1、哈尔滨理工大学学士学位论文 - I - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - II - 基于 DSP 的开关磁阻电机调速系统的研究 摘要 本论文介绍了开关磁阻电机调速系统 (SRD)的构成及其在国际国内的发展状况，对开关磁阻电机的特点和电磁原理进行了阐述，它的优点有结构简单、成本低、损耗小、效率高、可控参数多、控制灵活、起动电流小、起动转矩大。 同时介绍了 DSP的发展、特点及应用本文分析了 DSP与开关磁阻电机控制器接口电路要求和 DSP外围电路接口技术。介绍了 SRD的控制方式和本系统所采用的控制策略，讲述了 DSP芯片的种类以及各类的作用和应用，随着DSP芯片性能价格比的不断提高，可以 预见
2、DSP芯片将会在更多的领域内得到更为广泛的应用。经过多年的发展， DSP产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。 本文还对控制器的硬件电路进行了设计，控制器以 TI公司的 TMS320LF2407为主控单元，发出相通断信号和 PWM信号，实现对功率元件的通断控制。通过控制软件，采用模块化编程，增强了程序的通用性和可读性。 最后给出了硬件原理图和软件结构设计框图，初步尝试用 DSP控制 芯片作为核心器件实现了开关电动机调速系统 。 关键词 DSP， 开关磁阻电机 , 脉宽调制 哈尔滨理工大学学士学位论文 - III - 错误 !未找到引用源。 A
3、bstract This article primarily Introduces the structure of Switched Reluctance Drive (SRD) system and its development of native and international. The characteristic of Switched Reluctance Motor (SRM) and its electro-magnetics principle are described in details.It of the advantage have structure sim
4、ple, the cost be low and exhaust small, efficiency big, can control parameter many, control vivid, start electric current small, start to turn big, ability ratio normal regulations electrical engineering high have to much turn soon bottom circulate, hard enduring. At the same time the article expoun
5、ds the development,characteristic and application of digital signal processor (DSP).It analyzes a few requests about interface circuit of DSP and SRM control. The control method is introduced and the hardware of the controller is designed. Related the category of the DSP chip and the function of eve
6、ry variety and application.Along with the DSP chip function price ratio of continuously exaltation, can foresee DSP chip will get in more realm more extensive of application.Through the development for several years, DSP product of application already extension arrive people of study, work and life
7、of each aspect, and gradual become an electronics product renewal to change generation of decision factor.The paper introduction the controller uses the TMS320LF2407 of TI company as the main control unit and produces the on and of and PWM signal of each phase controlling the IGBT on and of The cont
8、rol software is programmed. The modular program can make the program universal and readable. Finally according to debugging of hardware circuit, control of Switched Reluctance drive based on DSP is attempted. Keywords DS ,SRM ,PWM 哈尔滨理工大学学士学位论文 - IV - 哈尔滨理工大学学士学位论文 - V - 目录 摘要 . 错误 !未找到引用源。 Abstract
9、 . 错误 !未找到引用源。 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 SRD 系统的发展简介 . 1 1.3 SRD 系统概述 . 3 1.3.1 SRD 构成 . 3 1.3.2 开关磁阻电动机的基本结构及其转动原理 . 4 1.4 SR 电机调速系统具有的基本特点 . 5 1.5 SRD 系统的应用 . 6 1.6 本文的目的和任务 . 8 第 2 章 DSP 概 述 . 10 2.1 DSP 技术的发展历程及趋势 . 10 2.2 DSP 基本结构、特点及应用 . 11 2.3.DSP 芯片的选择 . 14 2.3 TMS320LF240x 的结构及特点 . 19 2
