（电机与电器专业论文）基于dsp的开关磁阻电机模糊控制研究.pdf

基于d s p 的开关磁阻电机模糊控制研究 r e s e a r c ho nf u z z yc o n t r o lo fs w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v eb a s e do nd s p 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 ei sv e r yp o t e n t i a la san e wk i n do fm o t o rd r i v es v s t e m ，i t b e c o m e sp e o p l e ss u b j e c “n v e s t i g a t e db e c a u s eo fi t sg o o d p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rs t u d i e st h e h a r d w a r e ，s o 厅w a r eo ft h es r db a s e do nd i g 妇ls i g n a lp m c e s s o r ，a n dd e s 追n sah y b r i d c o n t r o l l e rc o n t a i n sf h z z vc o n t r o l l e ra i l dp ic o m r o n e rf o rs d e e dc o n t r o ls i n c et h et r a d i t i o n a l c o n t r o l l e rc a i l tp e r f o m a l l c ew e l l ，a n da tl a s tt r i e st ou s er t o sf o rs r d t h ef i r s tc h a p t e r i m r o d u c e st h eh i s t o r ) r 、a d v a n t a g ea 1 1 dd i s a d v a r 】t a g e 、d c v e l o p m e n to fs r m ，a i l di n t r o d u c e s t l l ed e v e l o p r n e n to f 氛l z z yc o n t r 0 1 l e r 、d s pc h i p 、r t o sa i l dw h a th a v ed o n e t h es e c o n d c h a p t e r si m r o d u c e st l l es t r u c t u r ea n d 也e o r yo fs i t ma n dt h eu n i t so fc o n t r o ls v s t e ms u c ha s p o s i t i o nd e t e c t i o nu n i ta i l dc u r r e mm e a s u r e m e n tu n i t ，a n dm e nd e s i g n st h ep o w e ri n v e r t e ro f s r d ，a tl a s td e s i g n st h ec i r c u i t so fe v e r yp a t to ft h eh a r d w a r eo fs r d n l et h i r dc h a p t e r 6 r s t l yd i s c u s s e st h ec o n 仃o lm o d e sa f l dm ef e a t i l r e so ft h e m ，a n dd e s i g n st h ec o n t r o lm o d eo f t | l i ss f ) b a s e do nt i l eh a r d w a r e ，a 芏l dt h e nd e s i g n st h ef u z z yc o n 仃0 1 l e ra i l dg i v e sh o wt o s i m u l a t en o a t i n g p o i n tc a l c u l a t i o no nn x p o i n td s pt oi m p l c m e n tr e a l - t i m ec a l c u l a t i o n ，a tl a s t s h o w st h ea l g o r i t l l i i lo fp ic o n t r o l l e r n l ef o n hc h a p t e rd e s i g i l st h es o 脚a r eo f c o m r o ls y s t e m ， a n ds h o w st h en o wc h a r ta n d 如n c t i o no fe v e r vs u b r o u t i n e i n n d d u c e st l l ef c a t u r e sa n dt h e o r v o fuc o s i ia i l dh o wt ot r a n s p l a l l ti