（控制科学与工程专业论文）基于tms320f2812开关磁阻电动机调速系统的研制.pdf

学位论文的主要创新点 1 1 11 1i iii i il li r i itiii y 1 8 7 9 118 本系统设计了合适的功率驱动电路以及控制保护电路，其中控 制保护电路采用了硬件和软件两种保护方式；控制核心采用了 d s p 加c p l d 的方案，实现了开关磁阻电机的全数字化控制。 实时数据采集与处理是测量系统中的一个关键问题。本文采用 m a t l a b 语言的s e r i a l 函数实现了上位机与d s p 的通信，并用p l o t 函数将d s p 发来的信息实时绘制。 本设计中用到的位置检测器是绝对式编码器，编码器的使用更 加准确地反映了定子和转子的位置信息；同时，提高了系统的 抗干扰能力，为高速运行下实现提前关断和提前导通提供了良 好的硬件支持；编码器的输出信号先送给c p l d 处理，然后再 将处理后的结果送给d s p ，一方面d s p 的i o 口数量得到了减 少，更重要的是还提高了d s p 的c p u 的利用率。 摘要 开关磁阻电机调速系统( s a d ) 是一种新型电动机调速系统，结构简单、成本 低廉且调速性能优异，是传统交、直流电机调速系统的强有力竞争者，因此，具 有较大的市场潜力。因此，本文以1 2 8 极1 5 k w s r m 为研究对象，利用 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 和e p m 5 7 0 t 1 0 0 c 5 c p l d 作为控制芯片，采用闭环p i d 控制 方式，以电压p w m 作为控制策略，设计了一套开关磁阻电机的调速系统。本文 主要内容如下： ( 1 ) 介绍了开关磁阻电机( s r m ) 的国内外发展历史及其特点和主要研究方 向；论述了开关磁阻电机调速系统的基本构成、工作原理及其理想线性模型和常 用控制方法。 ( 2 ) 设计了功率变换器及其驱动电路模块：研制了以数字信号处理器 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 和可逻辑编程器件e p m 5 7 0 t 1 0 0 c 5 c p l d 为核心的控制器并 设计了控制电路，包括主控模块、电流检测模块、位置传感器模块、故障检测和 保护、速度显示模块、串口电路及其它功能的辅助电路。 ( 3 ) 设计并实现了整个系统的软件，其包括控制系统软件和上位机软件。 控制系统软件利用c c s 3 3 环境下的c 语言编程，完成系统各功能子函数。所需 逻辑运算采用了方便快捷的c p l d ，使得控制电路简单、安全可靠。系统控制软 件采用模块化编程的方法，增强了程序的可读性和灵活性。上位机部分在 m a t l a b 7 1 环境下利用面向对象编程的优点，实现了速度、电压、电流曲线的 绘制。 ( 4 ) 设计了一套s r d 调速系统并进行实验。实验结果表明系统设计合理， 所采用的控制方法和控制策略正确、有效，电机运行稳定可靠，达到了调速指标 要求，为更进一步研究打下了基础，具有一定的实用价值。 关键词：开关磁阻电机；数字信号处理器；可编程逻辑器件；p i d 调节 ( s r m ) ，t m s 3 2 0 f 2 8 12 d s pa n de p m 5 7 0 t l0 0 c 5 c p l da sc o n t r o lc h i p s ，u s i n gt h e d o u b l ec l o s e dl o o pp i dc o n t r o lm e t h o d , a d o p t i n gv o l t a g ep w mc o n t r o ls t r a t e g y 1 1 1 e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dp r e s e n tc o n d i t i o n , a n df e a t u r e sa n d m a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n sa b o u ts r ma th o m ea n da b r o a d ；t h i st h e s i sd e a l sw i t hb a s i c s t r u c t u r e s , w o r k i n gp r i n c i p l e ，i d e a ll i n e a rm o d e la n ds o m ec o m m o nu s em e t h o d s a b o u ts r d s e c o n d l y , p o w e rc o n v e r t e ra n dd r i v ec i r c u i tm o d u l ea r ed e s i g n e d c o n t r o l