（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的sr电机控制策略的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 定的抗干扰措施，使系统具有可靠的抗干扰能力。通过对系统的 调试和波形的测试，对控制系统整体性能有了初步的认识。最后 对系统进行了总结和展望。 关键词：开关磁阻电机，数字信号处理器，功率变换器， p w m 波形 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d y0 fs w l t c h e dr e l u c l ：i 蝌c e m o t o rc o n t r o lm e t h o d s b a s e d o n d s p t h es w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ( s r d ) s y s t e mp o s s e s s e sg o o d c a p a b i l i t i e s o f a d j u s t i n gs p e e d ，a n d a t t r a c t sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n i nt h i sa r t i c l e ，t h es w i t c h e dr e l u c t a n c ec o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e db a s e do nd s pt m s 3 2 0 f 2 4 0 t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb a s i cc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f s r d ，a n dd e s c r i b e sc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r kp r i n c i p l eo fs r m t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dc h o i c ep r o c e d u r eo fi g b ta r ee x p l a i n e dv e r y c a r e f u l l y g e t t i n gc h a n g ep h a s el o g i co fc o n t r o ls y s t e mf r o mht y p e p o w e rc i r c u i t ，a n a l y z i n gc o n t r o ls t r a t e g yo fs r mi nd e t a i l s ，a n d c h o o s i n gt w ok i n d so fc o n t r o lm e t h o d sw h i c hf i t f o rt h i ss y s t e m v o l t a g ec h o pw a v ec o n t r o la n dl o ws p e e dc u r r e n tc h o pw a v ec o n t r o l i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s u b s e q u e n t l yt h ed e v e l o p m e n to fd s pi sp r e s e n t e da n dt h em o d u l e u n i t so ft h et m s 3 2 0 f 2 4 0u s e di nt h i s p a p e r a r ei n t r o d u c e d d e s i g n i n gh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r ef o rc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt h et m s 3 2 0 f 2 4 0 h a r d w a r ec i r c u i t sm a i n l yi n c l u d el o ws p e e d c u r r e n tc h o pw a v e ，c u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t ，c o m p r e h e n s i v el o g i c c i r c u i te t c i no r d e rt or e d u c ec o s t ，t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t sg a l d e v i c e t h em o d u l a rp r o g r a m m i n gm e t h o d sa r ea d o p t e dt oa t t a i n v e r s a t i l i t y a n d r e a d a b i l i t y , s o f t w a r e i n c l u d ep w ms u b r