（机械制造及其自动化专业论文）基于dspace开关磁阻电机控制系统的开发与研究.pdf

摘要 摘要 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 ，简称s i w ) ，作为一种新型的机 电一体化调速电机，以其结构简单、可靠性强、效率高、成本低和调速性能好等 优点已广泛应用于牵引运输、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个 领域。由于开关磁阻电机严重的非线性以及变结构、变参数特性增加了它的控制 难度，近年来很多学者尝试结合先进的智能控制策略来实现开关磁阻电机的控制。 但因为开关磁阻电机自身的结构与特点，很难得到一种通用的、简单的、准确的 开关磁阻电机模型，使得一般的离线仿真对先进智能控制策略的设计与验证已不 能满足要求。因此，本文将半实物仿真技术应用在开关磁阻电机的控制中，开发 了一套基于d s p a c e 半实物仿真平台的开关磁阻电机控制系统。 论文首先介绍了开关磁阻电机的发展状况、原理以及国内外的研究热点，并 提出在控制器的设计与开发过程中采用半实物仿真技术的意义。在此基础上介绍 了d s p a c e 半实物仿真系统的特点、构成以及其快速原型理论。 然后对整个控制系统的功率驱动部分进行了设计与开发，使其适用于 5 0 形3 k w 的四相开关磁阻电机。通过比较开关磁阻电机的几种基本控制方式与 常见功率变换电路，本文选用了电压p w m 斩波控制为该系统的主要控制方式。为 了便于电压p w m 斩波控制，在功率变换电路的设计上采用了主回路p w m 斩波的 功率变换电路结构。另外，为了满足功率驱动器件与隔离电路等低压电源的供电， 设计了一套拥有6 路独立输出的开关电源。 在电机的控制策略方面，本文引入了单神经元自适应p i d 控制器。分别从单 神经元自适应p i d 控制器原理、控制模型的总体结构规划、具体模型设计几个方 面详细地说明了整个控制模型的设计过程。并以一台1 1k w 的四相8 6 极开关磁 阻电机为实验对象，对系统的动态响应性能进行了测试，得到了良好的控制效果。 最后，针对d s p a c e 使用过程中的一些问题，提出了采用f p g a 来实现d s p a c e 功能扩展这种解决途径。文中在提出d s p a c e 工作原理以及功能扩展基本策略的 基础上，详细叙述了i o 扩展、p w m 扩展、a j q 9 扩展的实现方式，对各个模块的 功能实现流程逐一进行了说明。通过扩展前后的实验对比，进一步证实了功能扩 展的良好效果。 i 摘要 通过本文的工作，不仅开发了一套基于d s p a c e 的开关磁阻电机控制系统， 方便地验证了单神经元自适应p i d 算法的有效性，还在应用该控制系统的基础上 归纳出了一套快速开发方法，以此来提高开关磁阻电机控制器的开发效率，缩短 开发时间。另外，通过运用f p g a 对d s p a c e 实现了功能扩展，一定程度上解决 了d s p a c e 平台使用过程中的问题，该扩展方式也为d s p a c e 平台的应用提供了 一种新的思路。 关键词：开关磁阻电机，单神经元自适应p i d 控制，快速开发，d s p a c e 功能扩展 i i a b s t r a c t a bs t r a c t a sa ne l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o ns p e e dm o t o r , s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) h a sb e e nw i d e l yu s e d i nm a n yf i e l d s ，s u c ha st r a n s p o r t a t i o n ，h o u s e h o l d a p p l i a n c e s ，g e n e r a li n d u s t r i a l ，a v i a t i o na n di n d u s t r i a l s e r v os y s t e m d u et oi t sg o o d s p e e dp e r f o r m a n c e ，s i m p l es t r u c t u r e ，h i 曲e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y , i ta t t r a c t sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n s b u ti t ss t r o n gn o n l i n e a re l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c si n c r e a s ei t s c o n t r o ld i f f i c u l t y n o w a d a y s ，m a n ya d v a n c e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sa r eb e i n g u s