基于dsp的开关磁阻电机调速系统的设计

毕业设计（论文）题目基于DSP的开关磁组电机调速系统的设计所属院系电子信息工程学院2012年6月12日目录摘要IV第一章引言111开关磁阻电机调速的技术背景112开关磁阻电机技术的发展历程113开关磁阻电机控制技术的发展214开关磁阻电机调速系统的特性415本文的主要工作、目的和意义7第二章开关磁阻电机的工作原理与控制技术分析821开关磁阻电机工作原理8211SR电机的基本原理8212SR电机的数学模型12213SR电机转矩的线性模型13214SR电机转矩的非线性模型1622开关磁阻电机的控制技术分析20221基本控制原理20222电流斩波控制20223角度控制21224电压斩波控制22第三章硬件设计及实现2431开关磁阻电机调速系统的组成2432电路及器件的选用25321功率变换器主电路25322开关器件和续流二极管的选用25323功率变换器驱动电路2733位置信号检测电路2734控制器的功能与性能指标28341控制器的基本功能28342控制器保护功能29343主要性能指标3035电流采样电路3036上下限电流斩波电路3137驱动输出电路3438转子位置采集电路3539DSP电路设计38391DSP电路实现的功能38392数字信号处理器DSP39393EEPROM和看门狗功能41310CPLD电路设计41311输入输出接口设计453111开关量输入输出电路453112开关量输出电路463113模拟量输入463114模拟量输出47312键盘显示电路设计48313串行通讯电路设计49314硬件总体设计方案50第四章软件设计与实现5241C编程语言及开发工具5242DSP的存贮器组织5443主程序设计5444子程序设计54441程序初始化模块54442键盘处理模块55443显示模块55444转速计算模块56445角度调制算法57446电流调节和角度调节的统一57447位置脉冲出错处理58448闭环控制模块58449制动控制模块584410PWM驱动模块594411简易PLC控制模块594412通讯模块594413故障检测模块5945系统调试5946软件总体设计方案60第五章试验数据及应用效果6251性能测试数据62第六章全文总结6961本论文取得的主要成果6962下一步工作及技术展望69参考文献70致谢71附录72摘要开关磁阻电机调速是继直流调速、交流调速后发展起来的一种新型的调速系统，由开关磁阻电机及控制器两部分组成。电机为定转子双凸极结构，转子上无绕组及永磁体，定子上有集中绕组，电机结构简单可靠。控制器主要由嵌入式微处理器、可编程逻辑器件、外围接口电路、驱动电路及控制软件组成。该调速系统具有高效节能、调速范围宽、起动电流小，起动转矩大、可频繁起停及正反转切换、高转矩/惯量比及可四象限运行等优点，能够为变速驱动提供一个好的解决方案。本文在分析开关磁阻电机工作原理及其控制技术的基础上，设计了一套开关磁阻电机控制器，该控制器能够满足大部分通用调速场合性能的要求，而且成本低，便于推广应用。该控制器的硬件采用DSPCPLD的设计思路，DSP采用TI公司生产的电机控制专用芯片TMS320LF2407，逻辑电路采用可编程逻辑器件采用ALTERA新一代MAXIICPLDEPM240，设计了斩波电路、位置信号电路、DSP电路、CPLD电路、显示电路、串行通讯电路、模拟量及开关量输入输出电路等硬件电路。控制器的软件设计采用C语言与汇编语言相结合的方法，可满足程序的实时性与可维护性要求。本文给出了总体程序的设计方案，并对转速计算、角度控制、位置信号处理等程序进行了详细的分析与设计。关键词开关磁阻电机控制器上下限电流斩波；软件调角度；DSP数字信号处理器；可编程逻辑器件CPLDABSTRACTSRDISTHESECONDDCCONVERTER，ACSPEEDUPAFTERTHEDEVELOPMENTOFANEWTYPEOFSPEEDCONTROLSYSTEMBYTHESWITCHEDRELUCTANCEMOTORANDCONTROLLEROFTWOPARTSMOTORFORTHESTATORANDROTORDOUBLYSALIENTSTRUCTURE，THEROTORWINDINGSANDNOPERMANENTMAGNET，THESTATORWINDINGSHAVEFOCUSEDONTHEELECTRICALSTRUCTUREOFSIMPLEANDRELIABLECONTROLLERMAINLYBYEMBEDDEDMICROPROCESSORS，PROGRAMMABLELOGICDEVICES，THEEXTERNALINTERFACECIRCUIT,DRIVECIRCUITANDCONTROLSOFTWARETHEHIGHLYEFFICIENTENERGYSAVINGSPEEDCONTROLSYSTEM，SPEEDRANGEISWIDE，STARTINGCURRENT，STARTINGTORQUE，CANBEFREQUENTSTARTSANDSTOPSANDPOSITIVEINVERSIONSWITCH，LLIGHTORQUE/INERTIAANDCANBECOMPAREDWITHFOURQUADRANTOPERATION，ETE，ABLETOPROVIDEVARIABLESPEEDDRIVEPROVIDEAGOODSOLUTIONBASEDONTHEANALYSISOFSRMWORKINGPRINCIPLEANDCONTROLTECHNOLOGYBASEDONTHEDESIGNOFASWITCHEDRELUCTANCEMOTORCONTROLLER，THECONTROLLERCANMEETTHEMOSTCOMMONOCCASIONSSPEEDPERFORMANCEREQUIREMENTS，BUTALSOLOWCOST,EASYTOPROMOTETHEUSEOFTHECONTROLLERSHARDWAREUSINGDSPCPLDDESIGNIDEAS，DSPUSESTISPRODUCTIONOFMOTORCONTROLASICTMS320LF2407，LOGICCIRCUITSUSINGPROGRAMMABLELOGICDEVICESUSINGALTERAANEWGENERATIONOFMAXIICPLDEPM240，DESIGNEDACHOPPERCIRCUIT，POSITIONSIGNALCIRCUIT，DSPCIRCUIT，CPLDCIRCUIT，DISPLAYCIRCUIT，SERIALCOMMUNICATIONCIRCUITS，ANALOGCIRCUITSANDSWITCHINGHARDWARESUCHASTHEAMOUNTOFINPUTANDOUTPUTCIRCUITSCONTROLLERSOFTWAREDESIGNUSINGCLANGUAGEANDASSEMBLYLANGUAGE，ACOMBINATIONOFMETHODSTOMEETTHEPROCEDURALREQUIREMENTSOFREALTIMESEXANDMAINTAINABILITYINTHISPAPER,THEOVERALLPROGRAMDESIGN，ANDSPEEDOFCALCULATION,ANGLECONTROL，LOCATION，SIGNALPROCESSINGANDOTHERPROCEDURESCARRIEDOUTADETAILEDANALYSISANDDESIGNTHISTHESISSOLVESTHEKEYPROBLEMS，INCLUDINGUPPERANDLOWERCURRENTCHOPPING，ANGLECONTROLBYSOFTWARE，ANTIJAMMINGFORTHEROTORPOSITIONSIGNAL，ANDHOWTOIMPROVETHEDYNAMICCAPABILITYBYCALCULATINGTHEROTATESPEEDREALTIMEANDACCURATELY,ETCPREPARATIONOFTHECORRESPONDINGCONTROLSORWARECOUPLEDWITHTHECORRESPONDINGPERIPHERALDEVICES，INCLUDINGTHECURRENTSENSOR,SILICONBRIDGE，CAPACITORS，IGBTANDDRIVERCIRCUITTOPRODUCEAPROTOTYPEOFTHESWITCHEDRELUCTANCEMOTORCONTROLLER,AFTERDEBUGGINGIMPROVEMENTS，THEAIRCOMPRESSORINUSE，ISRUNNINGWELL，VERIFICATIONTHESWITCHEDRELUCTANCEMOTORWHICHHASTHEADVANTAGESKEYWORDSSWITCHEDRELUCTANCEMOTORDRIVES；LOWERANDUPPERCURRENTCHOPPING；ANGLECONTROLLINGBYSOFTWARE；DSPDIGITALSIGNALPROCESSOR；PROGRAMMABLELOGICDEVICECPLD第一章引言11开关磁阻电机调速的技术背景据统计，全球每年成产电动机七十多亿台，而其中的三分之一需要调速运行或可调速运行。电动机采用调速节能技术，平均节能率可达1020，能够产生巨大经济和社会效益。出于环保和经济可持续发展的需求，世界各国大力发展节能型电机新产品。目前，我国的电动机总装机容量约为4亿多千瓦，年用电量约为6000多亿度，约占全国年总用电量的60以上。全国推广电机调速节能技术后，每年可节约用电数百亿度，对于缓解日益严重的电力紧张形势，减少能源的消耗具有十分重要的意义。据分析，我国调速传动装置每年需求量有数十万套，市场容量近百亿元。开关磁阻电机调速系统，简称为SRD，作为新一代调速产品，具有高效节能、调速范围宽、适用范围广、简单可靠及成本低等一系列优点。不过，由于出现较晚，推广应用工作滞后，其优越性尚未被广大用户所接受。经过20多年的发展，该系统已经被应用到越来越多的场合，并表现出了优异的性能和良好的节能效果。随着理论的完善和技术的成熟，开关磁阻电机调速系统最终将成为调速市场的主力军。12开关磁阻电机技术的发展历程开关磁阻电机，简称为SRM，是一个古老的电机技术，1838年，苏格兰学者DAVIDSON发明了该种电机，但由于当时没有电力电子器件，采用的是机械开关，其运行特性、可靠性和机电转换能量都是很低的，从而难以引起人们太大的关注，使得该种电机在当时没有实现推广的可能。1920年英国学者CLWALKER发明了变磁阻步进电机，并获得步进电机的专利，该电机具有现代开关磁阻电机的许多特性。1971年BEDFORD和H01FI申请了现代开关磁阻电机的专利。