o u t i n e ， m e a s u r es u b r o u t i n e ，p is u b r o u t i n ee t c d u r i n gt h e c o u r s eo f d e s i g n i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h em e a s u r eo fa n t i - i n t e r f e r e n c ei s t a k e nh e r e ，a n dm a k e t h ec o n t r o l s y s t e mp o s s e s s r e l i a b l e a n t i d i s t u r b a n c ea b i l i t y f i n a l l yt h r o u g hd e b u g g i n gc o n t r o ls y s t e m a n dt e s t i n gt h ew a v e f o r mo fc o n t r o ls y s t e m ，t h e a u t h o rh a v e p r e l i m i n a r yu n d e r s t a n d i n g t o c o m p r e h e n s i v ec a p a b i l i t y o ft h e c o n t r o ls y s t e m t h ef i n a ls e c t i o ng i v e st h ec o n c l u s i o na n de n v i s i o n s k e y w o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s ( d s p ) ，p o w e rc o n v e r t e rc i r c u i t ，p w mw a v e 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 开关磁阻电机( s r m ) 调速系统是继变频调速之后，又一种具有发展 潜力的新型电机调速系统，s r m 不仅保持了异步电机结构简单、坚固可靠 和直流电机可控性好的特点，同时还具有价格低、效率高、机械特性强等 优点，显示了广阔的应用前景，同时开关磁阻电机又有转矩脉动和噪声相 对较大、必须配合控制器才能运行等缺点，这又限制了其在一些特定场合 的应用。 以s r m 为控制对象的调速系统称为开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e d r e l u c t a n c ed r i v e 简称s r d ) 是一种新型的调速系统，它主要由开关磁阻电 机、功率变换器、位置检测器和控制器等几部分组成。它的调速性能可以 与直流调速系统相媲美，而且开关磁阻电机的结构要比直流电机结构的简 单，没有换向器和电利，转子没有绕组，也没有永久磁铁，甚至比鼠笼型 的异步电动机还简单。s r d 是融电力电予技术、微电子技术以及控制技术 为一体的典型的机电一体化技术，具有很好的调速性能，被认为是继异步 电动机变频调速系统后的又一种很有发展前景的变速拖动系统，具有很广 阔的发展前景。 1 1s r d 的发展 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 ) 基本原理最早出现在1 9 世 纪4 0 年代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力可以使电动机旋转是简单 可行的，1 8 4 2 年，英国的a b e r d e e n 和d a v i d s o n 制造了最初的s r m 模型， 但是因为当时的科技条件的落后，电动机的运行特性很差，以后的1 0 0 多 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 年间，开关磁阻电机的发展很缓慢。 2 0 世纪6 0 年代，大功率晶阍管的研制投产为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 可以在单向的电流下四象限运行，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。 1 9 7 3 年的英国的n o t t i n 曲a m 大学开始对s r m 攻关。1 9 7 5 年，上述俩 所大学的研究小组联合参加了c h l o r i d at 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，共同研制了用于电动汽车的5 0 k 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的驱动装置，这充分说 明了s r m 有很好的前景。 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 的论文，标志着s r m 电动机得到了 国际社会认可该论文系统阐述了s r m 的基本原理和基本设计理论，研究了 s r m 的特性及其控制方式。 1 9 8 1 年，英国的t a s c 公司获得批准制造s r m 系统，并于1 9 8 3 年推出了 商品为o u l t o n 的通用调速系列产品问世不久就引起了很多国家的电气 传动界的广泛关注，美国、加拿大、南斯拉夫等国家的竞争，并在系统一体化 设计、电动机的电磁分析、微机应用、功率元件应用、新兴结构开发等方 面的发展。 