（电力系统及其自动化专业论文）嵌入式实时操作系统在开关磁阻电机控制系统中的应用.pdf

a b s t r a c t s w i t c h e dr c l u c 咖m o t o rd r i v cs y s t 锄c o n s i s t s0 fr e l u c m o t o r ，p o w e f c l c c h o n i c ss w i t c hc i r c u “粕dc l c c t i o n 伽l n d l l c lnh 翘t h ea d v 卸t a g 略b o t ha cd r i v c s y s t e m 柚di cd r i v cs y s t c m ，锄d 瓿p 柚s i v cd e v e l o p m e n tf o r e 笋o u n d t h e r e i n t 0 ， c o n t m i l c ri st h cc o r co f “v es y s t e m i t sp c ! ；0 f m a n c c 砌u e n c c st h ef i i n c t i o no f c l c c t r o m o t o rd i r 剃y t 1 l j st h e s j sc h s c s 田讧s 3 2 0 ie 珥0 7 d s pa s0 0 n t r o l l c ro fm o t o rd r i v es y s t 锄 t m s 3 2 0 u 砣4 0 7 d s pp m v i d 鹳l o wc o s t ，l o wp o w e rc 0 璐岫p t i o i i h i g ho p e r a t i 衄a b i l i l y 卸d 姗p l ei n n c fr c s o u r ni su s e f h lf o rd i g i t a lc o n 仃o io fm o t o r a i o n gw i t ht h e i n c r c a s eo fa p p u c a t i o ns y s t c mf i l n c t i o ni l ld s et h es o f h a r ce x p l o i t a t i o ni s v c r y i m p o n a l l t t o d c v e l o p c r 1 1 l e 仃a d i t i o n a l s o f t w a r ce x p l o i 诅t i 哪a d o p t st h ei d e a0 f f o r c g r o u n d b a c k g r o u n d ，i ti sb a s e do np c c s s ，p r o 笋锄m eo r d e r l yf m ms t e mt os t e m o n c c p m 铲a 栅e b e c o m c s h u g c ，c o m p i l i n 吕a t t 啪p e r i n g ，c x p a n d c d n e 鹞 柚d m a i n t e n 彻c cw i l lb c o o m ev c r yd i m c i i n e m b c d d e d 叩e r a t i 衄s y s t c mj u s td c v e l 叩f a s tf o rm c e t i n gt h cd e m 卸do fm o d e m s o f t w a r cd e v e l o p m e m e m b e d d e do p 啪t i o ns y s t c ma d o p t sa d v a n c c dp r o 掣a m m i i l gi d c a 柚dp r o v i d 鼯a 衔e n d l yc x p l o i t a t i o nn a t ( b n s e q u c m l y ，t h ee x p l o i 协t i 衄o fa p p i i c a t i p l d g r 锄m ci se 弱yt od e s i g n ，m a i n t a i n 卸de x p 锄d t h e f b mt h i sl h e s i si n t m d u c c s e m b c d d e dr c a lt i m e0 p e m t i o ns y s t c mo fl la o s 一t ot h c 丘e l do fm o t o r n t f o l ， t r 孤s p i 卸t s l ic ，0 s i i j n 曰哇s 3 2 0 u 屯4 0 7 d s e 锄dt h 蛐w o r k so u tp r o g r a mt 0 r c a l i z es w i t c h c d l u c t a n o cm o t o rd r i v e n t r o ll 够n ye x p c r i l l l c n ti l l d i c a t c st h e f b 舔i b i l i t yu s i n gt h i sr e a lt i m c0 p e r a t i o ns y s t c mi ns w i t c h e d l u