开关磁阻电机控制系统.马宏志

1、编号：（ ）字 号本科生毕业设计开关磁阻电机控制系统设计马宏志 21040395电气工程及其自动化04-3班题目： 姓名： 学号： 班级： 二八年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 马宏志 学 号： 21040395 学 院： 应用技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 设计题目： 开关磁阻电机控制系统设计 专 题： 指导教师： 蒯松岩 职 称： 讲师 2008年 6月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 应用技术学院 专业年级 电气04-3 学生姓名马宏志 任务下达日期： 2008年 3月15日毕业设计日期： 2008年3月15日至2008年6月10日毕业设计题目： 开关磁阻电

2、机控制系统设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1. 了解开关磁阻电机工作原理2. 设计系统主回路(主要包括igb功率器件选型，驱动、保护电路参数设计)。3. 采用matlab/simulink实现开关磁阻电机电压pwm控制系统的仿真。4. 采用单片机或者dsp处理器设计开关磁阻电机控制器，给出硬件电路设计电路原理图和软件流程图院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师

3、签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要 开关磁阻电机调速系统是一种新型电机调速系统，结构简单，成本低，调速性能优异，

4、是传统交、直流电机调速系统的强有力竞争者，具有强大的市场潜力。 本文以dsp为控制核心，研究并设计了15kw三相12/8极srm的调速实验系统，用于srm控制技术的研究。本文概述了开关磁阻电机调速系统(switched reluctance drive，简称srd)及其发展和研究现状，论述了其主要研究方向，阐述和分析了开关磁阻电机的结构、运行原理以及系统控制。并且对srd系统总体硬件结构进行了设计。采用不对称半桥型结构，在进行了相关功率器件选型计算的基础上设计了该srd调速实验系统的功率变换器。然后，以tms320lf2407为核心设计了开关磁阻电机控制系统的硬件电路，给出了包括电流检测、位置

5、检测、故障保护等部分电路的详细设计，充分利用了dsp的丰富外设资源，达到了简化电路结构、提高运行可靠性的目的。另外本文讨论了开关磁阻电机控制软件的设计，采用模块化编程方法，采用基于多中断的控制程序，提高了控制软件的效率。最后，利用matlab/simulink对上述12/8极开关磁阻电机调速系统建立了非线性仿真模型，并对该系统进行了仿真实验，实现了调速，并达到了开关磁阻电机调速系统研究和设计的预期目标，验证和深化了前文所取得一些理论成果，同时也为更近一步研究打下了基础。关键词：开关磁阻电机； 调速系统； dsp；matlab/simulink；仿真abstract switched reluc

6、tance drive system is a new motor drive system. it has many good features for example simple structure, low cost and excellent driving performance. its the strongest competitor to traditional ac and dc drive system, so it has powerful future. this paper developed a speed experimental system for a 3-

7、phase 12/8-pole srm of 15 kw based on tms320lf2407 dsp, which can be used for the technical research on srm control.the thesis summarizes the development and research of switched reluctance drive (srd), discusses the main research direction. the structure of srm, operation principle, and the control

8、 scheme of the srd are elaborated and analyzed. and the whole structure of hardware is schemed out for the srd speed experimental system. adopting the dissymmetry half-bridge structure, a power converter is designed for the system after selection calculation of the corresponding devices. then, tms32

9、0lf2407 dsp is used to design the hardware circuits of srm control system, and design details including the current detection, position sensing, fault protection and pwm output etc. are provided. because of the full use of the abundant peripheral resources of dsp, it comes to the aim simplifying the

10、 circuit structure and heightening the reliability. also, the thesis discusses the routine designing issue. because the modularized programming method is adopted, and multi-interrupt processing technique is used, operation efficiency of the control software is highly raised. at last, with the matlab

11、/simulink a nonlinear simulation model for the foregoing 12/8-pole srm control system is established. and the simulation experiments have been done on this model. speed adjustment is realized, and other targets on the research and design of srm control system are reached, which establishes a good fo

12、undation for further research. keywords： switched reluctance motor; drive system; dsp; matlab/simulink； simulation目 录1 绪论11.1开关磁阻电机的发展概述11.2开关磁阻电机调速系统组成21.3开关磁阻电机调速系统研究现状和方向21.4本文研究的内容42 开关磁阻电机原理52.1开关磁阻电机的基本结构和运行原理52.1.1电机结构52.1.2运行的原理62.1.3电机的基本方程72.2开关磁阻电机调速系统的基本控制方式82.2.1角度控制方式(apc)92.2.2电流斩波方式(

