【正文】 矩增大。 （ 2）電磁轉(zhuǎn)矩的大小同繞組電流的平方成正比，即使考慮到電流增大后鐵芯飽和的影響，轉(zhuǎn)矩不再與電流平方成正比，但 仍隨電流的增大而增大，因此可以通過增大電流有效地增大轉(zhuǎn)矩，并且可以通過控制繞組電流得到恒轉(zhuǎn)矩輸出的特性。 將繞組電流 分段函數(shù)（ 2－ 1）表示式 代入轉(zhuǎn)矩公式（ 2－ 15）中，得到： ??? ??? LfUT s )(21 222 （ 2－ 16） 由此進(jìn)一步得到： TFUS＝? （ 2－ 17） ?? ??? LfF )(21 2 （ 2－ 18） 從式中可以看出，有兩種轉(zhuǎn)速控制方法： ?改變外施電壓； ?改變與開關(guān)角有關(guān)的參數(shù) F， F 是代表電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù) (如繞組電感和定子極弧等 )和控制參數(shù) (如開通角、關(guān)斷角 )的函數(shù)。 SR電機(jī)基本控制方式 (1) CCC 的控制 電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，反電勢較小，電流變化率大，為了避免電流上升過快，超過功率開關(guān)元件和電機(jī)允許的最大電流，可以采用斬波方式限制電流，電流斬波控制方式一般應(yīng)用于電機(jī)低速區(qū)。它又可分為兩種方式： 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 ?固定關(guān)斷時(shí)間電流上限控制 在 on??? 時(shí)，功率開關(guān)器件接通，繞組電流從零開始上升，當(dāng)繞組 電流一旦超過電流的設(shè)定值（斬波電流上限值）時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，電流快速下降。如此循環(huán)，從而達(dá)到控制電流的目的。如關(guān)斷時(shí)間過長則相電流脈動(dòng)大；如關(guān)斷時(shí)間過短，則斬波頻率過高。 ?限制電流上、下幅值 這種方法是在一個(gè)控制周期內(nèi)，設(shè)定電流的最大值 和最小值。這種方式的不足之處在于：由于電感在一個(gè)周期內(nèi)是變化的，故電流斬波頻率疏密不均，在電感變化率較大的區(qū)間，電流上升快，斬波頻率較高，必須選擇合適的上下限。圖 給出了電流滯環(huán)控 制下的電流波形。 APC 控制的典型相電流波形如圖 所示： minmaxL()L ?()i ?2345??0on? offf?L? 圖 APC 的電流波形 章濤：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 當(dāng)開通角 on? 減小，即提前觸發(fā)導(dǎo)通主開關(guān)，會(huì)使峰值電流加大，電源供電時(shí) 間加長，因此，有效電流增大。其中，開通角 on? 減小可延伸至出現(xiàn)負(fù)值，即在最小電感出現(xiàn)之前就開通繞組。普通開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制器常以開通角作為主要控制量，在調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。不同開通角 on? 和關(guān)斷角 off? 的相電流波形如圖 和 所示。角度控制方式的優(yōu)點(diǎn)在于有較大的靈活性，可同時(shí)對(duì)多種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，效率較高，但其不足之處在于其在低速區(qū)不能工作，必須配合 其它方式，如電流斬波加調(diào)節(jié)角度復(fù)合控制等，因此控制起來較為復(fù)雜。電壓斬波控制下典型的相電流波形如圖 所示。相電流經(jīng)電源續(xù)流，其續(xù)流路徑如圖 所示。 圖 斬雙管 ?斬單管方式 斬單管方式采用的方法為：將 PWM 調(diào)制信號(hào)僅加于功率變換器的上管 T1 或下管 T2，進(jìn)行電壓斬波 PWM 控制。其特點(diǎn)為：在續(xù)流段，繞組兩端的電壓近似為 0，因而電流脈動(dòng)小，振動(dòng)和噪聲都比較令人滿意，但無能量回饋。 位置檢測 功率變換器 SR 電動(dòng)機(jī) 電流檢測 控制信號(hào) 控制器 電 源 負(fù) 載 圖 系統(tǒng)框圖 SRM功率變換器 功率變化器是直流電源和 SR 電動(dòng)機(jī)的接口，在控制器的控制下起到開關(guān)作用，使繞組與電源接通或斷 開；同時(shí)還為繞組的儲(chǔ)能提供回饋路徑。性能優(yōu)良的功率變換器應(yīng)同時(shí)具備如下條件： （ 1） 具有較少數(shù)量的主開關(guān)元件。 （ 3） 主開關(guān)器件的電壓額定值與電動(dòng)機(jī)接近。 （ 5） 可以通過主開關(guān)器件調(diào)制，有效地控制相電流。 通?？梢杂脕順?gòu)成 SRD 功率變化器的主開關(guān)器件主要有普通晶閘管、大功率晶體管（ GTR）、可關(guān)斷晶閘管（ GTO）、 MOS 場效應(yīng)晶體管（ MOSFET）和絕緣柵 雙極晶體管（ IGBT）。所以采用 IGBT。其中上、下兩只主開關(guān)管是控制 A 相繞組處于通電或蓄流或斷開狀態(tài)。 基于上述分析，這種不對(duì)稱半橋線路具有以下特點(diǎn)： 由于主開關(guān)管的電壓定額與電動(dòng)機(jī)繞組的電壓額定近似相等，所以這種線路用足了主開關(guān)管的額定電壓，有效的全部電源電壓可以用來控制相繞組電流； 由于每相繞組接至各自的不對(duì)稱半橋，在線路上彼此是相互完全獨(dú)立的，故這種結(jié)構(gòu)對(duì)繞組相數(shù)沒有任何的限制。 主回路方案 如圖 所示， L L L3 為濾波電抗器， C1 為濾波電容，兩者的作用是為了避免此系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波對(duì)主電網(wǎng)造成影響；當(dāng) SRD 系統(tǒng)大功率電路和交流電網(wǎng)接通是，若回路中沒有限制電流的元件，則合閘瞬間整流電路中大的儲(chǔ)能電容將電源短路，電路中有較大的浪涌電流。限制合閘浪涌電流的方法是在儲(chǔ)能電容回路串入限流電阻。 R1 為放電電阻，是有 DSP 控制其所在支路開關(guān)的，當(dāng)直流母線上的電壓高于預(yù)定數(shù)值的時(shí)候就打開此支路進(jìn)行放電；電容組 C2 為沖放電電容，其作用為的是避免在系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)電壓沖擊； I I I3 為三個(gè)LEM 電流互感器，在進(jìn)行處理后進(jìn)入 DSP 控制 系統(tǒng)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，為雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流閉環(huán)的輸入； LA、 LB、 LC 為開關(guān)磁阻電機(jī)的三個(gè)繞組。 章濤：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 L 1L 2L 3J MRSTC 1J M 1 J M 2JR 0R 1C 2I 1AC 3I 2C 4I 3C 5V 1V 2V 3V 4V 5V 6V D 1V D 2V D 3V D 4V D 5V D 6V D 0L A L B L C 圖 主回路方案 IGBT 主開關(guān)管參數(shù)計(jì)算 本系統(tǒng)中所控制的開關(guān)磁阻電機(jī)為三相 6/4 極、功率為 75KW，采用 240V 的直流電源供電。主開關(guān)和續(xù)流二極管的電壓定額一般取其額定工作電壓的 2 到 3 倍。 （ 2）電流定額 主開關(guān)器件 (IGBT)的有效值電流定額為 : AUPI SNN 3 ???? ISrms ? =*=43 A IGBT 電流選取應(yīng)該遵循其主開關(guān)電流峰值。 取倍數(shù)為 4，設(shè)負(fù)載等效電阻為 歐姆，則： uFuFRCf26 63 ????? ? 所以分析， IGBT、續(xù)流二極管和濾波電容可選用如表所示的型號(hào)。因此，如何有效地驅(qū)動(dòng)并保護(hù) IGBT 變得很重要。 驅(qū)動(dòng)電路的選擇須遵循以下原則： （ 1） IGBT 是電壓驅(qū)動(dòng)，具有一個(gè) ～ 5V的閾值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此，IGBT 對(duì)柵極電荷聚集很敏感，要保證有一條低阻抗的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與 IGBT 的連線要盡量短。 （ 3）驅(qū)動(dòng)電平增大時(shí)， IGBT 通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)流過的電流增大， IGBT 能承受的短路電流的時(shí)間減少，對(duì)其安全不利，一般選為＋ 12V～＋ 15V。 （ 5）大電感負(fù)載下， IGBT 的開關(guān)時(shí)間不能過分短，以限制 dtdi 所形成的尖峰電壓，保護(hù) IGBT 的安全。 （ 7） IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡單實(shí)用，最好自身帶有對(duì) IGBT 的保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。