研究开关磁阻电机软特性的硬件设计

i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，近二十多年来，国内外在开关磁阻 电机及其调速系统研究方面发展迅速。但对于一些特殊的需求领域，还未曾进行深入研究。本文正是基于这一需求，以三相开关磁阻电机为 研究对象， 对其软特性调速系统进行研究。本课题主要完成的工作有以下两部分：首先，深入研究了开关磁阻电机的基本特性与数学模型，从中得出了一种简便、 实用的通 过电流检测转矩的方法。其次，设计 了基于 DSP56F803 的开关磁阻电机调速系 统通用的硬件电路，可以实现软特性调速控制、变角度控制、定角度电压斩波和 电流上下限斩波控制。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。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。关键词：开关磁阻电机，调速系统， 软特性 iiSoft characteristics of Switched Reluctance Motor Speed Regulating System hardware designAbstractThe Switched reluctance drive system has a simple structure, strong, flexible system control, speed performance, high efficiency, good dynamic performance advantages over the past two decades, both at home and abroad and in the Switched Reluctance Motor Speed Control systems research has developed rapidly. But for some special area of demand, but also did not conduct an in-depth research. This article is based on the requirements to three-phase switched reluctance motor for the study of its soft characteristics of speed control system for research.The main subject of the work have the following two parts: First of all, in-depth study of the switched reluctance motors basic features and mathematical models to draw a simple, useful torque through the current detection method. Secondly, the design DSP56F803 based on the switched reluctance drive circuit common hardware, software features can be speed control, voltage angle and current chopper chopper control upper and lower limits.At present in many production machines, such as electric vehicles, beam pumping unit, the electric drill with soft features, such as the motor drive, DC motor that is characteristic of the Series. Soft characteristics of Switched Reluctance Motor Speed Control System, will expand the Switched Reluctance Motors research and applications, and the promotion of Chinas electric drive development of the area is of great practical significance.Key words: SRM， Speed Control System， Soft Control目 录1 绪论 .11.1 课题来源及研究意义 .11.2 课题综述 .11.2.1 SRD 的组成及工作原理 .11.2.2 SRD 主要技术特点 .31.2.3 SRM 及其控制系统的 发展概况及国内外研究状 .41.3 本课题研究的主要内容 .62 开关磁阻电机软特性的实现原理 .62.1 开关磁阻电机的数学模型分析与控制策略 .62.1.1 开关磁阻电机的数学模型分析 .62.1.2 开关磁阻电机的控制策略 .82.2 开关磁阻电机软特性分析 .102.3 开关磁阻电机软特性实现原理 .112.3.1 转矩的计算 .112.3.2 开关磁阻电机软特性调速系统控制策略 .113 开关磁阻电机软特性调速系统的硬件设计 .123.1 硬件系统概述 .123.2 DSP56F803 的特点 .133.3 基于 DSP56F803 的控制器硬件设计 .143.4 功率变换器的设计 .173.4.1 整流电路 .173.4.2 功率变换电路 .184 结论 .21致谢 .21参考文献 .2211 绪论1.1 课题来源及研究意义本课题是自选研究课题，是基于导师对开关磁阻电机的预研究和技术储备的研究工作。