开关磁阻电机控制系统设计与仿真
开关磁阻电机控制系统设计与仿真
范盼飞;张团善;杨斌;王国庆;何文莉
【摘要】In order to improve the speed-governing performance of the switched reluctance motor at different speeds and reduce the torque ripple,a control system of switched reluctance motor is designed.A high-performance DSP (TMS570LS1227) being used as the main control
chip,magnetic encoder AS5040 measures the rotor position,the gate driver IR2130 receives six-way PWM waves and controls IBGT tube off and on.The current tracking control is adopted at low speed,and the phase voltage PWM chopping control at medium and high speed.Under the
Matlab/Simulink environment the linear system model is simulated,and a real machine debugging conducted with a switched reluctance
motor,which proves the system runs smoothly with a high-speed performance,and can also effectively inhibit torque ripple and noise of the switched reluctance motor.%为了提高开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor)在不同速度运转时的调速性能,降低转矩脉动,设计了一款开关磁阻电机控制系统.控制系统采用高性能DSP(TMS570LS1227)作为主控芯片,磁编码器AS5040测定转子位置,门极驱动器IR2130接收六路PWM波控制IBGT管的通断.低速运行时采用电流跟踪控制,中、高速时采用相电压PWM斩波控制,在
Matlab/Simulink环境下对系统线性模型进行了仿真,并对一台开关磁阻电机进行实机调试.测试结果证明所设计系统运行平稳,调速性能优良,能有效地抑制开关磁阻电机的转矩脉动和噪声.
【期刊名称】《西安工程大学学报》
【年(卷),期】2017(031)001
【总页数】7页(P88-94)
【关键词】开关磁阻电机;电流跟踪控制;电压斩波
【作者】范盼飞;张团善;杨斌;王国庆;何文莉
【作者单位】西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048;西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048
【正文语种】中文
【中图分类】TM352;TM301.2
开关磁阻电机双凸极的结构以及它的开关性(电机工作在连续的开关供电模式),决定了开关磁阻电机具有一定的固有转矩脉动,无法平稳运行,工作在低速时还伴有较大的电磁噪声,根据SRM的可控量及调速性能,在不同的速度段运行时具有角度位置控制、电流斩波、电压斩波等不同方式[1-3].
目前有许多学者对SRM的控制系统做了研究,文献[4]依据开通角和关断角随电机转速变化而改变的原理设计了基于DSPACE开发平台的控制系统,虽然缩短了开发周期,但是电流峰值由旋转电动势限制,低速时该电动势减小,电流等值会超标,其他控制手段进行限流;文献[5]提出一种DTC策略下的转矩双滞环控制器,通过判断开关磁阻电机启动转矩偏差,选择空间矢量,该方法只适合于开关磁阻电机在启动阶段的控制,无法完整解决开关磁阻电机的转矩脉动问题;文献[6]和文献[7]分别采用电流双
闭环和优化开关角的方法抑制转矩脉动,然而在电机换相控制时瞬间电流过大,产生负转矩,导致转矩脉动；文献[8]提出一种将上上一周期偏差和当前周期叠加到被控对象进行控制的方法,对具有周期性扰动的SRM系统有良好效果,但是抗负载扰动动态性能较差.
本文在研究开关磁阻电机的调速特性,建立数学模型之后,采用高性能
DSP(TMS570LS1227)作为主控芯片,以速度作为外环,电流控制为内环,电机在低速运行时采用间接转矩控制,对相电流进行跟踪控制,在中、高速运行时采用电压PWM斩波控制,并设计了开关磁阻电机的硬件驱动电路和软件控制程序,有效地改善了开关磁阻电机运行时的转矩脉动,提高了电机转速控制精度.
根据机电关系方程式,有
在线性模型中简化方程
根据式(2)和(3)得
以上各式中Te为转矩;θ为转子角位置;ik为k相绕组的相电流;Wm为磁储能;Ψ为相绕组的磁链;L为绕组电感.
由式(4)可知,开关磁阻电机的矩角特性,当dL/dθ≥0时,由于转角的增大,电机电感上升,产生正转矩,当dL/dθ≤0时,产生一个负转矩,因此可以通过控制相绕组电流的通断,改变转矩方向[10-12].
由此可知,SRM的每一相的转矩特性可以用转矩——电流——角度来描述,相邻两相相差一个步矩角,当转矩达到最大时开始降落,最大的转矩降落出现在相邻两相的矩角特性曲线重叠处,此时正是开关磁阻电机换相的瞬间,当前相不再产生电磁转矩,下一个导通相不能产生所需转矩,该转矩降落大时转矩脉动大.因此选用合适的控制技术,减小开关磁阻电机相邻两相绕组之间的最大转矩降落,可以有效地抑制转矩脉动[13-15].
当SRM工作在低速时,相绕组中旋转电动势减小,相反相电流增长迅速,此时电机处
于恒转矩状态,适用相电流斩波的控制方式,即跟踪相电流的控制方法,可以有效地限制相电流超过允许值,当SRM工作在中高速时,随着电机角速度增大,磁链和相电流减小迅速,转矩Te以平方下降,电机处于恒功率状态,此时采用PWM电压斩波的控制方式可以调节相绕组电压平均值,间接限制相电流,抗负载扰动动态性能更加优良[16-20].
