（电机与电器专业论文）基于嵌入式系统的双开关磁阻电机同步控制系统设计.pdf

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 e ( s r d ) i sc o m p o s e do fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) c o n t r o l l e r , p o w e rc o n v e r t e r , p o s i t i o nd e t e c t o ra n dc u r r e n td e t e c t o r t h es r d h a sp o t e n t i a ld u et oi t sa d v a n t a g e s i nt h i sp a p e r , t h eo n ec o n t r o l l e rd r i v et w os r m s c o n t r o ls y s t e mw a sr e s e a r c h e dw h i c hu s e di ne l e c t r i ct r a c t i o nm o t o rs y s t e m t h et w os r m ss y s t e mh a st h ea d v a n t a g e si na r r a n g i n gt h es p a c eo fp l a c i n gt h e m o t o r sr a t i o n a l l ya n di m p r o v i n gt h et r a c t i v ep r o p e r t i e so ft h ed r i v ew i t hc o m p o s i t i o n o ft h et w om o t o r s i nt h ed e s i g n i n go fh a r d w a r ea b o u to n e d r i v e t w os r ds y s t e m ，w eu s e dd s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 7a st h ec o n t r o l l i n gc h i pa n dt w os r m s ( 5 0 0 w ) a s c o n t r o l l e do b j e c t s t h ed e s i g n i n go fc o n t r o ls y s t e mw a ss p e e d i n gu pb e c a u s et h a td s p h a sr i c hp e r i p h e r y c i r c u i ta n df o r m i d a b l ec o m p u t a t i o nf u n c t i o n t h e r e f o r e ，w ec a l l u s eo n ed s pt o c o n t r o lt w os r m s t h ep o w e rc o n v e r t e ri sb a s e do n “l e s ts w i t c hs t r u c t u r e ”a n di s c o m p o s e do fi n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) w h i c h h a sh i g h l yi n t e g r a t i o n ，g o o d p e r f o r m a n c ea n df l e x i b l e c o n t r 0 1 t h ei p mm a k e ss w i t c hc o m p o n e n t sa n dd r i v e c i r c u i t si no n ec h i p ，a n di ta l s oh a sm a n yp r o t e c t i v ef u n c t i o n s s oi tm a k e st h ew h o l e d e s i g nm o r es t e a d ya n dm o r es u c c i n c t c o n s i d e r i n gt h er e q u e s to fe l e c t r i cv e h i c l e s ，t h e c o n t r o lm e t h o d sf o rs r d s v s t e ma r eg i v e n ；t h ec o n t r o l l e rp r o d u c e st h eo na n do fa n dp w ms i g n a lo fe a c h p h a s e 。