（电机与电器专业论文）基于dsp的开关磁阻电机调速系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hs i m p l es t r u c t u r e ，f l e x i b l ec o n t r o l ，g o o ds p e e dp e r f o r m a n c e a n dm a n ya d v a n t a g e so ft h es w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v es y s t e m ，i ti sw i d e l yc o n c e r n e d i nt h ee l e c t r i c af i e l d t h e r e f o r e ，t h es 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 pi s s t u d i e di nd e p t hi nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ed e v e l o p i n gp r o s p e c ta n dc u r r e n tm a i n r e s e a r c ht r e n d so fs r ds y s t e m t h e nt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o ra r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e di nd e p t h o nt h i sb a s i s ，a c c o r d i n gt ot h e n o n l i n e a ro fs r m ，l i n e a rm e t h o d sa r eu s e dt od e d u c et h es i m p l i f i e dm a t h e m a t i c a l m o d e lo fs r m o nt h eb a s i so fm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs r m ，t h eb a s i cw o r k i n g p r i n c i p l eo fs r ds y s t e mi ss t u d i e di nd e p t h ，a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n do p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so fs r da r ea l s oa n a l y z e d t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lf e a t u r e so fs r ds y s t e ma n dc o n t r o ls t r a t e g i e st h e h a r d w a r ec i r c u i t so fs r ds y s t e ma r ed e s i g n e d t h em a i nh a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d e p o w e rc o n v e r t e ra n dd r i v ec i r c u i t ，p o s i t i o nd e t e c t i o na n ds u b d i v i s i b l ea n g l ec i r c u i t ， c u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t ，p w mo u t p u tc i r c u i t ，f a u l td e t e c t i o nc i r c u i ta n dt h em i n i m a l s y s t e mc i r c u i t o nt h i sb a s i s ，a c c o r d i n gt ot h et h o u g h to ff o r e g r o u n d b a c k g r o u n d m o d u l a rp r o g r a m m i n ga n dt h em a i nf u n c t i o n so fs r ds y s t e m ，t h es o f t w a r eo fs r d s y s t e mi sd e s i g n e da n dt h ef l o wc h a r to fm a i np r o g r a ma n ds u b p r o g r a ma