由开关磁阻电机的控制机理可知,控制相绕组电流或磁链大小可以间接完成转矩控制.本文采用TMS570LS1227作为控制芯片设计了开关磁阻电机的电流和转速的双闭环控制系统,如图1所示.速度控制器输入为SRM的给定转速与反馈速度的比较值,经过PI控制器处理,输出量为给定转矩Tref,经由转矩控制器的转矩分配函数处理,得出各相的参考电流,与各相绕组的反馈相电流比较运算,用PWM控制方式产生功率器件的开关信号.
2.1 硬件设计
2.1.1 磁编码器通信模块 SRM角度信号的采集采用非接触式磁旋转编码器
AS5040.图2所示为磁编码器与单片机通信的硬件电路,AS5040通过串行输出接口与TMS570LS1227的SPI进行同步通信,AS5040输出最大值为1024的电角度值,对应角度信息为360°机械角度,角度信息将被用来完成开关磁阻电机的换相控制与速度测算,需要注意的是磁编码器输出信号为8位电角度信息加3位磁场信息,需要进行移位处理以保证准确性.
2.1.2 驱动控制模块 SRM的驱动采用电压斩波(CVC)的方式.如图3所示,通过向高性能门集驱动器IR2130输入六路PWM波,可以使IGBT管工作在脉宽调制方式,脉冲周期固定,改变PWM波的占空比,可以调节绕组两端的电压平均值,间接改变绕组电流从而完成转速控制,此种方式适用于高低速运行,且抗扰动响应快.此
外,IR2130的ITRIP、CA-、CAO引脚组成过流、欠压检测电路,系统欠电压时,因为功率器件达不到工作所需电压,会导致输出信号错乱,而过电流时,主回路或定子绕
组电流超过允许值,会烧坏功率开关管,当检测到过流或欠压信号时,可以封锁输出,保护IGBT因驱动信号幅值不足或过流而损坏.
2.1.3 电流检测模块三相开关磁阻电机控制系统需要3个电流传感器分别检测相电流及母线电流,图4所示为U相电流采集电路,电流传感器采用ACS756,有正电压输入、负电压输入、输出信号、电源电压和地5个端口,因为经过ACS756输出的采样电流信号为按比例缩小的电压信号,需要使用运算放大电路及滤波电路处理,防止后续电路对其产生干扰.如图4所示,运算放大电路设计为电压跟随电路使信号电压保持不变,为了消除采集电流信号的毛刺,添加了二阶低通滤波器,同时为防止采集到的信号电压过高损坏DSP,在电流信号进入DSP采样模块之前添加了
3.3V钳位电路.
2.2 软件设计
该系统采用C语言编制完成,用来控制开关磁阻电机的转速闭环和电流闭环控制,主程序设计框图如图5所示.
主程序主要由初始化程序和运行程序两大模块组成,在初始化程序完成DSP系统和SRM速度、位置等参数的初始化之后,进入无限循环的运行程序,在较低的优先级完成SRM速度测量及LED可视化输出.需要注意的是速度测量为双精度数据计算，在后台执行.SRM运行中的电流控制、位置检测、速度控制均在定时中断服务程序中进行,电机控制频率为换相控制和速度控制频率的5倍.采样中断程序由外部中断完成,频率由SRM的运行速度决定,转速越高,采样中断频率越高.
为了验证所设计系统的性能,在Matlab/Simulink环境下,在不计算SRM相绕组的磁滞、涡流及互感利用模块库的条件下,建立了控制系统的线性仿真模型进行仿真实验.系统由SRM主体模块、电流控制模块、转速控制模块、转矩计算模块转角选择模块等部分组成,其中主体模块选用三相6极SRM电机,输入量为电机转速,输出量为各相电流,转速环由PI调节器构成电流环为PWM电压斩波控制器和相电流斩
波控制器复合组成,电压PWM斩波频率为8kHz,母线电压220V,θon和θoff固定为10°和22°,PI调节参数KP=3.2,KI=0.6.图6为PWM波形、相电压、相电流、合成转矩的仿真图像,结果表明所设计控制系统各项指标都在合格范围,电磁转矩平稳,调速性能优良,可以有效地减小开关磁阻电机运行时的转矩脉动.
本文开关磁阻电机控制系统选用TMS570LS1227为主控芯片采用低速相电流追踪控制,中、高速PWM电压斩波的控制策略,所设计控制系统可以有效抑制转矩脉动,系统精度高,硬件、软件系统运行可靠,具有使用价值.
E-mail:****************
FAN Panfei,ZHANG Tuanshan,YANG Bin,et al.Design and simulation of switched reluctance motor control system[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2016，31(1)：88-94.