l e ri s d e v e l o p e dw h i c hi sb a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pa n dp r o g r a m m a b l el o g i c a l d e v i c ee p m 5 7 0 t l o o c 5 c p l d ，a n dc o n t r o l l e dc i r c u i t sa r ed e s i g n e d , i n c l u d i n gm a s t e r m o d u l e ，c u r r e n tt e s t i n gm o d u l e ，p o s i t i o ns e n s o rm o d u l e ，f a u l t d e t e c t i o na n d p r o t e c t i o n ，s p e e dd i s p l a ym o d u l e ，s e r i a lc i r c u i ta n d o t h e ra u x i l i a r yc i r c u i t s t h i r d l y , t h ew h o l es y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e da n dr e a l i z e d , w h i c hi n c l u d e s c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ea n du p p e rc o m p u t e rs o f t w a r e 1 1 1 ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei s w r i t t e nb ycl a n g u a g eu n d e rc c s 3 3a n ds u b f u n c t i o n sa r ea c c o m p l i s h e d t h el o g i c a l o p e r a t i o n su s er a p i da n dc o n v e n i e n tc p l d , w h i c hm a k e sc o n t r o l l e dc i r c u i ts i m p l e ， s a f ea n dr e l i a b l e 1 1 1 ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ea d o p t sm o d u l a rp r o g r a m m i n gm e t h o d s w h i c hi m p r o v et h ep r o g r a mr e a d a b i l i t ya n dt h ef l e x i b i l i t y u p p e rc o m p u t e rs o r w a r e u s e st h ea d v a n t a g eo fo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gu n d e rm a t l a b 7 1w h i c h r e a l i z e sc u r v e so fs p e e d , v o l t a g ea n dc u r r e n t f o u r t h l y , s r di sd e s i g n e da n de x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mi sr e a s o n a b l e , t h ec o n t r o lm e t h o d sa n dc o n t r o l s t r a t e g i e sa r ec o r r e c ta n de f f e c t i v e e l e c t r i cm a c h i n er u n ss t e a d i l ya n dr e l i a b l y , w h i c h a c h i e v e st h er e q u i r e m e n to fs p e e dr e g u l a t i o ni n d e x , a n dh a sl a i das o l i df o u n d a t i o nf o r f u r t h e ra p p l i c a t i o na n dh a sc e r t a i np r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：s r m ；d s p ；c p l d ；p i