r ep r o v i d e d f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h en o n l i n e a ra n ds t r o n gc o u p l i n go fs r m ，f u z z ys e l f - t u n i n g p i dc o n t r o la l g o r i t h mf o rs r di su s e di nt h i sp a p e la n dt h es r d s y s t e mb a s e do n f u z z ys e l f - t u n i n gp i di s s i m u l a t e da n ds t u d i e d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e c o m p a r e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fs 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 n c o n v e n t i o n a lp i d t h ec o m p a r i s o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e s y s t e mb a s e do nf u z z ys e l f - t u n i n gp i d h a sh i 【g hs p e e dr e s p o n d ，s m a l lo v e r s h o o ta n d g o o dr e s t r a i ni n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e ，s oi t i so b v i o u s l yb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a l p i dc o n t r o la l g o r i t h m t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed s pc o n t r o l l e r , w h i c hh a v eh i g h s p e e dc o m p u t i n g a b i l i t ya n dh i g h l yi n t e g r a t i o na n di n t e l l i g e n tf u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h m t ot h es w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v es y s t e m ，a n di tg e t sag o o dc o n t r o le f f e c t t h e r e f o r e ， i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nt h i ss y s t e mh a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u e k e yw 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 s p , d r i v es y s t e m ，f u z z ys e l f - t u n i n g ，p i d m 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垒盈e t 研究生签名：垒坐 关于论文使用授权的说明 期：呈! 堡：量：z 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：丝丝 导师签名：研究生签名：垒! ! ! 塾导师签名：芬磕日期：2 巡：乏： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 开关磁阻电机调速系统既有直流电机调速系统的优点，又有交流电机调速 系统的长处，它是在变频调速系统以及无刷直流电机调速系统发展之后，又发 展起来的新一代无级调速系统，也是综合了电工理论技术、微电子技术、数字 模拟电子技术、微型计算机控制技术、现代电磁场理论以及红外光电技术为一 体的新型高科技技术【1 】【2 】【3 1 。 1 1 课题的研究背景和意义 在1 9 世纪5 0 年代初，开关磁阻电机这一名词最初出现，在那时，英国的 两位科学家最初设计了开关磁阻电机的模型，但是当时的科技没有现在这么发 达，因此当时s r 电机的运行性能不佳1 2 | i 引。 到了2 0 世纪6 0 年代，随着各种大功率开关器件出现以及电力电子技术飞 速发展，使得开关磁阻电机调速系统的研究和发展有了技术和产品的支持。在 1 9 6 7 年初，英国的一所著名大学对开关磁阻电机进行比较深入和全面地研究， 当时得出了利用单相电流的开关磁阻电机四象限运行的结论。然后，在1 9 7 5 年， 英国的一个联合小组，成功地研制出一套小功率的s r d 装置，此装置的单位输 出功率和效率都明显的高于同型号的其它电机驱动装置【4 j 【5 j 。 1 9 8 0 的时候，英国那所著名大学里的研究人员在总结了他们所研究成果的 基础上，发表了很经典的论文“v a r i a b l e s 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 ( 变速 开关型磁阻电机) ”，这一论文标志着s r d 系统正式得到国际电气学术界的认可。 该论文首先将“s w i t c h e dr e l u c t a n c e 这一词汇用在径向气隙电机中，并系统地 阐述了s r 电机的原理和设计理论，同时也对s r 电机的运行特性和控制方式进 行了研究，这些研究工作为后来s r 电机的深入探讨奠定了很高的理论基础【6 】【7 l 。 在1 9 8 3 年初，英国的一家公司研制出了一系列的通用s r d 系统产品。后来 在1 9 8 4 年至1 9 8 6 年期间，德国也先后推出了不同功率等级的s r d 系统样机。 此后，s r d 系统作为一种结构简单、价格便宜的新型调速系统，很快在世界各 国的电气传动界得到了广泛重视。在英国研究工作者所研究的成果之后，美国、 武汉理工大学硕士学位论文 加拿大、南斯拉夫等国家都相继开发了自己的开关磁阻电机调速系统【4 1 。其中， 加拿大和前南斯拉夫在s r 电机的运行理论和电磁场分析方面做出的贡献比较突 出；此外，许多研究人员还研究了新型的s r 电机，如外转子式s r 电机、直线 式s r 电机和盘式s r 电机掣8 j 1 9 l 。 我国是从1 9 世纪8 0 年代开始对开关磁阻电机进行研究和开发工作的，在 1 9 9 2 年的时候，我国最先成立了中国电工技术学会下属的开关磁阻电机学组， 以便来推动我国对开关磁阻电机的研究和开发工作。此后，我国在英国的研究 成果基础上，开展了大量的s r 电机及其驱动系统的研究工作，一些著名高校及 科研机构，如华科、中纺机电所等多家机构从1 9 世纪8 0 年代陆续开始研究s r d 系统。目前，在我国已经有一批小功率的s r d 系统推广和应用到了许多领域中， 这些产品已被广泛用于电动汽车、风机水泵、煤矿设备、纺织机械、吸尘器和 各种调速系统等各个领域【1 0 1 【1 1 1 。 在开关磁阻电机的结构方面，由于其采用的是双凸极结构，所以s r 电机的 磁链很容易达到高度饱和，因此开关磁阻电机调速系统是一个时变的、非线性 的复杂系统【9 1 。同时，s r 电机的转矩又是电机的定子电流和转子位置的非线性 的复合函数，如果采用常规的线性控制方法，比如常规的p i d 算法是很难满足 动态较快的s r 电机的非线性和变参数的要求。另外，s r 电机与其它的电机相 比，它的转矩脉动比较明显，而且s r 电机的噪声及转速波动也比较大，这些缺 点在很大程度上限制了它在市场中应用【1 2 l 。如果在现阶段的研究工作中，能够 有效地解决这一系列问题，肯定会带来比较可观的应用前景。因此本文对基于 d s p 的开关磁阻电机调速系统进行深入研究，具有广阔的市场应用前景和重要 意义。 1 2s r d 系统的特点和研究动态 1 2 1s r d 系统的特点 开关磁阻电机调速系统作为一种新型的调速系统，其s r 电机的本体结构、 功率变换器形式以及控制方式与其他电机都有所不同。因此s r d 系统具有自己 独立的个性特点，其具体的特点主要表现在： 1 ) s r 电机的转子上没有绕组，没有相间跨接连线，只在定子上有集中绕组， 2 武汉理工大学硕士学位论文 因此s r 电机的具有结构比较简单、制造工序较少、成本比较低、工作可靠、适 合于高速运行等特点。 2 ) s r 电机的损耗主要集中在电机的定子上面，因此易于电机的冷却；同时 转子上既无绕组也无永磁体，因此转子可允许有较高的温升，并可以以极高的 转速旋转，而且能适用于各种恶劣，甚至强振动的环境【8 j 。 3 ) s r 电机的转矩方向与相电流的极性没有关系，即只需单向电流激磁，因 此功率转换器的主开关元件需求比较少，这使得主电路也比较简单。另外，每 个主开关元件都要与电机绕组串联，这样也就有效地避免了直通短路现象 9 1 。 4 ) s r 电机从电源吸取较小的电流就可以获得较大的输出转矩，因此s r 电 机具有起动转矩高、起动电流小、可以频繁起、停的特点i l 。 5 ) s r 电机调速系统的运行效率比较高、调速范围也比较宽、控制参数也比 较多、而且还具有易实现正、反控制及四象限运行的特点。 6 ) s r 电机调速系统的一个显著缺点是系统中振动和噪声比其它的电机大， 而且在调速系统设计时，s r 电机与控制器间的连线也比较多i l 引。 1 2 2s r d 系统的研究动态 s r d 系统的理论与应用研究虽然已经取得了很大成就，但在某些方面也存 在不少亟待解决和进一步完善的问题。