基于dSPACE开关磁阻电机控制系统的开发与研究

论文摘要

I开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SRM),作为一种新型的机电一体化调速电机,以其结构简单、可靠性强、效率高、成本低和调速性能好等优点已广泛应用于牵引运输、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域。由于开关磁阻电机严重的非线性以及变结构、变参数特性增加了它的控制难度,近年来很多学者尝试结合先进的智能控制策略来实现开关磁阻电机的控制。但因为开关磁阻电机自身的结构与特点,很难得到一种通用的、简单的、准确的开关磁阻电机模型,使得一般的离线仿真对先进智能控制策略的设计与验证已不能满足要求。因此,本文将半实物仿真技术应用在开关磁阻电机的控制中,开发了一套基于dSPACE半实物仿真平台的开关磁阻电机控制系统。论文首先介绍了开关磁阻电机的发展状况、原理以及国内外的研究热点,并提出在控制器的设计与开发过程中采用半实物仿真技术的意义。在此基础上介绍了dSPACE半实物仿真系统的特点、构成以及其快速原型理论。然后对整个控制系统的功率驱动部分进行了设计与开发,使其适用于50W ~3 kW的四相开关磁阻电机。通过比较开关磁阻电机的几种基本控制方式与常见功率变换电路,本文选用了电压PWM斩波控制为该系统的主要控制方式。为了便于电压PWM斩波控制,在功率变换电路的设计上采用了主回路PWM斩波的功率变换电路结构。另外,为了满足功率驱动器件与隔离电路等低压电源的供电,设计了一套拥有6路独立输出的开关电源。在电机的控制策略方面,本文引入了单神经元自适应PID控制器。分别从单神经元自适应PID控制器原理、控制模型的总体结构规划、具体模型设计几个方面详细地说明了整个控制模型的设计过程。并以一台1.1kW的四相8/6极开关磁阻电机为实验对象,对系统的动态响应性能进行了测试,得到了良好的控制效果。最后,针对dSPACE使用过程中的一些问题,提出了采用FPGA来实现dSPACE功能扩展这种解决途径。文中在提出dSPACE工作原理以及功能扩展基本策略的基础上,详细叙述了I/O扩展、PWM扩展、A/D扩展的实现方式,对各个模块的功能实现流程逐一进行了说明。通过扩展前后的实验对比,进一步证实了功能扩展的良好效果。通过本文的工作,不仅开发了一套基于dSPACE的开关磁阻电机控制系统,方便地验证了单神经元自适应PID算法的有效性,还在应用该控制系统的基础上归纳出了一套快速开发方法,以此来提高开关磁阻电机控制器的开发效率,缩短开发时间。另外,通过运用FPGA对dSPACE实现了功能扩展,一定程度上解决了dSPACE平台使用过程中的问题,该扩展方式也为dSPACE平台的应用提供了一种新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 开关磁阻电机的发展概况
• 1.2 开关磁阻电机的原理与特点
• 1.2.1 开关磁阻电机的原理
• 1.2.2 开关磁阻电机的特点
• 1.3 开关磁阻电机控制器的基本构成
• 1.4 国内外研究热点
• 1.5 选题背景与主要研究内容
• 第二章 dSPACE 半实物仿真技术介绍
• 2.1 系统仿真技术简介
• 2.1.1 数学仿真
• 2.1.2 半实物仿真技术
• 2.2 dSPACE 半实物仿真系统简介
• 2.2.1 dSPACE 半实物仿真系统的特点
• 2.2.2 dSPACE 半实物仿真系统的构成
• 2.2.3 快速原型（RCP）理论
• 第三章 基于 dSPACE 的控制系统硬件设计开发
• 3.1 开关磁阻电机的基本控制方式
• 3.2 功率变换电路设计
• 3.2.1 常见逆变电路的类型
• 3.2.2 功率电路的设计与器件选择
• 3.3 开关电源设计
• 3.3.1 单片开关电源原理
• 3.3.2 基于TOP-Switch246 的开关电源设计
• 第四章 基于单神经元自适应PID 算法的控制模型
• 4.1 单神经元自适应PID 控制原理
• 4.2 控制模型的总体结构设计
• 4.3 模型基础模块设计与实现
• 4.3.1 位置信号处理模块
• 4.3.2 换相逻辑控制模块
• 4.3.3 速度计算模块
• 4.3.4 PWM 斩波模块
• 4.4 单神经元自适应PID 控制器模型
• 第五章 测试结果分析与基于 dSPACE 的快速开发
• 5.1 实验对象与测试平台
• 5.2 结果分析
• 5.3 基于 dSPACE 的快速开发方法
• 第六章 基于 FPGA 的 dSPACE 功能扩展技术研究
• 6.1 FPGA 应用简介
• 6.2 dSPACE 功能扩展的目的与总体设计
• 6.2.1 dSPACE 功能扩展的目的
• 6.2.2 总体结构设计
• 6.3 功能扩展中的关键技术
• 6.3.1 控制指令表
• 6.3.2 FPGA 具体功能模块设计
• 6.3.3 dSPACE 总线管理模块设计
• 6.4 功能扩展前后效果对比
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的成果