da d j u s t e r 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2s r d 调速系统研究概况1 1 - 3s r d 调速系统存在问题与发展动态2 1 4 本文的主要内容及章节安排3 第二章s r 电机的工作原理和控制策略5 2 1 开关磁阻电机驱动系统的基本结构5 2 2 开关磁阻电机的特点6 2 3 开关磁阻电机的工作原理7 2 4 开关磁阻电机的数学模型8 2 5 开关磁阻电机的基本方程8 2 6 基于理想线性模型的电感与转子位置角的关系9 2 7 开关磁阻电机的控制策略1 1 2 7 1 电流斩波控制l l 2 7 2 角度位置控制1 2 2 7 3 本系统的控制方式1 3 2 8 本章小结1 3 第三章开关磁阻电机功率变换器的设计1 5 3 1 功率主电路的分析、1 5 3 2 功率变换器元器件的定额与选型1 6 3 3i g b t 的特性1 7 3 3 1i g b t 的静态特性1 7 3 3 2i g b t 的动态特性1 8 3 3 3i g b t 的驱动原则1 9 3 3 4i g b t 使用中的注意事项1 9 3 4 主开关器件驱动电路的设计2 0 3 4 1i r 2 1 1 3 驱动芯片简介2 0 3 4 2 本系统的驱动电路2 l 3 5 本章小结2 2 第四章开关磁阻电机控制器硬件设计2 3 4 1 控制器硬件设计2 3 4 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 实现的功能2 4 4 1 2e p m 5 7 0c p l d 实现的功能2 4 4 2 编码器信号检测电路2 5 4 2 1 光电编码器2 5 4 2 2 格雷码2 6 4 2 3 编码器信号输出电路2 6 4 2 4c p l d 与d s p 通讯2 7 4 3 电流检测电路2 8 4 4 过流检测电路3 0 4 5 电压检测电路3 0 4 6 过压检测电路3 3 4 7 温度检测电路j 3 3 4 8 过热检测电路3 4 4 9 串口电路设计3 4 4 1 0 显示电路3 5 4 1 l 故障信号处理电路3 6 4 1 2 本章小结3 7 第五章开关磁阻电机控制器软件设计3 9 5 1 系统控制程序4 0 5 1 1 系统的主程序4 0 5 1 2d s p 初始化4 l 5 1 3 启动程序4 1 5 1 4 定时器中断服务程序4 2 5 1 5 功率保护中断4 2 5 1 6 按键中断4 2 5 1 7s p i 显示4 2 5 1 8p 删输出子程序4 3 5 1 9p i d 调节4 4 5 1 9 1 p i d 控制算法的基本模型4 4 5 1 9 2 数字增量式p i d 算法实现4 5 5 1 9 3 速度闭环p i d 算法的实现，4 6 5 1 1 0c p l d 与d s p 的通讯5 l 5 1 1 1c p l d 对故障信号的处理5 2 5 2 上位机程序5 2 5 2 1m a t l a b 环境下p c 计算机与d s p 2 8 1 2 的通信5 3 5 2 2m a t l a b 对串口控制的方法与步骤5 3 5 2 3 串口中断设置及回调函数5 4 5 2 4 图形的绘制5 5 5 2 5 上位机与下位机的通讯5 5 5 3 本章小结5 6 第六章总结5 7 参考文献6 1 发表论文和参加科研情况说明6 5 附录a 6 7 附录b 6 9 致谢7 1 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 以下简称s r 电机或s r m ) 是一种 新型的调速电机，具有良好的发展前景。它的结构简单，成本低廉，调速范围宽， 调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高【l 】。其调 速系统( s r d ) 具有直流、交流两类调速系统的优点，是继无刷直流电动机调速系统、 变频调速系统后的最新一代无极调速系统【2 1 【3 x 4 。自从上世纪8 0 年代以来，开关 磁阻电动机已经吸引了越来越多的学者和众多企业的研究，而且它在工业、农业 等各个方面都有着极其广泛的应用。 对开关磁阻电机调速系统s r d 而言，准确且实时的转子信息是其可靠运行的 必要保证。在实际的运用中，大多采用霍尔传感器作为位置检测器。然而，霍尔 传感器并不能准确的反映转子与定子位置的信息，所以，光电编码器在新型的位 置检测技术中逐渐得到人们的重视，光电编码器的使用更加准确的反应出定子与 转子的相对位置，同时也提高了开关磁阻电机运行的可靠性。 1 2s r d 调速系统研究概况 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，s r m ) 来源于s a n a s a r 在1 9 6 9 年撰写的论文；该论文中描述了两个基本特征：开关性和磁阻性。