由于开关磁阻电机（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。1.2 课题综述1.2.1 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。(1) SR 电机三相交流电 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 2，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。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2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 反的 A-B-C-A 方 向 顺 时 针 旋 转 4。图 2 SR 电 机 工 作 原 理(2)功率变换 器功率变换器是 SR 电机运行 时所需能量的提供者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。通过它将电源能量送入电机，也可将 电 机内的磁场储能反馈回电源。SR 电机 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅简单，而且具有普通交流及无刷直流驱动系统所没有的优点，即相绕组与主开关器件是串联的，因而可预防短路故障。功率变换 器有多种形式，并且与供电电压、 电机相数和开关器件的种类等有关。(3)控 制 器 和 位 置 检 测 器控 制 器 综 合 处 理 位 置 传 感 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 及 外 部 输 入 的 指 令 ，实 现 对 SR 电 机 运 行 状 态 的 控 制 ，是 SRD 的 指 挥 中 枢 ，控制 器 一 般 由 单 片 机 或 DSP 及 外 围 接 口 电 路 等 组 成 。在 SRD 中 ，要 求 控 制 器 具 有 下 述功 能 ：31）电 流 斩 波 控 制 或 电 压 斩 波 控 制 。2）角 度 位 置 控 制 。3）起 动 、制 动 、停 车 及 四 象 限 运 行 。4）速 度 调 节 。位 置 传 感 器 向 控 制 器 提 供 转 子 位 置 及 速 度 等 信 号 ，使 控 制 器 能 正 确 地 决 定 绕 组的 导 通 和 关 断 时 刻 。通 常 采 用 光 电 器 件 、霍 尔 元 件 或 电 磁 线 圈 等 方 法 进 行 位 置 检 测 。1.2.2 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。理论与实践表明，SR电机调速系统具有如下基本特点。（1）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。（2）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。（3）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。（4）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4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。1.2.3 SRM 及其控制系统的发展概况及国内外研究 现状(1) SR 电机及其控制系统的发展概况自 1983 年 Oulton 开关磁阻电机通用调速系列产品 问世以来，引起各国电气传动界的广泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫等国竞相发展，并在系统的一体化设计、电动 机的电磁分析、微机的应用、功率元件的应用、新型结构型式的开发等方面取得进展。我国于 1984 年左右也以较高的起点开始 SRD 的研究、开发工作， 1992 年初成立了中国电工技术学会中小型电机专业委员会下设的开关磁阻电机学组，以推动开关磁阻电机研究工作的进一步发展。现在，国内对开关磁阻电机接受和感兴趣的程度逐年上升，形成理论研究与实际应用并重的发展态势。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，比如在城市的电动汽车方面、矿山井下 电动机车方面、 在油田的抽油机上、在家电领域都取得了比直流调速电机和变频调速电机都好的效果。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。