DTC的开关磁阻电机控制系统软件设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2 SRM的研究现状 1
1.2.1 SRM的发展概况 1
1.3 开关磁阻电机特点 3
1.4 开关磁阻电机的控制方法 4
1.4.1 电压斩波控制 4
1.4.2 矢量控制方式 4
1.4.3 电流斩波控制（CCC） 4
1.4.4 直接转矩控制 5
1.5 直接转矩控制技术的在历史上的发展历程以及目前的状态 5
1.6 工作安排 5
2 开关磁阻电机运行原理和数学模型 6
2.1 开关磁阻电机的结构 6
2.2 开关磁阻电机的运行原理 7
2.3 开关磁阻电机的数学模型 7
2.3.1 开关磁阻电机的基本方程 7
2.3.2 开关磁阻电机瞬时转矩方程 8
2.4 直接转矩控制策略 9
2.4.1 开关磁阻电机关于DTC的概念知识 9
2.4.2 开关磁阻电机功率变换器形式 10
2.4.3 开关磁阻电机功率变换器开关状态分析 11
2.4.4 开关磁阻电机空间电压矢量选择 11
3 基于DTC的开关磁阻电机关于MATLAB仿真分析 12
3.1 Matlab仿真软件简介 12
3.2 开关磁阻电机DTC控制仿真模型 13
3.3 功率变换器 13
3.4 转矩、磁链估算 14
3.5 转矩、磁链逻辑关系 14
3.6 定子磁链区间判断 15
3.7 开关表选择 16
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3.8 PI速度控制模块 16
3.9 仿真结果分析 18
4 开关磁阻电机调速系统设计与软件实现 20
4.1 控制系统组成 20
4.2 控制系统软件设计概述 20
4.2.1 软件开发环境介绍 21
4.2.2 DSP资源及其分配 21
4.3 主程序及相关初始化子程序设计 22
4.4 电机转速、位置子程序设计 25
4.4.1 测速原理及实现 25
4.4.2 测位原理及实现 26
4.5 电机定子电流、电压采样子程序设计 27
4.5.1 定子电流测量原理及实现 27
4.5.2 定子电压测量原理及实现 31
4.6 电流斩波起动子程序设计 32
4.7 直接转矩控制子程序设计 33
总结与展望 48
致 谢 49
参考文献 50
1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）在1970年问世。SRM的研发在1975年便获得了巨大的成功，直到出现了可以为几十千瓦级电瓶驱动的车提供动力的电机。在1960年以前，在电气传动技术诸多方面，直流传动系统一直处于领先的位置。在1960年之后的时间里，随着微电子学等知识方面的快速发展，使得交流电气传动技术发生了天翻地覆的变化，在这其中交流电动机的矢量控制方式等都快速被人们获知，其动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美，于是出现了交流传动取代直流传动的趋势。但是，交流传动系统本身着某些缺陷，比如内部构造复杂并且制造成本昂贵，并且性能并没有完全的便推出了与以往不同的交流调速系统也就是本文要研究的开关磁阻电动机调速系统[1~3]。
1.2 SRM的研究现状
1.2.1 SRM的发展概况
SRM的概念起始于19世纪的40年代。两个英籍科学家与随后制造出了用于机车的电动机，其构成只是简单的磁铁。在那个时代，科学家将控制线圈隔断电源时，由于在电路设计中存在不足，比如其中无用于释放能量的续流二极管电路，而整个系统是用机械开关控制电磁铁的得电与失电，故电动机的一些指标并没有预想中的好。以至于人们并没有过多的去注意SRM的发展。
伴随着时间的发展，在市面上便出现了能够让SRD（开关磁阻电动机调速系统，Switched Reluctance Motor Drives，SRD）为人们大量使用给予条件的的大功率晶闸管，便开始对SRD有了规模性的研究。在随后10年，位于北美洲的一家企业在当时推出了一款SRD，这款SRD兼电动和发电机运行两种状态，特别适合在由平时人们常骑的电动车上面，同时能够发挥出很好的性能。
1980年Lawrenson教授向全世界提出了变速开关磁阻电动机的一篇文章，Lawrenson教授的在文中叙述了SRM的概念与创造时的理念，他发现与原有的磁阻电机相比，新式的电机在控制、效率上面可以匹敌交流感应电机甚至更加优秀[1]。