1980年，英国学者EJLAWRENSON及其同事在ICEM会议上，系统的介绍了他们的工作成果，阐述了开关磁阻电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代开关磁阻电机的地位。20世纪80年代后，在全球范围内掀起了开关磁阻电机的研发热潮，开关磁阻电机得到了很大的发展，产品已经广泛或开始应用于电动车驱动系统、家用电器、通风工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机等场合，功率范围从LOW转速为10000R/MIN到5MW转速为50R/MIN，转速上限高达100000R/MIN，几乎难以找到开关磁阻电机不适合的领域。但由于开关磁阻电机的非线性特性，其理论尚不成熟，有很多的研发工作要做，开关磁阻电机的大规模推广应用尚需一定的时间。13开关磁阻电机控制技术的发展开关磁阻电机控制技术的发展，是和电力电子技术、大规模集成电路技术、控制理论及软件技术的发展密不可分的。电力电子器件和技术的发展对开关磁阻电机调速技术的发展起着关键的作用。虽然开关磁阻电机在1838年就已经被发明了，但由于没有大功率开关器件，所以一直没有得到发展，直到1957年晶闸管的出现，才使开关磁阻电机的应用成为可能。20世纪70年代，美国福特电动机公司研制出最早的开关磁阻电机及其控制系统，其驱动部分采用的便是晶闸管器件。20世纪80年代后期以绝缘栅型双极型晶体管IGBT为代表的复合型器件异军突起，具有驱动功率小、开关速度快和通态压降小、载流能力大的突出优点，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。现在开关磁阻电机控制器采用的多是IGBT器件。为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小、轻量化，出现了把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起的功率集成电路PIC，可应用到小功率开关磁阻电机控制器上，可以大大减小控制器的体积。现在功率开关器件正向大功率、高电压、集成化的方向发展，相应的，开关磁阻电机调速系统也将拓展其应用范围，满足高压大功率场合的需要。大规模集成电路技术促进了电机专用数字信号微处理器DSP和可编程逻辑器件CPLD的发展，结束了开关磁阻电机控制器采用分立元件进行设计的历史。现在DSP正向高速、多功能化方向发展，一颗DSP集成有CPU、扩展IO、定时器、AD转换、通讯接口、PWM控制等众多的功能而且价格低廉，易于使用，提升了控制器性能，降低了成本，如TI公司的16位定点信号处理芯片TMS320LF2407，集成了众多的功能，其高速运算的能力，为实现开关磁阻电机的高性能控制提供了条件。可编程逻辑器件现在应用最广泛的是复杂可编程逻辑器件CPLD和现场可编程门阵列FPGA，其单片逻辑门数目前已达到上百万门，实现的功能越来越强，可实现系统集成。现在开关磁阻电机控制器的逻辑电路部分完全可由一片CPLD或FPGA实现，而且通过编程，还可以实现高速数据运算，为开关磁阻电机的无位置传感技术、转矩脉动减小技术的实现提供了一个可行的解决方法。CPLD或FPGA甚至可以实现MCU的功能，将来的控制器的电路有可能采用一片CPLD或FPGA加上少量的外围器件就可以实现开关磁阻电机控制的所有功能。就整个SRD的研究发展来看，对其控制系统的分析与综合，比起对SR电机及其功率变换器的研究设计，要不充分得多。由于SRD具有严重非线性及变结构、变参数及数学模型难以建立等特点，采用常规的线性系统控制方法难以取得理想的动态与稳态性能。近年来，国际上发表了一些基于现代控制理论设计SRD控制系统的文章，包括自学习技术消除转矩脉动的自适应控制系统带状态观测器的无位置传感技术；神经网络技术及模糊控制技术在减小转矩脉动方面的应用。另外传统的PID控制，也在向智能化、多样化方向发展，在简单易用的同时，也提高了系统的动态性能。软件技术对开关磁阻电机的设计、控制等都有着重要的作用。先进的软件算法，如遗传模糊算法、全局优化算法、自适应算法等，对控制器的性能起着重要的作用，一些先进的控制理论也必须通过一定的算法才能实现。近年来，随着二维有限元与三维有限元技术的发展，开关磁阻电机的软件仿真技术也取得了长足的进步，采用ANSOFT软件和MATLAB软件可以对控制器和电机的性能参数进行仿真，加快了产品的研发进度。开关磁阻电机调速系统是典型的机电一体化系统，电机、功率变换器及控制器三者之间必须协调设计，它们之间的联系非常密切，为使系统整体最优，不应将各部分的设计分割开来，必须将三者作为一个整体进行优化设计，因此开关磁阻电机调速系统的完整的计算机辅助设计软件将是下一步研究的主要方向。14开关磁阻电机调速系统的特性直流电动机的电磁转矩具有十分优良的控制特性，但存在利用电刷和换向器进行换向时会产生换向火花的缺点，且不宜在多尘、潮湿、易燃气体的环境中使用，而且直流电动机需要更多的维护，供电电压亦有限制。异步电动机有三相定子绕阻，电磁转矩是定、转子三相电路的负载函数，且与转子的瞬时位置有关，实际运行中能够直接控制的只是定子电压电流频率，但转矩与它们之间不存在像直流电动机那样简洁的函数关系，故在动态过程中，异步电动机电磁转矩的准确有效的控制是一个难题，限制了其在调速传动系统中的应用。