（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的开关磁阻电动机控制系统的研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 s t u d y o nc 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 rb 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 em o t o rd r i v es y s t e mh a sb e c o m e t h e p o w e r f u l c o m p e t i t o ra g a i n s tt h et r a d i t i o n a la ca n dd cd r i v es y s t e m s ，d u et oi t ss i m p l e s t r u c t u r e ，l o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c yi nt h eb r o a dr a n g eo fs p e e d b u tt h es t r o n g n o n l i n e a re l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i co fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ri n c r e a s e s i t sc o n t r o ld i f f i c u l t y , a n ds a t i s f y i n gc h a r a c t e r i s t i c sc a n tb ee a s i l yo b t a i n e dw i t h c o n v e n t i o n a lm e t h o d s s ot h es t u d yo fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o rd r i v es y s t e mi sf o c u s e do nt h ef i e l do fs w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r si nr e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r s o m em a t e r i a l sa b o u ts w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ra n di t sd r i v e s y s t e m a r es t u d i e dd e e p ly a i m i n gt h ec h a n g e so fi t si n d u c t a n c e ，w i n d i n g c u r r e n t sa n dt o r q u ea td i f f e r e n ts t a g e s ，a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o ls t r a g e r yi s a d o p t e dw h e nh i g hs p e e d ，a n dc h o p p e dc u r r e n tc o n t r o ls t r a g e r yi sa d o p t e d w h e n l o ws p e e d f u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a g e r yi sa p p l i e dt ot h ed r i v es 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 t h i sd i s s e r t a t i o n p r i m a r i l yp r e s e n t s t h e d e v e l o p m e n t o fs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o ra th o m ea n d a b r o a d f i r s t l y , a n d t h e nd e s c r i b e st h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fs r mi nd e t a i l s b yc o m p a r i n gs e v e r a l c o n t r o lm e t h o d s ，as i m p l ea n dp r a c t i c a b l ed e s i g ni sp u tf o r w a r da st h eo b j e c ti s 8 6p o l e ，0 7 5 k