13、ccc)102.2.3电压斩波pwm控制方式112.2.4组合控制132.3系统控制方式及控制策略的确定133 srd调速实验系统硬件设计153.1 srd系统设计方案153.2基于tms320lf2407控制器的srd系统硬件结构设计163.3功率变换器设计与选型183.3.1功率变换器主电路的选择193.3.2功率开关器件的选择及参数计算193.3.3 igbt驱动电路的设计213.4控制、检测和保护电路的设计223.4.1转子位置检测223.4.2 pwm输出电路233.4.3电流检测电路243.4.4故障检测与保护电路253.4.5键盘与显示电路274 软件设计294.1总的设计思路2

14、94.2主程序设计294.2.1初始化子程序294.2.2键盘和显示子程序314.2.3功率驱动保护子程序325 srd系统仿真345.1基于matlab/simulink的srd非线性仿真模型的建立345.2 ccc方案下srd仿真模型355.3 仿真结果406 总结45参考文献46翻译部分48中文译文48英文原文57致 谢681 绪论开关磁阻电机调速系统(switched reluctance drive，srd)是80年代中期发展起来的新型调速系统1。它是融崭新的电动机构造和电子技术的新成果为一体的很有发展前景的新型变速拖动系统，其调速性能与直流调速系统和异步电动机变频调速系统相比更加优

15、良，其电机本身结构简单、成本低，整个系统具有效率高、可控参数多、起动电流小、起动转矩大等特点，因而可以在超高速的状态下运行，而且坚固耐用，适合于恶劣条件下应用；但是，该调速系统也有一定的缺点，例如：开关磁阻电机理想的实用数学模型很难建立，电机转矩脉动大、噪音大，位置传感器的使用增加了电机结构的复杂性，这些问题有待于进一步深入的研究。1.1开关磁阻电机的发展概述 开关磁阻电机的历史可以追溯到19世纪40年代。但当时无法解决换相问题，因而电机性能很差。70年代以来以p.j. lawrenson教授为首，有leeds大学和notingham大学联合成立了用电机及其驱动系统开发电动汽车的攻关小组。19

16、80年，在经过了近十年的理论研究和产品开发基础上，p.j. lawrenson教授等人发表了著名的论文“variable-speed switched reluctance motor”。他们创造性地提出了容电力电子技术和电机设计于一体的设计观点，彻底解决了早期双凸极结构磁阻电机无法解决的换相问题，并使得新型磁阻电机的单位出力可以与交流异步电机相媲美甚至还略占优势，因此这种新型电机一经提出就得到了国际上的广泛认可。这方面的研究也不断推广开来，在英国、美国、德国、意大利、加拿大、新加坡、南斯拉夫等国均有不同层次的发展。我国的研究起步于80年代中期，目前己经有许多院校和企业投入了力量，并逐步从实验

17、室走向生产和推广使用。国内开发比较成功的单位有：华中科技大学(原华中理工)、北京纺机所等。1985年，当时的华中理工大学开始了7.5kwsrd的研究，当时采用scr为功率开关器件；1987年，北京纺机所与南京调速电机厂合作开发了3kw8/6极、以bjt为功率开关和以单片机为控制电路核心的系统产品；1993年，30kw的srm在山东通过了鉴定，达到应用水平；2000年，100kw的电机在国内已经应用于煤矿的采煤机当中，而且184kw的srd在地铁机车上的应用研究已经接近成熟。开关磁阻电机应用于调速系统有许多突出的优点：1由于电机的转子没有绕组和磁铁，电机的结构简单，价格便宜；2由于所有的绕组均在

18、定子上，电机容易冷却，适用于大功率场合；3转子没有电刷，结构坚固，适合于高速驱动；4起动电流小，起动转矩大；5转子的转动惯量小，有较高的转矩惯量比；6绕组电流为单方向，功率控制电路简单，有较高的经济性和可靠性。微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、控制技术、微机技术的不断进步使开关磁阻电机调速系统的发展有了实质性的变化，srd已经有了多系列的产品，不同功率的开关磁阻电机已经在社会生产中广泛应用，包括风扇、矿山机械、泵类、伺服系统、高速系统、家用电器、电动车以及航空航天等领域都已经有开关磁阻电机应用系统的出现，而且在很多情况下表现出优异的性能。srd系统是近20年来兴起的一种全新变

