开关磁阻电机 控制

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摘 要

开关磁阻电机是上世纪70年代发展起来的新型调速电机，具有结构简单坚固、起动性能好、成本低、容错性好、可四象限运行等突出优点。ISAD（Integrated Starter Alternator Damper）系统是混合动力汽车中起动、助力、发电、阻尼多功能一体化的系统。将开关磁阻电机应用于混合动力汽车ISAD系统，可提高汽车整车性能，降低汽车油耗和排放，具有很好的应用前景和研究价值。

本文以12/10结构开关磁阻电机在混合动力汽车ISAD系统中的应用为研究背景，重点研究了开关磁阻电机在起动、助力、发电状态的运行控制。结合开关磁阻电机的数学模型，分析了开关磁阻电机在电动与发电状态下的运行特点。根据ISAD系统的性能要求，分别提出了开关磁阻电机在起动、助力、发电三种工作模式下的控制方法。在此基础上，构建了开关磁阻电机的ISAD系统实验平台，设计了开关磁阻电机的控制软件。所设计的开关磁阻电机ISAD系统，通过对不同状态下反馈输入，判断运行状态并根据所在状态调节控制参数。能够在一定负载下带载起动；在助力状态下以效率最优和转矩最优模式为发动机助力；在发电状态，能够为蓄电池提供恒流和恒压两种模式的闭环充电。实验证明，研究的开关磁阻电机ISAD系统运行控制方法性能良好，具有很好的应用前景。

关键词：开关磁阻电机，ISAD，混合动力汽车，DSP

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AΒSTRACT

Switched Reluctance Motor（SRM）is a novel drive machine developed since 1970s, with the inherent characteristics of simple and rugged construction, good start performance, low-cost, fault tolerant and four-quadrant operation capability,. Integrated Starter Alternator Damper (ISAD）is a system within Hybrid Electrical Vehicle (HEV), combining the starter, alternator, and Damper. The application of SRM in ISAD is prospective for .well performances of the whole HEV, lower oil consumption and emission.

Focused on a 12/10 SRM applied in ISAD for HEV, the control scheme of SRM is studied. Considering the mathematical model of SRM, the characteristics of SRM in the motor and generator operation are analyzed . According to the performance requirement of ISAD, control strategies of SRM in starter, booster and Alternator modes are presented respectively. Then the SRM-based ISAD experimental platform is established, the control software is also designed. The designed system recognizes running mode with the current and voltage feedback, and then adjusts control parameters accordingly. When in starter mode, it starts with load to idle speed. When in boost mode, it boosts the engine with efficiency and torque optimum. When in alternator mode, it charges battery with current-constant mode or voltage-constant mode. The experimental results illuminates the performances of the designed ISAD system based on SRM and justify the presented control strategy.

KEY WORDS: SRM , ISAD , HEV , DSP

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目 录

第一章 绪论 ··························································································· 1

1.1 ISAD系统简介 ···························································································· 1

1.2 开关磁阻电机的发展概况 ··········································································· 2 1.3 开关磁阻电机在ISAD系统上的应用 ······················································· 3 1.4 课题研究背景及意义 ··················································································· 5 1.5 本文主要研究内容 ······················································································· 5

第二章 开关磁阻电机的基本理论 ························································ 7

2.1 开关磁阻电机调速系统的基本组成 ··························································· 7 2.2 开关磁阻电机的原理、基本结构与特点 ··················································· 9 2.3 开关磁阻电机的数学模型 ········································································· 11

2.3.1 开关磁阻电机的基本方程 ······························································ 11 2.3.2 开关磁阻电机的线性模型 ······························································ 13 2.3.3 开关磁阻电机的磁链特性 ······························································ 14 2.3.4 开关磁阻电机的电流分析 ······························································ 15 2.3.5 开关磁阻电机的机械特性 ······························································ 17 2.4 开关磁阻电机的常用控制方式 ································································· 19

2.4.1 电流斩波控制（CCC）方式 ·························································· 19 2.4.2 角度位置控制（APC）方式 ·························································· 19 2.4.3 脉宽调制控制（PWM）方式 ························································ 20 2.5 开关磁阻电机的发电运行 ········································································· 20

2.5.1 开关磁阻电机的功率平衡方程 ······················································ 20 2.5.2 开关磁阻电机的发电运行分析 ······················································ 21 2.6 小结 ············································································································· 22

第三章 12/10结构开关磁阻电机调速系统硬件设计 ························· 23

3.1 系统构成 ····································································································· 23 3.2 开关磁阻电机 ····························································································· 23 3.3 功率变换器 ································································································· 24

3.3.1 功率变换器拓扑结构 ······································································ 24 3.3.2 功率变换器具体设计 ······································································ 25 3.4 控制器组成 ································································································· 26

3.4.1 DSP控制器 ····················································································· 27 3.4.2 复杂可编程逻辑器件（CPLD）硬件控制电路 ··························· 28 3.4.3 外围比较电路 ·················································································· 30 3.5 反馈信号检测 ····························································································· 30

3.5.1 位置信号检测 ·················································································· 30 3.5.2 电流信号检测 ·················································································· 32

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3.5.3 电压信号检测 ·················································································· 33 3.6 小结 ············································································································· 33

第四章 开关磁阻电机的控制策略及软件实现 ··································· 34

4.1 ISAD系统的控制要求 ·············································································· 34 4.2 开关磁阻电机ΙSAD调速系统的控制策略 ············································· 35

4.2.1 起动状态控制策略 ············································································ 35 4.2.2 助力状态控制策略 ············································································ 36 4.2.3 发电状态控制策略 ············································································ 36 4.3 开关磁阻电机的控制问题 ········································································· 37

4.3.1 转速计算功能的实现 ······································································ 37 4.3.2 角度位置的准确定位 ······································································ 38 4.3.3 换相逻辑的实现 ·············································································· 39 4.4 控制软件结构 ····························································································· 40 4.5 后台程序 ····································································································· 41

4.5.1 主程序 ······························································································ 41 4.5.2 初始化模块 ······················································································ 42 4.5.3 起动状态子程序 ·············································································· 43 4.5.4 助力状态子程序 ·············································································· 44 4.5.5 发电状态子程序 ·············································································· 44 4.6 前台中断 ····································································································· 45

4.6.1 捕获中断 ·························································································· 45 4.6.2 定时器1的中断 ·············································································· 46 4.6.3 其它中断 ·························································································· 47 4.7 小结 ············································································································· 47

第五章 实验及数据分析 ······································································ 48

5.1 实验系统 ····································································································· 48 5.2 起动实验 ····································································································· 50 5.3 助力实验 ····································································································· 51

5.3.1 助力状态导通角度优化实验 ···························································· 51 5.3.2 助力性能分析 ···················································································· 55 5.4 发电运行开通角优化实验 ········································································· 56 5.5 闭环发电实验 ····························································································· 58 5.6 缺相发电实验 ····························································································· 58 5.7 小结 ············································································································· 60

第六章 全文总结与展望 ······································································ 61

6.1 全文总结 ····································································································· 61 6.2 展望 ············································································································· 62

参 考 文 献 ························································································· 63 致谢 ······································································································· 68

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第一章 绪论

1.1 ISAD系统简介

混合动力汽车（Hybrid ElectricVehicle，简称HEV），是指同时装备汽车发动机和电动机两种动力源的新型车辆。通过双动力源的配置，动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作。具体的说，混合动力汽车有如下优点：控制发动机的启动，从而取消发动机怠速，降低油耗和排放；在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，弥补发动机本身动力输出的不足；在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。通过以上优点，混合动力系统能提高整车的动力性能，提高燃油经济性，减小排放和对环境的污染。同时，与纯电动汽车和燃料电池电动汽车相比，混合动力汽车可以依托现有的加油网点提供能源，行驶距离更远，在技术上和商业上更容易实现。因此，混合动力汽车已成为各国的汽车科技研发重点项目。

集成起动/发电/阻尼一体化（Integrated Starter Alternator Damper，简称ISAD）系统是一种新颖的混合动力实现形式[1,2,3]，由电机、功率半导体器件、微控制器、高功率密度蓄电池或超级电容组成，电机安装在发动机曲轴末端，其转子代替飞轮，定子用作飞轮壳。电机集起动机和发电机功能于一身，直接替代了传统汽车内起动机和发电机两套机组，并且省去了原系统中飞轮、皮带、滑轮和动力传动系统中的振荡阻尼器、皮带张力等部件。该系统最早出现在1999年3月份举行的日内瓦汽车展览会上，由宝马和雪铁龙两大汽车生产商联合推出。雪铁龙萨拉(Xsara)牌轿车样车上使用了此套系统。即使在低转速情况下，它能够提供长达30秒高达150Nm的扭矩，这远远超过了1.6L燃油喷射汽油机在中速状态取得的135Nm的最大扭矩，车辆动力系统的长度只增加了68mm[4]。