从1 9 8 4 年开始，我国的许多高校和研究所开展了开关磁阻电机调速系 统的研究工作，如：南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华中理工大 学、华南理工大学、合肥工业大学、北京纺织机械研究所等等。而且s r 电 机被列入中小型电机“七五”科研规划项目。在借鉴国外经验的基础上，国 内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管比较晚，但是起点比较高，研制 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 目标比较明确，目前已经l o 多家单位推出了不同性能的多规格系列产品，应 用于纺织、冶金、机械、运输等多中行业场所的数1 0 种生产机械和运输车 辆中。 1 9 8 8 年在南京召开的第一届丌关磁阻电机研讨会和1 9 9 1 年在武汉召 开的第二届研讨会上，大会上成果交流表明，我国s r d 理论的发展已经取得 了较大的发展，参加研究的单位明显增加。1 9 9 3 年1 2 月北京开关磁阻电机 调速系统工业应用研讨会上，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领 导下成立了开关磁阻电机学组，1 0 多年来，我国已经研制了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、毛巾印花机等方面的应用中取得 了良好的效果。但是在理论研究和实际应用中还存在着很大的不足和差距。 交流变频调速、直流无劂等调速系统经历了好几个阶段的研究开发， 在应用领域已经达到了较高的水平，开关磁阻电机调速系统则是随之而上 的又一个调速驱动系统，良好的调速性能日益受到人们的关注，具有广泛 的发展前景。 1 2s r d 的基本结构 s r d 系统的基本结构如图1 1 2 5 1 ，主要由五部分组成，它们是：开关 磁阻电机( s r m ) 、功率变换器、控制器以及位鼍检测器和电流检测器。 3 太原理工人学硕士研究生学位论文 速度 图卜1 开关磁阻电机驱动系统( s r d ) 结构图 f i g u r e 一1s r ds y s t e mb l o c kc h a r t ( 1 ) 开关磁阻电机( s r m ) 为双凸极铁芯结构，它的定子和转子的铁芯 由硅钢片叠加而成，每个定予铁芯凸极上安装集中绕组，转子铁芯凸极无 绕组，径向相对的俩个定子上的绕组串联成一对磁极，称为一相。s r m 电 动机可以设计成不同的相数结构，定转子的极数有不同的搭配，相数多， 町以减小转矩脉动，同时它的结构和控制器也复杂，成本也高。由于三相 以下的s r 电机没有自起动能力，所以目前常用的是四相( 8 6 ) 结构和三 相( 6 4 ) 结构。图1 2 为四相8 6 极开关磁阻电动机的结构。 4 太原理t 大学硕士研究生学位论文 图1 - 2四相8 6 极开关磁阻电动机的结构 f i l ，i l f e1 - 2c o n f i 口, u r a t i o no f4p h a s es r m 开关磁阻电机的转动原理与传统的交流、直流电动机有着根本的区 剐，它不像传统电机那样依靠定、转子绕组电流产生磁场间的相互作用形 成转矩和转速。它遵循的基本原理是：磁通最小原理磁通总是要沿磁 阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力。 ( 2 ) 功率变换器是开关磁阻电动机( s r m ) 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，它主要有由整流和逆变俩部分 组成。 ( 3 ) 控制器【2 2 1 1 2 4 1 是s r d 系统的必须部分，它根据电机的运行状态对功 率变换器进行控制，从而实现对s r m 的控制。 ( 4 ) 位置、电流检测单元 位置、电流检测单元是开关磁阻电机驱动系统中关键的环节之一，它 及时、准确地向控制器提供定、转子的位置信号及电流信号，保证电机的 可靠运行。 5 太原理工夫学硕十研究生学位论文 1 3 开关磁阻电机调速系统的性能特点 ( 1 ) 电机结构简单、成本低、适用于高速。 开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要 简单。其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有鼠笼感应 电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题。其转子机械强度 极高，可以用于超高速运转( 如每分钟1 万转) 。在定子方面，它只有几个 集中绕组，因此制造简便，绝缘容易。 ( 2 ) 功率电路简单可靠 因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流， 故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比感应电动机绕组需流过双向 电流，向其供电的p w m 变频器中功率电路每相需两个功率元件。因此丌 关磁阻电动机调速系统较p w m 变频器功率电路中所需的功率元件少，电 路结构简单。另外，p w m 变频器功率电路中每桥臂两个功率开关直接跨在 直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率元件的情况。