c t a n c cm o t o fd l j v c s y s t e m i nt h cp r o c c s so ft h cc l o s el o o p0 0 n t m ls t m t c 百e s ，ad i g i t a lp ir e g u l a t o rf o rs r mi s d 酷i 舶e d 觚t ly b u tb c c 卸s r mc x i s 协t h cn o n l i n e 盯m a 印e t i cn e l d 觚dc 柚te s t a b l i s h p r e c i s cm o d e i ，t h ec i 鹤s i c a jp ir c g u l 咖rc 柚m e e t t h ed c m a n da n ym o r c s ot h i st h 锚缸 i n t r o d u c c sv a f i a b i c s t m c t u r c 啪t m lw i t i ls l i d i n gm o d c ( v s s ) v a r i a b l e - s t m 咖f c c o n t r 0 1w i t hs l i d i i i gm o d ec a na c l l i c v e9 0 0 dd y n 锄i cp e r f o m l a n c ci ns p i t eo ft h c m o d e l sp r e c i s i l i m i t a t i o n b u tj na c t u a ls y s t c m ，s l i d i n gm o d c 伽、r e a c hp e r f 积 s w i t c hi d e n t i t y ，i tc x i s t sc h a n c rp m b l e m ，w l l i c hr e d u c c ss t a t i cp r c c i s i o n t 0c o m b i n e t h ea d v 卸t a g e so f 咖s 仃a t e g i e s ，t h i st h e s i sa d o p t sd i s c r e t ev s s - p ic o n t r o ls t r a t e g y e x p c r i m c n t sp r o v et h a td j s c f c t ev s s p ic o n t r o lj sav a l i da d j u s t i n gm e t h o dl os w i t c h e d 北京交通大学硕士论文 r c l u c t a i l c cm o t o fd r i v cs y s t e m ，t h ew h o l cs y s t c mc a n l l i e v ep 佗f c m b l cr o t i i s 伽e s s ， s t a t i c 柚dd y n a m i cp c r f o r m a n c c s k e y w o r d s ：s w i t d l c d 化l u c t 卸c cm o t o r ；d i g i t a is i 弘a lp r o c c s s ；e m b c d d c dr e a l t i m c 0 p e r a t i o ns y s t 锄l ic ，o s - i i ；a b l e s t m 咖c o n t m lw i t hs l i d i n gm o d c c i a s s n o ：t m 3 5 ：t p 3 6 8 图和附表清单 图和附表清单 图2 1 三相1 2 8 极开关磁阻电机截面图5 图2 - 2 开关磁阻电机一相电路示意图 图2 - 3 开关磁阻电动机驱动系统的基本构成 图2 4 开关磁阻电机功率变换器主电路 图2 - 5 位置检测器摆放图 6 6 图2 6 磁能与磁共能7 图2 - 7 线性模型的相绕组电感1 7 图3 1 嵌入式操作系统在嵌入式系统中的地位2 1 图3 2 任务状态的转换 图3 - 3l lc 0 s i i 就绪表 图3 - 4 时间控制块的使用 图3 5 事件的等待任务列表 图3 6 空闲内存控制块链接表 图4 1l lc 0 s i i 的体系结构 图5 1s r m 典型前后台控制程序系统结构图。 ：1 6 2 6 。2 8 3 7 图5 - 2 位置信号的逻辑关系( 虚线位置均发生捕获) 4 0 图5 3 双闭环p i 控制软件流程图“ 图6 - 1 滑模控制相轨迹图 图6 2 速度环滑模变结构的软件框图 图6 3 电流环滑模变结构的软件框图5 7 图6 - 4 开关磁阻电机系统仿真图5 7 图6 5s r m 本体模块5 8 图6 6p h 笛ca 子模块5 9 图6 7 转角选择模块5 9 图6 8 速度控制模块6 0 图6 9 电流控制模块印 图6 1 0 功率变换原理图6 0 图6 - 1 1 仿真波形6 1 图7 1s r d 实验系统6 3 北京交通大学硕士论文 图7 - 25 k w 开关磁阻电机6 4 图7 3s r d 控制器。 图7 4s r m 电动运行时的位置、电流及p w m 信号。6 5 图7 5 离散滑模控制空载时的转速转矩曲线。 