c o m b i n e d w i t hp r o t e c t i n gs i g n a la n dc u r r e n tc h o p p i n gs i g n a l ，i tc a nc o n t r o lt h e i g b to na n do f f t h ec o n t r o ls t r a t e g yw h i c hi sc o m p o s e do f d o u b l ec l o s e dl o o pa n d p o w e rb a l a n c er e g u l a t i o n i s a d o p t e di n t h i ss y s t e mt oa c h i e v es y n c h r o n i z a t i o n o p e r a t i o no fd o u b l er i g i dc o n n e c t i o ns r m w ei m p l e m e n t e dt h ee m b e d d e ds y s t e mp c o s i it od e s i g nt h ew h o l es o f t w a r e s y s t e m i tm a k e sp r o g r a m h a sb e t t e rv e r s a t i l i t ya n db e t t e rr e a d a b i l i t y a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n twi t ht h es r ds y s t e m ，t h er u n n i n gd a t aa n d c u r v e si sp r e s e n t e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs r d i sg i v e no u 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 ( s r d ) ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) ，p c o s - i i 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，粤不包含为获得叁鲞叁堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蘑夕邕签字日期瑚a 扩年- 月羽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁壅太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) 学位论文作者签名：睡学 导师签名： 签字闩期：拙时年6 - 月羽同笔字r 期：溯年0 月同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ，简称s i m ) 是8 0 年代 中期发展起来的新型调速系统，它是继异步电动机变频调速系统之后崛起的一种 很有发展前景的变速拖动系统。它融电力电子技术、微电子技术和电机控制技术 于一体，为典型的机电一体化技术，具有优良的调速性能：与直流调速系统和异 步电动机变频调速系统相比较，具有结构简单、成本低、损耗小、效率高、可控 参数多、控制灵活、起动电流小、起动转矩大，能比常规电机高得多转速下运行， 坚固耐用，适用于恶劣环境中使用等优点，因此，开关磁阻电动机一问世就引起 了国内外电工界的广泛关注，并在牵引运输、通用工业、航空工业、家用电器等 领域得到了较广泛得应用。 1 2 课题研究背景和意义 传统的电气控制系统多采用单一电机实现单轴控制，但是电机的输出转矩有 一定的限制，当传动系统需要较大的驱动功率时，必须特制功率与之相匹配的驱 动电机和驱动器，使得系统的成本上升，而且过大的输出功率的电机受到制造工 艺和电机性能的影响，大功率的驱动器的研制也会受到半导体功率器件的限制。 因此，单单针对一台电机的控制在某些场合己经不能满足生产的要求，而需要人 们去控制多台电机，让系统协调的运行，保持多电机的协调运行。 目前国内的电牵引系统多采用电磁调速电机和交流变频系统。前者电机体积 大、效率低、故障较多；后者多采用国外生产的通用变频器改造而成，其性能和 使用条件难以与采煤机完全适应，如起动转矩不够大、机械特性较软、不适合频 繁起、停等，尤其是国内的公司还未能完全掌握变频器的核心技术，故改装中一 旦出现故障，维修困难，费用极高。 本文研究双开关磁阻调速电动机同步控制系统，应用于电牵引采煤车，保证 两台开关磁阻电机的同步运行，并且使两台电机功率分配平衡。开关磁阻电机用 于牵引系统，主要具有以下优点： l 、起动转矩大，电流小。以启动电流仅为额定电流的3 0 ，可以达到1 5 0 第一章绪论 额定转矩的起动转矩。有些牵引设备如采煤机、带式输送机均十分需要这个特性。 2 、s r d 不仅在额定转速附近具有很高的系统效率( 包括系统中所有的电气、 机械损耗和电子元件损耗在内) ，而且在很宽的调速范围内可维持较高效率，系 统效率最高可达9 0 。 3 、s r d 易于实现电动和制动运行状态转换，实现四象限运行。适应频繁起 动、制动和正反转。 4 、电机及控制器结构均比较简单，可靠性高。易于制成全封闭型、防爆型、 防腐型和户外型，还可制成低温电机。这些优点是许多其他变换驱动装置所无法 比拟的，特别适用于煤矿恶劣的工作环境。 5 、可控参数多，调速性能好。可以根据对电动机的运行要求和电机的情况， 采用不同控制方法和参数值，即可使系统运行于最佳状态。 1 3 开关磁阻电机调速系统概述 开关磁阻电机调速系统主要由s r m 、功率变换器、控制器、位置检测、电流 检测等构成，如图1 1 所示。 ：s r d ： l j 图1 1s r d 系统框图 圜 1 、开关磁阻电机( s r m ) s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，s r m 可以设计成不同的相数， 相数多有利于减小转矩脉动，但是导致结构复杂，成本增高。因此目前最常用的 是三相或四相s r m 。 2 、功率变换器 2 第一章绪论 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。功率变换器的主要作用有： ( 1 )向s r m 传输能量，满足机电能量转换的需要。 ( 2 ) 起开关作用，使s r m 的各相绕组适时通断。 ( 3 ) 为s r m 各相绕组的储能提供回馈路径。 功率变换器成本的比重很大，因此合理设计功率变换器是提高s r d 的性价 比的关键之一。功率变换器的设计一般考虑两方面问题，其一，功率变换器拓扑 结构的设计；其二，功率变换器开关器件的选择和器件定额的估算。 3 、控制器 s r 电机的运行离不开控制器，它是实现s r 电机自同步运行和发挥优良性 能的关键。它综合位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等 反馈信息，以及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向s r d 系统的功率变换器发出一系列开关信号，进而控制s r 电动机的运行。 4 、位置、电流检测器 位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者。它及时向控制器提供定、转 子极间相对位置的信号。常见的位置检测方案有光敏式、磁敏式及接近开关等含 机械的检测方案。 电流检测器向控制器提供s r 电机绕组的电流信息，常见的电流检测方案有： 电阻采样、霍尔元件采样和磁敏电阻采样等【2 1 。 1 4s r d 的特点 s r 电机系统具有一些很有特色的优点： 1 、电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定 子线圈嵌放容易，端部尺寸短而牢固；工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至 强振动环境。 2 、损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体高温退磁现象；可 允许有较高的温度。 3 、转矩方向与电流方向无关，因而可简化功率变换器，降低系统成本；同 时功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。 4 、起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现 象。 5 、在较广的转速和功率范围内具有较高的效率；能四象限运行，具有较强 的再生制动能力。 第一章绪论 6 、有很好的容错能力，可以缺相运行。 这些优点使得s r 电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引 电机、高转速电机等方面的到广泛的应用。 s r d 系统的主要缺点有： 1 、转矩脉动。由于电机中的磁场是跳跃性旋转的，电动机的输出转矩是各 相绕组通电产生的脉冲转矩叠加而成的。由于电机的双凸极结构、磁路有饱和等 非线性以及绕组电流波形不是理想方波，使输出转矩不是恒定的转矩，而存在脉 动。转矩的脉动使得转速也有脉动。 2 、振动与噪声。开关磁阻电机中存在的转矩脉动以及单边磁拉力引起电机 的振动与噪声。另外，功率变换器的开关频率在人耳听觉范围内时也会产生噪声。 1 5s r d 系统发展概况及研究热点 开关磁阻电机最早可以追溯到1 9 7 0 年，英国l e e d s 大学步进电机研究小组 首创一个开关磁阻电机雏形。到1 9 7 2 年进一步对带半导体开关的小功率电动机 ( 1 0 w l k w ) 进行了研究。1 9 7 5 年有了实质性的进展，并一直发展到可以为5 0 k w 的电瓶汽车提供装置。1 9 8 0 年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司 ( s r d l t d ) ，专门进行s r d 系统的研究、开发和设计。1 9 8 3 年英国( s r d l t d ) 首先推出了s r d 系列产品，该产品命名为o u l t o n 。1 9 8 4 年t a s c 驱动系统公 司也推出了他们的产品。另外s r d l t d 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统， 到1 9 8 6 年已运行5 0 0 k m 。该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。在很 多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超 过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。 美国、加拿大、埃及等国家也都开展了s r d 系统的研制工作。在国外的应 用中，s r d 一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是s r d 的 一个特长的方向。