ISAD的出现，直接简化了汽车设计，优化了汽车结构配置，提升了汽车的电气化水平。除了为整车设计进化提出了可能，ISAD系统还可为汽车提供

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第二章 开关磁阻电机的基本理论

与传统电机相比，开关磁阻电机的原理、结构、控制方法、调速性能都与众不同。传统电机成熟的性能分析方法和控制理论对开关磁阻电机不尽适用。因此，需要对开关磁阻电机的基本理论进行研究。

2.1 开关磁阻电机调速系统的基本组成

开关磁阻电机调速系统（SRD）的基本部件从功能上分，主要由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器、位置/电流检测器等四大部分组成，如图2. 1所示。

机械输出电源功率变换器SR电动机电流检测位置检测速度给定控制器

图2. 1开关磁阻电机调速系统基本组成图

（1）开关磁阻电机[19]： 开关磁阻电机是SRD中实现机电能量转换的部件，

其定子和转子均为凸极构造，定子极上绕有集中绕组，转子无绕组也无永磁体[20]。图2. 2显示了12/10结构六相开关磁阻电机的截面原理图。开关磁阻电机运转遵循“最小磁阻原理”，根据转子位置信息根据一定逻辑关系切换定子极绕组通电，即可实现连续运转。

（2）功率变换器[21]：功率变换器是连接电源和开关磁阻电机绕组的部件。其每个工作周期分为两个阶段：励磁阶段，向定子绕组提

DEC3451'2'2B1AF＇5'4'3'E＇D＇C＇FA＇B＇

图2. 2六相12/10结构

开关磁阻电机原理图

供励磁电流，电能由电源馈入电机；续流阶段，绕组向电源回馈磁场储能。但

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不管哪一阶段绕组中电流方向不变。可用于混合动力汽车驱动的开关磁阻电机功率变换器拓扑结构有多种形式[22]。既有每相可仅一个开关器件的拓扑形式，如双线绕组式（如图2. 3a）和直流电源分裂式[23]（如图2. 3b），也有在每相采用两个开关器件和两个二极管的拓扑形式，称不对称半桥式（如图2. 3c）。前者存在开关器件承受电压较高，需要附加额外的绕组或电容，控制复杂等缺点。后者虽然功率半导体成本增加，但却使开关磁阻电机具有完全独立的分相控制能力，并且在四个象限中实现完全可控，因而成为目前最常用的拓扑结构。

+Us+Cs+V1AV1VD1++AVD1+CsCsVD1V1+CsV2UsUsAVD2_ _

_

(a)双线绕组式 (b) 直流电源分裂式 (c) 不对称半桥式

图2. 3常用开关磁阻电机拓扑结构（某一单相的情况）

（3）控制器：是整个调速系统的核心，根据控制器中设定好的控制策略及其相应的算法，将外部反馈的电流、位置等检测输入量与内部程序中计算得出的给定量进行比较判断，决定电机的控制方式，并在合理的转子位置控制功率变换器中各相主开关器件的开关状态，实现机电能量合理、有效的转化。

（4）位置检测器：开关磁阻电机调速系统是位置闭环调速系统，开关磁阻电机各相绕组必须与转子位置同步激励，并且转子位置测量的精度和分辨率直接影响到调速性能的好坏。位置检测的目的是确定定、转子的相对位置，即要用位置传感器检测定转子相对位置，然后位置信号反馈至逻辑控制电路，以确定对应相绕组的通断。目前，无位置传感器是SRD技术研究的热点之一，但其实质都是对转子位置的间接测量，转子位置信息对于开关磁阻电机的连续运转是必需的。

电流检测器：相电流检测是开关磁阻电机电流斩波控制方式（CCC方式）运行的需要，也是系统过流保护的需要。单向、脉动以及波形随运行方式、运行条件不同而变化很大是开关磁阻电机相电流的基本特点。因此开关磁阻电机的电流检测器应具有快速性好，灵敏度高，单向电流检测，线性度好，抗干扰的优点。

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2.2 开关磁阻电机的原理、基本结构与特点

电机根据产生电磁转矩的方式可以大致分为两类：一类由磁场之间的相互吸引和排斥产生转矩，另一类遵循“最小磁阻原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，从而有磁拉力作用在磁路上，使其趋于最小磁阻位置。前者如直流电机，异步电机，同步电机等各种电磁式电机。后者如开关磁阻电机。

由于转矩形成的机理不同，与一般传统电机相比，开关磁阻电机具有明显的结构特征：定、转子均为凸极构造，由普通硅钢片叠压而成；定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相绕组；转子既无绕组也无永磁体。

开关磁阻电动机可以设计成多种不同的相数结构，而且定、转子的极数也有多种不同的搭配，如表2. 1所示。相数多，步距角小，利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件相应增多，增加了功率电路的成本。三相以下的开关磁阻电机无自起动能力，因此目前应用较多的是相数在三相及三相以上的开关磁阻电机。根据开关磁阻电机转矩形成的原理，定转子要不断形成偏离最小磁阻位置的磁路，因此定转子极数不同，一般使定子极数大于转子极数。定转子极数的差值即为一相所对应的磁极数。因此12/10结构的开关磁阻电机定子有12个齿极，转子有10个齿极，每相对应两个励磁极，共六相。

表2. 1 开关磁阻电动机的各种方案[24] 相数 定子极数Ns 转子极数Nr 步进角 3 6 4 30° 4 8 6 15° 5 10 8 9° 6 12 10 6° 7 8 14 16 12 14 4.28° 3.21° 9 18 16 2.5° 开关磁阻电机的旋转过程可用图2. 4说明，为简单计，图中仅画出了C相一相的不对称半桥式功率变换电路，其它各相与C相相同。当主开关器件V1、V2导通时，C相从直流电源Us吸收电能，定子C－C’极励磁，电机内建立以C－C’为轴线的磁场，其磁通经过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭闭合。此时定子凸极C－C’与转子凸极2－2’错位，气隙大，穿过气隙的磁力线是弯曲的，磁阻大于定、转子轴线重合时的磁阻，根据“最小磁阻原理”，转子凸极2和2’将受到弯曲磁力线切向分力所产生的转矩的作用，沿逆时针方向转动至转子极轴线2－2’与定子极轴线C－C’对齐的位置，此时磁路中磁阻最小，C相励磁绕组的电感最大。在最小磁阻位置附近关断主开关器件V1、V2关断后，绕

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组电流经二极管VD1、VD2继续流通，并回馈给电源Us。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，依次给C→B→A→F→E→D相的绕组通电，转子以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给E→F→A→B→C→D相的绕组通电，则转子就会沿着顺时针的方向连续旋转。可见开关磁阻电动机的转向与相绕组电流的方向无关，而仅仅于相绕组通电的顺序有关。转子的旋转过程体现出一定的周期性。如图中以C→B→A→F→E→D的相序每相轮流通电一次后，转子极3逆时针转到与定子极E的轴线对齐的位置，再下一个C→B→A→F→E→D励磁周期转子极3运转到与定子极F的轴线对齐的位置，可见每完成一次六相轮流励磁周期，转子转过一个转子极距τr，因此这个励磁周期转过的角度称为电角度周期角，其值与转子极距τr相同。对12/10结构的开关磁阻电机，其转子极距为36°，因此每个电角度周期对应36°。而每相励磁一次，转过6°，称为一个步进角。

AF＇15'4'3'451'2'V1E＇D＇BCDE32VD1+CsUsVD2C＇FA＇B＇V2

图2. 4 12/10极开关磁阻电动机运行机理图

开关磁阻电机综合了交流电机和直流电机的优点，由它构成的驱动系统在电机本体结构、变换器型式以及控制方式上都与众不同，具有一系列独特的性能。表2. 2总结了开关磁阻电机的优缺点。

表2. 2开关磁阻电机的优缺点[21, 24] 优点 成本低，节省材料 结构简单坚固，可高速、恶劣条件下运行 不会发生直通故障，可靠性高 可在缺相情况下运行，容错性好 在很宽的调速范围内高效率运行 控制灵活，调速性能好，可四象限运行 低起动电流，高起动转矩 单向电流，可应用直流电源 10

缺点 需要位置信息 转矩脉动大 噪声大 磁路饱和且非线性 运行需要控制器 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文

2.3 开关磁阻电机的数学模型[24]

开关磁阻电机磁路饱和，具有强非线性，因此很难建立准确的开关磁阻电机数学模型。在一定假设条件下，得到开关磁阻电机的三个基本方程以及理想线性数学模型。利用线性模型，可以对开关磁阻电机的一些特性进行分析。

2.3.1 开关磁阻电机的基本方程

开关磁阻电机与其它电磁式机电装置类似地都可以看成是一对电端口和一对机械端口的二端口装置，如图2. 5。对m相开关磁阻电动机，若不计磁滞、涡流和相间的互感，则整个机电系统动态过程的微分方程可由电动势平衡方程、机械方程和机电联系方程三部分组成。

UaUbdψa/dtdψb/dtRmdψc/dt无损耗磁场系统Ψa（ia，θ）Ψb（ib，θ）Ψm（im，θ）TeDJTL......Um

图2. 5 m相开关磁阻电动机系统示意图

（1）电动势平衡方程

假设m相开关磁阻电机各相结构和电磁参数对称，则根据电路基本定理可得开关磁阻电机第k (k =1,···,m) 相的电压平衡方程式为：

Uk?Rkik?d?k dt(2－1)

电机各相绕组的磁链?k为关于该相绕组电流ik和转子位置角θ的函数，即：

?k??k(ik,?)

