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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。开关磁阻电机调速系统论文-青岛理工大学自动化工程学院开关磁阻电机调速系统的研究摘要开关磁阻电机调速系统融开关型磁阻电机、现代电力电子技术和控制技术于一体，开关磁阻电机本身具有结构简单、坚固、可靠性高等优点，由其构成的调速系统具有控制灵活、调速性能好、运行效率高等优点，在调速领域显示了其独特的优越性，并已经在很多领域得到了广泛的应用。本文以7.5KW四相86极开关磁阻电机为研究对象，对其构成的调速系统进行研究，主要完成了以下几个方面的工作：首先，研究了开关磁阻电机的工作原理与数学模型，分析了常用的三种控制
2、方法：电流斩波控制、角度位置控制和电压斩波控制，在此基础上确定了本系统的控制方案为：起动和低速运行时采用电流斩波与电压PWM斩波相结合的控制方式，高速运行时采用变角度与电压PWM斩波相结合的控制方式。其次，设计了基于DSP28x系列的开关磁阻电机调速系统的硬件电路，包括功率变换器主电路和控制器硬件电路。功率变换器以智能功率模块IPM为主开关器件，采用H桥型主电路结构。控制器硬件电路实现了转子位置检测、相电流和直流侧电压检测、电流上下限斩波、转速给定、控制信号输入、逻辑综合、与上位机通讯和显示等功能。最后，在控制器硬件的基础上，根据控制方案的要求，完成了控制软件的设计和编写。控制软件采用模块化编
3、程，提高了程序的通用性和可读性。联合调试控制器的硬件和软件，DSP综合相通断信号、电流斩波信号、电压PWM信号和角度控制信号，产生功率电路的驱动信号，实现了开关磁阻电机的换相逻辑控制、电流斩波控制、变角度控制、转速闭环调节、转速计算及显示等功能；并利用实验装置进行了开关磁阻电机的空载和负载实验，给出了实验波形，并作了相应分析。实验结果表明，开关磁阻电机调速系统的动态性能和稳态性能良好。关键词:开关磁阻电机;调速系统；角度控制一、开关磁阻电机的发展概况开关磁阻电机的基本结构和基本原理的提出可追溯到19世纪40年代，但是直到20世纪60年代，随着大功率晶闸管投入使用，开关磁阻电机的理论砌究和实际应
4、用才得到了迅速发展。70年代初，美国福特公司研制出最早的开关磁阻电动机调速系统，其结核为轴向气隙电动机、具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。近年来，国内已有一大批高校、研究所和工厂投入到SRD的研究、开发和制造工作中，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相电机的控制方案上，至今已有十余家单位推出不同性能、不同用途的几十个系列规格产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等行业中。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势态。目前，开关磁阻电机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、牵引电机和高
5、转速电机、伺服与调速系统、家用电器和通用工业等领域。随着对SR电机认识的深入、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具有更广泛的发展和应用前景。1、 开关磁阻电机调速系统的组成(l)、SR电机(2) SR电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件，也是SRD系统有别于其它电机驱动系统的主要标志。SR电机系双凸极可变磁阻电机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子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”。SR电机可以设计成多相结构，且定、转子的级数有多种不同的搭配。目前应用较多的是三相(64)结构和四相(86)结构
6、。、功率变换器功率变换器是向电机直接提供能量的部件，它以功率开关管为主要功能器件，在控制电路的控制下起到开关作用，使绕组与电源接通或断开，同时还为绕组的储能提供回馈路径。由于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。在整个SRD成本中，功率变换器占有主要的比重，因此合理设计功率变换器是提高SRD的性能价格比的关键之一。性能优良的功率变换器应具备以下特点：最少数量的主开关器件；可将电源电压全部施加于相绕组；主开关器件的电压额定值接近于电机额定电压；主开关器件的调制可以有效地控制相电流
