开关磁阻电机软特性的软件设计

摘 要开关磁阻电机调速系统具有结构简单、坚固、系 统控制灵活、调速性能好、运行效率高、动态性能好等 诸多优点。首先，研究了开关磁阻 电机的基本特性，从中得出了一种简便、实用的通过电流检测转矩的方法，获取了开关磁阻电机的稳态转矩和电流的关系，为软 特性实现奠定了基础。其次，通 过基于 C 及汇编混合编程的控制软件，实现了 软特性的控制算法， 实现 了软特性调节和转速闭环控制。并且 实现了基于 PC Master 软件的上位机可视 化控制，可以在上位机上获取调速系统的电流和转速波形，可以在线修改调速系统的参数和对电机进行实时控制。关键词：开关磁阻电机，调速系统， 软特性 1Soft characteristics of switched reluctance motor design softwareAbstractThe Switched Reluctance Motor Drive (SRD) possesses lots of merits, such as simple construct, ruggedness, flexible control, good speed control performance, high efficiencies and satisfied active performance. Firstly, analyzes the operating principles and mathematic model of SRM, provides a simple and feasible torque detecting method through current. Also does the soft control experiments on SRD, gains and analyzes the soft control curve. Secondly, realizes the control algorithms for soft control by the software based on the combination of C and assemble language. The system realizes the soft control and speed closed loop control. Also designs the real time development of main computer applications using the PC Master software visualization tool. The current and speed curve of the speed regulation system can be gained on the PC, the parameter modification of the speed regulation and the real time control for the motor can be achieved on line.Key words: SRM, Speed Control System, Soft Control2目 录1 绪论.12 设计要求 .13 系统结构及特点 .13.1 SRD 的组成及工作原理 .13.2 SRD 主要技术特点 .34 开关磁阻电机软特性的实现原理 .44.1 开关磁阻电机软特性分析 .44.2 开关磁阻电机软特性实现原理 .44.2.1 转矩的计算 .44.2.2 开关磁阻电机软特性调速系统控制策略 .65 开关磁阻电机软特性的软件设计 .75.1 软件设计概述 .75.2 主程序设计 .85.3 软特性的实现 .95.4 PI 调节器的设计 .105.5 子程序设计 .125.6 可视化控制软件 PC master.155.6.1 监控界面 .165.6.2 监测功能 .166 结束语 .17致谢 .18参考文献 .19附录 程序清单.2031 绪论开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称 SR 电机）结构简单、坚固，可靠性高，效率高，在一些要求高精度的电力拖动设备 的控制系统中具有很多的优势。开关磁阻电机及其调 速控制系统（Switched Reluctance Drive，简称 SRD）是位置、速度和电流三闭环控制系统，是典型的机 电一体化产品，有着广泛的 应用前景。