e dt oe n h a n c et h es r m o p e r a t i o n a le f f e c t i v e n e s s a si t ss p e c i a ls t r u c t u r ea n do p e r a t e m o d e ，i ti sd i f f i c u l tt og e tac o m m o n , s i m p l ea n da c c u r a t es r m m o d e l s ot r a d i t i o n a l o f f - l i n es i m u l a t i o nc a nn o ts a t i s f yt h ev e r i f i c a t i o no ft h es t r a t e g i e s ，a n dh w i l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ei nt 1 1 e s es i t u a t i o n s t h e r e f o r e ，i n t h i sp a p e r , as r mc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e db a s e du p o nd s p a c e f i r s t l y , s r m sd e v e l o p m e n tc o n d i t i o n s ，t h e o r i e s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a n d r e s e a r c h f o c u s e sa r ei n t r o d u c e d t h e n ，i ti sp o i n t e do u tt h a th w i ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g i e sa r e v e r yu s e f u li ns r d sd e v e l o p m e n tp r o c e s s a n dd s p a c es y s t e m sf e a t u r e s ，c o n s t i t u t i o n a n dr c pt h e o r ya r ep r e s e n t e da sw e l l t h e n , t h ep o w e r - d r i v e np a r t i sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt om a k et h es y s t e m a p p l i c a b l et o4 - p h a s e5 0w 3k ws r m s b yc o m p a r i n gs e v e r a lb a s i cc o n l m o nc o n t r o l s t r a t e g i e sa n dp o w e ri n v e r t e rc i r c u i t s ，v o l t a g ep w mc h o p p e ri ss e l e c t e da st h ec o n t r o l s t r a t e g yi nt h i sp a p e r i no r d e rt o f a c i l i t a t et h es t r a t e g y , t h ep o w e ri n v e r t e rc i r c u i ti s d e s i g n e dt og e n e r a t ep w m i nt h em a i nc i r c u i t i na d d i t i o n , as w i t c h i n gp o w e rs u p p l y w i t h6i n d e p e n d e n to u t p u t si sd e s i g n e dt os a t i s f yt h ed e v i c e s p o w e rs u p p l y , s u c ha s p o w e r - d r i v e nd e v i c e sa n di s o l a t i o nd e v i c e s i nt h ea l g o r i t h mp a r t ，as i n g l en e u r o na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri sb r o u g h ti nt h i s s y s t e m t h e r ea r et h r e ep a r t sb e i n gi n t r o d u c e d ，s i n g l en e u r o na d a p t i v ep i dp r i n c i p l e ， o v e r a l ls t r u c t u r ep l a na n ds p e c i f i