（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的开关磁阻电机检测建模与控制.pdf

摘要 开关磁阻电机驱动系统( s r d ) 是一种新型的交流驱动系统，以结构简单，坚 固耐用，转子惯量低，成本低廉，控制方法灵活，可获得各种所需的机械特性， 在宽广的调速范围内均具有较高的效率而备受瞩目，在电力传动领域有广阔的发 展前景。但开关磁阻电机( s r m ) 的双凸极结构和磁路的高度饱和使得磁链是转子 位置和电流的非线性函数，建立精确的磁链模型较为困难，因此，磁链特性的检 测和开关磁阻电机的精确建模得到了广泛的研究。 随着s r d 系统的开发深入，基于单片机的s r d 系统日益显现其局限性，基 于数字信号处理器( d s p ) 的s r d 系统解决了这一难题。本文基于d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 建立了s r m 磁链检测系统，利用a d c 模块实时采集不同转子位 置的电压、电流信号，将数据传送到上位机，根据间接磁链测量原理，由数字离 散方法计算磁链值，得到s r m 磁链特性曲线，建立了s r m 的磁链一转子位置 一电流模型。实验结果表明，该磁链检测系统能够准确检测磁链电流特性，并为 神经模糊网络映射转子位置和磁链、电流的非线性关系提供精确的训练样本。 研究自适应神经模糊推理系统( a n f i s ) ，通过a n f i s 映射转子位置和绕组磁 链、电流的非线性关系，磁链和电流为输入，转子位置为输出，为无位置传感器 控制的研究奠定基础。 本文以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主控制器建立了s r m 有位置传感器驱动 系统，s r m 采用两相起动方式，电压p w m 控制方式和转速闭环p i 调节。本文 运用c 语言模块化编程，给出了控制系统详细的硬件设计和软件程序流程图， 对控制器进行软硬件联合调试后给出了实验波形，验证了控制系统设计的正确 性，为无位置传感器控制的研究提供了硬件基础。 关键词：开关磁阻电机磁链特性检测自适应神经模糊推理系统数字信号 处理器开关磁阻电机驱动系统 a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v i n g ( s r d ) s y s t e mi san e w t y p eo fa cd r i v i n gs y s t e m w h i c hh a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa ss i m p l ea n dr o b u s t s t r u c t u r e ，r e l i a b i l i t y , l o wr o t o r i n e r t i a ，l o wc o s ta n dc o n t r o lf l e x i b i l i t y a l s o ，i tc a ng e tv a r i o u sm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dh a sah i g he f f i c i e n c yi naw i d es p e e dr a n g e t h e r e f o r e ，s r dh a s b o a r dp r o s p e c t si nt h ef i e l do fp o w e rt r a n s m i s s i o n b e c a u s eo ft h ed o u b l es a l i e n t s t r u c t u r eo ft h em a c h i n ea n d h i g hs a t u r a t i o no fm a g n e t i cc i r c u i t ，t h ef l u xl i n k a g ei sa n o n l i n e a rf u n c t i o no fb o t hr o t o rp o s i t i o na n g l ea n d p h a s ec u r r e n t ，w h i c hb r i n g s d i f f i c u l t i e si na c c u r a t e m o d e l i n g o ft h em a c h i n e t h e r e f o r e ，t h ef l u x l i n k a g e c h a r a c t e r i s t i cm e a s u r e m e n ta n da c c u r a t em o d e l i n go ft h em a c h i n ea r eb e i n gw i d e l y s t u d i e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es r d s y s t e m ，c o m p u t e r sa n dm i c r o p r o c e s s o r sw h i c h w e r eu s e df o rt