范文一:开关磁阻电机参数测试系统设计
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,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
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Abstract
Abstract
Switched Reluctance Driving (SRD) system is a new type of AC driving system 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 transmission. 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 measurement and accurate modeling of the machine are being widely
With the development of the SRD system, computers and microprocessors which were used for the control system can’t provide a high frequency operation environment for the machine. Performances of digital signal processors (DSPs) make it operate 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 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
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目 录
摘要 ............................................................................................................................... I Abstract . ........................................................................................................................ I I 目录 ............................................................................................................................. I II
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
1.1 课题背景及意义 ............................................................................................ 1
1.2 开关磁阻电机的特点、结构和原理 ............................................................ 2
第二章 总体方案设计 ................................................................................................. 5
2.1 SRM 磁链特性测量综述 . .............................................................................. 5
2.2 基于 DSP 的 SRM 磁链特性的检测 ........................................................ 6
2.1.1 系统参数设置 ..................................................................................... 7
2.1.2 实验步骤 ............................................................................................. 8
2.1.3 精度分析方法 ..................................................................................... 8
第三章 硬件系统设计 ................................................................................................. 9
3.1 开关磁阻电机磁链检测系统总体框图。 .................................................... 9
3.2 电源设计 ........................................................................................................ 9
3.2.1 控制电路电源 ..................................................................................... 9
3.2.2 电机驱动电源 ................................................................................... 11
3.3 信号光耦隔离与驱动电路 .......................................................................... 12
3.4 电压电流测量 .............................................................................................. 13
3.4.1 霍尔电流传感器电路 ....................................................................... 16
3.4.2 霍尔电压传感器电路 ....................................................................... 16
3.5 通信电路设计 .............................................................................................. 17
3.6本章小结 ....................................................................................................... 18
第四章 软件系统设计 ............................................................................................... 20
4.1 主控制器概述 .............................................................................................. 20
4.2 DSP模块 ....................................................................................................... 21
4.2.1 通用定时器 ....................................................................................... 21
4.2.3 捕获单元 ........................................................................................... 22
4.2.4 ADC模块 . .......................................................................................... 23
4.3 软件程序流程图 .......................................................................................... 23 - III -
4.3.1 开环控制程序 ................................................................................... 23
4.4 本章小结 ...................................................................................................... 25
