要的基础装置。 我国各行各业现广泛采用的d d z 仪表的执行器单元包括d k j 角行程执行器和 d k z 直线行程执行器两类，它们都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构。这 两类执行器的电气原理完全一样，主要包括伺服放大器、电动操作器、伺服电机、 减速器、位置发送器等几部分，见图1 1 ，其中减速器部分的结构有所差别。 图1 1d k 系列电动执行器组成框图 以上这两种电动执行器，虽然解决了危险工作区域或实时控制区域的远程控 制问题，但是他们却无法与上位机进行通讯连接，不能与其它仪表的状态相互通 讯，上位机也不能及时捕捉到执行器的运转状态，硬件结构也过于复杂，并且在 性能方面也存在以下几点缺陷： 1 电磁抱闸失灵，造成惯走、摆头或打不开； 2 堵转或超力矩时，电机或分相电容烧坏； 3 伺服主电路器件烧坏或保险丝熔断； 4 反馈信号源电路性能漂移或损坏； 基于d k 系列执行器的如上不足，技术人员又陆续研制出了各种各样的智能 电动执行器。 作为新一代电动执行器的智能化电动执行器，在m 多 t - 已经形成许多系列产品， 广泛应用于工业领域中。英国的t o t o r k 公司、德国的西门子公司、美国的 v a l t e k 公司和l i i t o r q u e 公司等几家著名公司生产的智能阀门电动装最功能 强大，简单可靠，技术先进，代表了这一领域的世界先进水平。 改革开放以来，我国自动化仪表行业有了长足的进步。从d k 系列执行器到 国家近期科技攻关的成果s k 系列，这一跨越经历了很长的一段路程，这其中， 还包括从美国、德国等国家引进过一些较新型的电动执行器。这些执行器领域的 每一次突破，虽然解决了老式执行器的一些缺点和不足，但是都没有突破d k 系 列执行器产品的基本框架，仅在个别结构、工艺和元件方面进行了更新或强化。 而这些元件质量、结构工艺上的更新，虽然提高了执行器的性能指标，却使生产 成本大大提升，不利于产品的推广和普及【1 3 】【1 4 】【1 5 】。 针对电动执行器应用和发展过程中所遇到的问题，本文介绍了一种新型的电 动执行器。这种新型的电动执行器主要针对d k 系列电动执行器一些功能指标上 的不足提出改进措旌。针对d k 系列电动执行器没有通讯功能的不足，本文介绍 了新型电动执行器的上位机通讯；针对d k 系列电动执行器动态性能不理想，定 位不准确的问题，本文创造性地提出采用开关磁阻电动机代替传统电动执行器中 的伺服电机，很好地解决了d k 系列电动执行器出现的定位不准确或由于电磁抱 闸失灵造成的惯走、摆头或打不开的问题；新型电动执行器结构简单，采用软件 位置检测，直流电源供电，很好地解决了d k 系列电动执行器硬件结构复杂的问题， 同时也降低了系统的成本。 1 2 电动执行器控制技术及结构特点 执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指根据调节器控制信号产生 推力或位移的装置，而调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送 量的装置，最常见的有调节阀。 执行器按其能源形式分为气动、电动和液动三大类，他们各有特点，适用于 不同的场合。电动执行机构以电源为动力，接受标准信号，将此信号转变成对应 的机械位移( 转角、直线或多转) 来操作调节阀、风门挡板等调节机构完成自动 调节任务。电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构分角 行程和直线行程两种，都是以电动机为动力的位置伺服机构，作用是将输入信号 转换为位移量。它具有以下优势：采用电源为动力，使用方便，无需特殊的气源 和空气净化装置；可以远距离传输信号；可以方便的和计算机联接。 国外的电动执行器多采用组合式设计思想，即以多转式电动执行机构为基础 产品，把减速箱和一些功能单元设计成标准的组件，根据不同需要组合成各种角 行程、直线行程和多转3 个系列的执行机构。国外的产品保护功能较全，执行机 构通常都有力矩保护、行程限位保护、电机过热保护等功能。而且输出力矩范围 较大2 0 0 1 7 6 0 0 n m ，输出转角有9 0 。、1 2 0 。、1 8 0 。、2 7 0 。、3 6 0 。 1 3 】【1 4 1 【1 5 】。 传统的电动执行器将给定信号与反馈信号进行比较，然后经过伺服放大器输 出给电动机的控制信号。机械结构复杂，调节反应时间慢，控制精度低。改进后 的电动执行器有效地解决了这个问题，其结构框图如图1 2 所示。 