据报道，美国为空间技术研制了一个2 5 0 0 0 r m i n 、9 0 k w 的高 速s r d 样机。我国大约在1 9 8 5 年才开始对s r d 系统进行研究。s r d 系统的研 究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。华 中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用s r d 的纯电动轿 车，在“十五”项目中将s r d 应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运 行效果。纺织机械研究所将s r d 应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动 车辆等，取得了显著的经济效益。 从上世纪9 0 年代国际会议的上有关s r d 系统的文章来看，对s r d 系统的 研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶 4 第一章绪论 段。对s r 电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方 面进行了更加深入的研究。 国内外学者正在进行以下几个方面的深入研究： l 、功率变换器拓扑结构设计。由于s r d 系统的性能和成本很大程度上取决 于功率变换器的性能和成本，因此功率变换器的研究意义重大，目前研究主要集 中在功率变换器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用等方面。 2 、多目标优化控制。在控制参数的优化方面，根据不同的系统要求，可选 取不同的目标函数，如系统的效率最高、平均转矩最大、转矩脉动系数最小等。 由于s r d 控制参数多、电机模型复杂，使得优化过程计算量大，而且得到的只 是针对单个系统的优化结果。与传统的电机调速系统相比，s r d 系统实现优化 控制的难度要高一些。但是随着各种控制理论在传统电机调速系统中应用的研究 日益深入，它们在s r d 系统中的应用也逐渐增多。如采用传统的p i 调节器，以 斩波电流限为控制变量，实现了s r 电机的转速和转矩控制。一些现代的控制理 论和方法在s r 电机的控制中也得到了应用，如模糊控制、模糊控制与p i 控制 结合在一起的混合式调节、滑模控制，自适应控制、线性回馈控制以及人工神经 网络控制等。这些现代控制技术的使用部分解决了s r d 系统的非线性多变量强 耦合问题，但离实用技术还有一定距离，主要表现在一些控制技术中为设计目的 提出的模型太过复杂而难以用于s r 电机实时控制，而有的为控制目的提出的模 型则过于简单而影响了控制的实际效果，或者因控制参数难于确定而失去实用的 价值。但随着微电子技术和高级控制技术的发展，这些控制技术必将在s r d 系 统中得到切实应用。 3 、消除转矩脉动控制。s r 电机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因素 的影响，如电机结构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等。由于s r m 的 双凸极结构，电磁特性以及开关的非线性影响，采用传统控制策略得到的合成转 矩不是一恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动。这点限制了s r d 在很多直 接驱动领域的应用。提出有效减小转矩脉动的方法具有十分重要的意义。目前已 有很多文献论及这个领域，取得了一定的效果。 4 、低噪声控制针对s r 电机本体，噪声是一个非常突出和有待解决的问题。 早期的s r d 由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪 声，以至于成为s r d 的一大特点而为人们接受。随着研究的深入和s r 电机应 用的日益广泛，降低s r 电机的噪声成了一个关键的研究课题。 5 、无转子位置检测。位置检测是s r 电机同步运行的基础，也是s r 电机区 别于步进电机的主要方面之一，s r 电机的各种高级控制技术都是以高精度的位 置检测为首要条件，为了得到良好的性能，s r 电机的控制器需要知道转子的位 第一章绪论 置信息。目前普遍采用外装光电式或磁敏式等轴位置检测器，这不仅增加了系统 的体积和成本，而且降低了系统的可靠性。为了消除轴位置检测器这一不利因素， 无转子位置检测技术成为s r 电机研究的一大热点【3 9 】。 1 6 多电机同步控制策略及研究现状 在工业自动化的领域里，同步控制一直是个备受重视的研究课题，然而此 同步控制的应用仍大多以x y 平台之轨迹追循、多轴加工机之加工作业与机械 手臂控制为主，而且由于机密性与商业性之考虑，因此对外发表公布的研究资 料相当缺乏。基本上同步控制之理论大略可分成l o r e n z 1 1 】与k o r e n 1 2 】所分别推演 出的两大组织架构为主。 l o r e n z 分析同步控制方式的目的是为了在带载运行时能维持同步，及命令变 化时能随时保持同步，甚至是未知的情况时也要保持动态及静态的同步。他将同 步方法分为下列两种方式： ( 1 ) 同步主端命令控制( s y n c h r o n i z e dm a s t e r c o m m a n d ) 和( 2 ) 主从式命令控制( m a s t e rs l a v ec o m m a n d ) 。 