而开关磁阻电动机调 速系统中每个功率丌关元件均可直接与电动机绕组相串联，从根本上避免 了直通短路现象。因此开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护电路可 以简化，既降低了成本，又具有高的工作可靠性。 ( 3 ) 高起动转矩，低起动电流。 电机从电源侧吸收较小的电流，在电机侧可以得到较大的起动转矩是 该系统的一大特点。 ( 4 ) 可控的参数较多，调整性能好。 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和方法至少有以下几种 a ：角度控制( a p c ) 。 b ：p w m 调压调速。 c ：低速电流靳波控制( c c c ) 。 6 太原理t 大学硕士研究生学位论文 s r d 与异步电动机变频调速系统相比稍微逊色的是：s r 电动机功率变 换器输出的是不规则的电流脉冲，导致运行时噪声和转矩脉动较为显著。 1 4 本论文研究的主要内容 ( 1 ) 控制器的设计和控制策略的研究。 早期的开关磁阻电机的控制器大多是采用以5 l 、9 6 系列单片机为核心 的微机控制器，由于其集成度不高。使相应的外围硬件增多。而且因为5 1 、 9 6 系列单片机的运算速度较慢，对系统的控制精度将产生不利的影响，同 时，一些复杂的算法也不能实现。 本论文采用了1 1 公司推出的面向电机专用的控制芯片d s p ，该c p u 具有集成度高、内部集成了a d 转换器、p w m 发生器等，运算速度快，使 复杂的控制算法成为可能，系统的整体性能得到了保证。 ( 2 ) 硬件电路的设计。 由于开关磁阻电机的非线性，使硬件电路的设计成为其整个系统关键 的一个环节，本论文采用了一种具有较少开关数的功率电路h 型功率电路 ( 四相开关星点悬空型电路) ，主开关器件使用了i g b t ，还设计了专门的 电压保护、过热保护、电流检测和位置检测单元、手动复位、正反转、速 度显示等一系列电路，为了减少成本和缩小电路板的体积，应用了可编程 逻辑器件。实现了整个驱动系统的可靠运行。 ( 3 ) 软件的设计。 软件设计了采用了p i d 算法，数字滤波算法等，实现了开关磁阻电机 的可靠运行。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章s r m 的电磁关系以及调速方法 2 1 开关磁阻电机的电磁关系 2 1 1 数学模型的求解方法 由于开关磁阻电机的双凸极的结构特点和磁路的饱和、涡流和磁滞效 应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性和可控性，使得电机的各 个物理量随转子位置做周期性的变化，定子绕组电流和磁通波形也不规则， 传统的电机性能分析方法难以用于开关磁阻电机的计算。因此开关磁阻电 机定子绕组的电流、磁链等参数难以用简单的解析表达式来表示，因此很 难建立一个准确可解的数学模型。 下面就分别介绍基于开关磁阻电机的线性模型、准线性模型和非线性 模型的求解方法。 1 、理想线性模型 在理想的线性模型中，对电机做了如下的假设：不计电机磁路饱和和不 考虑磁场边缘的扩散效应，忽略所有的功率损耗和假设功率管开关时间瞬 时完成，可采用开关磁阻电机的理想线性模型将电感l 近似为角度的线性函 数。 2 、准线性模型 因为磁链的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了近似地考虑 磁路的饱和效应，将实际的非线性磁化曲线分段线性化，同时不考虑相间 耦合效应，这样可用解析式来表示每段磁化曲线。可以将1 l r i 曲线分为两 段( 线性区和饱和区) 或者三段( 线性区、低饱和区和高饱和区) 。 3 、非线性模型 要准确计算开关磁阻电机的性能，对稳态性能的运行特性进行防真，必 8 太原理工大学硕十研究生学位论文 须采用非线性的方法，直到现在，国内外已经提出了许多的计算方法，这些方 法可分为俩大类。分别是： 第一类是以数值分析的方法或者试验的方法所获得的完整的电机磁化 曲线族为基础，建立数据库或者对磁化曲线进彳亍模化，从而计算电机的运行 特性。 第二类是利用开关磁阻电机几个特殊的位置磁化曲线，将电流或者磁链 作为转子位移角的函数进行模化，查值求取中间位置磁特性。 2 1 2 开关磁阻电机的电磁关系 1 ) 电压方程 根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组两端的电压等 于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，则电压方程为式： u ，。业塑! 虬i r( 2 1 ) t i t 式中v 一相绕组磁链； i 一相电流； r 相绕组电阻 因为1 l r = l i 在开关磁阻电机中，电感l 是角度0 和电流i 的函数。则： u s - l ( o , i ) 妄砌百a z ( o , o + i r ( 2 _ 2 ) 式中c 。转予旋转角速度 l ( o ，f ) 睾变压器电势 a t 掣旋转电势 d 8 识定子绕组压降 通过以上所述可知，开关磁阻电机的电压方程由三部分组成，它们分 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 别是变压器电势、旋转电势、定子绕组压降。 2 ) 转矩方程 开关磁阻电机的电磁转矩t 表示为磁共能或者磁储能w c 对转子位移 角的偏导数来求取，在忽略相间偶合的情况下。电磁转矩写为： t 。