结论 ............................................................................................................................. 27
致谢 ............................................................................................................................. 28
参考文献 ..................................................................................................................... 29
附录 原理图 ............................................................................................................... 32 - IV -
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TMS320F2812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。
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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。 - 2 -
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 ,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。
?w ' (θ,i ) (1-1) ?θ
磁共能w (θ, i )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T (θ, i )= 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?L 12dL T (θ, i ) =i 2=i 2?θ2d θ (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 / dθ>0,相绕组有电流流过,产生电动转矩;若dl / dθ<0,流过电流,则产生制动力矩,因此,通过控制加到sr 电动机绕组中电流脉冲的幅值,宽度及其与转子的相对位置,即可控制="" sr="" 电动机转矩的大小与方向,这是sr="">0,流过电流,则产生制动力矩,因此,通过控制加到sr>
综上所述,SR 电动机具有如下优点:
(1) 电动机转子无绕组,成本低,可高速旋转而不变形,转子转动惯量小,易于加减速;
(2) 具有再生作用;
(3) 转矩方向与相电流方向无关。只要控制主开关器件的导通关断角度,即可改变电动机的工作状态,即只要控制各相在不同电感区域内的瞬时电流,即能四象限运行,无须辅助电力电子开关器件;
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(4) 在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率;
(5) 起动转矩大,起动电流小,控制灵活;
SR 电动机存在的主要缺点为:
(1) 磁阻式电动机能量转换密度小于电磁式电动机;
(2) 转矩脉动较大,通常 SR 电动机的转矩脉动的典型值为±15%,由转矩脉动所导致的噪声和特定频率下的谐振问题也较为突出;
(3) 需要根据定转子位置投励;
(4) 不能像笼型异步电动机那样直接接入电网稳速运行,必须与控制器一起使用。
图 1-2 相电感、转矩随转子位置的变化
a) 相电感随转子位置的变化 b) 一定电流下转矩随转子位置的变化
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第二章 总体方案设计
磁链特性是开关磁阻电机的基本特性,建立开关磁阻电机的磁链特性模型是优化电机设计,提高电机性能和进行无位置传感器控制的必要步骤,本文在分析总结多位学者在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 TMS320F2812 SRM 磁链检测系统,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 磁链电流特性曲线,建立了 SRM 的磁链-转子位置-电流模型。
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。
2.1 SRM 磁链特性测量综述
磁链特性检测可以分为直接检测法和间接检测法。直接检测法就是直接利用
装于电动机中的磁链传感器进行检测的方法。这种方法要求在电机制造时就将磁链传感器安装电动机中,所以成本很高,而且磁链传感器的测量范围比较有限,因此这种方法在实际中较少采用。间接检测法就是通过检测到的相电流和相电压间接计算(数值计算或模拟计算) 绕组磁链的方法。这种方法简单易行,具有较高准确度。本论文采用该方法来检测SR 电动机的磁链特性。设 SR 电动机的各向绕组采用正向方式连接,因此,各向绕组之间的互感可以忽略不计。同时,假设各相绕组具有相同的磁链特性,只要检测其中一相的磁链特性就可以代表所有相的电磁特性。根据电路理论,各相绕组满足如下电压方程。
d ψ(t )U (t )=i (t )r + (2-1) dt
式中,u(t)为相电压波形;i(t)为相电流波形;ψ(t)为磁链波形;r 为绕组电 - 5 -
阻。
将上式进行相应的变换,可以得到
ψ(t )-ψ(0)=?[u (t )-i (t )r ]dt t
0(2-2)
这就是间接检测磁链方法的基本原理。间接检测法中,磁链的计算可以采用数值和模拟两种方式进行。数值方法对相电流信号和相电压信号进行离散采样,借助数字计算机,通过数值计算方法求出各个时刻的磁链值。而模拟方式直接对电流信号和电压信号采用模拟运算电路求出磁链值。模拟计算方式的运算精度受到运算放大器本身的漂移、运算电路中电阻精度等因素的影响,检测精度难以保证。而数值方式可以克服模拟计算方法的缺陷,同时采样得到的数据还方便后期的处理和进一步利用。
除了实验方法以外,磁链特性检测还可以使用计算机软件辅助分析,如有限元分析方法。有限元分析作为电机设计中的重要手段,可以和实验检测相互对照,对电机优化设计和控制都有重要作用。
2.2 基于 DSP 的 SRM 磁链特性的检测
磁链特性的精度对于 SRM 无位置传感器转子位置的估计至关重要,国内外许多专家在实验的基础上提出了各种测量磁链特性的方法,其中最常用的一种算法为阶跃电压法。在相绕组通电之前,绕组中无电流流过,认为初始磁链值为零,然后给相绕组突加阶跃电压,电流逐渐上升达到稳定值,磁链值也逐渐增加,检测电流上升过程中的电压电流值即可计算出磁链。
该方法不必检测初始磁链值,只需要保证绕组充分放电完成就可以认为初始磁链值为零。
磁链的计算采用数值方法,数值方法对相电流信号和相电压信号进行离散采样,借助计算机,通过数值计算方法求出各个时刻的磁链值。
ψ(k )=ψ(k -1)+0. 5T [v (k )-Ri (k )+v (k -1)]-Ri (k -1)
(2-3)
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2.1.1 系统参数设置
图3-2 装置结构图
基于DSP 的SRM 电动机磁链检测装置如上图3-2所示。DSP 是整个系统的控制核心,PWM 单元为功率开关S1提供开通信号,ADC 单元在绕组通电后采集由霍尔电电压传感器, 霍尔电流传感器实时采样相绕组端电压和电流值,并把采集来的模拟信号转换为数字信号,SCI 单元将采集到的电压电流数据传送到上位机,DSP 芯片 TMS320F2812时钟频率为150MHz ,运行速度快,支持多组中断,在数据采集和电机控制系统有广泛应用。
实验样机为四相 8/6 极SR 电动机,额定功率PN=37kW ,额定转速nN=1500r/min,额定电压U=514V,定子电阻r=0.23。利用DSP 芯片TMS320F2812进行电压、电流采样,采样数据传到上位机处理。
8/6极SR 电机转子极距角为60度,由于对称性,只测量定转子极对极位置到凸极对凹槽之间30度特性曲线,设定子凸极和转子凹槽对齐位置为零度,每隔5度进行一组电压电流采样。
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2.1.2 实验步骤
SRM 和机械夹紧装置固定在同一工作台上,当转子通过机械夹紧装置固定 在某一位置后,DSP 的PWM 单元发出导通信号,绕组中电流逐渐上升,绕组一端串有大功率小阻值电阻,限制绕组电流上升速度和最大值。测量时:
(1) 给 SRM 一相绕组通一小电流,使电机位于平衡位置,机械夹紧装置将电机固定在此位置,作为测试起点;
(2) 闭合开关S ,给电容C 充电,使其两端电压达到514V ,断开开关S ;
(3)DSP输出PWM 信号导通功率开关S1,电容两端电压加到相绕组上,ADC 单元采样放电过程绕组电压,电流瞬时值,并暂存在数据存储区,采样完成关断S1,SCI 单元将数据发送到上位机;