目前，s r d 系统的研究动态主要集中在： 1 ) s r d 系统的优化。s r d 系统是由s r 电机及其控制装置构成的，因此， 在设计时必须对电机模型和控制装置综合考虑，进行全局优化，这一课题是目 前s r d 系统研究的重点。 2 ) s r d 系统的新型控制技术的开发。专用集成电路( a s i c ) 和具有高速运 算能力的d s p 控制器，为s r d 系统能够实现较高性能的控制提供了硬件平台。 所以，目前研究这种具有高动态性能、能抑制参数变化、扰动以及各种不确定 性的s r d 系统控制技术成为近期的重要研究课题。例如s r d 系统的直接转矩控 制、智能控制技术的研究都已成为目前研究的热点1 1 4 1 。 3 ) 无位置传感器s r d 系统的研制。开关磁阻电机调速系统的一个基本特征 就是位置闭环控制。然而，如果在系统中使用位置传感器，会使s r d 系统的结 构变得复杂，同时系统的可靠性也有所降低。为此研制实用的无位置传感器的 s r d 系统也是当前非常重要的研究课题之一。 武汉理工大学硕士学位论文 4 ) s r 电机的铁损耗分析和效率研究。s r d 系统是效率较高的调速系统， 但是准确计算s r 电机的铁损耗非常难。这主要是因为s r 电机的供电波形比较 复杂以及s r 电机的双凸极结构的特点产生的磁路饱和所造成的。影响s r 电机 效率的主要原因是铁损耗，特别是在高速运行时，铁损耗的影响是相当大的。 因此，目前建立准确、实用的铁损耗计算模型是当今重要的研究课题之一1 1 5 。 5 ) s r d 系统的振动和噪声的研究。s r d 系统是由脉冲方式供电，因此系统 的瞬时转矩脉动会比较大，低速的步进状态也比较明显，振动噪声较大。减少 s r 电机振动和噪声主要应该从作用在定子上的径向力的大小来考虑。从电机的 本身结构来讲，应该合理设计磁极的形状、电机刚度、定子磁轭强度、气隙等 参数。从控制的角度来考虑的话，应该是选择更优的导通角、关断角以及寻求 新的控制方案，只有这样才能有效地解决上述问题，因此，上述问题的研究也 是s r d 系统当前的研究重点l l 酬。 1 3 本文主要研究内容 本文针对s r d 系统的特点，采用组合式的控制策略，即在低速时，采用电 流斩波控制方式，在高速时，采用角度位置控制方式。同时，由于s r d 系统的 非线性，本文将模糊自整定p i d 算法引入到调速系统的速度环中，然后对基于 模糊自整定p i d 的s r d 系统做仿真研究。 第1 章为绪论。本章主要介绍课题的研究背景、目的和意义，然后简要阐 述s r d 系统的特点和目前的研究动态。 第2 章为开关磁阻电机调速系统的基本工作原理。本章首先详细介绍s r 电机的基本结构和工作原理，然后根据s r 电机的基本方程，建立s r 电机的电 感模型和电磁转矩模型。然后在此基础上，深入地分析开关磁阻电机调速系统 的控制策略以及运行特性。 第3 章为开关磁阻电机调速系统硬件设计。本章首先对s r d 系统的结构进 行分析，明确各硬件模块的功能，制定s r d 系统设计方案。在此基础上，设计 系统各个功能模块的硬件电路。系统的硬件电路应主要包括：功率变换器以及 驱动电路、位置检测和角度细分电路、电流检测电路、p w m 输出电路、故障检 测电路以及最小系统电路，最后阐述系统的电磁兼容性问题。 第4 章为开关磁阻电机调速系统软件设计。本章首先介绍软件开发平台 4 武汉理工大学硕士学位论文 c c s 2 0 ，然后针对s r d 系统的功能，提出s r d 系统的软件设计思想。在此基 础上，编写s r d 系统的程序，其主要程序应包括：主程序、初始化程序、起动 子程序、位置中断子程序、电流斩波子程序、控制算法子程序以及故障中断子 程序。 第5 章为基于模糊自整定p i d 的开关磁阻电机调速系统仿真研究。本章首 先介绍模糊控制原理，然后根据模糊控制原理，针对s r d 系统调速特点，设计 模糊自整定p i d 控制器。最后在s r d 系统以及模糊理论的基础上，对基于模糊 自整定p i d 的开关磁阻电机调速系统进行仿真，并对仿真结果进行分析和研究。 第6 章为总结与展望。本章主要对全文进行总结，总结基于d s p 的开关磁 阻电机调速系统的设计和仿真结果，并展望下一步的工作。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章s r d 系统的基本工作原理 2 1s r 电机的基本结构和工作原理 开关磁阻电机是s r d 系统的执行元件。在结构上，它与步进电机相似，其 运行原理也遵循的是“磁阻最小原理 ，即磁通总是沿着磁导最大的路径闭合， 从而产生切向磁拉力，试图将转子的轴线与相近的定子轴线对齐以达到磁阻最 小的位置，从而使s r 电机转子转动起来【1 0 1 。 2 1 1s r 电机的基本结构 由s r 电机的结构原则可知，s r 电机的转子在旋转时，磁路要尽可能有大 的变化，所以s r 电机通常采用的是双凸极结构。