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然而传统直流电机存在机械换向器和电刷，运行中会产生电火花和电磁辐射，从而干扰到车辆的电子控制系统，不利于车联网体系的建立。除此之外，机械换 向器有着极为复杂的结构，难以简单制造且使车速到达高速。 （2）交流感应电机 交流感应电机一般采用六用鼠笼型的结构，对比与其他电机，三相鼠笼型电 动机成本较低，运行效率高，拥有良好的可靠性的同时便于维修的优点，而且体 积小。通过一定的控制策略，，交流感应电机也可以实现类似于直流电机的良好 调速特性。但与此同时，交流感应电机用电量大，在使用过程中发热严重，调 速性能不佳，控制系统复杂且需要一定的成本。 （3）无刷永磁电机 永磁电机是一种高性能新兴电机。永磁无刷直流电机结构中不含换向器和电刷，这样一来永磁电机一方面继承了直流电机优秀的调速性能又避免了机械换向 器和电刷带来的负面影响。相较于此前介绍的几种电机，永磁电机有更高的功率 和转矩，极限转速高、制动性能好。散热性能更好。加之永磁电机也具有优异的 四象限运行能力，使得永磁电机作为较晚出现的电动车用电机却后来者居上，近 些年来表现出越来越迅猛的发展势头。然而，在应用反面永磁电机有几个不可回 避的缺点。其一，永磁材料受温度影响大，在大电流负载时，温度的上升会导致 永磁材料性能下降。其二、受限于转子磁轭与定子之间安装的机械强度，永磁电 机难以承受高速运行状态。其三、稀土永磁体的价格昂贵，导致永磁电机的制造 成本上升。其四、大型稀土永磁体会吸引周围飞散的金属碎屑，对电极稳定运行 不利。其五、受限于自身的结构及材料特点，永磁电机难以获得高于基速两倍及 以上的转速。这些问题在实际应用中限制了永磁电机的适用范围。 （4）开关磁阻电机 开关磁阻电机（SRM）是一种双凸极变磁阻电机，转子不含永磁体而是由硅 钢片叠压而成。从结构上来看对比与其他电机，开关磁阻电机相对较为稳定，并 且在转速、转矩方面的调速范围更广，并且在可靠性已经稳定方面，开关磁阻电
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年来，中国在开关磁阻电机的研发方面取得了很大的进步例如南京航空航天大学开发了 3KW、6KW 及 7.5KW 三套原理样机，电机采用的是风冷形式。但在大功率方面的研究还很少，仅有原理样机方面的仿真。 （二）、开关磁阻电机的优缺点开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W~5MW的各种高低速驱动调速系统。使得开关磁阻电机在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用（电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域）。 其结构简单，价格便宜，电机的转子没有绕阻和磁铁。 （1）转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕阻电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠，可降低系统成本。 （2）易于实现各种再生制动能力。 （3）定子线圈嵌装容易，热耗大部分在定子，易于冷却，效率高，损耗小，允许有较大的温升。 （4）转子上没有电刷，结构坚固，适用于危险环境，控制灵活。 （5）调速范围宽，控制灵活并且输出效率很高。 （6）电机的绕组电流方向为单方向，控制电路简单，具有较高的经济性和可靠性，转子的转动惯量小，有较高转矩惯量比。
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基于单片机的开关磁阻电机驱动系统设计 摘要：该文介绍了开关磁阻电机的基本原理，设计了一种用80C196单片机实现的开关磁阻电机驱动系统，并对该开关磁阻电机调速系统的性能进行了实验与测试，实验证明该系统运行可靠。 1 引言 开关磁阻电动机是磁阻电动机与电子开关驱动控制器组成的控制装置，又称开关磁阻电机驱动系统（Switched Reluctance Motor drive,简称SRD）。电机结构简单坚固，运行可靠，系统具有启动转矩高、启动电流低、调速范围宽、运行效率高，特别适用于频繁启停及正反转运行，使得SRD成为交，直流电机驱动系统以及无刷直流电机驱动系统的强有力竞争者。目前，SRD已用于多个领域，如：电动车驱动、家用电器、伺服与调速系统等许多领域。 本文设计了一个以80C196单片机为控制核心的SRD的控制系统，充分利用了SRD电机控制方式灵活的特点，采用数字化控制系统对SR电机进行控制，简化了硬件电路，提高了系统的可靠性。 2 SR电机工作原理 SR电机运行原理遵循磁阻最小原理——磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向的磁拉力，当具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。典型的SR电机结构原理如图1所示。 具体过程如下：当A相绕组电流控制开关S1，S2闭合时，A相励磁，所产生的磁场力使转子旋转到转子轴线与定子轴线重合的位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩。顺序给A-B-C-D 相绕组通电（B、C、D各相绕组在图中未画出），则转子便按逆时针方向连续转动起来。反之，依次给B-A-D-C相绕组通电，则转子会按顺时针方向转动。 图1 SR电机结构原理图 由于是磁阻性质的电磁转矩，SR电机的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组的通电顺序，这使得能够简化功率变化器电路，当S1或S2闭合时，A相绕组从电源上吸收电能，而S1或S2断开时，绕组电流通过二极管VD1、VD2将剩余能量回馈给电源，因此SR 电机具有能量回馈的特点，系统效率高。 2 SRD系统硬件设计 2.1系统基本组成 SRD系统主要由四部分组成：开关磁阻电机、功率变换器、控制器及传感器。它们之间的关系如图2所示。 图2 SRD基本组成结构图 SR电动机是整个系统的执行部件，采用双凸极结构的磁阻的电机、功率变换器向SR电