(4) 绕组充分放电后(保证初始磁链ψ(0)=0),在同一位置采样多组数据;
(5) 松开夹紧装置,将转子位置转过5度,再将转子夹紧,重复(2)-(4)步骤;
(6) 采样完成,根据式(2)对采样的电压和电流信号计算,绘制不同转子位置下的磁链特性曲线。
2.1.3精度分析方法
检测绕组的测量精度即检测绕组磁链对电机绕组磁链的反映程度。可以用相对误差率P 来表示:在耦合系数为1的理想条件下,电动机绕组磁链应等于检测绕组磁链乘以电动机绕组、检测绕组匝数比。由于SRM 的结构特点, 同时电磁特性呈现高饱和、高非线性, 因此电动机内部的磁场分布、两个绕组间的耦合系数将随着电动机绕组中电流的大小和定转子的相对位置而发生变化。采用ANSYS7.0有限元分析软件计算电动机绕组、检测绕组的磁链,经后处理得出P ,研究P 随电机绕组中电流的大小、定转子的相对位置、检测绕组的布置方式的变化规律,并得出最佳的检测绕组布置方案。
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第三章 硬件系统设计
3.1 开关磁阻电机磁链检测系统总体框图。
图3-2 电气总框图
由以上系统电气总框图可以看出,系统所需要的主要硬件包括:
(1)开关磁阻电机、驱动电路,直流电源;
(2)电压传感器,电流传感器;
(3)DSP,PWM 控制电路,上位机;
3.2 电源设计
3.2.1 控制电路电源
控制系统中,DSP 芯片需要 1.8V 的内核工作电压及 3.3V 的外设和
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端口工作电压,其他外围电路也需要5V 或者15V 和-15V 的直流供电。系统中以经变压器降压后的 24V 交流电为基础,通过整流桥电路将交流转换为直流。再通过各稳压芯片转化为各个直流电压。系统上电时,电容端充电电压将是一个渐变的过程,为了保证控制器正常工作,在控制电源电路入口加电压继电器,即系统上电后先通过大功率电阻给电容充电,当电容充电电压达到一定值以后,再将控制电路接通,系统开始工作,该部分电路如图 3-1所示。
图 3-1 控制电路电源
得到 24V 直流电后,利用电压转换芯片进行24V 直流转15V 直流、15V 直流转5V 直流、5V 直流转3.3V 直流、5V 直流转1.8V 直流。15V 和5V 电压转换采用 LM78L××系列三端固定式集成稳压芯片,其电路如图3-2所示。
图 3-2 控制系统稳压模块
78L××在正常工作时,入输出电压差必须大于2-3V ,才能保持输出值稳定;而且该类电压转换芯片存在较大的功耗,使用过程中容易发热,因此必须做好散热工作,防止电压调节器因过热而损坏。
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DSP 所用的3.3V 和1.8V 直流电由TPS767D318高性能低压降电压稳压器得到,TPS767D318可以提供1.8V 和3.3V 两种电平,正好可以给dsp 的内核和外围模块供电。
如图 3-3所示。该芯片输入输出压降可以很低,输出电流0-500mA ,输出精度高,非常适合用于高性能控制器的电源供给。
图 3-3 DSP稳压电路
3.2.2 电机驱动电源
我们使用的电机额定电压为514V ,而实验室的电压为220V ,为了测量出全电压电流工作范围的电流电压的值,从而计算出全工作范围的磁链值的变化,需要提供额定的最大电压值。鉴于实验室电压值偏低,故使用调压器将电压从220V 调到所需电压值,然后通过MOSFET 管接到电容两端,在并联接到电机测量的绕组两端。电路图3-3所示。
图 3-3 DSP电机驱动电源
变压器副边的交流电压经过整流桥的整流后,变为直流电。其最大电压仍然与整流前的交流电的最大电流。当其对电容充电是,电容的稳定电压应 - 11 -
与直流电的最大电压保持一致,而不是与其有效值相同。由于电容的充电电压要电机的运行电压相同。所以直流电的最大电压等于电机运行的电压,也等于变压器副边的最大电压。通过计算可得副边电压有效值为364V, 通过其与原边电压的比值即可求出匝数比。
3.3 信号光耦隔离与驱动电路
为了保护控制器的安全,防止外围器件主回路的强电信号干扰控制器的正常运行,PWM 驱动信号经过光耦隔离之后再送至功率器件驱动单元。光耦隔离器件采用6N137,其速度高达10MBit/s,适用于数据接收和传输、计算机外设接口等应用场合。隔离电路中,控制端电源地和驱动电路电源地被有效地隔离开来,从而对控制器起到保护作用。由于6N137隔离时将信号反向,因此,在输入端先对PWM 信号取反,确保隔离前后逻辑电平一致,其连接电路如图3-4。
图3-4信号光耦隔离与驱动电路
常用的功率MOSFET 和IGBT 需要有15-20V 的驱动电压和一定的电压上升率。经过光耦隔离的PWM 信号,无法直接驱动功率开关管,必须增加驱动电路。
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驱动电路使用国际整流器公司生产的IR2110芯片,美国 IR 公司生产的IR2110 驱动器。它兼有光耦隔离(体积小) 和电磁隔离(速度快) 的优点,是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。它将主开关器件需要的绝大部分功能进行封装,只要外接很少的分离元件,就能够在花费较低功耗的情况下提供极高的开关速度。IR2110 门极驱动电压为10V-20V ,适用于功率 MOSFET 和IGBT 的驱动电路,具有独立的高低侧参考电压,驱动主电路的电压值高达500V-600V ,具有驱动高压、动作快速的特性,逻辑电源电压范围(脚9)5~15V ,可方便地与TTL ,CMOS 电平相匹配,而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V 的偏移量;工作频率高,可达500kHz ;开通、关断延迟小,分别为120ns 和94ns ;图腾柱输出峰值电流为2A 。且有负向 dV/dt 的暂态承受能力,内部有双沟道的低电压保持电路和周期性边缘触发的关断逻辑,可匹配各通道的传输延迟。IR2110驱动电路和主功率开关器件的连接如图所示。
图 3-5 IR2110 驱动电路和主功率开关器件连接图
3.4 电压电流测量
由于该实验测量的是单相电流,给定的电压信号是阶跃信号,所以相电流是单向脉动的,因此常用的电流检测方法有:
1电阻采样光电隔离式,2直流电流互感器采样,3霍尔元件采样,4磁敏
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电阻采样等。
电阻采样法:该方法简单易行,在开关磁阻电机中经常使用,但是其存在附加损耗,易引入主电路的强电干扰,并且在电流双向流动时检测困难等问题。后三种方法都要进行电流的磁通密度变换,较为复杂。
直流电流互感器采样:直流互感器的原理实质上是当铁心被交直流线圈同时激励时,直流电流的大小引起铁芯饱和程度的改变,使交流线圈的电抗大小发生变化,交流电流及串在回路中的取样电阻上的电压会相应改变。当直流为被测电流时,由取样电阻上可得到正比于直流电流的电压。主要用于测量直流大电流,也在整流系统中用作电流反馈、控制和保护元件。与分流器(见电流表) 比较,它的电能损耗低并具有隔离作用。20世纪30年代后, 由于用了附加的补偿绕组, 使直流电流互感器的准确度提高到0.1级。随着电子器件的发展, 利用铁心磁通中的偶次谐波分量, 经过放大、反馈形成自动补偿式的零磁通直流互感器,其误差低于0.01%。
霍尔元件采样:原理:被测电流In 流过导体产生的磁场,由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流Im 流过次级线圈产生的磁场补偿,当原边与副边的磁场达到平衡时,其补偿电流Im 即可精确反映原边电流In 值。优点如下:
1. 测量范围广:它可以测量任意波形的电流和电压,如直流、交流、脉冲、三角波形等,甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映;
2. 响应速度快:最快者响应时间只为1us ;
3. 测量精度高:其测量精度优于1%,该精度适合于对任何波形的测量。普通互感器是感性元件,接入后影响被测信号波形,其一般精度为3%~5%,且只适合于50Hz 正弦波形;
4. 线性度好:优于0.2%;
5. 动态性能好:响应时间快,可小于1us; 普通互感器的响应时间为10~20ms;
6. 工作频带宽:在0~100KHz 频率范围内的信号均可以测量;
7. 可靠性高,平均无故障工作时间长:平均无故障时间>510小时;
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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5~10cm 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5~10cm 。
(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。 - 15 -
(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、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,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 :IM =10:25,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 。
