基于DSP的电励磁双凸极电机系统数字控制技术的研究
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摘要
电励磁双凸极电机是一种新型交流无刷电机，它具有简单的结构、高可靠性、较高的能量密度和高速运行能力。将DSP技术应用于双凸极电机的控制不仅简化了系统的硬件结构，还可以实现各种优化控制方法。
本文首先简要介绍了电励磁双凸极电机的结构、数学模型以及电动和发电工作的原理。在此基础上提出了用Pspice软件建立双凸极电机电动和发电系统的仿真模型的方法。由于双凸极电机电动工作时需要知道转子位置角，并根据转子位置角来确定电机定子各相绕组通电顺序和变换器功率管工作时间，本文介绍了角度控制与电机转向的关系，并对基于全桥变换器的双凸极电动机换相角与相电流及输出转矩的关系进行了理论分析和仿真验证，提出了优化双凸极电机换相角的方法。
本文还分别介绍了基于DSP的双凸极电机电动和发电系统的软硬件实现。其中，电动系统主要介绍了实现电机的转速、电流双闭环以及换相角优化控制的方法。发电控制系统主要介绍了一种具有自检功能的双凸极电机调压器的软硬件设计方法。
最后，分别对电励磁双凸极电机电动控制器和发电机调压器试验验证系统进行了实验，实验结果表明两个系统都具有良好的性能，验证了理论分析和数字仿真以及系统软、硬件设计的正确性。
Doubly Salient Electro-Magnetic Motor is a relatively new type of AC brushless machine, which offers an excellent balance between cost, reliability, power density, and high-speed capability. The use of Digital Signal Processor (DSP) controller simplifies the control system, and makes it possible to implement optimized control algorithms.
First, this thesis introduces the basic structure, static characteristic, operation principle of Doubly Salient Electro-Magnetic Motor and Generator. Then the thesis introduces the modeling of Doubly Salient Electro-Magnetic Motor and Generator using Pspice. Rotor position must be known to determine the working sequence of each phase and the time they works. Angle-control affects the direction of the motor. It also affects the current waveforms in windings and then affects the torque. This thesis analyzes the angle-control theory and proposes a way to find the optimized angle. Simulation is performed to verify the results.
This thesis introduces the hardware and software design of the digital control system of Doubly Salient Electro-Magnetic Motor, which mainly discusses the speed and current loops and angle optimization control. The design of a digital voltage regulator with Built-in-Test function using Doubly Salient Electro-Magnetic Generator is also introduced.
Prototypes of Doubly Salient Electro-Magnetic Motor and Generator control system is set up. The experiment results are obtained on the prototypes, which prove that the theories and analysis are correct.
本文首先简要介绍了电励磁双凸极电机的结构、数学模型以及电动和发电工作的原理。在此基础上提出了用Pspice软件建立双凸极电机电动和发电系统的仿真模型的方法。由于双凸极电机电动工作时需要知道转子位置角，并根据转子位置角来确定电机定子各相绕组通电顺序和变换器功率管工作时间，本文介绍了角度控制与电机转向的关系，并对基于全桥变换器的双凸极电动机换相角与相电流及输出转矩的关系进行了理论分析和仿真验证，提出了优化双凸极电机换相角的方法。
本文还分别介绍了基于DSP的双凸极电机电动和发电系统的软硬件实现。其中，电动系统主要介绍了实现电机的转速、电流双闭环以及换相角优化控制的方法。发电控制系统主要介绍了一种具有自检功能的双凸极电机调压器的软硬件设计方法。
最后，分别对电励磁双凸极电机电动控制器和发电机调压器试验验证系统进行了实验，实验结果表明两个系统都具有良好的性能，验证了理论分析和数字仿真以及系统软、硬件设计的正确性。
Doubly Salient Electro-Magnetic Motor is a relatively new type of AC brushless machine, which offers an excellent balance between cost, reliability, power density, and high-speed capability. The use of Digital Signal Processor (DSP) controller simplifies the control system, and makes it possible to implement optimized control algorithms.
First, this thesis introduces the basic structure, static characteristic, operation principle of Doubly Salient Electro-Magnetic Motor and Generator. Then the thesis introduces the modeling of Doubly Salient Electro-Magnetic Motor and Generator using Pspice. Rotor position must be known to determine the working sequence of each phase and the time they works. Angle-control affects the direction of the motor. It also affects the current waveforms in windings and then affects the torque. This thesis analyzes the angle-control theory and proposes a way to find the optimized angle. Simulation is performed to verify the results.
This thesis introduces the hardware and software design of the digital control system of Doubly Salient Electro-Magnetic Motor, which mainly discusses the speed and current loops and angle optimization control. The design of a digital voltage regulator with Built-in-Test function using Doubly Salient Electro-Magnetic Generator is also introduced.
Prototypes of Doubly Salient Electro-Magnetic Motor and Generator control system is set up. The experiment results are obtained on the prototypes, which prove that the theories and analysis are correct.
