传感与控制-开关磁阻电动机控制技术的研究

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1、http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛开关磁阻电动机控制技术的研究*迟岩（博士/教授，集美大学）叶毅坚,云利军摘要：本文首先对开关磁阻电动机的主要特点进行了介绍，在此基础上，设计出SRD微机控制系统硬件基本结构和系统的软件程序框图。组成了基于DSP控制SRD的舰船电力推进系统，并对该系统的实际运行进行分析。一、引言开关磁阻电动机驱动系统（SRD）由开关磁阻电动机（SR）、功率变换器、控制器和检测器四个部分组成。目前已成为各国研究和开发的热点之一。SRD作为一种新型调速驱动

2、系统，首先在电动车驱动系统中得到了应用，实践证明，SRD具有许多直流电动机驱动系统和一般交流电动机调速驱动系统难以比拟的优点。SRD还可以应用于各类运载交通工具领域。但目前在我国中小型舰船电力推进系统中SRD尚未开始应用，但其发展方向是明显的，这将是舰船电力推进技术中很有竞争力的一个方面。开关磁阻电动机作为调速驱动应用呈现出的显著特点为：(1)电动机结构简单、坚固。制造工艺简单，成本低，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速。定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固。工作可靠，能应用于各种恶劣、高温甚至强振动环境；(2)损耗主要产生在定子，电

3、动机易于冷却。转子无永磁体，可允许有较高的温升；(3)转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本；(4)功率变换器不会出现直通故障，可靠性高；(5)起动转矩大，低速性能好，无异步电动机在起动时所出现的冲击电流现象；(6)调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的机械特性。在宽广的转速和功率范围内都具有较高效率；(7)能四象限运行，具有很好的再生制动能力；(8)可用蓄电池供电，耗能低又无污染。这些特点使得SRD在舰船电力推进系统中有很大的应用潜力。二、SRD微机控制系统硬件基本结构设计SR电动机的结构比异步电动机还要

4、简单，功率变换器主电路的结构也不复杂。但SR电动机的控制方式是要根据运行条件的不同，在不同的转子相对位置下通断各相绕阻的开关器件。这样提高了电动机控制的灵活性，但也增加了电动机运行控制的复杂性。显然，如果不采用软件和硬件相结合的微机控制系统对SR电动机进行控制，SRD性能的提高必然受到一定的限制，同时控制器的硬件电路也将过于复杂和庞大。因此，为了简化控制电路，充分挖掘SR电动机控制*集美大学科研基金资助项目（编号：F00061）方式灵活多变的优点，便于引入各种先进的控制规律，完善信息显示，实现通用性、智能化，由微机控制实现的高性能的SRD就成了我

5、们的研究方向。根据要求，设计出的SRD的微机控制系统具有如下功能：6http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛(1)低速时，实现电流斩波控制（CCC），输出恒转矩特性；(2)高速时，实现角度位置控制（APC），输出恒功率特性；(3)具备起动、制动、停车及四象限运行；(4)具有速度调节功能；(5)具有速度显示功能。实现上述基本要求的开关磁阻电动机组成的电力推进系统的微机控制系统硬件基本结构如图1所示。其中控制器部分采用DSP（图中虚线框部分）控制。SR电动机相电流检测转子位置检

6、测键盘功率变换器显示器放大输入控制参数接口CCC方式输出转速显式接口电流比较D/A转换APC方式输出DSP总线时钟电路CPUEPROMROM图1SRD微机控制系统硬件基本结构图该SRD系统有两个反馈环，即速度环和电流环。速度反馈信号取自位置传感器输出的转子位置信号。为简化硬件电路，整个控制方案均由DSP（TMS320C240）微处理器用软件实现。软件实现如下功能：(1)跟踪转子位置，并输出信号至功率变换器对应的相开关器件，以励磁对应的相绕阻；(2)检测并控制四相绕阻中的电流，对其分别进行闭环控制；(3)根据转子位置检测信号计算速度值，并根据速度偏

7、差进行速度闭环控制。完成运行方式转换控制、制动控制。6http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛事实上，微机控制作用下的SRD的任何一种工作状态都是软件和硬件相配合共同作用的结果。SR电动机微机控制系统性能的提高，除了要有高性能的CPU、主开关器件、传感器作为物质基础之外，关键还在于具体的控制策略、控制思想。所以我们采用一种控制方式—Bang-Bang控制，Bang-Bang控制可以快速响应参数的变化，提高控制的精确度。控制器硬件结构如图2所示：DSP(TMS320C240)

8、功率变换器及SR数据键盘IGBT驱动电路四相输出电流控制电路比较输出电流给绕组电流定输出转子位置控制转子位置转子位置信号图2SRD控制器