o v 矿些o ) i 扣c o n 肼 ( 2 3 ) d 0 其中磁共能w c 表示为磁通对电流的积分，如式( 2 4 ) 所示： 有 2 户( 日，i ) d i ( 2 4 ) 在理想线性模型的假设下，磁通量和电流的关系可表示为下式： 妒= l ( o x ( 2 5 ) 那么电动机电感只是转子角度的函数。将式( 2 5 ) 代入式( 2 4 ) ，则 ；姜( 日) ( 2 - 6 ) 把式( 2 6 ) 代入式( 2 3 ) ，则开关磁阻电机转矩的简化关系式为： 一1 ，堡 ( 2 7 ) 一 l 一，j 2d 0 由以上的分析可得出以下结论： ( 1 ) 电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化对产生的，当磁共 能或者磁储能w c 对转子位移角的变化率大时，转矩也大。 ( 2 ) 电磁转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电流增大后 铁心饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随着电流的增大而增 大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕组电流 得到恒转矩输出的特性。 1 0 太原理工火学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 转矩的方向与绕组电流的方向没有关系，只要在电感曲线的上升段 通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的f 降段通入绕组电 流则会产生反向的制动转矩。 2 1 3s r m 的相绕组电感与转子角位置的关系 由于开关磁阻电机的特殊结构，使得电动机内部的电磁关系十分复杂 为了弄清楚电机内部的基本电磁关系，有必要从简化的线性模型，电就是 理想的线性模型进行分析研究。所得到的相绕组电感随着转子位置角周期 性表化的规律可用图2 - 1 说明。 1 1 太原理工人学硕十研究生学位论文 ，后止沿、子后沿前沿 ! 厂 ! 厂 j 转子 l ! l k l! k f l i ： 0 0 01 02 。304 05 图2 - 1 电感与位置角的关系 f i g u r e2 - 1c o n n e c t i o nb e t w e e ni n d u c ea n dr o a ra n g e l 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点0 = 0 的位置，对应 于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小值l 。i n 在 0 。到02 ( 01 为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置) 区域内， 定转子磁极保持最小值k 。不变，这是因为开关磁阻电机的转子槽宽通常 大于定子极弧，所以当定子凸极对着转子槽时，便有一段定子极与转子槽 之间的磁阻恒为最大，在这个区域内，电感并不随着转予位置角的变化而 变化，电感恒为最小值；转子转到82 ，即转子的前沿和定子的后沿的位置 重合的时候，相电感便开始线性地上升直到03 止，03 转子磁极的后沿与定 子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重叠，相电感变为最大值k 。： 1 2 太原理= 大学硕士研究生学位论文 基于电机综合性能的考虑，转子极弧口，通常要求大于定子极弧b 。，因此在 0 3n o4 区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子凸极间磁阻恒 为最小值，相电感保持的最大值k 。：从04 电感开始线性地下降，直到05 降为l 。i 。，0s 为转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。如此周而复始往复 循环。 则开关磁阻电机基于线性模型的绕组电感的分段线性解析式： rk i n l ：j 坩2 b n |k a x l l 。k ( 0 04 ) 式中： k ：垂噬二互业 2 1 4 绕组电流的分析 0 l 8 02 02 0 03 03 0 04 04 0 05 当开关磁阻电机由恒压直流电源u 。供电时，假设绕组电感仅是转子位 置的线性函数和忽略绕组电阻影响的情况下，由式( 2 ，2 ) 可得： 玩= l d 十j u 旦 ( 2 8 ) d t8 e ( 1 ) 在0 。与0 。区段，l = l 。，i ( 0 。，) = o ，代入式( 2 - 8 ) 中，解得 i ( e ) ： 垡 翌二旦! ( 2 9 ) 吧m + k p 一0 耵) 式( 2 9 ) 表明，电流在最小电感恒值区域内是直线上升的，这是因为 该区域内电感恒为最小值，且无旋转电动势，因此开关磁组电动机相电流 可在该区域内迅速建立。 1 3 太原理工大学硕十研究生学位论文 ( 2 ) 在疗2 到p 酊区域，将上述结果作为该区域处初值条件一得 i ( 0 ) = “，( 2 0 酊一臼。一e ) , 4 l 。+ 七( 8 0 ：) 】 ( 3 ) 在0 町到03 区域，绕组电流为： i ( 口) ：丝塑生二旦竺二旦 , o l m “ ( 4 ) 在口3 到04 区域，绕组电流为： i i9f ：u s ( 2 0o e - 0 o - 0 ) 咀 ( 5 ) 在04 到口s 区域，绕组电流为： 朋户鹾2 0 赢0 而o )l 己。；。