图1 2 新型电动执行器结构框图 下面就个部分的功能简单介绍如下： ( 1 ) 上位机 上位机主要负责对执行器运行的目标位置进行设置；对控制器的运行情况 进行监控，主要是对执行器运行的当前位置进行显示，及时报告执行器的运行 情况( 是否到达目标位置) ，上位机的功能设计详见第6 章。 ( 劲控制器 控制器主要负责采集现场数据， 数据并对系统进行实时控制和显示； 障进行实时监测、处理和报警等。 ( 3 ) i p m ( 智能功率模块) 包括开关磁阻电机的转速和系统的位置 与上位机进行通讯连接；对主电路的故 智能功率模块是新型电动执行器功率电路的主要组成部分，它将i g b t 、 驱动电路、保护电路、故障检测电路集成在一起，完成开关磁阻电机的绕组 相电流和电流斩波控制。 ( 4 ) s r m ( 开关磁阻电机) 开关磁阻电机是本次研究的新型电动执行器的主要执行机构。主要作用 是将功率电路输出的电功率转换成机械转矩，并且在达到目标位置时，单相 通电、可靠制动。 ( 5 ) 减速箱 减速箱的作用是将开关磁阻电机高转速、小力矩的机械能转换成执行机 构输出轴的低转速、大力矩的输出机械能。它采用一级正齿轮和一级行星齿 轮传动机构相结合的机械传动结构，并具有一定的自锁能力。 ( 6 ) 位置反馈、速度反馈 位置反馈与速度反馈都是将执行机构的当前状态及时发送到控制器，控 制器根据系统当前状态来决定采取什么样的调节策略，使得系统达到最优的 工作状态，完成既定的工作目标。 1 3 本文所做的主要工作 ( 1 ) 对系统总体框架进行分析设计，改变了传统电动执行器用伺服电机作为伺服 机构的特点，用开关磁阻电机代替伺服电机作为新型电动执行器的伺服机构； 根据开关磁阻电机的特点，对开关磁阻电机( 以下称s r 电机) 各阶段的运行 特性进行研究，提出了s r 电机的控制策略，很好地利用了s r 电机的运行特 性，克服了d k 系列电动执行器的缺陷，具有控制灵活、定位准确、制动简 单等特点。 f 2 ) 理论研究的同时，设计了一种基于d s p 的数字控制系统，很好的发挥了d s p 数字处理功能强大、运算速度快的特点，对系统进行实时控制，完成位置检 4 测、指令输入、换相控制、开度计算、故障检测、状态l c d 显示和上位机通 讯等功能 ( 3 ) 根据硬件设计，制作了控制电路的印刷电路板，使得硬件电路更加美观、清 晰，防干扰能力进一步加强。 ( 4 ) 针对硬件系统的设计要求和系统的总体框架，设计了系统的控制流程，在硬 件电路的基础上采用状态机的方法，作为s r 电机控制的软件算法，很好地完 成了s r 电机的控制任务；此外还完成了电动执行器系统速度、位置、故障、 通讯、显示等功能的控制流程设计，并写出基于c 语言的软件程序清单。 ( 5 ) 对电动执行器的上位机进行p c 机模拟，用v b 的m s c o m m 通讯控件设计了 上位机的串行通讯方案并设计了上位机的控制界面，使得p c 机可以随时设置 p c 机通讯的接收阀值、实时显示电动执行器的当前状态、用两种方式实时发 送电动执行器新的目标位置、实时显示错误信息等；设计了r s 2 3 2 接口与 c m o s 接口的电平转换硬件电路，实现了p c 机与d s p 的串行通讯功能。 第2 章开关磁阻电动机调速系统 2 1 开关磁阻电机控制技术的发展历程及发展趋势 2 1 1s r m 在国外的发展概况 1 8 4 2 年，英国的a b e r d e e n 矛i d a v i d s o n 制造出了最初的s r m 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。2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管的研制投产为s r m 的研究发展提 供了重要的物质条件。1 9 6 7 年，英国的l e e d s 大学开始对s r m 进行深入研究；到 1 9 7 0 年左右，研究结果表明：s r m 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。七十年代初，美国福特公司也研制出最早的开关磁阻电动 机调速系统，其结构为轴向气隙电动机、具有电动机和发电机运行状态和较宽范 围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。1 9 7 3 年英国的n o t t i n g h a m 大学也开始对s r m 攻关。