19、速驱动系统，尽管进入市场较晚，但目前已占有一定的市场份额，随着人们对此系统了解和研究的深入，必将得到更快的发展。1.2开关磁阻电机调速系统组成开关磁组电机调速系统从结构上看，可以将其分为开关磁组电机和控制系统两部分。开关磁阻电机(switched reluctance motor，srm 或 sr 电动机)本身结构一般包括定、转子位置结构和位置传感器。开关磁阻电机的定子一般具有集中绕阻，转子无绕组，而且定、转子极数不同；位置传感器是用来进行转子位置检测的，通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈法组成位置传感器。控制系统主要包括控制器和功率变换器两部分。控制器一般以微电子芯片(如单片机和dsp )

20、为核心，辅助以必要的电路和元器件，通过程序算法产生控制电机的弱电信号；而功率变换器的作用是将电源的能量转化后送到电机各相，其对直流电的斩波就是受控制器产生的信号控制的。开关磁阻电机调速系统的结构，如图1.1所示。图1.1 开关磁阻电机调速系统的结构1.3开关磁阻电机调速系统研究现状和方向开关磁组电机调速系统由电机和控制系统两部分组成。电机部分的研究包括了设计、性能分析以及数学模型的建立，这些是需要进行复杂而大量的理论计算和研究工作的；此外，就是开关磁阻电机的位置传感器，它是用来进行转子位置检测的，srm转子位置的检测是整个调速系统不可或缺的组成部分。通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈法组成位

21、置传感器，向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能快速、准确的决定绕组的导通和关断时刻，因而增加了系统的成本和复杂性，也降低了可靠性。而采用无位置传感器的位置检测方法是该调速系统发展的方向，近年来，国内外对此进行了大量研究。控制部分则包含功率变换器和控制电路。功率变换器设计的主要问题，一是功率器件的选择和电流额定的确定；二是拓扑结构设计。功率器件的使用，从80年代以来经过了scr，gtr，gto到mosfet(小功率)、igbt(中功率)、mct(大功率)等电力电子开关器件的不断变化；确定主开关器件电流额定的关键是根据电流的波形求其有效值或峰值，但困难的是在于srm相电流的精确解析式求不出

22、，由于电机结构参数、控制参数、控制方式的不同，相电流波形也将出现不同形状，开关器件的额定电流也随之变化。随着srm运行的范围不断扩大，针对特定系统开发的功率变换器的种类也越来越多了，从目前的文献资料来看，不同线路结构的主要区别在于绕组释放磁场能量的方法不同。由于srm调速系统的运行与绕组电流方向无关，所以如何开发出具有最少开关数目的功率变换器，尤其能适用在低压小功率场合(例如电动汽车等)是目前的研究方向之一。 srm调速系统是融srm、功率变换器、控制器与位置检测为一体的，其性能的改善不仅依靠优化srm与功率变换器设计，而且还必须依靠先进的控制策略。在近20年的发展过程中，对于srm控制方面已

23、出现大量先进的控制思想，取得了显著的成果。srm控制参数多，控制系统设计的主要问题是努力实现参数最优化、结构最优化和功能最优化。根据改变参数的不同方式，srm有三种控制模式，即电流斩波控制(ccc)、角度位置控制(apc)、电压控制(vc)。对于以上三种方式，各自都有论著独立做过研究，但如果简单的使用其中一种方法，又难以获得理想的输出特性，因而对srm各种控制方式进行最佳组合，不同转速范围内采取不同运行方式的控制理论也应运而生。早期的控制策略主要以线性模型为基础，结合传统pi或pid控制，例如采用前馈转矩或电流控制、反馈转速控制等。基于线性假设的srm控制系统难以获得理想的输出特性，鲁棒性差，

24、其动、静态性能无法与直流传动系统相媲美，这严重的阻碍了srd的发展。为改善系统的性能，一些基于现代控制理论和智能控制技术建立srd动态模型和系统设计的方法也发展起来。瞬时转矩脉动、振动和噪声也是系统较为突出的问题，也是控制策略所要研究的重点。转矩的分布由相电流决定，因此关键是控制相电流使其按输出转矩脉动最小化分布。但困难在于srm数学模型难以精确解析，而且srm调速系统的结构及其动态特性在运行中常逐步改变或突变，并难以预知，因此常规控制方法很难控制相电流按理想分布变化，只有引入自适应、自学习控制技术及智能控制技术，才能使系统根据运行条件的改变，自动的调整调节器的结构、参数，以保证系统连续处于输