h ec o n t r o l s y s t e m c a n t p r o v i d eah i g hf r e q u e n c yo p e r a t i o n e n v i r o n m e n tf o rt h em a c h i n e p e r f o r m a n c e so f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ( d s p s ) m a k e i to p e r a t ei nh i g hf r e q u e n c y t h ep a p e rp r e s e n t sam a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i cd e t e c t i o n s y s t e mw i t hd s pt m s 3 2 0 f 2 812 r e a l - t i m ep h a s ev o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a l sa r e a c q u i r e du s i n ga d cm o d u l e a c c o r d i n gt of l u xl i n k a g ei n d i r e c tm e a s u r e m e n t p r i n c i p l e ，t h ed a t ai ss e n tt op ca n dt h ef l u xl i n k a g ei sc a l c u l a t e db yd i s c r e t em e t h o d t h e n ，t h ec h iv e so ff l u x c u r r e n ta r ep r o t r a c t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i cd e t e c t i o n s y s t e m w i t hd s pc a nd r a wf l u x c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa c c u r a t e l y i ts u p p l i e st r a i n i n gd a t af o rr o t o r p o s i t i o ne s t i m a t i o n f r o mf l u xl i n k a g ea n dc u r r e n t t h er o t o rp o s i t i o nc a nb ee s t i m a t e db yu s i n gt h eu n i q u er e l a t i o n s h i pb e t w e e n r o t o rp o s i t i o n ，f l u xl i n k a g ea n dp h a s ec u r r e n t a d a p t i v en e t w o r kf u z z yi n f e r e n c e s y s t e m ( a n f l s ) w h i c hi su s e dt om a pt h i sr e l a t i o n s h i p i sd e v e l o p e di nt h ep a p e r f l u x l i n k a g ea n dc u r r e n ta si n p u t s ，t h er o t o rp o s i t i o na so u t p u t s it h e r e f o r et h em o t o r m o d e l i se s t a b l i s h e da c c u r a t e l yb ya n f i s t h i sm a k e sf o u n d a t i o nf o re l i m i n a t i o no f p o s i t i o n s e a s o r t h ep a p e rg i v e ss w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v es y s t e mb a s e do nd s pt m s 3 2 0 f 2 8 12 s r mo p e r a t e su s i n gt w o p h a s es t a r ta n dv o l t a g ep w mc o n t r o la n dp i s p e e d 1 0 0 p a d j u s t i n g i tw a sg i v e nd e t a i l e dh a r d w a r ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e ma n ds o f t w a r ef l o w c h a r tw i t hcl a n g u a g em o d u l a rp r o g r a m m i n g i