tt ot m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，a i l dt h e nd e s i g n st h es o f t w a r eo f s r db a s e do n pc o s - i i 柚dm a k e sac o n c l u s i o n t h ef i 舫c h a d t e rs h o w st 1 1 ee x d e r i m e n t c u r v e so fs p e e dw h e nt h es p e e dc o n t r o l l e ro fs y s t e mu s e sp i 、f - u z z y 、h y b r i dc o n t r o l i e r ，a n d m a k e sac o n c l u s i o na t1 a s t k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ：d i g i t a is i 驴a lp r o c e s s o r ；f u z 科c o n t r o l ； uc ，o s - i i 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 工大学或者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：日期： 大连理l ：大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电予 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 耋，氓支 导师签名：圣叠监 工口口i 年f 月，日 火连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 开关磁阻电机历史及发展 磁阻式电动机最早可以追溯到1 9 世纪4 0 年代，即所谓“电磁发电机”。1 8 4 2 年， 英圜的a b e r d e e n 和d a v i d s o n 用两个u 型电磁铁制造了由蓄电池供电的电动车l lj ，其原 理与现在的s r 电机很相似。但是由于当时的条件所限，采用的是机械开关，其运行特 性、可靠性和机电能量转换效率都十分低下，所以在其后直到功率电子开关问世前的1 0 0 多年间，一直也没有得到应有的重视。2 0 世纪6 0 年代，随着大功率晶闸管的使用，s r l 2 j 电机才又重新焕发出生机。七十年代初，美国福特公司研制出最早的开关磁阻电动机调 速系统【3 。其结构为轴向气隙电动机、具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的 能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。七十年代中期，英国l e e d s 大学和 n o n i n 曲a m 大学，共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电动机调速系统。他们研制的 样机容量从1 0 w 至5 0 k w ，转速从7 5 0 “m i n 至l 0 0 0 0r m i n ，其系统效率和电动机利用 系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。随后成立了开关磁阻电动机调速系统公 司，以经营其研究成果。1 9 8 1 年英国t a s c 公司获准制造该系统，并于1 9 8 3 年推出了 商品名为o u l t o n 的通用调速系列产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视，美 国、加拿大、南颠拉夫等国竞相发展，并在系统的一体化设计、电动机的电磁分析、微 机的应用、功率元件的应用、新型结构型式的开发等方面取得进展。 我国于1 9 8 4 年左右也以较高的起点开始s r d 的研究、开发工作，1 9 9 2 年初成立了 中国电工技术学会中小型电机专业委员会下设的开关磁阻电机学组，以推动开关磁阻电 机研究工作的进一步发展。现在，国内对开关磁阻电机接受和感兴趣的程度逐年上升， 形成理论研究与实际应用并重的发展态势。 理论与实践表明，s r 电机调速系统具有如下基本特点i j j ： 1 电动机结构简单、成本低、适于高速运行。开关磁阻电动机的突出优点是转子 上没有任何型式的绕组，而定予上只有简单的集中绕组，端部短而牢固，因此绝缘结构 简单，制造简便，成本低。并且发热大部分在定子，易于冷却；适用于各种恶劣、高温 甚至强振动环境；转子转动惯量小，易于加、减速。 2 转矩方向与定子绕组电流方向无关，只需要单向的电流励磁，因此可以减少功 率变换器的开关器件数，降低系统成本。 3 效率高、功耗小。s r d 系统在宽广的转速和功率范围内具有高输出和高效率a 这是因为一方面电动机转子不存在绕组铜耗，另一方面电动机可控参数多，灵活方便， 易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。 基丁d s p 的开关磁阻电机模糊控制研究 4 高起动转矩、低起动电流、适用于频繁起停和正反转速运行。