25、出转矩脉动最小化状态。srd发展到现在，在控制策略方面虽已取得了许多非常有用的成果，但是仍然不很完善，仍有许多问题待解决，而且尚未形成完善的srm控制理论。关于srm控制策略的研究主要围绕一下几个方面展开：1从控制角度继续加强研究，以减小转矩脉动、降低噪声；2研究具有较高动态性能，算法简单，能抑制参数变化、扰动及各种不正确定性干扰的srm新型控制策略；3研究具有智能控制方法的srm新型控制策略及其分析、设计理论。作为控制系统的核心，控制用芯片也需要根据系统的特点进行选择。在很多应用场合单片机是很实用的，而随着控制系统的复杂性和智能控制方法的应用，一般的单片机性能就很难与系统相匹配。数字信号处理

26、器(dsp)有高性能的内核和许多专用的外围设备，成为了电机控制系统理想的选择，而适时推出的用于电机控制的tms320lf240x系列芯片更使这一应用得到进一步提高。1.4本文研究的内容开关磁阻电机的研究虽然起步晚，但凭借其独特的优势和可见的广阔应用前景，已经在电气传动领域占有了重要的位置，在各个应用领域的需求不断增加的背景下，对开关磁阻电机的控制系统的研究和设计是形势使然，也是在此领域探索者们的当务之急。我们知道单片机之前在开关磁阻电机控制中应用最为广泛，但其存在运行速度慢、需要外围器件多、控制不灵活、控制方式简单等问题。在开关磁阻电机调速系统要求不断提高，控制技术越来越复杂的情况下，单片机的

27、劣势也越来越明显，这种情况下，专用于电机控制的dsp的推出，为开关磁阻电机控制提供了一种新的解决方案，使控制系统向数字化阔步前进。本文就是以tms320lf2407型dsp为设计核心，探索开关磁阻电机控制系统的设计，并基于一台75 kw三相12/8极srm，设计出一套开关磁阻电机调速系统实验装置，以用于srm开关磁阻电机控制技术的研究和实践。本文前半部分工作，主要集中在开关磁阻电机基本理论和控制方式的分析和研究，在此基础上后半部分主要介绍了基于tms320lf2407的开关磁阻电机控制系统的具体设计，并用利用matlab/simulink对开关磁阻电机控制系统进行了仿真研究，在软硬件和方面对开

28、关磁阻电机控制系统研究这一课题的进行了有益的实践。2 开关磁阻电机原理2.1开关磁阻电机的基本结构和运行原理2.1.1电机结构开关磁阻电机的定子和转子的磁极均为凸极结构，在定子的磁极上装有集中绕组，径向相对的两个绕组构成一相；转子由硅钢片叠制而成，其上没有绕组。图2. 1是一台四相8/6极的开关磁阻电机的结构示意图。图2.1 8/6极的开关磁阻电机的结构由于具有双凸极结构，srm定子和转子的极数有许多种组合。通常采用就是上图所示的四相8/6极方式，也有三相6/4极方式或者三相12/8极等结构方式，表2-1是常用的一些结构类型。最常见的是转子的极数比定子少2个。srm的相数记为，定子极数记为，转

29、子极数记为，步进角计为，则有： (2.1) (2.2)表2-1常用的定转子极数搭配mnsnr2428436264681284865104少于三相的srm没有自起动能力，因而对于要求子起动和四象限运行的驱动场合，应该选择不少于三相的开关磁阻电机。相数的增加还可以减少转矩的脉动并降低电磁噪声，但是增加了功率器件的数量及成本，因而在要求低的场合单相和两相结构应用比较多，作为驱动的开关磁阻电机多采用三相或者四相径向结构。2.1.2运行的原理开关磁阻电动机工作原理遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，从而迫使磁路上的导磁体运动到使磁阻最小的位置为止。通电后，磁路有向磁阻最小路径变化的趋势。

30、当转子凸极与定子凸极错位时，气隙大、磁阻大；一旦定子磁极绕组通电，就会形成对转子凸起的磁拉力，使气隙变小磁路磁阻变小。与此同时用电子开关按一定逻辑关系切换定子磁极绕组的通电相序，即可形成连续旋转的力矩。图2.2 8/6极开关磁阻电机运行原理图2.2为四相srm的轮流通电转动(顺时针转过一个极距角)。依据磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合的原理，具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。在图2.2中，当a相绕组单独通电时，通过导磁体的转子凸极在a-a轴线上建立磁路，并迫使转子凸极转到与a-a轴线重合的位置，如图2.2 (a)所示。这时将a相断电，b相通电，就会通过转