进入90年代，随着矢量控制、直接转矩控制等技术的发展，异步电动机调速的性能得到了较大的提高，其正在取代直流调速而占据调速领域的主导地位。但这些交流调速系统存在系统复杂、低速运行发热量大、效率和力能指标有待进一步提高等问题。正是在交流调速技术得到迅猛发展的八十年代，国外推出了一种新型的调速系统开关磁阻电机调速系统。开关磁阻电机是定子、转子双凸极可变磁阻电机。定子、转子均由硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为一相。开关磁阻电机可设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。图1一L所示电机为8/6极开关磁阻电机。若以图11中定、转子的相对位置作为起始位置，依次给A_B_C_D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，依次给D_C_BA相通电，则电机会顺时针方向转动。开关磁阻电机的转向与相绕组的电流方向无关，只取决于相绕组通电的顺序。该电机结构比鼠笼式交流异步电动机还要简单，其突出的优点是定子上只有几个集中绕组，转子由硅钢片叠压而成，无绕组及永磁体，机械强度高，制造简单、故障率低。控制器通过电子电路，控制功率开关器件的导通与关断，功率开关器件又控制电机各相绕组电流的导通与关断，从而使电机旋转。电机的旋转方向与电流方向无关。通过控制绕组导通与关断的顺序，可以控制电机的旋转方向，通过控制绕组的电流和开关角度可以控制电机的转矩。开关磁阻电机调速系统的性能指标比普通交流变频调速系统及直流电机调速系统都要好，它是一种新颖的、高性价比的、具有典型机电一体化结构的无级调速系统。该调速系统适用于风机、水泵、压缩机、传送带、锻压机械及机床等各种负载，其低起动电流、大起动转矩的特性，更适合于牵引运输车辆的应用。开关磁阻电机调速系统系统具有以下优点1系统效率高在其宽广的调速和功率范围内，均具有高输出和高效率。2调速范围宽，低速下可长期运转在整个调速范围内均可带负荷长期运转，低速下运行时电机及控制器的温升均低于工作在额定转速时的温升。3高起动转矩，低起动电流起动转矩达到额定转矩的150时，起动电流仅为额定电流的30。4可频繁起停，及正反转切换开关磁阻电机可频繁起动和停止，频繁正反转切换。在有制动单元及制动功率满足时间要求的情况下，起停及正反转切换可达每小时一千次以上。5能四象限运行，具有较强的再生制动能力6可控参数多，调速性能好可通过控制绕组的电流、电压、开通角及关断角等参数控制电机的运行。可控参数多，控制灵活方便，可以根据运行要求，采用不同的控制方法和参数值，使之运行于最佳状态，如出力最大、效率最高等，还可使之实现各种不同的功能和特定的性能曲线。7功率变换器不会出现直通故障开关磁阻电机控制器上下桥臂功率器件和电机的绕组串联，如图12所示，与交流变频器主电路图13相比，不存在发生功率器件由于控制错误或干扰导致直通而烧毁的现象。图12SRD控制器主电路图13交流变频器主电路8可靠性高由于开关磁阻电机的转子无绕组和鼠笼条，电机可高速运转而不变形，机械强度和可靠性均高于其它类电机。定子线圈嵌装容易，端部短而牢固，热耗大部分在定子，易于冷却。转子无永磁体，可有较高的最大允许温升。此外，开关磁阻电机也存在自己的缺点低速下转矩脉动大，噪音大。随着理论研究的不断深入，电机设计水平的不断提高，控制算法的不断优化，该问题正在得到逐步的解决。15本文的主要工作、目的和意义本论文涉及一种通用开关磁阻电机控制器的研制，可驱动三相开关磁阻电机，可与电机一起组成宽调速范围、高效节能的开关磁阻电机调速系统，应用于各种通用调速场合，具有成本低、控制灵活、自适应能力强及适用范围广等优点。本论文解决的关键技术问题是角度的软件控制、上下限电流斩波控制、角度与电流斩波控制的算法统一、转速实时计算方法及以“DSPCPLD”为核心的硬件平台的设计。设计出来的控制器要能够达到设计的要求，能够在现场良好的运行。本文采用的设计方法1硬件平台采用“DSPCPLD”的设计方法；2DSP软件设计语言采用C语言与汇编语言相结合的方式；3CPLD软件设计采用VEFILOGHDL硬件描述语言。本论文的主要工作1了解和研究开关磁阻电机的基本工作原理及电机控制技术；2DSP及CPLD电路的设计；3电机控制软件的设计；4开关磁阻电机上下限电流斩波及软件调角度的设计；5电机转子位置信号的采集与处理及转速计算模块的设计；6显示与键盘模块的设计；7开关量与模拟量输入输出模块的设计；8通讯模块的设计9控制器的运行、调试与改进；10系统的性能试验和型式试验。第二章开关磁阻电机的工作原理与控制技术分析开关磁阻电机在结构上比感应式或同步式电机结构简单，定子上绕有集中式绕组，转子上既无绕组也无永磁体及换向器。开关磁阻电机的性能很大程度上依赖于对其采取的控制，由于严重的非线性，建立精确的数学模型具有一定的困难。本章在对开关磁阻电机的工作原理进行了阐述，包括对电机的电感曲线、三种工作状态的分析，对电机的线性模型及非线性模型进行了分析，并且给出了电压、电流、磁链、转矩等物理量的计算方法。另外本章也对开关磁阻电机的控制技术进行了分析，对角度调制、电流斩波、PWM斩波及闭环控制的原理和实现进行了说明。本章为控制器的系统设计及软硬件设计提供了理论基础。21开关磁阻电机工作原理211SR电机的基本原理SR电机的特性决定于其机械结构、导磁材料的特性及电气参数。