（电机与电器专业论文）基于dsp的开关磁阻电机控制系统研究.pdf

茎三旦塑箜茎差壁堕皇垫堡型墨堑塑堑 r e s e a r c ho i ld s pb a s e dc o n t r o ls y s t e mo fs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r a b s t r a c t 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 so n l yas h o r th i s t o r yo f 3 0y e a r s ，b u th a sa l r e a d y w o nai m p o r c a n tp o s i t i o ni nt h ef i e l do f e l e c t r i cd r i v ed u et oi t sg o o dp e r f o r m a n c ei ns p e e d a d j u s t m e n t ，a n dh a sab r i g h tf u t u r e b u ti np e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，d e s i g na n dc o n t r o l ，t h e r e a r es t i l ls o m ep r o b l e m st ob er e s o l v e d ，s u c ha st h ed e p e n d e n c eo nt h ep o s i t i o ns e n s o r s ， c o m p a r a t i v e l y s e r i o u st o r q u e r i p p l e ，v i b r a t i o na n dn o i s e ，w h i c hl i m i ti t sf u r t h e ra p p l i c a t i o n t h i sp a p e rd e v e l o p e dac o n t r o l s y s t e mf o r a4 - p h a s e8 6 一p o l es r mo f3k wb a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p w h i c hc a nb eu s e df o rt h et e c h n i c a lr e s e a r c ho ns r mc o n t r 0 1 t h et h e s i sc o n t a i n ss i xp a r t s t h ef i r s tp a r ts u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h o f s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ( s r d ) d i s c u s s e s 恤em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n a n de x p l a i n st h e m a i nw o r ki nt h i s p a p e r i np a r t2 ，t h es t r u c t u r eo fs r m ，o p e r a t i o np r i n c i p l e ，a n dt h e p o s i t i o ns e n s i n gt e c h n i q u ea r ee l a b o r a t e da n da n a l y z e d p a r t3d o e st h er e s e a r c ho nt h e s t r u c t u r ea n dd e s i g no f p o w e rc o n v e r t e r ，a d o p t si g b t s a st h ep o w e rs w i t c ha n dd e s i g n sa p o w e rc o n v e r t e rf o ra4 - p h a s e8 6 - p o l es r m o f3k w i n p a r t4 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p i s u s e dt od e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i t so fs r mc o n t r o ls y s t e m ，a n dd e s i g nd e t a i l si n c l u d i n g t h ec u r r e n td e t e c t i o n ，p o s i t i o ns e n s i n g ，f a u l t p r o t e c t i o na n dp o w e rs u p p l ye t c a r ep r o v i d e d b e c a u s eo ft 1 1 ef u i iu s eo ft h ea b u n d a n tp e r i p h e r a lr e s o u r c e so fd s p i tc o m e st ot h ea i m s i