图1 2 同步主端命令控制结构图 同步主端命令控制的结构图如图1 2 所示，其并未考虑到系统参数的差异， 因此容易产生同步误差。主从式命令结构如图1 3 所示，主从式控制必须以响应 较快的系统来追循响应较慢的系统，所以其会有时间延迟的问题，因此在高速运 动系统或精密多轴运动系统会有其困难。 6 第一章绪论 图1 3 主从式命令控制结构图 图l - 4 交叉耦合控制结构图 k o r e n 率先针对双轴运动平台提出了交叉耦合控制方法来改善此问题，如图 l - 4 由于此方法可以有效改善多轴伺服系统之同步控制，因此，交叉耦合控制的 控制方法后来几乎成为了多轴伺服同步运动控制的标准模式。交叉耦合控制最主 要的特点就是将两台电机的速度或者是位置信号进行比较，从而得到一个差值作 为附加的反馈信号。将这个附加的反馈信号作为跟踪信号，系统能够反映出任何 台电机的负载变化，从而获得良好的同步控制精度。但是这种控制策略不适合 两个以上电动机的同步控制情况。 综合上述结果可知，交叉耦合控制法对于多轴同步控制系统似乎会有较佳 的应用性与发展性，因此，本文将试着结合同步主端命令控制法与交叉耦合控 第一章绪论 制法来设计双s r m 同步控制系统，以能够在系统中出现不可避免的不确定因素 时，让系统能有最佳的同步效果。 1 7 本论文研究内容 为了能将开关磁阻电机应用于两台电机同步运行的采煤机电牵引系统去，本 文对单控制器控制两台电机的控制系统进行了研究。 主要完成了以下几方面工作： 1 、以s r 电机基本方程为基础，分别依据电感的理想线性模型和准线性模型 分析了s r m 运行时的电流和转矩情况。并以此为依据选择了开关磁阻电机的控 制策略。 2 、对两台电机同步运行的功率平衡问题进行了分析，结合同步主端命令控 制法与交叉耦合控制法设计了双s r m 同步控制系统，并且建立了双电机控制系 统的模型，通过s i m u l i n k 仿真波形验证了功率平衡问题的解决方案的可行 性。 3 、以数字电机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 为基础，以两台5 0 0 w 的 s r m 为研究对象，对双s r m 控制系统的硬件电路进行研究与设计。功率变换器 采用最少数量主开关器件的实现形式，主开关器件采用6 单元的智能功率模块 ( 1 p m ) 。 4 、将嵌入式操作系统t , c o s i i 应用于系统的软件设计中，通过合理的软件 设计使两台电机能够按照性能要求稳定运行。 5 、设计试验方案，对样机进行测试，测出电机的相电压、电流波形，从而 对控制电路及控制软件进行验证。 第二章开关磁阻电机的基本原理及运行特性分析 第二章开关磁阻电机的基本原理及运行特性分析 为了对s r d 采用的控制策略，调速效果以及双s r m 控制等进行研究，需要 对s r m 的电流特性、转矩特性等进行分析。但是开关磁阻电动机很难用传统电 机的基本理论和方法来分析和计算。这一方面因为该电机本身很特殊，它的磁场 分布和电路参数比较复杂，特别是在脉冲性电流供电及转子步进运行中无法像其 他电机那样建立简单和规范的数学模型。另一方面他由可控开关电路供电，必须 将非线性的电机参数，非常规的开关变换器供电电路以及特殊的控制方案进行一 体化分析和研究。 为了不致陷入繁琐的数学推导，突出s r m 的基本物理特性，本章以建立s r m 的线性模型为主，再考虑饱和的影响，对模型作适当的修正，分别推导出电动运 行状态的相电流解析式及电磁转矩的解析式，并在此基础上分析其转速控制的基 本方法及各种运行状态的特性。 2 1s r m 的基本结构和工作原理 开关磁阻电机为双凸极可变磁阻电机，定转子仅由硅钢叠片叠压而成。转子 既无绕组也无永磁体。定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一 相。其工作原理遵循“磁阻最小原理，即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合。 所以当铁芯与磁场的轴线不重合时，便会有作用力将铁芯拉到磁场的轴线上来， 这个作用力就是磁阻电机运行的原动力。这方面s r 电机与步进电机有相似之处。 但s r 电机与步进电机也有很大的区别。其一，一般步进电机是开环控制，s r 电 机则是位置闭环控制。避免了丢步。其二，一般步进电机作为信息传输，需要实 现角位移精密传动，而s r 电机是典型的功率型电气传动装置。二者具有不同的 设计思路，s r 电机更注重提过系统的效率以及良好速度控制性能。 图2 1 为四相s r 电机( 图中仅画出a 相绕组及其供电电路) 的结构原理图。 当定子b b 极受到励磁时，转子受到的磁力就会使转子a a 的轴线与定子极轴 线b b 重合，并使b 相励磁绕组的电感最大。如果以图中的相对位置为起始位 置，依次给b a d c 相绕组通电，则转子便按顺时针方向连续转动起来。并且当 主开关管s 1 、s 2 导通时，a 相绕组从直流电源v 吸收电能；当s l 、s 2 关断时， 绕组电流通过续流二级管d 1 、d 2 将剩余的能量回馈给电源。因此，s r 电机传 动具有再生作用，有利于系统效率的提高1 1 j 。 