所以電流傳感器在系統(tǒng)中占有很重要的地位。對(duì)于大功率開關(guān)磁阻電機(jī)來說，屬于精度要求較高且價(jià)格不敏感的場合，霍耳電 流傳感器具有更好的性能價(jià)格比，出色的精度，良好的線性度，低溫漂，最佳的反應(yīng)時(shí)間，寬頻帶，原邊與副邊之間高度絕緣、無插入損壞，抗干擾能力強(qiáng)，可優(yōu)先選用。其大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過磁心的電流傳感器時(shí)，原邊電流 Ip 會(huì)產(chǎn)生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾器件可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的毫伏級(jí)電壓，調(diào)理電路把該電壓信轉(zhuǎn)變?yōu)楦边呺娏?Is。 LEM 的輸出經(jīng)過處理后輸入到 DSP 的 ADCIN0ADCIN2 的模數(shù)轉(zhuǎn)換口。我們選擇 LEM 傳感器為 LT308S7，其原邊電流測量范圍177。 通常采用精密電阻取樣，取樣電阻副邊輸出電流額定值應(yīng)小于電源電壓。圖 為電流采樣接法為三相中的一相，其余兩相與之相同。如何獲得位置信號(hào)就成為一個(gè)需要研究的問題，最直接的方式莫過于加 一個(gè)檢測裝置，直接來探測到轉(zhuǎn)子的位置，這個(gè)裝置就是位置傳感器，它能準(zhǔn)確測定轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置。三個(gè)光電耦合開關(guān)之間的夾角為 30186。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 4 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電機(jī)控制專用 DSP 雖然有許多共同之處，但是具體實(shí)現(xiàn)時(shí)還是有所不同， 特別是芯片的引腳功能和外圍接口電路的配合等需要設(shè)計(jì)者認(rèn)真考慮。硬件設(shè)計(jì)一般采用模塊化設(shè)計(jì)方法，軟件設(shè)計(jì)則主要考慮控制策略、算法流程以及中斷的處理等 .本章對(duì)基于 DSP 的 SRM 控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。主電路其實(shí)就是由功率半導(dǎo)體開關(guān)器件構(gòu)成的變換器，控制電路相當(dāng)于系統(tǒng)的大腦，它的作用是控制、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)工作。 SRD 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 系統(tǒng)的硬件電路是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分，它應(yīng)能準(zhǔn)確、快速的檢測整個(gè)系統(tǒng)中所有物理量的檢測、計(jì)算、判斷和處理，并且能完成通訊、顯示等功能。下面將詳細(xì)介紹各個(gè)部分的功能以及器件的選用。整個(gè)控制器在硬件上可分為 DSP 系統(tǒng)板、功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)接口板和功率主電路板 ,結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。當(dāng)設(shè)置為“強(qiáng)制高 (低 )”時(shí) ,可方便地產(chǎn)生頻率可變的 PWM 波形 ,用于 SRM 的電流 PWM 控制。 章濤：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 結(jié)構(gòu)框圖 （ 1）控制器： TMS320F2407 核心 實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制 DSP 具有 PWM 發(fā)生單元，可產(chǎn)生16 路 PWM 信號(hào) 。 DSP 利用 PI算法通過比較單元和 PWM 發(fā)生單元輸出 PWM 信號(hào)， PWM 信號(hào)經(jīng)光電隔離輸入到功率器件的驅(qū)動(dòng)電路，控制器件開、關(guān)，實(shí)現(xiàn) SRM 閉環(huán)調(diào)速。通過 F2407 的捕獲單元(CAP1～ 4) 對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測。 （ 4) 電流檢測電路 :使用磁場平衡式霍爾檢測器 (LEM 模塊 ) 來檢測電機(jī)的三相電流。