（电机与电器专业论文）基于人工神经网络的开关磁阻电机控制系统.pdf

基于人工神经网络的开关磁阻电机控制系统 c o n t r o ls y s t e mo fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rb a s e do na r t i f l c i a l n e u r a ln e t w o r i s 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 f3 0y e a r s ，b u th a sa l r e a d y w o nai m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ef i e l do fe l e c t r i cd r i v ed u et 0i t s9 0 0 dp e r f b 彻a 1 1 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 tmp e d b h n a n c ea i 璩1 y s i s ，d e s i g na i l dc o n t r 0 1 ，t h e r ea r e s 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 r d e n c eo n 廿l ep o s i t i o n s e n s o r s ， c o m p 雅m v e l ys e r i o u st o r q u er i p p l e ，v i b r a t i o na n dn o i s e ，w i l i c hi 油i ti t sf b r t l l e r 印p l i c a t i o n t h i sp a p e rd e v d o p e dac o n t r o ls y s t c mb 韶e do nn e u r a ln e 似o r kf o ra4 一p h a s e8 6 一p o l es r m o f3k wb a s e d 铋t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p ，w h i 。hc a nb eu 3 e d 参。rt h et e c h n i c a lr e s e a f c ho n s r mc o n 仃0 1 t h e 也e s i sc o n t a i n sf i v ec h a p t e r s t h ef i r s tc h 印t e rs u m m a r i z e sm ed e v e l 叩m e n ta i l d r c s e a r c ho fs 、v i t c h e dr e l u c t a n c ed d v e ( s r d ) ，d i s c u s s e s 也em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n ，a n d e x p l a i n st l l em a i nw o r ki i lt h i sp a p e r i nc h a p t e r2 ，h a r d w a r es y s t e m 讲l i c hm c l l l d e st h ed e s i g n o fp o w e rc o n v e r t e ra n dv 撕o u sc o n t r o ic i r c u i ti sd i s c u s s e d t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pi su s e dt o d e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i t so fs i 己mc o n t r 0 1s y s t e m ，a i l dd e s i g nd e t a i l si n c l u d i n g 血ec u r r e n t d e t e c t i o n ，p o s i t i o ns e l l s i n g ，f a u l tp r o t e c 廿o n ，s p e e dd e t e c t i n g ，k e y b o a r da i l dd i s p l a ye t c 。a r e p r o v i d e d b e c a u s eo f l em l lu s eo ft l l ea b u n 出i n tp e r i p h e r a lr e s o l l r c e so fd s p ，i tc o m e st ot l e a i ms i m p l i 母i n gm ec 沁u i ts n l l 嘶聪a l l d h e i g h t e l l i n gt h er e l i a b i l i t y i nc h a p t e r3 ，恤 印p l i c a t i o no fn e u r a ln e t w o r ko ns f m ic o 曲_ o ls y s t e mi si i l 仃o d u c e d ，an e wt h ea p p i i c a t i o no f n e u r a ln e t w o r ka i l dt