1 9 7 5 年，上述两所大学的研究小组联合参加了c h l o r i d a t e c h n 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，成功研制了用 于电动汽车的5 0k w 的s r m 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，这充分说明了s r m 大有前途。1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授 及其同事总结了自己的研究成果，发表了题为变速开关型磁阻电动机的论文， 标志着s r m 得到国际社会的承认。该论文系统阐述了s r m 的基本原理及基本设计 理论，研究了s r m 的特性及其控制方式。1 9 8 1 年英国t a s c 公司获准制造s r m 系统， 并于1 9 8 3 年推出了商品名为o u l t o n 的通用调速系列产品，问世不久便引起各国电 气传动界的广泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫等国竞相发展，并在系统一体化 设计、电动机电磁分析、微机应用、功率元件应用、新型结构开发等方面取得进 展【2 2 】。 2 1 2s r m 在国内的发展概况 从1 9 8 4 年开始，我国许多单位先后开展t s r 电机的研究工作，且s r 电机被列 入中小型电机“七五”科研规划项目。1 9 8 8 年11 月，在南京航空航天大学召开了 首届s r d 研讨会。参加人员来自全国高校、研究所和工厂等2 5 个单位，大会上成果 6 交流表明，我i 虱s r d 的理论研究和应用已经取得了较大的发展，参加研制的单位有 了显著的增加。1 9 9 3 年1 2 月，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下， 正式成立了开关磁阻电机学组。2 0 多年来，我国己研i j y 5 0 w 一3 0 k w 、2 0 多个规格 的工业产品样机，在纺织机械、毛巾印花机、泽尔浆纱机、多功能蒸煮联合机以 及轻型龙门刨床和食品加工机械等方面的应用中取得良好的效果。 目前，s r 电机得到了很大的发展，产品已经广泛的应用于电动车驱动系统、 家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高速电机，功率范围从1 0 w ( 转 速为1 0 0 0 0 转分) 到5 m w ( 转速为5 0 转分) ，转速上限高达1 0 0 0 0 0 转分，几乎难 以找n s r 电机不适合的领域。 2 1 3 开关磁阻电机调速系统( s r d ) 的特点 开关磁阻电机调速系统，综合了交流电动机驱动系统和直流电动机驱动系统 的优点，作为一种新型的调速系统，它的电动机本体结构、变换器形式以及控制 方式都与众不同。s r d 的主要特点如下所述： ( 1 ) s r 电动机结构简单，转子上无任何绕组，可在较高转速下运行。定子上只有集 中绕组，端部较短，没有相间跨接线，因而具有制造工序少、成本低、工作可靠、 维修量小等优点。 ( 2 ) s r 电动机转子的结构形式简单，除可高速运行外，还具有转动惯量小的优点， 故系统具有良好的动态响应。 ( 3 ) s r 电动机的转矩与相电流极性无关，只需要单相电流激磁，因而功率变换器的 主开关元件少。且每个开关元件都与电动机绕组串联，从结构上排除了短路故障 的可能，不会出现直通现象。 ( 4 ) s r 电动机调速系统的调速范围宽、运行效率高、控制参数多、控制方式灵活、 易实现正、反转控制及四相限运行。 ( 5 ) 系统的震动和噪声大于一般电动机，且电动机与控制器件的连线较多。这是 s r 电动机较为突出的优点。 2 1 4 与同类电机的主要差别 从电机结构和运行原理上看，s r 电机与大步距角的反应式步进电机十分相似， 因此有人将s r 电机看成是一种高速大步距角的步进电机。但事实上，两者是有本 质差别的，这种差别体现在电机设计、控制方法、性能特性和应用场合等方面， 见表1 1 。 表1 1s r 电机与v r 步进电机的主要差别 s r 电机反应式同步磁阻电机 定、转子局为双凸极结构定子为齿、槽均匀分布的光滑内腔 定子绕组是集中绕组钉子嵌有多相绕组，近似正弦分布 励磁是顺序施加在各项绕组上的电流脉冲励磁是一组多相平衡的正弦波电流 各相磁链随转子位置做三角波或梯形波变各相自感随转子位置作正弦变化，不随电流 化，不随电流改变改变 开关磁阻电机也可视为一种反应式同步磁阻电机，但它与常规的反应式同步 磁阻电机有许多不同之处，见表1 2 。 