- 16 -
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。
- 17 -
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,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 - 18 -
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,以及要采用这种方案的理由。
- 19 -
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,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。
- 20 -
(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 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。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), - 21 -
(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能触发。事件管理器共有 6 个捕获单元,每个事件管理器各有 3 个,CAP1,2,3 是 EVA 的,CAP4,5,6 是 EVB 的,每个捕获单元都有相应的输入引脚 CAPx 。
为使捕获单元正常工作,必须配置下列寄存器
(1)来看初始化 CAPFIFOx 寄存器,清除相应的状态位;
(2)设置使用的通用定时器的工作模式;
(3)设置相关的通用定时器的比较寄存器或周期寄存器;
(4)适当地配置 CAPCONA 或 CAPCONB 寄存器。
每个捕获单元可以选择一个通用定时器作为时间基准,当在捕获输入引脚CAPx 上检测到脉冲上升沿或下降沿时,在相应的捕获中断没有被屏蔽的情况下,将产生捕获中断并将通用定时器的值记录并存储在相应的2级深度FIFO 堆栈中。
SR 电动机位置信号S 和P 是相差15度的方波脉冲信号,经电平转换后送入DSP 的捕获输入端。本系统使用了四个捕获中断,CAP1、2 分别用来检测位置信号S 和P 的上升沿,CAP4、5检测位置信号S 和P 的下降沿。根据一定的换相逻辑导通相应的开关,换相逻辑如图 4-14 所示。同时,两相位置信号经过变换后送入CAP6,通过CAP6的FIFO 中所记录的数据来计算电机的转速。 - 22 -
两相绕组同时通电起动,每相导通为30度,通电区间占据全部电感上升段。
4.2.4 ADC 模块
TMS320F2812内部有12位A/D转换模块,其特点是:2×8 通道复用输入接口;两个采样保持电路;单/连续通道转换;流水线最快转换周期为 0ns ,单通道最快转换周期为200ns ;可以使用两个事件管理器顺序触发8对数模转换。
本系统用ADC 模块完成速度给定,通过调节电位器模拟量来给定速度,AD 口检测到电压量,转换为相应数字量。转换公式为: 输入模拟电压-V REFLO 数字值=1023?V REFHI -V REFLO
式4-1中,VREFHI 为3.3V ,VREFO 为0V 。 (4-1)
4.3 软件程序流程图
通过DSP 来控制系统的开关,输出为PWM 信号,通过调节PWM 信号的给S1开关通断信号来控制给开关磁阻电机电压的时间。占空比变化的PWM 脉冲周期称为PWM 载波周期,PWM 脉冲根据调制信号的预定值决定或调制而成。本系统PWM 载波周期通过周期寄存器T3PR 和相应的控制寄存器T3CON 设置,PI 计算的最终输出存放在比较寄存器T3CMP 和比较单元CMPRx 中,通过计数器T3CNT 和存放在比较单元CMPRx 的值匹配刷新PWM 波脉宽。
本文采用C 语言模块化编程,增强了程序的可读性和可移植性,给出了电机开环控制程序和转速闭环控制程序。开环控制程序包括主程序和CAP 中断程序,闭环控制程序包括主程序,速度闭环中断程序,转速计算子程序,转速PI 调节子程序,AD 转换中断程序。
4.3.1 开环控制程序
主程序的主要功能为:设置系统时钟,初始化事件管理器(包括定时器、比单元、CAP 单元、A/D转换器、PWM 通道的初始化) ,I/O引脚的选择与设计,设置可用中断,while 循环运行结构。
转速闭环控制程序的主程序加入给定转速信号,调节电位器模拟量来给定速度,AD 口检测16位电压和电流信号
- 23 -
主程序流程图4-1所示。
图 4-1 主程序流程图
电压电流捕获程序如下
- 24 -
图 4-2 电压电流捕获程序
4.4本章小结
本章主要介绍软件相关内容,所谓软件相关内容,其中DSP 编程做了较为详细的介绍。首先介绍了DSP 的基本构造,各方面的的特性,特点,以及各部
- 25 -
分之间的相互关系,和如何使用DSP 。
在软件设计方面,本着力求最简,最可靠的原则,结合DSP 课本和相关实践经验。首先画出了个部分程序的流程图,在此基础上在写出各个部分的程序代码,调试通过后,再拷到DSP 中进行在线调试,与实验设备相连,在实时调试中,细心观察各种实验现象和参数,了解其中原因,如发现问题,认真研究,依靠课本知识和自身储备向老师和前辈请教,解决相关问题。
当DSP 将电流和电压信号发送到上位机时,上位机通过组态王软件实现建模和显示功能。本文对此不做作详细介绍。
- 26 -
结论
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。
本文基于DSP 芯片TMS320F2812对开关磁阻电机进行了磁链特性的检测,利用 ANFIS 智能算法建立了精确的电机模型,并且以TMS320F2812为主控制器设计了开关磁阻电机驱动系统,主要成果与结论如下。
(1) 本文在分析其它磁链特性检测方案的基础上建立了基于DSP 芯片TMS320F2812的开关磁阻电机磁链特性检测实验系统,利用DSP 的ADC 模块采集相绕组电流电压,SCI 模块传送至上位机,根据间接检测原理和数字积分方法计算得到磁链值,从而获得开关磁阻电机在不同转子位置的 ψ-I 曲线和 SRM 磁链-转子位置-电流特性曲面,为ANFIS 逼近磁链、电流和转子位置的非线性关系提供精确的训练样本。
(2) 根据检测所得的实验结果,文中利用自适应神经模糊推理系统(ANFIS)映射转子位置和绕组磁链、电流的非线性关系,磁链和电流为输入,转子位置为输出,对电机模型进行优化。
- 27 -
致谢
本论文的工作是在我的导师边敦新教授的悉心指导下完成的,边敦新教授严谨的治学态度、科学的工作方法、丰富的实践经验和高度的敬业精神使我受益非浅。两年来,边老师悉心指导我在实验室的工作之外,同时在生活上和学习上都给了我极大的帮助和影响,我所取得的每一点进步无不凝聚着导师的心血和智慧,在此衷心感谢边敦新老师对我的关心和指导。在实验室工作及撰写论文期间,张忠亮和焦汝波对我论文中的开关磁阻电机的研究工作给予了热情无私的帮助,在此向他们表达我的感激之情。实验室浓厚的学习气氛和同学之间相互关心相互鼓励的良好氛围让我度过了一段充实而快乐的研究生生活,在此向边敦新老师和师兄师姐师弟师妹们表示衷心的感谢!
另外也感谢我的父母,舍友和所有关心我的同学,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。
- 28 -
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China ,Oct 2002 - 31 -
附录 附录 原理图
- 32 -
附录 - 33 -
范文二:开关磁阻电机PID控制参数的整定方法
研究?开发———开关磁阻电机P ID 控制参数的整定方法机床电器200411
研究?开发
开关磁阻电机PID 控制参数的整定方法
龚 晟, 孙 明
(华南理工大学电力学院,510640)
摘要:本文介绍了开关磁阻电机的控制原理以及P ID 控制方法, 并进而说明了P ID 参数的整定方法。对传统
P ID 参数整定方法进行改进, 得到参数自整定的P ID 控制方法可以使SRM 控制系统的性能得到提高。
关键词:开关磁阻电机;P ID 控制; 参数整定
中图分类号:TM352TM30112 文献标识码:B 文章编号:1004-0420(2004) 01-0009-03
Para meter ascerta ining of PID control of s witched reluctance motor
GON G Sheng ,SU N Ming
(The Sout h China U niversity of Technology ,510640)
Abstract :This paper makes a summary of t he control principle of switched reluctance motor and t he P ID control met hod , and f urt her gives an introduction of parameter ascertaining of P ID control. From refining traditional parame 2ter ascertaining met hod , t he self -ascertaining met hod can be obtained , and meanwhile t his met hod can im prove per 2formance of t he whole system.