cm o d e l s d e s i g n a f t e rt h a t ，a1 1k ws r m ( 8 6p o l e s ) i st a k e na sa ne x a m p l et os h o wt h eg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e f i n a l l y , b yu s i n gf p g a ，af u n c t i o n a le x p a n s i o nm e t h o df o rd s p a c ei sa d v a n c e d i i i a b s t r a c t t os o l v es e v e r a lp r o b l e m si nt h ed s p a c eu s i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r , t h er e a l i z a t i o n p r o c e s so f i oe x p a n s i o n ，p w me x p a n s i o na n da ds a m p l i n ge x p a n s i o na l ee x p o u n d e d ， w h i c hc a np r o v i d eg u i d a n c ef o rs o m eo t h e re x p a n s i o n a n dt h eg o o de x h i b i t i o no ft h e f u n c t i o n a le x p a n s i o nc a nb ep r o v e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s 。 t h r o u g ht h ew o r ki nt h i s p a p e r , as r mc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p a c ei s d e v e l o p e d ，a n dt h ee f f e c t i v e n e s so fs i n g l en e u r o na d a p t i v ep i da l g o r i t h mi sv e r i f i e d d i r e c t l y b yu s i n gt h i ss y s t e m ，ar a p i dd e v e l o p m e n tm e t h o di sc o n c l u d e di no r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs r m c o n t r o l l e r sd e v e l o p m e n t i na d d i t i o n ，t h r o u g ht h eu s eo f f p g a ，t h ed s p a c e sf u n c t i o ne x p a n s i o ni sa c h i e v e d ，w h i c hs o l v e ds o m ep r o b l e m si n t h ec o u r s eo f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：s r m ，s i n g l en e u r o na d a p t i v ep i dc o n t r o l ，r a p i dd e v e l o p m e n t ，d s p a c e f u n c t i o n a le x p a n s i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：金阻日期：伽富年月f 1 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：避奎塑导师签名： 日期：2 o 第一章绪论 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 ，简称s i 蝴) ，是一种新型的机电 一体化调速电机，目前，以其调速性能好、结构简单、可靠性强、效率高、成本 低，在恶劣环境也能保持高性能运行等优点，成为各国研究和开发的热点之一。 特别自2 0 世纪8 0 年代以来迅猛发展，其产品已广泛应用于电动车驱动，家用电 器，通用工业，航空工业和伺服系统等各个领域，覆盖功率范围为1 0 w 。5 m w 的 各种高低速驱动系统，呈现出强大的市场潜力【l 】。 1 1开关磁阻电机的发展概况 开关磁阻电机一词源自电机本身的两个基本特征：开关性与磁阻性。是由美 国学者s a n a s a r 于1 9 6 9 年提出的。其实，早在1 9 世纪4 0 年代，当时人们利用 顺序导通两个u 形电磁铁带动镶嵌有铁条的木制转鼓，并将其尝试性地用在机车 驱动中，即所谓的“电磁发电机 ，其原理与现在的开关磁阻电动机非常相似。