(2－2)

由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在开关磁阻电机的计算中一般忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转子轭部饱和在各相之间产生的相互影响，可以得到用电感和电流的乘积表示的磁链方程：

?k??(ik;?k)?Lk(?k,ik)ik

将式(2－3)代入 (2－1)，即可以得到

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(2－3)

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Uk?Rkik???kdik??kd??Lkdik?Ld?＝Rkik?(Lk?ik ???)?ik?k??ikdt??dt?ikdt??dt(2－4)

式(2－4)表明，电源电压与电路中的三部分电压降相平衡。等式右边第一项是第k相回路中的电阻压降，第二项是由电流变化引起磁链变化所感应的电动势，叫做变压器电动势，第三项是由转子位置改变引起磁链变化所感应的电动势，叫做旋转电动势，它与电磁机械能量转换直接有关。

（2）机械方程

按照力学定律可列出电机电磁转矩Te和负载转矩TL作用下的转子机械运动方程：

d2?d?Te?J2?D?TL

dtdt(2－5)

其中J为传动系统转动惯量，D为粘滞系数。 （3）机电联系方程

忽略各相绕组之间的互感，可以从一相来考虑开关磁阻电动机的电磁转矩。一相绕组的ψ/i轨迹如图2. 6所示。轨迹介于两条极限磁化曲线内，两条曲线分别对应于定、转子凸极中心线重合的最小磁阻位置θ子凹槽中心线重合的最大磁阻位置θ

图中max。

min和定子凸极中心与转

C为换相点，在该点处主开关器

件关断，绕组电流由上升转而开始下降。运行点所对应转子位置处的磁化曲线以左的区域面积对应该点磁储能W大小（点状阴影区即为换相点处的绕组磁储能），而其下方的区域面积对应该点磁共能W＇大小，ψ/i轨迹包围的横线阴影区域即为每相在一周期内输出的总机械能Wm。

ψ(V·s)θ＝θmin换相点αθ＝θmaxψ(i,θa+△θ)ψ(i,θa)?W'i(A)

图2. 6 开关磁阻电机一相绕组的ψ/i轨迹

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在任一运行点α处的k相绕组的瞬时转矩可根据虚位移原理求得：

ik?Wk'Tk?|i?const

??k(2－6)

其中,磁共能Wk'???k(?,ik)dik，?W'即为耦合磁场在转子位移增量⊿θ内

0的磁共能增量。代入式(2－6)，得

ik

Tk????k(?,ik)dik ??0(2－7)

因此相数为m的开关磁阻电机总的瞬时转矩为:

?kTe????k(?,ik)dik ?k?1??0mi(2－8)

综上可得开关磁阻电机的基本方程： 电动势平衡方程：Uk?Rkik?(Lk?ik?Lkdik?Ld?)?ik?k? ?ikdt??dt(2－4)

机械方程：

d2?d?Te?J2?D?TL

dtdt?kTe????k(?,ik)dik ???k?10mi(2－5)

机电联系方程：

(2－8)

2.3.2 开关磁阻电机的线性模型

在实际的开关磁阻电机中，随着相电流的增加，通常会出现明显的磁饱和现象，相电感不仅与位置有关，还与相电流有关，开关磁阻电机的实际绕组电感曲线如图2. 7所示[25,26]。开关磁阻电机中磁饱和的影响可由其磁化曲线看出。图2. 8给出了一簇典型的开关磁阻电机磁化曲线[27]，可见每条曲线上磁链和电流之间均是非线性关系，且非线性的程度不一样：磁场非线性在定转子完全对齐位置附近尤其明显，在定转子完全不对齐的位置不很明显。

由此可见开关磁阻电机的电磁特性实际上是由磁链—电流—角度位置（φ-i-θ）之间的非线性关系来表征的，可以通过实际测量和有限元方法获得三者函数关系，但过程往往比较复杂。

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βs后沿Ψ定子前沿转子βrθπ/Nrn=θL(θ)τriθ0＝00θ

oi

图2. 7 开关磁阻电机实际绕组电感曲线 图2. 8 开关磁阻电机实际饱和磁化曲线

由于开关磁阻电机磁路高度饱和非线性带来电机性能分析上的困难。为便于分析，忽略磁路饱和，假定相绕组电感与电流大小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，可得开关磁阻电机的线性模型[24,28,29,30]。线性模型的绕组电感曲线和磁化曲线分别见图2. 9、图2. 10。

βs后沿定子前沿转子Ψθπ/Nrn=θn-1θ2θ1βrL(θ)τrLmaxLminθ10θ2θ3θαθ4θ5θ0＝0θ

oi

图2. 9开关磁阻电机线性模型绕组电感曲线

图2. 10开关磁阻电机线性模型磁化曲线

由图可知线性模型下，开关磁阻电机相电感的分段线性表达式：

?Lmin?1????2?K(???)?L?2????3?2min L(?)??

L?3????4?max??4????5?Lmax?K(???4)其中：

K?Lmax?LminLmax?Lmin＝

?2??1?s(2－9)

2.3.3 开关磁阻电机的磁链特性

忽略绕组电阻压降，一相电压平衡方程 (2－1)可改写为：

?US?d?d?d?d??????r dtd?dtd?14

(2－10)

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励磁时绕组两端电压为Us，续流时绕组两端电压为－Us，即

d??U?????Sd?r ?d???U???rS?d??励磁阶段（?on????off）

(2－11)

续流阶段（?off???2?off??on）

由(2－11)可得：

US?d???d???r? ?U?d???S?d???r?励磁阶段（?on????off）

(2－12)

续流阶段（?off???2?off??on）

代入功率变换器换相时刻的初始条件，求解(2－12)，可得

?US??????on?r?? ??????0?U?S?2?off??on??????r?on????off0????on,2?off??on???2? Nr(2－13)

?off???2?off??on式（2－13）即为一相绕组在一个电角度周期内的磁链表达式，根据该式可得磁链φ随转子位置角θ的周期性变化曲线，如图2. 11所示。

ΨΨmax0θonθoff2off－θθonθ

图2. 11磁链ψ随θ的变化曲线

2.3.4 开关磁阻电机的电流分析

一个电感周期内电流波形如图2. 12所示，θ1~θ2内主开关器件开通，即θ1<θon<θ2；θ2~θ3内主开关器件关断，即θ2<θoff<θ3。

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LmaxL(θ)Lminoθθ12i(θ)θ3θ4θ5θoθonθoffθzθ

图2. 12角度位置控制方式下电动运行典型相电流波形

线性条件下，可推导出开关磁阻电机的分段电流解析式：

?US???on???Lmin?r?Us(???on)???r[Lmin?K(???2)]??Us(2?off??on??) i(?)???[Lmin?K(???2)]?r?Us(2?off??on??)??rLmax??Us(2?off??on??)????r[Lmin?K(???4)]?1????2 ?2????off ?off????3

(2－14)

?3????4 ?4???2?off??on??5

从(2－14)可见：

（1）?1????2区域内，电流在最小电感恒值区域内是直线上升的。由于此区域电感恒为最小值Lmin，且旋转电动式（iωrdL/dθ）为零，因此开关磁阻电机的相电流可在该区域内迅速建立。

（2）?2????off区域内，电流变化率为

di(?)Us[Lmin?K(?on－?2)]? d??r[Lmax?K(?－?2)2](2－15)