近几年来开关磁阻电机在许多电力传动领域得到了广泛的应用，比如在城市电动汽车、矿山井下电动 机车、油田 抽油机、家 电领 域上都可以与直流调速电机和变频调速电机一较长短。 随着电力电子技术和控制技术的发展，开关磁阻电机及其调速控制系统将有更广泛的发展和应用前景。目前在许多生产机械中，比如，电动汽车、游梁抽油机、电动钻机等需要具有软特性的电机驱动，即直流 电动机的串励特性。而开关磁阻电机具有起动电流小、控制灵活等优点，因此研究开关磁阻电机软特性 调速系统具有十分重要的意义。开关磁阻电机软特性调 速系统的研究， 将拓宽开关磁阻电机的研究和应用领域，并且对推动我国电气传动领域的发展也具有十分重要的现实意义。2 设计要求本课题设计的开关磁阻电机软特性调速系统，其主要功能有：正反转、大范围内平滑调速；软特性参数的在线调整；软、硬特性运行方式的选择，并具有各种保护功能。具体研究内容如下：学习 DSP56F803 的使用， 设计以该芯片为核心的 SR 电机软特性调速系统,实现软特性曲线给定及调速、电机正反转， 转速、 电流的显示功能。,研究开关磁阻电机的转矩与电流之间的关系，实现一种较为简便、快速、实用的计算转矩的方法。开关磁阻电机软特性调速系统的软件设计，使系统能够实现电机起动，软特性调速和保护功能。并利用 PC master 的可视化控制软件。能够在上位机上实现对系统的实时监控功能。3 系统结构及特点3.1 SRD 的组成及工作原理SRD 主要由 SR 电机、功率变换器、控制器和位置 检测 器四部分组成，如图1 所示 1。SR 电机是 SRD 系统中实现机电能量转换的部件，也是 SRD 系统有别于其他电机驱动系统的主要标志，它的结构和工作原理与传统的交直流电动机有着4根本的区别。它遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，产生磁拉力形成转矩。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 SR 电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。三相交流电功率变换器 SRM外部给定 微机控制器电 流检测 位置检测负载图 1 SRD 基本构成图 2 SR 电 机 工 作 原 理图 2 表 示 三 相 SR（12/8 极 ）电 机 的 横 截 面 和 一 相 电 路 的 原 理 示 意 图 。S1、S2 是 电子 开 关 ，D1、D2 是 二 极 管 ，E 是 直 流 电 源 。当 定 子 A 相 磁 极 轴 线 OA 与 转 子 磁 极 轴线 Oa 不 重 合 时 ，开 关 S1、S2 合 上 ，A 相 绕 组 通 电 ，电 动 机 内 建 立 起 以 OA 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 子 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 Oa 向 定 子 A 相 磁 极 轴 线 OA 趋 近 。当 OA 和 Oa 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 S1、S2，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 30，转 子 在 磁 场 磁 拉 力 的作 用 下 继 续 沿 着 逆 时 针 方 向 转 过 15。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 （ ），对 于 三 相 12/8 极 开 关 磁 阻 电 机 ，rNr/2= =45，定 子 磁 极 产 生 的 磁 场 轴 线 则 顺 时 针 移 动 了 330=90空 间 角 。可 见 ，r8360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5的 A-B-C-A 方 向 顺 时 针 旋 转 。3.2 SRD 主要技术特点 5从结构和运行原理上看，SR电机可以说是一种高速大步距的反应式步进电动机。两者的主要差别在于：步进电机作为一种信息传输、实现角位移精密传动的执行机构，它的转子轴运 动服从电源的换相，而 电 源的换相通常是与转子位置无关的，属于转子位置开环 控制；SR 电机则不同，其定子供电电源的换相与转子位置直接有关，必须根据转 子位置传感器提供的位置反馈信息来实现，属于转子位置的闭环控制。