然 而，由于当时科学技术水平的限制，无法解决开关磁阻电机在设计、控制等方面 的一系列问题，使得开关磁阻电机的发展受到了很大限制。2 0 世纪6 0 年代以来， 随着电力电子、计算机、微电子等领域取得的重大进步，开关磁阻电机又重新步 入了高速发展的轨道【2 j 。 1 9 6 7 年英国l e e d s 大学开始对开关磁阻电机进行深入研究，直到1 9 7 0 年左右， 其研究表明：开关磁阻电机可在单相电流下四象限运行，功率变换器无论是用晶 体管还是用普通晶闸管所需的开关数都是最少的，电动机成本明显低于同等容量 的异步电动机。1 9 7 5 年英国n o t t i n g h a l n 大学和l e e d s 大学的联合研究小组成功地 研制出一套用于电动汽车的5 0 k w 的开关磁阻电机控制装置。1 9 8 0 年，英国l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授及其同事们总结了他们的研究成果，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 s ，标志着开关磁阻电机正式得到了国际 上学术界的承认。该文系统的阐述了开关磁阻电动机的原理及设计理论，研究了 开关磁阻电动机的特性及控制方式，这些工作被公认为开关磁阻电动机研究的奠 基之作【引。 l 电子科技大学硕士学位论文 1 9 8 3 年，英国t a s cd r i v e s 公司将世界上第一台开关磁阻电动轵；o 】l t o n 传动装霞( 7 5k w ，1 5 0 0 r m i n ) 作为商品投入市场，1 9 8 4 年又推出了4 k w 2 2 k l t t 四个规格的系列产品。作为一种性馀比高的新型调速系统，开关磁阻电机调速系 统问世不久，便引起各国电工界重视。我国于1 9 8 4 年左右以较高起点开始开关磁 阻电机调速系统的研究、开发工作。国内的南京航空航天大学、华中科技大学、 哈尔滨工业大学和东南大学等率先对开关磁阻电机开展了研究，涉及到电机本体 设计、磁场计算及无位置感器方面等。国内有关开关磁阻电机调速系统研究的学 术著作也相继出版1 4 】。目前，开关磁阻电视调速系统的开发范围已经达到：转矩为 o 0 1 1 0 6 m ，功率为1 0 矽一5 m 矽，最高转速可达1 0 0 0 0 0 r m i n ，规格已从多相 发展到单相、薅相，电机形式亦从旋转型发展到了矗线型。开关磁阻电机调速系 统的应用领域已从最初侧重于牵引运输发展到通用工业、航空工业和家用电器等 多个领域1 5 1 。由于具有许多其他电机无可比拟的优良性能和特点，开关磁阻电机有 着极其广阔的市场前景和深远的开发潜力。 近2 0 年来，开关磁阻电机的研究在国内外取得了很大的发展，从1 9 9 0 至2 0 0 5 年国际会议上有关开关磁阻电机调速系统的文章来看，对开关磁阻电枫调速系统 的研究工作己从论证它的优点、开发应用的阶段进入设计理论、优化设计阶段。 对开关磁阻电动机、控制器、功率变换器等的运行理论、模型构建、控制方法、 优化设计、结构形式等方面进行了更深入的研究。其中，电机铁心损耗、转矩波 动、噪声控制、开关磁阻电机磁场建模分析、开关磁阻电机的智能控制策略和无 位置传感器开关磁阻电机等都是研究的热点湖。 1 2开关磁阻电机的原理与特点 1 。2 。1 开关磁阻电机的原理 电机根据转矩的产生机理可以粗略的分为两大类：一类是由电磁作用原理产 生转矩；另一类则是由磁阻变化原理产生转矩f 】。 在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相互作用 的产生使两个磁场趋于同扁的电磁转矩。类似于两个磁铁同极相斥、异极相吸的 现象。目前大部分电机都遵循这一原理，如般的直流电机和交流电机( 包括永磁 类电机) 。而在第二类电机中，运动是由定、转子闻气隙磁阻的变纯产生的。巍定 2 第一章绪论 子绕组通电时，产生一个单相磁场，其分布要遵循“磁阻最小原则”i s 】，即磁通总 是要沿着磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲焉产生切囱磁拉力。 开关磁阻电机正是属于第二类电机，因而其结构与传统的交直流电机有着很 大的差别，英定转予均壶普通硅钢片叠加丽成，转子既无绕组也无永磁体，定子 各极上绕有集中绕组，径向相对极绕组串联，构成一组。当转子轴线与定子磁极 的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转距使其趋向于磁阻最小的 位置，郎两轴线重合位置，类似于磁铁吸引铁质物体的现象。依次各组轮流通电， 使得转子转动起来哺】。 下面就以常用的四楣8 6 撅并关磁阻邀机力例进一步阐释箕运行视理。 u 图1 - 1 开关磁阻电机运行濠理 图1 。l 中仅画出a 相绕组及其供电电路，其余各相与此相相同。在图示位置， 当定子冬a 极受到励磁时，电机内建立以a a 为轴线的磁场，其磁通经过定子扼、 定子极、气隙、转子极、转子扼闭合。此时穿过气隙的磁力线是弯益的，磁阻大 予定、转予轴线重含时的磁阻，因此转子将受到弯曲磁力线切向分力所产生的转 矩的作用，而沿顺时针方向转动。当转子极轴线1 1 与定子极轴线a a 重合时，a 相励磁绕组的电感达到最大值，转子达到稳定平衡位置，切向磁力消失，如果转 子上无外部驱动转矩，则需要将d 相导通，以维持转距，如此逐相导通，电机将 连续转动作电动机运行。