no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e c o n t r o ls y s t e md e s i g n ，i tg i v e se x p e r i m e n t a lw a v e so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e b u g g i n g a l s o ，i tm a k e s h a r d w a r ef o u n d a t i o nf o re l i m i n a t i o no f p o s i t i o ns e n s o r k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ( s r m ) ，f l u xl i n k a g ec h a r a c t e r i s t i c m e a s u r e m e n t ，a n f is ，d s p , s r m 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：交p 篆 签字日期： 加。护年月才日 j v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲刘邵篆 签字同期：2 g 年会为可日 导师签名： 本占磅、 签字日期：研年g 月2 r 同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 开关磁阻电机的特点、结构和原理 开关磁阻电动机为双凸极可变磁阻电动机，其定、转子的凸极均由普通硅钢 片叠压而成，转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两 个绕组串联构成一个两极磁极，称为一相。开关磁阻电动机定、转子极数不同， 有多种搭配，目前应用较多的是四相( 8 6 ) 结构。开关磁阻电动机相数多，步距角 小，利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。图1 1 为四相 ( 8 6 ) s r 电动机结构原理图。 u 5 图卜1 四相( 8 6 ) 电动机 s r 电动机遵循“磁阻最小原理”，磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具 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。图1 1 中，当定子d d 极励磁时，所产生的磁力使转子旋转到转子极轴线 1 1 ，与定子极轴线d d 重合的位置，并使d 相励磁绕组的电感最大。若以图中定、 转子所处的相对位置作为起始位置，依次给d c b a d 相绕组通电，转子逆着励 磁顺序顺时针旋转，反之，给d a b c 。d 相绕组通电，转子逆时针转动。s r 电动 机的转向与相绕组的电流方向无关，而取决于相绕组通电的顺序。 主开关器件s l 、s 2 导通时，a 相绕组从直流电源v 吸收电能，而当s l 、s 2 关 第一章绪论 断时，绕组电流经续流二极管v d i 、v d 2 ，回馈给电源u s ，s r 电动机传动具有 再生作用，系统效率高。 由以上分析可知，s r 电动机的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势而产 生。适当的饱和有利于提高s r d 的总体性能，因此，电动机磁路的饱和是又一 个重要特性。由于电动机磁路的非线性，通常s r 电动机的转矩应根据磁共能来 计算。 扣百o r v ( o , o 式中8 为转子位置角；i 为绕组电流。 磁共能w ( 只d 的改变既取决于转子位置，也取决于绕组电流的瞬时值，忽略 磁路饱和及边缘效应，假设电感同电流无关。一对定子极下电感随转子位置角的 变化曲线如图1 2 a 所示，电动机每转一圈，电感变化的周期数正比于转子的极 对数，该周期的长度为转子极距。 基于图1 2 a 的简化线性模型，式( 1 1 ) 可化简为式( 1 2 ) 。 删，= j 1 ，2 等= 圭，2 舅 ( 1 - 2 ) 由式( 1 2 ) ，相绕组在恒定电流i 作用下，产生的对应转矩如图1 2 b 所示，由 此可见，s r 电动机的转矩方向不受电流方向的影响，仅取决于电感随转角的变 化；若d l d o 0 ，相绕组有电流流过，产生电动转矩；若d l d g 0 ，流过电流， 则产生制动力矩，因此，通过控制加到s r 电动机绕组中电流脉冲的幅值，宽度 及其与转子的相对位置，即可控制s r 电动机转矩的大小与方向，这是s r 电动 机调速控制的基本原理。即使相绕组中通以理想的平项电流，电动机各相绕组的 合成转矩，即电动机的输出转矩也是脉动的，增加电动机的相数可以减小转矩脉 动，但导致控制复杂和功率变换器成本提高。 综上所述，s r 电动机具有如下优点【2 1 ( 1 ) 电动机转子无绕组，成本低，可高速旋转而不变形，转子转动惯量小，易于 加减速； ( 2 ) 具有再生作用； ( 3 ) 转矩方向与相电流方向无关。只要控制主开关器件的导通关断角度，即可改 变电动机的工作状态，即只要控制各相在不同电感区域内的瞬时电流，即能 四象限运行，无须辅助电力电子开关器件； 第一章绪论 ( 4 ) 在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率； ( 5 ) 起动转矩大，起动电流小，控制灵活。 