ws r m t h ec o n t r o l l e ru s e st h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2o ft ic o m p a n y a s t h em a i nc o n t r o lu n i t ，a saw e a l t ho fp e r i p h e r a l sa r ei n t e g r a t e di nd s p , t h e e x t e r n a lc i r c u i tc o m p o p e n t sn e e d e da r es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，t h es y s t e md e s i g n i ss i m p l i f i e d ，a n dt h er e l i a b i l i t yi si m p r o v e d t h ed e s i g n i n go fp o w e rc o n v e r t o ri s g u i d e db yt h ep r i n c i p l eo fm a t c h i n gs t r u c t u r e ，h i g he f f i c i e n c ya n dc o n v e n i e n t c o n t r o l l i n g a f t e rc o m p a r i n gav a r i e t yo fb a s i cs t r u c t u r e so fp o w e rc o n v e r t ，a p r o p o s a lw i t hl e a s ts w i t c h i n gd e v i c e s i s a d o p t e d ，m a k i n gt h ec o s tl o w e r ，t h e c o n t r o l l i n gs i m p l i f i e r ，s a f e ra n dm o r er e l i a b l e s o f t w a r eo f t h ec o n t r o l l i n gs y s t e m i i 哈尔滨理_ t 人学t 学硕i ：学化论文 i s p r o g r a m m e d i nm e t h o do f m o d u l e ，m a k i n g t h e p r o g r a m r e a d a b l ea n d m o d i f i a b l e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h es y s t e mi sr a t i o n a l w i t h t h es u p p o r to fc o n t r o l l e r ，p o w e rc i r c u i ta n ds o f t w a r e ，t h em o t o rr u n ss t a b l ea n d r e l i a b l e ，a n dm e e t st h er e q u i r e m e n to fd e s i g n k e y w o r d ss w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，c u r r e n tc h o p p e rc o n t r o l ， a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r 0 1 i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的开关磁阻电 动机控制系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：日期：2 0 0 9 年4 月8 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 的开关磁阻电动机控制系统的研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 扬蜗 日期：2 0 0 9 年4 月8 日 导师签名：南哈撄 r 期：2 。9 年4 月8 日 哈尔滨理t 大学t 学顾f j 学位论文 第1 章绪论 开关磁阻电动机驱动系统( s r d ) 是八十年代中期发展起来的新型调速统。 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，因此，开关磁阻电机一问世就引起国内外电工界的 广泛关注，深信它将在电子传动自动化领域中占有重要地位1 。 1 1 开关磁阻电机的发展概况 1 - 1 1 国内外研究历史 开关磁阻电机已具有一百余年的历史了，其中应用较广泛的三相同步反应 式磁阻电机因其转子上没有绕组，是由定子侧激磁，因此功率因数较低，效率 也较低。开关磁阻电机( s r m 或s r 电机) 是经过变革的一种很有生命力的新型 电机，与传统磁阻电机有着质的区别是因为开关磁阻电机与电力电子开关电 路、现代控制系统相结合而产生的一种机电一体化的新型s r d 驱动系统，并 将随着电机理论、电力电子技术、控制理论的发展而不断发展。 