四相开关磁阻电机的截面图如图21所示。图中QS为定子极距，AR为转子极距，PS为定子极弧，PR为转子极弧。图2I四相开关磁阻电机截面图定子和转子齿数M和M的选择决定于转子构造的几个约束条件、转子在所有位置上都能产生转矩的能力及四象限运行能力。一般情况下，电机的相数可由定转子的极数来确定，如公式21所示，式中G为电机的相数。一旦极数被确定，接着要确定的参数为定子极弧风和转子极弧屏，其选取原则为电感最小化，电感比最大化，避免死区的存在及能够四象限运行等。转子和定子的极距S和R是定子和转子齿数的函数22当一相绕组被激励后，磁路倾向于采用最小磁阻回路，这时就会产生转矩，转子极与被激励的定子极趋向于最大电感位置。由于电机的结构是对称的，这就意味着一相绕组的电感周期是在对齐位置和非对齐位置之间，或者非对齐位置与对齐位置之间。转子和定子之间的典型的相对位置，包括对齐位置、中间位置与非对齐位置，如图22所示。中间位置LINT转子极位于两个定子极之间，这种情况下此位置的电感在最大电感值LA与最小电感值LU之间。如果转子和定子极有一点重叠，磁通将转向最靠近它的转子极，同时在定子极的基部漏磁通路径开始增加。对齐位置LA转子的一极与定子的一极对齐的位置。给该相绕组通电，将会建立一个通过定子极与转子极的磁路。如果电流持续流过该相，转子将停留在该位置，转子极与定子极相吸对齐，此位置不产生切向转矩，只存在径向吸力。该位置称为对齐位置，该位置磁通回路的磁阻达到最小值，而该相的电感达到最大值LMAX或LA。非对齐位置LU在非对齐位置，转子和定子间的气隙很大，导致磁路的磁阻达到最大值，电感达到最小值LMIN或LU，该相通电流时将不会产生转矩，然而该位置又是一个不稳定的平衡状态。当转子位置变化时，电机的一相电感或一对定子极，其电感的理想变化曲线如图23所示。转子每转一圈产生的电感变化次数正比于转子的极对数。每个周期的长度等于转子的极距。实际上，如果定子的极数NS大于转子的极数NR，则转子的极弧R实际上永远大于定子的极弧S。为了使最小电感（LMIN尽可能的小，转子齿与齿之间的间隔RR，一屏要大于S。为了便于计算，当定子齿与转子齿对齐时，气隙值可以认为是一个常数。图23SRM电感曲线电感曲线可表示为式中，K是电感上升区的斜率给相绕组通电产生的转矩将使转子向电感增大磁阻减小的方向转动。这意味着电动转矩只能在电感增大的方向上产生。瞬时转矩显然不是一个常数，决定于转子的位置和瞬时电流值。转矩与电流的方向无关，电动或制动转矩的产生仅依赖于转子的位置，这意味着电力电子开关器件的开通与关断的角度将影响电动或制动的状态。开关磁阻电机的控制策略决定于转矩转速的特性，如图24所示。基于转矩转速的特性，开关磁阻电机存在三种基本的运行状态恒转矩区、恒功率区与自然特性区。定子绕组中的电流根据转子的位置被开通或关断，仅仅是这种简单的控制，开关磁阻电机便具有典型的直流电机所具有的转矩转速特性。图24SRM转矩，转速特性第一个状态为恒转矩特性状态，固定的电源电压和固定的开关角度。在额定转速以下是恒转矩特性。基本转速WB定义为在额定电压与固定开关角度下，电流达到最大值IMAX时的电机的最高转速。当然在这种情况下可以通过改变电压获得不同的运行特性。在给定的转速下，磁通正比于电压U,转矩随电流的平方而变化。在额定转速以下可以通过控制电压控制电机的驱动，此时绕组电压高于反电动式，可以平滑的控制电机的运行状态。当转速高于WB时，如果仍然维持固定的开关角度，这时转矩将会以1/W的速度下降。电机的转速高于基本转速WB，是第二个重要的运行状态，即恒功率特性状态。该状态的控制策略是在固定电压的情况下控制SRM的导通角COFFON。该状态下，电压完全加到绕组上，直到OFF和电流下降为止。开通角的增加必须在合理的范围内。如果开通角过大，将会导致关断角进入到下一个开通角，导致绕组的磁通不能回到零，这种情况下，磁通反而会增加直到饱和状态，此时对应的转速为WP。在该转速之上运行，将导致转矩以L/W的速度下降，这是第三种状态，即自然特性状态。212SR电机的数学模型对开关磁阻电机运行的分析，需要一个相对复杂的数学分析方法。一相绕组的两端的瞬时电压与该绕组的磁链有关。磁链是电流I与转子位置的两个变量的函数。数学模型描述了每一相绕组的等效电路。开关S代表功率开关，当开关闭合时，电源U加在绕组两端，绕组中的电流增加，转子角度发生变化，绕组电感L，I随之变化开关打开时，绕组中的电流通过续流二极管在绕组中闭环流动，电动势为UR。如图25所示。图25SRM一相绕组的等效电路绕组两端的电压可表示为式中U是电源电压，I是绕组中的电流，R是绕组的电阻，是磁链，是转子的角度位置。SR电机的转矩并非恒定转矩，而是绕组电流和转子位移角的函数。当转子位置不处于对齐位置和不对齐位置时，由于磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。如果保持绕组中的电流不变，将不同转子位置的静态转矩连成曲线则形成SR电机的静态转矩角度特性。通常，电磁转矩TE可表示为通常，SRM的动态模型是被转子的角速度CO与角位置表征0的式中死TLOAD为电机所带负载的转矩，J为系统的转动惯量，KW为摩擦系数。这是一组由4个微分方程组成的方程组。