s r 电动机存在的主要缺点为 ( 1 ) 磁阻式电动机能量转换密度小于电磁式电动机； ( 2 ) 转矩脉动较大，通常s r 电动机的转矩脉动的典型值为1 5 ，由转矩脉动 所导致的噪声和特定频率下的谐振问题也较为突出； ( 3 ) 需要根据定转子位置投励； ( 4 ) 不能像笼型异步电动机那样直接接入电网稳速运行，必须与控制器一起使用。 上 厶。 工m 如 图1 - 2 相电感、转矩随转子位置的变化 a ) 相电感随转子位置的变化b ) 一定电流下转矩随转子位置的变化 1 1 2 开关磁阻电机调速系统的组成 s r d 系统主要由四部分组成：s r 电机本体、功率变换器、控制器、位置检 测器和电流检测器。 图1 - 3 开关磁阻电机调速系统 s r 电机本体是s l i d 中实现机电能量转换的部件，工作原理和特点己在1 1 1 第一章绪论 中介绍。 1 1 2 1 功率变换器 功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动 机绕组的功率开关部件。近年来，考虑到g t o 在关断时要求相当大的反向控制 电流，关断控制实现有难度，国外小功率s r d 中常用m o s f e t ，较大功率则 采用i g b t 。功率变换器的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式， 并且与开关磁阻电动机的相数、绕组连接形式有密切的关系。其中，最常见的拓 扑结构有：不对称半桥型、电容分压型、h 桥型、双绕组型等。 理想的s r 电动机系统功率变换器应满足如下要求： ( 1 ) 最少数量的开关器件； ( 2 ) 既适用于偶数相的s r 电机，亦适用于奇数相的s r 电机； ( 3 ) 主开关器件的电压额定值与电机接近； ( 5 ) 可将全部电源电压加给电机的绕组； ( 4 ) 具备迅速增加相绕组电流的能力； ( 6 ) 可通过主开关器件调制，有效地控制相电流； ( 7 ) 在绕组磁链减少的同时，将能量回馈给电源。 下面简要介绍s r d 系统常用的几种功率变换器主电路 1 不对称半桥型主电路 如图1 4 所示，不对称半桥型主电路每相有两只主开关和两只续流二极管。 当两个主开关v t i 和v t 2 同时导通时，电源u s 向电机相绕组供电；当v t l 和 v t 2 同时关断时，相电流沿图中箭头方向经续流二极管v d i 和v d 2 续流，将电 机的磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相。 此结构的优点为开关器件电压容量要求比较低，特别适合于高压和大容量场 合；其次，各相绕组电流可以独立控制，且控制简单。缺点是开关器件数量较多。 图1 - 4 三相不对称半桥型主电路 第一章绪论 2 电容分压型主电路 电容分压型主电路也叫电容裂相型主电路或双电源型主电路，是四相s r 电 动机广泛采用的一种功率变换器电路，如图1 5 所示。这种结构的功率变换器每 一相只需要一个功率变换开关和一个续流二极管，各相的主开关器件和续流二极 管依次上下交替排布；电源u s 被两个大电容c l 和c 2 分压，得到中点电位 u o = u s 2 ( 通常c l = c 2 ) i 四相绕组的一端共同接至电源的中点。 在这种电路中，s r 电动机采用单相通电方式，当上桥臂的开关管v t l 导通 时，a 相绕组从电容c l 吸收电能；当v t i 断开时，则v d l 导通，a 相绕组的 剩余能量回馈给电容c 2 。而当下桥臂v t 2 导通时，绕组b 从c 2 吸收电能；当 v t 2 断开时，b 相绕组的剩余能量经v d 2 回馈给c 1 。因此，为保证上下两个电 容的工作电压对称，该电路仅适用于偶数相s r 电动机。由于采用电容分压，加 到电机绕组两端的电源电压仅为u s 2 ，电源电压的利用率降低。在同等功率情 况下，主开关器件的工作电流为双开关型电路中功率器件的两倍。而每个主开关 器件和续流二极管的额定工作电压为u s + a u ( a u 是换相引起的瞬时电压) 。 电容分压型功率变换器电路有以下特点： ( 1 ) 每一相只用一个主开关，功率器件少，结构最简单。 ( 2 ) 在实际工作时，由于分压电容不可能很大，中点电位是波动的。在低速 时波动尤为明显，甚至可能导致电机不能正常工作。 ( 3 ) 需要体积大、成本高的高压大电容。 ( 4 ) 电源电压利用率低，适用于电源电压较高的场合。 图1 5 电容分压型主电路 3 h 桥型主电路 如图1 6 所示，h 桥型主电路比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个 串联的分压电容，换相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相 绕组，引起中点电位的较大浮动。它要求每一瞬间上、下桥臂必须各有一相导通。 本电路特有的优点是可以实现零电压续流，提高系统的控制性能。 第章绪论 h 桥型主电路只适用于四相或四的倍数相s r 电动机，它也是四相s r 电动 机广泛采用的一种功率变换器的主电路形式。实际上，四相电容分压型主电路采 用两相导通方式时，其工作情况和h 桥型主电路是相同的。 