一k ( 8 一日。) ( 2 一1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 一1 2 ) ( 2 一1 3 ) 显然，当日- - - 2 口。帝0 。时，电流已经等于零。 这些分段电流函数可以用下面的通用公式统一描述，即； i ( 口) = 型i ，( 0 ) 2 2s r m 的调速方法 ( 2 1 4 ) 通过以上的分析知道：绕组电流与外加电源电压u 。、角速度m 、开通角 0 。、关断角0 硝、最大电感l m a x 、最小电感1 1 n j n 和电机的结构等有关。对 结构一定的电动机，在9 。和9 酊不变的情况下，绕组电流随着外加电压的 增大而增大，随着转速的升高而减小；通过调整开关角或关断角也可以改 变绕组的电流，从而间接地改变电动机的电磁转矩，来调节电机的转速。 1 4 太原理t 大学硕十研究生学位论文 我们知道控制直流电机的转速需要调整外加电压或者励磁电流，而 控制感应电机的转速则需要调节电源的频率。与其他的电机一样，开关磁 阻电机也有它自己的控制方法，这里对开关磁阻电机的线性模型来加以讨 论，对其转速控制特性加以分析。 将上面得到的式子( 2 1 4 ) 表示的绕组电流代入( 2 7 ) 中，得到： t 专雩，2 等 悟 叫 从表达式( 2 - 7 ) 、( 2 - 1 5 ) 和以上的分析可以知道，开关磁阻电机的有 以下几种控制方式： ( 1 ) 电压斩波控制 在赢一荫通电区间内，功率开关器件按脉冲宽度调制方式工作，脉冲 周期t 固定，改变占空比，则绕组电压的平均值u 将发生变化，这就是电 压斩波控制。如果提高脉冲频率f = l f r , 则电流波形比较平滑，电机出力增大， 但功率开关元件损耗增大。 电压斩波控制方式既能用于高速运行，又适合于作低速运行，但低速 运行时转矩脉动较大。 ( 2 ) 电流斩波控制 从电机运行时的电压方程： u 产l 生+ i 。旦 出a 日 可以知道： 电机低速运行时由于绕组中旋转电动势小，因此电流增长比较快，需 要过大的电流进行抑制；在制动运行时，电流比低速运行时增长更快，用 电流斩波控制方式正好可限制电流峰值的增长，因此电流斩波控制方式适 用于低速和制动运行。 1 5 太原理i 人学硕十研究生学位论文 ( 3 ) 角度控制 丌通角0 。和关断角日。f 是丌关磁阻电机中最主要的控制参数之，改 变臼。和0 研的大小，可实现对电流、大小和波形的控制，从而可以有效调 节电机的转矩、转速。 在电机的电动状态下，要是将开通角0 。提前，则在最小电感区段电流 上升时间将加长，电流波形加宽，波形的峰值和有效值将增加，改变0 。f 一般不影响电流峰值，但影响电流的波形宽度及其同电感曲线的相对位置， 因此改变日析同样对电动机的转矩和转速产生影响，但影响没有改变0 。那 么明显，因此改变电机的开通角0 。或关断角同样可以调节电机的转矩和转 速，角度控制方式一般适合于高速控制。 在本文中，作者主要采用了电压斩波、低速电流斩波的控制方式，在 以后的各章中，作者将会展开详细的讨论。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章s r d 的控制器及开发环境 控制器是s r d 系统中重要的组成部分，它综合了输入信息、控制策略 和逻辑输出，它的性能的好坏直接影响着整个系统运行的性能。 在s r d 的系统中，控制器主要完成如下功能： ( 1 ) 电压斩波控制。 ( 2 ) 转速的调节。 ( 3 ) 起动、制动、停车。 ( 4 ) 角度控制。 ( 5 ) 调压调速。 前面已经提到，本论文中所用的控制器是1 1 公司推出的电机专用控制 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，下面就对d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 做个详细的介绍。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是专为电机控制应用而推出的一款性能比较高的1 6 位定 点运算数字信号处理器。指令执行速度是2 0 m i p s ，具有高速信号处理和数 字控制所必需的结构，有强大的片内i o 端口和其它外围设备。事件管理器 ( e v ) 中包括了一些电机控制专用的脉宽调制( p w m ) 发生函数。三个双 向的定时器，每一个都有单独的比较寄存器，可以用来支持产生不对称的 或对称的p w m 波形等，这个应用优化的外围设备单元和d s p 内核一起， 使所有类型电机的高精度、高效、全变速控制技术成为可能。 3 1t m s 3 2 0 f 2 4 0 的基本结构和主要特点 图3 - 1 1 3 】是t m s 3 2 0 f 2 4 0 的结构图，下面结合其结构图说明控制器 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的一些主要特点【4 2 】【”1 ： i i t m s 3 2 0 f 2 x x 核心c p u 1 7 太原理l 大学硕士研究生学位论文 3 2 位的中央算术逻辑单元 3 2 位加法器 1 6 位乘1 6 位并行乘法器，3 2 位乘积 三个定标移位寄存器 8 个1 6 位辅助寄存器，带有一个专用算术单元，用来作数据存储器的 问接寻址 存储器 片内5 4 4 x 1 6 位的双端口数据程序r a m 1 6 k x l 6 位的片内p r o m 或闪烁e 2 p r o m 2 2 4 k x1 6 位的最大可寻址存储器空间 有软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有1 6 位地址总线 和1 6 位数据总线。 