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1、摘 要摘 要开关磁阻电机驱动系统(SRD)是一种新型的交流驱动系统，以结构简单，坚固耐用，转子惯量低，成本低廉，控制方法灵活，可获得各种所需的机械特性，在宽广的调速范围内均具有较高的效率而备受瞩目，在电力传动领域有广阔的发展前景。但开关磁阻电机(SRM)的双凸极结构和磁路的高度饱和使得磁链是转子位置和电流的非线性函数，建立精确的磁链模型较为困难，因此，磁链特性的检测和开关磁阻电机的精确建模得到了广泛的研究。随着 SRD 系统的开发深入，基于单片机的SRD系统日益显现其局限性，基于数字信号处理器(DSP)的SRD系统解决了这一难题。本文基于DSP芯片TMS320F2812建立了SRM磁链检测系统
2、，利用ADC模块实时采集不同转子位置的电压、电流信号，将数据传送到上位机，根据间接磁链测量原理，由数字离散方法计算磁链值，得到 SRM 磁链特性曲线，建立了SRM的磁链转子位置电流模型。实验结果表明，该磁链检测系统能够准确检测磁链电流特性，并为神经模糊网络映射转子位置和磁链、电流的非线性关系提供精确的训练样本。关键词： 开关磁阻电机 磁链特性检测 自适应神经模糊推理系统 数字信号处理器 开关磁阻电机驱动系统- 32 -AbstractAbstractSwitched Reluctance Driving (SRD) system is a new type of AC driving syst
3、em which has such characteristics as simple and robust structure, reliability, low rotorinertia, low cost and control flexibility. Also, it can get various mechanical characteristics and has a high efficiency in a wide speed range. Therefore, SRD has board prospects in the field of power transmissio
4、n. Because of the double salient structure of the machine and high saturation of magnetic circuit, the flux linkage is a nonlinear function of both rotor position angle and phase current, which brings difficulties in accurate modeling of the machine. Therefore, the flux linkage characteristic measur
5、ement and accurate modeling of the machine are being widelyWith the development of the SRD system, computers and microprocessors which were used for the control system cant provide a high frequency operation environment for the machine. Performances of digital signal processors (DSPs) make it operat
6、e in high frequency. The paper presents a magnetic characteristic detection system with DSP TMS320F2812. Real-time phase voltage and current signals are acquired using ADC module. . Then, the curves of flux-current are protracted. Experimental results show that the magnetic characteristic detection
7、system with DSP can draw flux-current characteristic curves accurately. It supplies training data for rotor position estimation from flux linkage and current.Key words: Switched reluctance motor, magnetic chain characterization, adaptive neuro-fuzzy inference system, DSP ,SRM目 录目 录摘要IAbstractII目录III