图卜6 h 桥型主电路 在这种电路中，s r 电动机采用两相通电的工作方式，通过斩波控制进行调 速。其斩波模式有两种：四相斩波模式和两相斩波模式。 ( 1 ) 四相斩波模式 在一个导通区间内，对上、下桥臂的功率开关同时进行斩波操作，这时，上 桥臂开关和下桥臂开关同时导通或关断。以a 、b 两相为例，当v t l 和v t 2 导 通时，电源对a 、b 两相绕组供电；当v t l 和v t 2 关断时，续流电流经v d l 、 v d 2 回馈电源。如图1 7 所示。 采用四相斩波控制时，关断相储存的电能回馈给电源，续流电流下降较快， 这给换相带来好处，但绕组中的电流不够平滑，会使噪声增大。此外，由于每只 主开关器件在其导通区间始终处于高频开关状态，开关损耗比较大。 ( 2 ) 两相斩波模式 在一个导通区间内，仅对上桥臂功率开关v t l 和v t 3 ( 或下桥臂功率开关 v t 2 和v t 4 ) 进行斩波操作，而使另一桥臂的功率开关始终处于开通状态。仍以 a 、b 两相为例，当v t l 和v t 2 导通，电源对a 、b 两相绕组供电；当v t l 关 断、v t 2 导通时，a 相电流注入导通相，经v d l 续流。如图1 8 所示。 这种斩波方式的特点是续流期间绕组两端电压近似为0 ，所以电流下降缓慢， 续流期间没有能量回馈电源。为使各相电流更加一致和使各相功率开关负荷相 同，可使上桥臂开关和下桥臂开关轮流斩波。 第一章绪论 图1 7 四相斩波时的续流回路 图1 8 两相斩波时的续流回路 4 双绕组型主电路 图1 9 为双绕组型主电路，每一相均有主、副两个绕组。主开关v t l 导通 时，电源对主绕组供电，当v t i 关断时，靠磁耦合将主绕组的电流转移到副绕 组，通过二极管v d l 续流，向电源回馈的电能，实现强迫换相。为了保证主、 副绕组之间紧密耦合，通常主、副绕组是双线并绕而成，同名端反接，其匝数比 为1 ：l 。 双绕组型功率变换器电路简单，每一相只有一个开关管，开关元件少，这是 它的最大优点。但是主开关除了要承受电源电压外，还要承受副绕组( 续流时) 的 互感电动势。如设主、副绕组的匝数比为l ：l 并认为它们完全耦合，则主开关的 额定工作电压应为2 u s 。实际上，主副绕组之间不可能完全耦合，致使在v t l 关断瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故v t l 需要有良 好的吸收回路，才能安全工作。另外，由于采用主副两个绕组，电机槽和铜线利 用率低，铜耗增加，体积增大。 这种主电路可适用于任意相数的开关磁阻电机，尤其适于低压直流电源供电 的场合。 第一章绪论 图1 9 双绕组型主电路 1 1 2 2 控制器 控制电路是根据输入量( 速度给定) 的要求，按照人们预定的逻辑意图向驱动 电路发出控制信号。对s r 电动机相绕组的电压电流进行合理调节，使s r 电动 机的转速与给定值趋于一致，以达到调节s r 电动机转速的目的，控制电路是s r d 的中枢。 控制器由具有较强的信息处理功能的微机或数字逻辑电路及接口电路等部 分构成。随着电子技术的发展，控制器在结构、性能、可靠性、灵活性等方面得 到了极大的提高。本设计采用数字处理器d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控制器 来进行控制，它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的 反馈信号，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对s r 电动机运行状 态的灵活控制。 1 1 2 3 检测器 ( 1 ) 位置检测器 开关磁阻电机驱动系统( s r d ) 是较为复杂的机电一体化装置，s r d 的运行需 要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综 合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子位置检测环节是 s r d 的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑 切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。 s r d 系统的工作必须得到一个定转子相对位置的信息，即转子当时所处的位 置以确定相应相绕组的通断，这个任务将由位置检测器来完成。s r d 对位置检 测器的一般要求是应具有精度高、电路简单、工作可靠、抗干扰能力强等特点。 实现位置检测的方法有很多种，本次设计采用光敏式位置传感器。 ( 2 ) 电流检测器 s r d 系统要实现低速电流控制、主开关过流保护及电机热保护，就必须对主 电路的电流进行实时检测。有些系统还采用电流波形直接控制，这更需要检测和 第一章绪论 提供电流信息。一般是检测绕组相电流和主开关通过的电流。这些电流瞬时变化 大、峰值高、波形不规则，因此要求电流传感器快速性好、灵敏度高、检测频带 范围宽，以实现实时控制的目的。同时，被检测的主电路和控制电路之间应有良 好的电气隔离，检测电路应有一定的抗干扰能力。本次设计采用霍尔电流传感器 检测。 