电动汽车开关磁阻电机驱动控制系统
电动汽车开关磁阻电机驱动控制系统 开关磁阻电机驱动（Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD）系统是一种新型的开关磁阻电机调速系统，主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器等几部分组成。开关磁阻电机驱动系统兼有交流调速系统和直流调速系统的优点，结构简单、坚固耐用、可控参数多、控制方式灵活、可得到多种机械特性，在宽广的调速范围内均具有很高的效率，因此在工业电气传动、自动化控制和航空航天等领域均有着十分广阔的应用前景。 1 开关磁阻电机控制系统的结构 开关磁阻电机驱动系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器等几部分组成。开关磁阻电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件；功率变换器的作用是将电源提供的电能经适当转换后提供给开关磁阻电机。控制器则是SRD系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号以及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，从而实现对电机运行状态的控制，使之满足预定的运行要求；检测器包括电流检测和位置检测两部分，其中电流检测用以实现系统的电流反馈，位置检测则是通过检测定、转子的相对位置，来确定对相应绕组的换相操作和计算转速。 2 电动汽车开关磁阻电机驱动控制系统 1/ 4
2.1 系统硬件以及组成设计 首先应将位置信号确定为频率信号，而将电流信号全部模拟成相应的电压信号，再经过A/D专业转换之后再进行输入；对于开停信号还有各种保护信号等都需要在对进行相应的外围电路处理之后，让它逐渐转变成为开关信号，然后经I/O口输入。需要注意的是，在信号输出过程中，相触发信号又被称作开关信号，而其余各种指示信号又被称作开关信号，所以在实际的运作过程中，我们可以使用单片机的I/O来进行信号输出。 位置传感器中的信号输入电路能够将电动机位置上的传感器所发出的信号波形，经过相应的整形转换在输进专用的8751单片机之后进行有效实现：①利用传感器波形来对电动机转子位置进行有效确定，从而对电动机通电相序进行有效控制；②利用传感器波形来对电动机运行过程中的实际转速进行有效确定，从而进行有效的PID运算。 这里所讲的位置传感器，其内部是由中间经过开槽之后的光电管还有6个安装在SR电机转子轴上的齿槽遮光转盘组成的。在安装过程中，应将齿槽的角度调整到30°，而2个光电管也应控制15°左右。当SR电机同遮光转盘同时间旋转时，能够迅速低输出两个周期为60°，且时间间隔位置同为16°的位置信号，然后这个信号在经过专用CD*****整形以及CD4009转换之后， 再输进相应的8751单片机之内。 2/ 4
机电控制作业开关磁阻电机及matlab仿真
开关磁阻电机 一、概述 开关磁阻电动机结构简单、可靠性高、恒转矩、恒功率而且调速性能好(覆盖功率范围10W～5MW的各种高、低速驱动调速系统)、价格便宜、鲁棒性好等优点引起了各国电气传动界的广泛重视，由其构成的调速系统兼有直流传动和普通交流传动的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无级调速系统。这种新型调速系统使开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用。 开关磁组电机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在： (1) 电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。 (2)功率电路简单可靠。 (3)系统可靠性高。 (4)起动转矩大，起动电流低。典型产品的数据是：起动电流为额定电流的15％时， 获得起动转矩为100％的额定转矩；起动电流为额定电流的30％时，起动转矩 叮达其额定转矩的250％。 (5)适用于频繁起停及正反向转换运行。 (6)可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至 少有四种：相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。 (7)效率高，损耗小。以3kw SRD为例，其系统效率在很宽范围内都是在87％ 以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。 (8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。 二、开关磁阻电动机的结构