在随后的四年，TASC Drives公司在一次会议上向大众推出了其公司四种规格系列的产品。而由于TD公司所生产的产品确实在许多指标上达到了人们所期望的效果，并且其系列综合性价比也极高。很快拥有这些优点的产品在整个电气传动界引起了人们的极大关注[4]。
1.2.2 SRM主要研究方向
SRM主要从下列几个方面进行研究：
（1）SRM建模的研究
准确的创设SRM的数形模型并且对其切确地描写，这于某种程度上将会对电机的设计和性能分析上产生较大的影响，也有利于对于与电机进行更好地控制。在现在就有许多种SRM的磁链建模要领[5]。
（2）SRM转矩脉动和噪声的研究
SRD在使用过程中最为突出的不足就是SRM转矩脉动还有其产生的噪音，这些缺点使得SRM不能胜任一些场合。由于存在这些缺点，人们进行了降低SRM噪声方面的相关课题[6,7]。
对于发出的噪声，如果降低应用在定子上的径向力就可以有效地降低SRM发出的声音。可从两个方向入手减少电动机的转矩脉动：第一个要领就是从其整体的设计入手，而在整体的布局上完成符合要求的齿极形的形状，符合的气隙等；第二个要领就是从SRM运行方面入手，努力保证各个电机参数符合相关的要求。而符合要求的电机运行要领来源主要来自于SRD的动态上的性能。
（3）SRM关于研究无位置传感器转子位置检测技术
SRM在正常工作中的位置检测环节是非常有必要的，因为其测试到的相关信息可以用于绕组开通与切断，也能把电动机的转速信息送给转速闭环控制。传统的控制系统采用光电式、电磁式的器件来用于测量转子处于何种状态。但是随着时代的发展，电机相数也在慢慢的增加，而直接导致的就是传感器数量会比以前有所增加。而转子位置传感器的存在是有负面影响的，例如其导致了系统更加的复杂，给安装、调试人员的安装、调试带来了很大的难度，使得SRM整体并不复杂的这一优点不复存在，给电机在较高速度运行控制的时候带来困难[10]。
对SRM进行调节的主要项目和要领有几个方面：开通角，关断角，电流PWM，电压PWM等。如果可以人为控制的参数较多，也就可以轻便的的控制电机，可以按照实际和所需的状态，对电机采用不同控制方法并且对电机采用不同的参数值，这样可使电机处于最佳运行状态。
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2 SRM的研究现状 1
1.2.1 SRM的发展概况 1
1.3 开关磁阻电机特点 3
1.4 开关磁阻电机的控制方法 4
1.4.1 电压斩波控制 4
1.4.2 矢量控制方式 4
1.4.3 电流斩波控制（CCC） 4
1.4.4 直接转矩控制 5
1.5 直接转矩控制技术的在历史上的发展历程以及目前的状态 5
1.6 工作安排 5
2 开关磁阻电机运行原理和数学模型 6
2.1 开关磁阻电机的结构 6
2.2 开关磁阻电机的运行原理 7
2.3 开关磁阻电机的数学模型 7
2.3.1 开关磁阻电机的基本方程 7
2.3.2 开关磁阻电机瞬时转矩方程 8
2.4 直接转矩控制策略 9
2.4.1 开关磁阻电机关于DTC的概念知识 9
2.4.2 开关磁阻电机功率变换器形式 10
2.4.3 开关磁阻电机功率变换器开关状态分析 11
2.4.4 开关磁阻电机空间电压矢量选择 11
3 基于DTC的开关磁阻电机关于MATLAB仿真分析 12
3.1 Matlab仿真软件简介 12
3.2 开关磁阻电机DTC控制仿真模型 13
3.3 功率变换器 13
3.4 转矩、磁链估算 14
3.5 转矩、磁链逻辑关系 14
3.6 定子磁链区间判断 15
3.7 开关表选择 16
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3.8 PI速度控制模块 16
3.9 仿真结果分析 18
4 开关磁阻电机调速系统设计与软件实现 20
4.1 控制系统组成 20
4.2 控制系统软件设计概述 20
4.2.1 软件开发环境介绍 21
4.2.2 DSP资源及其分配 21
4.3 主程序及相关初始化子程序设计 22
4.4 电机转速、位置子程序设计 25
4.4.1 测速原理及实现 25
4.4.2 测位原理及实现 26
4.5 电机定子电流、电压采样子程序设计 27
4.5.1 定子电流测量原理及实现 27
4.5.2 定子电压测量原理及实现 31
4.6 电流斩波起动子程序设计 32
4.7 直接转矩控制子程序设计 33
总结与展望 48