图7 6 离散滑模p i 控制空载时的转速转矩曲线6 6 图7 7 离散滑模p i 控制负载恒定时的转速转矩曲线。 图7 8 离散滑模p i 控制负载变化时的转速转矩曲线6 7 图7 - 9 离散滑模p i 控制给定转速变化时的转速转矩曲线6 7 表5 1 任务划分表3 8 表6 1 转予位置信号与相选择信号对应关系表 致谢 本论文的工作是在我的导师张奕黄教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、 系统方案的设计、实验现象的分析及论文的审阅等方面都凝聚着导师的心血，导 师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来张奕黄老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，杨岳峰、王栋、刘雷、张艺腾、王秋蓉、张 磊、常涛等同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外在读研期间得到了家人的充分理解和支持，使我能够在学校专心完成我 的学业，在此表示深情谢意。 1 1 课题背景 1 绪论 开关磁阻电机调速系统( s w i t c l l c dr c l u c t 柚c cm o t o rd r i v cs v s t 锄，s r d ) ，是2 0 世纪8 0 年代兴起的一种新型机电一体化交流调速系统。它融新型电动机结构与现 代电力电子技术、控制技术于一体，兼有交流变频调速系统的电动机结构简单、 坚固耐用、无刷、无整流子和直流调速系统的调速性能好、控制电路简单、输出 特性变化灵活、能频繁正反转和起制动、在负载和转速变化时均有较高效率以及 能适应恶劣环境等优点，是一种性能价格比较高的无级调速系纠堋。 开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器和位置 检测器四大部分组成【3 】。其中控制器又为调速系统的核心，它的性能好坏直接影响 到电动机运行的性能。本文选用删s 3 2 0 u ；2 4 0 7 d s p 作为控制器1 4 j 。 1 m s 3 2 0 u 屯4 0 7 d s p 是德州仪器推出的2 4 x 系列d s p 控制器的一员，具有低成本、 低功耗、高性能的处理能力，以及丰富的片上资源，对电机的数字化控制非常有 用。 随着d s p 应用系统功能的增加，对开发人员来讲，软件开发是一个非常重要 的内容。过去，对嵌入式系统软件的开发一般都采用的是前，后台软件开发的思想。 而2 4 0 7 d s p 作为嵌入式系统的一员也不例外。所以开关磁阻电机控制系统的程序 通常也是基于前，后台系统。这种编程思想是基于过程，从头到尾顺序编程。程序 一旦庞大，编制、调度、扩展和维护都非常困难i 5 】。 伴随着计算机硬件技术的发展，速度和容量都已经不再是软件的“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已不能满足现代软件 开发的要求，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【5 捌，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，以 及内存管理等重要服务，从而使开发应用程序易于设计、维护和扩展。采用嵌入 式操作系统开发的产品将会更加可靠，开发周期更短。使用嵌入式操作系统开发 嵌入式应用产品是当今最热门的技术之一，软件开发人员只有掌握嵌入式操作系 统，才不会因落伍而被淘汰。因此，本文把嵌入式实时操作系统uc o s 1 i 引入到 开关磁阻电机的控制系统中来，在n 侣3 2 0 i f 2 4 0 7 d s p 上移植了uc s ，然后 在p c 徊s 平台上编写了电机的软件控制程序。 北京交通大学硕士论文 1 2 开关磁阻电机的发展情况【l 叫 开关磁阻电机的研究最早可以追溯到1 9 7 0 年，英国l 胱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 1 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，英国学者【a w d e n s o 蛐及其同事在i c e m 会议上系统的介绍了他们的工作成果，阐述了s r m 的原理及设计特点，从而在国 际上奠定了现代s r m 的地位。同年在英国成立了世界上第一家开关磁阻电机驱动 装置有限公司( s r d “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 du d ) 首先推出了s r d 系列产品，该产品命名为0 u u 0 n 。1 9 8 4 年t a s c 驱动系统公司推出了他们的产品。另外s r du d 研制了一种适用于有轨电车的驱 动系统，到1 9 8 6 年已试运行了2 4 1 4 0 k m ，同时也表现出了良好的可操纵性和可靠 性，噪声也很低。s r m 的出现，在电气传动界引起不小的反响。开关磁阻电机既 可做电动运行，又可做发电运行，目前s r m 主要用于调速系统。 美国、加拿大、南斯拉夫、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 眦，m i n 、9 0 k w 的高速s r d 样机。 