如果忽略由于磁饱和导致的非线性，它的解可以写成公式SR电机在转速恒定的情况下，定子Q相绕组轮流通电一次时，转子转动一个转子极距R2兀/NR，因此SR电机的平均电磁转矩TAV可以表示为以上讨论的内容基于以下假设驱动始终工作在线性区域，电流值始终小于饱和电流值IMAX。213SR电机转矩的线性模型开关磁阻电机转矩或力的产生，是由于存贮的磁场能随着转子位置的变化而变化产生的。线性分析假设绕组的电感与电流无关，而且没有磁饱和现象发生。为了简单起见，假设所有的磁通在径向上全部通过气隙，而且相与相之间的互感可以忽略，而且每一极四周拐角处的边缘磁通产生的影响可以忽略。在线性区域磁特性可以表示为上式中L是一相绕组的电感随转子角度变化的函数。绕组的功率为从公式213可以看出，转子运行在第一象限，输入的电功率一部分转化为磁能存贮在自感中，另一部分能量被转化为机械能。和在图25中看到的一样，等效电路是由一个代表开关的电力电子器件组成，当开关闭合后，从电源U上吸收的能量，一部分转化为机械能输出，一部分转化为磁能存贮在绕组中。开关打开后，产生电动势UR，其中一部分能量转化为机械能输出。对于开关磁阻电机来说，一个运行周期包括向绕组注入电能和将绕组中的磁能释放出来，以使电流减小为零。当一相通电后，产生的转矩将会使转子向与该相绕组最小磁阻的方向转动，一直到对齐位置。电机的输出功率P是电磁转矩与转子角速度的乘积从上式可以得出转矩的表达公式公式215表明转矩正比于电流的平方，转矩的方向与电流的方向无关，电流可以是单极性电流。绕组电感对转子位置的斜率成为转矩的一个常型转子位置在0，S和（R，SR）区间为有效转矩区，这两个区间必须尽可能的大。区间（S，R）是转矩的死区，要求磁通必须降为零。（SR，R为非对齐位置转子与定子极角间的区间。一个周期内的瞬时转矩可表示为上式可用图26表示。线性分析的结果是，转矩是电流的二次函数，是角度变化的线性函数。当导通角位于电感变化斜率的非零区，非零转矩就会产生。图26SRM一相绕组产生的理想转矩波形与一相绕组的电压方程公式2一LO相类似，相电流可表示为式中UN是电源电压，分子的第二个乘积代表反电动势，它的值决定于相电流、转子的位置和电机的转速。由于相电流的最大值为IMAX，线性电感的斜率为一个常数，反电动势的最大值是轴转速的函数。考虑到运行的基本状态，开关磁阻电机的转速转矩特性可以用数学表达式表示。根据电机的转速，可分为两个基本的运行状态A和B。当电源电压大于反电动势电压时，定义为A状态，转速小于基本转速WB。当转速高于基本转速时，反电动势的电压将大于电源电压。图27表示了开关磁阻电机的一相在模式A和B状态下，电压、电流及电感的曲线。图27SRM的基本运行状态模式A下，加到绕组上的电源电压，始终大于在转速O，WB范围内所有的反电动势值，这就意味着可以通过控制斩波电压从而控制绕组中的电流。开通角ON和关断角OFF是固定不变的，他们的值可以根据电机参数、控制策略、约束条件及其它要求进行确定。模式B下，即使在整个区间绕组内全部加上电压，由于反电动势的增大，导致电流减小。该模式扩展了SRM的转矩转速特性范围，控制的变量变为开通角ON和关断角OFF。开通角可以在全电压加到绕组的那一刻到最大值的范围内进行调节控制，关断角可在0到最大值的范围内进行控制，该最大值决定于转速和电流，关断后电流必须能够降为0。214SR电机转矩的非线性模型前面对开关磁阻电机的分析，一直忽略了非线性的影响，及实际导磁材料的饱和特性。然而正确理解和处理磁通饱和现象对于SRM的控制是很重要的和基本的。非线性和饱和特性的分析是以磁化曲线为基础的。一条磁化曲线是在某一个转子位置上，磁链对电流I的变化曲线。这些特性曲线与理想曲线间的差别是很明显的。对齐位置与非对齐位置的磁化曲线是两条最重要的磁化曲线，可以由图28看出。对齐位置的磁化曲线与有气隙的带铁心的电感的磁化曲线很相似。在低磁通密度的情况下，磁化曲线接近于线性。在非对齐位置，由于气隙很大，磁化曲线接近于一条直线。电流越大，超过正常运行值越多，饱和现象就越明显，而在非对齐位置，磁化曲线仍假定为一条直线。图28SRM磁化曲线饱和现象有两种效应。一种效应与相电流值有关，其饱和现象与其它类型的电机很相似。另一种与转子位置有关，可以被称为局部效应。对于开关磁阻电机来说，这两种饱和效应都存在，而且相互影响。但是在特定的转子角度，这两种效应可以分离，单独进行观察。第一种效应最好在定子与转子极对齐的位置进行观察，因为该位置局部饱和效应的影响比较明显。转子极与定子极部分交叠时，第二种效应较为明显。磁路的非线性效应可由图28看出。在线性部分的任何位置下，磁化线以下的区域代表共能形WCOENERGY，等于磁化线以上区域代表的存贮的场能孵。如图29所示。WF的表达式为图29SRM磁路的非线性效应L，I代表在特定电流值于电感位置下的电感值共能定义为一相绕组在任何转子位置产生的转矩TE最通常的表达式是通过磁共能（虚拟能原理）的变化给出通常情况下，开关磁阻电机的转矩决定于每一相绕组的磁链/电流所包围的面积。瞬时转矩代表转自在恒定电流下，无穷小位移角度（）的功率变化WM。如图210所示。在角位移的过程中，将与电源发生能量交换，即存贮的磁场能量的变化。恒定电流这个约束条件是为了保证该位移的过程中，产生的机械能正好等于此功能的变化绕组中存贮的磁场能变化为图210SRM电磁转矩的产生输出的机械能WM等于两条磁链曲线所围成的面积将磁共能概念应用到每一个转子位置和相电流变化范围，瞬时转矩可以建立起来。