m p l i f y i n gt h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dh e i g h t e n i n gt h er e l i a b i l i t y p a r t5d i s c u s s e st h er o u t i n e d e s i g n i n gi s s u e b e c a u s et h em o d u l a r i z e dp r o g r a m m i n gm e t h o di sa d o p t e d ，a n dm u l t i i n t e r r u p tp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei su s e d ，o p e r a t i o ne f f i c i e n c y o ft h ec o n t r o ls o f t w a r ei s h i g h l yr a i s e d a tt h el a s t ，t h ef o r e g o i n gs r m c o n t r o ls y s t e mi st e s t e d s p e e da d j u s t m e n ti s r e a l i z e d ，a n do t h e rt a r g e t so nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fs r m c o n t r o ls y s t e ma r er e a c h e d ， w h i c he s t a b l i s h e sa g o o d f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r ；d s p ；c o n t r o l ；i n t e r r u p t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：窒! 垒望日期：丝：笸! ! 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 有关开关磁阻电机的研究历史只有短短3 0 几年，是伴随着电力电子技术以及微电 子技术的发展而不断进步的。开关磁阻电机调速系统是一种新型的变速拖动系统，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鬼，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；该调速系统的 缺点也是很明显的，比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，使用位置传感器增加了电机的结构复杂性而降低可靠性，这些问题都是有 待进一步研究和很好的解决的。可见，开关磁阻电机控制系统作为这一新式的调速系统 主体，是值得研究的，在电气传动领域的重要地位是显而易见的，相信它会有一个广阔 的发展空间和应用前景的。 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1 9 世纪4 0 年代。但当时无法解决换相问题，因而 电机性能很差。7 0 年代以来以p j l a w r e n s o n 教授为首，有l e e d s 大学和n o f i n g h a m 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。1 9 8 0 年，在经过了近十 年的理论研究和产品开发基础上，p j l a w r e n s o n 教授等人发表了著名的论文“v a r i a b l e s p e e ds v d t c h e dr e l u c t a m c em o o r ”。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8 0 年代中期，目前已经有许多院校和企业投入了力量，并逐步 从实验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。1 9 8 5 年，当时的华中理工大学开始了7 5 k w s r d 的研究，当时 采用s c r 为功率开关器件：1 9 8 7 年，北京纺机所与南京调速电机厂合作开发了3 k w 8 6 极、以b j t 为功率开关和以单片机为控制电路核心的系统产品；1 9 9 3 年，3 0 k w 的 s r m 在山东通过了鉴定，达到应用水平；2 0 0 0 年，1 0 0 k w 的电机在国内已经应用于煤 矿的采煤机当中，而且1 8 0 k w 的s r m 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； 基于d s p 的开关磁阻电机控制系统研究 2 、由于所有的绕组均在定子上，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，具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，s r d 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。 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。 