表1 2s r 电机与反应式同步磁阻电机的主要差别 s r 电机v r 步进电机 利用转子位置反馈信号运行于自同步状态，工作于开环状态，无转子位置反馈。多 相绕组电流导通时刻与转子位置有严格的对用与伺服控制系统，对布局精度要求和 应关系。多用于功率驱动系统，对效率指标 高，对效率指标要求不严格，只作电动 要求很高，功率等级至少可达到数百千瓦，状态运行 甚至数千千瓦，并可运行于发电状态 可控参数多，既可调节主开关管的开通角和一般只通过调节电源步进脉冲的频率 关断角，也可采用调压或限流斩波控制来调节转速 2 2 开关磁阻电机的基本原理与控制方法 2 2 1 开关磁阻电机的基本原理 s r 电动机在结构上与步进电动机相似，其运行原理遵循“磁阻最小原理”， 即磁通总是沿着磁导最大的路径闭合，从而产生磁拉力形成磁阻性质的电磁转矩。 因此，它的结构原则是，转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化，所以s r 电 机均采用双凸极结构。如图2 1 所示。 图2 1 开关磁阻电机结构 当a 相绕组电流控制开关s 1 、s 2 闭合时，a 相励磁，所产生的磁场力图使转 子旋转到转子极轴线1 1 与定子极轴线a a 的重合位置，从而产生磁阻性质的电磁 转矩。顺序给a ，b ，c 相通电，则转子便按逆时针方向连续转动起来；反之，依次 给b ，a c 相通电，则转子会沿顺时针方向转动。 由于是磁阻性质的电磁转矩，s r 电机的转向与相绕组的电流方向无关，仅取 决于相绕组通电的顺序，这使得能够充分简化功率变换器电路。当主开关s 1 ，s 2 接通时，a 相绕组从直流电源u 。吸收电能，而当s 1 ，s 2 断开时，绕组电流通过续 流二极管v d l ，v d 2 ，将剩余能量回馈给电源u 。因此，s r 电机具有能量回馈的 特点，系统效率高。 ( 一) s r 电机的运行特性 s r 电机的运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特性区( 串 励特性区) ，如图2 2 所示。 9 t 0 图2 2 s r 电机运行特性 在恒转矩区，由于电机转速较低，电机反电动势小，因此需对电流进行斩波 限幅，称为电流斩波控制( c c c ) 方式，也可以采用调节绕组外加电压有效值的 电压p w m 控制方式；在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角取得恒功 率特性，称为角度位置控制( a p c ) 方式；在自然特性区，电源电压、开通角和 关断角均固定，由于自然特性与串励直流电机的特性相似，故亦称为串励特性区。 ( 二) 磁通特性 对图2 1 的基本结构，在忽略铁心部分磁饱和的情况下，可将铁心材料的磁导 率视为无限大，则磁路的磁导仅由气隙磁导构成。在不考虑漏磁的情况下，磁通 全部由气隙进出转子。由于铁心磁导率为无限大，铁心表面为等磁位面，故气隙 磁通与定、转子极弧表面相垂直。显然，在这种情况下，气隙磁导仅由定转子相 互重合部分的极弧角度大小所决定，气隙磁导仅是转子转角0 的函数，理想电感陷 线见图2 3 所示。 当转子处于定子两级间中心线附近时，气隙磁导为零，磁路中无磁通通过； 当转子转角口沿图示方向转到c t 一口s 一口r 么时，定转子极弧开始逐渐重合，气隙 磁导线性增大；当转子极弧与全部定子极弧重合时，气隙磁导达到最大。这一最 大值将在角度a r a ，内保持。当0 继续增大时，定转子极弧的重合部分将线性减 少 1 1 1 2 4 1 。 1 0 t o f j a r 2j 图2 3 理想电感曲线 ( 三) 矩角特性 由于开关磁阻电机内磁场分布复杂，特别是在脉冲电流供电及转子步进运动 中，无法用传统电机的基本理论和方法来分析计算，所以在讨论s r 电机距角特性 时，我们通常不考虑电路中的电阻损耗、铁心损耗和漏磁损耗等。利用s r 电机一 般转矩计算式、磁储能计算式和理想电感计算式【4 1 ，可以进一步导出基本转矩计算 式 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，得 丁= f ：要f 2i o l ( 2 1 ) 2a 口 、 耻丢等 ( 2 2 ) 0 0 0 0 0 峰r 0 。o 口 吼 ( 2 3 ) 0 统 0 0 ， 、 一k r i 20 2 0 o 区段通电则产生正转矩，那么在a l a o o 区段通 电则产生负转矩。一旦电动机按负转矩反向旋转，则位置传感器基本信号自动反 相序，控制信号也形成反相序。