一个重要的现象是并不是所有的电源能量都被转化为机械能，其中一部分被存贮在磁场中。该现象对控制器额定值的选取有着重要的影响，而且需要滤波电容。一个四相86极SRM的转矩曲线簇如图211所示。图2114相8/6极SRM的转矩曲线簇当一对转子极与一对定子极完全对齐时，无论绕组中通过多大的电流，都不会产生转矩，因为转子处在最大电感位置。转矩的符号决定于电感斜率的符号。电气驱动中转矩控制的经典理论，是基于直流电机的独立励磁方法，其转矩正比于磁通和电流的乘积。这些电机的控制方法一般采用把磁通和电流分开进行独立的控制。对于传统的直流和交流电动机，当电流按照转矩的要求进行变化时，磁通保持不变。开关磁阻电机是一种单独的励磁电机，磁通和电流的“正交”特性很难分辨出来。因此，在一相绕组的电流中是很难区分出电枢电流和场电流。因此在开关磁阻电机中，无法采用等效的面向场的理论进行分析。开关磁阻电机的转矩由一系列的脉冲组成。每一相绕组的磁通通常从零开始建立，一个冲程后又变为0。为了获得对瞬时转矩的连续控制，电流波形必须按照复杂的电机数学模型进行调制。对于一个相数为G，转子极数为R的SRM，一圈内产生的平均转矩TAV与效率可表述如下式中IMAX是一相电流的均方根值。转矩脉动TF为TMAX，TMIN，TAV分别为最大转矩，最小转矩，平均转矩。22开关磁阻电机的控制技术分析221基本控制原理开关磁阻电机的运行原理非常简单，当电流流过定子上的一相绕组时，产生的转矩将使转子具有向着与导通相磁极对齐的位置转动的趋势。产生转矩的方向是转子位置相对于导通相的函数，而与流过该相绕组的电流方向无关。根据转子的位置控制每相绕组的导通与关断，将会产生连续的转矩。电机的每一相绕组通过电力电子器件，如IGBT、MOSFET等，连至直流母线上，通过控制这些器件的通断控制流过绕组的电流。由电力电子器件构成的变换器的拓扑结构，对于开关磁阻电机的控制非常重要，因为在很大程度上决定了电机该如何被控制。SRD系统的控制方式指电机运行时控制哪些参数及如何控制，使电机按规定的工况运行，并保持较高的性能指标。控制方式的研究是SRD系统研究的关键问题。开关磁阻电机的控制方式包括电流斩波控制、角度控制及电压控制。222电流斩波控制在低速时，相电流周期长、磁链及电流峰值大，因此必须采取限流措施。因此，在ON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，当电流达到峰值斩波电流上限值时，切断绕组电流称斩波关断，绕组承受反压，电流快速下降。经时间T，或电流降至规定值斩波电流下限值时，重新导通称斩波导通，重复上述过程，则形成斩波电流波形，直至OFF时实行相关断，电流衰减至零。低速工作特别是起动时，多采用斩波控制，以限制电流峰值。电流斩波控制具有以下特点1适用于低速和制动运行电机低速运行时，绕组中旋转电动势小，电流增长快。在制动运行时，旋转电动势的方向与绕组端电压方向相同，电流比低速运行时增长更快。两种工况下，采用电流斩波控制方式能够更好的限制电流峰值超过允许值，起到有效的保护作用和调节效果。2转矩平稳电流斩波时电流波形呈较宽的平顶状，产生的转矩也较平稳。合成转矩脉动明显比其它控制方式小。3适合用于转矩调节系统当斩波周期T较小，并忽略相导通和相关断时电流建立和消失的过程转速低时近似成立时，绕组电流波形近似为平顶方波。平顶方波的幅值对应电机转矩，转矩值基本不受其它因素的影响，可见电流斩波控制方式适用于转矩调节系统，如恒转矩控制系统。4用作调速系统时抗负载扰动性的动态响应慢提高调速系统在负载扰动下的快速响应，除转速检测调节环节动态响应快外，系统自身的机械特性也十分重要。电流斩波控制方式中，由于电流峰值被限，当电机转速在负载扰动的作用下发生突变时，电流峰值无法自动适应，系统在负载扰动下的动态响应较慢。223角度控制开通角ON和关断角OFF是开关磁阻电机控制的关键参数，通过改变ON。和OFF可实现相电流性质如电动和制动、大小和波形的控制，从而可有效调节电机的转矩、转速以及转向。控制开通角ON和关断角OFF。在ON至OFF之间，对绕组施加正向电压，建立和维持电流。在OFF之后一段时间内，对绕组施加反向电压，使电流续流快速下降，直至消失。在实际控制过程中，可采用经过精细调整的低时间常数的锁相倍频器对转子位置基本信号实现高倍倍频，或采用高分辨率的定时器，从而获得分辨率较高的角度细分控制。这样在不同的ON和OFF控制下，可获得不同波形和幅值的相电流，达到电机调控目的。角度控制的特点1转矩调节范围大若定义电流存在区间T占电流周期T的比例T/T为电流占空比，则角度控制下电流占空比的变化范围几乎从0100。2同时导通相数可变同时导通相数多，电机出力较大，转矩脉动较小。当电机负载变化时，自动增加或减少同时导通的相数是角度控制方式的特点。3电机效率高通过角度优化，能使电机在不同负载下保持较高的效率。224电压斩波控制在ONOFF导通区间内，使功率开关按PWM方式工作。其脉冲周期T固定，占空比T1/T可调。在T1内，绕组加正电压，T2内加零电压或反电压。改变占空比，则绕组电压的平均值U变化，绕组电流也相应变化，从而实现转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制。与电流斩波控制方式类似，提高脉冲频率FLT，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，开关损耗增大。