当开关s 1 、s 2 断开时，a a 相电流通过二极管d 1 、d 2 续流，绕维内的电流方向不改变，电源u 极性与原来相反，此时储存在磁场中的 磁能将释放出来，并转化成电能，回馈至电源。因此，连续不断地按照d a - b c 的顺序给各摺绕组通电，转子霹会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之， 若依次给a d c b 相通电，则电动机会沿着顺时针方向旋转【s 】。 依照这种原理，开关磁阻电机可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的 3 电子科技大学硕士学位论文 齿极数有多种不同的搭配。开关磁阻电动机的结构形式，常用鹃有6 4 、8 6 、1 2 8 、 1 2 1 0 等。由于三相以下的开关磁阻电动机无自起动能力，因此目前应用较多的是 四相8 6 结构及三相6 4 结构。相数多，则步距角小，有利于减小转矩脉动，但是 结构复杂，主开关器件多，成本高【9 】。 通常意义下，当q 相定子绕组轮流通电一次，转子转过个转子极距。设每 相绕组开关频率( 主开关管开关频率) 为磊，转子极数为擗，则开关磁阻电机的 同步转速( r m i n ) 可表示为【l o 】： 弹：6 0 f ，h f 1 1 _ 弹= l l l 磁路饱和菲线性是开关磁阻电机的一个重要特征， 储能或磁共能来计算，即【l o l ： 聊) = 掣卜一 式中：p 为转子位移角；矿为磁共能；i 为相绕缀电流。 因此电磁转矩必须根据磁 ( 1 2 ) 可觅磁共能形妒，i ) 的变化取决于转子位移角和绕组相电流的瞬时值。由于磁 路非线性的存在，式( 1 2 ) 的求解是比较复杂的，难以推导为解析形式。在对开 关磁阻毫机性能作定性分析时，若忽略磁路的j 线性，则公式( 1 2 ) n - - t 篱化失【1 0 l ： t ( o 力= 圭f 2 历d l ( 1 - 3 ) 式中；l 为任意转予位移角下的相电感。 11 2 2 开关磁阻电机的特点 开关磁阻电机具有许多明显的特点拉1 【1 0 】： 在结构和制造方面，开关磁阻电机结构简单，坚固，制造工艺简单，成本低， 转子仅由硅钢片叠加面成，可用作极高转速( 转子上无绕组) ；定子线圈为集中绕组， 嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，适用于各种恶劣，高温甚至强振动的环境。 其能量损耗主要产生在定子，电机易于冷却，有很好的散热特性，因而开关磁阻 电视能以小的体积取得较大酌输潞功率，从而减小电机的体积和重量；转子无永 磁体，可允许有较高的温升。 在功率驱动控制方露，开关磁阻电机的转矩方嬲与电流方自无关，铁面减少 4 第一章绪论 了功率变换器的开关器件数，降低系统成本。功率变换器电路与电机的励磁绕组 直接串联，不会出现直通故障，可靠性高。无需或者很少需要维护，适用于各种 恶劣，高温的环境，有良好的适应性。由于其各相独立工作，甚至在相出现故 障时仍可正常工作( 转矩减小) ，因而其可靠性很高。 在电机的动态性能方面，开关磁阻电机的启动转矩大，启动电流低，低速性 能好，无异步电机启动时所出现的冲击电流的现象，并且调速范围宽，控制灵活， 易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性。在宽广的转速和功率范围内都具有高 效率，适合于各种要求下长期运行，同时满足了节能的需求。开关磁阻电机能四 象限运行，具有较强的再生制动能力，适用于频繁启停正反转的情况，并且在高 速运行的情况下保持强有力的制动能力。 在可控性方面，开关磁阻电机可控参数多，调速性能好。通过调整关断角和 开通角，开关磁阻电机完全可以达到直流电机驱动系统良好的控制特性，而且这 是一种完全纯逻辑的控制方式，很容易智能化，从而能通过重新编程或者替换电 路元件，方便的满足不同运行特性要求。 除此之外，通过横向比较常见的几种变速传动系统的经济指标可以进一步看 出开关磁阻电机调速系统的优点。如表1 1 所示【l l 】。 表1 1 常见变速传动系统经济指标比较表 汰 开关磁阻p w m 变频直流 对比项目调速系统调速系统调速系统 成本 1 0 1 51 o 额定转速时效率 8 37 77 6 1 2 额定转速时效率8 06 56 5 电机容量体积 1 00 9 1 0 控制能力o 9o 51 o 控制电路复杂性 1 2 1 81 0 可靠性1 10 91 0 1 3开关磁阻电机控制器的基本构成 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 em o t o rd r i v e r ，简称s r d ) ，主要 由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器四部分构成，如图1 2 所示【1 2 】【1 3 】。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 开关磁阻电机是开关磁阻电机调速系统中实现机电能量转换的部件。 2 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歼关磁阻电 机。 