基于F2812的开关磁阻电机控制系统研究文献综述

文 献 综 述

1. 基于F2812的开关磁阻电机控制系统研究课题背景与意义

开关磁阻电动机驱动系统(SRD)是八十年代中期发展起来的新型调速系统。它是继异步电动机变频调速系统之后崛起的一种很有发展前景的变速拖动系统^[1]。它融电力电子技术、微电子技术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化技术，具有优良的调速性能，与直流调速系统和异步电动机变频调速系统相比较，具有结构简单、成本低、损耗小、效率高、可控参数多、控制灵活、起动电流小、起动转矩大，因此，开关磁阻电机一问世就引起国内外电工界的广泛关注，深信它将在电子传动自动化领域中占有重要地位^[2]。本文使用的控制器以 TI 公司的 TMS320F2812为主控单元，由于 DSP 集成了丰富的外设资源可大大减少控制系统外围电路所需的元器件，简化了系统设计，提高了系统的可靠性^[3]。功率变换器的设计遵循结构匹配、效率高、控制方便的原则，在比较了多种功率变换器的结构优缺点的基础上，采用了一种主开关器件最少的方案，使得设计成本低、控制简单、安全可靠。系统控制软件采用模块化编程的方法，增强了程序的可读性和易操作性^[4]。因为开关磁阻电机采用的是双凸极结构，高度饱和，故开关磁阻电机调速系统本身是一个时变、非线性系统。磁阻转矩是定子电流和转子位置的非线性函数，传统的线性控制方法难以满足动态较快的 SR 电动机非线性、变参数要求，因此，与一般电机相比，SR 电机转矩脉动比较明显，由此引起电机噪声及转速波动，这就限制了它的应用。为了加紧对 SR 电机调速系统的研究，一方面从理论分析入手，对SR 电机本体进行优化设计；另一方面优化控制策略，减小转矩脉动，降低噪声，使开关磁阻电机充分发挥其优点，在工业控制领域和家电行业得到更广泛的应用。如若能进一步提高开关磁阻电机的动态性能，仅从节能方面考虑，只要节能 5%就可带来巨大的经济和社会效益。

2. 基于F2812的开关磁阻电机控制系统研究研究课题的国内外研究现状的介绍以及应用

2.1各方法的原理

　经典 PI 控制，主要方法有：基于规则的智能 PI 自学习控制算法、加辨识信号的智能自整定 PI 控制算法、专家式智能自整定 PI 控制算法、模糊 PI 控制算法、基于神经网络的 PI 控制算法、自适应 PI 预测智能控制算法和单神经元自适应 PI 智能控制等多种控制算法^[5]。模糊控制，主要方法有：Fuzzy-PI 复合控制，自适应模糊控制，专家模糊系统，神经模糊控制，多变量模糊控制^[6]。

2.2优缺点分析

经典 PI 控制，PI 调节器的特点是原理简单、适应性强、鲁棒性强，最突出的特点在于它不依赖于对象的精确模型，可以解决工业过程精确建模的困难。由于其应用时间较长，控制工程师们己经积累了大量的 PI 控制器参数的整定及调节经验。随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统：其中有的参数未知或缓慢变化，有的带有延时或随机干扰，有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。加之人们对控制品质的要求日益提高，常规 PI 控制的缺陷逐渐暴露出来。对于时变对象和非线性系统，传统的 PI 控制更是显得无能为力。因此常规 PI 控制的应用受到很大限制和挑战。模糊控制，模糊控制技术己经成为智能控制技术的一个重要分支，它是一种高级算法策略和新颖的技术。在其它经典控制理论和现代控制理论不太有效的场合，如具有纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性不确定性及分布参数系统中，模糊控制能够获得比较满意的结果。模糊控制器的定义、性能、算法、鲁棒性、电路实现方法、稳定性、规则自调整等方面取得了大量的成果^[6,7]。但单一的模糊控制器也存在一定缺陷。下述问题是模糊控制应用中经常碰到的：精度不太高，主要是由于模糊控制器的档次有限而造成的，通过增加档次数目可提高精度，但查询表过于庞大，需占用较大空间，使运算时间增加。模糊控制器若不引入积分机制，原则上稳态误差总是存在的。自适应能力有限，由于简单模糊控制器中查询表一旦确定后就不再改变，量化因子、比例因子也是如此，这样当对象参数发生漂移时，它不能对自己的控制规则进行适当而有效的调整，从而使其性能得不到充分发挥。由于难以建立开关磁阻电机精确的数学模型，这对于依赖精确数学模型的经典控制系统来说，传统的 PI ，PID 控制在非线性、变结构的条件下，精度低且易出现不稳定的现象。故其不适用于开关磁阻电机。其它的一些现代控制理论如滑模变结构控制、状态空间控制、自适应反馈校正控制等应用于开关磁阻电机的控制，可取得较好的控制效果但应用比较复杂。而现代智能控制方法模糊控制应用于开关磁阻电机的控制可取得较好的控制效果并且实现比较简单^[8,9]。