一 l 区囱区函 j 盘口己 图1 1 开关磁阻电机调速系统的结构 f 追1 1t h e s t r u c t u r eo fs r d 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d s p ) 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。 2 大连理工大学硕士学位论文 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，s r m 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8 0 年代以来经 过了s c r 、g t r 、g t o 到m o s f e t ( 小功率) 、i o b t ( 中功率) 、m c t ( o k 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s r m 相电流的精确解析式求不出，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s r m 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s r m 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。 s r m 调速系统是融s r m 、功率变换器、控制器与位置检测为体的，其性能的改 善不仅依靠优化s r m 与功率变换器设计，而且还必须依靠先进的控制策略。在近2 0 年 的发展过程中，对于s r m 控制方面已出现大量先进的控制思想，取得了显著的成果。 s r m 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，s r m 有三种控制模式，即电流斩波控制 ( c c c ) 、角度位置控制( a p c ) 、电压控制( v c ) 。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种方法，又难以获得理想的输出特性，因 而对s r m 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p i 或p i d 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s r m 控制系统难以获得 理想的输出特性，鲁棒性差，其动、静态性能无法与直流传动系统相媲美，这严重的阻 3 一 基于d s p 的开关磁阻电机控制系统研究 碍了s r d 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 s r d 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s r m 数学模型难以精确解析，而且s r m 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、自学习控南4 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出转矩脉动最小化 状态。 s r d 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s r i v i 控制理论。关于s r m 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s r m 新型控制策略； 3 、研究具有智能控制方法的s r m 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。数字信号处理器( d s p ) 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t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系 列芯片更使这一应用得到迸一步提高。 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，也是在此领域探索的人们当务之急。 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。在开关磁阻电机调遽系统要求不 断提高，控制技术越来越复杂的情况下，单片机的劣势也越来越明显，这种情况下，专 用于电机控制的d s p 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t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 为设计核心，探索开关磁 d 大连理工大学硕士学位论文 阻电机控制系统的设计，并基于一台哩相8 6 极s r m ，设计出一套开关磁阻电机调速装 置，以用于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功率变换器的分析和研 究，在此基础上后半部分主要介绍了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的开关磁阻电机控制系统的 具体设计，并用该设计进行了开关磁阻电机控制的初步试验，有了一定的试验数据和成 果，在软硬件两方面对开关磁阻电机控制系统研究这一课题的进行了有益的实践。 - 5 基于d s p 的开关磁阻电机控制系统研究 2 开关磁阻电机原理 2 1 开关磁阻电机 2 1 1 电机的结构与运行原理 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 18 6 极的开关磁阻电机的结构 f i g 2 1t h e s t r u c t u r e o f 8 6 一p o l es r m 由于具有双凸极结构，s r m 定子和转子的极数有许多种组合。通常采用就是上图 所示的定子四相8 极、转子6 极方式，也有定子三相6 极、转子4 极方式或者三相1 2 8 极等结构，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。s r m 的相数记为聊，定子极数记为胍，转子极数记为m ，步进角计为a 则有： 。 ，”= 冉：3 6 0 “ m n ( 2 1 ) ( 2 2 ) 少于三相的s r m 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3 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 - 6 大连理工大学硕士学位论文 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。 表2 1 常用的定转子极数搭配 mmm 42 2 84 62 64 3 68 1 28 48 6 51 04 运行的原理 开关磁阻电机是依靠磁阻效应运行的，其运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通 总要沿着磁阻最小的路径闭合，在磁场中，一定形状铁心的主轴线有向与磁场轴线重合 位嚣运动的趋势。利用这种趋势，开关磁阻电机以定子凸极产生磁场，转子铁心凸极形 成均匀分布的多个主轴线，只要控制定子各相顺序产生磁场，转子就总具有转向磁阻最 小位置的趋势，从而产生维持电机运转的连续转矩。这种由对相电流的控制产生的磁场 并不是如同步进电机一样，完全由电流的导通决定转予位置，而是电流的导通取决于转 子的位置，对于转子位置信息的取得，大多数是采用加装位置传感器来解决的。 2 12 电机的基本方程 图2 2 相s r m 系统示意图 f i g 2 2s c h e m a t i co fm - p h a s es r ms y s t e m ，7 基于d s p 的开关磁阻电机控制系统研究 对于m 相s r m ，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 对电端口沏相) 和一对机械端口的机电装置，如图2 2 所示。 电压方程 根据电路的基本定律，可以写出s r m 第k 相的电压平衡方程式 铲阳k + 孥 盯f ( 2 3 ) 式中 f 螗一第k 相绕组的端电压； i k 第k 相绕组的电流； 砰第k 相绕组的电阻； 吼第k 相绕组的磁链。 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s r m 各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于分析，在s r m 的计算中一 般忽略相间互感。因此，磁链方程为 每相电感“是相电流缸和转子位置角o k 的函数，电感之所以与电流有关是因为 s r m 磁路非线性的缘故，而电感随位置角变化正是s r m 的特点，是产生转矩的先决条 件。 将式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) 中得 = 墨蠢+ 等鲁+ 等警= 墨+ ( 厶+ 鲁+ 丽o l 。百d o ( 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s r m 中能量转换有关。 8 大连理工大学硕士学位论文 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 正= ，窘+ e 鲁+ 正 ( 2 - 6 ) 式中疋电磁转矩； 卜系统的转动惯量； 岛摩擦系数； 死负载转矩。 转矩公式 s r m 的电磁转矩可以通过其磁场储能( 嘲或磁共能( 厶) 对转予位置角臼的偏导数 求得，即 聊，= 乏产l ( 2 7 ) 式中，弼( f ，占) = 【甲( f ，8 ) 疥为绕组的磁共能。 式( 2 3 卜式( 2 - 7 ) 一并构成s r m 的数学模型。 尽管上述s r m 的数学模型从理论上完整、准确地描述了s r m 中电磁及力学关 系，但由于电路和磁路的非线性和开关性，上述模型计算十分困难。 2 1 3 基于理想线性模型的s r m 分析 理想线性模型 为了弄清s r m 内部的基本电磁关系和基本特性，我们从理想的简化模型入手进行 研究。为此，我们作如下假设： ( 1 ) 不计磁路的饱和影响，绕组的电感与电流大小无关； ( 2 ) 忽略磁通的边缘效应； ( 3 ) 忽略所有的功率损耗； ( 4 ) 功率管的开关动作是瞬时完成的； ( 5 ) 电机以恒转速运行。 9 基于d s p 的开关磁阻电机控制系统研究 在上述假设条件下的电机模型就是理想线性模型。这时，相绕组电感随转子位置 角目的变化关系如图2 ，3 所示。图中横坐标为转子位置角( 机械角) ，它的基准点即坐标 n a ( o = - o ) 位置对应于定子磁极轴线( 也是相绕组的中心) 与转子凹槽中心重合的位置( 把 这个位置叫做不对齐位置) ，这时相电感为最小值上。