3 控制器是系统的中枢。它综合处理电流传感器、位置传感器的反馈信息， 控制功率变换器巾主开关器件的工作状态，实现对开关磁阻电机运行状态的控制。 通过控制器发出一系列控制信号，使电动机各相主开关器件按一定的规律导通。 4 电流检测：可以检测到通过电机相绕组的电流大小，实现系统电流反馈。 5 。位置检测：确定定子、转子的相对使置，即用绝对位置传感器检测定转子 相对位置，以供确定对应相绕组的换相操作和转速计算之用。 图l - 2 开关磁阻电恚氇驱动系统结构 1 4国内外研究热点 针对开关磁阻电机调速系统的特点，囡内外学者正在进行以下几个方面的深 入研究【1 镁按。 1 功率变换器拓扑结构设计 由于开关磁阻电规调速系统的性能和成本在很大程度上取决于功率变换器的 性能和成本，因此功率变换器的研究意义重大，目前的研究主要集中在功率变换 器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用等方面1 1 6 】。 开关磁阻电机调速系统功率变换器是e l l 一定数量的电力电子器件按照一定的 拓扑结构组合而成的。开关磁阻电机调速系统功率变换器研究初期，最少量主开 关器件的拓羚结构曾是研究的一个热点，这是因为主开关器彳牟的减少，意味者相 6 第一章绪论 应的驱动电路、缓冲电路以及功率损耗等相应减少，因此系统的体积以及成本会 全面降低。随着研究深入，这种观点不再特别突出，主要原因是各种以减少主开 关器件数目的拓扑结构在减少主开关器件数目的同时，又引进了其他诸如电容、 电感等无源储能元件以及辅助开关器件，系统的体积与成本并未显著降低，其实 质只是通过增加单个主开关器件的容量来减少主开关器件的数目。因此更理想的 功率变换器拓扑结构应该是既能够独立、快速又精确地对开关磁阻电机各相相电 流进行控制，又能够让磁场储能尽可能地转换为机械能输出，在驱动同等功率等 级的开关磁阻电机时，具有最小的伏安容量，并且每相主开关器件数目最少旧。 2 多目标优化控制 在控制参数的优化方面，根据不同的系统要求，可选取不同的目标函数，如： 系统的效率最高、平均转矩最大、转矩脉动系数最小等。由于开关磁阻电机调速 系统控制参数多、开关磁阻电机模型的非线性，使得优化过程计算量大，而且得 到的只是针对单个系统的优化结果。与传统的电机调速系统相比，开关磁阻电机 调速系统实现优化控制的难度要高一些。但是随着各种控制理论在传统电机调速 系统中应用的研究日益深入，它们在开关磁阻电机调速系统中的应用也逐渐增多。 如采用传统的p i 调节器，以斩波电流限为控制变量，实现了开关磁阻电机的转速 和转矩控制。一些现代的控制理论和方法在开关磁阻电机的控制中也得到了应用， 如模糊控制【1 8 】、模糊控制与p i 控制结合在一起的混合式调节【1 9 1 、滑模控制【2 0 1 、自 适应控制、线性回馈控制以及人工神经网络控制【2 l 】等。这些现代控制技术的使用 部分解决了开关磁阻电机调速系统的非线性多变量强耦合问题f 2 2 1 ，但离实用技术 还有一定距离，主要表现在一些控制技术中为设计目的提出的模型太过复杂而难 以用于开关磁阻电机的实际控制，而有的为了控制目的提出的模型则过于简单而 影响了控制的实际效果，或者因控制参数难于确定而失去实用的价值。但随着微 电子技术和高级控制技术的发展，这些控制技术必将在开关磁阻电机调速系统中 得到切实应用。 3 消除转矩脉动控制 开关磁阻电机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因素的影响，如电机结 构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等【2 3 1 。由于开关磁阻电机的双凸极结 构，电磁特性以及开关的非线性影响，采用传统控制策略得到的合成转矩不是恒 定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动【2 4 1 。这点限制了开关磁阻电机调速系统在 很多直接驱动领域的应用。 7 电子科技大学硕士学位论文 4 。低噪声控制 针对开关磁阻电机本体，噪声是一个非常突出和有待解决的问题。早期的开 关磁阻电机由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪声， 以至于成为开关磁阻电机的一大特点而被入们接受。随着研究的深入和开关磁阻 电机应用的日益广泛，降低开关磁阻电机的噪声成了一个关键的研究课题【2 5 1 。 5 无转子缀置检测 位置检测是开关磁阻电机同步运行的基础，也是开关磁阻电机区别于步进电 枧的主要方面之一，开关磁阻电机的各种高级控制技术都是以高精度的位置检测 为首要条件。为了达到良好的性能，开关磁阻电机的控制器需要知道转子的位置 信息。暖前普遍采用外装光电式或磁敏式等轴位置检测器，这不仅增加了系统的 体积和成本，而且降低了系统的可靠性【翊。为了消除轴位置检测器这一不利因素， 无转子位置检测技术成为开关磁阻电机研究的一大热点。【2 7 】【2 8 】 1 5选题背景与主要研究内容 鉴于目前国内外对开关磁阻电机进行的广泛深入的研究，开关磁阻电机的转 矩脉动及其引起的噪音是开关磁阻电机驱动系统的个颇为突出的缺点，这在一 定程度上限制了开关磁阻电机在调速系统中的广泛应用。