K ey words :switched reluctance motor ;P ID control ;parameter ascertaining
0 概述
开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor , 以下简称SRM ) 诞生于160年前, 但由于开关器件的不成熟, 直到上世纪七十年代, SRM 才真正得到快速发展。如今, 在研究和应用中, SRM 的优秀特性越来越受到广泛重视, 而且应用领域不断扩大。在国外较早得到应用的领域有:矿山机械、航空发电机、电梯、电动汽车、洗衣机、食品加工机、火车空调机、织布机等。SRM 调速系统是一种高可靠性、高效率的全新交流调速系统。本系统在可靠性方面大大优于变频调速系统, 在可控性方面, 又可与直流调速相媲美[1]。
PID 控制是早期发展的控制策略之一, 由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高, 被广泛应用于工业控制。随着现代控制的发展, PID 也不断提高, 并赋予了新的意义。PID 控制非常适用于SRM 调速系统, 但传统的PID 参数整定方法无法使SRM 在全运行范围内都达到良好的控制效果,
这就需要研究参数自整定的方法。本文从此需要出发, 介绍了传统的参数整定方法, 进而提出了新的参数自整定方法。
1 开关磁阻电机控制方法
SRM 的控制分起动、稳定运行、制动三个阶段。
控制方法上又分电流控制、电压控制、变结构控制、磁通控制以及各种和现代控制相结合的方法[2], 但是实现的最简单有效的途径仍然是PID 控制。
图1是一个SRM 系统的Matlab/Simulink 仿真框图。该框图描述机械方程T e -F w -T out =J
, 图中i ref 为电流限幅斩波值, T out 为外部输出d t
转矩, SR 表示电机内部运行特性, J 为转动惯量, F 为损耗转矩与角速度增量的比例系数。Start 框为电机起动方式。对于SRM 来说, 起动是一个具有挑战性的问题, 可以在此框内进行各种起动策略的仿真。如果暂不研究此问题, 可以在框图中设定一个起动低速, 当电磁转矩产生之前, 电机
—9
—
按设定的低速运行, 当转动至θon 位置时, 电机产
生电磁转矩, 电机开始加速直至达到稳定高速
。
图1 SRM 系统Simulink 仿真总框图
制器的参数的经验公式, 这一公式至今还被广泛
应用。很多参考书及文献中都有Ziegler -Nichols 参数整定算法, 这里不详细介绍了。然而, Z -N 设定方法设定出来的PID 控制器, 在设定点响应中经常会得出很强的振荡曲线, 且超调往往很大, 因此有必要对其进行改进。以下方案对比例分量进行相应的调节:
u (t ) =K P [(βr -y ) +
T I
() ∫0e t d t +
t
2 传统PID 参数整定方法
211 P ID 控制器的基本原理
()
]d t
(2)
PID (Proportional 、Integral and Differential )
控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单控制算法[3]。图2为PID 控制系统原理框图。其控制规律为:
u (t ) =K P [e (t ) +
改方案把微分动作放到输出信号去完成, 并对比例输入部分进行修正。它引入了规范化的死区
τ
时间常数ρ=和规范化的一阶时间常数λ=
T
T I
() ∫0e t d t +
t
()
]d t
(1)
。式2中β可以按下
37ρ-4
面方法求出, Z -N 参数作出适当的修正:
K c K , 且满足λ=2
K P 为比例系数、T I 为积分时间常数、T D 为
微分时间常数
。
若2. 25<><15或0.>15或0.><><0.>0.>
Z -N 参数, 并:
β=, 或β=(3)
15+λ27+5λ
若1. 5<><2. 25或0.="">2.><><0. 96,="" 则应该将z="" -n="" 积分系数修正为t="" 1="015μT" c="">0.>
其中:μ=, 或β=(μ-1) 917
若1. 2<><1. 5,="">1.>
+1
(4) , 或T I =
615+14515
图4是SRM 的PI , K P =
图2 P ID 控制器基本原理
212 SRM 调速系统的P ID 控制
SRM 调速系统通常采用电流、转速双环控
制, 本文也以此为例介绍PID 控制。图3为转速电流双环调速系统的构成。电流调节器和速度调节器都可以应用PID 调节, 不过通常SRM 系统仅应用比例积分(PI ) 调节, 因此本文讨论的参数整定也仅为PI 参数的整定
。
分包含在图1的SR 部分中。Wief 是转速给定, wonline 是在线测得的转速, 经过
图4 SRM 的P I 控制部分仿真框图
图3 转速电流双环调速系统构成
213 传统的参数整定方法
Ziegler 和Nichols 1942年提出了调节PID 控
根据改进的Z -N 法, 得到K p ′=0. 0025以及
T i ′=1000, 仿真起动波形如图5。本仿真的数据出于一台实际的6/4开关磁阻电机, 说明如下:绕组电阻1. 3欧; 转动惯量0. 002; 阻力绕组转速系数F 为0. 0183; 绕组电感随位置变化范围为0. 01h
—10—
~0. 08h ; 功率变换器直流电压源电压150V
。
法由于只用一级比较(两套参数) , 这样既达到了
较高的运行指标, 又十分节省资源, 在高速运行中, 计算时间是很可贵的, 因此此法十分实用
。
图5 改进Z -N 整定参数P I 控制起动波形
3 PID 自整定控制策略
Astrom 和Hagglund 提出了继电型自整定策
图8 参数分段自整定P I 控制的起动过程
略, 其结构如图6所示。该方案的基本思想是在控制系统中设置两种模态:测试模态和调节模态, 在测试模态下, 由一个继电非线性环节来测试系统的振荡和增益, 而在调节模态下, 由系统的特征参数首先得到PID 控制器, 然后由此控制器对系统的动态性能进行调节
。
4 结束语
应用PID 控制SRM 系统物理意义明确、实用性强。本文介绍了几种PID 参数整定方法, 并对其进行了仿真研究。研究表明, 对传统PID 参数整定方法进行改进, 得到参数自整定的PID 控制方法可以使SRM 控制系统的性能得到提高。
随着现代智能控制理论的发展, PID 控制也将得到长足的进步, 其体现的主要途径就是对参数进行自整定。现在已经有许多文献将模糊控制、神经网络与专家控制应用到其间, 但对于SRM 调速系统来说, 要求再高速运行时仍然适用, 这样就使每个电周期留给控制器的计算时间相当短, 复杂的控制算法很难实现。解决这一问题的途径有两条:第一从硬件方面考虑, 提高控制器(MCU 或DSP ) 的计算速度; 另外就是找到计算相对简单的智能控制算法。
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图6 继电型P ID 参数自整定控制
这种方法对传统的参数整定方法有一定的改
进, 但是对于SRM 的起动或制动时, 误差检测值很大这一特点并不十分适合。本文对其进行改进, 借助模糊控制IF -THEN 结构, 得到由误差检测值分段的PI 控制, 具体做法如图7所示。先将转速给定值与在线测得转速值比较, 差值大于100或是小于等于100时, 分别使用两套PI 特征参数整定值进行控制。当然, 也可以继续使用三套或是四套PI 参数, 视具体情况需要而定
。
大学学报1
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京:电子工业出版社. 收稿日期:2003-09-01
作者简介:龚晟(1978-) , 男, 毕业于天津大学电器自动化专业, 现为华南理工大学电力学院研究生, 电力电子及电气传动专业, 研究方向为开关磁阻电机的控制。
图7 参数分段设置P I 控制仿真方框图
图8是应用参数分段后仿真的起动过程。与
图5比较, 看出分段处理的PID 控制起动速度快, 超调几乎没有, 动态响应更快。而且这种处理方
—11
—
范文三:开关磁阻电机
开关磁阻电机