；当转予转过半个极距( 1 8 0 。i n d 时，定子磁极轴线与转予凸极中心对齐( 对齐位置) ，相电感为最大值厶。随着定、转 子磁极重叠的增加和减少，相电感在厶。和厶。之间线性地上升和下降，l ( o ) 的变化频 率正比与转子极数，变化周期为转子极距靠。 定子卞t曹卞tt 转子u u- u _ + 图2 3 定、转子相对位置与相绕组电感曲线 f i g 2 3c u r v e o f p h a s e i n d u c t a n c ew i t ht h es t a t o ra n dr o t a t o r p o s i t i o n 图2 3 中，岛为不对齐位置；岛为定子磁极与转子凸极开始发生重叠位置：毋为定 子磁极刚好与转子凸极完全重叠位置( 一般转子磁极宽度大于等于定子磁极的宽度) 临界 重叠位置；品为对齐位置或最大电感位置：自为定子磁极与转子凸极即将脱离完全重叠 的位置；翻和岛为定子磁极刚网0 与转子凸极完全脱离的位置。由此，我们可以得到理想 线性s r m 模型中相绕组电感与转子位置角的关系 三( 曰) = 。l l l 【n k ( o 一) + l “。 三 上。一k ( o 一0 4 ) 岛s 移 岛 0 2 0 岛 岛0 ( 只 0 4 目 只 式中k = ( l m 。k m ) ( 岛易) = 旺。- l 。i ，j 肛； 肛定子磁极极弧。 - 1 0 ( 2 - 8 ) 大连理二 大学硕士学位论文 相绕组磁链 s r m 一相绕组的主电路如图2 4 所示，当电机由恒定直流电源珐供电时，一相电 路的电压方程为 u ，：氓+ 些 。 甜。 式中，“+ ”号对应于绕组与电源接通时，“一”对应于电源关断后绕组续流期间。 根据“忽略所有功率损耗”的假设，则上式可以简化为 = 警= 嚣警= q 等 或d 掣= ! 星d 曰 q 式中q = d 0 d t 转子的角速度。 图2 4 一相绕组主电路 f i g 2 4c i r c u i to f1 - - p h a s ew m d m g ( 2 9 ) ( 2 10 ) 图2 5 一相绕组的磁链 f i g 2 5m a g n e t i cf l u xo fo n ep h a s ew i n d e r 开关v t i 和v t 2 的合闸瞬间( 卢o ) 为电路的初始状态，此时，甲萨0 ，萨，鼠为 定子绕组接通电源瞬间定、转子磁极的相对位置角，称为开通角。 将式( 2 - l o ) 取“+ ”，积分并代入初始条件，得通电阶段的磁链表达式为 甲= e 挚口= 告c 口扎qq 、 ”7 当日= 时关断电源，此时磁链达到最大，其值为 ( 2 - 1 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 式( 2 一1 5 ) 是一个完整的电流解析式，它是关于电源电压、电机转速、电机几何尺寸 和转子位置角目的函数。在电压和转速恒定的条件下，电流波形与开通角岛、关断角 日扔最大电感l 。最小电感上i r i i 。、定子极弧屈等有关。图2 6 和图2 7 分别画出了在 电压和转速恒定时，不同开通角和关断角对应的电流波形。 图2 6 电压、转速恒定时，对应不同 开通角的相电流波形 f i g 2 6p h a s e c u r r e n ta td i f f e r e n t0 0 图2 7 电压、转速恒定时，对应不同关 断角的相电流波形 f i g 2 7p h a s e c u r r e n ta td i f f e r e n t o o 仃 通过以上分析，我们可以得出如下结论； ( 1 ) 主开关开通角瓯对控制电流大小的作用十分明显。开通角鼠减小，电流线性 上升的时间增加，电流峰值和电流波形的宽度增大。 ( 2 ) 主开关关断角竣妒一般不影响电流峰值。但对相电流波形的宽度有影响。盆够增 大，供电时间增加，电流波形的宽度就会增大。 ( 3 ) 电流的大小与供电电压成正比，与电机转速成反比。在转速很低，如起动时， 可能形成很大的电流峰值，必须注意限流。有效的限流方式就是采用电流斩波控制。 电磁转矩 在理想线性模型中，我们假定了电机的磁路不饱和。此时，有 1 既= 职= 去f y = l i 2 二 从而电磁转矩为 珊，耻1 2 ，2 嚣 1 3 ， ( 2 16 ) 基于d s p 的开关磁阻电机控制系统研究 将电感的分段解析式代入式( 2 - 1 6 ) ，可得 z = 0 o i 0 岛 1 1 x i 2 0 2 - 0 0 3 0 岛目 幺 一上2 蔚2 0 4 m ，则转予的步进 角0 。应为： 1 4 大连理工大学硕士学位论文 色= 驾铲 转子极距角( 两个转子间的角度) 口，为 ( 2 - 1 8 ) 只：p 口。二婴( 堡坐2 ：型型立( 2 1 9 ) j 。 h s n b r 其中，p 为电动机相数，其为定子极数一半( m 2 ) 。 转子位置的变化影响位置传感器的输出，当转子转过一个步进角与下一个步进 过程交替的时候，位置信号传感器的输出就对应着一个变化，一般都是输出电信号 的高低交替，因而传感器的输出的是数字信号，控制电路接受此信号，并依据其调 整相绕组的开通与关断，以使电机保持运行。我们看到，在一个转子极距角内，有 p 个步迸角，位置信号也相应发生p 次交替变化，这也正好对应相电流导通变化的 次数，一个信号周期( 转过一个转子极距角) 过后，又回到之前的起始状态，在这 样的循环过程中，传感器输出的转子位置信号指挥绕组导电的顺序，电机就可以保 持连续的转动。 适合于开关磁阻电机调速系统使用的角位移传感器形式很多，如光电式、电磁式、 霍尔式以及接近开关式位置传感器。