h e 脒m o do fs a m p l i i l gi sp r o p o s e da i l das i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do n m a t l a b s i m u l i n ki se s t a b 】i s h e d a l a p t e r4d i s c u s s e st h er o u t i n ed e s i 窑1 1 i n gi s s u e b e c a u s et h e m o d u l a r i z e dp r o 鲜咖i n gm e m o di sa d o p t c d ，a n dm i l l t i i n t e r r l l p tp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei s u s e d ，o p e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft l l ec o n t m ls o 舢v a r ei sh i g i l l yr a i s e d a tl 勰t ，吐l ef o r e g o i n gs r m c o n 仃d ls y s t e mi st e s t e d s p e e da d j u s t i l l e n ti sr e a l i z e d ，a i l do t l l e rt a r g e t so nt l l er e s e a r c ha n d d e s i g no fs i 蝴c o n 仃o ls y s t e m 盯er e a c h e d ，w h i c he s t a b l i s h e sag o o df o u n d a t i o nf b rf h r t h e r l _ e s e a i i c h 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 ；a r t m c i a in e u m ln e 抑o r k ：d s p ；c o n t r o 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： 大连理工大学硕士研究生学位论文 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子 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：盏瑞j 胡 导师签名：瑟盟 曼! ! 年月厶日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 开关磁阻电机调速系统( s 晰t c h e dr e l u c t a l l c ed r i v e ) 是8 0 年代中期发展起来的新 型调速系统j 。它是融崭新的电动机构造和电子技术的新成果为一体的很有发展前景的 新型变速拖动系统，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 良，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：但是，该调速系统也有一定的缺点，例如：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，位置传感器的使用增加了电机结构的复杂性，这 些问题有待于进一步深入的研究。 1 1 开关磁阻电机发展概述 开关磁阻电机的历史可以追溯到1 9 世纪4 0 年代。但当时由于无法解决换相问题， 所以电机性能很差。七十年代初，美国福特公司研制出最旱的开关磁阻电机调速系统”。 7 0 年代中期以p j l a w r e l l s o n 教授为首，由l e e d s 大学和n o t i n 曲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 i 矗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 d e e ds 州t c h e d r e l u c t a i l c e m o t 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。目前，开关磁阻电机在国外已经得到了很大的发展，产品已经广泛 地应用于电动车驱动系统、家用电器、通用工业( 风机、泵、压缩机等) 、伺服与调速 系统、牵引电机、高转速电机等领域。功率范围从1 0 w ( 转速为1 0 0 0 0 r m i n ) 到5 m w ( 转速为5 0 “m i l l ) ，转速上限高达l o 0 0 0 0 r m i n 。除英国外，美国、加拿大、南斯拉夫 等相继开展研究工作，并在系统的一体化设计、电机的电磁分析、微机的应用、新型电 力电子器件的应用、新型结构形式的开发等方面取得进展。 我国在这方面的研究开始于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应用。在借鉴国外经验的基础上，经过十多年的努力， 目前已经研制了5 0 w 3 0 k w 、2 0 多个规格的工业产品样机，国内相关的研究著作也相 继出版。但是应该看到，目前我国开关磁阻电机的理论研究和实际应用与国外先进国家 相比，还存在较大的不足和差距。 