图1-1开关磁阻电机结构图 典型的三相开关磁阻电动机的结构如图1-1所示。其定子和转子均为凸极结构，图示电机的定子有8个极，转子有6个极。定子极上套有集中线圈，两个空间位置相对 的极上的线圈顺向串联构成一相绕组，图2-1中只画出了A相绕组；转子由硅钢片叠 压而成，转子上无绕组。该电机则称三相8/6极开关磁阻电动机。在结构形式及工作 原理上，开关磁阻电动机与大步距反应式步进电机并无差别；但在控制方式上步进电 机应归属于他控式变频，而开关磁阻电动机则归属于自控式变频；在应用上步进电机 都用作“控制电机”而开关磁阻电机则是拖动用电机，因此电机设计时所追求的目标 不同而使电机的设计参数不同。 与反应式步进电动机相似，开关磁阻电动机是双凸极可变磁阻电动机。图1-1给出了以8/6极开关磁阻电机为例的结构原理图，图中仅给出了一相的绕组及外围功率开 关电路，从这个结构原理图中可以清晰的看到，开关磁阻电动机是双凸极结构，其转 子上没有任何形式的绕组，也无永磁体，而定子上只有简单的集中绕组，其中径向相 对的两个绕组构成一相。电动机每一相中流过的电流是由外围功率开关电路中的开关 根据转子位置的变化，进行相应的通断而获得的。 图1-1中给出的开关磁阻电动机是四相的，通常情况下开关磁阻电动机可以设计成多种不同相数的结构，如两相、三相、四相或更多相，当相数增加时其结构将变得更 复杂，相应的外围电路所使用的器件也相应增加。开关磁阻电动机极数的设计也有多 种形式，但是定、转子极数和相数要遵循一定的关系。即定子极数应为相数的2倍或2的整数倍；而转子极数应不等于定子极数且一般转子极数少于定子极数但都是偶数极[2]。由于开关磁阻电动机相数与极数的设计，低于三相的电动机没有自起动能力，对于有 自启动、四象限运行要求的驱动场合，应选用表1-1所对应的定、转子极数组合方案。
开关磁阻电机性能的研究与优化设计
开关磁阻电机性能的研究与优化设计 开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）是一种适用于高速、高效、高可靠性和低成本的电机。它的特点是没有永磁体和绕组，通过磁阻来实现转矩产生。本文将研究SRM的性能，并优化其设计。 首先，我们来分析SRM的性能。SRM的核心是转子和定子，它们之间的间隙被称为磁阻。在运行时，SRM通过改变定子和转子的磁阻来产生转矩，从而驱动负载。与传统电机相比，SRM具有以下优点：结构简单、无永磁体、高效率、高可靠性和低成本。然而，SRM也存在一些问题，如震动和噪音较大、起动困难、转矩脉动等。因此，我们需要对SRM进行研究和优化设计，以提高其性能。 为了研究SRM的性能，我们可以从以下几个方面进行分析。首先是电磁特性的研究。我们可以通过建立数学模型来分析SRM的电磁特性，如磁场分布、磁阻变化和磁通变化等。通过研究这些特性，我们可以了解SRM的工作原理和性能表现。 其次是电气特性的研究。SRM的电气特性包括电流、电压和功率等。我们可以通过实验和模拟来测量和分析这些特性，以了解SRM的工作状态和效果。在研究电气特性时，我们还可以考虑SRM的控制方法，如直接转矩控制（Direct Torque Control，简称DTC）和传统的PWM控制方法等。通过优化控制方法，我们可以提高SRM的响应速度、精度和效率。 第三是热力特性的研究。SRM的工作会产生一定的热量，如果热量无法有效散发，会影响SRM的性能和寿命。因此，我们可以通过热学分析来研究SRM的热力特性，如温升、热阻和散热方式等。通过优化散热设计和材料选择，我们可以降低SRM的温升，提高其工作效率和稳定性。 最后是结构设计的研究。SRM的结构设计直接影响其性能。我们可以通过优化磁路设计、转子形状和定子绕组等方式来改善SRM的性能。同时，我们还可以
小功率高速开关磁阻电机驱动系统的设计与应用
小功率高速开关磁阻电机驱动系统的设计与应用 小功率高速开关磁阻电机驱动系统的设计与应用 1. 引言 1.1 主题介绍 在现代工业应用中，电机作为关键的能源转换装置，其驱动系统 的设计和应用一直是一个重要的研究领域。本文将深入探讨小功率高 速开关磁阻电机驱动系统的设计与应用，以介绍其原理、特点及在工 业领域中的重要性。 1.2 文章目的 本文的目的是通过深入剖析小功率高速开关磁阻电机驱动系统的 设计与应用，帮助读者深入理解其原理及其在不同领域中的广泛应用。 2. 小功率高速开关磁阻电机的概述 2.1 定义 小功率高速开关磁阻电机是一种采用电磁铁吸力控制转子运动的 电动机。它具有结构简单、高效能、高稳定性等特点，因此在很多应 用场景中取得了成功。 2.2 工作原理 小功率高速开关磁阻电机驱动系统的工作原理主要包括电磁铁的 磁性吸引力、开关磁阻控制、电流调节等。其关键是通过电流变化来
控制电磁铁的磁性吸引力，从而使转子运动。 2.3 特点和优势 小功率高速开关磁阻电机驱动系统具有领先的转矩密度、高响应 速度、宽速度范围、低惯性等特点。这些特点使其在精密仪器、自动 化设备等领域得到广泛应用。 3. 小功率高速开关磁阻电机驱动系统的设计与应用 3.1 系统设计 小功率高速开关磁阻电机驱动系统的设计主要包括电源设计、控 制器设计、传感器设计、保护设计等方面。其中，控制器设计是一个 核心环节，需要考虑实时性、稳定性、可靠性等因素。 3.2 电机参数选择 在小功率高速开关磁阻电机驱动系统的应用中，合理选择电机参 数至关重要。其中包括电机功率、电机转速、电机电流等参数的选取。这些参数将直接影响驱动系统的性能和使用效果。 3.3 驱动系统的应用 小功率高速开关磁阻电机驱动系统在工业领域中有着广泛的应用。它可以应用于机械加工设备、医疗设备、机器人等领域。它还可以用 于一些特殊环境，例如高温环境、高湿度环境等。 4. 小功率高速开关磁阻电机驱动系统的优势与挑战 4.1 优势 小功率高速开关磁阻电机驱动系统相对于传统的电机驱动系统具