典型产品的数据 是：起动电流为1 5 的额定电流时，即可获得起动转矩为1 0 0 的额定转矩。 5 可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和控制方法有 下面几种：控制开通角、控制关断角、控制相电流幅值、控制相绕组电压。 可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据运行要求和电动机的实际情况，采用 不同控制方法和参数值，使电机运行于最佳状态( 如出力最大、效率最高等) ，还可以使 电机实现各种不同的功能和特定的特性曲线。 当然，s r 电机调速系统也有其明显的缺点，即转矩脉动和振动及噪声问题。这是 由于s r 电机固有的双凸极工作机理引起的。然而，经验表明，通过合理的设计电机结 构以及采用先进的控制方法，再结合良好的加工工艺，转矩脉动和噪声完全可以控制到 可以接受的水平之内。 目前s r d 系统的研究主要涉及以下几个方面【4 j ： s r m 参数的确定，主要是磁链曲线的测量和计算； 性能的精确估算，包括整个系统稳态和动态性能的数字仿真； s r d 系统的优化，从电动机的设计和控制器软、硬件两方面来提高系统效率、 降低噪音和转矩脉动【5 j ； 无位置传感器的s r d 系统的研制【6 吲，位置闭环控制是开关磁阻电动机的基本特 征，但它的存在会使电机结构简单的优点变得逊色，降低了可靠性。为此研究 实用的无位置检测器方案是当前研究的热点； 变换器方案和主开关元件选择； 1 2 模糊控制发展简介 美国加州大学自动控制系的教授z a d e h 在他的论文( f u z z ys e t s ) f u z z ya l g o r 泔眦 等中所提出模糊集合理论，奠定了模糊控制的基础。模糊数学在工业上应用要晚近十年， 突破性工作是在1 9 7 4 年伦敦大学的m a i i l d a i l i 博士利用模糊控制逻辑，开发了世界上第 一台模糊控制的蒸汽机，并获得比传统控制系统更好的控制效果，充分展示了模糊控制 技术的应用前景，从而开创了模糊控制的历史，从此进入模糊控制技术的研究领域。 模糊控制技术的最大特点就是适宜于在各个领域中获得广泛的应用，在其它经典控 制理论和现代控制理论不太有效的场合，如具有纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性 不确定性及分布参数系统中，模糊控制能够获得比较满意的结果。 但单一的模糊控制器也存在一定缺陷。下述问题是模糊控制应用中经常碰到的恺”1 ： 1 精度不太高。主要是由于模糊控制器的档次有限而造成的，通过增加档次数目可提 2 大连理工大学硕士学位论文 高精度，但查询表过于庞大，需占用较大空间，使运算时间增加。模糊控制器若不引入 积分机制，原则上稳态误差总是存在的。 2 自适应能力有限。由于简单模糊控制器中查询表一旦确定后就不再改变，量化 因子、比例因子也是如此，这样当对象参数发生漂移时，它不能对自己的控制规则进行 适当而有效的调整，从而使其性能得不到充分发挥。 针对这些情况，许多学者提出了一些改进方案，设计出各种高性能的模糊控制器， 模糊控制向以下一些方向发展1 5 j ： f u z z y p i d 复合控制 f u z z y p l d 复合控制是将模糊控制与常规p i d 控制算法相结合的控制方法，以此达 到较高的控制精度。它比单用模糊控制和单用p i d 控制具有更好的控制性能。 自适应模糊控制 自适应模糊控制能自动地对模糊控制规则进行修改和完善，以提高控制系统的性 能。它具有自适应、自学习的能力，对于月b 些具有非线性、大时滞、高阶次的复杂系统 有着更好的控制效果。 - 专家模糊系统 专家模糊系统是将专家系统技术与模糊控制相结合的产物。引入专家系统，可进一 步提高模糊控制的智能水平。 神经模糊控制 模糊控制规则和隶属度函数的获取与确定是模糊控制中的“瓶颈”问题。该方法利 用神经网络的学习能力，来获取并修正模糊控制规则和隶属度函数。 多变量模糊控制 多变量模糊控制有多个输入变量和输出变量，它适用于多变量控制系统。多变量耦 合和“维数灾难”问题是多变量模糊控制需要解决的问题。 13d s p 芯片及嵌入式实时操作系统简介 d s p ( d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 实际上也是一种单片机，它同样是将中央处理单元、 控制单元和外围设备集成到一块芯片上】。d s p 最早是针对数字信号处理，特别是语音、 图像信号的各种处理而开发的。由于这类信号处理的算法复杂要求d s p 必须具有强 大快速的运算能力。因此，d s p 有别于普通的单片机，苦采用了多组总线技术实现并行 运行机制。从而极大地提高了运算速度，也提供了非常灵活的指令系统。近些年来，各 种集成化单片d s p 的性能不断得以改进，相应的软件和开发工具日臻完善，价格迅速 下降，使得d s p 在控制领域的应用倍受关注。 基于d s p 的开关磁阻电机模糊控制研究 在d s p 领域中，德州仪器( t i ) 公司的产品及其配套技术与开发工具最有强大的竞争 力，其中t m s 3 2 0d s p 是它的代表系列，其中2 0 0 0 系列是t i 公司专门针对电机、逆变 器、机器人、数控机床等控制应用而设计的。其事件管理器包含的脉宽调制单元，捕捉 单元，a d 转换器，光电转换接口电路可以很方便的应用于电机控制中。 