从运行状 态上看，也可将 SR电机调速系统视为无刷直流电机调速系统的发展，两系统中电 机均运行在自同步状态。但无刷直流电机的转子有励磁，定子多相绕组由逆变器提供交流电源；SR 电机的转子则为反应式，无须励磁，定子绕组由直流脉冲电源供电，仅由简单的开关即能实现，这使得电机结构和变换器结构都得到简化。SR电 机调速系统具有如下基本特点。电机结构简单、适宜在恶劣条件下的可靠运行。 SR电机的突出优点是转子上没有任何形式的绕组，亦无需采用永磁体构成转子磁极，因此最大速度不受限制，可达100000 r / min，也无高温退磁之忧。定子线圈为集中绕组，端部短而牢固。所以电机易于冷却。适用于各种恶劣、高温甚至 强振 动环境。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。另外， SR电机调速系统中每个功率开关器件均直接与绕组串联，根本上避免了直通短路现象。从而简化了控制保护单元的要求，既降低了成本，又具有高的可靠性。从控制结构上看，各相绕组相互独立工作，所以系统可以缺相运行，容错能力强，适宜在如航天飞机、电动汽车等特殊场合作为起动机或驱动系统使用。可控参数多，调速性能好。控制SR电机调速的主要参数有四个：开通角、关断角、相电流幅值和相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便。采用不同控制方法和参数值，不仅 能使系统工作于最佳状态（如出力最大、效率最高等），而且可以实现各种不同的功能和特定的运行曲线，如使电机具有完全相同的四象限运行能力，并具有高起动转矩和串励电动机的负载曲线。在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率，适用于频繁起停及正反向转换运行。当然，SR 电机调速系统也有其明显的缺点，即转矩脉动及噪声问题。这 是由于SR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。SRD 良好的调速性能、宽广的调速范围、以较小的起 动电流获得较大的起动6转矩、对称的四象限运行特性等一系列突出的优点，显然对于满足需软特性驱动的系统提供了完全的可行性。4 开关磁阻电机软特性的实现原理4.1 开关磁阻电机软特性分析简单的开关磁阻电机的软机械特性曲线如图 3，图 4 所示。n T00 n00 T1k3k2图 3 图 4 图 3 对应着给定不同空载转速 n0，硬度相同时的机械特性曲线，图 4 对应着当空载转速相同，机械特性硬度（斜率 k）不同时 的特性曲线。由图 4 可得到转速与转矩的关系式：（1）T0开关磁阻电机软特性调速系统能够满足一些特殊负载的要求，即当负载增加或减小时，转速能够根据要求相应的变化，使得开关磁阻电机的机械特性呈现软特性。此系统的实现关键 要解决两个主要问题：负载的检测。这主要是通过检测负载转矩来判断。负载转矩的检测比较简便的方法即为采用扭矩传感器，但采用扭矩传感器成本太高，因此本文设计的系统采用间接方法来检测转矩。开关磁阻电机软特性调速系统的实现。即为调速系统的软硬件设计，使系统能够实现软特性控制，响 应速度快， 动态性能好，抗干扰能力强。4.2 开关磁阻电机软特性实现原理4.2.1 转矩的计算实用中，为避免繁琐的计算，又近似的考虑磁路的饱和效应，常借助准 线性模型，即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，做 这样的近似处理后，每段磁化曲线均可解析 2。开关磁阻电机转矩与电流的关系式为：7（2） 54112 4332112 210000),( iiKiiKiTa即 SR 电动机相电流很小，磁路不饱和时，电磁转矩 与电流的平方成正比。aT而若绕组电流较大，则 SR 电动机运行在饱和状态，这时电磁转矩 与电流),(ia的一次方成正比关系，即：当电流较小时， 转矩与电 流成二次曲线关系，当 电流较大时， 电流与转矩成线性关系。因此由得到的数据可以用最小二乘法模拟曲线。曲线的函数由两部分构成，即y1=ax2+bx+c xx1 式 3 中的分界点 x1，即对应着式 2 中的 i1，而 这个分界点的确定是非常复杂的，为了 简化过程，采用数学分析的方法来确定。转矩与电流的测量关系与拟合的关系曲线对比如图 5：2 3 4 5 6 7 8 9 1002468101214161820值值值值值y1y2值值值图 5 转矩与电流的关系拟合曲线转矩与电流的关系曲线由两部分（二次曲线和一次曲线）构成，分别对这两部分运用最小二乘法拟和曲线。