8、第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 开关磁阻电机的特点、结构和原理2第二章 总体方案设计52.1 SRM 磁链特性测量综述52.2 基于 DSP 的 SRM 磁链特性的检测62.1.1 系统参数设置72.1.2 实验步骤82.1.3 精度分析方法8第三章 硬件系统设计93.1 开关磁阻电机磁链检测系统总体框图。93.2 电源设计103.2.1 控制电路电源103.2.2 电机驱动电源113.3 信号光耦隔离与驱动电路123.4 电压电流测量143.4.1 霍尔电流传感器电路163.4.2 霍尔电压传感器电路163.5 通信电路设计173.6本章小结19第四章 软件系统设计204.1
9、主控制器概述204.2 DSP模块214.2.1 通用定时器214.2.3 捕获单元224.2.4 ADC模块234.3 软件程序流程图234.3.1 开环控制程序244.4 本章小结27结论28致谢29参考文献30附录 原理图33第一章 绪 论第一章 绪 论1.1课题背景及意义开关磁阻电动机驱动系统(SRD)是一种新型的交流驱动系统，以结构简单，坚固耐用，成本低廉，控制参数多，控制方法灵活，可获得各种所需的机械特性，在宽广的调速范围内均具有较高的效率而备受瞩目，在电力传动领域有广阔的发展前景。但开关磁阻电机(SRM)的双凸极结构和磁路的高度饱和使得磁链是转子位置和电流的非线性函数，建立精确的
10、磁链模型较为困难，因此，磁链特性的检测和开关磁阻电机的精确建模得到了广泛的研究。磁链特性是开关磁阻电机的基本特性，磁链特性的测量在 SRM 电动机特性的精确预测中十分重要。建立开关磁阻电机磁链特性模型是优化电机设计、提高电机性能及进行无位置传感器控制的必要步骤，因此，许多学者在此方面做了大量研究，在实验研究和数值计算上都取得了大量成果。开关磁阻电机为双凸极结构，磁链是转子位置角和绕组电流的非线性函数，因此要建立精确实用的磁链模型，随着现代控制理论和智能控制理论在 SRM 控制中的应用，建立精确的电机模型显得尤为重要。本文将在研究开关磁阻电机磁链特性检测方法的基础上，建立了基于DSP芯片TMS3
11、20F2812的SRM磁链检测系统。利用状态观测器理论和SRM磁链特性可以取代位置传感器，基于状态观测器的转子位置估计方法能达到很高的精度，但要求精确的电机数学模型和强大的实时计算能力。模糊逻辑算法不易受反馈信号中的噪音和误差的影响，具有较高的可靠性和鲁棒性，但它的鲁棒性是以牺牲模糊模型的精度为代价获得的，并且模糊模型不能优化，大量的模糊规则难以保证估计精度。人工神经网络具有任意非线性函数映射能力且具有较强的自学习和自适应能力，但训练时间长，存在陷入局部极值的可能性等问题。自适应神经模糊推理系统(ANFIS)将模糊推理与神经网络有机结合起来，通过自学习功能计算出模糊系统的隶属度函数以及相应的模
12、糊规则，是对模糊系统的优化，能建立精确的电机模型，为有效估计转子位置，进行无位置传感器控制打下基础。1.2 开关磁阻电机的特点、结构和原理开关磁阻电动机为双凸极可变磁阻电动机，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。开关磁阻电动机定、转子极数不同，有多种搭配，目前应用较多的是四相(8/6)结构。开关磁阻电动机相数多，步距角小，利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。图1-1为四相(8/6)SR 电动机结构原理图。图 1-1开关磁阻电机结构原理图SR电动机遵循“磁阻最小原理”，磁通总要沿
13、着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合1。图1-1中，当定子D-D极励磁时，所产生的磁力使转子旋转到转子极轴线1-1与定子极轴线D-D重合的位置，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，依次给D-C-B-A-D相绕组通电，转子逆着励磁顺序顺时针旋转，反之，给D-A-B-C-D相绕组通电，转子逆时针转动。SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而取决于相绕组通电的顺序。主开关器件S1、S2 导通时，A相绕组从直流电源V吸收电能，而当S1、S2 关1断时，绕组电流经续流二极管VD1、VD2，回馈给电源US，
14、SR电动机传动具有再生作用，系统效率高。由以上分析可知，SR电动机的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势而产生。适当的饱和有利于提高SRD的总体性能，因此，电动机磁路的饱和是又一个重要特性。由于电动机磁路的非线性，通常 SR 电动机的转矩应根据磁共能来计算。(1-1)磁共能的改变既取决于转子位置，也取决于绕组电流的瞬时值，忽略磁路饱和及边缘效应，假设电感同电流无关。电动机每转一圈，电感变化的周期数正比于转子的极对数，该周期的长度为转子极距。基于简化线性模型，式(1-1)可化简为式(1-2)(1-2)由式(1-2)，相绕组在恒定电流 i 作用下，产生的对应转矩如图1-2b所示，由此可见，SR电动机