s r 电机按其相数可分为：单 相、两相、三相及多相s r 电机；按每极的齿数可分为：单数齿结构和多齿结构； 按气隙可分为：轴向式、径向式和径向一轴向混合式【1 1 】。本文的调速系统中所 选用的s r 电机是四相( 8 6 ) 极开关磁阻电机，其定子有8 极，转子有6 极， 定、转子的凸极都是由普通的硅钢片叠压而成。而且定子上装有集中绕组，径 向相对的两个绕组串成一相，但转子上没有绕组和永磁铁，这是s r 电机的一个 重要特征。其四相8 6 极开关磁阻电机的结构如图2 1 所示。 图2 - 1 四相8 6 极开关磁阻电机的结构 2 1 2s r 电机的基本工作原理 开关磁阻电机是根据磁阻最小原理工作的，电机中的磁通总沿着磁阻最小 6 武汉理工大学硕士学位论文 的路径闭合，从而迫使磁路上的导磁体运动到磁阻最小的位置为止。例如在图 2 - 1 中所示，当a 相绕组单独通电时，在电机内就会建立以a - a 为轴线的磁场， 该磁场作用于转子，由于磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，从而使转子会受 到切向的磁拉力，这样就会迫使转子极1 - 1 与临近的定子极轴线a - a 重合， 从而使转子转动，并使a 相励磁绕组的电感最大。这时将a 相断电，b 相绕组 通电，就会在b b 轴线上建立磁路，则磁场产生的磁拉力会使转子极2 2 与 定子极轴线b b 重合，从而使电动机逆时针转动。由此可见，如果依次给 a b c d 相绕组通电，转子就会按与励磁顺序相反的方向以逆时针方向连续旋 转。反过来，如果依次按b c d a 顺序通电，转子就会按照顺时针的方向转动。 由上面讨论的结果可知，s r 电机的转动方向总是与磁场轴线的移动方向相 反，如果改变s r 电机定子绕组的通电顺序，便可以改变电机的旋转方向，而改 变通电相电流的方向，并不影响转子转动的方向，这是s r 电机的一个重要特征。 对于m 相的s r 电机而言，如果定子齿数为。，转子齿数为，则转子的 极距角( 简称转子极距) 为f l l 】： ，” f ，；竺 ( 2 z - 1 ) f ，； ll j j n t 步距角为每相绕组通电、断电一次转子转过的角度，其值可表示为【1 l l ： 口。立旦 ( 2 2 )口_ - l z - z j mm n r 转子每旋转一周，则转过3 6 0 0 ，则由公式( 2 2 ) 可得，转子每转一周所走 的步数为【1 1 l ： 。竺。m n , ( 2 - 3 ) 口p 如果要使s r 电机的转子旋转一周，那么其m 相绕组需要轮流通电札次， 所以s r 电机的转速n ( r m i l l ) 与各相绕组的通电频率无之间的关系可表示为i l l 】： 狞。盟 ( 2 4 ) n ， 由公式( 2 4 ) 可得，功率变换器的开关频率为： z2 峨叫，盖( 2 - 5 ) 2 2s r 电机数学模型的建立 s r 电机的基本结构和基本工作原理都比较简单，但由于它的双凸极结构、 7 武汉理工大学硕+ 学位论文 涡流、磁路的饱和以及由磁滞效应产生的非线性，再加上s r 电机在运行期间的 开关性和可控性，使得s r 电机的各个物理量成为转子位置变化的周期函数。而 且s r 电机的定子绕组中的电流和磁通关系也是不规则的，很难用传统的分析电 机的方法简析计算s r 电机的各物理量的方程。虽然这样，但是由理论知识可知， s r 电机内部的电磁过程仍然符合电磁感应定律、全电流定律等基本的电磁定律， 通过这些定律，就可以近似写出s r 电机的各物理量的基本方程。 常用求解s r 电机基本方程的方法有：线性化法、准线性化法和非线性化法 三种1 1 2 1 。线性化法是指在一些参数简化的条件下，推出s r 电机中各物理量的解 析计算式，使用这种方法虽然精度比较低，但通过这些近似的解析式可以了解 s r 电机工作的基本特性以及各参数之间的相互关系，也可以为深入研究各种控 制方法提供有力的依据，本文采用线性化法求解各变量的解析式，其所求出的 s r 电机基本方程如2 2 1 节所示。 2 2 1s r 电机的基本方程 s r 电机随着转子位置的变化，电机中各物理量和参数之间的关系产生非常 复杂的变化。但是，如果忽略s r 电机内部的铁芯损耗，且认为各相结构和参数 相同或对称。在这种假设条件下，则可得如下所示的s r 电机的基本方程。 1 ) 电压方程 由电路的基本定律可知，加在各相定子绕组端的电压，等于电阻的压降与 各相磁链变化而产生的感应电动势之和，即可以写出s r 电机第k 相的电压平衡 方程式为1 1 2 1 ： 。r + 警 ( 2 - 6 ) “l 式中：第k 相绕组的端电压。 冠第k 绕组的电阻。 丘第k 相绕组的电流。 妒。第k 相绕组的磁链。 2 ) 磁链方程 s r 电机各相绕组的磁链是本相绕组的相电流与电感、其余各相绕组相电流 与互感以及转子位置角的函数，但对于s r 电机的自感而言，各相绕组之间的互 感相对比较小。根据线性化分析法，在计算过程中，忽略s r 电机中各相绕组间 8 武汉理工大学硕士学位论文 互感。那么可得磁链方程为： 缈。