为了寻找 x1 点， 设点 xn，在 xxn 范围内拟合的曲8线为 y1=ax2+bx+c，在 xxn 范围内拟合的曲线为 y2=px+q。最佳的分界点 xn 即为使得 R(n)最小的点。利用 matlab 仿真可以得到，当 n=11 时，具有最小的 R（n），此时电流值 x(11)=7.4A，所以在计算转矩时，当电流值小于 7.4A 时，采用二次曲线计算，当大于7.4A 时，采用线性关系计 算。 计算公式为（式 4）：y1=0.1913x2+0.3926x-1.6043 x7.4 （4） 4.2.2 开关磁阻电机软特性调速系统控制策略 3本系统采用的控制策略如下：起动方式：由于单相起动不如单双相起动可靠，并且在起动过程中为了确定转子绝对位置，若给不恰当的两相通电，可能使 电 机产生抖动，所以本系 统采用单双相混合起动、单三拍（ A-B-C）运行方式。在图 2-4 中可以看到给定转速后面加了一个给定积分器，给 定积分器是将给定阶跃信号变成随时间按照一定斜率线性变化的输出信号,使电动机能够平稳缓慢地起动，避免产生冲击。控制方式：电压斩波控制从低速到高速运转不存在控制方式转换问题，既能用于高速运行，又适合于低速运行。所以本文选择 定角度电压斩波方式，开通角 0，关断角 15。从减小 电流峰值及脉动，提高系统效率出发，采用斩单管的电压斩波方式。为防止电流峰 值过大损害 IPM 模块，在 电机起动前，电流斩波幅值固定为限流值，使电流斩波 电路作为 IPM 的保护电 路。调节器设计：由于 SRD 精确的动态模型难以建立，而 PID 调节器的优点在于即使在受控对象的模型未知的情况下，其比例，积 分，微分常数亦可通 过系统的实际运行现场整定出来，因此在此系统中选择为 PI 调节器，通过实验确定法确定其参数。软特性调速系统实现框图如下图 6:A S RP W M输出功率变换器S R MA / D转换相位检测 器位置传感器逻辑切换霍尔传 感器S P ID / A 转换数 码显示S C I上位机I / O键 盘+-D S P 5 6 F 8 0 3整流速 度给定实际转速给定积分T = f ( i )n = f ( T )外部给定软特性给定电流比较9图 6 软特性调速系统实现框图系统转速分为外部给定和内部软特性给定，在起动前由外部给定（通过键盘）设置参数，包括软、硬特性的 选择，软特性参数。若 设定 为软特性运行，起动后转速给定切换到软特性给定上。 软特性的给定转速根据采集的实时电流值间接计算得到。给定转速经过给定积分环节后与由转子位置传感器获得的反馈速度相比较，误 差经数字 PI 调节 ，转换成 PWM 脉冲的控制参数。控制器根据位置信号以及电流比较的输出信号（允许 PWM 输出或禁止 PWM 输出）输出对应的 PWM脉冲，经 功率变换器， 实现对 SR 电动机的控制。5 开关磁阻电机软特性的软件设计5.1 软件设计概述本系统的软件设计采用 C 及汇编语言混合编程， 实 行模块化设计，增加了程序的可读性和移植性。对于本系统而言，控制系 统软 件主要完成以下任务：起动：使电机起动无死区，起动转矩足够大，并尽量减小振动。控制过程：电流斩波控制时，控制器输出电流斩波幅值，通过 SPI 口输入到 D/A 转换器，硬件电路完成 斩波过程。 电压斩波控制实现转速的调节。控制器经过对各种信号进行处理后，采用闭环控制， 输出为 定频调宽的 PWM 方波。转速环的设计采用 PI 调节器。软特性的实现：首先选择软特性的运行方式，软特性曲线通过键盘人为给定。根据设定的曲线参数，根据负载的变化实时调节转速， 转速调节要求稳态误差小，响应速度快，抗扰能力强。正反转切换：切换命令由键盘发出，实现起动时的正反转设定，以及电机运行过程中正反转间的切换，要求切换平滑，抖 动小。保护措施：能够接收、判断外部的故障信号和保护信号并且采取相应的措施。本程序主要利用 DSP56F803 的相位检测模块、PWM 模块、定时器模块， 这里重点介绍一下各个模块在 SR 电机控制中的应用。1） 定时器 DSP56F803 有一个专用的定时器 D 和一个可选用的定时器 A，定 时器 A 和相位检测模块复用 IO 引脚。每个定 时器有 4 个计数器模 块，每个计数器有两个基本功能： 记录内部或者外部事件数； 记录每个外部事件之 间所经历的内部时钟周期数，也就是得到外部事件的时间间隔。本程序中，定时器 D 的计 数器 1、3 分别设置为 10ms、15ms 中断，在中断处理程序中设置标志作为主程序运行状态的转换。