2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管的投入使用，为开关磁阻电机的研究和发 展奠定了重要的物质基础。1 9 6 7 年，英国l e e d s 大学开始对开关磁阻电机进行 深入研究，其所研制的开关磁阻电机可在单向电流下四象限运行，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，电动机成本亦低于 同容量的异步电动机。1 9 7 3 年，英国n o t t i n g h a m 大学亦开始对开关磁阻电机 进行研究。1 9 7 5 年，上述两所英国大学的研究小组联合参加了c h l o r i d a t 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，成功地研制出 了一套用于电动汽车的5 0 k ws r d 装置，其单位输出功率和效率都高于同类的 异步电机驱动装置，表明s r d 有很好的发展前途。 1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授及其同事们总结了他们的研究成 果，发表了著名论文变速开关磁阻电动机，这标志着s r d 正式得到国际社 会的承认【2 川。 1 9 8 3 年，英国t a s cd r i v e s 有限公司将世界上第一台开关磁阻电动机传动 哈尔；寅理t 大学t 学硕f ：学位论文 装置( 7 5 k w ，5 0 0 r m i n ) 商品投放市场；1 9 8 4 年，该公司又推出4 2 2 k w 四个 规格的系列产品。原联邦德国在1 9 8 4 年至1 9 8 6 年期间也先后完成了l k w ， 1 2 k w ，5 k w 样机的试制。作为一种结构简单、鲁棒性好、价格便宜的新型调 速系统，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视，美国、加拿大、南斯拉 夫、埃及、新加坡等国也都竞相开发，从而成为8 0 年代电工界热门研究课 题，研究成果也逐年增加。目前开关磁阻电机调速系统的产品，已经遍及家用 电器、纺织机械、医疗器械、牵引机械、各种电动车辆的驱动、航空发动机起 动与伺服系统，其功率范围从1 0 w 到5 0 k w ，转速也从每分钟几百转到每分钟 1 0 万转刚。 开关磁阻电机成为八十年代热门的调速电机，进入9 0 年代后，对其接受 和感兴趣的程度呈逐年上升趋势，形成理论与实际应用并重的发展事态。国内 对于开关磁阻电机的研究与开发起步也较早，七十年代末合肥工业大学研制了 盘形磁阻式电动机，因其结构复杂而没有得到推广。此后又有多家院校和企业 参与研制和开发径向气隙式开关磁阻电机，并逐步从实验室走向生产和工业推 广应用。我国分别于1 9 8 8 年、1 9 9 1 年、1 9 9 3 年召开了三次开关磁阻电机研讨 会，并于1 9 9 3 年成立了开关磁阻电机研究小组，标志着我国的开关磁阻电机 研究工作已初具规模。其间以南京航空航天大学和华中科技大学为代表，对我 国的开关磁阻电机研究和推广应用作出了卓越的贡献。目前我国的开关磁阻电 机如k c 系列已经批量上市，并应用于2 0 多种生产机械。另外在电动汽车、 家用电器等领域开关磁阻电机也逐步走上应用阶段。 正是由于它是一项正在发展的新技术，故在许多方面还有待完善。因为它 的发展历史短，s r d 涉及的范围很广，包括电机、电子、微机、控制、机械等 多方面。目前还存在很多课题和研究方向：如优化设计、系列产品开发、相数 的研究与选择、驱动电源研制、高速电机的开发、振动噪声的研究、铁耗与效 率研究、无位置检测器方案研究等0 1 。 1 1 2 国内外技术研究现状 目前丌关磁阻电机应用较好的领域是： 1 电动车辆的驱动系统具有串励特性的s r m ，适合车辆电驱动应用。 美国有好几家公司如：d e l p h ia u t o m o f i r es y s t e m s ，e m e r g e n i xc c n f c r , a i s i ns e l k i c ol t d ，意大利国家科学院，意大利菲来特汽车公司，中国的东风汽车公司和 华中科技大学都已成功地开发了电动车驱动系统用的开关磁阻电机驱动系统， 运行试验表明它能满足车辆性能的要求，是电动车驱动系统优选方案之一。中 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 国矿业大学研发的矿车驱动取得成功，南京航空航天大学也成功的开发了电动 摩托车。 2 车辆、飞机等的起动发电机s r m 在发电工作时输出脉冲电流，若 配以储能元件如蓄电池或电容，可以作为直流电源应用，如小型风力发电机、 汽车发电机及航空发电机应用。特别是由于s r m 起动性能好，电动发电双功 能可控性好、实现容易，因此在直流电源体制下做汽车和飞机的起动发电机 有独特的优越性，美国在航天飞机中已有数百架应用s r 电机作为起动发电 机，s u n d s t r a n d 公司的8 0 k ws r m 起动发电机在第四代战斗机中应用。 