基于人工神经网络的开关磁阻电机控制系统 s r d 系统是近2 0 年来兴起的一种全新变速驱动系统，尽管进入市场较晚，但目前 已占有一定的市场份额，随着人们对此系统了解和研究的深入，必将得到更快的发展。 1 2 开关磁阻电机调速系统的组成、研究现状和发展方向 开关磁阻电机调速系统从结构上看，可以分为开关磁阻电机和控制系统两部分p 4 j 。 开关磁阻电机本身的结构一般包括定、转子位置结构和位置传感器。开关磁阻电机的定 子一般具有集中绕组，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组成位置传感器。 图1 1 开关磁阻电机调速系统的结构 f 培1 1t h es 拄u c t u r eo f s 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。 s r 电机调速系统从结构上看，可以将其分为s r 电机和控制系统两部分。电机部分 包括了电机设计、性能分析以及数学模型的建立，另步 就是s r 电机的位置传感器。控 制部分的硬件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 件的选择和额定电流的确定；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 0 s f e t ( 小功率) 、i g b t ( 中功率) 、m c t ( 大功率) 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。s r 电机功率变换器主电路的结构大致有两种：硬开关实现的功率变换器和软开 关实现的功率变换器。在硬开关功率变换器中包括每相一个开关器件和每相多个开关器 件两种结构，由此基础产生的结构再具体分开来又有多种，主要的有：不对称半桥型主 大连理工大学硕士学位论文 电路，( n + 1 ) 型功率变换器，以及( n ，n ，) 型功率变换器等等。由于s r 电机调速 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一1 5 】。 s r 电机调速系统是融s r m 、功率变换器、控制器与位置检测为一体的，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。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 ) 、电压斩波控制( v c 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一种方法，叉难以获得理想的输出特性。因而有人尝试对 s r m 各种控制方式进行最佳组合，论述了不同转速范围内采取不同运行方式的控制理 论。早期的控制策略只是以线性模型为基础，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，鲁棒性羞，其动、静态性能无法与直流传动系统相媲美，这严重的阻碍了s r m 调速系统的发展。近年来，为改善系统的性能，国内外发表了一些基于现代控制理论和 智能控制技术建立s r m 调速系统动态模型和系统设计的文献【神】。例如：模糊控制，人 工神经网络控制，滑模控制，模糊控制和神经网终相结合的控制策略。 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1 6 7 】。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 州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、自学习控制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。神经网络有极强的自适应性和学习能力，它只通过对网络进行学习得到其解，而不 需要经过大量的非线性矩阵运算，这必将简化s r m 建模与控制的复杂性。 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 m 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。 就整个s r d 系统而言，目前的研究主要涉及以下几个方面： 基于人工神经网络的开关磁阻电机控制系统 l 、s r m 参数的确定，主要是磁链曲线的测量和计算； 2 、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： 3 、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j ； 4 、无位置传感器的s r d 系统的研制【l2 。“】，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； 5 、变换器方案和主开关元件选择； 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，而适时推出的专用于电机控制的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 3 人工神经网络在s r d 中的应用 基于人工神经网络的控制简称神经网络控制。神经网络是由大量人工神经元( 处理 单元) 广泛互联而成的网络，它是在现代神经生物学和认识科学对人类信息处理研究的 基础上提出来的，具有很强的自适应性和学习能力、非线性映射能力、鲁棒性和容错能 力i l 。