7、的通断；具备使相绕组电流迅速增加的能力；在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源。功率变换器有多种形式，与供电电压、电机相数和开关器件的种类等有关。目前常用的功率变换器主电路形式有以下几种：不对称半桥电路、双绕组电路、裂相式电路和H桥型电路，其原理图如图13所示。2、控制器和位置检测器控制器综合处理位置检测器、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，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，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：电流斩波控制或电压斩波控制;角度位置控制;起动、
8、制动、停车及四象限运行;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相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来进行位置检测。采用无位置传感器的位置检测方法是SRD的发展动向，对降低系统成本、提高系统可靠性有重要的意义。3、开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的工作原理与传统的交、直流电动机存在着根本的区别，它不像传统电机那样依靠定、转子绕组电流产生磁场间的相互作用形成转矩和转速，而是遵循“磁阻最小原理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磁阻最小位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。当转子磁极轴线与定子磁极的轴线不
9、重合时，便会有作用力作用在转子上并产生转矩，从而使转子向定子磁极的轴线方向运动或产生同方向的运动趋势，直到定、转子磁极轴线重合为止。以本系统中采用的四相86极开关磁阻电机为例，如图21所示。图1.4中只画出了A相绕组及其供电电路，Sl、S2是电子开关，VDl、VD2是二极管，Us为直流电源。图1.4开关磁阻电机工作原理框图以图1.4中定、转子所处相对位置为起始位置，当A相绕组的控制开关Sl、S2闭合时，A相绕组通电，电机内建立起以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
10、气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针转动Il引。当转子旋转到转子极轴线22与定子极轴线州7重合的位置时，切向磁拉力消失，此时断开A相开关Sl、S2，同时合上B相开关，建立以B相定子磁极为轴线的磁场。若依次给ABCD相通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续转动；反之，若依次给A-DCB相通电，则电机沿着顺时针方向转动。可见，SR电机的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组通电的顺序。4、开关磁阻电机的数学模型为了简化分析，忽略铁芯损耗部分，并设开关磁阻电机的相数为m，各相结构和参数对称。设k=1，m相的电感、电压、磁链、电阻、电流及转矩分别为厶、Uk、心、t，转子位
11、置角为0，转速为q。（1）、电路方程根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，则第k相绕组电压方程为：（2）、机械方程按照力学定律可列出在电动机电磁转矩疋和负载转矩瓦作用下的转子机械运动方程：（3）、机电联系方程电路方程和机械方程通过电磁转矩耦合在一起，故反映机电能量转换的转矩表达式为机电联系方程，且考虑到m相绕组的对称性，则SR电动机输出平均转矩为：然而，上述数学模型尽管从理论上完整准确地描述了开关磁阻电机的电磁及力学关系，但由于l(a，f)及f难以解析，所以使用起来很麻烦，实际中往往必须根据具体电动机的结及所要求的精确程度加以