磁场平衡式霍尔电流传感器( 简称l e m 模块) 将互感器、磁放大器、霍尔元件 和电子线路集成在一起，集测量、保护、反馈于一身。l e m 模块的最大优点是借 助“磁场补偿 的思想，保持铁心磁通为零【3 】。l e m 模块尺寸重量较小，使用方 便，电流过载能力强，整个传感器模块化，套在母线上即可使用。 1 2 选题背景与意义 开关磁阻电动机驱动系统( s r d ) 是一种新型的交流驱动系统，以结构简单， 坚固耐用，成本低廉，控制参数多，控制方法灵活，可获得各种所需的机械特性， 在宽广的调速范围内均具有较高的效率而备受瞩目，在电力传动领域有广阔的发 展前景。但开关磁阻电机( s r m ) 的双凸极结构和磁路的高度饱和使得磁链是转子 位置和电流的非线性函数，建立精确的磁链模型较为困难，因此，磁链特性的检 测和开关磁阻电机的精确建模得到了广泛的研究。 早期的s r d 系统由模拟电路和数字电路共同完成，其缺点为使用的元器件 数量大，结构复杂，可靠性差，控制不灵活。当前的产品主要由微控制器和控制 数字逻辑电路完成，随着s r d 系统的开发深入，基于单片机的s r d 系统日益显 现其局限性，主要表现在p i 参数不能灵活的通过软件调节来改变，需要加入硬 件调整，且单片机s r d 系统很难实现复杂的控制策略。基于数字信号处理器( d s p ) 的s r d 系统解决了这一难题，能够实现无位置传感器复杂控制方法的研究。 磁链特性是开关磁阻电机的基本特性，磁链特性的测量在s r m 电动机特性 的精确预测中十分重要。建立开关磁阻电机磁链特性模型是优化电机设计、提高 电机性能及进行无位置传感器控制的必要步骤，因此，许多学者在此方面做了大 量研究，在实验研究和数值计算上都取得了大量成果。开关磁阻电机为双凸极结 构，磁链是转子位置角和绕组电流的非线性函数，因此要建立精确实用的磁链模 型，随着现代控制理论和智能控制理论在s r m 控制中的应用，建立精确的电机 模型显得尤为重要。本文将在研究开关磁阻电机磁链特性检测方法的基础上，建 立了基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f2 8 1 2 的s r m 磁链检测系统。 利用状态观测器理论和s r m 磁链特性可以取代位置传感器，基于状态观测 器的转子位置估计方法能达到很高的精度，但要求精确的电机数学模型和强大的 第一章绪论 实时计算能力。模糊逻辑算法不易受反馈信号中的噪音和误差的影响，具有较高 的可靠性和鲁棒性，但它的鲁棒性是以牺牲模糊模型的精度为代价获得的，并且 模糊模型不能优化，大量的模糊规则难以保证估计精度。人工神经网络具有任意 非线性函数映射能力且具有较强的自学习和自适应能力，但训练时间长，存在陷 入局部极值的可能性等问题。 自适应神经模糊推理系统( a n f i s ) 将模糊推理与神经网络有机结合起来，通 过自学习功能计算出模糊系统的隶属度函数以及相应的模糊规则，是对模糊系统 的优化，能建立精确的电机模型，为有效估计转子位置，进行无位置传感器控制 打下基础。 1 3 论文的研究内容和主要工作 本文基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 812 建立开关磁阻电机磁链特性检测系统，利 用自适应神经模糊推理系统( a n f i s ) 建立开关磁阻电机模型，为提高开关磁阻电 机的运行特性和控制效果做出有益的尝试，为实现开关磁阻电机无位置传感器控 制奠定了基础。本文的主要工作为： a ) 在研究开关磁阻电机磁链特性检测方法的基础上，建立基于d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的磁链特性检测系统，获得开关磁阻电机磁链特性曲线， 与理论分析比较，验证方法的正确性和可行性。 b ) 研究白适应神经模糊推理系统( a n f i s ) ，建立开关磁阻电机磁链、电流 和转子位置模型，为实现转子位置估计和开关磁阻电机无位置传感器控 制奠定基础。 c )以四相8 6 极，1 5 k w 开关磁阻电机为被控对象，完成以d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心的开关磁阻电机有位置传感器系统软件设计 和硬件电路搭建，实现闭环调速控制，为验证无位置传感器控制方法的 研究提供硬件基础。 d ) 对实验结果进行分析，为s r m 无位置传感器控制实验提供参考。 第二章开关磁阻电机的数学模型 第二章开关磁阻电机的数学模型 与传统的交流电机不同，开关磁阻电机采用双凸极铁心结构，并且只在定子 上安装各相励磁绕组。绕组电流的非正弦与铁心磁通密度的高饱和是s r 电动机 运行的两个特点。另外，s r 电动机控制参数多，控制方案灵活，相电流波形随 工作状态的不同而变化，无法得到简单、统一的数学模型及解析式。本章主要讨 论s r 电动机的数学模型，给出电机的线性模型和非线性模型，在此基础上分析 电机各种状态的特性和转速控制的基本方法。 2 1 开关磁阻电机的基本方程式 为简化分析，假设开关磁阻电机满足以下理想模型的条件，即 ( 1 ) 主电路直流电源的电压( 士u s ) 稳定不变。 ( 2 ) 功率器件为理想开关器件，即开通和关断是瞬时完成的。 ( 3 ) 忽略铁心的磁滞损耗和涡流损耗，即忽略铁耗。 ( 4 ) 电机各相参数对称，各相绕组线圈正向串联，忽略相间互感。 ( 5 ) 在一个电流脉动周期内，认为转速恒定不变。 开关磁阻电机基本方程式主要由电动势平衡方程和转矩平衡方程组成。 ( 一) 电动势平衡方程 一台口相开关磁阻电机，假设各相结构和电磁参数对称，根据电路定律，可 以写出开关磁阻电机第七相的电动势平衡方程式。 玑= 酝+ 百d c k ( 2 一1 ) 式中以为第瑚的端电压；如为第肼目的电流；凡为第肼目的电阻；为第啪 的磁链，可用电感和电流的乘积来表示，即 式中护为转子位置角；l k ( s k , 哟为在位置0 时电机相绕组电感。 式( 2 2 ) 代入式( 2 - 1 ) 得 ( 2 - 2 ) 第二章开关磁阻电机的数学模型 以= r + 百0 儿百d i k + 百3 沙ki d o = 配+ i “o 阮l k d 功i k - + 等警( 2 - 3 ) 式( 2 - 3 ) 表明，电路中电源电压由三部分电压降组成。其中，等式右边第一项 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磁链变化而感应的电 动势，称为旋转电动势，它在电感随转子位置变化时存在，其方向与电感随转子 位置角0 的变化率有关，当电感随0 角的增大而增大时旋转电动势为正，电感随 0 角的增大而减小时为负。旋转电动势直接和机电能量转换相联系，旋转电动势 为正表示吸收电功率，产生驱动转矩，电机处于电动机模式；旋转电动势为负表 示发出电功率，产生制动转矩，电机处于发电机模式。 ( 二) 转矩平衡方程 当电磁转矩与负载转矩不相等时，转速发生变化，产生角加速度d o i ) c l t 。根 据力学原理，转矩平衡方程式为 。以( 2 - 6 ) 根据叠加原理，渐相开关磁阻电机合成电磁转矩为 t ( f ，秒) = z r ( i 。，0 ) 七= l 1 2 ( 2 7 ) 第二章开关磁阻电机的数学模型 由式中可以看出，电磁转矩既取决于转子位置，亦取决于绕组电流的瞬时值。 2 2 开关磁阻电机的非线性模型 2 2 1 开关磁阻电机的非线性电感模型 建立绕组电感模型是建立开关磁阻电机仿真模型的重要步骤。由于开关磁阻 电机定、转子为双凸极结构，其磁场存在着显著的边缘效应，所以电感是转子位 置的非线性函数；另外，为获得较大的出力，开关磁阻电机常运行在深度磁饱和 区，所以电感又是电流的非线性函数。同时，开关磁阻电机的电磁转矩又与电感 直接相关。因此，为了对电机的动态特性进行仿真，必须准确描述开关磁阻电机 相电感与相电流和转子位置的关系。 定子相绕组电感与转子位置角0 的关系可以利用傅立叶级数近似逼近，其 公式如下。 三( 秒) = 。+ 厶c o s ( ，8 + 万) + 。c o s ( n n ，o + m r ) ( 2 - 8 ) n = 2 ，3 式中三矿屯小所，三尸( 懈- 卅f 。) 2 ，一为开关磁阻电机定、转子凸极中心对齐时 的相绕组电感，上m 抽为定子凸极中心和转子凹槽中心对齐位置的相电感，计及较 高的谐波次数将给分析带来困难，这里取至三次谐波，电感公式如下。 p ) = l o + g l + 三3x l c o s n ，秒) + 三2 ( c o s 2 n ，0 一1 ) + 三3 ( c o s 3 n ，秽一1 ) ( 2 9 ) 式中三2 、幻分别反映定、转子的绝对极宽和相对极宽。 开关磁阻电机相电感与相绕组电流的关系由下式表示。 o ，口) = p ) 羔 ( 2 - 1 0 ) 为简化钎算j 采用拟和公式a ( 口+ o 来表示电感与相电流的关系。这样，得到 实际的电感解析表达式 三( f ，秒) = 三p ) 口+ z = 厶+ 她，+ 工。弛一c o s ( ，0 一f o 。) 】+ 工：c o s 2 ( n ，0 一) 一1 】+ 。c o s 3 ( u ，0 一) 一1 b 口十f 第二章开关磁阻电机的数学模型 式中鼽为电感曲线的初始相位角 2 2 2 开关磁阻电机的非线性数学模型 根据前两节对开关磁阻电机数学模型和电感非线性模型的讨论， 可以导出四相8 6 极开关磁阻电机的非线性数学模型【4 】。 ( 2 1 1 ) 争一 吨一矾一0 0 + 叫 _ d o ：g o ( 2 1 2 ) = l 上。l z j d t 警= 专( 乙一。缈一互) 式中k = - a ，b ，c ，d ；t e 为合成转矩，t c = t 口+ 死+ 瓦+ 乃。 根据电感的非线性模型，有关电感的函数关系式如下。 【k ，剀2l o + t 【l l + l 3 儿l c o s ( ，0 一i ) j + 岛c o s 2 ( no 一i ) 一1 j + l 3 c o s 3 ( n ，0 一 ) 一1 】 拿： ( 厶+ l 3 ) 1 - - c o s ( u r 0 一吼。) 】+ 厶【c o s 2 ( n8 一。) 一1 】 蝴州一l 】而- a 2 - 1 3 斋= 【( 厶+ 厶) ，s i n ( r p 一) - 2 l 2 n ，s i n 2 ( ，秒一。) 一3 l ，ns i n 3 ( no 一) 】 各相电磁转矩表达式为 互= 口【一日l n ( 口+ ) + 口l n 口1 【( 厶+ 厶) ，s i n ( ，矽一 ) ( 2 - 1 4 ) 一2 厶，s i n 2 ( ，口一) 一3 厶ms i n 3 ( n , 0 一 ) 】 式中为各相的初始相角，且有 1 4 第二章开关磁阻电机的数学模型 2 2 3 开关磁阻电机的控制方式及特点 ( 2 1 5 ) 2 3 1s r 电动机的运行特性 s r 电动机运行速度低于尼( 第一临界速度) 的范围内，为了保证g t m o x 和j 不超 过允许值，采用改变电压、导通角和触发角中任一个或任两个，或者三者同时配 合控制。 