所有的这些优点都使得神经网络控制方法非常适合用于开关磁阻电机控制系统。 因为开关磁阻电机本身的非线性，导致理论分析、设计及控制的困难，难以建立精确的 数学模型，常规的控制方法往往不能得到理想的控制性能。目前，神经网络在s r d 控 制系统中的应用主要在于以下几个方面：利用神经网络建立s r m 的正模型网络( 转矩 与转子位置角和相电流的关系) 与逆模型网络( 相电流与转矩和转子位置角的关系) ， 减小转矩脉动；神经网络与模糊控制相结合。虽然上述方法可以很好的改善控制效果， 但是由于网络模型比较复杂、样本提取困难，在实际应用中有一定的限制，所以本文提 出了一种新型的神经网络控制方法：利用神经网络来实时调整p i 参数。 基于人工神经网络的转矩脉动最小化技术就是利用逆模型网络，根据期望转矩和转 子位置角，计算得到期望电流，通过p i 调节器对相电流进行调节，使实际的电流趋近 于期望电流，从而产生所需要的转矩。 人工神经网络和模糊控制相结合的控制方法主要有两种应用：一种是利用神经网络 完成模糊控制的模糊化、规则推理和清晰化的过程；另一种是结合二者的优点：模糊控 大连理工大学硕士学位论文 制系统具有语言理解及合成推理能力，适于处理语言信息，但处理数据的能力不强。在 实际过程中，模糊控制器的比例因子在不同的控制阶段对系统有着不同的影响，而神经 网络具有通过学习记忆分布式样本的能力，可以利用神经网络的学习能力来修正比例因 子，从而提高模糊控制器的自适应能力。 1 4 本课题的研究内容和意义 随着电力电子技术和数字技术的发展，开关磁阻电机以其优于传统电机的结构、性 能和经济指标，近年来受到学术界极大的关注，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。 开关磁阻电机的控制系统的核心有两懿分组成，一是控制器，二十控制算法。我们 知道单片机之前在开关磁阻电机控制中应孀黢为卢泛，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，在开关磁阻电机调速系统要求不断提高， 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，配以5 1 单片机作为辅 助处理器( 专门处理显示程序) ，探索开关磁阻电机控制系统的设计，并基于一台四相 8 ，6 极s r m ，设计出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 所采用的控制策略是电压斩波控制和位置角度控制；控制算法是采用基于g p f n 神经网 络的p i 控制器。 本文研究的主要内容包括：开关磁阻电机功率变换器的设计，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，g p f n 神经网络在此系统中的应用，通过实验与 普通p i 控制算法相比较，证明了此控制系统的有效性。 基于人工神经网络的开关磁阻电机控制系统 2 开关磁阻电机调速系统硬件设计 2 1 开关磁阻电机的基本结构和运行原理 开关磁阻电机的定子和转子的磁极均为凸极结构，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) 成为一相绕组5 1 。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 培2 1t h es t r u c t u r eo f 8 ，6 - 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。考虑到加大定子相绕组电感随转角的平均变化率能提高电机出力，最常见的 是转子的极数比定子少2 个。s r m 的相数记为埘，定子极数记为s ，转子极数记为r ， 步进角计为甜1 6 1 ，则有： 埘：盟 z 鼠= 鼍产 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 一般来说，电机的相数越高，定、转子齿数越多，步进角就越小，输出的转矩脉动 就越小。但相数增加的同时也带来了功率变换器主电路的复杂程度提高，功率器件的数 大连理工大学硕士学位论文 量增加和成本的增加等一系列问题。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。 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 位置运动的趋势。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 2 功率变换器的分析与设计 功率变换器是开关磁阻电机运行时所需能量的提供者，是连接电源和电机绕阻的开 关部件，以功率开关管为主要功能器件，受控制电路的控制。在整个s 砌以控制系统成 本中，功率变换器占有很大的比重，合理选择和设计功率变换器是提高s i t m 控制系统 性价比的关键因素之一。s r 电机的功率变换器的主电路结构形式与供电电压、电机相 数及主开关器件的种类有关，一个理想的功率变换器主电路的结构形式应同时具备以下 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。 2 2 1 功率变换器主电路的选择 实验所用开关磁阻电机的主要技术指标为： 额定功率：3 k w ； 额定转速：1 5 0 0r l m ； 转速范围：5 0 2 0 0 0r ，m i n ： 电源：单相全波整流； 基于人工神经网络的开关磁阻电机控制系统 双向运行，停车制动： 起动转矩：1 5 2 0n m ： 过载能力：1 2 0 根据实验用电机自身的结构( 8 ，6 极) 和其主要技术指标，采用h 桥型主电路，设 计的功率变换器电路如图2 2 所示。 