1 9 6 7 年，英 国的l e e d s 大学开始对开关磁阻电机s r d 进行了深入的研究；到1 9 7 0 年，他们 的研究表明：s r 电机可以在单相电流下，实现四象限稳定运行：且s r d 的功率 变换器无论是采用晶体管，还是采用普通晶闸管，所需的主开关数都最少。电动 机的价格也明显低于同容量的异步电动机的价格。1 9 7 5 年，英国的n o t t i n g h a m 大学和l e e d s 大学的联合研究小组，成功研制出了一套用于电动汽车的5 0 k w 的 s r d ，这充分表明了s r d 有着良好的发展前景【5 】【6 】。1 9 8 0 年，l e e d s 大学的 l a w r e n s o n 教授及其他的同事们总结了他们多年来的研究成果，并发表了著名论 文“v a r i a b l es p e e ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 一，此论文的发表标志着s r d 正式得 到了国际学术界认可【7 】【8 】【9 】f l o 】 1 1 1 。 我国对开关磁阻电机( s r d ) 的研究也比较早，七十年代末，合肥工业大学 研制出了盘形磁阻式电机，由于其结构相当复杂，因此并没有得到极大地推广。 此后，又有多家院校和企业参与了径向气隙式开关磁阻电机的研究，并逐步地从 实验室走向了生产和工业的推广。我国分别在1 9 8 8 年、1 9 9 1 年和1 9 9 3 年召开 天津工业大学硕士学位论文 了三次开关磁阻电机( s r d ) 的研讨会，并在1 9 9 3 年，成立了开关磁阻电机小组。 目前，国内的开关磁阻电机如k c 系列，已经大批量的涌入市场，并应用于在 2 0 多种生产机械中。另外，在机床传动、电动汽车、泵类、抽油机、家用电器、 纺织机械煤矿生产等领域，开关磁阻电机s r d 也逐步走上了应用阶段【1 2 】【1 3 1 。 1 3s r d 调速系统存在问题与发展动态 由于开关磁阻电动机( s r d ) 是一项正在发展的新技术，故在许多方面还有 待完善【1 4 】【1 5 1 。它的发展历史较短，s r d 涉及的范围很广，包括电机、电子、机 械、微机、控制等多方面；目前还存在着很多课题和研究的方向：譬如电机的优 化设计、系列产品的开发、相数白嘶究与选择、驱动电源的研制、高速电机的开 发、振动噪声的研究、铁耗与效率研究、无位置传感器方案研究、转矩脉动抑制、 智能控制、电磁场分析等【1 6 】【1 7 10 s 。 ( 1 ) 振动噪声的研究 s r 电机工作在脉冲供电方式中，瞬时转矩脉动大，转速很低时，步进状态 明显，高速重载时，振动和噪声大。s r 电动机噪声大这一突出的缺点在一定程 度上也限制了它的使用范围【1 9 】【矧。噪声产生的原因一方面是由于机壳受力形变 产生的，另一方面是由于转矩脉动产生的【2 1 】瞄】f 2 3 】。为减少机壳形变抑制噪声可 以采取增加机壳厚度的方法，但需要增大s r 电动机的体积和重量，要以提高成 本为代价，所以用增加s r 电动机机壳厚度的方法降低噪声，虽然有效，但并非可 科2 4 】【2 5 1 。因此有必要从优化控制方式来减小转矩波动降低噪声口6 】【2 7 】；或者从改 进s r 电动机定子和转子结构达到降低噪声的目的【2 8 】【捌。 ( 2 ) 铁耗与温升的研究 铁耗与温升是研究开关磁阻电动机的又一个十分困难的课题。原因是：一方 面，因为铁心的各部分磁场变化复杂且又都是非正弦的；另一方面，是因为铁心 的磁场频率随转速变化而变化。吴建华等人系统地讨论了通过仿真结果计算各段 磁通波形及损耗的方法，他们自己开发了应用于开关磁阻电动机的设计软件 s r d c a d 【2 1 1 。王述成提出了s r m 热路图模型，使用有限元对开关磁阻电动机的 温度场也进行了分析计算【3 0 】。目前的铁耗计算仅对工程应用有一定的指导意义， 也很难运用到实践中。 ( 3 ) 控制方法的研究 开关磁阻电机( s r d ) 磁路高度饱和，使得其存在参数非线性特性【3 1 】【3 2 】【3 3 1 。 定子和转子的双凸极结构和开关控制方式导致了开关磁阻电动机( s i m ) 高度的 非线性 3 4 1 3 5 】【1 3 6 。对于这样一个非线性严重的被控对象，采用传统的线性控制方 2 第一章绪论 法如p i 和p i d 控制策略很难取得较好的控制效果，因此本文以2 套参数来控制开 关磁阻电动机( s r d ) 的运行，达到了预期的结果。 “ 1 4 本文的主要内容及章节安排 第一章：综述了s r d 系统的产生、发展概况及存在的问题和研究的方向，介 绍了本文的主要内容及章节的安排。 第二章：主要介绍s r d 系统的工作原理包括驱动系统的基本构成，电机的工 作原理，电机的基本方程，理想数学模型及其在理想模型下电感与转子位置角的 关系和s r d 系统的常用的控制策略，本设计采用的控制策略。 