开关磁阻电机(SRM )通过吸引磁凸极转子到定子磁场来产生转矩。然而,SRM 定子极数相对较少。由于齿形轮廓而不是SynRM 内部的磁通屏障,转子的磁性显着更加简单。定子和转子极数的差异导致游标效应,并且SRM 转子通常以相反的方向以不同的速度旋转到定子磁场。与SynRM 不同,SRM 通常使用脉冲直流励磁,需要专门的逆变器来运行。
需要一些电流来支持SRM 的磁场,导致比PM 更低的转矩密度和甜点效率。但是,像SynRM 一样,SRM 通常比同等IM 小一个帧大小。
SRMs 的一个主要优点是当激励减少而不损失效率时,自然地发生场弱化。这使得宽CPSR (大于10:1)没有困难。效率在高速和轻负载条件下保持良好,SRM 可在各种工作条件下提供显着的恒定效率。
SRM 也具有明显的容错能力。没有磁铁时,在绕组故障条件下不存在不受控制的转矩,电流,也不能在高速下不受控制地产生。此外,由于SRM 相位在电气上是独立的,所以如果需要的话,电动机可以在减少输出的情况下工作,但是当一个或多个相位不起作用时,电动机的转矩脉动会增加。如果设计人员需要容错和冗余,这可能很有用。
SRM 的简单结构使其耐用,制造成本低廉。不需要昂贵的材料,普通的钢制转子非常适合高速和恶劣的环境。短距离的定子线圈降低了短路的风险。此外,端匝可以很短,所以SRM 紧凑,避免不必要的定子损耗。
SRM
的功率因数低于
PM 或感应电机的功率因数,但变频器不需要合成正弦波来实现高效的电机运行。逆变器开关频率和相关的开关损耗因此很低。
SRM 的主要缺点是声学噪音和振动。这些可以通过仔细的机械设计,电子控制以及电机如何设计应用来控制。
SRM 非常适用于广泛的应用,由于其大的分离和过载转矩,越来越多地用于重型材料处
理。
范文四:开关磁阻电机
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基于DSP的开关磁阻电机调速系统
程鹤(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏 徐州 221116)
摘要:开关磁阻电机(SRM)是电机技术、电力电子技术、微机控制技术和检测技术结合的产物,是机电一体化产品。其结构简单、牢固、效率高、调速范围宽、调节参数多的优点使其应用广泛。首先介绍了SRM的原理和特点,调速系统的构成,与其发展研究概况,介绍了SRM调速系统的三种控制方式,与其优缺点,选择了适合本系统的控制方法。并证明了模糊控制器具有良好的控制效果。本文设计了基于DSP TMS320F2812的SRM调速系统的硬件设计,对系统的软件进行了整体规划、DSP资源的分配和时序的划分。最后在硬件系统平台上对设计进行了测试与比较,给出了相应实验的波形和分析,验证了控制策略的正确性,并得到了良好的动静态性能。
关键词:开关磁阻电机;模糊控制;TMS320F2812 中图分类号:TM
the design of switched reluctance motor drive system based
on DSP
Cheng He
(China University of Mining and Technology, JiangSu XuZhou 221116)
Abstract: Switched reluctance machine combines the electrical machine theories with power electronics technique and the microprocessor control technique, measurement technique .It has a lot of advantages, such as simple structure, strong structure, high efficiency, wide speed adjusting range, multivariable control. So it is used widely. Firstly, the paper introduces the theory and features of SRM, the composing of SRM drive system and research survey. SRM is a nonlinear system which is multivariable and strong coupling.And analyze the advantages and disadvantages of three control modes for SRM, then choose the best mode for this system .The paper proves that fuzzy controller has the best effect. Finally, we tested and compared the different strategies on the hardware experiment system, and got the experimental waveforms. It validates that the control strategy is correct. And the SRM drive system has a good static and dynamic performance. Keywords:SRM; fuzzy control; TMS320F2812
0 引言
SRM是随着电力电子技术,微电子技术,控制技术发展起来的机电一体化电机系统。具有结构简单、牢固、运行效率高、调速范围宽、容错能力强等一系列的优点,使其广泛应用在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中,在调速系统中占有一席之地。
TMS320f2812是TI公司专为控制应用方面开发的DSP,其片内集成了最广泛的数字化控制解决方案[1]。DSP高速的运算能力,可以开发各种复杂控制算法,同时完成检测技术,加之广泛的外围设备,使其无需附加外部硬件电路,大大提高了开关磁阻电机检测的可靠性和适用性,必将更大限度地显示SRD的优越性。
1 SRM调速系统组成
SRM调速系统由四部分组成[2]:SRM本体、控制器、功率变换器、检测器,如图1所作者简介:程鹤,(1987-),男,研究生,电力电子与电力传动. E-mail: chenghecumt@163.com
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示。
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Fig.1 The Structure of SRM Drive System
SRM是调速系统的执行元件,它将电能转换成机械能,从而带动负载运行。控制器是中枢神经,它根据位置传感器检测的信号,经过与控制信号的运算比较,来控制开关管的通断从而控制SRM的四象限运行。功率变换器是SRM调速系统能量传输的关键部分,控制SRM绕组的开通与关断,从而将电源能量传输到SRM。检测单由位置检测和电流检测环节组成,提供转子的位置信息以决定各相绕组的开通与关断,提供电流信息来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电流。
2 SRM调速系统的控制方式与控制策略
2.1 SRM调速系统的控制方式
SRM的控制就是在其运行期间,调节SRM的哪些参数及怎样调节这些参数,从而使电机达到期望的运行工况,同时保持其有较高的性能指标[3]。SRM的可调参数多是其优于其它电机调速系统的前提。根据可调SRM的相电流i、相电压U、开通角θon、关断角θoff的多种参数,通常SRM的调速可分为三种方式:电流斩波控制(CCC)、角度位置控制(APC)、电压斩波PWM控制[4]。
本系统选择低转速定角度电流斩波控制(CCC)—高转速电压斩波控制。当电机在低转速运行时,采用CCC控制,保证了电流的稳定性,减小了转矩脉动,同时也保护了功率开关器件。当电机在高速运行时,旋转电动势较大,相电流较小,采用电压PWM控制,改变了相电流波形的峰值与宽度,提高了电机的出力与效率,电压斩波控制可以加快了SRM的动态响应性能。两种控制方式各有优缺点,结合起来可使SRM在较宽的调速范围内保持较高的性能指标。
2.2 SRM调速系统的控制策略