10、.3.1 事件管理器模块 . 20 2.3.2 模数转换模块 (ADC). 23 2.3.3 PLL 时钟模块 . 24 2.3.4 看门狗 (WD)和实时中断 (RTI)模块 . 24 2.4 DSP 系统的设计过程 . 24 2.5 DSP 的开发工具 . 25 2.6 本章小结 . 26 第 3 章 SRD 调速系统硬件设计 . 27 3.1 系统总体设计方案 . 27 3.2 功率变换器的设计 . 27 3.2.1 功率变换器型式的选择 . 28 3.2.2 功率电路的相开关通断时刻 . 28 3.2.3 主 开关管选择及参数计算 . 29 3.3 驱动电路设计 . 30 3.3 位置
11、传感器电路 . 32 3.3.1 位置传感器电路 . 32 哈尔滨理工大学学士学位论文 - VI - 3.3.2 速度检测和实现 . 32 3.4 控制电路 . 33 3.5 本章小结 . 35 第 4 章 系统软件设计 . 36 4.1 主要的控制思想 . 36 4.2 设计思想 . 36 本章小结 . 39 结论 致谢 参考文献 附录 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第 1章 绪论 1.1 课题背景 课题背 景 开关磁阻电机调速系统 (Switched Reluctance Drive 简称SRD)是 80 年代中期发展起来的新型调速系统，它是继异步电动机变频调速系统之后崛起的一种
12、很有发展前景的变速拖动系统。它融电力电子技术、微电子技术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化技术，具有优良的调速性能 ;与直流调速系统和异步电动机变频调速系统相比较，具有结构简单、成本低、损耗小、效率高、可控参数多、控制灵活、起动电流小、起动转矩大，能比常规电机高得多转速下运行，坚固耐用，适用于恶劣环境中使用等优点，因此，开关磁阻电动机一问世 就引起了国内外电工界的广泛关注，深信它将在电气传动自动化领域中占有重要地位。 1.2 SRD 系统的发展简介 最早有记录的 SR电机可以追溯到 19世纪 40年代，但是人们真正从认识到这种电机的发展潜力，还是从现代电力电子技术和计算机辅助电磁设计发展
13、之后才开始。这两方面的发展开始于 60年代中期，它们不仅为开展 SR电动机的研究工作带来了新的生机，并且将其运行性能提高到了与直流驱动系统、交流驱动系统及无刷直流驱动相角逐的程度。 70年代以英国科学家 LawrensonP .J.教授为首，由英国 Leeds大学和Notingham大学联合成立了用电机及其驱动系统开发电动汽车的攻关小组 ,1980年，在经过了近十年的理论研究和产品开发基础上，LawrensonP .J. 教授等人发表了著名的科学论文“ Variable-Speed Switched Reluctance Motors“12。文中详尽地介绍了开关磁阻电机的这种新型电机的工作原理
14、、设计方法、控制方案以及已研究成功的一系列样机的实验结果。他们创造性地提出了容电力电子技术和电机设计于一体的设计观点，彻底解决了早期双凸极结构磁阻电机无法解决的换相问题，并使得新型磁阻 电机的单位出力可以与交流异步电机相媲美甚至还略占优势，因此这种新型电机一经提出，就得到了国际上的广泛认可。开关磁阻电机驱动系统也成为这种新型电子换相变磁阻电机驱动系统的正式名称。这方面的研究论文逐年增加，普及到的国家也逐年增加，如有英国、美国、德国、中国、意大利、加拿大、新加坡等国。 就 SRM本身来看，不论是铁芯形式还是绕组连接组成，改变并不是很多，至今双凸极每极单齿电动机仍占主导地位。在定、转子极数配合上，
15、哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 有 8/6、 6/4、 12/8、 10/8、 6/2极等。目前广泛采用的是 8/6、 6/4极配合，除双凸极 每极单齿外， SRM还有每极多齿、单边凸极等结构形式。 3 随着电子工业的迅速发展，越来越多的新型半导体器件投入商用，器件的工作性能在不断提高，价格却越来越低。这无疑促使 SR电机调速系统的设计朝着完善装置性能、降低商品成本的方向发展。目前系统中使用的主要开关器件可以选用 MOSFET、 IGBT、 MCT等新型器件来代替已往使用的SCR、 BJT、 GTO等功率开关管，从而可以进一步完善系统的运行性能，并降低功率开关管驱动电路和保护电路的设计
16、成本。 自 1983年英国 TASC公司首次推出 Oulton系列的 SR电机 调速装置商业化产品以来， SR电机调速系统已逐渐成为其它各种调速装置的竞争对手，并在不断地争取各种可能的用户。各国学者将 SR电机调速系统与各类可改变速驱动装置作了大量的比较分析，对其成本，性能和应用领域做了全面的论证。他们认为该装置的应用领域可以遍及家用，一般工业、伺服系统，牵引、高速驱动、飞机及汽车上的各种辅助装置等。 我国的 SRD研究自 80年代中期开始，目前己有许多院校和厂所投入不少力量，并逐步从实验室走向生产和推广应用。我国已在 1988、 1991年、1993三次召开了开关磁阻电机研讨会，并于 93年
17、 初成立了开关磁阻电机学组，国内开发 SRD较为成功的单位有 :华中理工大学、北京纺机所、太原理工大学、浙江大学等。 迄今为止 ， SRD系统的发展历程仅有短短的二十余年，但它却取得了令人瞩目的成绩，其产品已在电动机驱动系统，家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动等众多领域得到成功应用，其功率范围也覆盖了从 l0w到5MW，转矩从 0.O1N.m到 10N.m，转速可达 100,000r/min.目前 SRD系统的研究主要涉及以下几个方面 .4 (1) SRM 参数的确定，主要是磁链曲线的测量和计算 ; (2) 性能的精 确估算，包括整个系统稳态和动态性能的数字仿真 ; (3) SRD系统的优