一方面輸入到保護(hù)電路 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)功率變換器主開關(guān)的過流保護(hù)。用 I/O 口組成矩陣式鍵盤 ,通過串行外設(shè)接口 (SPI)顯示運(yùn)行狀態(tài)。 （ 1）雙閉環(huán)：轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán) 速度反饋信號(hào)取自位置傳感器的轉(zhuǎn)子信號(hào)，被給定轉(zhuǎn)速相減后作為電流指令值。 閉環(huán)調(diào)節(jié)： PID 或模糊控制等 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 （ 2）控制方式： 低速時(shí)，固定開關(guān)角，電流 PWM 斬波 (CCC) 高速時(shí) , 角度位置控制（ APC） +PWM 控制 軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的控制軟件分兩大部分，一部分是以電流控制方法為核心 的主控板上 DSP的電機(jī)控制軟件，另一部分是以行程給定為核心的 PLC操作臺(tái)軟件。主程序協(xié)調(diào)各個(gè)子程序之間的運(yùn)行；初始化子程序處理 DSP管腳，特別是事件管理器 EVA的功能設(shè)置和 DSP的特殊功能寄存器的設(shè)置；中斷服務(wù)程序中執(zhí)行相與相之間的切換、轉(zhuǎn)速計(jì)算；轉(zhuǎn)速環(huán) PI調(diào)節(jié)程序和電流環(huán) PI調(diào)節(jié)程序來計(jì)算 PWM的占空比控制繞組中的相電流。單片機(jī)執(zhí)行主控板和 PLC的之間通過雙口RAM的數(shù)據(jù)交換、數(shù)字量輸入輸出子程序、通訊子程序、顯示子程序。 主控板上還有 CPLD的程序，其功能在硬件設(shè)計(jì)中已經(jīng)進(jìn)行了討論，編寫和仿真都在MAXPLUS2中進(jìn)行，相對(duì)簡單，就不再贅述。 （ 2）初始化程序 — DSP 控制器內(nèi)部集成了許多外圍器件，如 A/D 轉(zhuǎn)換， EV 模塊等，在系統(tǒng)工作之前，需要對(duì)硬件初始化，同時(shí)還要對(duì)有關(guān)控制標(biāo)志，初始參數(shù)，開關(guān)量，工作單元及中斷系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以保證各功能單元按設(shè)計(jì)要求工作。 （ 4）捕獲中斷 — 對(duì)捕獲單元檢測的位置信號(hào)進(jìn)行判斷并處理。主程序主要完成的程序包括 :調(diào)用系統(tǒng)初始化子程序、起動(dòng)子 程序、電機(jī)工作方式判斷子程序、顯示子程序以及數(shù)據(jù)通信，并隨時(shí)檢查接受鍵盤信號(hào)和上位機(jī)信號(hào)。 子程序顯示 顯示子程序用來將待顯示的數(shù)據(jù)顯示在 3 位半 LCD 上。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 開 始取 待 顯 示 數(shù) 據(jù)從 低 位 到 高 位 提 前 顯 示 數(shù) 據(jù) 的 各 位提 取 符 號(hào) 和 小 數(shù) 點(diǎn)屏 蔽 無 效 零 位驅(qū) 動(dòng) L C D 顯 示返 回 圖 所示顯示子程序流程圖 中斷子程 序設(shè)計(jì) 中斷子程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因?yàn)檎麄€(gè) SR 電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)是靠捕獲轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)而觸發(fā)中斷來控制的。而在系統(tǒng)的運(yùn)行期間，還有外圍和系統(tǒng)的其它中斷如 : PWM 中斷子程序 , 鍵盤中斷子程序等要進(jìn)行處理。在整個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)中，位置信號(hào)的捕獲中斷應(yīng)該是除系統(tǒng)保護(hù)中斷以外的最高級(jí)別的中斷，這樣才能保證電機(jī)的順利運(yùn)轉(zhuǎn)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， PWM 中斷子程序中不僅要輸出 PWM 值，而且還要完成電流采樣、電流A/D 轉(zhuǎn)換、判斷過電流、電流環(huán)的調(diào)節(jié)以及計(jì)算新的 PWM 的值等 章濤：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22