我国于1 9 8 4 年左右也以较高的起点开始开关磁阻电机传动系统( s r d ) 的研 究、开发工作。华中科技大学开关磁阻电机课题组和北京纺织机械研究所在s r d 研究与应用上取得了显著成绩和经济效益。1 9 8 8 年1 1 月在南京航空航天大学召 开了中国首届s r d 研讨会。1 9 9 1 年9 月在华中科技大学召开了第二界研讨会。 参加人员来自全国高校、研究所和工厂等2 5 家单位，大会的成果交流表明，我国 的s r d 理论研究和应用已经取得了较大的进步。在中国电工技术学会中小型电机 专业委员会领导下，1 9 9 3 年1 2 月，北京开关磁阻电机调速系统工业应用研讨会 上，正式成立了开关磁阻电机学会。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。 1 3 嵌入式系统概述【5 ，6 】 虽然嵌入式系统是最近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。 从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的 大规模应用，嵌入式系统已经有了3 0 年代的发展历史。和传统的p c 系统比较， 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理器、存 2 绪论 储器及外设器件和帕等，软件部分包括操作系统软件( o s ) 和应用程序编程。 有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为，而 操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 在嵌入式系统发展的初期，程序设计人员得到的是只有硬件系统的“裸机”， 没有任何类似于操作系统的软件作为开发平台，对硬件资源的管理工作必须由程 序员自己编写程序来解决，从而使程序员工作得十分辛苦，应用程序的开发效率 也极低。现在，由于技术的进步，单片机系统硬件的规模越来越大，功能越来越 强大，从而给运行嵌入式操作系统提供了物质保证，于是就出现了很多具有不同 应用特点的操作系统。嵌入式操作系统就是指运行在嵌入式硬件平台上，对整个 系统及其所操作的部件、装置等资源进行统一协调、指挥和控制的系统软件。 随着计算机技术的飞速发展，我们从p c 时代过渡到了后p c 时代，即嵌入式 系统产品的时代。越来越多的公司看到了嵌入式系统广阔的发展前景，从而也促 使了嵌入式操作系统的发展。2 0 世纪9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，实 时内核逐渐发展为实时多任务操作系统( r e a l 啊m co p c r a t i s y s t c m ，r 1 o s ) ，并 作为一种软件平台逐步成为目前嵌入式系统的主流。一些公司纷纷推出了自己的 嵌入式实时操作系统，如p a l mo s 、w 妇d o w sc e 、嵌入式u n u x 以及i lc o s i i 等。 r t o s 已经在全球形成了一个产业，且在未来几年内将继续保持迅速增长的势头。 l lc o s i i 是由j c 锄j l a b m s 于1 9 9 9 年编写的一个嵌入式多任务实时操作 系统，并在2 0 0 0 年的到了美国联邦航空管理局对用于商用飞机的、符合r t c a d o - 1 7 明标准的认证。l lc o s i i 的构思巧妙，可移植性很强，同时又具备了实时 操作系统的全部功能，非常适合初次接触嵌入式实时操作系统的学生、开发人员 和爱好者学习，并且通过适当地扩展之后，还可以应用到实际系统中去。 1 4 滑模变结构控制【碉 开关磁阻电机主要用于可变速驱动，因此研究其速度调节方法非常重要。现 有的开关磁阻电机驱动系统一般都采用p i 控制，在工业控制中，p i 调节器是应用 最为广泛的一种控制器，它具有原理简单、易于实现、稳态精度高和适用面广等 特点，可以满足系统的一般要求。但p i 调节器参数整定较复杂，且系统的快速性 和抗干扰能力及对系统参数摄动的鲁棒性都不够理性。因此我们在p i 控制的基础 上还引入了变结构控制算法。 变结构控制起源于对继电控制和b 柚g b 蛐g 控制系统的研究，六十年代苏联 学者s v 】b m e l v 柚o v 、v i u t k i n 、u 1 t l 【i s 等人开始全面研究变结构控制系统，七十 年代传入西方，近年来引起了世界控制界的广泛重视，这主要是因为计算机技术 3 北京交通大学硕士论文 在高速发展，并且有了高速切换电路，使得变结构控制系统的实现成为可能。 变结构控制理论作为一种综合的控制方法，既可以用于线性系统，又可用于 非线性系统。所谓变结构是指控制系统状态方程的变化，它是通过切换函数实现 的。一个控制系统可以有若干个切换函数。当由系统的状态变量决定的切换函数 随着状态的变化到达阈值时，系统由一种结构转变为另一种结构。 变结构控制又可分为两类：一种是不产生滑动模态的控制，另一种是产生滑 动模态的控制即滑模变结构控制( v a r i a b l c i s t m c i u r ec o n 打o lw i n ls l i d i n gm o d c ， v s s ) ，所谓滑模变结构控制就是通过不问断的来回切换控制量，系统总是约束在 切换面上，然后系统的状态变量自动地滑到原点。