12、适当的简化。5、开关磁阻电机的控制策略为了实现电机的正常起动，必须保证电机在任何位置的转矩都大于总负载转矩。而当转子处于不同位置并且给不同相通电时，所获得的起动转矩大小和方向都是不同的。由于SR电机的矩角特性对电机的起动转矩即带负载起动能力有很大影响，所以通过矩角特性来分析起动性能，SR电机的矩角特性如图1.5所示。图1.5SR电机的矩角特性三相86极SR电机有两种起动方式：一相通电起动和两相同时通电起动。若不计相绕组间的磁耦合，两相同时通电的合成起动转矩可近似由同时通电相的各矩角特性线性相加求得，如图1.5中虚线所示。显然，两相起动的最小转矩为一相起动的最大转矩，两相起动方式的带负载能力明显
13、强于一相起动方式：而且，两相起动转矩的波动明显减小，起动过程平稳；再者，对于所要求的起动转矩，采用两相起动比一相起动所需的电流小四J。因此，在实际应用中一般采用两相同时通电起动方式。由于电机在起动瞬间旋转电动势为零，若加额定电压直接起动，相电流将过大，由此产生的过大动态冲击转矩可能会损坏电机和传动机构，因此必须在起动期间采用电流斩波控制限制起动电流。二、系统控制方案设计通过对以上几种控制方法的分析可知，每一种控制方法都有其优势，同时也有其局限性。由于一般要求SR电机的转速范围较宽且负载转矩适用范围也较宽，为了使电机在各种不同工作条件下均具有较好的性能指标，一般可以选用几种控制方法相结合的方案。
14、由于开关磁阻电机在起动和低速运行状态时，存在起动阶段电流峰值过大可能引起对绕组和功率器件造成损坏，以及在低速阶段由于电流幅值波动过大而导致转矩和转速不平稳的问题，因此系统采用电流斩波控制和电压PWM斩波控制相结合的方案。随着电机速度的增加，需要采用角度位置控制。但是，由于转速越高对应的通电时间越短，电流波形滞后的就越多，电流很可能进入电感曲线下降区域而形成制动转矩，因此系统采用变角度与电压PWM斩波控制相结合的方案。这种控制方案就是将固定角度PWM控制与角度位置控制相结合，一方面，用PWM信号对功率变换器主开关触发信号实施调制；另一方面，在不同的转速段，分别采用不同的开通角觎和关断角锄。这样，
15、系统在某一转速段内，采用固定角度PWM控制，而在整个转速范围内，采用变化的开通角锄和关断角锄，以提高系统效率，降低电流峰值。因此，本系统的整体控制方案为：起动和低速运行时采用电流斩波与电压PWM斩波相结合的控制方式，高速运行时采用变角度与电压PWM斩波相结合的控制方式。本调速系统以转速值为给定量，采用转速闭环控制，通过调节电压PWM信号的占空比来保证电机转速自动跟随给定量。开关磁阻电机调速系统的整体实现框图如图21所示。转速闭环控制输出的电压PWM信号、由位置信号得出的相通断信号、电流斩波信号和角度控制信号综合得出开关磁阻电机的功率变换器的驱动信号，从而实现对电机的控制。图2.1开关磁阻电机调
16、速系统的实现框图三、硬件设计概述开关磁阻电机调速系统的硬件设计包括功率变换器设计和控制器设计。控制器的硬件电路包括控制电路、位置检测电路、电流检测与斩波电路、直流侧电压检测电路、转速给定电路、逻辑综合电路、键盘电路、显示电路和上位机通讯电路。硬件系统的总体框图如图31所示。系统上电后，控制器根据给定的控制指令，综合转子位置信号和电流、电压信号，发出相应的控制信号，使相应的开关导通，给电机相绕组通电。电机在磁力作用下旋转起来，当转子转过一定角度时，控制器根据新的位置信号给出正确的控制信号，使电机连续旋转。同时，控制器综合闭环控制输出的PWM信号、电流斩波信号和角度控制信号实现对电机调速的控制。1
17、、主电路结构的设计本系统中控制对象为7.5KW三相86极SR电机，选用H桥型主电路结构。H桥型功率电路采用的元器件少，电路比较简单，成本低，整体性能价格比高，是开关磁阻电机一种很有价值的主电路方案。功率电路结构如图32所示，包括整流电路、制动支路和功率变换电路。2、整流电路整流电路的作用是将交流电源转换为直流电源，以供功率变换电路使用。系统中使用三相不可控全波整流电路，电解电容Cl、C2对整流电路的输出起到滤波作用，而电阻Rl、R2起到平衡两个电容Cl和C2上的电压及整个系统关闭时对Cl、C2电容放电的作用。在系统加电的瞬间，为了防止滤波电容开始充电所引起的过大的浪涌电流，需要采取一定的措施，
18、本系统采用了电阻一接触器并联网络。当充电电压小于400V时，接触器J断开，电阻R流过电流，把浪涌电流限制在一个安全的范围。当充电电压大于400V时，接触器J闭合，把电阻R短路。3、制动支路当电机制动运行时，向功率电路回馈的电能多于从功率电路得到的电能。由于电源部分不可控，回馈的电能只能储存在滤波电容中，电容电压会升高甚至超过允许范围，这样会引起开关器件的损坏。因此，由Vz和Rz构成制动放电支路，当电容发生过电压时，Vz开关管开通，将电容能量泄放到电阻Rz上。4、功率变换电路在功率变换电路中，A、B、C、D为开关磁阻电机的四相绕组，VAVD为IGBT，VDlVD4为续流二极管。此电路只能工作在两