支持硬件等待状态 程序控制 4 级管道操作 8 级硬件堆栈 4 t 6 个外部中断，电源驱动保护中断，复位，非屏蔽中断和三个可屏蔽 中断 指令系统 t m s 3 2 0 f 2 4 0 与t m s 3 2 0 家族的c 2 x 、c 2 x x 定点产品的源代码是兼 容的。 1 8 太原理工人学硕十研究生学位论文 嗽r a m 晰 2 饕削 p l lc l o c k 嚣 c a x l 矗r a m b i3 百鼯d p c l d s p 2 5 v c 0 r 0 1 0 - b t d c v 撼 “a 艇 e 们n a “c 铷n r 瞰r 矗曝 v l i “t o 0 2 ￥南r 电 $ c i t x 0 帅p 如 h 江3v ) s a i v 酶 s | 磷妇k 讷鼬、 m | 。算c j l 8 轴l l 秘帽n 柞，p c 5 f h 寸f r 0 洲 i 删 轮k 蝴州g 4 k , 1 2 时1 2 k 珥k 1 帅 l - 区e 涨删i p o a 口坼i 。p 0 瞄 w “e m d n lp m r 蚴* 日 日wb o h n t l m 目t 州i 州甜协e e l 雕 i s l a g i i 日疆 i i 目h w 兀，阿再 两册 e p 懈卿 舶纠口口啪女0 臼日辅p 日 c p 蕾x 黼q 咩督o e 瑚m 搠 p u 1 p w p e l 蝴m m i a 驴r e ￥州n 啊口释b 3xc 日d h l r e i n p u t ：i ：器勰 p w 日0 p e a 6x c 咖1 婶帕归l 柏 o t l t 呻l o d m 蹦1 船 2 y 搿o t m 郸栅m2 x a p l f 幡i 洲 蹴6 ft p 湖划_ a 砰w 肇b 他n 啉扪x 村刚0 阡2 t 摹嘣h 驰c 婶柏p 瞄 t 4 日粕n 4 翻吲o 卧9 t h r 蚰弹* t c l m t 1 c u a 螺“晰5 图3 - 1t m s 3 2 0 f 2 4 0 的功能图 f i g u r e3 - 1t m s 3 2 0 f 2 4 0 f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 程序数字管理的存储器块移动指令 单周期的乘法和加法指令 1 9 太原理r 大学硕十研究生学位论文 单指令重复操作 电源 静态c m o s 技术 4 种低电源模式可以降低电源损耗 一事件管理器 1 2 个比较，脉宽调制通道 三个1 6 位通用定时器，6 种工作模式，包括连续增加和连续) j n 减计 数 三个1 6 位全比较单元，有死区功能 三个1 6 简单比较单元 四个捕获单元，其中两个正交编码脉冲接口功能 双十位模数转换器( a d c ) 1 1 2 8 个独立可编程的多路复用b o 口引脚 一基于锁相环的时钟模块 一带实时中断( r t i ) 的看门狗( w d ) 定时器模块 一串行通讯接口( s c i ) 串行通讯接口( s p i ) 看门狗( w d ) 与实时中断( r t i ) 模块 看门狗( w d ) 定时器是用来监视软件的运行情况，当c p u 受到干扰 的时候，程序本身就不能正常的运行，将引起混乱，例如：该执行的不执 行，该不动作的动作了。若程序不按照软件正确的程序执行，程序就将发 生一个复位信号，它由w d 时钟信号产生。实时中断模块( r t i ) 按照特定 的频率发生周期性中断，也是用来对软件的运行进行髓视的，在正常的情 况下，程序将周期性的对定时器进行清零，一旦程序的运行发生错误，则 定时器将发生溢出，使系统复位，因此看门狗和实时中断模块可以提高系 2 0 太原理t 大学硕士研究生学位论文 统的可靠性。 本论文主要利用了控制器t m s 3 2 0 f 2 4 0 的事件管理模块( e v ) 和模数 转换模块( a d c ) ，下面专门对这三个模块做简单的介绍： 1 事件管理模块的主要特点： ( 1 ) 三个通用定时器 d s p 控制器的三个通用定时器采用1 6 位计数器，在外部或者内部的 c p u 时钟下编程工作，器件的引脚t m r d i r 用来定义计数的方向， t m r c l k 用来提供外部时钟输入。在本论文中，通用定时器主要用于产生 采样周期，为捕获单元提供时基，也可以为比较单元产生c m p p w m 输出 和启动a d 转换的时基。而且定时器2 、3 还可以组成3 2 位定时、计数器。 每个通用定时器都有6 种工作方式，并且都带有比逻辑单元，当计数值与 比较寄存器的值相等时，发生比较事件匹配，引脚电平发生变化。 ( 2 ) 全比较单元和简单比较单元 全比较单元是以定时器t 1 为时基，可以输出六路带可编程死区的 c m p ，p w m 波：简单比较单元是以t 1 或者t 2 为时基，可以输出三路 c m p p w m 脉冲。通过设置定时器的控制寄存器，使定时器在不同的工作 方式下工作，可使全比较单元输出非对称、对称的或者空间矢量p w m 波。 全比较单元输出六路p w m 波可以作为交流感应电机或者无刷直流电机三 相功率放大器的输入信号，而且还可用于控制开关磁阻电机和步进电机， 以及传统的直流电机。 ( 3 ) 捕获单元( c a p ) ： 事件管理模块( e v ) 有4 个捕获单元，捕获单元主要用来监视输入引 脚信号的变化，当检测到捕获输入引脚出现指定的跳变时，记录输入事件 发生时的计数值，同时把捕获的定时器2 或3 的值存储在相应的寄存器中， 进而来进行速度的计算 2 1 太原理。