所以，在o 以范围内，如果屯、为正转控制 角，那么只要将控制导通角推迟半周期，即相对正转模式而言，触发控制角分别 改为+ r 2 和眈矿+ z 2 ，就能产生负转矩，实现反转运行。反转之后的实际控 制角吒和仍然在正常电动控制范围。图2 7 所示的便是电动机的正反转控制 原理。 言坌毒臼。0。 导通区 岛口2 口2 图2 7 正反转控制原理 ( 4 ) 制动控制 有三种情况需电动机制动运行：使电动机快速降速或停转；使电动输出与转 向相反的转矩，如卷绕恒张力控制系统中退卷电动机；使电机作为发电机使用。 但三者电动机的工作原理是相同的。 由前面的分析可知，电动机运行时，只要使绕组电流出现在电感曲线下降段 就可产生制动运行，如图2 8 所示。 qe 。8嚼8 图2 8 制动运行电流波形 此时在和眈矿之间，电源能量和外部机械能共同转换为电动机磁储能。在 p 。仟后的续流阶段，磁储能和机械能转为电能，并以续流形式向电源回馈。一般情 况下，每个通电周期电动机向电源回馈的电能多于吸收的电能。 制动运行可以使用上述所有的控制方法，也可以使用它们的组合控制方式。 由于制动运行时绕组内旋转电势和外电压共同作用下易产生较大峰值电流，而电 流斩波控制方式能起限制电流峰值和平滑电流与转矩的效果，故在制动运行中较 多采用。与电动运行相同，通过适当调节可控参数，可以有效的控制绕组电流及 其相应的转矩。也可以通过优化控制方式使电动机达到和电动工作时相类似的输 出能力和能力指标。 2 3 开关磁阻电机调速系统的基本结构和工作原理 2 3 1 开关磁阻电机闭环调速系统的基本结构 开关磁阻电动机调速系统得到广泛应用，调速系统最主要的特征是以转速值 为给定量，并使电动机转速跟随给定量。为了使系统具有良好的调速性能，应构 成闭环系统。下面简要介绍几种闭环调速系统。 ( 1 ) 转速单闭环调速系统 转速单闭环调速系统的构成如图2 9 所示。 图2 9 转速单闭环调速系统构成 给定积分器的功能是将转速给定信号“。的突变部分进行积分，使之变成较平 缓的变化量，如图2 1 0 所示，从而使系统工作更加平稳。 f 图2 1 0 给定积分器的工作波形 1 7 为解决平稳性和快速性的矛盾，满足不同用户的要求，积分时间常数应能在 一定范围可调( 如零点几秒至数十秒) 。 给定积分器的输出信号比一和电动机转速反馈信号“r 相叠加后，转速误差信号 输入到速度调节器，由此构成转速闭环系统。转速度调节器的作用是对转速误差 信号按一定规律进行运算，并通过系统的其它部分对电动机调速。最常用的速度 调节器是比例积分调节器。其比例运算起到快速调节作用，积分部分起到转速误 差积累和最终消除误差的作用，从而构成转速无差调节系统。其表达式为 u s = k p g i h ，) + 詈弘厂“i ) d t ( 2 4 ) 。 式中，k 。为调节器的比例系数；q 为调节器的积分时间常数。 k 。和的选择很大程度影响系统的动态性能。虽有不少文献使用经典控制论和现 代控制论的手段对其选择进行分析，但由于开关磁阻电动机调速系统特性上的严 重非线性及电动机机械负载的复杂性，使工程中该参数最常用的确定方法是实验 法。即在初选参数的基础上掌握改变参数时系统动态性能变化趋势，找出满意的 参数值。 控制方式实现电路的功能是实现角度控制、电流斩波控制、电压控制等控制 方式，根据速度调节器的输出信号改变控制参数。 逻辑电路综合了角位置信号和控制方式实现信号，输出一个符合电动机相数 的并实现调速控制方式的多路信号，如三相相触发信号，该信号通过功率电路后 控制电动机运行。 ( 2 ) 转速电流双闭环调速系统 转速电流双闭环调速系统的构成如图2 1 1 ，这种调速系统也正是本次设计所 采用的方式。对比图2 9 可知，这里仅增加了电流调节器和电流检测的闭环反馈环 节。电流调节器和速度调节器一样，一般也是采用比例积分调节器。电流调节器 的作用有两个，一个是在起动和大范围加速时起电流调节和限幅作用。因为此时 速度调节器呈饱和输出状态，其输出信号u 。作为极限给定值加到电流调节器，电 流调节器的作用结果是使绕组电流迅速达到并稳定在其最大值上，从而实现快速 加速和电流限制作用。 电流调节器的另一个作用是使系统的抗电网电压扰动能力增强。没有电流环 时，若电网电压波动，则电机绕组电流会随之波动，使电动机转速受到影响。虽 经转速环的作用转速能最终调回来，但影响已反映在动态转速波动上。有电流环 时，若电网电压波动，由于电流调节器的输入给定值没变化，其作用是使电流跟 踪给定值，使电网电压对绕组电流的影响得到抑制。由此可知，增加电流环，使 系统的快速性和稳定性得