由于硬件限制( 速度慢，存储容量小) ，传统控制系统一般都比较摘单，多为前后 台控制方式，即应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作， 这部分可以看成后台行为。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为。时 问相关性很强的关键操作一定是靠中断服务来保证的。但是设计前后台控制系统比较费 时费力，修改麻烦，特别是程序越大越难以开发、难以管理、难以扩展。而嵌入式操作 系统采用了先进的编程思想为系统开发提供了一个友好的平台，使开发程序易于设计、 维护和扩展，提高了开发效率，缩短了开发周期。随着硬件的发展，控制器在速度，存 储器方面都有较大提高，使得实现复杂控制系统成为现实。越来越多的嵌入式实时操作 系统( r 1 o s ) 被应用于控制领域，本文针对所使用的硬件芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 采用了 嵌入式实时操作系统uc o s i i 。uc o s i i 是一个源码公开的实时多任务操作系统，程 序大部分用c 语言编写，带有少量的汇编，适合小型控制系统，具有执行效率高、占用 空间小、实时性能优良、可扩展性强等特点。当省去不需要的模块时，其系统内核编译 的最小文件仅2 k b 多2 “j 。 1 4 本文所做工作 在实践中我们为了满足电机运行所需的数字信号处理能力以及p w m 控制方式的需 要，将选择t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片作为控制系统的主处理器，并配以价格低廉的 5 1 单片机作辅助处理器，专门处理显示部分，而速度较快的d s p 用来实现电机调速的 复杂控制算法。设计并制作以d s p 为核心的功能完善的硬件控制系统；在功率部分将 采用i g b t 为主功率开关管，以满足系统在开关频率及电流负荷的需要；在软件方面， 将以c 语言为主并辅助必要的汇编语言，在c c c 2 0 0 0 系统下来完成最终软件设计和调 试；对于控制策略，将在综合运用电压斩波控制和位置角度控制，控制方法采用模糊一 p i 复合控制器。并通过实验比较单纯p i ，模糊，及模糊+ p i 复合控制的优缺点。随着 硬件及软件的发展，传统控制系统开始向嵌入式系统方向发展，本文也尝试将嵌入式实 时操作系统应用到开关磁阻电机控制系统中。在将hc ，o s ，i i 移植到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的 基础上完成了控制系统的设计以及具体编程任务并通过实际运行验证了移植系统的可 靠性。 4 人连理工大学硕士学位论文 2 开关磁阻电机控制系统的硬件设计 2 1 开关磁阻电机结构原理 s r 电动机的定子和转子铁心是由硅钢片叠装的，在定子铁心内圆周和转子铁心 外圆周均分布齿和槽，齿又称凸极，即所谓双凸极结构。定子铁心每个齿上安装像直流 电机主磁极绕组一样的集中绕组，转子铁心齿上不安装绕组。定子内圆周上相对的两个 齿上的绕组串联( 顺向) 成为相绕组，”1 5 j ，如图2 1 所示即为一四相开关磁阻电机， 有a ，b ，c ，d 四相绕组。 对于脚相s r 电动机，如定子齿极数为胍，转予齿极数为 ，转子极距角( 简称为 转子极距1 为 r ：型( 2 1 ) j v ， 我们将每相绕组通电、断电一次转子转过的角度定义为步距角，则其值为 口：立：竺( 2 + 2 ) ” mm ， 转予旋转一周转过3 6 0 。，故每转步数为 。：型：m ， ( 2 3 ) 口n 电动机的极数和相数与电机的性能和成本密切相关，一般地说，极数和相数增多， 电动机的转矩脉动减小，运行平稳，但增加了电动机的复杂性和功率电路的成本：相数 减少，有利于降低成本，但转矩脉动增大，且两相以下的s r 电动机没有自起动能力( 手旨 电机转子在任意位置下，绕组通电起动的能力) 。所以，最常用的是三相和四相s r 电动 机。特别是四相8 6 极结构电机其极数、相数适中，转矩脉动不大，特别是起动较平稳， 经济性也较好。 2 1 1 工作原理 s r 电动机的运行原理遵循磁阻最小原理磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合， 即具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位费时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重 合。当a 相绕组单独供电时，在电动机内就会建立以a a 为轴线的磁场，该磁场作用 于转子，转予受到的磁力就会力图使与其临近的转子极1 1 与定予极轴线a a 重合，从 而使转子转动，并使a 相励磁绕组的电感最大。若在上述二者重合时改为b 相绕组通 电，则磁场产生的磁拉力使转子极2 2 与定子极轴线b b 重合，从而使电动机逆时针转 基于d s p 的开关磁阻电机模糊控制研究 动。由此可见，如果以图中的相对位置为起始位置，依次给a b c d 相绕组通电，转予 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，如果依次给b a d c 通电，转子就会按照顺时针的反向转动。