而且近几年来许多国家正在或者已经应用s r m 作为汽车中的起动发电。国内 也有少数院校正在从事这方面研究，像南京航空航天大学成功研制的开关磁阻 起动发电机得到很高的评价p 一。 3 矿山、石油钻井等恶劣环境下用的牵引输送机械的驱动系统英国、 中国已有许多煤矿石油钻井机械采用s r m 作为驱动系统。山西防爆电机厂生 产的s r m 防爆电机也在煤矿井下有所应用。 4 控制电机应用b e s a m 的自动门执行机构，低速( 3 0 0 r m i n ，5 n 神，3 相，1 2 8 极，非常精确的速度和位置控制，从1 9 9 3 年开始生产，每年产量2 万多套。我国研发的电动门智能驱动、机械手关节驱动初有成效，在电缆、纺 织行业作恒线速度或张力控制传动，电脑控制工业缝纫机专用驱动等都有成功 的应用。 5 家用电器s r m 结构简单、性价比高是家用电器驱动得到优选的重要 原因。如洗衣机采用s r m 直接驱动，可简化结构、提高性能。美国 e m e r s o n 、北京中纺总会电机研究所、扬州中凌高科技发展有限公司等已分别 研制出用十滚筒洗衣机及其它洗衣机用的s r d 系统。韩国l g 公司生产的 s r m 小型风机也可以在家电装置中应用。基于s r m 高速适应性好，在吸尘 器、地板磨光机等家电中应用的成果也有所见卜“。 6 龙门刨床太原第一机床厂在b q 2 0 1 0 0 a 轻便龙门刨床上采用1 5 k w s r d 系统取代了机械复杂且使用维护比较麻烦的电磁离合器传动和价格昂贵的 s c r d 传统系统，提高了刨床生产效率。山东科汇集团使用台c r m 代替原 来的电动机来拖动刨床工作平台的主运动，通过p l c 的控制可以实现平台的 步进、步退、前进、自动后退、自动停止和磨床功能。 7 纺织机b r o t h e r 公司制造的1 0 0 0 0 r m i n 的特殊纺织机，中纺总会电机 研究所开发的k c 系列s r d 系统，在涤纶抽丝机、可逆轧机、高速平缝机以 及造纸机等多种不同应用场合得到成功应用。 r 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学f 证论文 1 1 3 开关磁阻电机的主要研究方向 近2 0 多年来，s r 电机的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新 型调速系统，研究的时间还较短，由于s r d 是典型的机电一体化系统，为使 系统整体最优，s r 电动机、功率变换器以及控制器三者之间必须协调设计， 加之其复杂的非线性特性，导致研究的困难性。由于在应用上s r d 有着广阔 的市场前景，s r 电动机具有多种优点，这就给了人们继续研究的动力。目 前，s r d 的研究方向主要集中在以下几个方面： 1 数学模型的研究数学模型是控制理论应用的基础。在以往的研究过 程中，人们已经提出了各种各样的开关磁阻电动机数学模型卜“。但是它们在模 型的精确性和简单性方面都无法同时兼顾。因此，s r 电动机数学模型的研究 将继续发展。近年来，多维系统辨识、小波模型、神经网络建模等各种建模理 论发展迅速，而且在控制系统中的应用日益深入。s r 电动机数学模型的研究 也必然受到这一趋势的推动。相信在不久的将来结合各种现代建模理论的s r 电动机非线性数学模型将被提出。 2 功率变换器方案确定和主开关元器件选择开关磁阻电动机调速系统 的性能和制造成本，在很大程度上取决于功率变换器主电路的结构形式，因此 功率变换器的研究意义重大。随着电力电子技术的发展和新元器件的不断涌 现，如何合理地选择主开关元件的类型、数量及容量也是十分重要的课题。 3 消除转矩脉动控制s r 电动机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多 因素的影响，如电动机结构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等。由于 s r 电动机的双凸极结构，电磁特性以及开关元器件的非线性影响，采用传统 控制策略得到的合成转矩不是恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动，这点 限制了s r d 在一些直接驱动领域的应用 1 4 j 。目前，主要的研究成果如利用迭 代学习控制和转矩分配函数减小转矩脉动，这种方法以绕组电流为s r 电动机 的输入量，s r 电动机的转矩为输出量，利用迭代学习控制方法不断调整绕组 中的电流、以得到期望的输出转矩，提出有效减小转矩脉动的方法，具有十分 重要的意义。 ， 4 微处理器和专用集成电路的应用开关磁阻电动机能够正常工作的关 键是每相开关导通、关断的实时控制，对起动、运行、故障保护也要实时控 制。早期采用的模拟电路控制，实时性相对较差，比较合理的是采用微机实现 部分或全数字实时控制。在微机控制中，已由8 位单片机，发展为1 6 位单片 机，双1 6 位或3 2 位的单片微机的应用亦正在研究开发之中。控制电路的集成 哈尔滨理- t 人学t 学硕i j 学位论文 化对简化硬件电路、产品系列化、提高可靠性等非常有效，是研究的方向。这 些都是s r 电动机迈向成熟和批量生产的必由之路。 