18、化，包括从电动机的设计和控制器软、硬件两方面来提高系统效率、降低噪音和转矩脉动 ; (4)无位置传感器的 SRD系统的研制，位置闭环控制是开关磁阻电动机的基本特征，但它的存在会使电机结构简单的优点变得逊色，降低了可靠性。为此探索实用的无位置检测器方案是十分引人注目的课题 ; (5)变换器方案和主开关元件选择 ; (6)数字信号处理器和专用集成电路的应用，主要是根据不同的控制方案选择合适的数字信号处理器以及控制电路的 ASIC设计 ; (7)高速开关磁 阻电动机产品开发 ; (8)振动、噪声研究 ; (9)铁损耗分析与效率研究。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 1.3 SRD 系统概述
19、1.3.1 SRD 构成 开关磁阻电动机调速系统 :主要由 SRM、功率变换器、控制器、位置检测器构成。如下图 1-1所示。 图 1 1SRD系统框图 5 (1)磁阻电机 :SRM是 SRD中实现机电能 t转换的部件，系双凸极可变磁阻电动机，其定转子的凸极均由普通硅钢片亚压而成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两 个绕组可串联或并联构成一对磁极，称为“一相”。 SRM 可以设计成多相结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。因此电机定、转子的极数应当按使用的场合合理确定。 SRM的转向与电流方向无关，
20、为单向电流。通过简单的控制方式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。 (2)功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给 SRM，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于 SRM绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与 主开关器件是串联的，因而可以避免直接短路故障。 SRD的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。 (3 )控制器是系统的中枢。本文采用数字处理器芯片作为控制中心来进行控制，它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信号，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对 SRM运行状态的控制
21、。 SR PWM 发生器 功率变换器 位置传感器 P 功率变换器 + 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 1.3.2 开关磁阻电动机的基本结构及其转动原理 开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，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极调速 系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。主要有开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。控制器内包含控制电路与功率变换器，而转子位置检测器则安装在电机的一端。 开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W5MW的各种高
22、低速驱动调速系统。使的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（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 子没有绕组和磁铁。 电机转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电机容易冷却。效率高，损耗小。 转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠。 SR电动机的定子和转子铁心是由硅钢片叠装的，在定子铁心内圆周和转子铁心外圆周均分布齿和槽，齿又称凸极，即所谓双凸极结构。定子铁心每个齿上安装象直流电机主磁极绕组一样的集中绕组，转子铁心齿上不安装绕组。定子内圆周
23、上相对的两个齿上的绕组串联 (顺向 )成为一相绕组。 SR电动机的运行原理遵循磁阻最小原理 磁通总要沿着磁阻最 小的路闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己钩主轴线与磁场的轴线重合。 SRD系统各部件的结构及工作原理 ： 开关磁阻电动机调速系统所用的开关磁阻电动机（ SRM）是 SRD中实现机电能量转换的部件，也是 SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志。 SRM系双凸极可变磁阻电动机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组联接起来，称为 “一相 ”， SR电动机可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多、步距角小，有利于 减少转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高，目前应用较多的是四相（ 8/6）结构和三相（ 12/8）结构 。图 2示出四相（ 8/6）结构 SR电动机原理图。为简单计，图中只画出 A相绕组及其供电电路。 SR电动机的运行原理遵循 “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。图 2中，当定子 D-D极励磁时， 1-1向定子轴线 D-D重合的位置转动，并使 D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给 DA BC