滑模变结构的一大优点是其滑 动模态对系统所受的干扰及系统参数的非线性具有较好的自适应性和鲁棒性。但 由于计算机控制系统的离散性，理想光滑的滑动模态是无法达到的，都存在抖振。 抖振的存在造成滑模控制稳态精度的降低，因此通常也需与p i 控制相配合，获得 良好的静动态性能。 由于变结构控制的控制规律简单，对系统的数学模型精确性要求不高，对于 系统的不确定参数及外界环境的扰动有较强的自适应性，近年来被应用于直流、 交流伺服系统，取得了较好的效果，在开关磁阻电机驱动系统中的应用也有了初 步的研究。 1 5 本文研究的主要内容 本文在学习开关磁阻电机运行原理以及前人研究的基础上，进一步研究了开 关磁阻电机调速系统的调速特性、控制方式等；并引入了嵌入式实时操作系统， 将1 r i 公司的d s p 与源码公开的实时操作系统uc o s 有效的结合在一起，使得 嵌入式系统的开发变得简捷、方便。 主要研究工作如下： l 、在深入学习了开关磁阻电机运行原理的基础上，进一步研究了开关磁阻电 机调速系统的调速特性、控制策略等。 2 、学习掌握了嵌入式实时操作系统i lc o s i i 的基本原理，并在 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 上进行了移植。 3 、在uc 0 s i i 平台上编写了开关磁阻电机的控制应用程序，并在实验台上 进行调试运行，证明了实时操作系统在开关磁阻电机系统中的应用是可行的。 4 、深入学习了滑模变结构的基本原理，在此基础上推导出开关磁阻电机的滑 模变结构数学模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 上建模仿真，最后编写程序实现开关磁 阻电机的滑模变结构控制。 4 开关磁阻电机的理论基础 2 开关磁阻电机的理论基础 2 1 开关磁阻电机的基本结构及工作原理【3 】 1 、基本结构 开关磁阻电机( s r m ) 是开关磁阻电机调速系统的执行元件，它的结构和工 作原理与传统的交直流电动机有着根本区别。它遵循磁通总是要沿着磁导最大的 路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩磁阻性质的电磁转矩【射。因此，它的结 构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以开关磁阻电动机采用 凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。 开关磁阻电机的定子和转子都是凸极式齿槽结构。定、转子铁芯由硅钢片冲 成一定形状的齿槽，然后叠压而成，图2 1 是三相1 2 ，8 极开关磁阻电机定、转子 冲片的结构图。 图2 - 1 三相1 2 ：8 极开关磁阻电机截面图 f i g u 2 - 1s e 甜0 ft h i 静p h a s e d1 2 ，8s i t m 2 、工作原理 e 图2 - 2 开关磁阻电机一相电路示意图 f i g u m 2 - 2 0 雠p h a c i r c l i i t s k e t c h m a po f s r m 结构上与步进电动机相似的s r 电动机的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”一 一磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻 位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。 以1 2 8 极三相开关磁阻电动机为例，图2 2 为该电机一相电路的原理示意图， s 1 、s 2 是电子开关，d 1 、d 2 是二极管，e 是直流电源。它的定子和转子呈凸极形 状，极数互不相等，转子由叠片构成，无绕组，定子绕组可根据需要采用串联、 并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转予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，保持电机的连续运行。电机磁 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，当转子极问中心线对准 5 北京交通大学硕士论文 定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 当定子a 相磁极轴线o a 与转子磁极轴线0 a 不重合时，开关s 1 、s 2 合上， a 相绕组通电，电动机内建立起以o a 为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子 极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的 磁导小于定、转予磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线 的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线0 a 向 定子a 相磁极轴线0 a 趋近。