5 无转子位置检测方案位置检测是s r 电动机同步运行的基础，也是 s r 电动机区别于步进电机的主要方面之一，s r 电动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，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 电动机研究的一大热点。例如，通过测试电动机非激磁相绕组电感 来估算转子位置；利用探测线圈的自感和互感估算转子位置；在定子2 个凸极 之间安装会属平板，通过电容的变化来估算转子位置等。 6 多控制算法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，一些现代的控制理论和 方法在s r 电动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，但距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 电动机实时控制，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。 1 2 开关磁阻电动机调速系统控制策略发展概况 1 2 1 经典p i 控制 在工业过程控制中，p l 控制是历史最悠久，生命力最强的控制方式。它是 迄今为止最通用的控制方法。我们今天所熟知的p i 控制器产生并发展于 1 9 1 5 - 1 9 4 0 年期问。尽管自1 9 4 0 年以来，许多先进控制方法不断推出，但p l 控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性以及易于操作等优点，仍被广泛 应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。据日本先进控制调 查委员会1 9 9 0 年统计，在同本有9 1 的控制回路采用的是p i 调节器控制。在 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 美国，据控制工程杂志( c o n t r o le n g i n e e r i n g ) 编辑k j k k o m p a s s 估计，有9 0 以上的工业控制器采用的是p i d 调节器“。而在我们国家p i d 调节器的应用就 更加普遍。尽管随着控制理论的发展和控制手段的更新，许多基于现代控制理 论的新型控制器不断出现，但p i d 控制仍是目前最常用、最重要的控制方式之 一。据估计：我们国家过程控制工业中需要约5 0 万个p i d 参数自整定控制 器。 p i 调节器的特点是原理简单、适应性强、鲁棒性强，最突出的特点在于它 不依赖于对象的精确模型，可以解决工业过程精确建模的困难。由于其应用时 间较长，控制工程师们己经积累了大量的p l 控制器参数的整定及调节经验。 p i 调节器的发展经历了液动式、气动式、电动式等几个阶段，目前j 下由模 拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展。这些数字化、智能化的控制 器有着传统的模拟控制器所无法比拟的优点，如：可以灵活的改变控制参数， 可以灵活的变控制策略等。 但是随着工业装置规模越建越大，控制回路越来越多，操作越来越复杂， 使得p i 调节器的参数往往难以整定到理想状态，从而影响回路控制的效果， 对产品质量、原料消耗、能耗等都会带来不利的影响，更严重的是会影响到生 产装置的安全操作。所以现在对p i 的参数整定方法在实际生产中的应用成为 研究的热点。尤其是针对不稳定的、积分对象的p i 自整定。 近年来国内外相关专家关于p i 参数整定方法进行了大量的研究和开发工 作。在过去的几十年中，回路整定技术已经有了很大的发展和改进，产生了多 种行之有效的整定方法，其中包括：z i e g l e r n i c h o l s l 法、反应曲线整定法、以 模型为基础的控制方法等，促使不少的p i 自动整定控制软件包和回路整定器 的相继产生，在改善实际的自动控制系统性能方面发挥了重要的作用。 随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、 非线性的复杂系统：其中有的参数未知或缓慢变化，有的带有延时或随机干 扰，有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。加之人们对控制品质的 要求日益提高，常规p i 控制的缺陷逐渐暴露出来。对于时变对象和非线性系 统，传统的p i 控制更是显得无能为力。因此常规p i 控制的应用受到很大限制 和挑战。人们在对p i 应用的同时，也对其进行了各种改进。主要体现在两个 方面：一方面是对常规p i 本身结构的改进，即变结构p l 控制；另一方面是模 糊控制、神经网络控制和专家控制是目前智能控制中最为活跃的领域，它与常 规p i 控制相结合，扬长避短，发挥各自的优势，形成所谓的智能p i 控制。这 种新型控制器已引起人们的普遍关注和极大的兴趣，并已得到较为广泛的应 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 用。它具有不依赖于系统精确数学模型的特点，对系统参数变化具有较好的鲁 棒性。