图2 2 功率变换器电路 f 电2 2p o 、v e rc o n v e r t e rc i r c u n 主电路由单相全波整流后供电，其直流供电电压平均值约为3 0 0v 。电解电容c l 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。当电机起动一定时间后，接触器j 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 r m 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 量泄放到电阻上。 h 桥型主电路是采用单开关的功率电路。如图2 2 所示，a 、b 、c 、d 为s r 电动 机的四相绕阻，啊玎；为绝缘栅双极晶体管( i g b d ，p r d f 睨k 为续流二极管。电路 采用两相通电方式，例如，有a b 相通电到b c 相通电的换相过程中，a 相关断，c 相 开始导通，b 相维持导通。此时，a 相处于续流状态，加上c 相的电流，使b 相电流增 大，中点电位必然升高，促使a 相续流电流迅速衰减，由此实现强迫换相。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 黜广泛采用的一种功率 变换器主电路形式。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 功率开关器件的选择 开关器件是功率变换器的主要部件，目前可供选择的功率开关器件主要有晶闸管 ( s c r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双 极晶体管( i g b t ) 和m o s 控制晶闸管( m c t ) 。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i g b t ，而大功率系统则可选用m c t 。 ( 1 ) 电压定额 单相全波整流输出的宜流电压： = 互2 2 0 = 3 1 1 矿( 2 3 ) 主开关器件和续流二极管的电压定额： = 兰1 ，3 虬= 4 0 4 y ( 2 4 ) 滤波电容c _ 的电压定额： u o l = u 。4 0 4 y ( 2 5 ) 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，取1 2 0 0 v 。 ( 2 ) 电流定额 主开关器件的有效值电流定额： 。1 4 凡= 1 4 1 1 5 = 1 6 爿( 如为电机的额定电流) ( 2 ，6 ) 续流二极管承受冲击电流的能力强，其电流定额可按k 来确定：j 。1 6 a 。i g b t 承受峰值电流能力一般，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，。= 6 0 爿。 2 2 3i g 8 t 驱动电路的设计 i g b t 对驱动电路的要求： ( 1 ) 动态驱动能力强； ( 2 ) 能向l g b t 提供适当的正向栅压和足够的反向栅压； ( 3 ) 有足够的输入、输出电隔离能力； ( 4 ) 具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿； ( 5 ) 理想的驱动电路要求输入、输出信号传输无延迟； ( 6 ) 驱动电路应具有一些基本的保护和自保护功能。 9 基于人工神经网络的开关磁阻电机控制系统 根据上述要求，本课题采用的是日本富士公司专为快速型i g b t 设计的驱动模块 e x b 8 4 l ，它可用于驱动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l 螂，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 ( 开通) 和5 v ( 关断) 的驱动电压。模块采用高速光耦隔离，射极输出， 并有短路保护及慢速关断功能。e ) ( b 8 4 1 由以下几部分组成：放大部分、过流保护部分 和5 v 电压基准部分。其应用电路如图2 3 所示。e x b 8 4 l 是e x b 系列驱动器中的一种， 该系列驱动器有e x b 8 4 0 8 4 l ( 高速型，最大4 0 k h z 运行) 和e x b 8 5 0 8 5 l f 标准型，最 大i o k h z 运行) 几种，e x b 8 4 0 8 5 0 可驱动1 5 0 6 0 0 v 或7 5 刖1 2 0 0 v 以下i g b t 一个单 元，e x b 8 4 l 8 5 1 可用于驱动4 0 0 6 0 0 v 以下或3 0 0 1 2 0 0 v 以下硒b t 。 _ - - - - - - _ - - - - - _ _ - - - - - - - - 2 3e 鞠8 4 1 应用电路 f 培2 3a p p l i e dc i r c u n0 f e x b 8 4 l 2 3 开关磁阻电机控制系统概述 d s p 控制器的出现为全数字控制提供了可靠的保证，而s r d 的位置闭环控制、各 相轮流导通的特殊运行方式特别适合采用直接数字控制。一方面，采用直接数字控制可 简化硬件电路，提高系统的可靠性。另一方面，s r m 很难建立准确的数学模型，采用 直接数字控制便于控制模式的切换和引入现代控制理论与方法，完善信息显示、故障诊 断、保护等功能，实现通用化、标准化和智能化。