由上式可见

若θon<θ2-Lmin/Κ，则di/dθ<0，电流将在θ2之后的电感上升区下降； 若θon=θ2-Lmin/Κ，则di/dθ=0，电流将在θ2之后的电感上升区不变； 若θon>θ2-Lmin/Κ，则di/dθ>0，电流将在θ2之后的电感上升区上升。

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（3）θoff<θ<θ3区域内，可见

若θoff<(θ3+θon)/2，则续流电流将在θ3前的电感上升区衰减至零； 若θoff>(θ3+θon)/2，则续流将进入θ3之后的最大电感区，甚至电感下降区。 （4）?3????4区域内，电流变化率

Usdi(?)=const<0 ??d??rLmax(2－16)

可见，续流电流在最大电感恒值区内线性衰减。由于该区域内电感恒为最小值Lmax，旋转电动式（iωrdL/dθ）为零，相电流不产生电磁转矩，只在－Us作用下持续衰减。

（5）?4????5区域内，解得相电流衰减至零的角度位置θz＝2θoff－θon。 （6）各分段函数可统一描述为：

i(?)＝Us?rf(?) ?1????5

(2－17)

由上式可见对结构一定的电机，在θon和θoff不变的情况下，绕组电流随外加电压Us的增大而增大，随转速ωr的升高而减小；通过调节θon和θoff可改变绕组电流波形，间接地调节电机的电磁转矩。

2.3.5 开关磁阻电机的机械特性

线形条件下忽略了开关磁阻电机的磁场饱和，相电感仅与转子位置有关，而与相电流无关，从而(2－3)可改写为

?k(?,ik)?Lk(?)?ik

则一相瞬时电磁转矩表达式(2－7)在线性条件下可简化为

(2－18)

ik2?LkTk??

2??(2－19)

由上式可以看出：

(1) 电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的，当磁导对转角的变化率大时，转矩也大。

(2) 电磁转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电流增大后铁

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芯饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随电流的增大而增大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕组电流得到恒转矩输出的特性。

(3) 电磁转矩的方向由相电流所对应的相电感的变化率决定：如果相电流

?Lk>0区间，则产生正转矩，开关磁阻电机工作在电动状态；如果相电流???L处于k<0区间，则产生负转矩，开关磁阻电机工作在发电状态。即只要根据

??处于

转子位置来控制主开关通断角度，以改变相电流的大小和波形，就可以产生不同大小和方向的电磁转矩，很方便地实现开关磁阻电机的四象限运行。

m相开关磁阻电机的平均电磁转矩为

Tav?Us2?r2F

(2－20)

F代表以电机结构参数(m、Nr、Lmax、Lmin)及控制参数(θon、θoff)为自变量的函数关系式。对给定的电机，若外加电压Us、开通角θon和关断角θoff固定，则开关磁阻电机的固有机械特性为

Tav?k/?r，k为比例常数

2(2－21)

可见开关磁阻电机的转矩与转速的平方近似反比，固有机械特性类似于直流电机串励特性。该特性的上限对应于最大额定电压Usmax。对给定的开关磁阻电机，在最高外加电压Usmax和允许的最大磁链ψmax与最大电流ip条件下，存在一个最大转矩下的最高速度，也是最大功率下的最低转速，定义为第一临界转速ωb，又称为基

T恒转矩区CCC方式恒功率区APC方式串励特性区1θτrc=2T = constT r= constωT 2ωr= constοωbωscωr

图2. 13开关磁阻电机典型运行特性

速；最大功率下的最高转速定义为第二临界转速ωsc。

通过改变控制参数Us、θοn、θoff，可以改变开关磁阻电机的固有机械特性，获得如图2. 13所示的机械特性。在基速ωb以下，采用电流斩波控制（CCC）方式，开关磁阻电机输出恒转矩特性；基速ωb以上，采用角度位置控制（APC）

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方式，开关磁阻电机输出恒功率特性；在第二临界速ωsc以上，开关磁阻电机以固定的τr/2的导通角输出自然串励特性。

2.4 开关磁阻电机的常用控制方式

开关磁阻电动机调速系统的控制参数主要有开通角、关断角、主电路电压以及相电流，因此控制方式灵活多样，且与传统电机的控制方式存在较大差异。常用的控制方式主要有电流斩波控制（CCC）方式、角度位置控制（APC）方式，以及脉宽调制控制（PWM）控制方式。

2.4.1 电流斩波控制（CCC）方式

开关磁阻电机在基速ωb以下运行时，由于转速较慢，旋转电动势较小，绕组电流上升率较大，为避免过大的电流和磁链峰值，获得恒转矩机械特性，采用电流斩波控制（CCC）方式[31, 32]。电流斩波控制是通过固定开通角θ断角θ

on、关

off，通过主开关器件的多次导通关断将电流限制在给定范围内实现电机

恒转矩控制。电流斩波控制的可以采用两种方式实现：

一种方式是给定电流的上下限，如图。在[θ

on,

θoff]导通区间内，当实际

相电流达到电流上限时，该相主开关器件关断，绕组电流在－Us作用下经续流二极管和外加电源续流，电流迅速下降；当电流降至电流下限时，该相主开关器件重新开通，在外加电源电压Us的作用下，电流重新迅速上升，达到上限后再次下降，如此反复斩波，直至转子位置在[θ

on,

θoff]导通区间以外。

on,

另一种方式是给定电流上限和主开关管关断时间Δt。在[θθoff]导通区

间内，当实际相电流达到电流上限时，该相主开关器件关断，电流下降；经Δt延时主开关器件后重新开通，电流上升，达到上限后主开关管再次关断，如此反复斩波，直至转子位置在[θ

on,

θoff]导通区间以外。

2.4.2 角度位置控制（APC）方式

在基速ωb至第二临界转速ωsc区域，转速较高，旋转电动势较大，绕组电流上升率低，电流较小，为获得恒功率机械特性，常采用角度位置控制方式[24,33]。角度位置控制方式是调节开通角θon、关断角θoff，改变相绕组相对于电感位置

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的励磁区域，从而调节电机的转矩。

角度位置控制的控制非常灵活，但θon、θoff的组合非常多，使得控制参数的选择较为复杂，这就存在一个角度位置控制参数优化的问题。优化的目标可以是恒功率下转矩最优，也可以是效率最优，以及其它目标。优化目标不同，θon、θoff的最优组合往往也不同。即使是同一优化目标，不同速度对应的θon、θoff最优组合也不同。因此角度位置控制往往需要按照控制性能目标事先对控制参数进行优化，优化的方法有仿真、实验测量等。

需要指出的是，θon、θoff对运行性能的影响并不等同，往往其中一个起主要作用。因此一般在一定的运行范围内，将起主要作用的参数用优化值固定，调节另一个参数，使系统高效、稳定运行。

2.4.3 脉宽调制控制（PWM）方式

脉宽调制(PWM)控制方式的实质是通过调节绕组两端的励磁电压来控制电磁转矩[34]。具体方法是固定θon和θoff，用PWM信号调制主开关器件相控信号，通过调节PWM信号的占空比，从而调节励磁电压加在相绕组上的的有效时间宽度，改变相电压的有效值，进而改变输出转矩。PWM方式可控性较好，在基速以上或基速以下的范围都可以应用，适用于转速调节系统。通过对转速的给定值和实际转速的反馈值之差进行PI运算，调节PWM信号占空比，达到转速快速响应。缺点在于导通角度始终固定，功率元件开关频率高，开关损耗大，影响了系统效率。

2.5 开关磁阻电机的发电运行

根据式(2－19)，当开关磁阻电机相电流大部分处于

?Lk<0区域时，输出平??均转矩为制动转矩，将轴上输入的机械能转化为电能，并通过功率变换器将电能回馈电源，此时开关磁阻电机工作在发电运行状态。

2.5.1 开关磁阻电机的功率平衡方程

线性条件下，相电感仅与转子位置有关，由式(2－18)，相电压平衡方程式

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(2－10)可简化为

?Us?LdidL?i?r dtd?(2－22)

励磁阶段（[θon，θoff]），绕组两端电压为Us，式(2－22)Us前取“＋”号；续流阶段，绕组两端电压为－Us，式(2－22)Us前取“－”号。

从式(2－22)可得功率平衡方程(2－23)[24]。

d1dL?Usi?（Li2）?i2?r

dt2d?(2－23)

功率平衡方程中，Usi为电源功率，“＋”时电源输入电功率给开关磁阻电

d1机，“－”时开关磁阻电机回馈电功率给电源；（Li2）为绕组磁储能变化率；

dt2dLdLdLi2?r为机械功率，i2?r>0，开关磁阻电机输出机械功率，i2?r<0，d?d?d?轴上输入机械功率给开关磁阻电机。

从式(2－22)还可得电流对位置变化率(2－24)

di?d??Us－i?rdLd?