第三章：介绍了三相开关磁阻电动机常用的功率电路及其特点，并设计了自 己的功率电路；介绍了i g b t 的特性，包括静态特性和动态特性、i g b t 的驱动原 则；基于上述特性和原则给出了i g b t 的型号及i g b t 驱动芯片的型号。 第四章：设计了基于数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 和可逻辑编程器件 e p m 5 7 0 t 1 0 0 c 5 c p l d 的控制器以及各种外围电路，其中包括主控模块、电流检 测模块、温度检测模块、电压检测模块、位置传感器模块、故障检测和保护、速 度显示模块、串口电路及其它功能的辅助电路。 第五章：设计并实现了开关磁阻电机调速系统的软件部分，包括控制软件和 上位机软件。对各个功能模块进行了详细的设计和分析，包括主程序流程图， d s p 与c p l d 的通讯，d s p 与上位机通讯流程图等。 第六章在完成所设计控制器、功率变换器、位置检测器的基础上，给出了 速度和电流的实验波形，并对波形进行了分析，结果表明，所得数据与理论分析 基本吻合，最后指出了系统存在的不足及今后努力的方向。 3 天津工业大学硕士学位论文 4 数学模型及控制策略。 2 1 开关磁阻电机驱动系统的基本结构 开关型磁阻电动机驱动系统s r d 主要由开关磁阻电动机s r m 、功率变换器、 控制器、位置检测器四大部分构成嘲，结构框图如图2 一l 所示。 图2 - 1开关磁阻电机调速系统组成 s r m 是s r d 系统中实现机电能量转换的器件，也是s r d 区别于其他电动机驱 动系统的主要标志，其工作原理和特点在2 2 中详细讲述。 功率变换器的作用是向s i 洲提供运转所需的能量。能量的供给由蓄电池或者 交流电整流后得到的直流电源提供；由于s r m 绕组电流是单向的，使得其功率变 换器的主电路不仅结构简单而且具有普通交流电机以及无刷直流电机所没有的 优点，即相绕组与主开关器件是串联的，因而可以避免上下桥臂直通的短路故障。 s r m 的功率变换器主电路的结构型式与供电电压电动机相数及主开关器件的种 类等有关。 5 天津工业大学硕士学位论文 控制器是系统的大脑【3 7 1 ，它综合处理给定的速度指令、速度反馈信息及电流 传感器、位置传感器的反馈信息，然后通过分析处理，决定控制策略，向功率变 换器发出相应的执行命令。控制功率变换器中主开关器件的工作状态来实现对 s r m 运行状态的控制。 传感器包括位置传感器和电流传感器，它们实时检测s r 电机的转子位置信号 和绕组电流信号。控制器必须从位置传感器获得的转子的位置信息以保证在适当 的时刻开通或者断开相应的相，而且要从电流传感器实时检测相绕组电流。控制 器控制功率变换器中主开关器件的工作状态，以此产生所需的转矩。 2 2 开关磁阻电机的特点 开关磁阻电机是s r d 系统的执行元件，s r 电机的定子、转子的凸极均由普 通硅钢片叠压而成。和普通电机不同的是：s r 电机的定子上有集中绕组，但转 子上既无绕组也无永磁体。s r 电机可以设计成多种不同相数结构，定转子极数 也有多种不同的搭配，本设计的控制对象是1 5 k w - - 相( 1 2 8 极) 电机，其定转子 结构如图2 - 2 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 - 21 2 8 极开关磁阻电动机剖面图 s r 电动机作为一种新型调速电动机，有如下优点： ( 1 ) 可控参数很多，并且调速性能较好，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，定子为集中绕组，定子、转子均由硅 钢片叠压而成，均采用凸极结构，所以结构简单而且坚固。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 6 第二章s r 电机的工作原理和控制策略 小功率s r 电机调速系统具有较高的性价比； c 3 ) 转子无绕组，所以励磁损耗主要产生在定子，电机易于冷却，且电机 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，但能取得较大的起动转矩，起动时有很小的冲击电 流； ( 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。 2 3 开关磁阻电机的工作原理 以1 2 8 型开关磁阻电动机为例，如图2 - 3 所示的是开关磁阻电动机的横切 面和一相电路的原理示意图。s l 和s 2 是主开关，v d i ，v d 2 是续流二极管，u k 为 加在开关磁阻电动机上的直流电源，电机的定子和转子均呈凸极形状，且极数互 不相等。转子由叠片构成，无绕组，而定子的绕组可以根据需要采用串联、并联 或者串并联结合的形式在相应的极上得到径向的磁场，电机带有位置检测器以提 供转子的位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断电，从而保持电机的连续运行。 