但是，目前国内高校对开关磁阻电机及其调速系统主要是对其接近硬特性运行的研究，进行开关磁阻 电机软特性调速系统的研究未见报道。(2) SRM 控制技术的研究现状与发展趋势1）各种数学模型被提出目前已经发展起来的磁链模型和直接建立起来的机电联系模型有多种形式，可将他们分为线性模型、准 线性模型和非线性模型三类。线性模型忽略电磁饱和、涡流、边缘 效应、互感等非线性因素，使得每一相 电 感只与转子位置有关，而与电流无关。这为分析 SR 电机运行特性带来极大方便。通过这一模型，可以很容易求出 SR 电机转速恒定且相 电压为矩形脉冲时相 电流和输出转矩的解析式，进而可以分析出开通角、关断角等参数对电机运行特性的影响规律，以及电流斩波和角度位置两种控制策略的工作原理。从而为控制器的设计、调试提供了很有价值的结论。准线性模型采用分段线性化的方法将非线性的电磁曲线简化，与线性模型相比更接近 SR 电机的 实际特性。52）各种控制理论的应用最初，被应用在 SR 电机控制系统中的控制理论以线性控制理论为主。以 SR电机的小信号线性模型为基础，利用经典的控制理论设计调速系统的控制器。由于 SR 电机高度的非线 性特性，建立精确而实用的 SR 电机非线性模型绝非易事，采用智能理论设计 SR 电机控制器，是回避这一棘手问题的途径之一。3）转矩脉动抑制研究在对SR电机的振动和噪声研究中，得出了几个重要的结论。Cameron D E等通过对SR电机各种可能的噪声源采取分步运 转法逐一 鉴别比较后得出结论：SR 电机噪声主要源于定、转子 间径向磁吸力所导致的椭圆形变，而且当相电流某一幅值充分大的谐波频率与定子共振频率接近或一致时，将激发强烈的振动和噪声。因此，控制相电流波形，使之不含激 发定子共振的 谐波分量是降低振动、噪声的有效方法之一。Wu C Y等基于时域分析，得出结论：相绕组外施相电压的阶跃变化， 导致相电流、径向力变化率跃变是引起SR电机振动大的主要原因。因相电流关断时， 相电压产生大幅度负跃变，加之关断起始相电流又较大，故绕组关断激发的冲击振动是最主要的。现有研究都是基于将SRD机电系统简化为线性系统以实验研究方法为主进行的。一方面缺少理论分析，另一方面对SR电机定子振动的非线性特性没有重视更缺乏研究，所得结论尚不能精确和全面地反映实际SR 电机定子振动系统的动力特性，所提出的振动、噪声控制策略尚有局限性。只有立足于非线性振动理论，在全面分析SR电机非线性 电磁场和非线性径向力的基 础上，才能对SR电机定子电磁振动的非线性特性进行系统的理论分析、计算和实验研究，从理论上揭示SR电机非线性振动的基本规律，研究在保证SRD 性能指 标不变前提下， 对各种运行工况下的SR 电机振动、噪声都能进行有效控制的策略，为SRD 在更大范围内推广应用发挥其特长扫除主要障碍。4）无位置传感器技术在无位置传感器研究方面，我国的研究水平走在世界前列，有很多学者提出了新型的无位置传感器方案。王炎教授提出一种利用锁相原理来简化新型位置传感器，使得对任意相绕组 的 SRD 系统，位置传感器只需要一个 传感元件。这种方法虽然减小了位置传感器的数目，但是增加位置传感器处理电路和软件的复杂性。詹 琼华教授提出了电 容式位置检测技术， 该方法与传统检测方法中基于电感测量的方法不同， 它是一种通过电容与转子转角的关系确定实际运行时定、转子相对位置的转子位置检测方法，它不需考虑相绕组中电流及运动电势的影响，与电 机负载无关，而且它对电机的运行状态也没有影响。这种电容式检测器灵敏度高， 可获得较大的相 对变化量、 结构简单、适 应性强。6总的来说，目前无位置传感器检测方案有如下几种： 电流波形检测法；电感简化计算法；状态观测 器检测法； 相磁链 、相电流与转子位置传感器的关系解算法； 相间互感与 转子位置关系检测；电容式位置检测法；加测试线圈检测法。1.3 本课题研究的主要内容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：（1）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控制器的硬件电路，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。设计以 IPM 为 主开关器件的功率变换器及相 应的驱动电路和保护电路。（2）研究开关磁阻电机的转矩与电流之间的关系，获取了转矩与电流的计算关系，实现 一种较为简便、快速、实用的计算转矩的方法。2 开关磁阻电机软特性的实现原理2.1 开关磁阻电机的数学模型分析与控制策略2.1.1 开关磁阻电机的数学模型分析SR 电动机的转矩是由磁路 选择最小磁阻结构的趋势产 生的，适当的磁路饱和有利于提高 SRD 的总体性能，因此电动机磁路的 饱和是 SR 电动机的又一个重要特征。由于电动机磁路的非线性，通常 SR 电动机的转矩应根据磁共能来计算，即（式 1）),(),(iWiT式中 转子位置角i 绕组电流显然，磁共能 的改变既取决于转子位置，亦取决于绕组电流的瞬时),(i值。在 SR 电动机中，当定转子凸极中心线对准时，气隙很小，磁路往往是 饱和的，而且从提高电机效率，减少功率 变换器伏安容量要求考 虑， 则磁路必须是饱和的。因此电感实际上是转 子位置和相电流的函数，并非分段线性。