基于DSP芯片的开关磁阻电动机控制系统（SRD）的仿真.pdf

北京交通大学硕士学位论文基于DSP芯片的开关磁阻电动机控制系统（SRD）的仿真姓名：周维保申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：路勇20050301独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工{ { ：及取得的研究成果尽本人所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教学机构的学位或证书丽使用过的材料与我～起工作的同志对本研究所做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示了谢意本人签名：2 退堑速 日期；西上月立口北京交通大学硕士学位论文第一章绪论1 ．1 系统仿真概述第一章绪论纵观系统仿真发展的历史可知，仿真技术的发展是与控制工 程、系统工程和计算技术的发展密切联系的正是控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，同时计算机的出现及计算技术的发展为仿真技术的发展提供了强有力的手段和工具仿真系统总的发展趋势是：由专用趋向通用、由模拟趋向数字、由串行趋向并行各项技术领域对仿真的需要以及计算机技术、控制理论及 信息技术的发展，使得仿真技术有了许多突破性的发展，已经成为科学家、工程人员、系统操作人员进行系统分析、设计、运行、评 估和培训教育的重要手段。

由于它可以替代费时、费力、费资金的真实等重要军事与非军事工程以及非工程领域得到越来越广泛的应用，成为发达国家重点发展的国家关键技术和国防关键技术结合系统仿真技术，对象的常用仿真方法主要有物理仿真、模拟仿真、数字仿真、数字．模拟混合仿真其巾的物理仿真是指采用了物理模型．如为了制造一个大型发电机组，先在同类型的较小的发电机组上进行实验比较，用实验结果分析知道大型发电机组的设计和生产所以物理仿真接近于实际对象，但装置及其试验过程较为复杂，仿真参数不易改变，因而应用范围窄模拟仿真中的模拟计算机是一种连续计算装置，它把实际系统的各物理量用电压表示，通过各种基本的模拟运算部件来求解描述系统的数学模型，输入和输出均是连续变化的电压量，因此各物理量“连续”变化是模拟仿真的突出特点，模拟仿真中模拟计算机各部件如积分器、加法器、函数发生器等是并行的，各个运算环节同时进行运算，因此运算速度快，实时性好，这是模拟仿真的另一优点它的主要缺点是精度北京交通大学硕士学位论文第一章绪论分重要的2 ．建立仿真模型一般的数学模型都不能直接编制程序并用计算机求解，通常须把数学模型转换成适宜编程并能在计算机上运行的模型也就是需要通过～定的算法对原系统的的数学模型进行离散化处理，就连续系统而言，就是建立相应的差分方程再由计算机进行求解。

3 ．编制仿真程序画出实现仿真模型的流程图，用汇编语言或通用高级语言编制仿真程序，必要时须设计一定的硬件的输入输出设备4 ．调试程序，验证模型对仿真模型进行修改、校验，验证仿真结果与实际系统是否一致以确认数学模型的正确性运行仿真程序，在不同初始条件和参数下对系统进行反复地分析和研究1 ．2S R D 系统仿真的目的和意义开关磁阻电动机驱动系统( 简称S R D ) 是由开关磁阻电动机( s R M ) 、功率电路、控制电路和驱动电路四部分组成该系统的主要优点是：电机结构简单、坚固．工作可靠，成本低．无须维护．系统控制灵活，调速性能好，运行效率高，转矩／惯量比高，动态性能好，可实现备种特殊要求的转短一转速特性，并可广泛应用于恶劣环境和要求超高速的场合，目前广泛应用在纺织、造纸、交通、煤矿、航空、机械等领域但在选择控制方案时，面临较复杂的系统调试工作，同时要求较高的实验条件本课题完成的仿真系统，则提供了一个虚拟的实验环境，在此环境中可以灵活的测试和选择可行的控制方案1 ．2 ．1 目前S R D 系统仿真现状根据作者所能查到的文献资料，目前国内外对S R D 系统的仿真主要做了以下方面的工作：1 ) 使用了A N s Y s 等大型分析软件对s R M 内部电磁关系做了北京交通人学硕士学位论文第一章绪论仿真分析，得到了S R M 内部准确的磁化曲线，并在此基础上建立了开关磁阻电动机( S R M ) 的非线性仿真模型。