19、相同时通电方式，因为任一相绕组电路必须以其它相绕组为通路。在本系统中，使用主开关VA、Vc作为斩波开关实现电压PWM控制，开关VB、VD仅用于换相。以A、B两相为例，相绕组的续流共有三种情况：(1)、开通期间，VA、VB同时导通，电源通过两个主开关管VA、VB使A、B相绕组励磁产生相电流，如图33(a)所示；(2)、斩波期间，VA断开、VB导通，电流经VB、VDl续流，电能不能回馈电容，下降较缓，如图3。3(b)所示；(3)、换相期间，vA、VB同时断开，电流经续流二极管VDI、VD2续流，电能回馈给电容，绕组感应电动势与电源电压极性相反，相绕组电流下降较快，5、控制电路本系统采用Motoro
20、laDSP56F2812作为主控制器，是MotorolaDSP56F28x系列中适用于电机控制的数字信号处理器。DSP56F28x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。同时，该系列还提供了一些专门的外设，如用于电机控制的脉宽调制模块PWM、12位的AD转换器、积分定时器、相位检测器、通讯模块(SCI、SPI、CAN)、通用IO引脚、低电压禁止模块、JTAGOnCE片上仿真器和FLASH、RAM存储器。DSP芯片采用33V供电，并与5V的TTL电平兼容；采用8MHz外部晶振，利用内部压控振荡器和锁相环可产生80MHz总线时钟，在80MI-
21、Iz时钟频率下可达到40兆条指令s(MIPS)的指令执行速度；JTAGOnCE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lj川。从控制开关磁阻电机的角度来讲，DSP2812的相位检测器模块、AD转换模块、PWM模块给电机的控制带来了很大的便利。相位检测器与定时器模块A复用，内部集成了干扰信号滤波器，使位置信号的检测和转速的计算更加精确；AD转换模块包括8个输入通道，转换精度为12位，转换速度最快为每次同时扫描仅需531as，并且可以通过同步信号与PWM同步；PWM模块是专门面向电机控制设计的，能够被配置成互补通道模式或独立通道模式，具有边沿对齐和中心对齐的脉宽产生方
22、式，支持占空比从0到100。PWM输出可以由PWM发生器控制，也可以由软件控制输出。基于DSP28x系列的控制电路的结构框图如图33所示。在本系统中，DSP资源利用如下：(1)转子位置传感器信号：相位检测器模块(2)相电流和直流侧电压检测、转速给定信号：AD转换模块(3)脉宽调制信号生成：PWM模块(4)键盘信号、角度信号、相通断信号：通用输入输出口(GPIO)(5)DA转换输出、显示电路：SPI模块(6)与上位机通讯：SCI模块图3.3控制电路结构框图DSP28x系列为控制电路的核心，主要负责识别键盘按键信号、判断相电流和直流侧电压信号、转速给定信号以及转子位置信号，从而给出相通断信号、电压
23、PWM信号、电流斩波信号和角度控制信号，综合产生IPM的驱动信号，实现对电机调速的控制。四、软件设计概述系统采用C语言和汇编语言混合编程，实行模块化设计，增加了程序的可读性和移植性。本系统控制软件主要实现以下功能：(1)电机起动无死区，起动转矩足够大，并尽量减小起动时的振动。(2)能实现电机的正转和反转。(3)电机起动和低速运行时采用电流斩波控制，高速运行时采用角度位置控制，并能实现这两种控制状态之间的平滑过渡。(4)系统采用转速闭环控制，转速环的设计采用PI调节器，输出为定频调宽的PWM方波，实现电压斩波控制，完成电机的转速调节。(5)实现电机转速的计算并实时显示。(6)具有一定的保护功能，
24、当控制系统运行出现异常时，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保护措施。本程序中主要利用了DSP2812的相位检测器模块、定时器模块和PWM模块，下面分别介绍各个模块在SR电机控制中的应用。1、主程序设计主程序主要完成的工作为：系统初始化，系统状态检测和循环等待中断并响应中断。系统初始化主要完成：DSP中所用模块的初始化，包括相位检测器、通用输入输出口GPIO、定时器模块、模数转换器、串行外设接口SPI、串行通信接口SCI和脉宽调制模块PWM；系统参数的初始化，包括中断命令初始化、各种标志变量、数模转换参数、PI调节参数、转速计算参数的初始化等；显示初始化，包括显示驱动器的初始