当0 a 和0 a 轴线重合时，转子已达到平衡位置，即 当a 相定、转子极对极时，切向磁拉力消失，转子不再转动。此时打开a 相开关 s 1 、s 1 ，合上b 相开关，即在a 相断电的同时b 相通电。建立以b 相定子磁极为 轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方向转过3 0 。，转子在磁场磁拉力的作用下继 续沿着逆时针方向转过1 5 。依此类推，定子绕组a - b c 三相轮流通电一次，转 子逆时针转动了一个转子极距tr ( tr = 2 n r ) ，对于三相1 2 8 极开关磁阻电机， tf = 3 6 0 。8 = 4 5 。定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了3 3 0 。= 9 0 。空间 角。可见，连续不断地按a b c - a 的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁 场轴线沿a - b c - a 的方向不断移动，转子沿a - c b a 的方向逆时针旋转。如果按 a c b a 的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着a - c b a 的方向转动，转 子则沿着与之相反的a - b c - a 方向顺时针旋转。 2 2 开关磁阻电机驱动系统的构成 开关磁阻电动机驱动系统，是由双凸极磁阻电机、功率变换器、位置检测器 和控制器组成的机电一体化的机电能量转换系统啪。基本框图如图2 3 所示。 其中，开关磁阻电机是开关磁阻电机驱动系统中的执行元件。 厂一一一 廿 凰砂 图2 3 开关磁阻电动机驱动系统的基本构成图2 4 开关磁阻电机功率变换器主电路 f i g 【l r e2 3s t n l c t u r eo fs 跚d r i v es y s t 鲫f i g i l r e2 4p o - e rc o n v e r t e rc i r c u i to fs 雕 功率变换器用来为开关磁阻电机提供所需能量，可由蓄电池供电，在工业应 用中则常用交流整流供电。功率变换器主要由功率半导体开关及其驱动电路、续 6 开关磁阻电机的理论基础 流二极管等组成。三相开关磁阻电机常用的驱动电路为不对称半桥结构，如图2 4 所示。 控制器是整个开关磁阻电机驱动系统的指挥中心。它根据位置检测器、电流 检测器等提供的电机转子位置、转速和电流等反馈信息以及外部输入的控制指令， 按预先设定的控制策略，经过分析处理后，向功率变换器发出控制信号以控制其 中开关器件的工作状态( 导通或关断) ，对各相绕组按一定规律轮流导电，从而使 电机向指定旋转方向连续运转，并具有所需要的运行方式和性能。 位置检测器是开关磁阻电机驱动系统至关重要的组成部分，它向控制器提供 定、转子磁极相对位置信息，实现电机的位置闭环。位置传感器多为光电式结构， 图2 5 为实验用5 k w 开关磁阻电机位置检测器摆放图。其中，光电传感器固定在 定子上，光电盘固定在转子上并与转子同速旋转。因此根据三路光电传感器输出 信号的组合，就能判断出定转子磁极的相对位置。 生t 佟靠元件 图2 - 5 位置检测器摆放图 f ig i i r e2 5a r c h i t e c t u r eo fs 删p o s i t i o n s e n s o r 2 3 开关磁阻电机的基本分析【1 叫 图2 _ 6 磁能与磁共能 f i g u r e2 6m a g n e t i ce n e r g ya n dm a g n e t i c f i e l dp o t e n t i a l 建立开关磁阻电机数学模型，通常有三种方法：线性模型、准线性模型( 分 段线性模型) 和非线性模型。线性模型忽略了饱和及边缘效应，认为绕组电感与 电流无关。准线性模型将磁化曲线分段线性化，近似考虑定转予齿极重叠时的饱 和。以上两种模型，电感参数有解析表达式，用于求解电机性能时，电流和转矩 有解析解，一般用于定性分析。事实上，由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、 涡流和磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性和可控性，在电机 运行期间绕组电感不是常数，而是电流和转子位置角的函数。开关磁阻电机定子 绕组的电流、磁链等参数随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，难以用简 单的解析表达式来表示，因此很难建立精确可解的数学模型。本文主要针对线性 7 北京交通大学硕士论文 模型进行分析。 2 3 1 电磁转矩【9 ，1 0 】 电磁转矩的形成及其理论是认识开关磁阻电机工作原理的基础。如图2 2 所 示，若单独给a 相通电，设相电流为f 。，则建立磁场的能量为： 。r 咖 ( 2 - 1 ) 珊哆，0 4 r 1 、 式( 2 - 1 ) 中，相磁链妒是相电流和转子位置角( 以口角表示) 的函数。如图2 _ 6 简化了该磁特性，p 点( 妒。，) 为该磁工作点。图中标出了表示磁能h 幺的面积 和表示磁共能缈。的面积。 形。m 昭。r 舢。