开关磁阻电机控制系统设计

摘要

开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctnce Drive，简称SRD）是由开关磁阻电动机、电力电子开关电路及驱动控制部分组成的高性能调速系统。开关磁阻电机具有结构简单坚固、成本低、容错能力强、调速范围宽、低速转矩大、起动电流小、转速精度高、耐高温、可频繁起动制动等优点，又在高度发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得了良好的可控性能。因此，开关磁阻电机在驱动调速领域得到了广泛的应用。

本文首先介绍了课题研究背景和意义。给出了开关磁阻电机控制系统的组成、运行原理和控制方式。给出了开关磁阻电机的控制策略。在Matlab/Simulink 交互式仿真集成环境下，对开关磁阻控制系统进行了建模、仿真及分析。接着，给出了开关磁阻控制系统的硬件、软件设计方案。主要包括：DSP TMS320LF2407最小系统、位置检测电路、电流检测电路、键盘和显示电路、上位机通信接口及电源系统、系统主程序、各模块初始化子程序、各功能子程序和各中断服务子程序等。最后，以三相6/4 结构小功率开关磁阻电机作为执行元件，给出了仿真结果。

关键词：开关磁阻 DSP TMS320LF2407 控制

ABSTRACT

Switched Reluctance Drive system is a high performance system, which is composed of Switched Reluctance Motor, Power electronic switching circuit and controller. Switched Reluctance Motor has not only low cost , strong structure, good fault-tolerant，wide range speed modulation , low starting current, high speed accuracy, high temperature, and it can be started or stopped frequently, but also excellent controllability based on the electric and mircrocomputer . Thus, Switched Reluctance Motor is widely used in drive and speed adjustment field.

Firstly, the background and significance of the project were given. The structure of the position control system of SRM was given.The operational principle and control modes of SRM were discussed. The output torque could be indirectly controlled by the rotor angular acceleration closed-loop control of SRM. The position control strategy was also presented .In the Matlab/Simulink interactive simulation integrated environment, module construction, simulation and analysis of control system of SRM were given. And then, the hardware and software of control system of SRM were designed. The design of hardware mainly includes the least system of DSP TMS320LF2407, the position detection circuit,the current detection circuit,the keyboard and display circuit，the communication interface of upper computer and the power system.Thedesign of software mainly includes the main procedure, the modules initialization subroutines, the subroutines and the interrupt service subroutines. Finally, the experiment system was established with a three–phase 6/4 structure lowpower SRM prototype as action element.The simulation results were given. Keywords: switched reluctance DSP TMS320LF2407 control

目录

1 绪论 (1)

1.1前言 (1)

1.2开关磁阻电机的发展状况 (2)

1.3开关磁阻电机调速系统的概述 (2)

1.3.1 SRD的基本结构 (2)

1.3.2 SR的特点 (4)

1.3.3 SRD的应用 (4)

1.4本课题的主要任务 (5)

2 开关磁阻电机的原理 (6)

2.1开关磁阻电机的基本结构及工作原理 (6)

2.1.1SR电机的基本结构 (6)

2.1.2 开关磁阻电机的工作原理 (6)

2.2 开关磁阻电机的数学模型 (7)

2.2.1绕组电感分段线性解析式 (7)

2.2.2 SRM的相电压方程 (8)

2.2.3磁链方程 (8)

2.2.4 绕组电流的分析 (9)

2.2.5 转矩转速的控制 (10)

2.3 SR电机基本控制方式 (11)

3 系统主电路 (15)

3.1 系统整体框架 (15)

3.2 SRM 功率变换器 (15)

3.2.1主回路方案 (17)

3.2.2 IGBT主开关管参数计算 (18)

3.3 IGBT驱动电路 (19)

3.4电流检测装置 (20)

3.5位置检测 (21)

4 开关磁阻电机调速系统的设计 (23)

4.1开关磁阻电机调速系统的硬件设计 (23)

4.1.1SRD硬件系统结构概述 (23)

4.2基于DSP的SRD控制器 (23)

4.2.1基于DSP的SRD系统硬件介绍 (23)

4.2.2控制策略 (25)

4.3软件设计 (26)

4.3.1主程序的设计 (27)

4.3.2 功能子程序设计 (28)

4.3.3 子程序显示 (28)

4.3.4中断子程序设计 (29)

5 开关磁阻调速电动机系统仿真研究 (31)

5.1.SRM的控制方案 (31)

5.1.1 电流斩波控制 (31)

5.1.2 角度位置控制 (31)

5.1.3 电压PWM控制 (31)

5.2电压PWM控制方案下SRD仿真模型的建立 (31)

5.3 仿真模型与分析 (32)

5.4 仿真结果 (36)

6 结论 (41)

参考文献： (43)

翻译部分 (45)

英文原文 (45)

中文译文 (56)

致谢 (65)