2 ) 分析了S R D 系统的构成，构造了S R D 系统的功率电路、控制电路、检测电路的数学模型 3 ) 用M A T L A B ／S I M u L l N K 、P S P I C E 等大型仿真软件建立了开关磁阻电动机控制系统( S R D ) 的动态非线性仿真模型，并进行了仿真验证4 ) 开发出基于V B 、V C 等软件的P C 软件仿真系统，包括对开关磁阻电动机( s R M ) 的仿真和对整个s R D 系统的仿真这样系统是完全基于P C 机软件，无外部接口电路，输入全部依靠用户通过人机界面的给定，输出也是通过软件的输出界面 通过作者的分析，目前人们对S R D 系统的仿真进行到了用M A T L A B 、P S P I C E 等大型仿真软件进行仿真验证的阶段，对于现场实时仿真和现场对s R D 系统进行检测分析的需要，这种仿真还不能满足随着数字信号处理技术和集成电路的发展，数字处理技术也不断完普，D S P 芯片的性能也不断提升基于这种考虑，作者根 据实际需要，开发出了一套基于浮点数字信号处理的s R D 实时仿真系统1 ．2 ．2 目的和意义该实时仿真系统在s R D 系统的研究开发中具有较大的应用价值。

它与控制装簧相结合，能够完成控制装置的调适、控制策略的理论分析及研究、系统特性研究等方面的工作，从而可以减少系统试验时间，缩短研究开发周期，节约开发费用，是S R D 系统_ 丌发和现场测试应用的得力工具在s R D 系统静态仿真研究方面，不少学者作了许多工作，而且仿真精度较高但是，由于长期以来难以找到一个精确、简单的S R D系统模型，因此对其动态性能的研究，一直是个难题本文的目的是借鉴前人在对整个s R D 系统的工作原理和内部电磁关系做详细分析的基础上，参考前人建立的S R M 非线性电感北京交通火学硕士学位论文第一章绪论实现较困难数字仿真是利用数字计算机作为仿真工具数字计算机是一种不连续的计算装置，它把输入的实际系统的数学模型中的连续量变成畔：f i i 髭鬻鬣游j “葡嗽驾m 呻皤啤穗啕啦馐，瞧研嗡燃建渤瞪啪- 嗣罐商哥嚏淄锑澎刑晦? 眵生- 鬣蠢碧例国傅触净臻臻程j倒嘲喝游泌供嗡澎墨话甬嚣i 雨莉矧鸯鞘剖别老蜀强掣甬嚏罐i 磁路的菲姥释俪；时，若忽略磁路的非线性，则可简化为：m f ) - 詈等( 2 ．2 )式中：L——任意转予位鼍角下的牛日电感‘f愀矩‘，P～一～’ k t } _ - ⋯⋯’F ～j一；￡腼一o 一—i —F ‘—百．；——} ～生～牟二⋯——2o。

] ，．．，l广rrx北京交通大学硕士学位论文第二章s R D 系统设计分忻犀系统建模图2 ．2 相电感、转矩随转矩位移角的变化图2 ．2 为理想线性假设下相电感随转子位置角的交化规律曲线，电机每旋转一圈，相电感变化的周期数正比于转子的极对数，周期长度等于转子极矩由式( 2 ．2 ) 可知，恒定相绕组电流下，对应的转矩变化如图2 ．2 所示式( 2 ．2 ) 和图2 ．2 充分表明，转矩的方向与电流的方向无关，仅取决于电感随转角的变化情况如在电感上升期间f 0 ’鼠1 ，相绕组通以电流，则产生转矩，处于电动状态；如在 电感下降期间I 岛，岛l ，相绕组通以电流，则产生负转矩，处于发电状态因此通过控制相绕组电流导通的时刻、相电流脉冲的幅值和宽度，即可控制s R 电机转矩的大小和方向，实现s R 电机的调速控制图2 ．3 S R 电机的运行特性S R 电机运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特性区( 串励特性区) ，如图2 ．3 所示在恒转矩区，由于电机转速较低，电机反电动势小，因此需对电流进行斩波限幅，称为电流斩波控制方式，也可以采用调节相绕组外加电压有效值的电压P w M控制方式：在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角取得恒功率特性，称为角度位置控制方式：在自然特性区，电源电压、开通角和关断角均固定，由于自然特性与串励直流电机的特性相似，故亦称为串励特性区。