一厶( b ，) ( 2 - 7 ) 由于s r 电机磁路的非线性，所以每相电感厶是相电流和转子位置角吼的 函数，将( 2 7 ) 代入( 2 6 ) 中可得： 置t + 簧鲁+ 等等一最t + ( 厶+ 屯鲁) 鲁+ t 石a l k 石d o ( 2 - 8 ) 由公式( 2 - 8 ) 表明，电源的电压可分为三部分压降。在公式( 2 8 ) 的等式 右端第一项r 表示第k 相回路的电阻压降：第二项( 厶+ 皈甄) ( 呶衍) 表 示由电流变化引起的磁链变化而感应的电动势，也称作为变压器电动势；第三 项不( a 厶l a o ) ( a o i d t ) 表示由转子位置变化引起绕组中磁链变化而感应的电动 势，也称作为运动电动势【1 羽。 3 ) 机械运动方程 s r 电机在电磁转矩和负载转矩作用下，根据牛顿运动定律，则可以写出转 子的机械运动方程为1 1 2 1 ； t , - j 窘+ 吃警+ 瓦( 2 - 9 ) 式中：电磁转矩。 ，系统的转动惯量。 k 。摩擦系数。 瓦负载转矩。 4 ) 转矩方程 s r 电机内的电磁转矩，可以通过磁共能形和对转子位置角的关系表达，其 具体方程为1 1 2 l ： 乏。业丝丝掣 ( 2 1 0 ) ，i i ，i - i d 式中畈绕组的磁共能 2 2 2s r 电机的相电感模型 由2 2 1 节可知，s r 电动机内部的电磁关系非常复杂，所以很难准确计算出 电机磁路的关系。本文为了弄清楚电机内部的电磁关系，对电机进行线性模式 分析。假设不计电机磁路饱和的影响，绕组的电感与电流大小也无关，并忽略 磁通的边缘效应和所有的功率损耗，这样得到的相电感即是理想的相电感，其 9 武汉理工大学硕士学位论文 理想化的相电感随转子位置角0 变化的规律如图2 2 所示。 后 沿 图2 2 定、转子相应位置与相绕组电感曲线 在图2 2 中，令定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置为0 = 0 的位置。此 时的相电感是最小值l 在o l 一幺范围内转子凸极与定子凸极不重叠，相电感 始终保持为最小值l 这时磁阻是最大的。当转子转到幺位置后，转子凸极的 前沿开始与定子凸极的后沿对齐。此后，转子和定子开始随着转子角的增加而 部分重叠，相电感开始线性地增加，直到幺位置为止，这时转子凸极的前沿与 定子凸极的前沿对齐。因为转子与定子凸极完全重合，所以这时相电感达到最 大值三。，但磁阻最小，这种情况一直保持到只的位置。见是转子凸极的后沿 与定子凸极的后沿对齐的位置，转过眈后，转子和定子开始随着转子角的增加 而部分错开，相电感开始线性地下降，直到转子凸极的后沿与定子凸极的前沿 对齐，即到侠位置。随后，转子凹槽开始进入定子凸极区域，相电感重新减到最 小值k 讪磁阻最大。以此类推进行循环【l 训。其理想化的相电感与转子位置角的线 性方程式为t 徊) = k证(ol s 0 色) k ( o 一吼) + m i 。( 0 2s0 岛) ( 2 1 1 ) 三m越(03 s 0 吼) 一一k p 一吼) ( 吼s0 岛) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 式中，k = ( k k ) 孱，尼定子磁极弧。 2 2 3s r 电机的电磁转矩 在理想的线性模型中，如果假设s r 电机的磁路不饱和，则有： 既一吃；三砂一1 2 l f 2( 2 - 1 2 ) 从而得出电磁转矩为t 聊) = i l f 2 嚣 将电感与位置角的线性方程代入( 2 1 3 ) ，可得： - ( 2 - 1 3 ) 0(01 s 0 0 2 ) 丢( 吣口 0 3 ) ( 2 - 1 4 ) 0(03 s 0 n bn mn sz op sp m p b n bn bn bn mn mn sz oz o n m n b n bn mn sn sz oz o n s n bn m n sn sz op sp s z 0n mn m n sz 0p sp mp m p sn mn sz 0p sp sp mp b p mz oz op sp sp mp bp b p bz 0z 0p sp mp mp bp b 亟堡壅王丕芏堡主塑堡塞 表5 - 3 删的模糊规则表 n bn mn sz 0p sp mp b n bp sn sn bn bn bn mp s n mp sn s n bn mn m n s z 0 n sz 0n sn mn mn sn sz o z 0z o n sn sn sn s n sz 0 p sz 0z 0z 0 z oz 0z oz o p mp bn sp sp sp sp sp b p bp bp mp mp m p sp s p b 然后在模糊规则编辑器中，将表5 l 、表5 2 、表5 - 3 中的规则写成条件语 句“i f ( a ) a n d ( b ) t h e n c 、d 、e 玎的形式。其模糊规则编辑器如图5 - 5 所示。 5 2 5 解模糊设计 图5 5 模糊规则编辑器 通过模糊推理决策得到的控制变量是一个模糊量，只有采用合理的方法将 模糊的量转换成为精确量，才能用于被控对象。常用的解模糊方法有以下三种。 