15、的转矩方向不受电流方向的影响，仅取决于电感随转角的变化；若dl / d0，相绕组有电流流过，产生电动转矩；若dl / d510小时；8. 过载能力强、测量范围大：0-几十安培上万安培；9. 体积小、重量轻、易于安装；综合考虑，本次实验采用霍尔传感器检测。使用霍尔传感器应该注意的问题：(1) 电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管(指磁补偿式)，一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟；(2)电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟；(3)电流电压
16、传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值1/2以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法；(4)绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中，6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用；(5)在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性；(6)在大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作
17、电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。(7)传感器抗外磁场能力为：距离传感器510cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于510cm。(8)传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。(9)原边电流母线温度不得超过85，这是ABS工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。3.4.1 霍尔电流传感器电路磁场平衡式霍尔传感器(简称LEM模块)将互感器、磁放大器、
18、霍尔元件和电子线路集成在一起，集测量、保护、反馈于一身。LEM 模块的最大优点是借助“磁场补偿”的思想，保持铁心磁通为零。LEM 模块尺寸重量较小，使用方便，电流过载能力强，整个传感器模块化，套在母线上即可使用。霍尔电流传感器如图3-6所示。按图示接法，J3 为输入，J4 为输出，LEM模块的1端和10端串入主电路。LEM模块一次、二次匝比为 NL：Ns=2：1000，Is=2IL/1000。这样测得 Is 数值间接的反应出被测电流 IL的大小。J4端子输出电压为一相电流采样保持后输出的值。图 3-6 电流检测电路3.4.2 霍尔电压传感器电路霍尔电压传感器如下图所示。按图示接法，J3为输入，
19、J4为输出，LEM模块的1端和2端并入主电路。输入电流与输出电流比IN：IM10：25，适当配置电阻R1和R2值，测得的UM值间接的反应被测电压的值。霍尔电压电流传感器输出电压输入到DSP的ADC引脚，因此输出电压值应低于 3V。传感器检测电压 最大值不超过514，电流不高于70A，适当调整各电阻的值，可保证输出电压不高于 3V。图 3-7 电压检测电路3.5 通信电路设计为了将 ADC 单元采集得到的电压、电流及换相逻辑等神经网络训练样本传送到上位机，系统利用DSP的SCI串行接口实现与上位机的通信，由于上位机采用的是RS232电平，DSP个管脚采用的是CMOS电平，为了使两者可以正常的进行
20、数据交流和传输，必须采用一款电平转换芯片，MAX3232芯片是一款进行RS232电平与COMOS电平转换的芯片，该芯片由美信公司生产，技术成熟，在电子产品中使用非常广泛，深受电子开发工作者欢迎。连接电路如图。图 3-8 通信电路主要特点如下：1、符合所有的RS-232C技术标准。2、只需要单一 +5V电源供电。3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-。4、功耗低，典型供电电流5mA。5、内部集成2个RS-232C驱动器。引脚介绍：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口
21、电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC(+5v)。3.6本章小结 本章为硬件设计章节