开关磁阻电机的设计与应用
开关磁阻电机的设计与应用 引言 开关磁阻电机是一种新型的电机，具有结构简单、体积小、响应快、效率高等优点，在工业生产和家用电器等领域得到广泛应用。本文将介绍开关磁阻电机的设计原理、构造和工作方式，并探讨其在不同领域的应用。 1. 开关磁阻电机的设计原理 开关磁阻电机是通过控制磁场的方向和大小来实现转动，其设计原理基于磁阻效应和磁场的反转。当电流通过绕组时，会产生一个磁场，根据右手定则，当磁阻材料中的磁场方向与绕组的磁场方向相反时，就会出现瞬时的磁流偏移，导致磁场的反转。通过不断地反转磁场的方向，可以产生连续的转动力。 2. 开关磁阻电机的构造 开关磁阻电机主要由转子、定子和驱动电路组成。 2.1 转子 转子是开关磁阻电机的核心部件，由磁阻材料制成。磁阻材料通常采用铁短路片或磁铁片，具有高导磁性和低磁饱和性。转子上绕有线圈，通过控制线圈通电情况，可以控制转子的磁场方向和大小。 2.2 定子 定子是开关磁阻电机中固定的部件，用于产生或感应磁场。定子一般由永磁体或电磁体构成，永磁体具有固定的磁场，电磁体则通过外部电源提供磁场。定子的磁场与转子的磁场交互作用，产生转动力。 2.3 驱动电路 驱动电路是控制开关磁阻电机正常工作的关键部分，它负责提供正确的电流和电压信号，并控制磁场的反转。驱动电路一般由电能转换器、控制芯片和传感器组成。 3. 开关磁阻电机的工作方式 开关磁阻电机主要有两种工作方式：单相工作和多相工作。
3.1 单相工作 单相工作是指开关磁阻电机通过单个绕组进行驱动，具有结构简单、成本低的优点。但由于只有一个驱动绕组，单相工作的开关磁阻电机转速较低，扭矩较小，适用于一些低负载和速度要求不高的应用。 3.2 多相工作 多相工作是指开关磁阻电机通过多个绕组进行驱动，具有转速高、扭矩大的优点。多相工作的开关磁阻电机可以灵活控制磁场的变化，达到更高的效率和更精确的转动性能。但多相工作的开关磁阻电机相对于单相工作来说，结构复杂，成本较高。 4. 开关磁阻电机的应用领域 开关磁阻电机在工业生产和家用电器领域有广泛的应用。 4.1 工业生产 在工业生产中，开关磁阻电机可用于控制机械臂、输送带、自动门等装置的转动。其结构简单、响应快的特点使其在自动化生产线上具有重要作用。 4.2 家用电器 开关磁阻电机广泛应用于家用电器，如洗衣机、电风扇、空调等。开关磁阻电机具有体积小、噪音低、启动快的特点，适合家庭环境使用。 4.3 交通工具 开关磁阻电机还可应用于交通工具，如电动自行车、电动汽车等。开关磁阻电机可以根据不同的驱动需求进行优化设计，以实现高效能、节能的动力输出。 结论 开关磁阻电机凭借其结构简单、体积小、响应快、效率高等特点，具有广泛的应用前景。在不断的技术创新下，开关磁阻电机将进一步改进和发展，为工业生产和生活带来更多便利和效益。
三相12／8极开关磁阻电机驱动系统建模与仿真
三相12／8极开关磁阻电机驱动系统建模与仿真 开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）的特殊非线性结构使其设计和分析十分困难，因此准确的建模和仿真对开关磁阻电机的研究很有必要。文章利用MATLAB/Simulink仿真软件，采用模块化的思想对一台三相12/8极开关磁阻电机驱动系统（简称SRD）进行了整体建模。仿真得到的波形验证了搭建的仿真模型的正确性，该模型为进行开关磁阻电机的优化控制研究创造了条件。 标签：开关磁阻电机驱动系统；MATLAB建模仿真；优化控制 1 概述 开关磁阻电机（SRM）定子和转子都是凸极形状，且都是由高磁导率的硅钢片堆叠而成，只在定子磁极上安装有集中绕组，转子上既没有绕组也没有永磁体[1]。与其他电机相比，其结构简单牢固、成本低、调速范围宽、控制灵活等优势十分突出，因此在需要调速和高效率的场合得到了广泛应用[2]。但是双凸极的结构也带来了磁路饱和、涡流、磁滞效应等一系列的非线性特性，严重影响了开关磁阻电机的运行性能，并且使开关磁阻电机的具体分析研究十分困难。为了准确研究开关磁阻电机的特性，必须对开关磁阻电机进行建模仿真。文章基于MATLAB/Simulink仿真系统对三相12/8极开关磁阻电机的驱动系统进行了整体建模仿真研究，將组成系统的开关磁阻电机（SRM）、功率变换器、控制器和位置检测器四部分模块化，对整个系统采用转速、电流双闭环控制方法。仿真结果验证了搭建模型的正确性。文章的模型具有参数修改方便，通用性强，适用于开关磁阻电机各种运行模式的特点，为开关磁阻电机及其驱动系统的优化控制研究创造了条件。 2 基于Matlab的SRD仿真模型的建立 文章在Matlab/Simulink环境中，利用软件自带的丰富模块库，在分析了开关磁阻电机非线性模型的基础上，搭建出了SRD仿真模型。 系统采用转速、电流双闭环的控制方法，其中转速外环采用PI调节控制，电流环内环采用低速时的电流斩波和高速时的角度位置控制方式。整个SRD包括电机本体模块、功率变换器模块、控制器模块和位置检测器模块四部分，通过各个模块的协调配合，实现开关磁阻电机的稳定运行。 3 仿真结果 基于建立的开关磁阻电机驱动系统模型进行仿真，设定直流母线电压为513V，最大电感为140mH，最小电感为20mH，每相绕组电阻为1.1Ω，转动惯量为0.02kg·m2，摩擦系数为0.001N.ms，将定子凸极和转子凸极对齐的位置定义为0°。可以得到不同条件下电机运转时的电流、电压、转矩、转速的仿真波
电动汽车用外转子开关磁阻电机设计与控制系统仿真