致 谢 49
参考文献 50
1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）在1970年问世。SRM的研发在1975年便获得了巨大的成功，直到出现了可以为几十千瓦级电瓶驱动的车提供动力的电机。在1960年以前，在电气传动技术诸多方面，直流传动系统一直处于领先的位置。在1960年之后的时间里，随着微电子学等知识方面的快速发展，使得交流电气传动技术发生了天翻地覆的变化，在这其中交流电动机的矢量控制方式等都快速被人们获知，其动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美，于是出现了交流传动取代直流传动的趋势。但是，交流传动系统本身着某些缺陷，比如内部构造复杂并且制造成本昂贵，并且性能并没有完全的便推出了与以往不同的交流调速系统也就是本文要研究的开关磁阻电动机调速系统[1~3]。
1.2 SRM的研究现状
1.2.1 SRM的发展概况
SRM的概念起始于19世纪的40年代。两个英籍科学家与随后制造出了用于机车的电动机，其构成只是简单的磁铁。在那个时代，科学家将控制线圈隔断电源时，由于在电路设计中存在不足，比如其中无用于释放能量的续流二极管电路，而整个系统是用机械开关控制电磁铁的得电与失电，故电动机的一些指标并没有预想中的好。以至于人们并没有过多的去注意SRM的发展。
伴随着时间的发展，在市面上便出现了能够让SRD（开关磁阻电动机调速系统，Switched Reluctance Motor Drives，SRD）为人们大量使用给予条件的的大功率晶闸管，便开始对SRD有了规模性的研究。在随后10年，位于北美洲的一家企业在当时推出了一款SRD，这款SRD兼电动和发电机运行两种状态，特别适合在由平时人们常骑的电动车上面，同时能够发挥出很好的性能。
1980年Lawrenson教授向全世界提出了变速开关磁阻电动机的一篇文章，Lawrenson教授的在文中叙述了SRM的概念与创造时的理念，他发现与原有的磁阻电机相比，新式的电机在控制、效率上面可以匹敌交流感应电机甚至更加优秀[1]。
在随后的四年，TASC Drives公司在一次会议上向大众推出了其公司四种规格系列的产品。而由于TD公司所生产的产品确实在许多指标上达到了人们所期望的效果，并且其系列综合性价比也极高。很快拥有这些优点的产品在整个电气传动界引起了人们的极大关注[4]。
1.2.2 SRM主要研究方向
SRM主要从下列几个方面进行研究：
（1）SRM建模的研究
准确的创设SRM的数形模型并且对其切确地描写，这于某种程度上将会对电机的设计和性能分析上产生较大的影响，也有利于对于与电机进行更好地控制。在现在就有许多种SRM的磁链建模要领[5]。
（2）SRM转矩脉动和噪声的研究
SRD在使用过程中最为突出的不足就是SRM转矩脉动还有其产生的噪音，这些缺点使得SRM不能胜任一些场合。由于存在这些缺点，人们进行了降低SRM噪声方面的相关课题[6,7]。
对于发出的噪声，如果降低应用在定子上的径向力就可以有效地降低SRM发出的声音。可从两个方向入手减少电动机的转矩脉动：第一个要领就是从其整体的设计入手，而在整体的布局上完成符合要求的齿极形的形状，符合的气隙等；第二个要领就是从SRM运行方面入手，努力保证各个电机参数符合相关的要求。而符合要求的电机运行要领来源主要来自于SRD的动态上的性能。
（3）SRM关于研究无位置传感器转子位置检测技术
SRM在正常工作中的位置检测环节是非常有必要的，因为其测试到的相关信息可以用于绕组开通与切断，也能把电动机的转速信息送给转速闭环控制。传统的控制系统采用光电式、电磁式的器件来用于测量转子处于何种状态。但是随着时代的发展，电机相数也在慢慢的增加，而直接导致的就是传感器数量会比以前有所增加。而转子位置传感器的存在是有负面影响的，例如其导致了系统更加的复杂，给安装、调试人员的安装、调试带来了很大的难度，使得SRM整体并不复杂的这一优点不复存在，给电机在较高速度运行控制的时候带来困难[10]。
对SRM进行调节的主要项目和要领有几个方面：开通角，关断角，电流PWM，电压PWM等。如果可以人为控制的参数较多，也就可以轻便的的控制电机，可以按照实际和所需的状态，对电机采用不同控制方法并且对电机采用不同的参数值，这样可使电机处于最佳运行状态。
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