?rL(2－24)

2.5.2 开关磁阻电机的发电运行分析

发电运行时的典型相电流波形如图2. 14所示。

根据电流与电感的相对位置关系，可将相电流分为5个区间[35,36]： （1）区间I（[θon，θ3]）：区间内Usi>0，i2dL?r>0，由功率平衡关系式(2d?－23)可见开关磁阻电机吸收电能，一部分转化为磁储能，一部分转化为机械能输出。该区间Us>0，i?r因此电流上升较慢。

（2）区间II（[θ3，θ4]）：区间内Usi>0，i2dL?r=0，可见开关磁阻电机吸d?Usdi?，d??rLmaxdLdi>0，L较大，由式(2－24)可见>0，但值较小，d?d?收的电能，完全转化为磁储能，无机械能输出。式(2－24)简化为电流线性上升。

（3）区间III（[θ4，θoff]）：区间内Usi>0，i221

dL?r<0，开关磁阻电机吸收d?

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电能和机械能，全部转化为磁储能。Us>0，i?r且值较大，因此电流快速上升。

（4）区间IV（[θoff，θ5]）：区

dL间内－Usi<0，i2?r<0，开关磁

d?dLdi<0，由式(2－24)可见>0，d?d?LmaxL(θ)阻电机吸收机械能，转化为电能，同时部分磁储能也转化为电能。式(2－24)表明：若转速ωr足够大，则旋转电动势大于电源电压，

－Us－i?rdLdi>0，则>0，电流d?d?Lminoθθ12i(θ)IIIIIIIVVθ3θ4θ5θ继续上升；若转速ωr较小，则旋转电动势小于电源电压，

－Us－i?rdLdi<0，则<0，电流开始下降。 d?d?oθonθoffθθz

图2. 14发电运行典型相电流波形

（5）区间V（[θ5，θz]）：区间内－Usi<0，i2电能，无机械能转化。式(2－24)简化为

dL?r=0，绕组磁储能转化为d?Usdi?，电流迅速下降。 d??rLmin综上可见，开关磁阻电机在区间I、II、III励磁，在区间IV、V发电阶段，由于电流主要存在于电感下降区，因此产生的转矩主要为制动转矩，轴上的机械能在区间IV被转化为电能输出给电源或者负载。影响发电性能的主要参数是θon、θoff，二者定义了励磁的区间位置和长度，直接影响着发电运行的电流波形和效率。转速ωr直接关系到旋转电动势的大小，对电流波形的也有一定的影响。对发电运行的控制，应主要采用控制θon、θoff的方式，也就是角度位置控制方式。

2.6 小结

本章主要介绍了开关磁阻电机的基本理论，利用理想线性数学模型分析了电机的特性。通过对其特性的分析，可以看出开关磁阻电机有多个控制参数，控制方法非常灵活。通过分析发电运行，可见励磁开关角度对电机的机电能量转换起着决定性作用，是重要的调节参数。

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第三章 12/10结构开关磁阻电机调速系统硬件设计

3.1 系统构成

本章所述的开关磁阻电机调速系统包括12/10结构开关磁阻电机，功率变换器，主控制器，位置传感器和电流传感器、电压传感器等。位置传感器根据转子位置产生的位置信号馈入控制器作为同步触发的依据。电流传感器和电压传感器监测各相和母线电流以及蓄电池端电压。控制器根据模拟开关和传感器检测输入量判断工况，输出功率变换器各相开关信号，控制开关磁阻电机正常运行。开关磁阻电机ISAD实验系统的总体结构原理如图3. 1。

涡流测功机扭矩测试仪12/10极SR电机原动机6路相电流检测信号3路位置检测信号蓄电池电池端电压检测信号母线电流检测信号功率变换器+5V控制器模拟开关信号图3. 1 开关磁阻电机ISAD实验系统结构原理

3.2 开关磁阻电机

调速系统所用开关磁阻电机为3kW六相12/10结构开关磁阻电机，其截面如图3. 2所示，定子极数12，转子极数10，定子上各极绕有集中绕组，径向相对的两极绕组串联构成一相。采用六相结构，减小了步进角，步进角由常见的三相6/4结构开关磁阻电机的30°减小为6°，有利于减少开关磁阻电机的转矩脉动[24]。3kW12/10结构的开关磁阻电机主要结构参数见表3. 1。

23

图3. 2 12/10结构开关磁阻电机截

面

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表3. 1 3kW12/10结构开关磁阻电机主要结构参数

定子极数 12 转子内径 148mm 转子极数 10 每相匝数 30 定子极弧 0.4 定子极高 18mm 转子极弧 0.35 转子极高 16mm 定子外径 260mm 气隙 0.7mm 定子内径 200mm 叠厚 70mm 3.3 功率变换器

3.3.1 功率变换器拓扑结构

功率变换器采用六相不对称半桥结构，如图3. 3所示。每相由两个主开关器件和两个功率二极管构成H桥，每个桥臂由一个主开关器件和一个功率二极管上下串联构成，桥臂中点连接开关磁阻电机的一相绕组。

V1HLAVD1V3VD3HLBV5VD5HLCV7VD7HLDV9VD9HLEV11HLMVD11HLFAVD2iAVD4BiBVD6CiCVD8DiDVD10EiEVD12FiFCS1USV2V4V6V8V10V12

图3. 3 六相不对称半桥式功率变换器

实际的六相开关磁阻电机功率变换器如图3. 4，其中励磁回路和续流回路可分开，续流回路接蓄电池，励磁回路接三相整流电源输出级单独励磁，可分别测量励磁电流和续流电流。两个回路也可接同一蓄电池，此时励磁、续流均由蓄电池完成。

如图3. 5，当主开关器件V1、V2导通时，电源与V1、电机一相绕组、

V2构成励磁回路，为该相励磁；当V1、V2关断时，功率二极管VD1、VD2正向导通，绕组中电流经VD1、VD2及储能电容CS续流，CS吸收部分磁场能量，其余能量回馈电源。相与相之间不直接构成回路，不存在异步电机PWM逆变器上下桥臂直通的隐患，且各相间相互

24

图3. 4 六相功率变换器实物照片

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独立，保证一相发生故障导致缺相情况下电机仍能运转。还可以看出，各主开关器件、功率二极管，以及绕组的额定电压都近似为US，因此变换器用足了主开关器件的额定电压，电源电压可全部用来控制相绕组电流。

_Us+Cs+励磁回路VD1V1V2续流回路VD2

图3. 5 功率变换器一相电路

3.3.2 功率变换器具体设计

功率变换器主开关器件采用的是N沟道功率场效应晶体管(Power MOSFET)，开关速度快、输入电阻高，根据实际运行中开关磁阻电机的蓄电池电压为36V，电流可达100A的情况，选择MOSFET具体型号为IRFP2907。该MOSFET是专为汽车起动/发电机和汽车42V母线电压规范的应用而设计，耐压75V，最大电流为209A。续流二极管采用反相恢复时间短，反相恢复电流小的APT100S20B，耐压1000V，最大电流200A。

在MOSFET的具体应用中，考虑到器件关断时浪涌电压的影响，需要在MOSFET的两端并联RCD缓冲电路，如图3. 6。图中，D是快恢复二极管，R是功率电阻，C是电容。

缓冲电路的目的是抑制功率器件的关断时刻的浪涌电压，减小开关损耗，减缓MOSFET的漏极和源极之间的电压上升率，保护MOSFET。主开关管关断时，通过

D对C充电，开通时C通过R来放电，从而将关断时这部分能量转移到缓冲电路中释放掉[24,37]。电容充放电的频率和主开关管的开关频率相同。二极管选择正向动态压降小、恢复时间短的快恢复二极管，电阻的大小应满足限制充放电电流大小和充分耗散电容储能的要求。

MOSFET的隔离驱动电路采用安捷伦HCPL-3120光耦驱动器驱动MOSFET。该芯片输出电流可达2A，最大开关速度500ns，带滞环比较的欠压锁定保护。输出的驱动信号采用＋15V的开栅电压和－5V的关栅电压标准，可保证MOSFET管的快速可靠开关。每个HCPL-3120芯片驱动一个MOSFET，

25

DVCR

图3. 6 RCD缓冲电

路

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使各主开关器件独立工作。驱动电路如图3. 7。

图3. 7 MOSFET隔离驱动电路

图中输出级电阻R2为驱动电阻，其阻值较小（几十欧），主要用于消耗MOSFET管开关过程中栅极电容产生振荡的能量。并联在MOSFET栅源极的电阻R3，用于防止功率MOSFET管的输入低泄漏电容的静电感应使栅源间的电压不稳定而加入的泄容电阻。