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 最大隶属度法。 在模糊控制器中，若经过模糊推理算法得出的输出量，如果其模糊集合c 的 隶属度函数中只有一个最值，那么最值所对应的那个元素就是清晰值【4 3 l ，即： a e ( z o ) 侔( z ) ，z e c ( 5 1 ) 公式( 5 1 ) 中的z 0 表示清晰值。 若经过模糊推理得到的输出量的隶属度函数有多个最值，那么这些最值的 平均数即为清晰值【4 3 1 。假若其隶属度最大的元素z 0 有多个，则有 p ( z ：) 一( 菇) 一肛( 菇) ( 5 - 2 ) 其中，1 2 ) 、 材o 。上l 上一 。( 材，) 式中：u 厂模糊量输出，岵一清晰化输出量，胁( u i ) 一模糊量的隶属度。 本系统中的模糊控制器采用加权平均法进行解模糊化。经模糊逻辑调整出 的三个修正参数m f p 、a k i 和a k d 与p i d 控制器的初始设定值印、鼢、尉分 武汉理工大学硕士学位论文 别相加后再输入到p d 控制器【4 5 l 【蚓。即经过如下公式计算： k p ；k p + ak p ki - ki + ki k d k d + k d 5 3 基于模糊自整定p i d 的s r d 系统仿真 ( 5 6 ) ( 5 - 7 ) ( 5 8 ) 根据第2 章的开关磁阻电机调速系统的控制策略可知，调速系统中必须引 入转速环和电流环。因此，在本系统仿真模型中，电流内环采用经典的p i d 控 制算法，转速外环采用模糊自整定p i d 控制算法。根据模块化建模的思想，将 整个系统可以分割为各个功能独立的模块。其主要模块包括，速度模糊自整定 p i d ( f u z z y 模块、电流 ( i 模块、模块、功率转p i d ) p i dpid)pwmc r e a t e r 换器( c o n v e r t e r ) 模块、位置传感器模块、电流检测模块。 1 ) 速度模糊自整定p i d ( f u z z yp i d ) 模块 根据5 2 节所介绍的模糊自整定p i d 控制器设计原理和设计步骤，可在 s i m u l i n k 环境下，组建出开关磁阻电机调速系统中的基于模糊自整定p i d 控制算 法的速度环仿真模型，其速度模糊自整定p i d 仿真模型如图5 6 所示。 图5 6 速度模糊自整定p i d 仿真模型 2 ) 电流p i d ( ip i d ) 模块 l dd e d v a t i v e 图5 7 电流p i d 仿真模型 5 1 武汉理工大学硕士学位论文 ”p w m c r e a t e r 模块 在p w m c r e a t e r 模块中，c o u n t 信号是来自于双闭环f u z z y _ p i d 控制器和 i - p i d 控制器的输出，c o u n t 值的大小可以在线修改p w m 的占空比，s i g n a l 信号 来自于位置传感器，根据位置传感器的检测到的位置信号来通断p w m 信号，从 而功率变换器的中i g b t 主开关。其p w m 信号产生模块如图5 - 8 所示。 s u b s y s t e m 2 图5 8p w m 信号产生模块 4 ) 位置检测和电流检测模块 s r 电机的位置信息主要由位置传感器进行检测，本系统仿真模型中的位置 传感器( p o s i t i o ns e n s o r ) 由s 函数编写来实现。在s 函数中，可以灵活修改电 机的开通角和关断角，从而实现角度位置控制策略。本系统中的电流检测由 s i m u l i n k 中的m a x 模块实现，m a x 模块可以实时地检测s r 电机中各相绕组的电 流最大值。其位置检测和电流检测仿真模型如图5 - 9 所示 ii ：p o s i t i o n _ s e n s o r： - - 1 图5 - 9 电流检测和位置检测仿真模型 5 2 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 功率转换器模块 在功率转换器模块中，v 1 、v 2 为电源接口，g a 、g b 、g c 分别为p w m 门控信号接口，( a 1 , a 2 ) 、( b 1 ，b 2 ) 、( c 1 ，c 2 ) 、分别为接s r 电机各相绕组 接口。其功率转换器仿真模型如图5 1 0 所示。 v 2 图5 1 0 功率转换器仿真模型 6 ) 基于模糊自整定p i d 的开关磁阻电机调速系统仿真模型 在s i m u l i n k 环境中，调出s r 电机模型，然后再将以上所搭建的各模块组合 起来，则可得系统总仿真模型1 4 7 1 1 删，如图5 1 l 所示。 2 4 0 v p o s i t i o n s e n s o r 图5 1 1 基于模糊自整定p i d 的开关磁阻电机调速系统仿真模型 5 3 武汉理工大学硕士学位论文 7 ) 系统的仿真参数设置 在对基于模糊自整定p i d 的开关磁阻电机调速系统进行仿真时，必须要对 模糊自整定p i d 控制器以及和开关磁阻电机相关的初始参数进行准确设定后才 能顺利进行。