模糊控制是一种模仿人的思维的控制方法,它把人的控制经验和策略用模糊规则来表示,建立一个模糊的推理表来控制输出,达到自动控制的目的[5]。SRM的数学模型难以建立,而模糊控制不需要精确的数学模型,以人的经验为前提,因此具有一定的优越性。可以以偏差与偏差变化率为输入,经过模糊化,输入到模糊推理表,得到模糊输出,在经过反模糊,即可得到实际的输出控制量[6]。为了达到快速的控制,可以离线计算出模糊推理表,放入微机内存中,这样可以更加快速实时的控制SRM。
图2为一个两输入单输出的模糊控制系统,输入为误差e和误差变化ec,
图2 模糊控制器系统框图 Fig.2 Fuzzy Controller Block Diagram
e=n*?n (2-1)
ec=ek?ek?1=nk?1?nk (2-2)
输出控制量为电压PWM控制信号的占空比u增量。
输入误差与误差变化,经过模糊化,再通过实际经验总结的模糊规则,进行推理和反模糊化得到了如表1所示的模糊控制表,存入DSP内存中。
表1 模糊控制表 Tab.1 Fuzzy Control Table
Δi′de′
e′
-7-6-5-4-3-2-101234567
-7-7-7-7-7-7-7-7-5-400000
-7-7-7-7-6-6-6-6-4-300000
-7-7-6-6-6-5-4-4-2-200001
-7-7-6-6-6-4-4-4-2-200012
-7-6-6-6-6-4-4-4-1-200122
-7-6-4-4-4-4-4-20012222
-6-6-4-4-4-4-3-10022222
-4-3-4-6-3-2-101234444
-2-2-2-2-20012244444
-2-2-2-2-10022244444
-2-20001124466667
-2-20002224466677
-1-10002224566677
000003446667777
000004447777777
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
1
2
3
4
5
6
7
3 基于DSP TMS320f2812 SRM调速系统硬件设计
3.1 系统硬件整体结构设计
本系统由位置传感器测出定转子相对位置为控制开关与计算转速提供信息,电流传感器完成采样测量为电流控制与保护提供依据,键盘与显示模块负责用户与系统的交互。DSP2812作为系统的主控中心,输入信号有转速的给定、位置传感器信号的捕捉、电流输入的转换、键盘的控制信息,输出有各种信息的显示、功率变换器的PWM信号,同时也完成了控制器算法的设计、及其各种逻辑信号的处理。其总体框图如图3所示。
Fig.3The Hardware Structure Of Drive System
3.2 功率变换器电路设计
常用的功率变换器电路有:不对称半桥型、双绕组型、电容分压型、H桥型、公共开关型。各种变换电路都有其不同的优缺点详细分析见参考文献[7][8]。
本系统选用了三相双开关式功率变换器主电路,其拓扑结构如图4所示。
图4 三相双开关式功率变换器主电路
Fig.4 Main Circuit of the Three-Phase Double-Switched Power Converter
当VT1、VT2导通时,电源U向SRM的A相供电;当VT1、VT2断开时,A相绕组经VD1、VD2续流,向电源回馈能量,绕组两端电压为-U,从而实现强迫换相;当VT1关断,VT2导通时,A相绕组经VD2续流,绕组两端电压为零,实现了自然换相;当VT2关断,VT1导通时,A相绕组经VD1续流,绕组两端电压为零,也实现了自然换相。单独控制或同时控制VT1或VT2可实现斩单管或斩双管控制。
3.3 位置及转速检测的硬件电路设计
SRM调速系统运行在自同步状态,通过位置传感器测出转子与定子的相对位置,从而判断相绕组的通断,实现了系统转速的闭环控制,因此位置检测是SRM系统中重要的一部分。常用的位置传感器有光电式、磁敏式、接近开关式,其中光电式检测的灵敏度最高,由光电传感器和码盘组成。其中,光电传感器被固定在SRM定子上或外壳上,码盘固定在转子上。码盘齿槽数与转子齿槽数相等且宽度相等,均为8个,均为22.5°。
三相12/8结构的SRM:m=3,θr=45o,用三个光电传感器,取k=1,则编号为1、2、3的三个传感器的夹角θg为60,均匀分布在外壳上。其放置示意图如图5所示。
o
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图5 转子位置传感器位置示意图 Fig.5 Diagram of the Rotor Position Sensor
1号光电传感器装在A相得一个定子中心线下侧11.25处,2号顺时针放置在距 1号
o
60o处,3号顺时针放置在距 2号60o处。通过三个光电传感器的信号,即可判断出转子与
定子的相对位置。图6(a)为转子逆时针旋转时,三只光电传感器输出的位置信号与对应的角度及各相电感的示意图;6(b)为转子顺时针旋转时,三只光电传感器输出的位置信号与对应角度及各相电感的示意图。
(a)逆时针旋转 (b)顺时针旋转
图6 位置信号与对应角度及各相电感示意图
Fig.6 Diagrams of the Rotor Position Signals, the Corresponding Angles and the Electrical Inductance of
Every Phase
o
从图中可以得到,三个光电传感器输出相位相差15、占空比为50%的方波信号,其上下边沿相隔7.5°,每隔45°机械角完成一次循环,即一个电气周期。转子每旋转一周,有8个循环,即8个电气周期。在一个电气周期内,三个光电传感器输出的位置检测信号有6种不同的状态,对应了6个转子的位置信息。
3.4 电流检测的硬件电路设计
在SRM调速系统中,检测电流是实现SRM电流斩波控制所必须的,同时也可检测过流信号,为保护电路提供依据。
选择霍尔电流传感器,霍尔电流传感器是一种新型的电流检测元件,它是根据霍尔原理制作成的。我们把LEM模块串接在绕组下端和下主开关的漏极之间。这样可以检测到主开关器件导通时的绕组电流和续流二极管续流阶段的绕组电流,对绕组整个工作期间的电流进行鉴测,安装如图7。
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Fig.7 Diagram of the Current Detection Circuit
LEM有3个接线端子:1、+端:正电源输入端;2、-端:负电源输人端;3、M 端:信号输出端。 由于该系列传感器输出信号为电流方式,如果要取电压输出方式, 需在M端与电源地之间根据所取电压大小外接一个取样电阻Rmax.阻值的上限由下式决定 :
Rmax=(Uc-Uce-Ri*Is)/Is
式中,Uc为电源电压,Uce为晶体管饱和压降,Is为输出电流,Ri为传感器内阻,一般电阻的数值在几十至几百欧。
4 基于DSP TMS320f2812 SRM调速系统软件设计
本系统是一个实时性很强的系统,需要能快速的响应外部事件,且DSP任务繁重,因此设计了前后台的工作方式,可以减少DSP所需的资源。
后台工作的为主程序,完成系统软硬件的初始化,以循环的方式进行数据显示;前台工作的是各种内部中断或外部中断,完成要求实时性强的工作,其中中断分为周期中断与随机中断。周期中断完成了电流、速度的检测,从而进行转速电流的调节,随机中断为键盘输入中断与各种故障保护中断,其优先级最高,可以有效的快速响应,增加系统的可靠性。
系统划分为主程序、初始化子程序、中断服务子程序。中断服务程序完成了实时性控制,其包括键盘中断服务子程序完成用户到系统的控制、定时器中断服务子程序序完成ADC转换的启动与计算速度、模数转换中断服务子程序完成对SRM各相电流的检测、捕获中断服务子程序计算SRM的转子位置信息。
主程序流程图如图8所示。
图8 主程序流程图
Fig.8 Flow Diagram of the Main Procedure
5 基于DSP的SRM调速系统实验与分析
在完成了系统的硬件和软件设计之后,进行了样机系统的实验与分析。图9为样机实验系统的实拍照片。如图9(a)为样机测试台,(b)为样机控制器系统。
(a)样机测试台 (b)样机控制器系统
图9 样机实验系统实拍照片