3.4 控制器组成

控制器以

TI

公司

TMS320F240DSP为核心，控制器外围电路由传感器反馈通路、比较电路、触发信号隔离驱动电路、CPLD硬件控制电路组成。母线电流、蓄电池电压经霍尔传感器及变送电路转化为电压信号，一方面输入DSP的A/D通道，用来判断ISAD系统工况，另一方面与电流

图3. 8 控制器实物照片

保护限、电压保护限比较，防止过流、过压；六相电流经六个霍尔传感器转化为电压值，分别与DSP外部数据总线上DA输出的电流斩波限进行比较，若一相电流超过斩波限，即关断该相，延时1个输入时钟脉冲再开通该相，如此反复，实现低速时对一相电流的斩波控制。DSP根据接入捕获口的位置反馈，计算转速，读取AD采样得到的母线电流、电池电压、油门、刹车信号判断系统工况，决定各相导通关断情况，输出的六相触发信号经保护电路和电流斩波电

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所得三路位置信号P、Q、R及一路位置综合信号Z与绕组电感的变化曲线如图3. 14所示，从图中可见，Z信号在从0°位置开始，每个步进角倍数的位置会产生一个跳变沿，将一个电角度周期（36°）等分为6个小区间，分别对应六个不同状态：状态1：[0°，6°]；

状态2：[6°，12°]； 状态3：[12°，18°]； 状态4：[18°，24°]； 状态5：[24°，30°]； 状态6：[30°，36°]。

位置信号在电机控制中的作用将在第四章详细介绍。

位置信号PQRZ相电感LALBLCLDLELF061218243006θ

图3. 14 位置信号与相电感对应关

系

3.5.2 电流信号检测

开关磁阻电机的绕组电流为单向脉动电流，且随着运行条件的不同变化很大，因此电流传感器的选择要求灵敏快速，有一定的抗干扰能力，能够隔离主电路和控制电路，在电流变化范围内具有良好的线性度。系统采用CSM200B型霍尔电流传感器，相比其它电流测量方式，其优点在于测量精度高、线性度好、

CSM200B+15V_15VRCiM+UM_

图3. 15 霍尔电流传感器接线

图

响应快速，可以做到电隔离。其额定输入电流200A，额定输出电流信号100mA，电源电压为?12～?15V，频带宽度20kHz，响应时间≤1μs；线性度≤0.2%。其接线方法如图3. 15。在输出端接一个电阻R将输出电流信号转变为电压信号，则输出电压UM即与实际电流线性对应。

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3.5.3 电压信号检测

电压反馈采用霍尔电压传感器，这同样是考虑到霍尔检测元件具有灵敏快速，线性度好，可电隔离的特点。具体型号为VSM025A，原边额定输入电流为10mA，副边额定输出电流为25mA；原边电压测量范围为10～500V，电源电压为?15V，线性度≤0.2%，精度为0.6%，响应时间≤2μs。

V+RiV-12_VSM025A+M电压输出-15V+15VRMM

图3. 16 霍尔电压传感器检测电路

霍尔电压传感器VSM025A接线如图3. 16所示。V＋、V－分别接36V铅酸蓄电池正负极，根据原边额定输入电流值，选择原边串连电阻Ri可取10kΩ6W。调整RM使输出检测电压与实际电池电压满足合适的变比关系。

3.6 小结

本章针对12/10结构开关磁阻电机的控制需要，设计了调速系统，根据其组成，分别阐述了各部分的相关设计参数和功能特点，为进行控制策略设计和系统调节提供了可靠的硬件基础。

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第四章 开关磁阻电机的控制策略及软件实现

对开关磁阻电机ISAD调速系统的控制要求进行分析的基础上，研究了开关磁阻电机的控制策略，并在硬件平台的基础上，针对提出的控制策略进行了DSP控制程序软件设计。

4.1 ISAD系统的控制要求

ISAD系统工作状态可分为起动、助力、发电几个状态，在各状态下对传动电机的控制要求各不相同[40,41]。

常规汽车起动时，由起动电机将发动机带到约200r/min转速时，发动机喷油点火，燃烧室的高温高压气体驱动活塞、连杆、曲轴，发动机依靠自身运转达到怠速（约800r/min）。由于起动点火时，发动机速度离怠速还有较大差距，发动机需要工作在怠速以下及怠速附近区域，油料燃烧不充分，油耗大，并且造成尾气大量排放。混合动力汽车起动时，要求ISAD系统中开关磁阻电机作为起动电机工作，利用其起动转矩大的优势，在短时间内起动到发动机怠速（约800r/min）后，发动机点火起动，从而避免发动机在油耗较大区域（200r/min~800r/min）起动。

加速性能是考验发动机性能的一项很重要的指标。常规汽车的牵引功率完全由发动机决定，而采用ISAD系统的混合动力汽车可以采用并联的动力传动系结构，在加速、爬坡或重载时用开关磁阻电机的电气功率弥补发动机牵引功率的不足，用开关磁阻电机为发动机提供助力，起到功率增强作用，这样采用功率较小的发动机可以达到较强的加速性能。助力时，ISAD系统要求助力电机提供较大的转矩，同时应当保持较高的效率。

当车辆正常行驶过程中，如果蓄电池电量不足，则ISAD系统中开关磁阻电机作为发电机将部分发动机功率转换为电功率为蓄电池充电。此时要求ISAD系统根据检测的母线电流和电池端电压，判断蓄电池的充电状态，在恒流充电阶段进行电流闭环控制，在恒压充电阶段进行电压闭环控制。

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4.2 开关磁阻电机ΙSAD调速系统的控制策略

ISAD系统工作时，控制器根据油门、刹车信号及各个传感器的反馈输入，进行运行状态的判断，给出工作指令，根据不同运行状态，对开关磁阻电机采取不同的控制。

4.2.1 起动状态控制策略

由于开关磁阻电机ISAD系统机械负载是发动机，故开关磁阻电机的起动运行必须与汽车发动机负载相配合，起动时电机起动转矩必须大于发动机的静阻转矩。吉利集团上海华普汽车有限公司某型混合动力汽车要求ISAD系统的输出扭矩曲线如图4. 1所示。

706050T/Nm4030201000500n/(r/min)10001500

图4. 1 实际ISAD系统的输出转矩要求

由于开关磁阻电机ISAD系统的起动状态以获得足够大的起动转矩为目标，对转速的控制没有要求，故可采用转速开环控制。起动时，开关磁阻电机的工作区是在0～800r/min，此时电机的旋转电动势很小，电源电压大部分加在绕组电感上，由于处于绕组电感上升区，电流上升很快，为抑制电流过大，对相电流进行斩波控制，使相电流在导通区间内形成近似“平顶波”的波形。在起动时，为充分利用开关磁阻电机的电感上升区，需要在电感达到上升区以前快速建立起动电流，因此将电机导通角度适当提前，将导通区间固定在转矩最优的区间，通过适当调节电流斩波限，可以控制输出的起动转矩，在短时间将发动机带到怠速。

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4.2.2 助力状态控制策略

助力状态与起动状态同属开关磁阻电机电动运行区间，但助力状态主要在基速以上运行，采用角度位置控制。

在助力工况，转速在800r/min～3000r/min范围内，油门信号为最大值，发动机功率达到额定值，此时由于转速较高，开关磁阻电机旋转电动势较大，相绕组电感两端分得的电源电压较小，由于转速升高各相导通时间减小，因而相电流小于起动时电流斩波限，对开关磁阻电机的控制主要采用固定电流斩波限保护主开关器件，调节开通角和关断角的方式。由于此时旋转电动势大造成电流上升较慢，因此有必要随转速升高适当减小开通角，提前励磁，使工作区电流能达到较大值，同时为防止续流阶段电流在电感下降区仍保有较大值，造成较大的制动转矩，因此还需要随转速升高适当提前关断角，尽量避免有较大电流流入负转矩区。

虽然主要以输出转矩为控制目标，但是考虑到蓄电池储能有限，不能提供长时、高功耗的助力电能，因此还必须同时考虑系统的效率，对助力状态下的开通角和关断角进行优化选取。优化通过测量不同转速下，不同开通角、关断角对应的转矩和效率来完成，制成转速与优化开通角、优化关断角的查找表关系，在助力时通过位置反馈计算转速，查表调节开通角、关断角。