因此，研究抑制开关磁 阻电机的转矩脉动是改善开关磁阻电机调速系统性能的重要课题之一。开关磁阻 电机转矩脉动抑翻与消除的研究主要围绕誊开关磁阻电视的本体设计和控制策略 两个方面展开。开关磁阻电机本体设计方面的研究主要包括磁场结构设计、定予 磁扼强度和电机的刚度设计、气隙选择、极弧参数及励磁方式设计等等【2 5 】。控制 策略方面主要包括导通角关断角的选择，电流的优化等等，也就是前面提到的多 目标优化控制。目前，多县标优化控制的具体实现方法还进一步结合使用了模糊 控制、神经网络等先进的智能控制手段。 在应用这些先进的智能控制手段的同时，一方面，由于这些智能控制手段本 身程穿编码量大，调试过程相对复杂，有的还以大量的实验数据为基础【2 舆，从而 使得这些先进智能控制手段的应用、调试、分析相对困难，不能够方便地用于实 际的工程应用【蚓；另一方面，毒于开关磁阻电机的非线性特性网，虽然目前已有 很多方法对其进行建模仿真，但很难得到种通用的、简单的、准确的开关磁阻 电机模型，使德从纯数字仿真建模方向来验证和实现先进的智能控制手段有着很 8 第章绪论 大难度。 随着仿真技术的发展，半实物仿真技术逐渐成为一项实用的、藏熟的仿真手 段，也越来越多的被应用于各种控制仿真领域【3 2 】。同样这也为实现开关磁阻电机 的控制提供了一种更快捷、更方便、更准确的途径，使得先进的智能控制手段能 够直接地、快速地、有效地应用于开关磁阻电机控制。 针对上述情况，本文根据开关磁阻电机控制的特点，灵活地运用d s p a c e 半 实物仿真系统，开发了一套适用于5 0 w 3 k g 的四相开关磁阻电机控制系统。将 单神经元自适应p i d 算法应用于该系统，成功地实现了电机的实时控制，通过在 线调试与参数优化，达到了良好豹控制效采。在应用该控刳系统的同时，还进一 步归纳了一套开关磁阻电机控制器的快速开发方法，可以有效地缩短开发周期， 提高开发效率。文章最后锋对d s p a c e 使用过程中遇到的问题，对d s p a c e 平台 功能扩展技术进行了一些研究。本文主要工作如下： 第一章绪论主要介绍了开关磁阻电机的发展情况、工作原理与特点、国内 外研究热点、本文的研究背景和主要内容。 第二章d s p a c e 半实物仿真技术介绍主要介绍了d s p a c e 半实物仿真系统与 快速控制原型( k p ) 理论，为基于d s p a c e 的控制系统的开发设计提供了理论基磊童。 第三章基于d s p a c e 的控制系统硬件设计开发通过对开关磁阻电机的基本 控制方式与常见功率变换电路的介绍与对比，具体说明了功率变换电路部分的设 计与功率器件的选型。并针对控制器中所用到的开关电源，介绍了单片开关电源 的原理与设计过程。 第四章基于单神经元自适应p i d 算法的控制模型主要介绍了单神经元自适 应p i d 控制的原理以及其控制模型的设计实现。同时为了实现电机的实时控制， 还设计了位置信号处理、换相逻辑控制、速度计算等基础模块。在设计过程中， 详细说明了设计的依据与原理，部分模块还推导出了设计公式，以便应用在其它 相关的工作场合。 第五章测试结果分析与基于d s p a c e 的快速开发这一章主要将单神经元自 适应p i d 算法应用到一台1 1k w 的豳相8 6 极开关磁阻电机的控制过程中，成功 地实现了电机的实时控制，通过在线调试与参数优化，达到了良好的控制效果。 另外，在应用该控制系统的过程中，归纳出了一套开关磁阻电机控制器的快速开 发方法，明确缝提出了快速开发步骤与优点。 第六章基于f p g a 的d s p a c e 功能扩展技术研究主要运用总线控制理论的 9 电子科技大学硕士学位论文 基础上，提出了一种基于f p g a 的d s p a c e 平台功能扩展方法。在分析d s p a c e 平台使用过程中所遇到问题的基础上，有针对性的进行了功能扩展，文中分别对 i o 端口、p w m 波、a d 采样等功能分模块地实现了功能扩展，并详细说明了设 计与实现过程，对于其它应用场合有一定的指导意义。最后，对扩展前后的效果 进行了对比，进一步证实了功能扩展的良好效果，说明了扩展的可行性与实用性。 最后，对全文进行了总结。 1 0 第二章d s p a c e 半实物仿真技术介绍 第二章d s p a c e 半实物仿真技术介绍 2 1系统仿真技术简介 系统仿真技术是以相似原理、控制理论、计算技术、信息技术及其应用领域 的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际 的或设想的系统进行动态试验研究的- - f q 综合性技术。系统仿真包含三个基本的 活动，即建立系统模型、构造仿真模型和进行仿真试验。联系这三个活动的是系 统仿真的三个要素，即系统、模型( 或含系统中的某些实物) 、计算机( 或含某些 物理效应设备) 。它们的关系如图2 1 所示。在整个建模仿真过程中贯穿了对模型 及仿真结果的效核( v e r i f i c a t i o n ) 、验证( v a l i d a t i o n ) 与确认( a c c r e d i t a t i o n ) 3 3 】。 