开关磁阻电动机的磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或者错开而变化。 由于电感与磁阻成反比，所以，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组的 电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线的时候，相绕组的电感最小。 图2 3 一相电路原理图 s r m 运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。 具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置的时候，必然会使自己的主轴线与磁 场的轴线相互重合。s r m 旋转的方向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕 7 天津工业大学硕士学位论文 组通电的顺序，而且，系统中应该有一个可控的开关电路，它是根据转子位置的 不同，来合理地、周期地导通和关断各相电路，从而实现电动机的转子以一定的 方向连续旋转，对外输出机械能。另外，从图中我们还可以看出，当主开关器件 s 1 ，s 2 导通的时候，a 相绕组从直流电源u k 处吸收电能，然而当s l ，s 2 关断的时 候，绕组的电流经过续流二极管v d l ，v d 2 继续流通，并回馈给外施电源。因此， s r m 传动的特点是具有再生作用，所以系统的效率较高。 2 4 开关磁阻电机的数学模型 开关磁阻电机数学模型，通常有以下三种模型，即线性模型、准线性模型( 分 段线性模型) 、非线性模型 2 1 j 。 线性模型忽略了电磁、涡流、磁滞、边缘效应等非线性的因素，认为每一相 的电感只与转子的位置有关系，而与相电流大小没有关系。这种假设为分析s r m 的运行特性带来了很大的方便，但由于其完全忽略了非线性因素，故与s r m 的 实际特性有较大的出入。 准线性模型将磁化曲线分段线性化，近似考虑了定子、转子齿极重叠时的饱 和，在分析电机特性和设计控制器时带来了极大的方便。但就此模型的精确性而 言，在计算上还存在一定程度的缺陷。以上两种模型，电感参数有解析表达式， 在求解电机性能时，电流和转矩有解析解，一般用于定性分析。 开关磁阻电动机的非线性模型很难用简单的解析式来表达，因此很难建立一 个精确的数学模型。原因在于：s r 电机的双凸极结构和磁路的饱和、涡流和磁 滞效应所产生的非线性，s r 电机运行期间的开关性和可控性，且s r 电机运行期 间绕组电感不是常数，而是电流与转子位置角的函数，此外，开关磁阻电机定子 绕组的电流、磁链等参数随着转子位置不同而变化关系也是很复杂的。 2 5 开关磁阻电机的基本方程 ( 1 ) 电压平衡方程 根据电路的基本定律，可以写出s r m 第k 相的电压平衡方程为： 玑= r + d q , i d t ( 2 一1 ) 其中 仉相绕组激励阶段外施电压 r 第k 相绕组的电阻 i 七第k 相绕组的电流 3 第二章s r 电机的工作原理和控制策略 纨第k 相绕组的磁链 ( 2 ) 转矩方程 根据机电能量转换的原理，s r 电机的电磁转矩表示为磁共能或者磁储能对 转子位置增加的速率嘲。 乃：型：r ( ，力 ( 2 2 ) ， c 3 0 、p 。7 式中： 既( 只) = p p ( 秒，) q = p p ( 口，i p ) i p d l p ( 2 3 ) 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成： 疋= 丁( ， 。产l ( 3 ) 机械运动方程为： 瓦- j d 旃2 。0 + 。石d o + 乃 其中疋s r 电机的电磁转矩 正负载转矩 卜电动机转子及负载的转动惯量 d 一- 粘性摩擦系数 2 6 基于理想线性模型的电感与转子位置角的关系 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 基于s r m 内部的基本电磁关系和基本特性，故本文从理想的线性模型进行 分析，为本文的控制系统设计打下了良好的理论基础。为此，作如下假设【6 】： ( 1 ) 不计磁路的饱和影响，绕组的电感与电流大小无关，仅与自身有关； ( 2 ) 忽略磁通的边缘效应； ( 3 ) 忽略所有的功率损耗； ( 4 ) 功率开关管的开关动作是瞬时完成的； ( 5 ) s r 电机以恒定的速度运行。 在上述假设条件的基础上，电机的模型就是理想线性模型。这时，相绕组电 感l 随转子位置角0 的变化关系图2 _ 4 所示。 9 天津工业大学硕士学位论文 山后血一i 厂定子 | 田 | 卜子 1 l l ( 0 l 恤。 l 晌 0l 02 03 0。0 5 0 图2 - 4 理想线性模型下相绕组的电感随转子位置角0 周期性变化规律 图2 - 4 中，横坐标为转子的位置角( 机械角) ，它的基准点即坐标原点( 唧) ， 对应于定子的凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，此处的相电感为最小值 l m i n ，当转子转过半个极距时，此时，该相的定子、转子凸极中心完全重合， 此处的电感为最大值l m a x 。