其中，应用最多的是光电式，它的优点是结构简 单，位置精度高，但比较怕灰尘，需要有良好的防尘罩，因而不适用于比较恶劣的环 境。图2 8 表示的是四相8 ，6 极电机的光电式传感器示意图。 图2 8 四相8 6 极s 跳位置传感器 f i g 2 8p o s i t i o ns e n s o ro f4 p h a s e8 6 - p o l es r m 1 5 基于d s p 的开关磁阻电机控制系统研究 光电位置传感器由装在轴上的齿盘和装在定子上的光电传感器件v 。l 和v 0 2 组成。 转盘固定在转子轴上，具有与转子凸极和凹槽数相等的凸齿和凹槽，而且它们成均匀分 布结构，即外弧的弧长相等：光电传感器件由光发生部件和光敏三极管接受电路组成， 固定在定子或者机壳上。 根据所用光电传感器个数的不同，位置检测的方法可分为全数检钡4 和半数检测两 种。前者所用的l 光电传感器的个数与开关磁阻电机的相数相同，后者所用个数为相数的 一半。为了产生有助于电机接受和处理的位置信号，不论对哪一种方法，相邻的光电传 感器放置的位置间的夹角晶都应该满足下式的关系： 眈：( t + 上) 绋( k = - o ，i 爿2 ) 卅 f 2 2 0 ) 其中，m 为电机相数； 屏为转子极距角； k 为菲负的整数。 如图2 8 所示，表示的是一台四相8 6 极s r m 的位氲传感器，它的a = 6 0 。，由上式 可得出其相邻光电传感器件之间的夹角应为1 5 。或者7 5 0 等依次相差6 0 0 的取值，一般情 况下，此种四相电机都才用1 5 。和7 5 。的设计，这样位置也比较好确定。 紧紧确定了光电传感器件之间的角度是不够的，传感器与定子的相对位置也同样重 要。一般情况下，光电传感器件在夹角为7 5 。时放置在a 相轴线两侧3 7 5 。处，夹角1 5 。 情况下则其中一个光电传感器件放在靠近a 相轴线处与之成2 2 5 。角处。在图2 8 中， a 相是处于和转子极重合的位置，此时其相电感最大，可以看出其与光电传感器的齿盘 是不重合的，而是由一个7 5 0 的夹角。 位置感器的输出是由齿盘凸极遮挡光电器件的光线来实现的。当凸极遮住光线的时 候，传感器输出低电平，没有遮挡的时候输出高电平，图2 9 表示的就是由图l 传感器 产生的两路输出位置信号，并且给出它们与相绕组电感之间的对应关系。 1 6 。 大连理工大学硕士学位论文 v 0 2 图2 9 四相基本位置信号 f i g 2 9b a s i cp o s i t i o ns 培n a l so f4p h a s e s 基于位置传感器的位置检测技术，在原理上是属于直接检测，是依靠固定在电机内 部的位置信号传感器来实现的。由于开关磁阻电机的特点是结构简单、牢固、成本低， 是应该能应用于恶劣环境下，然而由于位置传感器的存在，使电机本身的优势和特点明 显逊色许多，而且应用受到限制，于是对于无位置传感器技术的研究已经得到广泛的关 注。 1 7 基于d s p 的开关磁阻电机控制系统研究 3 功率变换器研究与设计 功率变换器是向电机直接提供能量的部件，它以功率开关管为主要功能器件，受控 制电路的控制，把电源能量变换为适于电机控制的形式，最终实现机电能量转化。 3 1 功率变换器研究 。 功率变换器是直流电源和s r m 的接口，在控制器的控制下起到开关作用，使绕组 与电源接通或断开；同时还为绕组的储能提供回馈路径。s r d 的性能和成本很大程度上 取决于功率变换器，因此合理设计功率变换器是整个s r d 设计成败的关键。性能优良 的功率变换器应同时具备如下条件： ( 1 ) 具有较少数量的主开关元件； ( 2 ) 可将电源电压全部加给电动机相绕组； ( 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 ) 可通过主开关器件调制，有效地控制相电流： ( 6 ) 能将绕组储能回馈给电源。 功率变换器设计的主要问题一是功率变换器主电路结构的设计，二是功率器件的选 择及其电流定额的确定。 3 1 1 功率变换器常见的主电路形式 s r d 的功率变换器电路结构有许多种，不同结构电路的主开关器件数量与定额、能 量回馈方式以及适用场合均不同，这是在设计时应考虑到的。 双开关型主电路 图3 。1 双开关型功率变换器 f i g 3 1d o u b l e - s w i t c hc o n v e r t o r 1 8 。 大连理工大学硕士学位论文 如图3 1 所示，双开关型功率变换器每相有两只主开关和两只续流二极管。当两只 主开关v t l 和v t 2 同时导通时，电源向电机相绕组供电；当v t i 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 l 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。 这种结构的主要优点一是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；二是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。 双绕组型主电路 图3 2 为双绕组型主电路，每相均有主、副两个绕组。主开关l 导通时，电源对 主绕组供电，形成图示实线箭头方向的电流 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( 续流电流方向为图中虚线箭头方向) ，向电源回馈 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 ：1 。 