若改变相电流的大小，则可改变电动机转矩的 大小，进而可改变电动机转速。若在转子转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子 旋转方向相反，为制动转矩。在s r m 中，转子的转向与相绕组的通电方向无关，仅取 决于相绕组的通电顺序。由此可见，通过简单地改变控制方式就可以改变电动机的转矩、 转速、转向和工作状态，因而开关磁阻电机有多种控制方式。同时要使开关磁阻电机持 续转起来，必须有可靠的开关元件和控制电路以根据转子位置控制各相导通关断。 图2 。l 开关磁阻电机运行原理图 f i g2 1s c h e m a c i cd i a g r a mo f s w i t c hr e l u c t a n c em o t o r 丌关磁阻电动机的静转矩可以通过其磁场存储能嘛或磁其能k 对转子位置角的 偏导数求得【1 3 ，。4 1 ，即： r = 筹b ( 2 。) 在电机磁路不饱和的情况下，即假定磁路是线性的情况下，有 暇= 峨= 去徊= 去f 2 ( 2 5 ) 从而静转矩为： 丁：盟：三f z 丝( 2 5 ) a6 i2a 曰 式中i ，v ，l 分别为通电相绕组的电流、磁链及电感。式2 6 反映出了磁阻性质转 矩产生的原因，当在丝，o 即电感上升区通入电流时，产生正转矩当在兰c o 时即电感 一o 下降区通入电流时，产生负转矩。 6 大连理： 二火学硕+ 学位论文 21 2 系统结构 开关磁阻电机调速系统主要由功率变换器、控制器、电流和位置检测单元以及开关 磁阻电机组成，其结构框图如图2 2 所示。 一 图2 2 开关磁阻电机调速系统结构图 f i g2 2s t r u c t u m ld i a g r a r no f s r d 功率变换器是s r d 系统能量传输的关键部分，是影响系统性能价格比的主要因素， 起控制绕组开通与关断的作用。由于s r 电动机绕组电流是单向的，使得功率变换器主 电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可以避免直通短路危险。 s r d 系统的功率变换器主电路结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类有 关。 控制单元是s r d 系统的核心部分，其作用是综合处理速度指令、速度反馈信号及 电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现 对s r 电动机运行状态的控制。 检测单元由位置检测和电流检测环节组成，提供转子的位置信息从而确定各相绕组 的开通与关断，提供电流信息来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电 流。 2 1 3 转子位置检测技术 由2 1 1 中开关磁阻电机运行原理的介绍我们可知，为使其正常工作，必须在转子 转到适当位置时导通适当的相绕组，并在转动过程中始终正确切换各相绕组。若不能做 到这一点，非但电动机不能按要求转动，还会发生停转、反转或乱转现象。为了在电动 机运行过程中随时知道转子的瞬时位置，开关磁阻电动机中必须装置位置传感器，这是 开关磁阻电动机与其他一般电动机的一个明显区别。 设开关磁阻电动机的定子极数为s ，转子极数为r ，一般是s r ，则转子的步进 角口；应为”】： 基于d s p 的开关磁阻电机模糊控制研究 伊：型笠二笠1 2 n 。n ， 转子极距角( 两个转子间的角度) 口，为 e ? = p 0 。=型；二銎蔓一型。一n ? 、 n5 n ? n ? ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中，尸为电动机相数，其为定子极数半( m 2 ) 。 转子位置的变化影向位置传感器的输出，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_ 丌 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，有尸个步进角，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。 可选用的位置传感器种类很多，如霍尔传感器、光电式传感器、接近开关式传感器、 谐振式传感器和高频耦合式传感器。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。 光电式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 3 表示的就是传感器 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。 旷t 铲3 妒4 5 。6 0 d7 铲9 0 0 1 0 铲 图2 3 四相基本位置信号 f i g 2 3b a s i cp o s i t i o ns i g n a i so f4p h a s e s 2 14 电流检测 绕组电流检测为实现电流斩波控制、电流闭环控制和过流保护所必需。开关磁阻电 动机调速系统中常用采样电阻器和霍耳电流传感器两种方式检测电流f 3 1 。 大连理工大学硕士学位论文 1 采样电阻器：采样电阻必须是低电感、低电阻温度系数。将它串入被测电路， 则电阻两端电压降信号就如实反映电流大小及波形。