定时器 A 与相位检测模块复用，设置定时器 A 为上升沿捕捉（正转），以总线时钟为 基准，记录两个上升沿之间的10时间，从而计算电机转速，在捕捉中断中完成电机换相。2） PWM 模块在 SR 电机控制系统中，PWM 信号被用来控制开关管的开关 时间， 为电机绕组提供所需要的能量，获 得所需的转速和转矩。本系统中，采用全数字 调节器，其输出决定 PWM 信号的占空比。设置 PWM 模块在 PWM 信号新的周期开始时产生一次中断（重载中断），在该中断中，可以把需要改变 的参数比如占空比写入，那么下一个周期的波形就会由新的参数决定。而 DSP56F803 的 PWM 模块还有一个很有用的功能，那就是软件控制输出 10。软件控制输出的意思是用软件向特定的寄存器写入值来控制PWM 管脚上的输出。在 6 个 PWM 通道都设置成为 独立通道模式下，如果用 软件设定 OUTCTLVx=1，x=05，那么输出控制寄存器 PWMOUT 相应的 x 位就控制 PWM 管脚的输出。软件控制时并不停止 PWM 发生器和电流状态检测电路的工作，它们继续运行，但是不再控制 PWM 输出引脚。这样在 SR 电机换相的时候就不需要靠外部逻辑电路来判断换相，只需软件控制功能就可以进行换相。所以在每个重载中断中，可以写入 软件控制字和占空比的值，这样就可以使 SR 电机进行正确的换相和转速控制。3） 相位检测器在本系统中相位检测器用来检测转子位置信号，相位检测器有 4 个输入引脚，分别 是 PHASEA、PHASEB、INDEX 和 HOME，这 4 个引脚同时复用为定时器 A 的四个计数器 A0、A1、A2 和 A3。选择相位检测器的工作模式为模式 1，那么这 4 个引脚上的信号经过内部的干扰信号滤波器后，分别作为定时器 A 和相位检测器的输入，读取相位 检测器的输入监控寄存器 IMR 可以得到 SR 电机的位置信号。DSP56F803 的相位检测器使得 SR 电机控制器的硬件 设计可以省略位置信号输入滤波电路，同时为 灵活的换相策略提供了方便。5.2 主程序设计图 7 为主程序流程图。主程序主要完成的工作为：系统初始化、系统状态检测、调用起 动及转速调节程序等。主程序首先完成系统的初始化，然后 进入状态检测程序。状态检测程序是一个包含两个状态的死循环，一个状态是 TimeOut1状态，另一个是 TimeOut2 状态。TimeOut1 状态是当标志量 TimeOut1 为 1 时的状态，其完成的功能见图 4-1 左边的部分，主要是完成开机、停机命令检测、给定转速计算、 对给定转速积分、调起动程序。TimeOut2 状态是当标志量 TimeOut2为 1 时的状态，主要完成转 速显示、 转速调节功能。 这两个状态均由定时器产生，在本程序中使用定时器 D 的定时器模块 TD1 和 TD3，TD1 产生 10ms 中断，该中断程序里置 TimeOut1 为 1，TD3 产生 15ms 中断，该中断程序里置 TimeOut211为 1。主程序不断的循环，当有中断发生时，执行中断程序。系 统 启 动TimeOut1 转 速 显 示 程 序TimeOut2=1YES初 始 化 程 序开 机运 行 YESYES允 许 PWM、 置 启 动 标志 、 系 统 运 行 标 志NO计 算 给 定 转 速置 系 统 停 机 状态 、 关 闭 PWM启 动 开 始NO启 动 程 序运 行给 定 转 速 积 分 程 序TimeOut1=0YES允 许 速 度 调节置 启 动 过 程 结 束 标 志转 速 调 节 程 序启 动 结 束保 存 相 关 数 据TimeOut2=0NO NOYESNO YESYESYESNO NONO图 7 主程序流程图5.3 软特性的实现软特性的机械特性曲线由键盘给定。程序运行过程中每 0.5s 检测一次负载状况，转速的给定实现区间化，即在负载上下波动不超 过 2N.m 的范围内转速给定不变。在 负载连续三次超出上一次区间范围后， 转速才开始进行调节。 这样就防止了负载短时波动造成的转速波动。考虑到转速的调节时间，从转速开始调节后的 2s 内不再进行软特性调节。 图 8 所示为转速的给定方法示例图。设给定为n0=600 r/min，k=50。当 负载小于 10N.m 时，系统始终以 n0 运行。当负载大于1220N.m 时，转速固定在 300r/min。在区 间10，20之间，负载波动小于 2N.m 时认为负载不变。即如图 3-2 所示，在负载区间10，12）内统一取负载为 11N.m，并根据 11N.m 的负载计算转速。