主要方法有：基于规则的智能p l 自学习控制算法、加辨识信号的智能 自整定p i 控制算法、专家式智能自整定p i 控制算法、模糊p i 控制算法、基于 神经网络的p l 控制算法、自适应p i 预测智能控制算法和单神经元自适应p i 智 能控制等多种控制算法m 1 。 1 2 2 模糊控制 模糊控制技术己经成为智能控制技术的一个重要分支，它是一种高级算法 策略和新颖的技术。自从1 9 7 4 年英国的e h m a m d a n i 工程师首先根据模糊集 合理论组成的模糊控制器用于蒸汽发动机的控制以后，在其发展历程的3 0 多 年中，模糊控制技术得到了广泛而快速的发展。现在，模糊控制已广泛地应用 于工业过程控制、家用电器智能化、仪器仪表自动化、计算机及电子技术应用 等领域。尤其在交通控制、机器人和机械手控制、航天飞行控制、汽车控制、 电梯控制、核反应堆及家用电器控制等方面，表现出很高的应用价值。目前已 有了专用的模糊芯片和模糊计算机的产品可供选用。我国对模糊控制器的研究 是在1 9 7 9 年开始的，目前已经在模糊控制器的定义、性能、算法、鲁棒性、 电路实现方法、稳定性、规则自调整等方面取得了大量的成果“”1 。近几年 来，模糊控制技术越来越多的受到全世界控制领域中人们的普遍关注和重视。 著名科学家钱学森指出，模糊数学理论及其应用，关系到我国2 1 世纪的国力 和命运。 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： 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。 哈尔滨理t 人学t 学顾l ：学位论文 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 f u z z y p i 复合控制f u z z y p i 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。 2 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，对于那些具有 非线性、大时滞、高阶次的复杂系统有着更好的控制效果。 3 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。 4 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。 5 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。多变量藕合和“维数灾难 问题是多变量模糊控制需要解 决的问题p 。 开关磁阻电机因其磁路的高度饱和造成其特性的非线性，在不同的控制方 式下又是变结构的，所以开关磁阻电机同时具有非线性及变结构的特点，这给 其精确控制带来极大的困难。由于难以建立开关磁阻电机精确的数学模型，这 对于依赖精确数学模型的经典控制系统来说，传统的p i ，p i d 控制在非线 性、变结构的条件下，精度低且易出现不稳定的现象。故其不适用于开关磁阻 电机。其它的一些现代控制理论如滑模变结构控制、状态空间控制、自适应反 馈校正控制等应用于开关磁阻电机的控制，可取得较好的控制效果但应用比较 复杂。而现代智能控制方法模糊控制应用于丌关磁阻电机的控制可取得较 好的控制效果并且实现比较简单p “1 。 1 3 本课题主要研究内容 1 3 1 研究目的及意义 由于自身的结构及运行特点，使得s r 电机的特性和控制方式与传统电机 有着明显的不同，同时也存在着一系列问题需要解决。因为开关磁阻电机采用 的是双凸极结构，高度饱和，故开关磁阻电机调速系统本身是一个时变、非线 性系统。磁阻转矩是定子电流和转子位置的非线性函数，传统的线性控制方法 哈尔滨理t 入学t 学硕l ：学位论文 难以满足动态较快的s r 电动机非线性、变参数要求，因此，与一般电机相 比，s r 电机转矩脉动比较明显，由此引起电机噪声及转速波动，这就限制了 它的应用。为了加紧对s r 电机调速系统的研究，一方面从理论分析入手，对 s r 电机本体进行优化设计；另一方面优化控制策略，减小转矩脉动，降低噪 声，使开关磁阻电机充分发挥其优点，在工业控制领域和家电行业得到更广泛 的应用。随着科学技术的不断进步以及半导体集成技术水平的提高，s r 电机 调速系统己在工业控制领域和家用电器行业得到应用。如若能进一步提高开关 磁阻电机的动态性能，仅从节能方面考虑，只要节能5 就可带来巨大的经济 和社会效益 1 3 2 本文的主要内容 论文各章的主要内容如下： 首先，通过阅读国内外文献，介绍开关磁阻电机及其调速系统的发展概况 和国内外研究现状，指出课题研究的目的和意义。其次，深入的研究开关磁阻 电动机的本体结构及其调速系统的基本理论、工作原理、运行特性。将模糊p i 控制引入到开关磁阻电机调速系统中，利用功能强大的m a t l a b 仿真软件， 在s i m u l i n k 环境下搭建起系统的仿真模型，并对仿真结果进行详细的分析。再 次，采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的控制芯片进行开关磁阻电动机系统软件和硬 件设计，并进行系统调试并通过所设计的试验平台验证控制系统的可行性，并 针对存在问题提出改进方案。 