1、 本科 毕业设计 开关磁阻电机数字控制系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 开关磁阻电机驱动系统由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器四部分组成， 20世纪 80 年代以来其发展速度十分迅速。它融合了开关型磁阻电动机 、现代电力电子技术和控制技术，兼有异步电动机变频调速系统和直流调速系统的优点，已经成为当代电气传动的热门课题之一。经过大量学者的研究，已经取得了不小的成果。 开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高， 已经在各行各业都有很好的应用。 本文介绍了 SRD 系统的系统构成，数学模型以及控制方式。以三菱公司研发
2、的 89C51 芯片为主控制核心，设计了一套 10KW 开关磁阻电机调速系统。其中包括对控制电路主电路的设计，功率变换电路采用不对称半桥电路；对主开关器件的选型，主开关器件采用 IGBT；对检测电路的设计，电流检测电路采用磁 平衡式电传感器；对主开关器件控制方式的讨论；系统软功能的实现以及对控制主电路的仿真。系统控制主电路用美国 Cadence 公司生产的 ORCAD软件进行仿真，它 是一款基于 Windows 操作环境下的电路设计工具 ， 它集成了电路原理图绘制、印制电路板设计、数字电路仿真、 可编程逻辑器件 设计等功能 ，给仿真带来了便利。最后，给出主电路中主要的实验波形，实验证明该系统控
3、制平台的建立方便了电机的实时控制，可以实时对电机参数进行采集和记录，为今后课题的研究提供了良好的环境。 关键词： 开关磁阻电机；数学模型；数字控制系统；调速系统II Abstract Switched reluctance motor drive system consists of four parts. they are switched reluctance motor, power converter, controller and detector, its development very quickly since 1980s. It incorporates switch ty
4、pe reluctance motor, modern power electronic technology and control technology, with induction motor with variable frequency speed regulation system dc speed control system, has become the advantages of the contemporary electric transmission hot topic. Because of its simple structure, superior perfo
5、rmance, high reliability, switched reluctance motor had been in all walks of life have a good application. This paper introduces the system structure, mathematical model and control modes of the SRD systems. Developed by the company of Mitsubishi mainly 89C51 chip control core and designed a set of
6、switched reluctance motor with 10KW speed system. Including the main circuit of control circuit design, power transform circuit uses asymmetric half bridge circuit; the selection of main switching device, the main switch device we select IGBT power; to detect circuit design, current detection circui
7、t uses magnetic balance type electrical sensors; on the main switch device control mode of discussions; the realization of the function of system software and the simulation to control the main circuit. Main circuit ORCAD software is the production of Cadence to simulation of main circuit. it is a s