9 第二章开关磁阻电机的基本原理及运行特性分析 2 2s r 电机基本方程 图2 1s r 电机典型结构原理图 为了简化分析，忽略了铁芯损耗和绕组互感；设开关磁阻电动机的相数为m ， 各相结构和参数对称；主电源直流电压保持不变；功率开关器件理想。系统示意 图如图2 2 所示【1 1 。 巩 配 吃 无损耗磁场系统 厂 厂： _ 一 p 1 一 r t _ i _ 一 r 0 正，曰) = 、 岛，曰) ：r i ( i 矾，曰) u 窖麓 图2 2m 相s r m 系统示意图 图中，为s r m 转子及负载的转动惯量，d 为粘性摩擦系数，乃为负载转 矩。图2 1 所示系统动态过程的微分方程由电路方程、机械方程、机电联系方程 三部分组成。 l 、电路方程 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，第尼相绕组的电压平衡方程式为： = r t + d 虮d t 1 0 ( 2 1 ) 第二章开关磁阻电机的基本原理及运行特性分析 式中u 。加在k 相绕组的电压； 冠? 艮相绕组的电阻； 啪绕组的电流； 沙。嘲绕组的磁链。 各相绕组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。由于开关磁阻电动机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在 开关磁阻电动机的计算中一般忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转 子轭部饱和在各相之间产生的相互影响，这时肼目磁链为绕组电流和转子位置 角0 的函数，磁链又可用k 相电感厶和电流的乘积表示，所以方程可近似成： = 虮( ，秒) = 厶( i k ，o k ) i k ( 2 2 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 得： u：盟：鱼+f丝：三堕+f丝觋k l = r 屯+ ( l k a t i a 扰l 。k ) d d i f x + i ko l 抄kd q o f ( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 可知，电源电压等于三部分压降。其中，等式右端的第一项为 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，它与电磁机械能量转换直接有关。 2 、机械方程 根据力学定律得出电动机电磁转矩t e 和负载转矩瓦，作用下的转子机械方程： ，竺：z d c o - - 正 ( 2 4 ) 出 。 塑：c o( 2 5 ) 一= l 么。) ， d f 其中0 为转子位置角，彩为转速。 3 、机电联系方程 上面分别从电端口、机械端口列写了系统方程，两者是通过电磁转矩藕合在 一起的，因此反映机电能量转换的转矩表达式即为机电联系方程。 根据机电能量转换原理，开关磁阻电动机的电磁转矩表示为磁共能形对转 子位置增加的速率，即 互= 可a w ( i k , o ) = t ( i k ，口) ( 2 - 6 ) 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 z = t ( i k ，口) ( 2 - 7 ) 第二章开关磁阻电机的基本原理及运行特性分析 上述数学模型由于有严重的非线性，不可能得出解析解。因此，在性能分析 求解数学模型时需要在实用和理想之间寻求一种折衷的处理方法。到目前为止， 针对磁链的变化，采用了以下几种方法建立模型： 1 、理想线性模型 若不计电机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的大小无关，且不考 虑磁场边缘扩散效应，可采用开关磁阻电动机的理想线性模型将磁链近似为 电流f 。的线性函数，这种方法可了解电机工作的基本特性和各参数间的相互关 系，并可作为深入探讨各种控制方式的依据，但求解的误差较大，精度较低。 2 、准线性模型 因为磁链帆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、边缘效应，可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，这样可以用解析式来表示每段磁化曲线。可将帆曲线分为两段 ( 线性区和饱和区) 或三段( 线性区、低饱和区和高饱和区) 。 3 、非线性函数拟合模型 将磁链帆用非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确度。 4 、查表法建立模型 该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流间隔电机磁特性数据y ( f ，9 ) 反 演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据f ( 缈，秒) ，连同转矩特性数据t ( i ，目) 以表 格形式存入计算机中，然后用查表法数值求解非线性模型。 2 3s r m 电流和转矩分析 影响s r d 运行特性的最主要因素是s r 电动机相电流波形、电流的峰值和峰 值出现的位置。然而，s r m 运行时绕组电流既非定直流量，亦非交流的正弦量， 而且其波形还随着电动机的运行状态而变化，这些都给相电流的解析计算带来困 难，求解上节导出的非线性偏微分方程式( 2 3 ) 可得f ( 臼) 的精确解，但式( 2 3 ) 没有解析解，只有数值解。