引文
[1] Y. Liao, T. A. Lipo, "A New Doubly Salient Permanent Magnet Motor for Adjustable Speed Drives", Proceed. of Electric Machines and Power Systems, 1994, pp.259-270.
[2] Blaabjerg Frede. New advanced control methods for doubly salient permanent magent motor[J]. IEEE Trans. Ind. Appl., 1995, 31(3): 222～230
[3] Y. Li, T. A. Lipo, "A doubly Salient Permanent Magnet Motor Capable of Field Weakening", IEEE, 1995, pp. 565-571.
[4] Y. Liao, F. Liang, T. A. Lipo, "A Novel Permanent Magnet Motor with Doubly Salient Structure", Porceed. of LAS'92, 1992, pp. 308-314.
[5] Chau. K.T. and Cheng. Ming. Performace ayalysis of 8/6-pole doubly salient permanent magnet[J]. Motor. Electric Maxhines and Power System, 1999,1055～1067
[6] Cheng, M., Chau, K. T., and Chan, C. C., 1998, "A New Doubly Salient Permanent Magnet Motor", Proceedings of International Conference on Power Electronics Drivers and Energy Systems for Industrial Growth, pp. 2-7.
[7] Cheng, M., Chau, K. T., and Chan, C. C., 1999, "Static Characteristics of a New Doubly Salient Permanent Magnet Motor", Proceedings of IEEE International Electric Machines and Drives Conference, pp. 22-44.
[8] Cheng, M., Chau, K. T., and Chan, C. C., 2000, "Performance Analysis of Split-Winding Doubly Salient Permanent Magnet Motor for Wide Speed Operation", Proceedings of IEEE International Electric Machines and Drives Conference, pp. 277-288.
[9] 程明，双凸极永磁电机的运行原理及其稳态特性的线性分析[J]，科技通报，1997，第1期：16～20
[10] 孟小利 严仰光，双凸极永磁电机的发展及现状[J]，南京航空航天大学学报，1998，第3期：330～335
[11] 杨振浩 周波．电励磁双凸极电机调速系统的原理与实现[J] 南京航空航天大学学报 2003年35(2)132～136
[12] 孟小利 严仰光，4／6极与8／12极双凸极永磁电机的比较，微特电机，2002，第2期：24～25
[13] 相蓉 周波 孟小利．双凸极电机转矩脉动的仿真研究[J] 南京航空航天大学学报 2001年33(3) 366～371
[14] 相蓉 周波 基于SIMULINK／PSB的电励磁双凸极电机系统的建模与仿真[J] 电机与控制学报 2003年7(2)96～102
[15] 相蓉 周波 永磁双凸极电机绕组互感对电流特性影响的理论与仿真分析[J] 南京航空航天大学学报2003年35(2)125～131
[16] 周波 相蓉 王川云 电磁式双凸极电机电磁特性的理论分析[J] 航空学报2003年24(4)355～359
[17] 杨振浩 周波．电励磁双凸极电机调速系统的原理与实现[J] 南京航空航天大学学报2003年35(2)132～136
[18] 曹啡 相蓉 周波 基于DSP的新型双凸极电机的控制原理与实现[J] 南京航空航天大学学报2003年35(4)345～350
[19] 黄秀留，双凸极永磁电机基础理论分析[学位论文]，东南大学，1998
[20] 王川云，双凸极无刷直流起动发电系统起动控制的研究与实现[学位论文]，南京航空航天大学，2002
[21] 韦海荣，电励磁式双凸极电机调速系统研究[学位论文]，南京航空航天大学，2002
[22] 相蓉，基于DSP的电励磁双凸极电机调速系统数字控制技术研究[学位论文]，南京航空航天大学，2003
[23] 杨振浩，基于全桥变换器电励磁双凸极电机调速系统的研究[学位论文]，南京航空航天大学，2003
[24] 陈志辉，无刷发电机数字调压器技术的研究[学位论文]，南京航空航天大学，2000
[25] 陈一清，某型飞机交流电源系统电压调节器的研究[学位论文]，南京航空航天大学，1998
[26] Texas Instructments, TMS320F2407A DSP Controllers, data sheet 2002
[27] Texas Instructments, TMS320LF/LC240xA DSP Controllers Reference Guide System and Peripherals, 2001
[28] Irfan Ahmed, Implementation of PID and Deadbeat Controllers with TMS320 Family, application report, 1997
[29] Micheal T. DiRenzo Switch Reluctance Motor Control—Basic Operation and Example Using the TMS320F240,2000
[30] Texas Instructments, TMS320C1x/c2x/c2xx/c5x Assembly Language Tools User's Guide, 1995
[31] Texas Instructments, TMS320C2x/c2xx/c5x Optimizing C Compiler User's Guide, 1996
[32] 李景华 等编著，可编程逻辑器件与EDA技术，东北大学出版社，2000
[33] 候伯亭 等编著，VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计，西安电子科技大学出版社，1997
[34] 刘迪吉 等编著，开关磁阻调速电动机，机械工业出版社，1994
[35] 王宏华 等编著，开关型磁阻电动机调速控制技术，机械工业出版社，1995
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