随着定子、转子磁极重叠的增加和减小，相电感在 l m a x 和l m i n 之间线性地上升和下降，l ( 0 ) 的变化速度正比于转子极对数，变化 的周期即为仃。 在图2 - 4 中，0 2 为转子的前沿和定子的后沿相遇的位置。在0 1 - 0 2 区域内， 定子和转子的磁极互不重叠，电感保持最小值l m i n 不变，这是由于s r 电机的 转子槽的宽度通常大于定子的极弧。转子转过。2 后，电感开始线性上升直到0 3 为止，0 3 为转子的前沿和定子的前沿相重叠处。此时，定子、转子磁极全部重 叠，电感达到最大值l m a x 。由于通常电机转子极弧大于定子极弧，所以在区域 0 3 e 4 内，定子、转子完全重叠，此时，相应的电机的转矩最小。4 为转子的后 沿与定子的后沿相遇的位置。至此，相电感开始线性地下降，直到e 5 处，电感 降为了l m i n ，一个周期的电感结束。由图2 - 4 可得到理想模型下的电感分段的 线性解析式 l o 第二章s r 电机的工作原理和控制策略 l ( 。) = k 山 l ( 0 02 卜k k 。 l 嘲- k ( 0 04 ) 0l 9 0 2 02 0 03 03 0 0 。 0 0 05 ( 2 - 6 ) 其中： l = ( l m 懿i _ l m j ( 0 3 - 0 2 ) = ( l 啷一l m i n ) p i ( 2 7 ) 且附一定子极弧。 2 7 开关磁阻电机的控制策略 控制直流电机的转速需要调节其外施电压或者励磁电流，然而控制感应电机 的转速则需要调节电源的频率。与其它电机一样，开关磁阻电机也有自己的控制 方法。开关磁阻电动机常见的调速方法为：电流斩波控制和角度位置控制。 2 7 1 电流斩波控制 电流斩波控制主要应用在基速以下的调速。电流斩波控制实质上是固定开通 角气和固定关断角，通过斩波控制外加电压u s 来实现的。具体方法有两种。 第一：用电流的上限值和下限值来控制u s 加在导通相绕组的有效时间，得到 恒定的转矩，改变限流幅值的大小，就可以改变输出转矩的大小，此法即为通常 意义上的电流斩波控制。 这种方法的优点是：适用于开关磁阻电动机低速调速系统，电流斩波控制可 以限制电流峰值的增长，并能起到良好的调节效果；原因在于：每个电流波形呈 较宽的平顶状，所以产生的转矩也比较平稳，电机转矩脉动一般也比采用其它控 制方式小的多。这种方法抗负载扰动的动态响应较慢，在负载扰动下的转速响应 速度与自然机械特性硬度有很大的关系。由于在电流斩波控制中电流的峰值受到 限制，所以当开关磁阻电动机转速在负载扰动作用下发生变化时，电流峰值无法 相应的自动改变，电机的转矩也无法自动地改变，使其成为特性非常软的系统， 因此系统在负载扰动下的动态响应就变得十分缓慢。 第二：用速度的给定值与实际得到的速度值之差来调节加在导通相绕组的有 效时间，进而来改变外施电压，从而转矩得到相应的改变。这种方法有时被人们 称为“电压p w m 控制”。 电压p w m 控制的特点是：通过调节各相绕组电压的平均值，能间接地限制 天津工业大学硕士学位论文 和调节相电流。p w m 控制最大的优点就是可控性能好。电压p w m 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，通过选择适当的频率 可以控制相电流的变化速度；占空比与相电流的最大值之间有较好的线性关系， 通过调节占空比就可以间接控制相电流的大小，因此在这种控制中相电流的变化 率和相电流的大小都是可控的，并呈现良好的线性关系，有利于采用p i 或p i d 调节，获得较好的动态性能。 2 7 2 角度位置控制 角度位置控制主要应用在基速以上范围内的调速，这种方法的优点是，电流 较小。原因在于：电机的旋转电动势很大，又由于速度很高，故各项主开关器件 导通时间较短，所以电流较小。事实上，在外施电压u s 及开通角和关断角不变 的前提下，随着速度w 的增加，电流将以yw 的速度衰减。 角度位置控制是指对开通角屯和关断角e o f r 的控制，通过对它们的控制来改 变电流的波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置。在开关磁阻电动机电动 运行时，应使开关磁阻电动机的电流波形的主要部分位于电感波形的上升段；在 开关磁阻电动机制动运行时，应使电流波形位于电感波形的下降段。 通过改变开通角，就可以改变电流的波形宽度、改变电流波形的峰值和电流 有效值的大小以及改变电流波形与电感波形的相对位置。这样就可以改变电动机 的转矩，从而改变电动机的转速。图2 - 5 是不同开通角所对应的电流波形。 u 09 e ， a j 0 s 0 图2 - 5 不同开通角所对应的电流波形 改变关断角0 0 f f ，一般不会影响电流峰值，但可以影响电流波形的宽度以及 电流波形与电感曲线的相对位置，电流的有效值也会随之变化，因此关断角0 0 f t 同样对电动机的转矩和转速产生影响，只是影响程度没有开通角那么大。