31、子凸极在b-b轴线上建立磁路，因此转子并不处于磁阻最小的位置，磁阻转矩驱动转子继续转到图2.2 (b)的位置。这时将将b相断电，c相通电，根据磁阻最小原则，转子转到图2.2 (c)所示位置。当c相断电，d相通电后，转子有转到2.2 (d)所示位置。这样，四相绕组按a-b-c-d顺序轮流通电，磁场旋转一周，转子顺时针转过一个极距角。不断按照这个顺序换相通电，电动机就会连续转动。若改变换相通电顺序为d-c-b-a，则电动机就会反转。因此，改变电动机的转向与电流的方向无关而只与通电顺序有关。2.1.3电机的基本方程 对于m相srm，如忽略铁心损耗，并假设各相结构和参数对称，则可视为具有m对电端口(m

32、相)和一对机械端口的机电装置，如图2.3所示。耦合磁场+-图2.3 m相srm系统示意图1电压方程根据电路的基本定律，可以写出srm第k相的电压平衡方程式 (2.3)式中相绕组的端电压；相绕组的电流；相绕组的电阻；相绕组的磁链。2磁链方程各相绕组的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，但由于srm各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于分析，在srm的计算中一般忽略相间互感。因此，磁链方程为 (2.4)每相电感是相电流和转子位置角的函数，电感之所以与电流有关是因为srm磁路非线性的缘故，而电感随位置角变化正是srm的特点，是产生转矩的先决条件。将式(2.4)代入式(2.

33、3)中得 (2.5)上式表明，电源电压与电路中三部分压降相平衡。其中，等式右端第一项为第k相回路中的电阻压降；第二项是由电流变化引起磁链变化而感应的电动势，称为变压器电动势；第三项是由转子位置改变引起绕组中磁链变化而感应的电动势，称为运动电动势，它与srm中能量转换有关。3机械运动方程根据力学原理，可以写出电动机在电磁转矩和负载转矩作用下，转子的机械运动方程 (2.6)式中电磁转矩；系统的转动惯量；摩擦系数；负载转矩。4转矩公式srm的电磁转矩可以通过其磁场储能()或磁共能()对转子位置角的偏导数求得，即 (2.7)式中 (2.8)为绕组的磁共能。式(2.3)式(2.7)一并构成srm的数学模

34、型。该数学模型从理论上完整、准确地描述了srm中电磁及力学关系。2.2开关磁阻电机调速系统的基本控制方式srm的控制方式指电机运行时对哪些参数进行控制及如何进行控制，使电机达到规定的运行工况(如规定的转速、转矩等)，并使其保持较高的性能指标(如效率等)。与普通电机不同的是，开关磁阻电机本身具有一个特殊的控制部分功率变换器，通过这个结构就可以对开关磁阻电机实施多种不同形式的控制。因此，可以说该系统的控制具有两个层面：一是电机控制层面，即通过调节电机自身的参数改变电机的运行特性，这一层关系是直接的，是开关磁阻电机所特有的；二是系统控制层面，这个层面是将控制策略应用于开关磁阻电机及其外围的设备(控制

35、器、信号检测装置等)，并使之为达到某一控制目标协同运作，这种控制是通过功率变换器间接作用在电机之上的。这个层面上的控制是种通用技术，能够应用在其它电机上的控制理论基本上都可以应用在开关磁阻电机上，比如最常见的pi或pid调节、模糊控制等。下文将对其具体控制策略加以总结和讨论。srm电机的可控参数主要有开通角、关断角、相绕组两端的电压和相电流等，开关磁阻电机的控制简单的说就是对上述参数进行调节。目前，主要的控制方式有三种：角度控制(apc)、电流斩波控制(ccc)、电压pwm控制。2.2.1角度控制方式(apc)角度控制法是指对开通角，关断角的控制，通过对他们的控制来改变电流波形以及电流波形与绕

36、组电感波形的相对位置。在电动机电动运行时，应使电流波形的主要部分位于电感波形的上升段；在电动机制动运行时，应使电流波形位于电感波形的下降段。图2.4 相电感曲线及开通角、关断角范围相电流的波形与开通角和关断角有着密切的关系，因此可以通对这两个角度的调节来实现对电流的控制。在假设转速、母线电压不变的情况下，固定，调节，随着的增加，开通电流时间增加；同理，当固定殊，调节，随着的减小，开通电流时间增加。实际采用的apc调节法，一般都先优化固定，然后通过闭环调节。对于调速范围较宽的，可以分段优化固定，然后在对进行调节。角度控制也称单脉冲控制，因为开通期间内开关元件始终是导通。这种方式比较简便，但这种方