磁路 饱和对电动机转矩、功率的分析、计算有着明 显的影响， 应 予以充分考虑。但若不加简化的考虑磁路的非线性，则 使得电磁关系计算非常困难，且不能解析计算。7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。1ii0n图 3 分 段 线 性 磁 化 特 性图 3 给出的是一种用两段线性特性来近似一系列非线性磁化曲线。其中一段为磁化特性的非饱和段，其斜率为电感 的不饱和值；另一段为饱和段，),(iL可视为与 =0 位置的非饱 和特性平行，斜率 为 。图中的 i1 是根据 =n 位置及min定转子凸极对准时的磁化曲线 决定的，一般定在磁化曲线开始弯曲处。)if2.1.2 开关磁阻电机的控制策略（1）SR 电机的起动1）理想电感与转子位置的关系ABC4 500 1 0 0 1 10 0 1 1 0 1 1 1 01 0 0ALCLB图 4 理想电感与转子相对位置关系曲线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 相绕组的电感与转子相对位置关系可用图 4 表示。LA、LB、LC 分别为三相的理想 电感，A、B、 C 为位置信号。从图 4 中可以看出位置8信号与相电感的关系，正转时，相通 电顺序为 A、B、C，此 时各相位置信号的上升沿对应各相电感最小位置，下降沿对应最大位置。位置信号之间间隔 15 度，下面从该图中分析位置信号状态及其变化与电机起动、换相之间的关系。由 SR 电机的基本理论知道，SR 电机始终工作在自同步状态，起动和运行过程中对位置信号有严格的要求。位置传感器安装在转盘上，实际上由于机械安装的问题，位置传感器可能出 现偏移，使得 测量的信号和 实际的信号不一致，所以在起动时，很难确定电机的准确初始位置，这就给确定 电机的起始带来了困难。SR 电机有两种起动方式： 单相起动和单双相混合起 动方式。2）单相起动方式为使电机能够起动并且按照要求的方向转动，需要获得准确的绝对位置信息，但从位置传感器获得的位置信号只能是相对位置。现采取以下步骤获取绝对位置信息。a同时给两相通电，比如 B、C 相；b迟 50ms，关断 C 相，B 相继续通电；c延迟 500ms，待 电机稳定地停在 B 相定子极和转子极对齐的位置；表 1 转子位置与起动相对应关系A B C 起动相0 1 0 B0 1 1 B C0 0 1 C1 0 1 C A1 0 0 A1 1 0 A B步骤 a 给电机提供了起 动 脉冲信号，如果 B 相确实不在电感最小位置或者在电感下降位置，那么 C 相提供电动转矩，驱动电 机转动；当关断 C 相后，B 相继续通电，当延迟了足够长时间后， 电机就可以稳定地停在 B 相极对极位置即电感最大位置。起动过程大约 花 1s 的时间，这样我们在确定了电机的绝对位置后就可以按照给定方向通电。比如正转，在起 动程序结 束后，关断 B 相，给 C 相通电即可，以后就按照 A-B-C 顺序通电， 电机就会正转。该方法的缺点是：在起动9的时候，为了寻找绝对位置，即 B 相极对极位置，需要先给 C、B 两相通电，这样如果电机不是停在该位置，起动时会有抖动。3）单双相混合起动方式由以上分析知道，单相起动时有抖动， 这对严格不允许反转的场合是不适合的。仔细分析图 4 可以知道，在有些位置可以两相通电起动，有些位置只有一相可以通电起动，以正转为例，位置信号与起动相对应 的关系见表 1。表中有三个位置为双相起动：011、101、 110，在理想电感曲线图 4 上可以看出，在这 三个位置都是电感重叠区，而且总有一相只能有 7.50 的导通角，超 过7.50 以后， 电感进入下降区，产生制动转矩，这需要及 时关断该相，该相的位置信号的下降沿正好对应电感最大位置，所以可以利用下降沿来关断该相。所以在双相起动时，在起动过程中只需 设置下降沿中断，如果顺利起动， 则运行程序中处理该中断，完成双相起动到 单相运行的顺利过渡。位置传感器总共有六个状态，除了上述提出的三种状态外，另三种状态时，只 给一相通电，起 动电机。（2）SR 电机的换相如果采用单相起动方式，则起动后可以直接进入单三拍运行方式，按照给定的方向给电机进行换相。如果采用单双相混合起动方式，则需要根据转子不同位置设置不同的捕捉方式，运行程序需要根据实际情况来完成双相到单相的过渡，在过渡成功后，才可以按照 给定方向给电机换相。（3） SR 电机的控制策略SRD 系统性能较为理想，其特点之一就是其可控参数多，开通角 、关断角1、相 电压 U、相 电流 I 都可影响转矩，从而对转速进行控制，因而其调速控制策2略也较多。就目前而言，其控制策略大体可分为以下几 类：1）角度控制 角度控制一般应用于较高速区。 对每一个由转速及转矩定义的运行点，开通角、关断角有多种组合，每一种 组合对应 不同的稳态性能。角度控制方式的优点在于有较大的灵活性，可同 时对多种参数进行优化，效率较高，但不足之处在于其在低速区不能工作，必须配合其它方式，如变角度电流斩波控制等，因此控制起来较为复杂 。2）电流斩波控制 电流斩波控制的一般方法是保持开关角度不变，通过主开关器件的多次导通和关断， 进而将电流限制在某一值附近，借以控制转矩。它又可分为两种方式：电流上限控制在 时，功率电路开关元件接通（称相导通)， 绕组电 流 I 从零开始上升，on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10下降。