2.3适用范围

电动车辆的驱动系统 具有串励特性的 SRM，适合车辆电驱动应用。美国有好几家公司如：Delphi Automofire Systems, Emergenix Ccnfcr, Aisin SelkiCo Ltd，意大利国家科学院，意大利菲来特汽车公司，中国的东风汽车公司和华中科技大学都已成功地开发了电动车驱动系统用的开关磁阻电机驱动系统，运行试验表明它能满足车辆性能的要求，是电动车驱动系统优选方案之一。中国矿业大学研发的矿车驱动取得成功，南京航空航天大学也成功的开发了电动摩托车。

车辆、飞机等的起动/发电机 SRM 在发电工作时输出脉冲电流，若配以储能元件如蓄电池或电容，可以作为直流电源应用，如小型风力发电机、汽车发电机及航空发电机应用。特别是由于 SRM 起动性能好，电动发电双功能可控性好、实现容易，因此在直流电源体制下做汽车和飞机的起动/发电机有独特的优越性，美国在航天飞机中已有数百架应用 SR 电机作为起动/发电机，SUNDSTRAND 公司的 80kW SRM 起动/发电机在第四代战斗机中应用。而且近几年来许多国家正在或者已经应用 SRM 作为汽车中的起动/发电。国内也有少数院校正在从事这方面研究，像南京航空航天大学成功研制的开关磁阻起动/发电机得到很高的评价^[10,11]。

矿山、石油钻井等恶劣环境下用的牵引输送机械的驱动系统 英国、中国已有许多煤矿石油钻井机械采用 SRM 作为驱动系统。山西防爆电机厂生产的 SRM 防爆电机也在煤矿井下有所应用。

控制电机应用 Besam 的自动门执行机构，低速(300r/min, 5Nm)，3相，12/8 极，非常精确的速度和位置控制，从 1993 年开始生产，每年产量 2万多套。我国研发的电动门智能驱动、机械手关节驱动初有成效，在电缆、纺织行业作恒线速度或张力控制传动，电脑控制工业缝纫机专用驱动等都有成功的应用^[12]。

家用电器 SRM 结构简单、性价比高是家用电器驱动得到优选的重要原因。如洗衣机采用 SRM 直接驱动，可简化结构、提高性能。美国Emerson、北京中纺总会电机研究所、扬州中凌高科技发展有限公司等已分别研制出用十滚筒洗衣机及其它洗衣机用的 SRD 系统。韩国 LG 公司生产的SRM 小型风机也可以在家电装置中应用。基于 SRM 高速适应性好，在吸尘器、地板磨光机等家电中应用的成果也有所见^[13]。

龙门刨床 太原第一机床厂在 BQ20100A 轻便龙门刨床上采用 15kW SRD 系统取代了机械复杂且使用维护比较麻烦的电磁离合器传动和价格昂贵的SCR-D 传统系统，提高了刨床生产效率。山东科汇集团使用一台 CRM 代替原来的电动机来拖动刨床工作平台的主运动，通过 PLC 的控制可以实现平台的步进、步退、前进、自动后退、自动停止和磨床功能。

纺织机 Brother 公司制造的10000 r / min的特殊纺织机，中纺总会电机研究所开发的 KC 系列 SRD 系统，在涤纶抽丝机、可逆轧机、高速平缝机以及造纸机等多种不同应用场合得到成功应用。