为弄清s r m 内部的基本电磁关系和基本特性，可从简 化的线性模型入手进行分析，进而研究开关磁阻电机四象限运行的基本控制方 法。 2 3 1 基于理想线性模型的相电流分析 若不计电动机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的大小无关，且不 考虑磁场边缘扩散效应，这时相绕组电感随转子位置角0 的周期性变化规律可用 图2 3 说明。 1 2 第二章开关磁阻电机的基本原理及运行特性分析 图2 3 相绕组电感曲线和相电流波形 图中横坐标为转子位置角( 机械角) ，基准点是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：t 是s r m 的极距角，用公式表示成： r r = 2 r r n r ，对四相( 8 6 ) s r m ，r r = 6 0 。；0 2 为转子磁极前沿与定子磁极后沿 相遇的位置；0 3 系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处；包为转子磁极后沿 与定子磁极后沿相遇的位置；孱、屏分别为定、转子极弧。 基于此线性模型，可以得到简化的s r m 绕组电感的分段线性解析： ik 。b 0 0 2 砸 乏似p 唱篙篡 亿8 ， i “”3 、v 、”4 【厶。一k ( o 一幺)幺 o 岛 忽略定子绕组的电阻，将( 2 3 ) 简化为： w k = 警= 三鲁+ ，鲁= 哮+ i d a l f c o , ( 2 - 9 ) d td t d td td 8 整理( 2 9 ) 得： 丝：三鱼+ f 丝( 2 1 0 ) ，d 8d 9 结合( 2 1 0 ) ，分段求解关于绕组电流f 的微分方程式，得到相电流的分段 解析式。 s r m 电动运行期间，应在b 0 2 内触发导通主开关器件，即有q o o 。 0 2 ； 在0 2 一0 3 内关断主开关器件，即有0 2 0 3 ；这时一个电感周期内的电流波形 如图2 3 所示。 1 、岛 0 。，相电流呈线性增长， ( 2 1 1 ) 因为没有旋转电势，相电流电流 可在该区域内迅速建立，调节眈。使相电流在进入有效工作段时达到足够大的数 值，是控制电磁转矩的主要办法。 2 、 岛硼 o ，相电流仍呈上升趋势，但因为起 始导通角过大，造成相电流值上升速度慢，电机利用率低，一般不采用。此时的 电流主要用于产生电磁转矩，因此，这一段电流的大小直接影响电动机的出力， 因此，通过电流斩波或电压斩波来近似控制相电流保持恒定，是控制电磁转矩的 主要办法。 3 、 秒 岛， 初值f ( ) = 砸u 了, ( o o 厕妒- o o ) ， 三= k + 尼( 矽一岛) ， 等勘o ，此时： f ( 们：u s ( 2 8 0 # - 0 - 0 0 ) ( 2 - 1 3 ) 三i t l i 。+ 七( 臼一包) j 令f ( 岛) ：o ，得：堡鱼，于是若 旦鱼，则相电流流在有效工作 段，即电感上升段内衰减为零，不会进入电感下降段，产生制动转矩。可见， 也是s r m 的一个重要的控制参数。 4 、岛 0 包，初值三兰k ，。兰= 0 ，此时： f ：竺堡垒二呈二型( 2 - 1 4 ) 以k 。 等= 一老 0 ，此时，没有旋转电动势，相电流以线性规律衰减。这段区 1 4 第二章开关磁阻电机的基本原理及运行特性分析 间中，电机中的磁场储能进一步转换成电能回馈给电容器。 5 、幺 目 绣，三= k k ( a 一只) ，笔= 一尼 o ，有旋转电动势， 为制动转矩，相电流为： 徊，= 篆焉嵩 2 3 2 基于准线性模型的平均转矩分析 电磁转矩 ( 2 1 5 ) 磁路饱和是s r m 的一个基本特征，并对s r m 转矩的计算有明显的影响，因 此，用两段线性特性来近似一系列非线性磁化曲线是较精确且常用的一种准线性 模型，如图2 4 。其中一段为磁化特性的非饱和段，其斜率为电感l ( e ，f ) 的不饱和 值；另一段为饱和段，可视为与0 = 0 位置的非饱和特性平行，斜率为三m i n o 图中 的是根据0 = 已位置即定转子凸极对准时的磁化曲线= f ( i ) 决定的，一般在 磁化曲线开始转弯处。 图2 4s r 电机的准线性模型 根据图2 4 ，列写l ( o ，i ) 的分段解析式如下t l ( i ，0 ) = 三m i n 厶血+ k ( 8 - 8 2 ) 0 i 三。i l i + k ( 目一岛) i i 厶一0i k 。+ k 。ii 一一k ( o 一只) 0 i 山+ 三一一k ( a 一日) 】i i f 1 根据上式，可得磁共能的分段解析式为： e l 口 岛 岛 口 岛 岛 秒 只 幺 口 岛 ( 2 1 6 ) 、lrj、lrj、lrj 第二章开关磁阻电机的基本原理及运行特性分析 w ( f ，0 ) = 委k f z 昙( k + k ( o 一0 2 ) ) i z 吉l 。i i 2 + k c 护一0 2 ) i , r。羔手 昙k f 2 o f 知：叱，。竺兰 去( k k ( o 一删z 去厶i l i n f z + ( 厶。一k ( o 一0 4 ) ) i , i b 0 0 2 0 2 0 岛 0 3 0 包 只 0 岛 ( 2 1 7 ) 将( 2 1 7 ) 代入( 2 6 ) ，得n s r 电动机瞬时电磁转矩分段解析式为： t ( i ，秒) = 0 f 2 k 2 i i k ( i f l 2 ) 0 一f 2 k 2 一i l k ( i i l 2 ) q 0 0 2 0 2 0 0 3 ( 2 1 8 ) 0 3 0 见 0 4 0 岛 由式可见，当s r m 相电流很小时，磁路不饱和，瞬时转矩与电流的平方成正 比，若绕组电流较大，则s r m 运行在饱和状态，这时瞬时转矩与电流的一次方成 正比。 