37、式中相电流是不可控，其变化率很大，对于开通角和关断角的微小变化都十分敏感，在调节上也存在一定的困难。因此，这种方式比较适合在短时间里快速达到期望电流的场合，如较高机械转速下的控制。显然，某相的，值将决定该相电流在相临的相中产生的互感电动势大小，因此，某一相的，的调节不仅影响该相电流波形，而且也影响相邻两相的电流波形。就一对特定的，组合，也许对某相电流而言较优，但对其他相电流并非最佳。因此，要实现srm apc方式的真正最优运行，必须对每一相的，分别进行调节。角度控制的特点：1转矩调节范围大。若定义电流存在区间t占电流周期t的比例t/t为电流占空比，则角度控制下电流占空比的变化范围几乎从0100

38、%。2同时导通相数可变。同时导通相数多，电动机出力较大，转矩脉动较小。当电机负载变化时，自动增加或减少同时导通相数是角度控制方式的特点。3电动机效率高。通过角度优化能使电动机在不同负载下保持较高效率。4不适用于低速。角度控制中，电流峰值主要由旋转电动势限制。当转速降低时，旋转电动势减小，可使电流峰值超过允许值，因此角度控制一般适用于较高的转速。2.2.2电流斩波方式(ccc)当电机在起动或低速(一般系指在额定转速的40%以下)运行时，定子相绕组中反电势较小，可能产生过大的冲击相电流。为防止可能出现的过电流和较大电流尖峰，必须采取斩波方式加以限制，即将检测到的相电流与某一给定电流上限值比较，当导

39、通相绕组电流达到设定值时使开关关断，相电流下降；当电流降至电流设定的下限值时，再重新导通功率开关，使相绕组电流上升，这样反复通断功率开关，形成在给定电流值附近上下波动的斩波电流波形。图2.5 ccc控制方式ccc控制方式见图2.5，其控制方法是让相电流与电流斩波限进行比较，当转子位置角处于电流导通区间，即期间时，若，则主开关关断，电流下降。如此反复相电流将维持在斩波限附近，并伴有较小的波动。当固定开通、关断角时，调节斩波限就相当于调节关断角，或是电流开通区间的长度。但它们之间也有不同之处，apc方式下电流的不可控相比，ccc方式是直接对电流实施控制，通过适当误差带的设置可以获得较精确的控制效果

40、。因此，ccc方式同样具有简单直接，可控性好的特点，也避免了apc方式中的问题，与后面的pwm方式相比，也具有较小的开关损耗，是比较常用的控制方式。只是这种控制下，电流的斩波频率不固定，随着电流误差变化而变化，不利于电磁噪声的消除。电流斩波控制方式一般有以下两种。1给定绕组电流上限值和下限值的斩波方式。控制器在绕组电流达到上限值时，关断主开关元件，并在电流衰减到下限值后重新开通主开关元件，即通过开关元件的多次导通和关断来限制电流在给定的上限和下限值之间变化。在这种方式下，触发角和关断角可以改变，也可以固定不变，一般多采用固定不变。这种方式是通过改变电流上下限值的大小来调节srm输出转矩值，并由

41、此实现速度闭环控制的。2脉宽调制的斩波方式。一般在这种控制方式下，触发角和关断角固定不变。控制器在固定的斩波周期内控制主开关元件的导通时间和关断时间的比例来改变绕组电流的。电流斩波控制的特点：1适用于低速和制动运行。电机低速运行时，绕组中旋转电动势小，电流增长快。在制动运行时，旋转电动势的方向与绕组端电压方向相同，电流比低速运行时增长更快。两种情况下，采用电流斩波控制方式正好能够限制电流峰值超过允许值，起到良好有效的保护和调节效果。2转矩平稳。电流斩波时电流波形呈较宽的平顶状，产生的转矩也较平稳。合成转矩脉动明显比其它控制方式小。3适合用于转矩调节系统。当斩波周期较小，并忽略相导通和相关断时电