双绕组型功率变换器电路简单，每相只有一个开关管，开关元件少，这是它最大的 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1 ：1 ，并认为它们完全耦合，则主开关的额定工作电压应为 2 弧。实际上，主、副绕组之间不可能完全耦合，致使在1 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，电机槽及铜线利用率低，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，尤其适宜于低压直流电源( 如蓄电 池) 供电的场合。 图3 2 双绕组型主电路 f 喀3 2d o u b l e - w i n d i n g c i r c u i t 图3 3 电容分压型主电路 f i g 3 3c a p a c i t o r - d i v i d i n g - v o l t a g ec i r c u i t 1 9 基于d s p 的开关磁阻电机控制系统研究 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 m 广泛采 用的一种功率变换器电路，其电路结构如图3 3 所示。这种结构的功率变换器每相只需 要一个功率开关器件和一个续流二极管，各相的主开关器件和续流二极管依次上下交替 排布；电源被两个大电容c i 和c 2 分压，得到中点电位倥( 通常c i - - c 2 ) ；四相 绕组的一端共同接至电源的中点。 在这种电路中，s r m 采用单相通电方式，当上桥臂的开关管v t - 导通时，a 相绕 组从电容c l 吸收电能；当l 断开时，则v d ，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，为了保证上、下两个电容的工作电压对称，该电路仅适 用于偶数相s r m 。由于采用电容分压，加到电机绕组两端的电源电压仅为 尽陀，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) 。 电容分压型功率交换器电路有以下特点： 每相只用一个主开关，功率器件少，结构最简单； 电机的相数必须是偶数，上下两路负载必须均衡； 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 需要体积大、成本高的高压大电容： 电源电压的利用率低，适用于电源电压较高的场合。 h 桥型主电路 图3 4h 桥型主电路 f i g 3 4h - t y p e c i r c j u t 2 0 人连理t 大学硕j j 学位论文 如图x4 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，换相相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另部分注入导通相绕组，引起 中点电位的较火浮动。它要求每一瞬间l ：、下桥恃必须各有一相导通。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。 h 桥型主电路只适用于四相或四的倍数相s r m ，它也是四相s r m “泛采用的一种 功率变换器主电路形式。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 桥型主电路是相间的。 公共开关型主电路 图3 5 所示的电路是公共开关型功率变换器主电路，除每相各有个主开关外，各 相还有一个公共开关v t 。公共开关对供电相实施斩波控制，当v t 和v 1 、l 同时导通 时，电源向a 相绕组供电：当v t l 导通、v t 关断时，a 相电流经v d l 续流。当v t 和 v t j 都关断时，电源通过v d 和v d l 反加于a 相绕组两端，实现强迫续流换相；着v ，r 导通，v t j 关断时，相电流将经v d 续流，因a 相绕组两端不存在与电源供电电压反极 性的换相电压，不利于实现强迫换相。 具有公共开关器件的功率变换器电路，有一只公共开关管在任相导通时均开通， 一只公共续流二极管在任一相续流时均参与。该电路所需开关器件和二极管数量较双开 关型电路大大减少，可适于相数较多的场合，其造价明显降低。但相数太多，公共开关 管的电流定额和功率定额都大大增加，若其损坏，将导致各相同时失控。 图3 5 三相公共开关型主电路 f i g 3 53 - p h a s ec o m m o n s w i t c hc i r c u i t 2 l 一 墨= ! = ：竺竺塑丛蒌! 塑l 旦盟篓型堑竺! ! 塞 3 1 2功率开关器件和续流二极管的选用 f 拍口可供选择的功率”关器件主要有晶闸管( s c r ) 、可天断晶闸管f g t o ) 、功率品 体管( gr r ) 、功! 簪场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅取极 6 体管( i g b t ) 1m o s 控制晶闸管 ( m c t ) ；就目前电力电了技术发展的水平而言，低压、小功率s r d 系统功率变换器的 主开关器件可选m o s f e 。f ，中、小功率系统般都选i g b t ，而大功率系统则可选用 m c t 。 对于续流二极管，要求荩反向恢复时间短、反向恢复电流小、具有软恢复特性，这 有助于减小功率变换器的开关损耗、限制主开关和续流二极管上的电流、电压振荡和电 压尖峰，因此一般都选用快恢复二极管。