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 是t m s 3 2 0 ) 【2 4 x 系列d s p 控制器中面向高性能、高精度应用 的产品，基于1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的s r m 控制系统结构如图2 4 所示。在本系统中， d s p 负责判断转子位置信息，实时计算转速，并综合各种保护信号和给定信息以及转速 大连理工大学硕士学位论文 情况给出相通断信号，实现数字p i 调节并产生频率固定、占空比变化的p w m 信号作为 功率开关的驱动信号。 。s r 回由由 网意 v 刊 倒 ： i 图2 4 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的s 跏控制系统结构 f 皓2 4s 仃u c l l l r eo f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7b 船e ds r m c o n t m ls y s t e m t m s 3 2 0 x 2 4 x d s p 有以下一些特点【1 7 】： l 、典型指令周期为3 3 n s ； 2 、有丰富的片内存储资源； 3 、l f 2 4 0 x 的片上有2 5 6 字的程序引导r o m ； 4 、l f 2 4 0 7 具备外部存储器扩展功能； 5 、强4 0 7 ，2 4 0 6 、l c 2 4 0 6 几c 2 4 0 4 具有两个专用于电机驱动的事件管理器； 6 、有丰富的外设电路，如看门狗定时器、a d 转换器、串行通信接口等： 7 、支持不同数量的外部中断输入； 8 、采用3 3 v 单电源，具有多种封装形式； 2 4 0 x 系列d s p 控制器的芯片总体结构如图2 5 所示。 1 m s 3 2 0 x 2 4 0 x 系列d s p 具有1 6 位定点d s p 内核，运算能力2 0 4 0 m i p s ( 每秒兆条 指令) ，典型指令周期2 5 5 0 n s ，具有独立的内部程序和数据总线，支持并行的程序和操 作数寻址，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波等复杂控制算法得以实现。 事件管理器模块( e v ) 提供了下列对运动控制非常有用的功能： 基于人工神经网络的开关磁阻电机控制系统 ( 1 ) 事件管理器模块中有3 个通用定时器，能够产生系统需要的计数信号、离散 控制系统的采样周期、q e p ( 正交编码脉冲) 电路、捕获单元和比较单元的时基。 ( 2 )比较单元与c m p 印w m 输出：共有3 个全比较单元和3 个简单比较单元。 每个全比较单元以t l 为时间基准，可输出2 路带可编程死区的c m p p m w 信号。 通过设置t l 为不同工作方式，可选用输出非对称p w m 波、对称p w m 波或空间矢 量p w m 波。 ( 3 ) q e p 接口单元：对光电编码器输出的相位差9 0 0 的两路脉冲信号可鉴相和4 倍频。 外设接口单元提供方便的输入输出控制： ( 1 ) 双l o 位a d 转换器：包含两个有内部采样保持电路的l o 位d 转换器， 共有1 6 路a d 通道，每个通道的最大转换时间仅6 6 u s 。 ( 2 ) s p i 和s c i ：同步串行外设接口( s p l ) 可用于同步数据通讯，典型的应用包括 外部扩展。s c i 口即通用异步收发器( u 删，用于与p c 机等通讯。 ( 3 ) 看门狗( w d ) 与实时中断定时器( r t i ) 监控系统软件及硬件工作，在c p u 工 作混乱时产生系统复位。 i d r h 瑚抟上疆拍珲懊鸯 c 2 l “喵留 取i o 枉 n 转接嚣 ( 骨有1 十室序矗) s 卧m t t 千牛) l 申打曩信接口 i l 审行蚪鞋接口 i n m 咖o m ( 鲫汗字) l c 嗽口 i l 仃稠，宣w 中断 i 片上蚪却存储暑接口 ft 字i 加引膏l m q * 螬目 t 毒i 姜；& k 。 事 雷理鼍b t 3 十擅痰单乖镰 ， 唑摹署器漶j 、 6 喀觉蛙胛w 协- 出、 z 十一用定时) 图2 52 4 0 x 总体结构 f i g 2 5g e n e r a is t n j 吐毗eo f 2 4 0 x 大连理工大学硕士学位论文 2 4 控制、检测和保护电路的设计 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i i 。下面介绍一下主要的外围电路。 2 4 1 转子位置检测电路 对于开关磁阻电机调速系统来说，位置信号具有决定作用，因为开关磁阻电机必须 工作在位置闭环控制方式下，系统运行绝对依赖于位置信号的准确获取，电机需要通过 位置信号来决定哪一相应该导通以及在什么时刻开通和关断。如何获得位置信号就成为 一个需要研究的问题，最直接的方式莫过于加个检测装置，直接来探测到转子的位置， 这个装置就是位置传感器，它能准确测定转子的实时位置。 如图2 6 所示，四相s r m 的两路位置信号经过光耦t l p 5 2 l 隔离，然后经过施密 特反相器整理，再由电阻分压得到幅值为3 3 v 的编码脉冲，分别输入到d s p 控制器的 两个捕获单元c a p l 、c a p 2 。当捕获输入引脚检测到一个转换时，定时器t 2 的值被捕 获并储存在相应的两级f i f o 堆栈中。