电压斩波控制是通过PWM方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流，既能用于高速运行，又适合于低速运行。其它特点则与电流斩波控制方式相反，适合于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。系统控制方式可采用高速调角度电压斩波控制与低速定角度电流斩波控制的两种方式的结合，结合应用可充分发挥二者的优势，在较宽调速范围内使电机具有良好的性能指标。两种控制方式的转换也是问题，若两种方式之间转换的参数值选择不好，会带来转矩的不连续；一般升速转换点和降速转换点间留有一定的回差，前者略高于后者，否则电机在该区域运行时，会经常处于控制方式转换的过程，引起系统的振荡。更好的控制方式为采用统一的电流斩波与角度调制算法，使得不会出现控制模式切换出现系统的不稳定状态。调速系统主要特征是以转速值为给定量，并保证电机转速自动跟随给定量。为保证良好的调速性能，控制系统应采用闭环控制系统。SRD调速系统可以构成速度调节系统，也可以构成转矩调节系统、功率调节系统、角位移调节系统等。开关磁阻电机的电磁转矩与绕组电流、控制角之间存在着严重的非线性关系，并且随着转子角速度和负载的变化而变化；也不能通过某种变换得出某些参数的直接函数关系，控制算法的不同对调速系统的性能有直接影响。PID控制是一种技术成熟、简单易行的控制方法，广泛地应用于各种控制对象，参数可以通过仿真优化并结合调试经验得出，能使系统具有较好的稳态精度，是应用最多的控制方式。现在新型的PID算法不断出现，如自适应PID，应用后可减小设定合适PID参数的工作量，同时能够提高系统的动态性能。第三章硬件设计及实现开关磁阻电机调速系统是典型的机电一起化产品，电机和控制系统必须进行一体化设计，电机性能的发挥在很大程度上依赖控制器的设计。本章对该调速系统的组成进行分析的基础上，提出了控制器的设计要求，包括系统功能，性能指标。及电磁兼容要达到的指标，最后给出了控制器的硬件的总体设计方案。31开关磁阻电机调速系统的组成开关磁阻电机调速系统由控制器，功率变换器，电机及位置检测器四部分组成。控制器完成电流。电压及位置信号的采集，处理，并经过一定的逻辑运算，按照一定的要求输出电机绕组通断的电流波形，送给功率变换器。一般控制器还需要具有开关量输入输出，模拟量输入输出及通讯接口，以便于系统性能的扩展。功率变换器包括电力电子器件及其驱动电路，控制器输出的信号控制功率期间的导通与关断电机的绕组串联在功率开关电路中，有功率开关控制绕组电路的通断，从而控制电机的运转。现在中小功率等级的开关器件应用最广泛是绝缘栅型双极型晶体管IGBT，具有驱动功率小、开关速度快、通态压降小及载流能力大等优点。功率变换器与控制器可放在一个控制柜内，也可根据要求分开放置。位置检测器用于检测转子相对于定子位置。位置检测元件可采用光电传感器、霍尔传感器，可根据环境要求进行选择。图31为SRD总体设计图图31SRD的总体设计图32电路及器件的选用321功率变换器主电路针对不同相数的开关磁阻电机，要选择不同形式的功率变换器主电路，常见的主电路形式有双开关型主电路、双绕组型主电路、电容分压型主电路、H桥型主电路、公共开关型主电路。由于本系统的被控对象是四相12/8极开关磁阻电机，结合各种主电路特点和电机相数，本系统采用电容分压式主电路形式，如图32所示。图32电容分压式功率变换器图由图可知电容分压式功率变换器的每相绕组只需要一个功率开关和一个续流二极管，各相的主开关和续流二极管依次上下交替排列，电源电压US被极性电容C1和C2分压，通常取电容C1C2，则中点电势为UOUS/2。当SR电机采用单相通电方式时，如果主开关VT1导通，A相绕组从电容C1吸收电能，即导通。如果VT1断开，则续流二极管VD1导通，A相绕组的剩余能量回馈给电容C2。如果VT2导通，则B相绕组通电，吸收电容C2的电能，如果VT2断开，则续流二极管VD2导通，B相绕组的剩余能量回馈给电容C1，依次类推，可以分别推断出其他主开关通和断的情况。在分压式功率变换器中，由于采用的是电容分压，所以加到电机绕组两端的电源电压仅为US/2，因此电源电压的利用率比较低，这时电容分压式功率转换器的一个很大的缺点。322开关器件和续流二极管的选用1开关器件的选用目前在电气工程设计中常见的功率开关器件主要有晶闸管SCR、可关断晶闸管GTO、功率晶体管GTR、功率场效应管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT和MOS控制晶闸管MCT。功率开关SCR没有自关断能力，如果强迫关断，则需要复杂的控制电路，且成本比较高、开关速度比较慢，因此使用它设计功率转换器，控制性能很不理想。功率开关GTO和GTR是电流型控制器件，其要求驱动电路必须有较大的电流输出。所以选用这两种功率器件设计功率变换器，消耗功率比较大。功率开关MOSFET是电压型控制器件，它的开关速度快、工作频率高，比较适合用在电压低、功率小的SR电机功率转换器中。功率开关IGBT结合了GTR通态饱和压降低和MOSFET控制极输入阻抗高的优点，而且它的工作频率高、驱动电路简单，应此本文中功率变换器主要选用此IGBT器件作为功率开关，其具体功率变换器主电路如图