为减小功率损耗，此采样电阻阻值 一定要很小，所以所得电压降信号也是较小的，因此采样的隔离放大甚为关键。目前多 采用线性光耦传输隔离，一般用于成本要求较低的场合。 2 霍尔电流传感器：霍尔元件具有磁敏特性，即载流的霍尔材料在磁场中产生霍 尔电势( 霍尔电势垂直于电流和磁场) 。利用这一原理，专门生产线性霍尔元件制成霍 尔电流传感器。该传感器同交流电流互感器，被测电流穿过传感器之基本闭合的铁心磁 环，以产生磁场作用于霍尔元件而输出正比于电流的电压信号。目前霍尔电流传感器在 线性范围、频带宽度及动态特性等方面性能都十分完美，其电气隔离绝对可靠，是开关 磁阻电动机电流检测装置的理想选择。 磁补偿式的工作原理是磁场平衡的，即主回路电流在聚磁环所产生的磁场，通过一 个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。从宏 观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等即：n p i p + n s i 。= 0 。其中，n p 为原边匝数，i p 为原边电流，i 。为次级补偿电流。n p 、n s 可从 使用手册中查到，测得i 。的大小即可得知被测电流的大小，如图2 4 所示。 i 。被测电流 + 1 s v g n d 一1 5 v 、，叫t 图2 4 霍尔电流传感器原理图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fh a l lc u r r e n ts e n s o r 取样电阻r 。的精度应比用户要求的精度高一个数量级，功率应比实际耗散功率高 出一倍( 或适当留有余量) ，在原边匝数为多匝情况下可得最佳的精度。 本文所用的电流传感器就是浙江大丰公司生产的d p l 0 一p 型磁平衡式霍尔电流传感 器。 2 1 ，5 功率变换电路 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。 匡 基于d s p 的开关磁阻电机模糊控制研究 22 功率变换器设计 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。 22 1 功率开关器件和续流二极管的选用 就目前电力电子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 t ，中、小功率系统一般都选l g b t 。i g b t 既具有输入阻抗高、速 度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的 特点，因而发展很快，备受青睐已经广泛应用于各种电力电子变换场合。 对于续流二极管，要求其反向恢复时间短、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。 主开关器件和续流二极管的选择还取决于系统容量大小、电压定额要求和电流定额 等因素，一般可根据系统的工作电压和工作电流确定管子的电压定额和电流定额”。 ( 1 1 电压定额 考虑到主开关和续流二极管开关过程中要能承受一定的瞬时过电压，所选器件的电压定 额应留有安全裕量，主开关和续流二极管的电压定额一般取其额定工作电压的2 3 倍。 ( 2 ) 电流定额 主开关器件的电流额定值有两种：一是体现电流脉冲作用的定额，即峰值电流定额； 二是体现电流连续作用的定额，即有效值电流定额( 对于i g b t 为集电极额定直流电流) e 因为i g b t 能承受较大的电流峰值，则有效值电流定额是决定功率变换器容量的主要参 o 大连理工大学硕士学位论文 数。对于二极管而言，因其能承受较大的冲击电流，一般也以有效值电流定额作为选型 依据。管子的电流定额通常取其最大工作电流的1 5 2 倍。 在己知s r m 的额定功率尸的情况下，可以用下面的经验公式近似估算功率开关器 件的最大峰值电流，并作为其选型依据 j ：型盆 ( 2 g ) 1 i g b t 驱动电路要求 d s p 输出的信号，不能直接驱动控制器的主丌关元件，需在二者之间加功率放大 电路，即驱动电路，来放大驱动功率，并将系统的强电部分和弱电部分有效地隔离。i g b t 对其驱动电路有许多特殊要求，概括起来，这些要求为： ( 1 ) i g b t 是电压驱动，有一个容性输入阻抗，因此i g b t 对栅极电荷聚集很敏感， 要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与i g b t 的连线要尽量短。 ( 2 ) ，用小内阻的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿， 使i g b t 的开关损耗尽量小。 ( 3 ) 驱动电平增大时，i g b t 通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时流过的电 流增大，i g b t 能承受的短路电流的时间减少，一般选为+ 1 2 v 一+ 15 v 。 ( 4 ) 在关断过程中，为尽快抽取存储的电荷，须施加一个负偏压，一般取2 v 一一5 v 。 ( 5 ) 大电感负载下，i g b t 的开关时间不能过短，以限制d i d t 所形成的尖峰电压， 保护i g b t 。 ( 6 ) 由于i g b t 在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路 在电位上严格隔离。 e x b 8 4 l 是日本富士公司生产的i g b t 专用驱动模块，可用于驱动4 0 0 刖6 0 0 v 以下 或3 0 0 1 2 0 0 v 以下i g b t 。整个电路信号延迟时间不超过1 u s ，最高工作频率可达 4 0 k h z ，它只需外部提供一个+ 2 0 v 的单电源，内部自己产生1 5 v 和一5 v 驱动电压。模块 采用高速光耦隔离，并有短路保护及慢速关断功能。其应用电路如图2 6 所示。 2 器件的选用 整流电路选单相全波整流桥( 1 0 0 0 v 5 0 a ) 。滤波电容选一只1 6 0 0 “f 4 5 0 v 电解电容。 主开关元件可以选富士公司生产的l m b h 6 0 d 1 0 0 ，考虑到电动机额定功率为3 k w ，电 压约3 0 0 v ，过载时峰值电流约为2 1 a ，故该功率器件的额定值为厶= 6 0 a ，k 。= 1 0 0 0 v 。 i g b t 驱动电路选用富士公司的e x b 8 4 1 混合驱动i c 。 基于d s p 的开关磁阻电机模糊控制研究 2 2 2 系统功率变换器的应用设计 开关磁阻电动机的功率变换电路有很多种；双开关型，双绕组型，电容分压型，i i 桥型等，公共开关型等。 图25 功率变换器电路 f i g 2 5p o w e rc o n v e rc l r c u i t 根据电机的相数和容量情况，本文采用h 桥型主电路，设计的功率变换器电路如图 2 5 所示。换相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。它要 求每一瞬间上、下桥臂必须各有相导通。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。主电路由单相全波按流后供电，其直流供电电压平均值约为3 0 0 v 。电解电容c ，对整流电路的输出起到滤波和吸收电流回馈作用。r 。为合闸时的充电 电阻，以防止合闸时浪涌电流对滤波电容有过大的电流冲击。当电机起动时，接触器 k m 闭合，将r l 从电路中切除。v t 和r l 构成制动放电电路，当s i m l 制动运行时，向 功率电路回馈的电能多于从功率电路得到的电能。当电容发生过电压时，v t 开关管开 通，将电容能量泄放到电阻r l ，上。 2 3 开关磁阻电机控制系统硬件结构 控制电路的作用是根据使用者的操作要求和系统的实际工作情况对电机进行相关 调节，使之满足要求的运行情况。其一般框图如图2 6 所示： 图2 6 控制系统框图 f 远。2 6b l 。c kd i a g r a mo f c o n t ls y s t e r n 大连理工大学硕士学位论文 操作信号操作信号是系统的使用者向系统发出的运行指令，该指令应包括起动停 止信号、转速信号和转向信号等。主要由按键输入。 系统运行信号指本系统运行时与控制和自身安全有关的参数信号。同控制有关信 号一般有位置传感器信号、电流传感器信号、各种故障信号等。 控制核心控制核心接收来自操作信号、系统运行信号、故障信号等，按照设定的 程序进行处理，并将控制信号输出到功率电路，显示信息输出到显示电路。本文中控制 核心主要是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 及其外围电路。 功率电路由d s p 输出的控制信号通过驱动电路的信号转换后输出控制信号到功率 电路以驱动1 0 b t 。 显示电路显示电路可以显示系统运行信息( 如转速、转向、电流等) 、操作信号 信息、参数设置情况及故障信息状况。 l 位置信号 一 捕捉单元 p 、v m 单元 l 电漉信号卜+ t m s 3 2 0 l f i 故障信号 - i ，0 2 4 0 7 l 册 1 按键糖 卜+ 图2 7 控制核心输入输出框图 f 培2 7b i o c kd i a g r a mo f t h ei n p u ta n do u t p u to f c o n t r o lu n i t 我们使用的控制核心芯片是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，其输入输出情况如2 7 图所示。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 芯片有以下一些特点【1 8 】： 供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期 缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制器的实时控制能力。 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据，程序r a m 、s 4 4 字 双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的 脉宽调制( ( p w m ) 通道。 