位置信号的上下跳变均引起捕获单元的中断，即 每隔1 5 。产生一次捕获口中断，c a p 的中断服务程序可以根据转子的瞬时位置信息进行 换相，并计算电机的转速。 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。 通过对样机的实际测量。得到了相电感变化与位置信号输出之间的关系，如图2 7 所示，它规定了控制程序的换相策略，是保证电机连续运转的基本条件。 图2 6 位置检测电路 f i g 2 6p o s i t i o nd e 慨t i n gc i r c u t 基于人工神经网络的开关磁阻电机控制系统 wlm 口 “f 卜_ hl 卜_ r 一 口 n f ；h l 口 ：h h r 一 ：卜hh ； 0 。l s 。3 0 04 5 06 0 。7 5 。帅 图2 7 位置信号与a 相电感的关系 f i g 2 7r e l a t i o n s h i p b e t 、v e e np o s h b ns i g i l a i s 柚di n d u c t 曲c eo f p h a s ea 2 4 2p 洲输出电路 d s p 控制器产生p w m 波形的方法有几种，此处我们通过e v 模块的全比较单元和 相应电路产生p w m 信号( p w m l 一p w m 4 ) 。全比较单元的时基由通用定时器1 提供，当 通用定时器l 的计数值与全比较单元的比较寄存器的值匹配时，相关的输出引脚就发生 电平跳变。因此，随时改变比较寄存器中的值就可以调节p w m 输出的占空比。这种软 件控制p w m 波的灵活性尤其适用于s r m 的控制。如图2 8 所示，利用d s p 的比较单 元和p w m 脉冲发生电路输出p w m 信号，p w m 信号经反相整理后，输入到e x b 8 4 l 的输入端，控制i g b t 的通断。 图2 8p 踟输出电路 f i g 2 8p w mo u t p u tc i r c u i t 大连理工大学硕士学位论文 2 ，4 3 电流检测电路 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内有两个1 0 位8 通道d 转换器，每次刖d 转换最长时间6 6 肛s ， 两个转换器可以并行工作，转换结果存在一个两级f i f 0 寄存器中。模拟输入引脚 a d c i n 0 吐a d c i n 0 7 属于模拟转换单元1 ，a d c i n 0 8 a d c i n l 6 属于转换单元2 。 电流检测采用两个磁场平衡式霍尔电流传感器，电流传感器的输出经比例调节电路 变换至合适的范围后，输入到d s p 的a d c i n o l 、a d c i n 0 2 引脚，电流检测电路如图 2 9 所示。 下列方程给出了转换公式 数字结果= 。2 ，矍查甓兰磬 ( 2 7 ) 式中吼d _ a d c 模拟输入参考电压低电平； e h 圹一a d c 模拟输入参考电压商电平。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的供电电源为3 3 v ，因此模拟输入的参考电压高电位为3 3 v ， 低电位为0 v 。所以，电流传感器的输出电压应转换到o 3 3 v 的范围内。电流检测的采 样时间设定为5 0 岫，与p w m 波频率相同，即在每个p w m 波周期内完成一次电流a ，d 转换。 图2 9 电流检测电路与d s p 的接口 f i g 2 9i n t e r f a c eb e t w e e nd s pa i l dc u r r e n td e t e c t i n gc i r c u i t 基于人工神经网络的开关磁阻电机控制系统 2 4 4 故障检测与保护电路 为保证系统中功率变换电路及电机驱动电路安全可靠地工作，d s p 控制器提供了 p d p i n t ( 功率驱动保护中断) ，当器件引脚p d p i n t 被置为低电平时，将产生一个外部中 断。利用它可方便地实现系统的各种保护功能，具体实现电路如图2 1 0 所示。 各 种 故 障 信 号 图2 1 0 故障检测与保护电路 f i g 2 1 0 f a u l t d e i e c t i n g d p r o t e c d n g c i r c u i t 各种故障信号由或非门c d 4 0 7 8 综合后，经光电隔离输入到p d p i n t 引脚。任何故 障状态的出现将使4 0 7 8 输出低电平，p d p i n t 引脚也被拉为低电平，此时d s p 内定时 器立即停止计数，所有p w m 输出管脚全部呈高阻态，同时产生中断信号，通知c p u 有异常情况发生。整个过程不需要程序干预，全部自动完成，这对实现各种故障状态的 快速处理非常有利。 过流检测电路 i 图2 1 1 过流检测电路 f i g 2 11 0 v e r c u r r e n t d e t c c 矗n gc i r c u n 大连理工大学硕士学位论文 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。 过压检铡电路 图2 1 2 过压检测电路 f 遮21 2 0 v e r v o l t a g ed e t e c n n gc i r c u t 过压检测电路主要有两部分组成，当电压超过3 5 0 v 时输出过压信号给d s p ，当电 压超过3 2 0 v 时通过简单电路产生p w m 信号控制泄放电路的i g b t 导通并放电。 过温检测电路 图2 1 3 过温检测电路 f i g 2