图2 6 是不同关断角所对应的电流波形。 第二章s r 电机的工作原理和控制策略 c 口 日 图2 - 6 不同关断角对应的电流波形 角度控制的优点是：转矩调节范围大；可以允许多相同时通电，以增加开关 磁阻电动机的输出转矩，且此方法下转矩脉动交小；可实现效率最优控制或转矩 最优控制。 2 7 3 本系统的控制方式 综上所述，开关磁阻电动机调速系统主要有以上2 种控制方式，不同方式对 应的电动机特性差异很大，因此如何选择适当的控制方式是系统设计者的重要任 务。由于一般要求电动机转速范围较宽，负载转矩适用范围也较宽，因此应该选 择能够使电动机在各种不同工作条件下均具有较好的性能指标的控制方法。 结合本系统的实际情况，设计了简单易行的电压p w m 控制。这种控制方式 是通过调节p w m 的占空比，进而调节母线的电压与母线的电流，从而达到控制 开关磁阻电动机的转速和转矩的目的。 2 8 本章小结 本章详细介绍了开关磁阻电机的基本结构和工作原理，介绍了开关磁阻电机 的理想线性模型。分析了其电感及绕组电流在不同阶段的变化情况及转矩公式， 为后续控制系统设计打下理论基础。通过对常用控制方式的比较及综合考虑，选 择了电压p w m 的控制策略。 1 3 天津工业大学硕士学位论文 1 4 第三章开关磁阻电机功率变换器的设计 第三章开关磁阻电机功率变换器的设计 功率变换器是向电动机直接提供能量的部件，以功率开关管为主要的功能器 件，功率变换器受控制电路的控制，把电源能量变换为适合电机控制的形式，最 终实现电机能量的转化。 功率变换器作用有三个：起开关作用，即：绕组与电源接通或断开，为绕组 能量的回馈提供路径；为s r 电机提供电能量，即满足所需机械能的转换f 3 7 】。它 的输入端与电池或者整流器等直流电源相连接，输出端则与s r 电动机各项绕组 相连接，在整个开关磁阻电动机系统中，功率变换器占有重要的比重，因此，合 理的设计功率变换器是提高s r d 的性能价格比的关键因素之一。 性能优良的功率变换器应该同时具备以下条件【2 l 】 ( 1 ) 具有较少数量的主开关器件； ( 2 ) 可将电源电压全部加给电动机的绕组； ( 3 ) 主开关器件的电压额定值与开关磁阻电动机相接近： ( 4 ) 具备迅速增加绕组电流的能力； ( 5 ) 通过主开关器件的调制，有效地控制相电流； ( 6 ) 可以将绕组的储能回馈给电源。 功率变换器设计的主要问题：功率变换器主电路结构的设计，功率器件的选 型及其电流定额的确定。 3 1 功率主电路的分析 主电路的拓扑结构设计是s r d 的功率变换器设计的关键之一。根据回收绕 组释放磁场能量的方法不同已经出现多种不同的主电路结构形式如不对称半桥 电路、双绕组功率变换器、带贮能电容的功率变换器、再生式功率变换器等。 对于三相s r d 系统来说，大多采用如图3 - 1 所示的不对称半桥电路。 不对称半桥的工作原理：以a 相绕组为例，a 相绕组有两个主开关管q 1 ，q 2 及续流二极管d i ，d 2 。上下两只主开关管q l ，q 2 是同时导通、关断的。当q 1 ，q 2 导通的时候，d 1 ，d 2 截止，外加电源加至a 相绕组的两端；当q l ，q 2 关断时， d i ，d 2 导通，储能电容c s 吸收a 相绕组的部分磁场能量。 不对称半桥的特点是【6 】： ( 1 ) 由于每相绕组接至各自的不对称半桥，所以，在电路上，相与相之间 是完全独立的。 1 5 天津工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 由于主开关管的电压定额与电机绕组的电压定额差不多相等，故这种 功率电路用足了主开关的额定电压，从而使有效地全部电压可以用来控制相绕组 流过电流的大小。 不对称半桥型唯一不足是所用开关器件数量多，明显增加了功率变换器的成 本，经济性较差。 图3 - 1 不对称半桥电路 3 2 功率变换器元器件的定额与选型 本文所用电机参数为：额定功率为1 5 0 0 瓦、额定电压为2 2 0 v ，额定转速为 1 5 0 0 转7 分。 一般来说，在小容量的开关磁阻电动机调速系统中，可以选用g t r 、 m o s f e t 、i g b t 作为主开关器件。由于i g b t 和m o s f e t 都具有工作频率高、 开关速度快的优点，就开关频率而言m o s f e t 的开关频率优于i g b t ，但是由于 m o s f e t 耐压较低，故本文采用i g b t 。i g b t 不但综合了m o s f e t 控制灵活、 输入阻抗高的优点还具备了g t r 通态饱和压降低的优点。i g b t 的工作频率较 高、驱动电路简单。 ( 1 ) 开关器件的电压额定值的确定 开关器件的电压额定值主要取决于外施的电源直流电压大小，当然也与功率 主电路的选择有很大的关系。本系统中的开关磁阻电动机使用的是2