可扩展的外部存储器( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 总共1 9 2 k 字：6 4 k 字程序存储器；6 4 k 字数据存储器；6 4 k 字i ，o 寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 1 0 位刖d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发的两 个8 通道输入a ，d 转换器或一个1 6 通道输入的d 转换器。 基于d s p 的开关磁阻电机模糊控制研究 控制器局域网络( c a n ) 2 o 模块。 串行通信接口( ( s c i ) 。 1 6 位的串行外设接口模块( s p i ) 。 基于锁相环的时钟发生器。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p l 0 ) 。 5 个外部中断( 电机驱动保护、复用和两个可屏蔽中断) 。 电源管理包括3 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列芯片提供了大量用于运动控制和电机控制的片内外设包括通 用定时器( g p ) 、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路等。事件管理器模块与d s p 高性能内核结合，能够很方便的实现所有类型电机的高精度、高效、全变速控制。 由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 做控制核心，辅以必要的外围电路就可以很方便的构建开关磁阻 电机的控制系统硬件电路【l ”。 2 31 电源电路 如图2 8 所示，由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 的电源电压是3 3 v ，我们对外部输入的5 v 电 源经过l m 3 1 7 的变换得到对d s p 芯片供电的3 3 v 电压。一三端稳压集成电路l m 3 1 7 是 应用广泛的三端稳压集成电路，它具有输出电压可变、内置保护功能、体积小、性价比 高、工作稳定可靠等特点。经常用来制作输出电压可变的稳压电源，其输出电压： _ 。= r ( 1 + r 2 r 3 ) + ( ，脚r 2 ) ( 2 1 0 ) 由于厶讲很小( 典型值为5 0ua ) ，r 2 较小时通常忽略上式第二项，于是： 圪。= 盯( 1 + r 2 ，冗3 ) = 1 - 2 5 ( 1 + 3 9 0 2 4 0 ) 矿= 3 3 矿 图2 8 d s p 电源电路 f g 2bp o w e rs u p p l yc i r c u n0 fd s p 4 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 位置检测电路 图2 9 位置检测电路 f i g 2 9p o s j t i o ns e n s o rc i r c u i t 位置检测电路如图2 9 所示。由电机内部位置传感器传来的两路位置信号经过光耦 t i 。p 5 2 l 隔离，然后经过施密特反相器整形传给d s p 的捕捉单元的c a p l 、c a p 2 引脚。 实验证明光耦的隔离作用能有效的去除干扰信号，而当无光耦隔离时，d s p 把很多干扰 信号也当成位置信号，以至于速度计算不正常，所以光耦隔离单元必不可少。 23 3 电压基准电路 卜 旷 图2 1 0 电压基准电路 f i g 2 i ov o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t t l 4 3 1 是一个有良好的热稳定性能的三端可调精密分流电压基准源，性能好、价格 低。该器件的典型动态阻抗为0 2 q ，最大工作电流1 5 0 r n a 。它的输出电压用两个电阻 就可以方便地设置到从v e f ( 2 5 v ) 到3 6 v 范围内的任何值。提供的基准电压输出为； 基于d s p 的开关磁阻电机模糊控制研究 = 2 5 ( 1 + r 4 r 5 )( 2 11 ) t l 4 3 l 提供2 5 v 的基准电压经变换得到3 v 电压基准以供过压检测，过流检测，过 温检测，电源低压检测电路做基准电压使用，其构成的电压基准电路如图2 ，1 4 所示。 23 4 过流和欠压检测电路 图2 1 l 过流检测电路 f i g ，2 1 10 v e r c u 兀弓n td e t e c t i o nc i r c u i t = 图2 1 2 欠压检测电路 f i g 2 1 2l o w - v o l t a g ed e t e c t i o nc i r c u n 过流检测电路如图2 1 l 所示，实际电流信号和设定电流上限值比较，若实际电流超 过设定电流上限，则比较器输出低电平信号。 欠压检测电路如图2 1 2 所示。当控制板输入电压过低导致d s p 芯片电压过低时， 可能会出现计算错误，数据丢失等错误以至于发出错误的控制信号，为了避免出现这种 情况我们设置了低压检测电路。由l m 3 1 7 变换得来给d s p 供电的3 3 v 电源和基准电 压3 v 比较，当供电电压小于3 v 时比较器输出低电平，以提示用户输入电压过低，并 输出到故障综合单元以封锁p w m 输出。 2 35 过温检测电路 图2 1 3 过温检测电路 f i g 21 3e x c e s st e m p e r a t u 砖d e t e c t i o nc 沁u i t 1 6 大连理工大学硕士学位论文 过