8、imulation based on Windows operating environment of the circuit design tools, it integrates circuit principle diagram plotting, printed circuit board design, digital circuit simulation, programmable logic device design functions, and brings convenience for simulation. Finally, we give the main circu
9、it main experiment waveform, the experiment shows that the system control platform established convenient motor real-time control, real-time parameters of the motor can be collecting and records, for the next topic research provides a good environment. Keywords: Switched reluctance motor; mathematic
10、al model; digital control system; speed regulation system III 目录 前言 . 1 第 1 章 SRD 系统的构成，数学模型以及控制方式 . 3 1.1 开关磁阻电机的系统构成 . 3 1.2 开关磁阻电机的数学模型 . 3 1.3 SRD 系统的控制 方式 . 7 第 2 章 SRD 系统的硬件设计 . 9 2.1 SRD 系统的整体设计方案 . 9 2.2 SRD 调速系统主电路的设计 . 9 2.2.1 主电路拓扑结构的确定 . 9 2.2.2 主电路相关器件参数计算和选型 . 10 2.3 驱动电路的设计 . 13 2.4 检
11、测电路设计 . 14 2.4.1 绕阻电流检测 . 14 2.4.2 转子位置检测 . 15 2.5 主电路保护电路设计 . 16 2.5.1 过电压保护设计 . 16 2.5.2 过电流保护设计 . 19 2.6 控制电路的设计 . 20 第 3 章 SRD 系统的软件设计 . 22 3.1 控制主程序 . 22 3.2 测速中断子程序 . 22 3.3 按键中断子 程序 . 23 第 4 章 系统主电路的仿真 . 24 IV 小结 . 26 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 1 前言 开关磁阻电机调速系统 20 世纪 80 年代以来发展迅速，一举成为电气传
12、动的热门课题之一。长年以来，国内外学者对开关磁阻电机调速系统进行 了大量的研究，取得了不小的成果。 “开关磁阻电机”一词源于美国学者 S.A.Nasar 1969 年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：开关性和磁阻性。 1984 年开始，我国许多单位先后开展了 SR 电机的研究工作且 SRM 被列入中小型电机“七五”科研规划项目。在借鉴国外经验技术的基础上，我国的SR 电机研究技术进展很快。其中南京航空航天大学和西北工业大学等院校分别对系统的起动特性和发电品质、起动 /发电控制策略、无转子位置传感器技术、相关实验以及应用等方面进行了研究。近年来，中国在开关磁阻电机的研发方面取得了很大 的
13、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。但是我国在大功率方面的研究还很少，仅有原理样机方面的仿真。 国外同样对开关磁阻机进行了大量的研究。 20 世纪 80 年代以来，越来越多的学者开始关注开关磁阻电机，并对此进行了大量的研究。美国空军和 GE 公司联合开发了航空发动机用 SRD起动发电机系统，有 30KW、 270V、最大转速为 52000rad/min 和 250KW、 270V 最大转速为23000rad/min 两种规格并取得了很好的效果。加拿大、前南斯拉夫在 SR 电 机的运行理论电磁场分析上做了大量研究工作。埃及对小功率
14、的单相、两相开关磁阻电机的结构、起动性能等方面做了许多研究，一些学者还研究了新型结构的 SRM,如盘式 SRM/外转子式 SRM,直线式 SRM和无位置传感器 SRM 等。 其结构简单，价格便宜，电机的转子没有绕阻和磁铁 ，其具有以下特点： （ 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） 转子上没有电刷 ， 结构坚固，适用 于危险环境，控制灵活 。 （ 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） 调速范围宽，控制灵活 并且输出效率很高。 （ 5） 易于实现各种再生制动能
15、力。 （ 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 。 就目前的发展水平而言，开关磁阻电机具有的主要缺点是： （ 1）采用的是磁阻性电动机，比电磁型电动机的能量转换密度要低。 （ 2）转矩脉动较大，由此产生的噪声与特定频率下的谐振问题也较为突出。 （ 3）主接线数随着相数的增多而大量增多。 （ 4）需要根据转子与定子相对位置投励 。 （ 5）必须与控制器一同使用才能稳速运行，而笼型异步电机直接接入电网即可稳速运行。 针对上述缺点，国内外学者对开关磁阻电机调速系统做了进一步的研究，目前的热点主要有： （ 1）进一步完善开关磁