4.2.3 发电状态控制策略

车用铅酸蓄电池的充电模式可简化为两个阶段，即恒流充电和恒压充电。当单节蓄电池端电压低于2.40V时，采用大电流恒流充电，此时充电电流为0.2C的安培量（C为蓄电池容量）；当单节蓄电池端电压上升到2.4V时，约已充入80%的电量，此时应转换到第二阶段，维持2.4V电压进行恒压充电。同时发电机为用电负载供电。当蓄电池组因向负载提供较大电流，造成蓄电池组容量不足时，单节蓄电池电压会跌至2.3V以下，此时，将自动将发电机充电工作状态转换为第一阶段，如此循环。

根据铅酸蓄电池的充电模式，发电工况下，开关磁阻电机分阶段对蓄电池恒流均充和恒压浮充。均充时，对母线电流进行闭环PI控制，浮充时，对蓄电池端电压进行闭环PI控制。根据电池电压阀值进行电流闭环控制到电压闭环控

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制的切换。发电运行时，固定开通角在输出电功率优化的角度位置，调节关断角使受控量恒定。实际关断角的调节可通过改变电流上限Ιmax实现：每次PI运算得出的给定值，输出作为电流上限Ιmax。一相导通后，绕组电流上升至Ιmax即关断该相。Ιmax增大，关断角后移；反之关断角前移。因此闭环控制电流上限，即可调节关断角度位置，使受控量恒定。为防止调节超出范围，设定最大关断角θoffmax，确保实际关断角度θoff<θoffmax。

4.3 开关磁阻电机的控制问题 4.3.1 转速计算功能的实现

在调速系统软件中，转速计算是一必需而又相对固定的模块，转速的闭环控制、电机的运行状态判断都需要获知当前转速。转速计算的原理是通过测量电机旋转时通过一小段固定距离所花费的时间（T法），或者一小段固定时间走过的距离（M法），距离与时间的比值即为当前速度[42]。在开关磁阻电机位置测量信号中，Z信号的跳变间距始终为一个宽6°的步进角，因此捕捉Z信号的跳变沿（上升沿或下降沿），记录相邻两个跳变沿之间的定时器时间，就可以计算出开关磁阻电动机的转速，从原理上看，属于T法测速。

采用捕获寄存器CAP1捕获Z信号的跳变沿，CAP1配置为为双沿检测，时基为Timer2定时器，单增计数模式，分频系数2，即CPU时钟的1/2，每一定时脉冲周期为100ns。起动CAP1双沿捕获中断，一旦检测到Z信号跳变沿信号，捕获中断，在中断服务子程序内读取捕获值CAP1FIFO，即6°区间定时器Timer2的计时脉冲数，同时对定时器Timer2计时值清零，重新起动，就可以保证每隔6°获得一次转速对应的计时脉冲数Ncount。

根据以上原理，可以推导出计时脉冲数Ncount与转速n之间的换算公式：

360o1n?(deg/s)＝(deg/s)?(r/min)

Ncount??T60Ncount??TNcount??T6o(4－1)

当计时脉冲周期ΔT=100ns时n=Ncount-1×107（r/min）

由于定时器Timer内存储的是16位的无符号整形变量，最大值为0FFFFH，对应65535，当转速很低的时候，N会溢出，造成转速计算错误（取N＝65535代入上式，计算出使用上面的方法，可计算的最小转速为153r/min）。因此，在

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转速低的时候需要扩展最大允许计时脉冲数，这时可以利用定时器Timer2的溢出中断，在溢出中断的中断服务程序内记录溢出次数Nfull。则经过改进的转速测量公式为：

1n?(r/min) （65535Nfull＋Ncount）??T

(4－2)

在捕获中断服务子程序中，加入对TMR2溢出中断数的判断，若Nfull=0，则根据式（４－１）计算转速，若Nfull>0，则根据式（４－２）计算转速。

4.3.2 角度位置的准确定位

开关磁阻电机运行时需要位置检测来进行位置闭环。通过馈入DSP的三路位置信号PQR和一路综合信号Z，得到转子相对于参考位置（0°）的电角度区间，根据所属的电角度区间来判断区间状态STATE。位置传感器的检测分辨率只有6°因此只能将一个电角度周期等分为6个宽度为6°的区间。如图4. 2所示，根据位置检测信号P、Q、R在一个周期内的六种不同组合，将一个周期里划分为六个状态（STATE）：STATE1（011）、STATE2（001）、STATE3（000）、STATE4（100）、STATE5（110）、STATE（111）。在划分6个区间的基础上，可以下面的方法获得区间内精确的转子位置。

根据最近一次捕获中断时定时器的计时脉冲数Ncount可以将6°位置区间等分为Ncount。则利用下面的公式可获得当前时刻的转子位置：

??6?STATE＋6Ncount?N

(4－3)

其中N为当前时刻的定时器计时值。

在实际控制中，只需要根据开通角和关断角，确定触发时刻，即已知式（4-3）中的θ，确定N。方法是将具体的开通关断角度，化为6°以内的相对角度位置Δθ＝θ－STATE×6<6，则需要开通关断的定时器时刻为

N=Δθ??count 60(4－4)

其中Ncount/60为0.1°对应的定时脉冲数。

在得到开通角θon和关断角θoff后，在捕获中断服务子程序中计算出相应的

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定时脉冲数Non和Noff，则在脉冲计数到时，转子所在的位置即为开通角和关断角所对应的实际位置。

A0o6o12o18o24o30o36oBCDEFSTATE123456PQRZ

图4. 2 转子位置与位置区间对应关系

4.3.3 换相逻辑的实现

计算转子位置的目的是进行换相控制，因此对于每个换相时刻的中断服务子程序，必须找出应当开通/关断哪一相[43,44]。

电动模式下运行时，开关磁阻电机每一相应当在电感上升区导通，但为使电流在进入电感上升区之前已经建立，从而提高电机的输出转矩，应当适当提前开通角，使一相在电感上升区前开通；同样，为避免电机在电感下降区存在较大的电流，产生制动转矩，一相主开关器件的关断也应适当提前。从图4. 2可见，应当在[－6°，0°]的区间内开通，关断位置在[12°,18°]区间内。

因此可建立电动模式下的位置状态与各相开通关断关系，见表4. 1。

表4. 1电动模式下位置状态与各相开通关断关系

STATE 开通相 关断相

1 B E 2 C F 39

3 D A 4 E B 5 F C 6 A D 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文

发电模式下运行时，开关磁阻电机的每相应当在电感上升区的中段开通，在电感下降区的中段关断，即开通角区间为[6°,12°]，关断区间为[24°,30°]，根据图4. 2建立发电模式下的位置状态与各相开通关断关系，见表4. 2。

表4. 2 发电模式下位置状态与各相开通关断关系 STATE 开通相 关断相 1 F C 2 A D 3 B E 4 C F 5 D A 6 E B 从表4. 1和表4. 2可以看出，在每个6°状态区间中应分别开通和关断两相。而DSP的每个定时器可以产生比较匹配和周期匹配两种中断方式，因此，可以在这两种中断服务子程序中分别控制一相开通和一相关断。这通过在捕获中断子程序中为定时器的比较匹配寄存器和周期匹配寄存器分别赋两次换相的定时值来实现。由于比较匹配中断总是发生在周期匹配中断之前，因此在对比较匹配寄存器和周期匹配寄存器赋定时值的时候应当将先发生的中断的定时值赋给比较匹配寄存器，后发生的中断的定时值赋给周期培配寄存器。如果两个中断同时发生，则在赋定时值的时候在周期匹配中断的定时值上加上一个很小的计时差值Δt，使得两个中断的处理能够错开而又不影响正常的换相。

4.4 控制软件结构

软件算法采用前后台方式，后台主程序主要完成初始化，运行状态的判断，以及各个状态下按前述控制策略给出控制参数。软件结构如图4. 3所示。为实现开关磁阻电机运转，使用了四个中断服务子程序。其中，定时器1的比较和周期匹配中断服务子程序分别在各自中断时刻实现特定相的导通或关断。定时器3产生1ms的定时中断，置位1ms标志位，作为主程序工作的同步时钟信号。定时器2作为捕获单元CAP1的时基，对每个6°捕获间隔计时。捕获中断服务子程序读取定时器2中断时刻的定时值，实现测速，同时将主程序中查表得出的θon、θoff换算为定时器TMR1的计数值，分别赋给TMR1的比较寄存器和周期寄存器，启动TMR1从零开始连续增计数。