在某些不要求精确计算的情况下，可以近似认为s r m 运行在线性状态，其瞬 时转矩为： t ：m k 2( 2 1 9 ) 2 式中m 为电动机相数，k 为相电感增大率，k = ( k 一厶证。) ( 岛- 0 2 ) ，i 为 相电流平均值。 2 4s r d 控制方法分析 为了采用合理的控制方法对s r 电机进行调速，首先应该分析电机的运行特 性。一般传动装置都需要一种典型的转矩一转速特性，即静止到基速输出恒转矩 特性，基速以上输出恒功率特性。所谓基速是指电动机能得到最大转矩的最高角 速度，也是电机开始运行于恒功率特性的临界转速，定义为s r 电机的额定转速， 1 6 、lrj、lrj、lrj 、lrj、fj h 一毛 u 时，电压比较 3 9 第四章控制系统硬件电路设计 器输出翻转信号，单稳态触发器输出一个宽度为t 的脉冲，强迫相应的主开关 管关断t 时间，使绕组电流下降，从而实现电流斩波。给定电压值u 由d s p 外接d a 转换电路得到。 4 5 命令输入与显示电路 本系统按键设置拟为4 个功能键，分别为起动( s t a r t ) 、停止( s t o p ) 、 正反转控制( d i r e c ) 、复位键( r e s e t ) 。除复位键外，其余均直接连接到d s p 的i o 口线上。复位键连接到d s p 的复位引脚。d s p 通过i o 口线查询上述功能 键的闭合状态，即高低电平，然后决定是否转入相应功能子程序。 起动键：给出起动命令，使电机转动起来； 停车键：给出停机命令，使电机停止转动； 正反转控制：给出正反转方向命令； 复位键：系统硬件及参数复位。 按键电路如图4 1 2 所示： + 5 i 图4 1 2 按键电路图 调速采样电路由手柄电位器、电阻r 和电容c 组成，采样范围为0 v - - 5 v ， 电压信号输入到d s p 的a d c i n 4 口。根据采样电压经a d 变换所得的值，调节 速度给定值。电路图如图4 1 3 所示： 第四章控制系统硬件电路设计 + 5 图4 1 3 速度给定电路 显示驱动器用m a x i m 公司生产的7 段共阴极l e d 数码管的驱动芯片 m a x 7 2 1 9 。同时利用t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 的串行外设接口s p i 外接m a x 7 2 1 9 来完成 数码管的动态显示。将f 2 4 0 7 中s p i 的s p i s o m i 和s p i c l k 脚分别与m a x 7 2 19 的d i n 和c l k 脚相连以输出数据和时钟信号给m a x 7 2 1 9 ，同时将7 2 1 9 的片选 信号l o a d 与f 2 4 0 7 的一个i o 口连接即可。利用t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 的s p i 串行输 出可令d s p 不用实时扫描，只在需要的中断发生时，串行输出即可，而且s p i 的波特率可达到最高，这些都大大节省了c p u 的时间。m a x 7 2 1 9 与l e d 的连 接如图4 1 4 所示： 图4 1 4m a x 7 2 1 9 与l e d 的连接 4 l 第五章s r d 系统软件设计 第五章s r d 系统软件设计 伴随着计算机硬件技术的发展，速度和容量都已不再是软件的“瓶颈”。随 着产品功能的日益复杂，过去传统的前后台软件开发的思想己不能满足现代软件 开发要求，嵌入式操作系统就是为了满足现代软件技术发展的要求而快速发展起 来的。嵌入式操作系统采用了先进的编程思想，为软件开发人员提供了一个友好 的开发平台，一般可以提供多任务调度、时间管理、任务间通信和同步、内存管 理等服务，从而使开发应用程序易于设计、维护、扩展，并缩短开发周期。使用 嵌入式操作系统开发嵌入式应用产品成为当前热门方向。 本系统采用的r t o s 是心o s i i l 3 9 】。之所以选择它，是因为除了其它r t o s ( 如 v x w o r k s ，l i n u x ，p s o s 等) 所共有的特点外，更重要的是在于它的免费及源代 码公开，而且对硬件资源的需求量较低，很适合向单片机及d s p 上移植。 5 1 嵌入式系统和p c o s i i 概述 嵌入式系统是嵌入于宿主设备以辅助宿主设备高质量完成其功能的小巧而 廉价的计算机系统。它可以是组成完整计算机系统的微控制器( 单片机) ，或是 由微处理器位主构成的计算机系统。嵌入式系统是将应用程序和操作系统与计算 机硬件集成在一起的系统。简单的说，就是用户自己开发设计板子，板上有微处 理器和各种芯片，其软件部分常常烧在r o m 或f l a s h 中。嵌入式系统一般由嵌入 式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定的应用程序等部分组成。 嵌入式操作系统的功能有： 1 进程管理 进程管理是一个运行中的程序。在操作系统中，进程具有独立性。多个信号 在操作系统的调度下，分时、并发的运行。这样的结构，使得软件的开发可