依此类推，平均 转矩与转速的对应关系如图 8 所示。图中的转矩区间10， 20，是根据做实验时的电机带载能力确定的，当电机的运行条件发生变化时，其带载能力也变化，因此 转矩区间也将变化，但每隔 2N.m计算一次转速不变。图 9 所示为软特性调节程序流程图。T_1 ，n_1 分别为转矩和转速的前一时刻的值，T_1(0)，m(0)分别为初始化时的值。n3 0 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 0T1 0 1 61 41 20 2 22 01 8图 8 平均转矩与转速对应关系图5.4 PI 调节器的设计 6按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器（简称 PID 调节器）是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器，它的 结 构简单，参数易于 调整，在长期的使用中积累了丰富的经验。特别对于开关磁阻电机这类难以建立准确数学模型的控制对象，运用控制理论分析综合要耗费很大的代价，却难以达到预期的效果。连续系统 PID 调节器算式为：（5）式中：e(t)调节器输入函数，即给定量与输出量的偏差；u(t)调节器 输出函数；Kp比例系数；TI积分时间常数；TD微分 时间 常数。取 T 为采样周期，k 为采样 序号， k=0，1，2i，k，因采样周期相对于信号变化周期是很小的，这样可以用矩形法算其面积，用向后差分代替微分。于是（式 5）可写成：01()()()()tpDIdetutKetT13（6）)1()1)()(0TkeeTkeKtuDkiIp 0 . 5 S 子程 序开始起动 完毕，允许转 速调节？读负载 值T T _ 1 ？T _ 1 ( 0 ) = 0m + + , m ( 0 ) = 0T _ 1 = Tm = 3 ?n _ 1 = N 0 - k TN a d j = T r u e ?n = n _ 1N a d j = F a l s e时 间= 2 S ？N a d j = t r u e退 出Y E SN OY E SN OY E SN ON OY E SN OY E Sm = 0图 9 软特性调节程序流程图其增量算式为：（7）)()()()1() 2keKkeKkuDIp式中：K I积分时间比例系数 ；IPIT；)()(eeKD微分比例系数 ；DP14；)2()1(2)(2 keke在实际编程中采用了积分分离的 PID 算法。即当被控量与设定值的偏差较大时，取消 积分作用，以免积分饱和作用使系统的稳 定性减弱，超 调量加大；当被控量接近设定值时，才加入 积分作用，以消除静差，提高控制精度。程序流程图如图 10 所示。PI 参数由实验 法来确定。设置D S P 为饱和 模式开始e ( k ) 3 2 7 6 7 ?e ( k ) = 3 2 7 6 7e ( k ) 3 2 7 6 7 ?u ( k ) = 3 2 7 6 7Y E SN OY E SY E SN ON O| e ( k ) | 2 2 0 0 ?U i = K i * e ( k ) U i = 0N OY E S图 10 PI 控制算法流程图5.5 子程序设计起动及运行子程序起动程序主要是使电机能够正常起动。首先根据电机的不同转向，设置定时器 A 的捕捉中断模式，使得 换相成功进行，然后根据得到的位置信息对相应相通电，按照 给定方向正确起动电 机。 载入恰当的占空比是 为了避免起动占空比过大造成过大电流。进入起动程序前进行起动过程标志检测，当起动成功后不进入该15程序。起动过程分为四个阶段：起动开始， 载入参数，允许速度控制，起动结束。起动开始阶段是在接收到起动指令后进入的阶段叫做起动开始阶段；调用起动程序后，根据位置判断起动相，然后给出占空比的过程叫做载入参数阶段；当捕捉到两个脉冲时允许速度控制，叫做允许速度控制阶段；主程序进入状态 2 时，如果检查到允许速度控制，则开始进行速度调节，此 时起动结束。 这四个过程是按照如下叙述进行的：主程序里面进行起动开始判断，在起动程序中载入占空比同时置载入参数标志，运行程序中捕捉到 2 个边沿脉冲时置允许速度控制标志。