1 绪论

1.1前言

21世纪，世界的能源问题越来越严重。如何进行节能和充分的利用能源已经成为了一个关系到国家生存和民族发展的重要问题。据研究发现，几乎99%的电能由同步机发出，60~70%的电能通过各种电机加以利用。在电机用电中，交流电机占80%左右，其中大多数为异步电机直接拖动。人们发现，占电机用电量一半以上的风机、泵类负载是靠阀门和挡板来调节流量和压力的，其拖动电机一般工作在恒速状态，从而造成了大量的电能浪费。如用改变电机转速的方法调节风量或流量，在压力保持不变的情况下，一般可以节电20~30%。为了达到这个目的，国内外的研究者投入了大量的人力、物力和财力对交流调速系统进行了研究。而开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motors，简称SRM）作为一种新型交流调速系统，正是人们在开发新型电机方向上的一个努力探索。[1]

SRM不仅可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。由于SRM结构简单坚固、成本低、运行可靠性高，兼有直流传动和普通交流传动的优点。所以SRM主要用于调速系统中。国内外现在已经生产出许多成型的产品。包括有通用型和特殊型，容量可达5MW，转矩达1*6

10r/min。

10Nm，转速达5

普通型产品主要用于一般供工业用，如风机、泵、卷扬机、压缩机等。特殊产品主要用于牵引机车。电动汽车以及飞机的启动电动机、伺服系统以及日用家电等方面。我国在开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctance Drive，简称SRD）的理论研究以及日用家电等方面也已经取得了长足的进步，已经研制出了350W到50W多个规格的样机。实践证明，采用SRM后，成本降低，效率提高，在30%的启动电流下可以获得150%的起动转矩。

SRM结构简单，容错性能强，调节性能好，可以用于飞机的启动以及风力发电等。现在也有一些研究者在研究开关磁阻电动机在直线电机中的应用。开关磁阻电动机已经向各种传统传动系统发出了挑战，正逐步应用在家用电器、一般工业、伺服与调速系统、牵引电动机、高速电动机、航天器械及汽车辅助设备等领域，显示出强大的市场竞争力。

因此SRD具有良好的应用前景和发展潜力。

1.2开关磁阻电机的发展状况

磁阻电机的工作原理最早出现在19世纪40年代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力方法可以使电动机旋转是简单可行的。1842年，英国的Aberdeen和DavidS。制造了最初的磁阻电机模型，但是由于受到当时的科技条件的限制，电动机的运行特性很差，在以后的100多年的时间里，开关磁阻电机调速系统发展的很缓慢。

20世纪60年代，大功率晶闸管投入使用，为SRD的研究和发展奠定了重要的物质基础。1967年，英国LeedS大学开始对SR电机进行深入研究，结果表明SR电机可在单向电流下四象限运行，功率变换器中的主要元件的数量少，其成本明显低于同容量的感应电动机变频调速系统。1974年，美国FordMotor公司研制出世界上最早的SRD。七十年代中期，英国Leeds大学和Nottingham大学共同研制以电动车辆为目的的SRD，成功研制出用于汽车的装置，其单位输出功率和效率都高于同类的感应电动机驱动装置。 1980年Leeds大学总结了他们的研究成果，发表了著名论文《可变速的开关型磁阻电动机》，率先将“开关磁阻” (SwitChedReluctanee)术语用于径向气隙电动机，系统地阐述了SR电机的工作原理及设计理论，研究了SR电机的工作特性及控制方式，这些工作被公认为SR电机研究的奠基之作。随后，美国、加拿大、南斯拉夫等国竞相开展了SRD的研究工作，并在系统的一体化设计、电动机的电磁分析、微机的应用、功率元件的应用、新型结构型式等方面取得了进展。[2]

1.3开关磁阻电机调速系统的概述

1.3.1 SRD的基本结构

开关磁阻电动机调速系统(SRD)是由SR电动机、功率转换电路、控制电路及位置、电流检测器构成，如图1.1所示。

1.开关磁阻电机

开关磁阻电机(SRM)为双凸极铁芯结构，它的定子和转子的铁芯由硅钢片叠加而成。每个定子的铁芯凸极上安装集中绕组，转子铁芯凸极无绕组，径向相对的两个定子的绕组串联成一对磁极，称为一相。SR电机可以设计成不同的相数结构，定转子的极数也有不同的搭配，相数越多，转动脉冲也越小，但是结构也越复杂。目前常用的是三相（6/4）极和四相（8/6）极。

2.功率变换器

功率变换器的作用是将电源提供的能量经过适当的变换提供给SRM电机。由于只需要给SRM电机提供单向电流，所以功率变换器的电路结构简单。开关磁阻电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数以及主开关器件的种类等有关。

3.控制器

控制器是系统的核心，它综合处理控制台指令、转子位置信号、相电流信号以及故障信号，控制功率变换器中主开关器件的开断，实现对SR电机运行状态的控制，并完成必要的显示功能。

4.位置、电流检测单元

转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的依据，正确的转子位置信号是整个SR正常运行的基础。而实际电流的大小是SR中不可缺少的一个参数，实时的电流信号为电流斩波控制和防止过电流提供了根据。因而，及时地位置、电流检测是系统可靠运行的保证。