42、流建立和消失的过程(转速低时近似成立)时，绕组电流波形近似为平顶方波。平顶方波的幅值对应电机转矩，转矩值基本不受其它因素的影响，可见电流斩波控制方式适用于转矩调节系统，如恒转矩控制系统。4用作调速系统时抗负载扰动性的动态响应慢。提高调速系统在负载扰动下的快速响应，除转速检测调节环节动态响应快外，系统自身的机械特性也十分重要。电流斩波控制方式中，由于电流峰值被限，当电机转速在负载扰动的作用下发生突变时，电流峰值无法自动适应，系统在负载扰动下的动态响应十分缓慢。2.2.3电压斩波pwm控制方式电压pwm控制也是保持和不变的前提下，使功率开关按pwm方式工作。其脉冲周期t固定，占空比可调。改变占空比

43、，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，这就是电压斩波控制，又称调压调速。pwm控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到调节相绕组电压目的。pwm控制方式不是实时的调整开通角和关断角，而是在主开关的控制信号中加入pwm信号，通过调节占空比来调节加在主电路上电压的有效值的大小。占空比越大，电压有效值越大，电路导通时间越长。其脉冲周期固定，占空比可调。在内，绕组加正电压，内加零电压或反电压。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，这就是电压斩波控制。与电流斩波控制

44、方式类似，提高脉冲频率则电流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但功率开关元件的工作频率增大。以三相不对称半桥式电路为例，从该电路结构本身而言可采取斩单管和斩双管两种不同的控制方式。所谓的斩双管即同时对每相上下开关管加pwm调制信号，以实现电路导通的控制。而斩单管则只对每相上的一个开关管施加pwm控制信号，另一个管子则始终导通。如图2.6 所示，两种方式主要区别在于续流回路不同，斩双管时电机绕组经由回路i续流，而斩单管时则经由回路2续流。采用斩单管控制时，对控制电流脉动大、噪声、损耗都相对较好24。图2.6 单相斩波示意图pwm控制的电压和电流波形如图2.7所示。图2.7 pwm控制的电压和

45、电流波形pwm控制一个突出的优点就是可控性能好。这种控制中有两个可控参数：斩波频率和占空比。一般斩波频率是固定的，通过选择适当频率可以控制相电流的变化率；占空比与相电流最大值之间有较好的线性关系，调节占空比就可以控制相电流的大小，因此在这种控制中相电流的变化率和大小都是可控的，并呈现较好的线性关系；有利于采用pi或pid调节构成闭环系统，获得较好的动态性。只是这种控制方式下，由于开关的频繁通断而使得开关损耗有所上升。电压斩波控制的特点：电压斩波控制是通过pwm方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流，既能用于高速运行，又适合于低速运行。其它特点则与电流斩波控制方式相反，适合于转速调

46、节系统，抗负载扰动的动态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。2.2.4组合控制根据不同的实际应用要求结合上述控制方式的特点可选用其中几种控制方式的组合，使开关磁阻电机调速系统可使用多种组合控制方式，以下是两种常用的组合控制方式：1高速角度控制和低速电流斩波控制组合高速时采用角度控制，低速时采用电流斩波控制，以利于发挥二者的优点。这种控制方法的缺点是在中速时的过渡不容易掌握。因此要注意在两种方式转换时参数的对应关系，避免存在较大的不连续转矩。并且注意两种方式在升速时的转换点和在降速时的转换点间要有一定回差，一般应使前者略高于后者，一定避免电动机在该速度附近运行时处于频繁地转换。2变角度电压pw

47、m控制组合这种控制方式是靠电压pwm调节电动机的转速和转矩。由于srm的特点，所以工作时希望尽量将绕组电流波形置于电感的上升段。但是电流的建立过程和续流消失过程是需要一定时间的，当转速越高时通电区间对应的时间越短，电流波形滞后的就越多，因此通过调节开关角(一般固定角，使提前)的方法来加以纠正。在这种工作方式下，转速和转矩的调节范围大，高速和低速均有较好的电动机性能，且不存在两种不同控制方式互相转换的问题，因此越来越多的得到业内普遍采用，其缺点是控制方式的实现稍显复杂25。2.3系统控制方式及控制策略的确定对中小功率srm传动系统而言，从简化控制、降低成本及减小电机转矩脉动的角度出发，通过对常用