开始正转读 位置传感器传感 器状态A B C起动 A 或 B或C 相起动 B C 或C A或A B起动C 或B 或A相起动 A C 或C B或 B A 相传 感器状态A B C1 0 00 1 00 0 10 1 11 0 11 1 0置 定时 器A上升 沿捕 捉置 定时 器A下降 沿捕 捉N OY E S0 1 01 0 00 0 11 1 01 0 10 1 1置 定时器 A 下降 沿捕捉置 定时器 A 上升 沿捕捉载 入 启动占 空比返回图 11 起动程序框图电机运行的时候，主要完成的任务是换相和转速调节。转速调节是在TimeOut2 状 态里进行，调节完成后输出 PWM 信号的占空比。SR 电机的换相及转速计算均在定时器 A 的捕捉中断处理程序中完成。定时器 TA0、TA1、TA2 分别捕捉 A、B、C 相位置，各定 时器的捕捉中断处理程序流程均一样，图 12 所示为 TA0 中断处 理程序框图， 该框图只表示了正转换相及转速计算，反转只是定时器的边沿捕捉模式相反。测速子程序在电机控制应用现场，经常会遇到尖脉冲干扰。 这种干扰一般只影响个别采样点数，受干扰的数据与其他采样点的数据相比有明显的差异，而且是随机的偶16然发生几次。如果采用算数平均值法滤波， 则幅值较大的干扰将“ 平均”到计算结果上去，故算术平均值法不能消除尖脉冲随机干扰的影响。防脉冲干扰平均值法，既能防止脉冲随机干扰的影响又能使周期性干扰得到平滑处理。具体的算法是对连续采到的 N 个数据用排序程序按从小到大的顺 序重新排列，然后去掉最大值和最小值，取剩余的数据进行算术平均，所得 结果为本次滤波输出。在本程序中采用防脉冲干扰平均值法测速，取 N 值为 4。定时器T A 0 中断脉冲沿翻转 否？正 转？Y E S置上升沿中断标志置下降沿中断标志Y E SN O关断A 相读T A 0 计数器的值开通A 相正 转？关断C 相关断B 相Y E SN O载 入 参数？捕捉 次数为2 ？置 允 许控制 标志启动 结束或 允许 控制？计算 转速返回Y E SY E SN 0N ON ON 0Y E S图 12 TA0 捕捉中断处理程序框图电流斩波子程序在电压斩波控制时，电流斩波作为保护用，在初始化中调用该函数， 给出斩波电路的上下限值。在电流 斩波控制时，速度 调节器的输出代表电流斩波幅值，上下限值为该幅值分别加上和减去一个恰当的数。由于调节器输出值的范围是01，所以要把 该值与电流最大值相乘，作为真正的电流斩波幅值经 SPI 口写到17D/A 转换器中。PWM 重载中断程序重载中断通俗的讲就是在每个 PWM 发生器产生一个周期 PWM 波形后，都产生一个中断，在该中断处 理程序中可以修改 PWM 模块的参数以达到对电机换相和转速调节的目的。可以修改的参数为预分频因子、PWM 计数周期和 PWM占空比。本软件在 PWM 中断重载程序里完成三个任务：根据运行程序中的换相函数改写 PWM 模块的软件控制字；获取主程序中状 态 TimeOut2 中的调节器输出值，更新 PWM 占空比；触 发 A/D 转换，使 对电流的采集与 PWM 同步。5.6 可视化控制软件 PC master9PC Master 是集成在 DSP56F80x 开发环境中的一套十分有特色的可视化调试工具，用简单的 RS232 串行通讯线连接 PC 机和 DSP 目标板，把程序的 elf 格式文件导入 PC Master 中，建立通信，就可以通过 PC Master 可视化的图形界面来监测和控制 DSP 中程序的运行。与大多数运行于 Windows 环境下的应用软件一样，PC Master 的用户界面为典型的多应用窗口+菜单形式。三个应用窗口分别为工程管理窗口(Project)、主显示窗口(Detail View)与变量观察窗口(Variable Watch)。为了适应测控系统的应用需要，PC Master 引入了工程项目管理。工程是一个树形结构，它包含了一个计 算机测控系统的各个应用层面（项目）：控制页面(Control Page) 。控制算法描述页面(Algorithm Block Description)。当前项目帮助(Current Item Help)。示波器(Oscilloscope)。记录器(Recorder) 。当用户在工程管理窗口中选定了相应的项目后，在主显示窗口中就会出现对应的界面。用户利用 PC Master 可以进行以下的操作：以希望的格式观察目标 板内部有关变量的变化。对目标板内部的 变量进 行修改，从而 对目标板的状态进行控制。可以发送控制目 标板运行的控制命令。以波形显示方式 对变量的 变化过程进行监测(示波器)。对快速变化的事件 进行 记录并以图形方式显示(记录器)。可以加入 HTML 网页显 示帮助、目 标板系统功能的描述等内容。