22、，全章围绕着开关磁阻电机的磁链检测的问题，较为全面的介绍了该检测方案的整体思路和各部分具体电路的实现。在介绍整体方案时采用了框架图的方式，较为清晰，明了的展示了本方案的设计思路和测量方法。通过对整体思路的研究，更加清晰了系统各部分间的联系和交流，对需要使用到的各种相关器件也有相关了解。各部分具体电路上，通过把原理图上的各个部分剪切下来，依次详细介绍各部分的功能和特点，并同时介绍与之相关的知识和原理，充分明晰各种方案的利弊，以及能否具体实现。在器件选型方面以及参数计算方面也尽量清晰明了，罗列出计算公式，通过步步推倒，分析，得出结论。总而言之，本章向读者叙述了我们的采用的何种方案，如何实现功能，以
23、及要采用这种方案的理由。第四章 软件系统设计第四章 软件系统设计4.1 主控制器概述开关磁阻电机磁链检测系统中主控制器选用DSP芯片TMS320F2812，其频率高达150MHz，利于复杂控制算法的实现。主控制器在调速系统中完成电机电压电流信号采样和模数转换，磁链计算，电机控制算法实现，模糊逻辑运算。换相逻辑确定，PWM信号输出和功率驱动保护。电压和电流信号经过放大隔离后，送至DSP的CAP单元进行采样和处理，完成换相逻辑的确定和转速的计算。作为主控制器的TMS320F2812是TI公司最新推出的一款具有较高信号处理能力和控制功能的32位定点DSP芯片，是目前控制领域最先进的处理器之一。该器件
24、集成了多种先进的外设，具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，在高精度伺服控制、可变频电源、UPS 电源及电机数字化控制领域具有广泛的应用前景。(1) TMS320F2812 基于 C/C+高效 32 位 TMS320C28x DSP 内核，并提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便的实现浮点运算。(2)和F24x系列数字信号处理器指令代码完全兼容，便于系统的升级和38第四章 开关磁阻电机的DSP控制系统新。(3) 频率高达150MHz，具有更快的系统处理能力。(4) TMS320F2812 内部集成了128KB的Flash存储器，4KB的引ROM，2KB的OTP ROM 及数学运算表，
25、大大提高了系统应用的灵活性。(5) 两个事件管理器模块包括脉冲宽度调制(PWM)产生器、可编程通用计时器、捕获译码器等接口，为电机及功率变换器提供了良好的控制功能。(6) 16 通道高性能12位模数转换(ADC)单元提供了两个采样保持电路，可以实现两通道同步采样，最高采样带宽达12.5MSPS。(7) 片上标准通信端口可为主机、测试设备、显示器及其他组件提供简便通信端口。(8) TMS320F2812 的其他一些特点包括：采用高性能的静态CMOS技术；拥有1MB的外部存储器寻址空间；带有片上振荡器；支持动态改变锁相环的倍频系数；支持JTAG边界扫描接口；外设中段扩展模块(PIE)可支持 45
26、个外设中断；拥有高达56个可配置通用I/O 引脚；具有先进的仿真调试功能；支持低功耗模式和省电模式；封装形式多样，工作温度范围较宽等。TMS320F2812的开发软件为Code Composer Studio3.3(CCS3.3)集成开发环境，CCS3.3加速了实时嵌入信号处理的开发过程，它提供了配置，构造，调试，跟踪和分析程序的工具，在基本代码产生工具的基础上增加了调试和实时分析的功能，开发人员可在不中断程序运行的情况下查看算法的对错，实现对硬件的实时调试跟踪，从而大大缩短了程序的开发时间。DSP的程序开发语言中，C语言具有很好的可读性和可移植性，开发效率高，本程序采用C语言编写，所有软件的
27、编写，调试，编译，链接和软硬件联合调试均在CCS3.3里完成。4.2 DSP模块本系统使用了事件管理器(EV)的通用定时器，产生PWM电路的全比较单元，捕获单元(CAP)的资源，ADC模块完成速度给定。4.2.1通用定时器每个事件管理器有两个通用定时器，GP1、GP2为事件管理器 EVA 的定时器，GP3、GP4为事件管理器EVB的定时器。定时器根据具体的应用独立地使用，如：在控制系统中产生采样周期；为捕获单元和正交脉冲计数操作提供基准时钟；为比较单元和相应的 PWM 产生电路提供基准时钟。通用定时器的输入包括：内部高速外设时钟(HSPCLK)；外部时TCLKINA/B；方向输入TDIRA/B
28、。通用定时器的输出包括：通用定时器比较输出 TxCMP为 ADC 模块提供 ADC 转换启动信号；为自身比较逻辑和比较单元提供下溢，上溢、比较匹配和周期匹配信号。通用定时器的相关寄存器包括控制寄存(TxCON)，全局控制寄存器(GPTCONA/B)，比较寄存器(TxCMPR)和周期寄存器(TxPR)，(x=1,2,3,4)。通用定时器的计数模式有四种：停止/保持模式；连续递增计数模式；双向增/减计数模式；连续增/减计数模式。在本系统中通用定时器采用CPU内部时钟HSPCLK，工作在连续增计数模式。各个通用定时器的功用为T1为AD转换提供时基；T2和T4分别为EVA单元的CAP1,2和EVB单元的CAP4,5提供时基；T3为EVB单元产生的四相非对称 PWM 电路(PWM7，PWM9，PWM11 和T3PWM)提供时基。4.2.3捕获单元捕获单元能捕获到外部引脚的跳变，捕获单元的外部引脚一旦出现跳变就会使