哈尔滨理t 人学t 学硕 j 学位论文 第2 章开关磁阻电动机的基本理论 2 1 开关磁阻电机的结构 s r 电动机是s r d 的执行元件，它的结构与传统的交直流电动机有着根本 的区别。s r 电动机在结构上与步进电机相似，运行原理都遵循磁通总是要沿 着磁导最大的路径闭合的原理，当铁心与磁场轴线不重合时，便会有作用力将 铁拉到磁场的轴线上来，这个作用力就是s r 电动机运行的原动力切向磁 拉力。所以s r 电动机的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变 化，采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。这是s r 电动机与步进电机的相似之处，但是步进电机一般为位置开环步进脉冲控制， 而s r 电动机是位置闭环控制，且位置闭环控制就不会出现失步现象；步进电 机是作为信息传输从而实现角位移精密传动，而s r 电动机是典型的功率型电 r ，1 ，1 气传动装置m b 一。 子 足于 图2 - 18 6 级定、转子截面图 f i g 8 6 s t a t o ra n dr o t o rs e c t i o n s s r 电动机的定子和转子都是凸极式齿槽结构。定、转子铁芯均由硅钢片 冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成，图2 - 1 是8 6 极定、转子冲片的形状。 为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿槽数z 。和z ， 应为偶数。当然，z 。不等于z ，但应尽量接近。因为当定子和转子齿槽数相近 时，就可能加大定子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电动机出力的 重要因素，再考虑结构设计的合理性，所以常用的关系为 z = z r + 2 ( 2 1 ) 定子上设有集中绕组，径向正对两齿极上的线圈串联成一相绕组。因此， 哈尔滨理t 人学丁学硕i ：学位论文 s r 电动机的相数为 m = 互2 ( 2 - 2 ) 从自起动能力及能否正反转考虑，一般应选择m 3 。一般来说，相数少 则功率变换器主电路简单、成本低，因此，两相甚至单相结构是很有吸引力 的。但目前最常用的s r 电动机还是三相和四相的。按照每极齿数分，有单齿 和多齿结构，一般说来，多齿结构单位铁芯体积出力要大一些，但其铁芯和主 开关器件的开关频率和损耗也增加，这将限制s r 电动机的高速运行和效率， 因此，一般不使用多齿结构。按气隙磁场分有轴向和径向结构，单相s r 电动 机大多采用轴向结构。 2 2 开关磁阻电动机的工作原理 以课题所研究的8 6 极四相s r 电动机为例，该电机的一相电路的原理示 意图如图2 2 所示，k 1 ，k 2 是电子开关，d 1 ，d 2 是续流二极管，u 是直流电 源。电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，转子带有 位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电动机 的连续运行。 s r 电动机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因 为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最 大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 因为s r 电动机的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁 阻最小的路径闭合，所以具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必须 使自己的主轴线与磁场的轴线重合。由图2 2 中可看出当定子b b 极励磁 时，所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线1 - 17 与定子极轴线b b 7 重合的位置，并使b 相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位 置作为起始位置，则依次给b a d c 相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以 逆时针方向连续旋转；反之，若依次给d a b c 相通电，则电动机即会沿着 顺时针方向转动。所以s r 电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决 于相绕组通电的顺序。 哈尔滨理t 大学t 学顾l ：学位论文 控制丌关 图2 2 开关磁阻电动机工作原理 f i g 2 - 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 2 3 开关磁阻电机的基本方程和运行特性 2 3 1 开关磁阻电机的基本方程 源 建立开关磁阻电动机数学模型的主要困难在于：电机的磁路饱和、涡流、 磁滞效应等产生的非线性，这些非线性影响着电机的性能，但是这些非线性很 难进行数学模拟，考虑了非线性的所有因素，虽然可以列出一个很精确的数学 模型，但是计算复杂，难予仿真分析。