3. 基于F2812的开关磁阻电机控制系统研究课题应用前景

数学模型的研究 数学模型是控制理论应用的基础。在以往的研究过程中，人们已经提出了各种各样的开关磁阻电动机数学模型^[14]。但是它们在模型的精确性和简单性方面都无法同时兼顾。因此，SR 电动机数学模型的研究将继续发展。

功率变换器方案确定和主开关元器件选择 开关磁阻电动机调速系统的性能和制造成本，在很大程度上取决于功率变换器主电路的结构形式，因此功率变换器的研究意义重大。

消除转矩脉动控制 SR电动机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因素的影响，如电动机结构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等。由于SR 电动机的双凸极结构，电磁特性以及开关元器件的非线性影响，采用传统控制策略得到的合成转矩不是恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动，这点限制了 SRD 在一些直接驱动领域的应用^[15]。

微处理器和专用集成电路的应用 开关磁阻电动机能够正常工作的关键是每相开关导通、关断的实时控制，对起动、运行、故障保护也要实时控制。

无转子位置检测方案 位置检测是 SR 电动机同步运行的基础，也是SR 电动机区别于步进电机的主要方面之一，SR 电动机的各种高级控制技术都是以高精度的位置检测为首要条件，这不仅增加了系统的体积和成本，而且降低了系统的可靠性。

正是由于它是一项正在发展的新技术，故在许多方面还有待完善。因为它的发展历史短，SRD 涉及的范围很广，包括电机、电子、微机、控制、机械等多方面。目前还存在很多课题和研究方向：如优化设计、系列产品开发、相数的研究与选择、驱动电源研制、高速电机的开发、振动噪声的研究、铁耗与效率研究、无位置检测器方案研究等

^[16]。

参考文献（不少于15篇）

[1]. 李文海，庞庆平，陈巧芝．开关磁阻电机驱动系统的发展及应用[J]．节能技术，2009，1(27)：44-48．

[2]. 王宏华．开关型磁阻电动机调速控制技术[M]．机械工业出版社，1995，1-10．

[3]. 姚金，王彦梅．新型DSP芯片TMS320F2812在电机控制系统中的设计应用[J]．微型电脑应用，2007，10(23)：31-33．

[4]. 杨贵娟．基于DSP 的开关磁阻电动机控制系统的研究[D]．哈尔滨，哈尔滨理工大学，2009．

[5]. 杨辉，王金章．模糊控制技术及其应用[M]．江西：江西科学技术出版社，1997 ，13-16．

[6]. 李士勇．模糊控制、神经网络控制和智能控制理论[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996，14-27．

[7]. 章国良，曾静，柯熙政．模糊控制及其 Matlab 应用[M]．西安：西安交通大学出版社，2002，12-27．

[8]. T M2-Miller． J． E， Switched Reluctance Motors and Their Control[J]，Magna Physics Publishing，Hillsboro,OH，and Oxford，1993，2-5．

[9]. O C Kjaer，J J Gribble，T J E Miller． High-grade control of switched reluctance machine[J]，IEEE Trans Ind. Applicant，1997，33(7)：2-7．

[10]. S Mohammad． Islam， H Iqbal．Torque-Ripple Minimization with Indirect Position and Speed Sensing for Switched Reluctance Motors[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2000， 47(5)： 1126-1133．

[11]. 葛宝明，开关磁阻电机控制策略综述，电气传动，2001，8-13．

[12]. 童华．磁组电机动态特性的非线性分析与计算机仿真[M]．北京：科学出版社，2000，1-17．

[13]. 何伟挺．无位置传感器的开关磁阻电动机[D]．硕士论文，浙江大学，2006，1-25．

[14]. 金英．3kW 开关磁阻电动机调速系统设计[D]．硕士论文，浙江大学，2005，1-20．

[15]. 陈哲明．开关磁阻驱动系统一控制策略研究与系统设计[D]．硕士论文，浙江大学，2006，3-15．

[16]. 路秀芬．浅议 SRD 控制技术的发展趋势[J]．科技情报开发与经济，2002，15(4) ：1-10．