经时间 时再重新开通。如此循环，从而达到控制电流的目的。这种控制t方式不足之处在于：虽然在一个控制周期内关断时间恒定，但电流下降多少，则取决于绕组的电感、电感变化率、 转速等因素，因此电流的下限并不一致。如关断时间过长则相电流脉动大；如关断时间过短，则斩波频率过高。因此采用该方式的主要问题在于参数不易优化，电流脉动大，振 动噪声大。电流上下限控制这种方式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，关断开关管；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。这种方式的不足之处在于：由于电感在一个周期内是变化的，故电流斩波频率疏密不均，在电感变化率较大的区间，电流上升快，斩波频率较高，必须选择 合适的上下限。 过大i则易于使电流脉动大，以至于 电机噪声太大； 过小，则使斩波频率过高，使主i开关无法长期地承受高频下的开关损耗而被损坏。3）电压斩波 PWM 控制电压斩波 PWM 控制采用的方法是：在原来主开关相控触 发信号上加 PWM调制，通 过调节 PWM 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=1/T，则电流波形比较平滑，电 机出力增大，噪声减小，但功率开关元件的工作频率增大。2.2 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 5，图 6 所示。n T00 n00 T1k3k2图 5 图 6图 5 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 6 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 6 可得到转速与转矩的关系式： kT0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：11一、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。二、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。2.3 开关磁阻电机软特性实现原理2.3.1 转矩的计算由 2.1 分析可知开关磁阻电机转矩与电流的关系式为：（式 2）54112 332112 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。由于 K 的计算比较复杂，很 难直接求解，因此实际中可通过预先试验获得转矩与电流的关系，进而在系统中可以根据检测到的电机电流及获得的转矩与电流关系式实时计算转矩值。2.3.2 开关磁阻电机软特性调速系统控制策略本系统采用的控制策略如下：（1）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 7 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。（2）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。12（3）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 7：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。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图 7 软特性调速系统实现框图3 开关磁阻电机软特性调速系统的硬件设计3.1 硬件系统概述系统的硬件设计框图如图 8 所示。系统的正常工作过程如下：首先是系统的开机准备工作，根据具体要求，通过键盘设置适当的运行参数。正反转按键决定电机旋转方向，奇数次按下正转，偶数次按下反转，指示灯会 显示给定是正转还是反转，系统上电默认正转。 软特性参数输入，包括空载转速和斜率，系统默认为空载转 速 n0=1000r/min，斜率k=50。参数输入键按三下即可取消软特性调速，保持为给定转速运行。参数输入完毕后，按下起动按键，在系统无故障的情况下， DSP 综合位置信号、 转速给定信号，经过 程序处理后，输出正确的 PWM 信号。逻辑综合电路把 PWM 信号、电流斩波信号、角度信号相与后送到 IPM 接口电路，功率变换器在正确的 PWM 信号驱动下给 SR 电机绕组 供电，开始 软特性调速系统的正常运行。若运行中出现13故障，控制器会使 PWM 端口电平无效，立即停机，并通 过显示电路显示故障类型。P C 机转速给 定位 置 信 号相电流信号A / D键盘接 口开机关机正反转显示电 路D e c o d e rS C IP W MG P I OS P ID / A斩波比较逻辑综合I P M 驱动接 口D S P 5 6 F 8 0 3角 度 信 号指示灯G P I O参数给定触发器图 8 控制电路硬件框图3.2 DSP56F803 的特点Motorola DSP56F80x 系列 DSP 是适用于数字电机控制的处理器，它把 DSP的运算功能和 MCU 的控制特点集中到一块芯片上。