电动汽车用外转子开关磁阻电机设计与控制系统仿真 韩帅;王艳;殷天明 【摘要】针对30 kW电动汽车用12/8极外转子开关磁阻电机(SRM),通过有限元软件Ansoft对其进行设计,得到其静态模型的数据.通过MATLAB/Simulink模块 建立SRM双闭环控制模型,进行SRM电动状态和再生制动状态下的仿真.为增大SRM的起动转矩,减小其起动电流及转矩脉动,在电流斩波、角度控制、PWM斩波控制下,引入与模糊电流补偿相结合的控制策略.仿真结果表明该模型及控制策略减 小了转矩脉动,实现了电动汽车用SRM电动和再生制动的要求. 【期刊名称】《电机与控制应用》 【年(卷),期】2013(040)010 【总页数】5页(P45-49) 【关键词】外转子开关磁阻电机;再生制动;模糊控制;电动汽车 【作者】韩帅;王艳;殷天明 【作者单位】北京交通大学电气工程学院,北京100044;北京交通大学电气工程学院,北京100044;北京联鑫动力科技有限公司,北京100096 【正文语种】中文 【中图分类】TM352 0 引言 近年来，受到能源与环保的压力，电动汽车作为一种新兴的绿色交通工具正在兴起，
而电动汽车的驱动系统是决定其运行性能和经济性的关键所在。目前，电动汽车的驱动系统主要有永磁电机驱动系统、异步电机驱动系统、直流电机驱动系统等。开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)因为其结构简单、成本低、较高的调速范围、控制灵活且效率高等优点[1]，且有一定的再生制动能力，在电动汽车领域具有更广阔的应用前景。外转子开关磁阻电动轮系统作为轮毂电机系统的一种，可以直接驱动汽车的运行，省去齿轮箱、传动轴等机械结构，提高了电动汽车的效率及可靠性。直接控制电机的运行状况即可控制汽车的运行状况，使得电动汽车的操纵简单。 电动汽车用SRM要求有较小的转矩脉动及一定的再生制动能力，以增加汽车的续航里程。电压及电流斩波控制及角度控制[2]是SRM最常用的控制策略。本文采用有限元软件Ansoft对30 kW的12/8极SRM进行了不同角度、不同电流下稳态磁场的仿真分析，得到的磁链、转矩数据作为MATLAB仿真下的电机数据。其次利用MATLAB/Simulink建立SRM非线性控制模型，在电流斩波，电压斩波及角度控制的基础上，引入模糊电流补偿控制器，对SRM电动状态及再生制动状态进行了仿真。 1 SRM非线性模型 1.1 SRM的数学模型表达式 式中:uk——第 k(k=1，2…p)相绕组电压; Rk——第k相绕组电阻; ik——第k相绕组电流; ψk——第k相绕组磁链; Te——电磁转矩; J——转动惯量;
基于Matlab的开关磁阻电机控制系统仿真建模新方法
基于Matlab的开关磁阻电机控制系统仿真建模新方法开关磁阻,论文,DSP,控制 第18卷第2期浙江万里学院学报Vol.18No.2 纪志成，薛花 （江南大学控制科学与工程研究中心电气自动化研究所，江苏无锡214122） 摘要：在分析开关磁阻电机（SRM）数学模型的基础上，利用C语言编写S-函数，提出了SRM控制系统仿真建模的新方法.在 Matlab/Simulink中，构造CME某S-函数的三类简化结构，建立独立的功能模块，如电机本体模块、速度控制模块、电流滞环控制模块等，通过功能模块的有机整合，搭建SRM控制系统快速高效的仿真模型.系统采用双闭环控制：速度环采用PI控制，电流环采用角位置控制（APC）与电流斩波控制（CCC）相结合的方法，保证了SRM在低速或高速运行时都可获得满意的性能.仿真结果证明了采用CME某S-函数方式仿真建模的快速性和有效性. 关键词：CME某S-函数；开关磁阻电机（SRM）；仿真建模；快速性作者简介：纪志成，江南大学控制科学与工程研究中心电气自动化研究所教授，博士，博士生导师；薛花，江南大学控制科学与工程研究中心博士研究生。 1引言 因其结构简单、可靠性高、性能优良、输出转矩大等特点，开关磁阻电机（SRM）应用广泛[1]，且随着SRM应用领域的不断拓宽，对电机控制
系统设计要求越来越高，既要考虑成本低廉、控制算法合理，又需兼顾控制性能好、开发周期短.如何建立有效的SRM控制系统的仿真模型成为电机控制算法设计人员迫切需要解决的关键问题，因此，对于建立电机控制系统仿真模型方法的研究具有十分重要的意义[2,3]. 对于在Matlab中进行交流异步电机仿真建模方法的研究已成为探讨的热点，例如通过编写m文件可在Simulink环境下实现SRM控制系统的仿真建模[4]，虽然m文件形式的S-函数具有容易编写和理解的优点，但由于它在每个仿真步都要激活Matlab解释器，使得仿真速度变慢，且这种方法实质上是一种整体分析法，因而在这一模型基础上修改控制算法或添加、删除闭环就都需对整体系统重新建模.为此，文献[5,6]提出在Matlab/Simulink中构造独立的功能模块，通过模块组合进行交流异步电机建模，通过模块组合进行交流异步电机建模，这一方法可观性好，在原有的建模基础上添加、删除闭环或改变控制策略都十分便捷，但模块化建模的方式存在控制策略难以硬件实现的问题. 开关磁阻,论文,DSP,控制 2浙江万里学院学报2005年4月 2CME某S-函数的简化结构 利用Matlab/Simulink进行运动控制系统的建模仿真是普遍采用的方法之一，而S-函数，尤其是CME某S-函数，正是整个Simulink动态系统的核心，它不仅提供了增强和扩展Simulink能力的强大机制，同时也是使用RTW（RealTimeWorkhop）实现实时仿真的关键所在，也因此十分适合于复杂动态系统的数学描述，支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统的仿真建模[7].