因此，在建立开关磁阻电机数学模型的 时候，要在理论性和实用性上加以折中考虑弘。1 。为了便于简化分析，做出如 下的假设： 1 ) 主电路开关器件的直流电压以不变； 2 ) 主开关器件为理想开关，即导通压降为零，关断时流过的电流为零； 3 ) 忽略铁芯的磁滞和涡流效应，即不考虑铁耗； 4 ) 电动机各相参数对称，每相的两个线圈做正向串联，忽略相间互感； 5 、) 在一个电流脉动周期内，认为转速恒定。 开关磁阻电动机运行的理论与任何电磁式机电装置运行理论在本质上没有 区别，都可以看作一对电端口和一对机械端口的二端口装置。对于m 相 s r m ，若不计磁滞、涡流、及绕组间互感时，系统的示意图如图2 3 所示。 图2 3 中，乩阢以，为各相电压，为开关磁阻电动机转子及负载的 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学化论文 转动惯量，d 代表粘性摩擦系数，乙为电机的电磁转矩，瓦表示负载转矩a 描述此图的微分方程由电路平衡方程、机械运动方程和机电联系特性方程三部 分组成。 虬 图2 3m 相开关磁阻电动机系统示意图 f i g 2 - 3m p h a s es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rs y s t e md i a g r a m 1 电压方程根据电路的基本定律，可以写出s r 电机第k 相的电压平衡 方程式： = r + 半 ( 2 3 ) 式中：为第k 相绕组的端电压；丘为第k 相绕组的电流；冠为第k 相绕组 的电阻；1 l ，。为第k 相绕组的磁链。 2 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 电机各相之间的互感相对于自感来说很小， 为了便于分析，在s r 电机的计算中一般忽略相间互感。因此，磁链方程为 妒。= 厶( 吼，i k ) i k ( 2 4 ) 应当注意，每相电感厶是相电流和转子位置角o k 的函数，电感之所以与 电流有关是因为s r 电机磁路非线性的缘故，而电感随位置角变化正是s r 电 机的特点，是产生转矩的先决条件。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 0 0 得 = r t + 鲁鲁+ 等等= r + ( 厶+ 瓦o l kj 百d i k + t 面o l k 百d o ( 2 - 5 ) 上式表明，电源电压与电路中的三部分压降相平衡。其中，等式右端第一 相为第k 相回路中的电阻压降；第二相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；第三相是由转子位置改变引起绕组中磁链变化而感 哈尔滨理t 大学丁学硕i j 学位论文 应的电动势，称为运动电动势，它与s r 电机中的能量转换有关。 3 机械运动方程按照力学定律，也可列出在电动机电磁转矩。，和负 载转矩正作用下的转子机械运动方程。 乙= ，粤+ d 掣+ 瓦( 2 - 6 ) a ta t 一 式中，电机角速度= 半。 m 4 机电特性方程在电机中，电和机械二者一般是通过电磁转矩的耦合联 系一起的，因此反映电能和机械能转换的转矩表达式为机电特性方程。 开关磁阻电动机的一相绕组在一个工作周期内的机电能量转换过程可以通 过在磁链电流劬一f ) 坐标平面的轨迹来描述。所以，s r m 的静态性能可 以通过一组磁化曲线簇来表示，常使用随着转子位置和相电流周期变化的磁链 曲线来表示，如图2 4 所示。图中的两条极限磁化曲线分别对应于最大磁阻位 置吒。和最小磁阻位置氏加。由于忽略相绕组之间的互感，故可以从一相来考 察开关磁阻电动机的电磁转矩。图2 4 中，每相在一个工作周期内输出的机械 能总和为，从图2 4 中看就是运行轨迹所包围的面积。因此在任意一个运行 点可求出瞬时转矩。 m 力= 学b = 罟k ( 2 - 7 ) 式中，( 口，f ) 2 f o o 码o d i2 f o o l ( o ，咖斫，是绕组的磁共能，o w 7 是耦合磁场在 转子位移增量a o 内的磁共能增量，形为绕组贮能。 在砂一f 平面上，任一点处绕组的贮能大小对应图中运行点的转子位置处磁 化曲线左边区域面积，c 点为换相点，该点处绕组的主开关器件关断，绕组电 流开始下降。 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 图2 - 4s r m 的妒一i 曲线 f i 9 2 - 4 s r m 缈一ic a l v e 图2 4 表明，s r m 运行在磁路饱和状态下，其非线性很严重。由式( 2 7 ) 可知，磁共能( 目，f ) 的变化取决于转子位移角和绕组相电流的瞬时值，磁路 非线性的存在使得式( 2 7 ) 的求解较为复杂。在对s r m 性能作定性分析时，若 忽略磁路的非线性，则磁链妒可由电感三表示为妒一l i ，则磁共能形p ，f ) 可简 化为 w 7 ( p ，i ) t 三l i 2 ( 2 - 8 ) 则式( 2 7 ) 口- 1 简化为 t ( o , i ) 2 j 1i 2 丝0 0 ( 2 - 9 ) 可见式( 2 5 ) ，( 2 6 ) 和( 2 9 ) 一起