妒。一_ 嘲 ( 2 2 ) 由电磁场基本理论可知，在这个磁系统中，若转子有位移，则磁能与机械能 之间发生转换，其电磁转矩为： 一- 等b ， 该式以磁链不变( 妒一c ) 作为计算的约束条件，这正表示了d 妒= o ， e d 妒，d t 。0 ，即电能p 诎不发生变化时，所增减的磁能和机械能的变化相平衡， 数值上w k z 一。式( 2 3 ) 中的负号表示产生的电磁转矩之方向将使磁能趋于减 小。如图2 2 瞬间，a 相通电后转子受逆时针方向电磁转矩，使转子齿轴线和定子 齿轴线趋于重合，这将减小气隙磁能。 常用的另一电磁转矩表达式为： ta 懈i f - 一l 绷 a 日l 。 佗一4 1 即以磁共能对转角的偏导数来计算。其数学约束条件为电流恒定( f - c ) ，电磁 转矩使磁共能趋于增加，避免了式( 2 3 ) 的负号。妒一c 和f - c 仅仅是数学上的约 束条件，决不是说只有在这种情况下才能产生电磁转矩。磁共能并无直接的物理 概念，但计算时常用式( 2 4 ) ，因为它以电流f 为参变量，概念清楚，计算方便。 若认为相电感与相电流无关，即妒- 血，磁能与磁共能在数值上相等： 8 开关磁阻电机的理论基础 矿肌口2 。形 三l f 2 矽肌昭。秒 即有； 乙- 等_ 三t 2 等 由此可见： 1 、电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的，当磁导对转角的 变化率大时，转矩也大。 2 、电磁转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电流增大后铁芯饱 和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随电流的增大而增大，因此可以通 过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕组电流得到恒转矩输出的特性。 3 、转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感曲线的上升段通入绕组电 流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段通入绕组电流则会产生反向的 电磁转矩。 2 3 2 基本电路方程 开关磁阻电机各相绕组由开关电路控制工作。设主开关在口- 屯时刻触发导 通，在口一时刻关断，即一在一范围内为电源对相绕组供电阶段，当 口，时为续流阶段。则开关磁阻电机第k 相的电压平衡方程式为： u 。尼f + 盟 七七膏 出 ( 2 刀 其中，、1 ；f ，七分别为第k 相绕组的电压、电阻、电流和磁链。+ 吒 适用于供电阶段，一u 适用于续流阶段。 。妒吒，8 ) 气魄，t 心 ( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) 可得 吒- 气t + 警等+ 等等 唧k 斧孰等等 ， 式( 2 9 ) 表明审j 僳电乐与电路中= 部分由乐降相平衙苴中等式右端笔一 9 北京交通大学硕士论文 项为k 相回路的电阻压降，第二项是由电流变化引起磁链变化的感应电动势，称 为变压器电势；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， 因此称为运动电动势，它与机电能量转换直接相关。 在线性模型中，认为电感只与转子位置有关，与电流无关，则可将式( 2 9 ) 写 成： 以- 气t + 等+ t 等等 ( 2 - 1 设电机匀速旋转，角速度一d 口d t ，则上式改写为： 土吒- 鲁+ t 等+ 气) 若忽略相电阻，则有： 吒- 气象+ t 等 ( 2 - 1 2 ) 关于相绕组电感 p ) ，若不计漏磁及边缘散磁，则为图2 7 所示的梯形规律。 一般，转子齿极宽略大于定予齿极宽，出现了一个上的小平顶；又由于转子槽宽 常大于定予齿极宽，所以存在一个l 。的小平台。图中画出了一个周期，该角度周 期即转子的齿距角r ，对于三相1 2 8 极开关磁阻电机，r = 2 丌8 = 4 5 0 。 l m a x 。f i h ；。_ r 一一甲 图2 7 线性模型的相绕组电感 f ig l l r e2 7t h ep h a s e d - i n d i n gi n d u c t a f l c eo f1 i n e a r 哪o d e l 其解析表达式为： 工p ) 一 式中k 。墨竖二墨些墨坚：墨堕 8 3 8 2 p i 工mb 口s 日2 k p 一口：) + 工，“一2 口s 岛 l 。岛s 日s 六 l 一一k p 一吼) 以式疗s 日s ( 2 1 3 ) 1 0 开关磁阻电机的理论基础 2 3 3 绕组电流分析 当开关磁阻电机由恒定直流电源u 供电时，在绕组电感仅是转子位置的线性 函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况下，由式( 2 一1 2 ) 得： u 三堕+ f 些m 珊犯堕+ f 丝) d 譬d 口、d d p 7 ( 2 1 4 ) 由图2 7 可知： 1 、在吼s 口c 如区段，电流解析表达式如式( 2 一1 5 ) 归) 。旦监 m i n “ ( 2 1 5 ) 上式表明，电流在最小电感恒值区域内是直线上升的，这是因为该区域内电 感恒为最小值，且无旋转电动势，因此开关磁阻电动机相电流可在该区域内迅速 建立。 