i 大学硕十研究生学位论文 ( 4 ) 正交编码脉冲电路( q e p ) ： 正交编码脉冲电路( q e p ) 主要用来连接光电编码器以获得旋转机械 的位置和速度，当电机轴上光电编码器产生的两路脉冲分别送入到正交编 码电路的输入引脚时，通过q e p 的方向逻辑单元和0 e p 选定的定时器可以 检测两脉冲的先后和对脉冲进行计数，进而通过脉冲的先后可以确定电机 的转向，通过脉冲计数可以确定电机的位置和速度。 2 a d d 转换单元 图3 2 为a d c 转换原理图，t m s 3 2 0 f 2 4 0 共有1 6 个模拟量输入通道， 每8 个通道经过一个八选一的多路选择器和一个采样保持器到1 0 位的 a d c ，a d c 转换结果保存到俩级先进先出的( f i f o ) 寄存器，每个a d c 的转换时间为6 0 u s ，可以通过中断和或者查询方式来读取数据。 太原理l 大学硕十研究生学位论文 圈3 - 2a d c 转换原理图 f i g u r e3 - 2a n a l o g - t o d i g i t a ls c h e m a t i cd i a g r a m 3 2d s p 的开发工具 本论文中采用s e e 驴一x d s p p 并口开发系统及t m s 3 2 0 f 2 4 0 e v m 板作 为t m s 3 2 0 的开发工具的硬件。s e e d - - - x d s p p 并口开发系统采用并口和 计算机进行连接，支持j t a g 硬件在线仿真。 软件采用c c 2 0 0 0 1 7 1 4 ”，c c 2 0 0 0 是一个完整的d s p 集成开发环境，支 持汇编、c 语言调试及两者混合调试，具有w i n d o w s 图形界面和集成调试 环境。c c 2 0 0 0 代码调试器是一种针对标准t m s 3 2 0 f 2 x x 调试接口集成开 发环境，包含了源代码编辑器、代码调试工具、可执行代码生成工具和实 时分析工具。 2 3 太原理r 大学硕士研究生学位论文 它有以下主要的特点： ( 1 ) 高度集成的源代码编辑器。 能动态显示c 语言和d s p 汇编语占的源代码，能很容易的阅读和理解 源代码，及时的发现和定位语法错误。 ( 2 ) 完全集成的开发环境。 将t i 公司的汇编辑器、编译器、连接器和调试器全部集成到它的环境 中，用户可以选择各种工具，并且可以直接观察到流水线输出到窗口的编 泽结果。 ( 3 ) 方便的代数分解窗口。 可以选择查看c 语言格式的代数表达式，能容易的了解操作码。 ( 4 ) 状态观察窗口。 c c 2 0 0 0 的可视窗口允许用户直接进入c 表达式以及相关的变量，结构 数组和指针等都能很简单地进行增加和减少。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第四章基于d s p 的s r d 硬件电路 本章根据调速系统的功能要求对整个系统的硬件电路进行了方案设 计，设计以实用化为目标，其原则为： 第一：努力提高系统的可靠性。 第二：从用户的角度出发，方便安装、调试、运行、维护。 第三：在满足要求的前提下，应尽量使硬件系统简单，降低系统的成 本。 系统的硬件电路是整个调速系统的重要组成部分，它应能准确、快速 的检测整个系统中所有物理量的检测、计算、判断和处理，并且能完成通 讯、显示等功能。其具体的功能如下： ( 1 ) 提供电能。 ( 2 ) 位置检测功能。 ( 3 ) 保护功能。 ( 4 ) 显示功能。 ( 5 ) 通讯功能。 本章以后部分将具体分析、说明硬件电路的功能模块。 4 1 功率变换器的整体设计 4 1 1 功率电路的选择 从前面几部分的叙述可以知道，由于开关磁阻电机( s r m ) 的特殊结 构，开关磁阻电机( s r m ) 的功率变换器只需要给电动机绕组提供单方向 电流，因此它的功率变换器结构要比异步电动机p w m 变频器的功率电路 太原理t 。大学硕十研究生学位论文 简单、可靠。然而，由于s r m 开关磁阻电机( s r m ) 工作电流、电压波形 的非线性，而且波形受系统的运行条件以及电动机设计参数的制约，很难 准确预料。这就使得功率变换器的设计较为复杂。 功率变换器在整个s r d 系统中占有重要的地位，它的设计必须与电动 机的结构相匹配，而且必须符合效率高、控制方便、结构简单、成本低等 基本要求，一个理想的功率变变换器主电路结构形式应该具备以下几个条 件1 1 】【2 】【2 0 1 ： 1 ，较少数量的主开关器件。 2 可将全部电源电压加给电动机绕组。 3 ，主开关器件的电压额定值与电动机接近。 4 具备迅速增加相绕组电流的能力。 5 可以通过主开关器件调制，有效地控制相电流。 6 能将能量回馈给电源。 在本论文中，功率变换器选用的是h 型功率电路阴1 嘲。 如图4 1 为h 型功率电路，又叫四相丌关星点悬空型电路，该电路固定 采用两相通电方式，可省去传统方案中的两个大电容，续流和换相的功能 靠其他两相绕组自身电感储能来实现。例如，由a d 相通电到c d 相通电的 过程中，a 相关断，c 相开始导通，d 相是维持导通。此时，a 相处于续流 状态，d 相电流增大，中点电位增高，促使a 相续流电流迅速减少，由此 实现强迫换相。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图4 1h 型功率电路 f i g u r e4 - 1h t y p e p o w e rc i r c u i t h 型功率电路( 四相开关星点悬空型功率电路) 的特点是采用的元件 数少，电路比较简单，成本低，整体性能价格比高，是开关磁阻电动机一 种很有价值的主电路方案。 通过以上对各种功率电路的分析和比较，本论文采用了四相开关星点 悬