2 1 1 数学仿真 图2 1 系统仿真三要素及相互关系 数学仿真( m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n ) 无需昂贵的实物系统，也无需生成模拟客 观世界的各种物理效应设备，只需采用层次化、模块化的方法建立真实系统的全 部数学模型、选择合理的算法，按照软件工程规范建立仿真模型、编写源代码， 并在计算机上运行、试验【3 3 】。 但是由于数字仿真没有生成客观的物理效应设备，当客观物理设备是一个综 合性的复杂系统时，很难全面真实地反映系统的情况。同时，系统的客观运行环 境，如：温度、湿度、噪声等，也很难准确的用数学仿真实现。因此，当需要严 格考虑环境因素或者考察物理效应设备的真实情况时，往往采用硬件在回路仿真 11 电子科技大学硕士学位论文 来实现。 2 1 2 半实物仿真技术 硬件在回路仿真( h a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o n ，h i l s ) 又称半实物仿真，通常 是指在仿真系统中，将系统中的部分实物以及某些物理效应设备接入含有仿真模 型的仿真系统中。由于回路中接入实物，仿真系统必须按实际时间比例工作，即 必须实时运行，此外，在系统中还需要各种电信号和实际部传输入、输出量之闻 的转换设备阿】。 h i l s 作为替代真实环境或设备的一种典型方法，既提高了仿真的逼真性，又解 决了以前存在于系统中的许多复杂建模难题，因此半实物仿真成了当前仿真领域 的一个重要发展方向阱】。 另外，利用h i l s 还可以在开发的初期阶段，快速地建立控制对象原型及控制 器模型，并对整个控制系统进行多次离线的及在线的试验来验证控制系统软、硬 件方案的可行性。这个过程通常被称势快速控制原型( r c p ) 3 5 1 。 在当今社会，市场对产品的需求呈现多样性、快速性的趋势，控制器的开发， 面临着多样性需求和快速开发之间的矛盾；对控制系统鲁棒性和可靠性的要求也日 趋增加，因而并行工程，即设计、实现、测试和生产准备同时进行，被广泛应用 于各项目的开发中。半实物仿真技术也越来越多的被应用于各种控制仿真领域， 经常需要应用于以下几种情况：【弱l 1 系统中有些子系统的特性很难用数学语言描述或者表达式特别复杂。 2 。对分系统进行验收帮分系统模型效验。 3 产品试验前的综合仿真试验。 当蒋能够提供半实物仿真与r c p 功能的设备有几种，其中德国的 d s p a c e ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) 半实物仿真系统能够很 好地实现半实物仿真建模与r c p 的完美结合。 2 2d s p a c e 半实物仿真系统简介 d s p a c e 实时仿真控制系统是由德国d s p a c e 公司设计开发的一款基于 m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统开发以及性能测试的工作平台，实现了与 m a t l a b s i m u l i n k 的完全无缝连接。d s p a c e 实时控制系统由具有计算能力的硬 1 2 第二章d s p a c e 半实物仿真技术介绍 件系统，包括处理器、i o 接口，方便易用的实现代码生成，下载，实验，调试的 软件组成【3 6 】。 2 2 1d s p a c e 半实物仿真系统的特点 d s p a c e 具有很多其他仿真系统所不能比拟的优点：【3 6 】【3 7 】 1 组合性强：d s p a c e 设计了标准组件系统，可以选择多种处理器，最快的 处理器浮点运算速度可达到1 0 0 0m f l o p s ，i o 具有广泛的可选性，通过不同的i o 配置，可组成不同的应用系统。 2 过渡性好：由于d s p a c e 与m a t l a b 之间的无缝连接，m a t l a b 用户 可以轻松地掌握d s p a c e 的使用，从而方便地从非实时分析、设计过渡到实时分 析、设计。 3 对产品型实时控制器的支持性强：d s p a c e 提供了从仿真代码到产品型控 制器代码的生成工具和与d s p a c e 实时系统的硬件接口，可以进行闭环系统测试， 顺利完成原型设计到产品的转换。 4 快速性好：由于d s p a c e 与m a t l a b 之间的无缝连接，可以在几分钟内 完成模型参数的修改、代码的生成及下载等工作，从而可以在短期内完成对原型 的反复修改和试验，尽快推出产品，完全避免了过去那种因局部改动就要多花费 几周甚至更长时间进行代码的修改和重新测试，大大缩短了研发周期和费用。 5 性价比高：在d s p a c e 平台上，可以在完成一种产品的设计和测试后，继 续进行其它产品的开发和实时仿真测试。 6 基于p c 机，w i n d o w s 操作系统：d s p a c e 代码生成及下载软件、测试工 具软件基于w i n d o w s 操作系统，另外d s p a c e 实时系统与主机采用的是标准 i s a p i c 总线硬件接口，省去了附加设备。 7 实时性好：一旦代码下载到实时系统中，代码本身具有独立性，试验工具 软件只通过内存映射访问试验过程中的各种参数及结果变量，不会产生对试验过 程的中断。 8 可靠性高：d s p a c e 实时硬件、代码生成及下载软件兼容性好，可靠性高。 9 灵活性强：d s p a c e 实时仿真系统可以在单板系统和多板系统、单处理器 系统和多处理器系统、自动代码生成和