当s r 电动机在高于铆j 范围运行时，在# l - 力n 电压、导通角和触发角都一定的 条件下，随着转速的增加，磁链和电流将下降，转矩则随着转速的平方下降( 如 图3 中细实线) 。为了得到恒功率特性，必须采用可控条件。但是外施电压最大 值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限增加( 一般不能超过半个转 子极距) 。因此，在电压和导通角都达最大时，能得到的最大功率的最高转速被 称之为“第二临界转速”。 当转速再增加时，由于可控条件( 电压和导通角) 都已经达到极限，转矩将随 转速的二次方下降，如图2 1 所示。 恒转矩区恒功率区串励特性区 c c c 方式 只：1f ， t = c o n s t 砀。= c o r l m 心 图2 1s r 电动机的运行特性 开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。在这两个区域中，电机的实 口6 c d = = = = 后七七蠡1 二 (、二，o 班万驯 第二章开关磁阻电机的数学模型 际运行特性可控。通过控制条件，可以实现粗实线以下的任一实际运行特性。而 在串励特性区，电机的可控条件都己达极限，电机的运行特性不再可控，电机呈 现自然串励运行特性，故电机一般不会运行在此区域。 运行时存在着第一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点。 采用不同的可控条件匹配可以得到两个不同临界点的不同配置，从而得到各种各 样所需的机械特性，这就是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一。从设 计的观点看，两个临界点的合理配置是保证s r 电动机设计合理，满足给定技术 指标要求的关键。 2 3 2s r 电动机的控制方式 当给定电动机，电机的结构参数是一定的。若要改变电机转矩大小，只有改 变s r m 的控制参数：定子绕组电压涨，开通角与关断角阶s r m 的控制就是 如何合理改变这三个控制参数以达到运行要求。 根据改变控制参数的不同方式，s r m 有3 种控制模式，即角度位置控制 ( a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o l ，简称a p c ) 、电流斩波控制( c u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o l ， 简称c c c ) 与电压控制( v o l t a g ec o n t r o l ，简称r e ) 【3 】。 a p c 是电压保持不变，通过改变开通角和关断角调节电机转矩大小，适合电 机较高速区，但是对于每一个由转速与转矩确定的运行点，开通角与关断角有多 种组合，每一种组合对应不同的性能，具体操作比较复杂，且难以得到满意的性 能。 c c c 一般应用于电机低速区，是为限制电流超过功率开关元件和电机允许的 最大电流而采取的方法，c c c 实际上是调节电压的有效值。与a p c 类似，它也 可以随转速、负载要求调节开关角。 v c 是在固定的开关角条件下，通过调节绕组电压来控制电机转速。它分直 流侧p w m 斩波调压、相开关斩波调压与无斩波调压。无斩波调压是通过调节整 流电压以响应电机转速要求，在整个速度范围内只有一个运行模式，即单脉冲方 式。 在电机启动、低、中速运行时，电压不变，旋转电动势引起的压降小，电感 上升的时间长，为避免电流脉冲峰值超过功率开关器件和电机的允许值，采用 c c c ( 电流p w m 控制) 。 s r 电机的电流与转速成反比，在低速运行时，为了限制绕组电流不超过允 许值，所以调节外施电压，开通角，关断角三个控制量，也可以固定开通角和关 断角，通过斩波控制外施电压。 当s r 电机运行速度高于额定转速时，若保持外施电压，开通角，关断角三 1 6 第二章开关磁阻电机的数学模型 个控制量都不变，则转矩随转速的平方下降。故在外施电压一定的情况下，只有 通过改变开通角和关断角获得所需较大电流，即a p c 控制。一般采用固定关断 角，改变开通角的控制模式。 对于小功率s r d ，为简化控制和减低成本，可采用电压斩波。通常用作斩波 的脉宽调制信号的频率选为1 2 5 赫兹。由这样信号控制的p w m 功率变换器输 出矩形电压。脉冲加在根据转子瞬时位置应通电的相绕组两端。电压脉冲宽度的 改变，相当于改变相绕组上的平均电压，从而实现转矩的无级调速。 第三章开关磁阻电机磁链特性的检测及a n t i s 建模 第三章开关磁阻电机磁链特性的检测及a n f i s 建模 磁链特性是开关磁阻电机的基本特性，建立开关磁阻电机的磁链特性模型是 优化电机设计，提高电机性能和进行无位置传感器控制的必要步骤，本文在分析 总结多位学者在开关磁阻电机磁链特性检测方法的基础上，建立了基于d s p 芯 片t m s 3 2 0 f 2 812s r m 磁链检测系统，利用a d c 模块实时采集不同转子位置的 电压、电流信号，将数据传送