1.3.2 SR的特点

1.SR电机结构简单、成本低，适用于高速。SR电机是将电能转化为机械能的装置，其突出的优点是电机无碳刷和换相器，转子上没有任何形式的绕组;制造成本低且转子的机械强度高，使得电动机可高速运转而不致变形;另外转子转动惯量小，易于加、减速。在定子方面，它只有几个集中绕组，线圈嵌装容易，端部短而牢固，因此制造简便，绝缘结构简单，并且发热大部分在定子，易于冷却。

2.SR中功率电路结构简单可靠。SR电动机的转矩方向与绕组电流的方向无关，只需单方向来对绕组供电，故功率电路结构简单，可以做到每相只需要一个功率开关器件。只要控制主开关器件的开通、关断时间，即可改变电动机的工作状态。另外，系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通短路现象。因此，开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护部分可以简化，既降低了成本，又具有较高的可靠性。

3.SR效率高、起动转矩大。SR是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机转子不存在绕组铜耗，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。且电机起动时，只需提供较少的电流，就能使电动机获得较大的起动转矩。

4.SR可控参数多，控制方式简单

SR电动机的控制方式主要有以下几种:

l)角度控制方式 (APC);

2)电流斩波控制方式 (CCC):

3)电压PWM控制方式。

5.SRD可靠性高

SR电机不会发生感应电动机转子断裂或烧熔的故障，再加上SR电机采用简单而坚固的转子结构，由单极性功率变换器供单方向电流激励，可做到磁路上各相相互独立和电路上各相相互独立，因此，该系统具有较高的可靠性和容错能力。虽然开关磁阻电机调速系统的优点很多，但是其也有缺点，最主要的是转矩脉动和引起的噪声很大。通过SR电机的正确设计和控制技术的发展，这些问题将逐步得到解决。

1.3.3 SRD的应用

随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高，SRD 已有了系列化产品，其多种功率的SRD在不同的工业部门和家用电器中得到应用。

(1)用于龙门刨床:工艺上需要电动机能频繁起、停及正反转，开关磁阻调速电动机能较好的实现。如机械工业中龙门刨床、铣床、冶金行业的可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降等系统。

(2)用于纺织“探边”设备:经过纺织行业的“探边”与“对中”设备的实践使用，取得了较好的效果。对作为“探边”设备的动力，其反应速度小于0.35，即电动机运转时，接到指令后，能在0.35内实现反转，并要求在24小时内连续频繁运转，同时要求在较宽范围内进行无级调速。

(3)用于家用电器:将克服当今洗衣机和空调机、电冰箱的缺陷，成为更完善新一代产品。SRD具有优良的调速性能，有更高的电能机械能转换效率，特别是在中低速时，优势尤为突出。从而能有效的克服了变频调速系统的弊端，使节能更为有效。

(4)在电动车驱动上的应用:由于燃油汽车废气严重污染环境，故发展和完善无污染的电动车是社会的必然。而发展电动车除了随车的蓄电池要有高能量之外，再则就是要有性能和效率很优越的电动机调速系统作动力。而SRD 高可靠性、宽广的调速范围，卓越的起、制动性能，它是各类电动车最理想的动力之一。[19]

1.4本课题的主要任务

本课题研究的主要内容如下:

(1)研究SR电机的结构、工作原理和数学模型，分析了SR电机主要的控制方式，并对这些控制方式进行详细的研究。

(2)研究SRD的特点和组成部分，并分别对它的各个组成部分功率变换器、控制器和信号反馈系统作了详细的研究;设计系统的主回路。

(3)了解采用TMS320F2407设计控制器的硬件电路，结构和功能，掌握基于TMS320F2407的硬件和软件的设计方法，在对SRD深入研究的基础上，设计了SRD的硬件系统。

（4）应用matlab在SR电动机进行电机的性能仿真。

2 开关磁阻电机的原理

2.1开关磁阻电机的基本结构及工作原理

SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机既可以将电能转换为机械能即电动运行，也可将机械能转换为电能即发电运行，但内部的能量转换关系不能简单看成是SR电机的逆过程。

2.1.1SR电机的基本结构

开关磁阻电机驱动系统(SRD)由开关磁阻电机、功率变换器、控制器、检测器和PLC操作台五个部分组成，其中开关磁阻电机是整个系统的执行部分。它是一个双凸极可变磁阻电机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子上既无绕组和永磁体，也无换向器和集电环。定子极上绕有集中绕组，径向相对称的两组绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”。SRM可以设计成多种不同相数结构，单相、双相、三相、四相和多相等，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数越多，性能越好，但是同时成本也随之增加，以三相（6/4）结构开关磁阻电机的如图2.1所示。[8,9]

图 2.1三相（6/4）开关磁阻电机结构

2.1.2 开关磁阻电机的工作原理

开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的转子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。因此，只要依一定次序给定子的相绕组通电，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩，电动机转子就会连续转动起