转速皑，q 为各特性交接的临界转速，钆成为第一I 临界转速，对应功率即为额定功率：缱称为第二临界转速，是能北京交通大学硕士学位论文第二章S R D 系统设计分析及系统建模这种电路适宜在高压、大功率及s R M 相数较少的场合下应用不对称半桥电路唯一的不足是所用的开关器件数量多对四相 ( 8 ／6 ) s R 电机而言，因为A 相和c 相、B 糨和D 相的电流～般不会重叠，I 丑此，传统不对称半桥电路中，A 相和C 相、B 相和D 相分别可以共用一只上臂( 或下臂) 主开关，从而减少2 个主开关，构成如图2 ．5 所示的新型四相功率电路图2 ．5 新型四相功率电路图2 - 5 所示电路基本上保留不对称半桥电路的优点，所用丌关器件又较不对称半桥少，具有较高的性能价格比本课题选择此电 路作为系统的功率电路2 ．2 ．3 控制电路控制电路是s R D 系统的控制核心，与标准的自动控制系统相对应，控制电路充当比较元件和校正装置，它根据输入量( 给定转速)的要求，对控制对象S R 电动机的转速进行合理的调节，使之与给定转速趋于一致，以达到调速的目的，是S R D 系统的中枢它主要由单片机及其外围电路、速度调节器、电流调节器、驱动逻辑电路和过流保护单元组成。

单片机根据反馈的s R 电动机转予位置信号和转速信号，采用一定的控制策略，控制功率电路中功率管的开通与关断控制，获得相应的机械特性国内外在控制电路的设计过程中，先后采用了Z 8 0 C P U ，8 0 3 1 ，8 0 5 1 ，8 0 9 8 ，8 0 C 1 9 6 ，D S P 等单片机芯片，是一个由低性能到高性北京交通大学硕士学位论文第二章S R D 系统设计分忻及系统建模能的过程本文选择采用i n t e I 公司8 0 9 8 单片机的s R D 系统进行分析，单片机在系统中的作用为：根据位置检测器检测到的位置信号、速度信号和电流检测器检测到的电流信号来实现转速调节、电流调节和通断逻辑控制等功能s R D 的控制电路如图2 —6 所示图2 —6 s R D 系统结构框图本文选择8 0 9 8 主要从速度以及尽量减少外围硬件的角度考虑的：8 0 9 8 单片机内部有P w M ，无须外部扩展，它的频率高达1 5 ．6 2 5 K H z ，它的8 位精度即可满足电流斩波控制的要求：算术逻 辑单元鼬虬U 没有常规的累加器结构，无累加器的限制，达到系统对运算速度快、数据处理能力强的要求：8 0 9 8 单片机内有四路1 0位A ／D 转换器，可方便地进行模数信号的转换；高速输入口H l s 可以在不用片内C P U 干预下完成位置检测，并以此计算电机转速：高北京交通大学硕士学位论文第二章s I t D 系统设计分析及系统建模电流斩波控制器采用电路实现，当电流检测值超过电流给定值的上限时，关断功率开关器件使电流下降，当电流检测值低于电流给定值的下限时，再导通功率开关器件使电流上升。

电流检测采用零磁通霍尔元件电流传感器(强弱电隔离功能强，测量精度高．线形度好，频带宽) 给定电流由8 0 9 8 单片机的D ／A转换口提供2 ．2 ．4 检测电路1．位置检测电路位置检测电路实际上是位簧、速度器，负责给控制电路提供电机转子的位簧和转速信息位置检测器通常由齿盘和光电传感器组成，传感器可以采用光敏式器件、电磁式器件或磁敏式器件高精度的位置检测器她采用旋转编码器，但价格高2 ．电流检测电路sRD驱动系统无论在高速运行时，还是低速运行都需要对电流进行检测，电流检测是电流斩波控制方式的需要，也是过电流保护的需要在S R D 系统中，电流是单向、脉动的，而且波形随运行方式、运行条件不同而不同，因此，要求电流检测器的性能要好；快速性好：。