2 、在岛s 秽c 区段( 为关断角) ，将上述结果作为该区段的初值条件， 得电流解析式： m 、 u ( 疗一9 伽) 咿净瓦i ；：i 蔷色呖 ( 2 - 1 6 ) 3 、在( 一t b 区段，绕组电流同理可得： 、u ( 炉一9 鲫一日) 咿卜瓦盖乞蔷硒 ( 2 1 7 ) 4 、在岛日t 以区段，绕组电流为： 、u ( 2 矿一9 研一口) f p ) - 鼍 “m 缸 ( 2 1 8 ) 5 、在吼s 口t 以区段，绕组电流为： 、u ( 2 矿一9 鲫一日) 咿卜瓦赫 纠9 ) 显然，当时，相电流已经衰减至零。 这些分段电流函数可以用下面的通式统一描述，即 悱警加) ( 2 - 2 0 ) 1 1 北京交通大学硕士论文 由上式可知，绕组电流与外加电源电压u ，、角速度、开通角钆、关断角8 硝、 最大电感三。、最小电感工。、定子极弧卢，等有关。对结构一定的电动机，在9 。和 p 啊不变的情况下，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通 过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流。由此式还可以发现通过增大外加电 压来提高绕组电流，从而间接地使电动机的电磁转矩增大。 2 3 4 调速特性f 2 】 控制直流电机的转速需要调节其外施电压或励磁电流，而控制感应电机的转 速则需调节电源的频率。与其它电机一样，开关磁阻电机也有其自己的控制方法。 这里仍然针对开关磁阻电机的线性模型来加以讨论，对其转速控制特性加以定性 分析。 将上面得到的式( 2 - 2 0 ) 表示的绕组电流代入式( 2 6 ) 中，得到 r ；孚俐詈 2 珊o 。a 宦r ，1 、 由此进一步得到， l 玑捂 ( 2 - 2 2 ) 其中， f i 扣，嚣 从式( 2 - 2 3 ) 中可以看出，有两种转速控制方法： ( 1 ) 改变绕组外施电压的平均值以； ( 2 ) 改变与开关角有关的参数f ，是代表电动机结构参数( 如绕组电感和定 子极弧等) 和控制参数( 如开通角、关断角) 的函数。 若与开关角有关的参数f 不变，则甜正比于u 。，改变其外施电压就会改变电 机的转速。 2 3 5 控制策略【1 7 】 按现代控制理论，调速系统的关键就是对转矩进行控制。s r d 系统性能较为 理想，其特点之一就是可控参数多，开通角、关断角、相电压、相电流都可以影 响转矩，从而对转速进行调节控制，因而其调速控制策略也比较多。就目前而言， 归纳其控制策略大体可以分为以下几类： 开关磁阻电机的理论基础 l 、角度位置控制 电机高速运行时，相电流周期已经很短，电流的建立和续流段会占有相当比 例，又因为运动电势的存在使电流峰值不致很大，因此通常不必采用斩波限流， 而采用角度控制。角度位置控制其实质就在于输入电压保持不变而通过改变主开 关的开通角和关断角来调节电流，以达到调节电机转矩的目的。由于电流波形形 似脉冲，角度位置控制又称单脉冲控制。 当开通角减少即提前触发导通主开关，会使峰值电流加大，电源供电时间加 长，因此，有效电流增大。这样，在一定转速时，电磁转矩随开通角的减少而增 大；在一定负载转矩时电机转速随开通角减少而增加。其中，开通角减少可延伸 至出现负值，即在最小电感出现之前就开通绕组。开通角提前太多将可能导致局 部瞬间出现负转矩，总效果应当综合考虑，不宜过分超前。普通开关磁阻电动机 控制器就常以开通角作为主要控制量，在调速系统中实现自动调节控制。关断角 也可以作为控制量，实现对开关磁阻电动机的调控。 2 、电流斩波控制 电机低速运行时，反电势较小，电流变化率大，为了避免电流上升过快，超 过功率开关元件和电机允许的最大电流，可以采用斩波方式限制电流。电流斩波 控制一般应用于电机低速区，通常又可分为电流上限控制和电流上下限控制。 电流上限控制即设置一个电流上限值，当绕组电流一旦超过电流的设定值( 斩 波电流上限值) 时，开关管关断，电流快速下降。经时间4 f 时再重新开通。如此 循环，从而达到控制电流的目的。电流上下限控制指的是在一个控制周期内，给 定电流的最大值和最小值保持不变。当电流传感器检测的绕组电流信号大于设定 信号的最大值时，主开关断开；当续流电流衰减到设定的最小值时，主开关重新 开通，如此反复。 3 、电压斩波p w m 控制 电压斩波p w m 控制方式采用的方法是：在原来主开关相控触发信号上加 p w m 的占空比d ，从而调节施加在相绕组上的两端电压，以达到调速的目的，与 电流斩波控制方式类似，提高脉冲频率f 一1 7 - ，则电流波形比较平滑，电机出力 增大，噪声减少，但功率开关元件的工作频率增大。电压斩波p w m 控制又可分为 斩双管和斩单管两种方式。 2 4 开关磁阻电机驱动系统的特点 从以上所述可以看出，开关磁阻电动机驱动系统是由开关磁阻电机、功率变 换器、控制器、位置检测器等构成的，将电机技术、电力电子技术和控制技术合 北京交通大学硕士论文 为一体的新型调速驱动系统。这种驱动系统有如下优点【1 1 】； 1 、磁阻电机转子只有一段叠片铁心，上面没有任何形式的绕组，而定子上只 有简单的集中绕组，绕组端部短且牢固，定、转子铁心又都是大的齿槽结构，因 此整个电动机结构简单、成本低、可靠性高、维护工作量小。 2 、开关磁阻电机的电磁转矩与