仿真模型中的具体参数设置如下： ( 1 ) 将转速给定值设定为1 0 0 0 r m i n ，即阶跃信号的幅值为1 0 0 0 。 ( 2 ) 根据调速系统的输入给定值和误差变化率，可以计算出模糊自整定p i d 控 制器中的量化因子分别为：妇= 0 0 0 9 ，k e c - - 0 0 0 8 。比例因子分别为：助= 0 0 0 1 ， k i = o 0 0 1 k d = 0 0 0 2 。 ( 3 ) 根据测试，设定初始p i d 控制参数分别为：勋= 0 0 1 5 ，k i = 0 0 1 3 ，k d - - 0 。 ( 4 ) 将s r 电机的参数设定为：类型：6 4 ：初始速度和位置：l o ，0 】；额定电压： 2 4 0 v ；额定功率：l l k w ；额定转速：1 0 0 0 r m i n ；额定转动惯量：0 0 0 7 5 k g m 2 ； 初始转矩：o 。 5 4 仿真结果与分析 将基于模糊自整定p i d 的开关磁阻电机调速系统仿真模型按图5 1 1 搭建好 后，在转速输出端 加一个修正系数，使转速单位转化为 。再将仿真时间设为2 0 s ，运行仿真，则可得如图5 1 2 的仿真曲线。 图5 1 2 基于模糊自整定p i d 的开关磁阻电机转速仿真曲线 将图5 - 儿所示的仿真模型中的f 叱y _ p i d 模块用常规p | d 代替- 并且与基 于模糊自整定p i d 的开关磁阻电机调速系统进行对比，则可得如图5 1 3 所示的 对比曲线。 常规p i d 1 一，一一一一 一 模糊白整定p d 8 呻r i 0 j 4 0 l 02 4 681 0 1 21 4 1 61 8 m m “s 图5 1 3 模糊自整定p m 与常规p i d 转速对比曲线 1 m + 一一常规p d 1 r f 一 1 4 。- t 扰信号 r 模糊自整定p d l i ” m m d s 图5 1 4 在干扰信号下模糊自整定p i d 与常规p i d 转速对比曲线 为了验证在不同给定转速的情况下，输出转速的结果是否稳定，将s r 电机 一唑 武汉理工大学硕士学位论文 的转速重新设定为1 6 0 0 r m i n ，仿真时间设为3 0 s ，并在2 0 s 处加一干扰信号，其 仿真结果如图5 1 4 所示。 1 1 m e s 图5 1 5 模糊自整定过程p i d 参数曲线 由仿真结果图5 1 3 可知，基于模糊自整定p i d 的开关磁阻电机调速系统的 静态性能要比基于常规p i d 的开关磁阻电机调速系统好。具体表现在，模糊自 整定p i d 控制算法使s r d 系统响应速度加快，有效地减少了系统的超调和振荡， 并且使s r 电机的调速过程更加平滑。 由仿真结果图5 1 4 可知，当s r d 系统的给定转速重新设定后，基于模糊自 整定p i d 的s r d 系统也会在很短时间内趋于稳定。仿真试验表明，在不同转速 情况下，系统均具有自调整能力，而且基于模糊自整定p i d 的开关磁阻调速系 统抗干扰能力也比基于常规p i d 的开关磁阻电机调速系统强。图5 1 5 所示的是 在模糊自整定p i d 控制器运行过程中，对p i d 控制器中的印、k i 、k d 三个参 数调整的变化曲线，从曲线中可以发现，在仿真系统运行的开始过程中，p i d 的 三个参数在不断的被在线调整，当系统达到稳定时，三个参数趋于稳定值。这 也正是模糊自整定p i d 控制器的功能所在。 综上所述，基于模糊自整定p i d 的开关磁阻电机调速系统具有相应速度快、 超调量小以及抗干扰能力强的优点。 武汉理工大学硕士学位论文 5 5 本章小结 本章首先介绍了模糊控制原理，在此基础上，针对s r d 系统的要求，设计 了模糊自整定p i d 控制器。然后将模糊自整定p i d 控制器引入到开关磁阻电机 调速系统中，对基于模糊自整定p i d 的开关磁阻电机调速系统进行了仿真，并 与基于常规p i d 的开关磁阻电机调速系统进行了对比，对比结果表明，模糊自 整定p i d 控制器应用在开关磁阻电机调速系统中，可以使调速系统获得良好的 动、静态性能。 5 7 武汉理工大学硕士学位论文 6 1 全文总结 第6 章总结与展望 近年来，开关磁阻电机调速系统作为一种新型的机电一体化动力系统，它 的运行可靠、成本低、控制灵活和效率高等诸多优点已被许多业界人士广泛重 视。鉴于上述优点，本文对基于d s p 的开关磁阻电机调速系统做了深入研究。 本文首先系统地分析了开关磁阻电机的结构、工作原理以及调速系统的构成和 控制原理，在此基础上，采用了电流斩波控制和角度位置控制的组合式控制策 略对s r 电动机进行分段调速。然后针对s r d 系统的功能，设计了基于 t m s 3 2 0 u 砣4 0 7 d s p 控制器的开关磁阻电机调速系统的硬件控制电路和软件程 序。最后将模糊自整定p i d 控制算法引入到调速系统中，并通过m a t l a b s i m u l i n k 进行了仿真研究。本文所做的主要工作如下： 1 ) 针对现阶段国内外对开关磁阻电机调速系统的研究现状，总结了目前开 关磁