DSP56F80x 系列提供了基于 C 语 言的开 发工具、IDE 的集成环境以及 SDK 等先 进的开发工具，大大缩短了开发周期。DSP56F80x 系列提供了一些专门的外 设，如 PWM 模块、 12 位的A/D 转换器、定时器、相位检测器、通讯模块(SCI、 SPI、CAN)、通用 I/O 引脚、低电压禁止模块、JTAG/OnCE 片上仿真器和 FLASH、RAM 存储器。采用 3.3V 供电，但允 许输入端口使用 5V TTL 电平。采用 8MHz 外部晶振，利用内部压控振荡器和锁相环产生 80MHz 总线时钟，在 80MHz 时钟频率下可达到 40 兆条指令/s(MIPS)的指令 执行速度； JTAG/OnCE 程序调试接口，允许在系统设计过程中随时进行调试，并可对软件进 行实时调试。DSP56F803 作为 DSP56F80x 系列的一员，提供了上述的各种模块。从控制SR 电机的角度来讲，它的 PWM、A/D、相位 检测器 这三个模块给 SR 电机的控制带来很大的便利，下面简单 介绍一下在设计 SRD 系 统时是怎样应用这三个模块的。PWM 模块设置为独立通道模式，产生的 6 个 PWM 信号作为功率变换器各个开关管的控制信号，这 6 个信号可以完全独立的控制。可以通过改写输出控制寄存器，由软件控制 PWM 管脚的电平。所以在 SR 电机控制中，根据转子位置来改写输出控制器的内容可以完成电机的换相，并且不影响其他的 PWM 管脚上信号的占空比。这种改变可以与 PWM 信号同步进行，所以完全能够满足换相的实时性。14A/D 模块采用触发同时扫描模式，最快可以在 5.3s 内完成 8 通道的 A/D 转换，并且可以和 PWM 信号同步。相位检测器与定时器模块 A 复用，并且内部集成了干扰信号滤波器，所以由传感器出来的信号可以直接接到相位检测器模块的管脚，作为位置信号和速度信号。综上所述，在本系统中 DSP 资源利用如下：（1）起动、正反转、参数输入键，角度信号：通用 输入 输出口（GPIO ）（2）电压斩波输出和换相控制：PWM 模块（3）相电流检测和模拟转速给定：A/D 模块（4）位置传感器信号：相位检测模块（Decoder ）（5）显示电路、D/A 输出：SPI 模块（6）与上位机通信：SCI 模 块3.3 基于 DSP56F803 的控制器硬件设计1310312167312LM39N1489312ABC+2.5+5+5VC12345+5 123PhaseAsBIndexCON1 CON2图 9 转子位置检测电路（1）位置检测电路位置检测电路包括两部分即位置传感器电路与信号检测电路，位置传感器电路采用三个普通光电传感器以检测位置信号，传感器放在电机内部，互差 15度。在电机上由航空插头引出五根线分别为电源、地、 A 相、B 相、 C 相信号。信号检测电路利用 DSP56F803 的相位检测器的脉冲捕捉功能及输入状态监视功能，读取位置信号的状态和捕捉位置信号产生的脉冲，完成转速计算及电机起动、换相。传感器与 DSP 的硬件接口电路如图 9 所示，图中 CON1 是 SR 电机位置传感器输出接口，A、 B、C 分别对应 A、B、C 三相位置信号。LM339 对位置信号起着15缓冲和整形作用。CON2 对应于 DSP56F803 的相位 检测器的接口引脚。（2）电流采集及斩波电路23 14111LM224NU1A200A/4V1 +2 -3 Out4 GND5 NC5.1KR120KR2+12 -123.3vD1AN1+51489312LM339NU1C131110312LM339NU1DD/AmaxD/AminIaR1S1+5V3KR13KR2+5VLEMRSQEN* Iaout图 10 电流采集与斩波原理图图 10 为一相的电流采集与斩波电路原理图，其中的 LEM 为霍尔电流传感器，检测 到的电流经过放大后分为两路信号，一路 输 入到 DSP 的 A/D 转换模块，用 AN1 代表，另外一路与 DSP 输出的电流斩波值做比较。当采用限电流上下限的斩波控制方式时，其要求可用如下表达式表示电流上下限斩波过程（用 S 表示开关管开通关断状 态， S=1，开通；S=0 关断， I 表示实际的相电流）： NoChangeSADIImin/ 1ax/ 0/（式 3）图 11 中用 Ia 表示 A 相电流，D/Amax 表示斩波上限 值， D/Amin 表示斩波下限值。 D/AmaxD/Amint12t3t4Ia图 11 电流上下限斩波波形R1、S1 分别表示实际电流值与斩波上限和下限电流值相比较的结果。R1、S1 分别接到 R-S 触发器的 R、S 端，CD4043 的 Q 端输出信号作为 A 相的电16流斩波信号（S1 ）。当 IaD/Amax 时，R1=1， S1=0，Iaout=0；IaD/Amin 时，S1=1，R1=0，Iaout=1；D/AmaxIaD/Amin 时， S1=0,R1=0，Iaout 不变；S1=1,R1=1的情况不存在。根据图 10 电路分析可知， 该斩波电路符合表达式 3 的要求。其 电流斩波波形如图 11 所示。（3）D/A 转换电路D/A 转换采用美信公司的 550A 型号 D/A 转换器。图 12 只画出了电流上限值（D/Amax） D/A 转换电路，下限值（D/Amin）转换电