48、控制方式的比较及综合考虑，采用如下的系统控制方式：在低速(基速以下)时，采用电流斩波控制方式，输出恒转矩特性，即固定开通角和关断角，用速度设定值和实际速度之差调制外加电压在导通相绕组上的有效时间宽度来改变外施电压有效值。而在中速或高速(基速以上)时，采用变角度电压pwm控制方式，输出恒功率特性。两种控制方式各有优缺点，配合应用有利于扬长避短，充分发挥二者的优势，在较宽调速范围内使电机具有良好的性能指标。开关磁阻电动机速度控制系统的控制策略框图如图2.8所示，图2.8 srd调速系统原理框图该控制策略以电机输出的最终速度为控制目标，以pi调节为主要控制手段，包括速度和电流两个系统闭环控制，速度环

49、采用模糊pi参数自校正算法。变角度电压pwm组合控制方法的采用使速度外环反馈的速度与速度给定值产生偏差，通过速度调节器产生电流参考值，其值与电流反馈构成电流闭环控制，靠控制pwm的占空比来调节电流，以保证得到快速响应。控制器以恒定的斩波频率控制功率变换电路中主开关器件的开断，并通过调节开通和关断的时间比例，即占空比，来调节相绕组两端的平均电压，从而实现对绕组相电流的控制。在低速启动阶段，为保证srm快速可靠的起动，采用在每相绕组电感上升区段22.5区间内完全导通相绕组的方法，此时旋转电动势很小，须对电流进行斩波，将电流限制在最大允许值以内，即采用定角度定电流的控制方式。在电机启动以后，速度达到

50、一定，采用变角度电压pwm控制方式。在开关磁阻电动机绕组相电压us、起始导通角和关断角这三个参数中，以相电压us为系统的主控制量，在给定速度与反馈速度比较得到偏差经速度控制器输出后，即由速度调节控制子程序计算出电流环的电流给定值，与电路的反馈值经pi及pwm控制策略输出控制量作为pwm电路的占空比给定值，确定下一个周期的pwm脉冲的导通占空比，控制一定频率的输出方波脉冲宽度，宽度被调制的方波脉冲信号加到基极驱动电路，控制mos管的导通与关断，便将施加到srm电机绕组上的直流电压斩波成对应频率和占空比的方波电压，从而改变绕组两端电压的有效值，实现srm电机恒转矩转速控制；另两个参数，作为辅助控制

51、量，是转速和相电流的函数，在运行中应不断加以调整，使系统性能优化。 3 srd调速实验系统硬件设计3.1 srd系统设计方案根据系统设计要求，从srd系统构成(主要部分为控制器、sr电机、功率变换器和转子位置检测器)、控制方式及工作过程可见，系统实现方案主要包括以下内容。1功率转换器主电路设计；2dsp控制器与外部元器件的连接；3电动机转子位置检测；4电动机相电流检测；5pwm信号的产生；6速度的测量；7参考速度的输入。系统硬件设计框图如图3.1所示：ac电源输入桥式整流驱动隔离电 路功率变换器srm控 制 器速度给定电源电流检测位置检测负载图3.1 系统硬件设计框图目前，控制系统的实现方案主

52、要有以下几种：1以模拟电路硬接线方式建立的控制系统；2以微控制器为核心的控制系统；3以可编程逻辑器件为核心构成的控制系统；4以可编程dsp控制器为核心构成的控制系统。模拟系统一般采用运算放大器等分立元件以硬件接线方式构成，通过对输入信号进行实时处理可实现系统的高速控制，且由于采用硬件接线方式可实现无限的采样频率，因此控制器的精度较高且具有较大的带宽。但是，其缺陷也很明显，老化和环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大；构成系统所需元器件较多增加了系统的复杂性和可靠性；系统升级功能修改困难；很难实现运算量大，精度高的复杂控制算法。微处理器以mcs51或mcs96等为代表的单片机构成控制的系

53、统，使电路简单，大多数控制逻辑可用软件实现；可以实现较复杂的控制算法，控制规律的修改可以通过软件修改来实现，无零点漂移，控制精度高，可提供人机界面。但是处理器采用冯诺依曼总线结构，处理速度及能力有限，且系统较复杂，软件编程难度较大，集成度较低，不具备运动控制系统所需的专用外设，如pwm产生电路。因此，基于微处理器构成的系统仍需要较多的元器件，这增加了系统电路板的复杂性，降低了系统的可靠性，也难以满足运算量较大的实时信号处理的需要，难以实现先进控制算法，如预测控制，模糊控制。由于fpga/cpld等可编程逻辑器件的发展，可利用altera、xilinx等公司的系统开发软件或vhdl等开发语言，通过软件编程实现某种运动控制算法，然后将算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而以硬件的方式实现最终的控制系统。由于主要功能都