25、化和显示内容的初始化。主程序按不断循环的结构运行，通过响应中断，调用中断服务子程序，在中断服务子程序中调用相关的功能子程序，完成相应的功能，实现对系统的控制。主程序流程图如图41所示。系统在完成初始化后开放中断，首先等待键盘输入起动命令，起动命令下达后，调用起动子程序，根据转子所在位置和正反转信号选择导通合适的相，使电机顺利起动。当电机运行起来后，由转子位置信号的跳变来触发捕捉中断完成换相，输出相通断信号，并通过调用转速计算子程序计算电机转速，由显示子程序实现转速显示并由定时中断子程序实现显示的定时刷新。同时，当前转速与给定的转速信号相比，完成电机转速的PI调节，输出PWM信号。当电机运行速度
26、在升速500rrain以下、降速450rmin以下时，SPI口输出电流斩波上、下限值至外部DA转换电路，通过硬件电路实现电流斩波控制；丽当电机运行到升速500rmin以上、降速450rmin以上时，调用角度控制子程序计算相开通角和关断角，实现变角度控制。当系统检测到电机停止按键命令后，关闭所有相，使电机停转，主程序则继续等待起动按键命令。2、PI调节子程序根据给定值厂(f)与实际输出值c9)构成偏差e(t)的比例(P)、积分(I)进行控制的调节器，称为PI调节器。PI调节器的结构简单，参数易于调整，并且在长期的使用中积累了丰富的经验。模拟PI调节器的控制规律为：在PI调节中，比例环节的作用是对
27、偏差作出迅速的响应，使被控量朝着偏差减小的方向变化。比例常数足，的作用是加快系统的响应速度，KP越大，响应越快，但是过大时将产生超调，甚至会导致系统的不稳定；KP取值过小又会导致响应速度缓慢。积分环节主要是用来消除静差，提高系统的无差度，但是它降低了系统的反应速度，增加了系统的超调量。积分时间过大时，响应迟缓，对外部扰动的控制能力变差；积分时间过小时，将产生振荡。在硬件电路的基础上，设计和编写了控制器的控制软件。整个系统通过在无限循环结构的主程序中响应中断，调用中断服务子程序，且在中断服务程序中调用相应的功能子程序，实现系统预定的功能。五、结论本课题设计完成了7.5KW三相86极开关磁阻电机调
28、速控制系统，系统以TI公司的数字信号处理器DSP28x系列为控制核心，采用H桥型功率变换器主电路结构，通过软硬件联合完成对开关磁阻电机调速系统的控制。课题期间，通过对开关磁阻电机的工作原理及其控制方法的学习和研究，确定系统的控制方案为：起动和低速运行时采用电流斩波与电压PWM斩波相结合的控制方式，高速运行时采用变角度与电压PWM斩波相结合的控制方式，并在此基础上完成了开关磁阻电机调速系统从硬件到软件的设计。在硬件方面，设计了开关磁阻电机调速系统的控制器电路和功率变换器主电路。功率变换器以IPM为主开关器件，采用H桥型主电路结构。控制器采用了基于DSP2812的设计方案，不仅减少了外围电路，而且
29、提高了系统的可靠性。系统硬件工作可靠，可以实现电机控制参数输入、电流斩波、转速调节等功能。在软件方面，完成了基于SDK开发包的开关磁阻电机调速系统控制软件的设计和编写。控制软件采用模块化编程，提高了程序的可读性和移植性。控制程序由主程序、功能子程序和中断服务子程序三部分组成，实现了换相逻辑控制、变角度控制、转速闭环控制、转速计算及显示等功能。最后，通过对控制器的硬件和软件的联合调试，利用现有实验装置和检测方法进行了开关磁阻电机的空载和负载实验，通过实验获得PI调节器参数，并给出了电机转速曲线和在低速和高速运行时的电流波形。实验结果表明，开关磁阻电机调速系统的动态性能和稳态性能良好，转速调节平滑
30、稳定，且抗干扰能力强。参考文献r1王宏华开关型磁阻电动机调速控制技术北京：机械工业出版社，19992谢卫才，黄守道，石安乐开关磁阻电机调速系统发展动向湖南工程学院学报，2004，14(4)：20223吴建华开关磁阻电机设计与应用北京：机械工业出版社，20004杨岳峰，张奕黄。SRM常见的几种功率变换器主电路及原理电机电器技术，2003，(2)：19205PollockC，WilliamsBWPowerconvertorcircuitsforswitchedreluctancemotorswiththeminimumnumberofswitches。lEEProceedings-Electric
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