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软件启动前台中断服务子程序定时器2溢出中断服务子程序初始化子程序：－关中断，清中断标志－DSP内核初始化－全局变量、标志位初始化－事件管理模块初始化－定时/计数器配置－捕获单元配置 －通用IO口配置－片内AD配置－中断分配，开中断－DA输出电流斩波限初始化－溢出次数＋1－清零重启定时器1周期中断服务子程序－根据状态值查相－判断开通/关断－换相定时器1比较中断服务子程序后台主程序循环－时间片管理－外部状态量读取－工况判断，根据状态进入不同子程序起动状态子程序入口助力状态子程序入口发电状态子程序入口起动状态子程序助力状态子程序发电状态子程序－根据状态值查相－判断开通/关断－换相定时器3周期中断服务子程序－清零重启捕获1中断服务子程序－捕获定时器2定时值－更新位置状态－定时器1比较中断、周期中断匹配值给定－定时器2清零重启 图4. 3 控制软件结构

4.5 后台程序 4.5.1 主程序

主程序的任务主要是：

（1）为后台程序提供时间片管理。由于各功能模块中的循环控制周期不一致，因此需要为后台程序提供一个基准周期。这里，选择1ms作为整个后台程序的基准周期，1ms由定时器3的周期中断产生，通过主程序对1ms时基进行软件计数，设置标志位的方法分配时间片，使各功能模块按照各自的“节拍”工作。

（2）将控制子程序中给出的开通角θon、关断角θoff换算成6°范围内的相对开通角Δθon和关断角Δθoff，用于捕获中断时计算换相定时脉冲数。

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（3）ISAD系统状态判断。主程序根据外部检测量输入和捕获中断的捕获值判断系统工况，给出状态标志，决定控制子程序的入口。

（4）故障处理。当发现工作状态异常，则认为是电机故障，立即封锁触发脉冲，停机。

各子程序的入口判断条件如表4. 3。

表4. 3 各状态的判断条件 状态 起动 助力 发电 油门 － ON － 刹车 OFF OFF － 转速（r/min） [0,800] [800,2000] [1000,3000] 蓄电池电压 >36V >36V <36V 主程序的流程图见图4. 4。

主程序初始化1ms标志置位Y1ms标志复位θon、θoff换算Δθon、Δθoff读取AD转换值N读取当前捕获值读取油门刹车信号故障处理停机？工况判断,置状态标志case起动?NNY助力控制子程序Y起动控制子程序case助力?Ncase发电?Y发电控制子程序

图4. 4 主程序流程图

4.5.2 初始化模块

初始化模块主要完成DSP内核的时钟频率选择，主程序使用的全局变量、状态标志的初始化，以及事件管理模块的初始化（包括定时器/计数器的分配和捕获单元的配置等），通用IO口的配置，片内AD的配置，以及中断配置。初始化流程见图4. 5。

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初始化I/O口配置关中断，清中断标志DSP内核初始化变量、标志位初始化事件管理模块初始化（定时/计数器、捕获单元配置）片内A/D配置中断配置，开中断DA输出电流斩波限显示起动状态初始化结束

图4. 5 主程序初始化子程序

其中事件管理模块配置为：

捕获单元控制寄存器设置为使用捕获单元CAP1，以定时器TMR2为捕获时基，双边沿检测；

定时器1：单增工作模式，允许比较匹配中断和周期匹配中断； 定时器2：单增工作模式，允许溢出中断； 定时器3：单增工作模式，允许周期匹配中断。

4.5.3 起动状态子程序

起动状态主要采用电流斩波控制方式。由于相电流与电流斩波限的比较和电流斩波Δt延时开通分别由外围比较电路和CPLD实现，因此起动控制子程序相对简单，只要给定的电流斩波限，按照[－2°,16°]的导通区间固定开关。程序流程如图4. 6所示。

助力子程序入口起动子程序入口读捕获值电流斩波限给定查表求最优开关角开通角、关断角给定起动子程序出口开通角、关断角给定

助力子程序出口

图4. 6 起动状态子程序

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图4. 7 助力状态子程序

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4.5.4 助力状态子程序

助力状态主要采用角度位置控制方式。控制流程是读取捕获中断的捕获值，查表，确定当前转速下的最优开通角和关断角，如图4. 7所示。

4.5.5 发电状态子程序

发电状态包括电流闭环控制和电压闭环控制[45]，两种模式的控制算法一样，仅区别于受控量。因此以电流闭环控制为例，介绍发电状态子程序。

发电状态子程序为完成闭环控制，主要任务为

(1)给定开通角和关断角，其中开通角为经过优化的开通角，关断角为允许的最大关断角。

(2)对受控量进行AD采样。以主程序提供的1ms时基对母线电流进行AD采样，为了避免外界干扰带来的误差，用软件FIFO的方式对AD转换结果进行数字滤波，FIFO的深度取4级，每隔1ms读入一次AD转换值，读满4次移位求平均，作为实际的电流采样值进行计算。

(3) 根据给定量和受控量反馈值的误差进行数字PI运算[46]。 PI算法的一般表达式为：

u?Kpe?KpTit?edt

0(4－5)

式中KP为比例系数，Tｉ为微分时间常数，e为输入偏差。 采用数字PI控制，可得到式（4－5）的离散形式：

u?Kpe(k)?KpTsTi?e(i)

i?0k(4－6)

这是位置式的PI算法，进一步可得到增量式PI算法：

??u(k)?A?e(k)＋B?e(k?1) ?u(k)?u(k?1)??u(k)?(4－7)

在实际控制中采用了式（4－7）的增量式PI算法，因为增量式算法只输出增量，减小了DSP误操作对控制系统的影响，而且不会产生积分失控[47]。

具体的做法是根据AD采样得到的电流量与给定电流值作差，得到e(k)，每隔2ms进行一次增量Δu(k)的运算，系数A、B由实验整定获得[48]。

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(4)将PI运算的结果作为控制量，乘以系数，得到当前控制周期内的Ιmax值，由DA输出作为电流斩波限对应的电压控制信号。电流斩波限的范围为0～20A，对应的电压控制电平为0～0.5V。当实际电流大于给定电流时，Δu(k)<0，使得Ιmax下降，关断角提前，发电电流下降；当实际电流小于给定电流时，Δu(k)>0，使得Ιmax上升，关断角滞后，发电电流上升。

发电状态子程序的流程如图4. 8。

发电状态子程序入口N1ms到？Y启动两路AD转换开通关断角给定开通关断角给定电流闭环控制电压闭环控制Y恒流/恒压？N电流偏差PI运算延时1mS电流斩波限DA输出电压偏差PI运算读取母线电流、电压电流斩波限DA输出发电状态子程序出口

图4. 8 发电状态子程序流程

4.6 前台中断

前台中断主要任务是完成开关磁阻电机运行时实时性要求高的任务，如换相、测速等，同时在发生计时溢出等情况时能作出处理，并为后台主程序的时间片管理提供时基。

4.6.1 捕获中断

捕获中断服务子程序主要解决4.3.1节中涉及到的电机运转的测速，定位和换相问题，其主要流程如图4. 9所示：

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捕获中断子程序入口中断现场保护读取FIFO捕获值清FIFO清TMR2计数值读IOPA口PQR输入位，确定转子位置状态STATE根据捕获值计算换相角θ1θ2Yθ1<θ2?Nθ1赋给Τ1CMPθ2赋给Τ1PERθ1赋给Τ1PERθ2赋给Τ1CMP 起动T1、T2重新定时计数恢复现场，开中断中断返回 图4. 9 捕获中断服务子程序流程

（1）在进入子程序后，先读取捕获单元FIFO寄存器中捕获到的中断时刻定时器T2的定时值Ncount，根据4.3.1节所述，该定时值即为转过6°区间所对应的时间，代表了当前电机的转速。读取后清捕获单元FIFO寄存器。

（2）读PQR位置的信号组合，更新STATE状态值。

（3）根据式（4－4）和捕获的Ncount计算出换相时刻，存入定时器1的比较匹配和周期匹配寄存器中。

（4）在进入子程序出口前，对定时器1和定时器2复位清零，重新起动。

4.6.2 定时器1的中断

定时器1在初始化时被设定为单增工作模式，允许比较匹配中断和周期匹配中断，其任务是在完成每个状态区间内的两次换相。中断发生的时刻都由捕获中断服务子程序设定在换相时刻。电动和发电模式下各相的开关与转子状态对应关系在软件中被制成状态跳转表。进入定时器1的比较或周期匹配中断服务子程序后，根据当前时刻的转子位置状态STATE，查表获得换相信息，然后将相应的相开通或者关断。两次换相操作完成后，定时器1停止工作，等待在进入下一捕获中断后重新被复位使能。

定时器1的比较匹配中断服务子程序流程如图4.10，周期匹配中断服务子

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