Fig.9 Photograph of the Experiment System for the Prototype
通过样机实验,对样机进行了空载,转速为400 r/min、600 r/min、800r/min、1000r/min的启动性能测试,转速曲线测试结果如图10所示;图中,横坐标为时间,每格代表2s;纵坐标为转速值,每格代表267 r/min。
(a) 400r/min启动 (b) 600r/min
启动
(c) 800r/min启动 (d) 1000r/min启动
图10 FUZZY控制算法下SRM启动时的转速曲线
Fig.10 Rotor Speed Curves of SRM in Starting with Fuzzy Control Algorithms
从实验结果可以看出fuzzy控制算法有较好的控制效果,超调量小,在很短的时间内达到了给定速度,有良好的动态性能,满足了实验的要求。
6 结论
本文介绍了SRM调速系统的构成特点,介绍了SRM的三种控制方式,选择了适合本统的控制方法,使用电流斩波(CCC)和电压PWM控制相结合,由于SRM的非线性和磁链的强耦合性,选择了不需要精确模型的模糊控制算法,并设计了整个调速系统的硬件结构
和软件,在实验台上进行了测试,验证了DSP控制SRM调速系统有良好的动态性能。
[参考文献] (References)
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范文五:开关磁阻电机
开关磁阻电机
Switched Reluctance Drivesystem, SRD
开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护,起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好,在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机驱动系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。
SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理,SR电机和传统电机一样,它既可将电能转换为机械能——电动运行,在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能——发电运行,其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。
开关磁阻电机的发展概况和发展趋势
“开关磁阻电机(Switched reluctance motor)”一词源见于美国学者S.A.Nasarl969年所撰论文,它描述了这种电机的两个基本特征:①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式,这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因;②磁阻性——它是真正的磁阻电机,定、转子具有可变磁阻磁路,更确切地说,是一种双凸极电机。开关磁阻电机的概念实际非常久远,可以追溯到19世纪称为“电磁发动机”的发明,这也是现代步进电机的先驱。在美国,这种电机常常被称为“可变磁阻电机(variable reluctance motor, VR电机)”一词, 但是VR电机也是步进电机的一种形式,容易引起混淆。有时人们也用“无刷磁阻电机(Brushless reluctance motor)”一词,以强调这种电机的无刷性。“电子换向磁阻电机(Electronically commutated reluctance motor)”一词也曾采用,从工作原理来看,甚至比“开关磁阻”的说法更准确—些,但也容易与电子换向的水磁直流电机相混淆。毫无疑问,正是由于英国P.J.Lawrenson教授及其同事们的杰出贡献,赋予了现代SR电机新的意义,开关磁阻电机一词也因此逐渐为人们所接受和采用。
从电机结构和运行原理上看,SR电机与大步距角的反应式步进电机十分相似,因此有人将SR电机看成是一种高速大步距角的步进电机。但事实上,两者是有本质差别的,这种差别体现在电机设计、控制方法、性能特性和应用场合等方面,见表11-1。
开关磁阻电机也可视为一种反应式同步磁阻电机,
但它与常规的反应式同步磁阻电机有许多个同之处,见表
11-2
1.1开关磁阻电机驱动系统的组成
开关磁阻电机驱动系统(SRD)主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器四部分组成,如图1-1所示。
1.1.1开关磁阻电机
SR
电机可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同相数结构,且有每极单齿结构和每极多齿结构,轴向气隙、径向气隙和轴向—径向混合气隙结构,内转子和外转子结构,低于三相的SR电机一般没有自起动能力。相数多,有利于减小转矩波动,但导致结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是二相6/4极结构和四相8/6极结构。下表
为常见SR电机定、转子极数组合方案。
三相开关磁阻电机
1.1.2控制器和位量检测器
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人的指令,实现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及外围接口电路等组成。在SRD中,要求控制器具有下述性能:
(1)电流斩波控制;
(2)角度位置控制;
(3)起动、制动、停车及四象限运行;
(4)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绕组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍耳元件或电磁线圈法进行位置检测,采用无位置传感器的位置检测方法是SRD的发展方向,对降低系统成本、提高系统可靠性有重要的意义。
1.2开关磁阻电机的工作原理
开关磁阻电机的转矩是磁阻性质,其运行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合,因磁场扭曲而产生切向磁拉力,如下图所示,具体过程如下:
当A
相绕组电流控制开关S1、S2闭合时,A相励磁,所产生的磁场力图使转子旋转到转子极轴线aa'与定子极轴线AA'的重合位置,从而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给A—B—C—D相绕组通电(B、C、D各相绕组在图中未画出),则转子便按逆时针方向连续转动起来;反之,依次给D—C—B—A相绕组通电,则转子会沿顺时针方向转动。在多相电机实际运行中,也常出现两相或两相以上绕组同时导通的情况。当q相定子绕组轮流通电一次,转子转过一个转子极距。
设每相绕组开关频率(主开关开关频率)为fPh,转子极数为Nr则SR电机的同步转速(r/min)可表示为
由于是磁阻性质的电磁转矩,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.这使得能够充分简化功率变换器电路。当主开关S1、S2接通时,A相绕组从直流电源U吸收电能,而当S1、S2断开时,绕组电流通过续流二极管VD1、VD2将剩余能量回馈给电源U。因此,SR电机具有能量回馈的特点,系统效率高。
对SRD的理论研究和实践证明,该系统具有明显的特点:
(1)电机结构简单、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,能适用于各种恶劣、高温其至强振动环境。
(2)损耗主要产生在定子,电机易于冷却;转子无永磁体,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,易于实现各种待殊要求的转矩——速度特性。
(7)在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。
(8)能四象限运行,具有较强的再生制动能力。
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