还可以利用有关的工具创建具有控制功能的网页。可以建立针对应 用系统 的树形工程结构，并赋予每个应用单元相应的功能描述、变 量显示、记录与运行控制功能。18PC Master 的使用极大的方便了实验过程中的数据记录与观测，是 Motorola DSP 的非常独特的功能。下面简要介绍在此系统中对 PC Master 相关功能的研究与应用。5.6.1 监控界面PC Master 软 件可以使电机控制更加容易。它在微机上运行，通过串行接口与处理器连接。在处理器中有相应的程序与 PC Master 软件通信。它可以实时的进入 DSP 的任何存储单元。一旦数据被载到 PC Master 软件，就可以以多种方式显现。PC Master 软件使用 Microsoft Internet Explorer 作为界面。图 13 PC Master 界面5.6.2 监测功能通过 PC Master 的监测功能，可以实时的观测电机的运行状况。Scope 模式Scope 模式即相当于一个示波器。由 DSP 检测计算的 变量信号， 经过 DSP与 PC 机的通信，可以由 PC Master 的 Scope 模式以波形显示出来。可以用来观测起动、 负载扰动情况下的 转速变化， 对电机稳态运行起着很重要的实时监测。对于软特性机械特性的观测尤其方便，可以同时观测负载变化以及相应的转速变化，Scope 模式只需在 PC Master 界面下，通过设置 Scope 图形的外形参数和特征参数，就可获得所需参数的合适的波形。Recorder 模式Recorder 模式可以对快速变化的事件进行记录并以图形方式显示。在本文中，19Recorder 模式主要是对电流信号进行观测。电流信号经过检测电路与 DSP 的模数转换后转换成数字信号，经过 PC Master 还原成连续的波形。既可以检测电流信号的采样是否准确，又可以实时观测电流波形。Recorder 模式需要在程序中进行参数的设置。要在 appconfig.h 文件中设置如下三个参数：PC_MASTER_REC_BUFF_LEN PC_MASTER_APPCMD_BUFF_LEN PC_MASTER_RECORDER_TIME_BASE在主程序中，写入 Recorder 函数。在 PC Master 界面中也要对 Recorder 图形的外形参数和特征进行相应的设置。数据记录功能在建立的 Scope 界面下的工具 栏中有符号 （Toggle Data Capture），即为保存数据符号。点下此符号即为开始保存数据，再次点下即为停止保存。 PC Master自动的把这一段时间内的数据保存下来。数据存放的地址以及文件名可以在工具栏 Scope 下拉菜 单中的 Data Capture Setup 里设置。数据记录功能保存的数据是在 Scope 界面下 观测的 变量的数值，如果想保存某一变量在一定时间内的数值，要把这一变量用 Scope 模式 观测才行。在 计算转矩与 电流的关系时，需要用到这一功能。6 结束语作为一种新型的调速系统，开关磁阻电机兼有直流电机和交流电机的优点，设计 SRD 软特性调速系统 是为了满足特殊场合对开关磁阻电机的需求。其最终要达到的目的是转速的变化能够与负载变化相配合，使系统高效运行。一方面要实现转速与负载的协调配和，一方面要实现转速的快速、稳定、平滑的 调节，调节过程中要求超调小，无静差。要提高系统的整体性能，各方面的因素，包括数学模型的处理，功率变换器主电路的设计，微机控制系统的硬件电路设计以及控制算法与控制软件的设计都是非常重要的。本论文主要完成的工作如下：开发了基于 DSP56F803 的开关磁阻电机调速系统通用的硬件电路以及功率变换器及其驱动保护电路。硬件工作可靠，可以实现参数输入， 转速调节，电机保护等功能。通过研究开关磁阻电机的基本特性与数学模型，得到了一种简便、实际可行的转矩检测方法。设计了系统软件，并借助 PC Master 软件实现了软特性调节，转速闭环控制以及电机参数检测模拟。20致谢时光飞逝，转眼间半年的毕业论文设计时间已经接近尾声了，我也一步步跨进了这一科的殿堂。在这期 间，我走 过的每一步，无不浸透着我指 导老师的心血。首先感谢我的指导老师。从论文的选题目、研究思路、技 术路线、研究手段、技术创新、论文开题，撰写和修改等过程，都离不开王老师的努力和汗水，也蕴含着王老师对我的深切关怀和对我高度的期望。论文的取得成果不但渗透着王老师的辛劳，也凝聚着王老 师的智慧。在毕业论文设计过程中，王老师宽以待人的性格、朴素的生活