电气毕业设计-开关磁阻电机驱动控制系统设计
目录 1 绪论 (1) 1.1 课题的选题意义 (1) 1.2 国内外发展状况及其前景 (1) 1.3 SR驱动控制系统的特点和优点 (2) 1.4 SR电机驱动控制系统的研究和发展方向 (4) 1.5 本设计所进行的工作 (5) 2 SR电机控制系统的原理及控制策略 (6) 2.1 SR电机控制系统的结构和原理 (6) 2.1.1 SR电机驱动控制系统结构 (6) 2.1.2 SR电机的工作原理 (7) 2.2 SR电机的基本方程及控制方式 (9) 2.2.1 SR电机的基本方程 (9) 2.2.2 SR电机的控制方式 (11) 2.2.3 系统控制策略的确定 (17) 3 SRD数学模型与SIMULINK仿真模型的建立 (19) 3.1 SR电机的线性模型分析 (20) 3.1.1 SR电机的绕组电感分析 (20) 3.1.2 SR电机的绕组磁链分析 (22) 3.1.3 SR电机的绕组电流分析 (23)
3.1.4 SR电机的电磁转矩分析 (28) 3.1.5 SR电机的准线性分析 (29) 3.2 SR电机控制系统SIMULINK仿真模型 (32) 3.2.1 SR电机本体模型 (33) 3.2.2 速度控制模型 (34) 3.2.3 电流控制模型 (35) 3.2.4 电压逆变模型 (37) 3.2.5 转角选择模型 (37) 3.2.6 参数计算模型 (38) 3.2.7 转矩计算模型 (41) 4 SR电机控制系统MATLAB/SIMULINK仿真分析 (42) 4.1 CCC方案下SRD系统的仿真分析 (42) 4.1.1 转速300r/min、负载15N.m的系统启动仿真 (42) 4.1.1 转速500r/min、负载10N.m的系统启动仿真 (44) 5 总结 (47) 致谢 (48) 参考文献 (49) 附录A 译文 (50) 附录B 原文 (58)
开关磁阻电机系统设计
开关磁阻电机系统设计 1.1 关磁阻电机的优点与缺点 (2) 1.1.1 开关磁阻电机的优点： ............................ 2 1.1.2 开关磁阻电机的缺点.............................. 2 1.2 开关磁阻电动机应用和发展.............................. 2 第2章开关磁阻电动机工作原理与结构 . (4) 2.1 开关磁阻电动机的工作原理 (5) 2.1.1 基本结构........................................ 5 2.1.2 SRD的工作原理 ................................. 5 2.1.3 SRD的特点 ..................................... 5 2.2 开关磁阻电动机的结构 .................................. 5 第3 章开关磁阻电动机电磁设计 .. (9) 3.1设计特点 .............................................. 9 3.2 确定SR电动机额定数据................................ 9 3.3 计算SR电动机的主要尺寸 ............................... 9 3.4 计算机辅助设计程序 . (13) 第4章SRD系统控制原理设计 .............................. - 19 - 4.1 控制系统的总体设计 ................................... 14 4.2 控制器的设计 .. (14) 4.2.1译码电路：..................................... 16 4.2.2晶振及复位电路 ................................. 16 4.2.3斩波电流水平给定电路 ........................... 17 4.2.4斩波控制电路................................... 17 4.2.5转速给定电路 ................................... 17 4.2.6键盘给定与显示电路 ............................. 18 4.3 电流检测器的设计 .................................... 18 4.4 位置检测器的设计 .................................... 19 4.5 功率变换器的设计 ..................................... 20 4.5.1 功率变换器的主电路形式 ......................... 20 4.5.2 开关元件的选择 (21) 第5章开关磁阻电动机调速系统 (22)
基于DSP的车用开关磁阻电机控制系统的研究的开题报告
基于DSP的车用开关磁阻电机控制系统的研究的开 题报告 一、题目 基于DSP的车用开关磁阻电机控制系统的研究 二、研究背景和意义 车用电机控制系统已经成为汽车电子控制技术的重要组成部分，其中，开关磁阻电机是越来越受到关注的一种类型的电机。传统的燃油车 转向系统和制动系统通过机械连接来完成相应的动作，但电动车的电机 控制系统则需要通过信号和数据传输实现。因此，开关磁阻电机控制系 统设计的作用就显得尤为关键。 DSP作为一种高性能、低成本的数字信号处理器，已经广泛应用于 各种控制系统中。本研究将DSP作为主要控制单元，以实现对车用开关 磁阻电机的控制。通过研究车用开关磁阻电机控制系统的设计和开发， 可以提高电动车的安全性和稳定性，同时促进电动车市场的发展。 三、研究内容和方法 1. 分析车用开关磁阻电机的控制系统架构和控制策略，确定控制系 统的功能需求。 2. 基于TI DSP芯片，设计车用开关磁阻电机控制系统的硬件和软件。 3. 搭建实验平台并进行仿真实验，验证车用开关磁阻电机控制系统 的性能和稳定性。 4. 通过实车测试，对车用开关磁阻电机控制系统进行实际验证。 四、论文结构和目录 第一章绪论
1.1 研究背景和意义 1.2 国内外研究现状 1.3 研究内容和方法 1.4 论文结构和目录 第二章车用开关磁阻电机的控制系统分析2.1 车用开关磁阻电机的原理及特点 2.2 开关磁阻电机控制系统的整体架构2.3 控制策略设计与实现 第三章 DSP控制器设计与实现 3.1 DSP控制器的选择 3.2 控制器硬件设计 3.3 控制器软件设计 第四章车用开关磁阻电机控制系统实现4.1 中央控制器与电机的通讯实现 4.2 控制策略实现 4.3 系统软硬件调试 第五章仿真实验与分析 5.1 实验平台的建立 5.2 仿真实验结果分析 第六章实际测试与数据分析 6.1 实车测试平台建立 6.2 实际测试结果分析