16、阻电机的设计理论。 （ 2）加强对铁芯损耗理论的研究。 2 （ 3）加强对转矩脉动及噪声的理论研究，提高电机功率因数。减小开关磁阻电机的振动和噪声的关键在于减小作用在转子上的径向力。 （ 4）完善开关磁阻电机、功率变换器及控制器之间的协调设计。 （ 5）对无位置传感器的研究。 （ 6）如何改善电机动静态仿真模型。 （ 7）如何减小开关 磁阻电机转矩脉动。 作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，愈来愈得到人们的认可和应用。目前已成功应用于电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中，功率范围从 10W到
17、 5MW，最大速度高达 100000 rad/min,成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争者。 3 第 1 章 SRD系统的构成，数学模型以及控制方式 开关磁阻电机是一种 新型调速电机，调速系统 具有 直流、交流两类调速系统的优点，是继 无刷直流电动机 、 变频调速系统的最新一代无 级 调速系统。它的结构简单坚固，调速性能优异，调速范围宽，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。 1.1 开关磁阻电机的系统构成 开关磁阻电机控制系统 主要 由 开关磁阻电机、功率变换器、控制器与检测器四部分组成。如下图 1.1 所示。 转子位置检测器安装在电机的一端。
18、 控制器一般由单片机及其外围电路等组成，它必须具有以下几个方面的功能：电流斩波控制，角度位置控制，起动 /制动，停车及四象限运行和速度调节功能。控制 器根据电流检测器和位置检测器传来的转子速度大小，位置及相电流大小等信息控制功率变换器工作，以达到控制目的。本课题设计一个数字控制系统，用于控制输出功率为 10KW（定子为四相八极、转子为六极）的开关磁阻电机。 图 1.1 开关磁阻电机控制系统结构框图 1.2 开关磁阻电机的数学模型 与异步电动机和同步电动机不同，开关磁阻电动机采用双凸极铁心结构，并且只在定子上安装各相励磁绕阻。开关磁阻电动机运行的两个主要特点包括绕阻电流的非正弦性与铁心磁通密度的
19、高饱和性。开关磁阻电动机控制参数多，数学模型十 分复杂。为了降低难度，对开关磁阻电动机采用简化、线性化或准线性化的分析方法，以建立比较准确的开关磁阻电动机的数学模型。开关磁阻电动机建立数学模型的主要困难在于：电动机的磁路饱和、涡流、磁滞效应等产生的非线性。考虑了非线性的所有因素，虽然可以列出一个很精确的数学模型，但是计算复杂很难用于仿真分析。因此，在建立开关磁阻电动机数学模型的时候，要在理论性和实用性上加以折中考虑。为了简化分析，做出如下的假设： (1)主电路电源的直流电压 Us 不变； (2)主开关器件为理想开关，即导通压降和关断时流过的电流均为零； (3)忽略铁心的磁滞和涡流效应，即忽略铁
20、耗； (4)电动机各相参数对称，忽略相间互感； (5)在一个电流脉动周期内，认为转速恒定。 电流检测 SR 电机 负载 功率 变换器 控制器 位置检测 4 电动势平衡方程 dtdiRu kkkk （ 1-1） uk k 相的端电压 ki 第 k 相的电流 kR 第 k 相的电阻 k 第 k 相的磁链 在 SR 电机中，各项绕阻的磁链是转子位移角和各相绕阻电流的函数，故磁链 k 为 ,.,., 21 qkk iiii （ 1-2） 如果忽略电阻压降，并假设磁路为线性，则式 (1-1)可以表示为 tdu=k k kk k k r ad d i LL i e ed d t d （ 1-3） 其中 机
21、械角速度， dtd / ； re 由于磁链变化在绕阻中引起的感应电动势，称为变压器电动势； ae 由于转子旋转与定子绕阻交链的磁链变化引起的感应电动势，称为旋转电动势。 输入功率的一部分转为磁场储存能量 ，另一部分为输出的机械功率， SR 电机正是利用其不断地能量储存、转换而获得高效大功率的性能。 转矩平衡方程式 当电动机电磁转矩 eT 与作用在电机上的负载转矩不等时，转速就会发生变化，产生角加速度 dtd / ，据动力学原理，可以写出转矩平衡方程： eLdT J Kdt 或者 22 deLdT J Kdt dt 式中 J 系统转动惯量 K 摩擦系数 L 负载转矩 当系统稳态运行时，角加速度
22、0/ dtd ，则 eLTK （ 1-5） 电磁转矩 eT 可以表示为磁共能 W 的函数 ,.,., 21, qke iiiiWT综上所述， SR 电机的基本平衡方程可以写成如下（ 1-7）所示的方程： 5 qkdtdiiiiWTTKdtdJTiiiidtdiRuqkeleqkkkkkk, . . . ,2,1, . . ., . . ., . . ., . . .,21,21(1-6) 由于电路磁路的非线性和开放性，使得上面的基本彭亨方程组实际上很难算出，通常需要根据具体的运行状态和研究目的进行必要的简化，可以采用线 性模型、准线性模型和非线性模型的求解方法。线性模型有利于对 SR 进行定性
23、分析，了解其运行的物理状况、内部物理量的基本特点和相互关系；准线性模型具有一定的计算精度，多用于分析和计算功率变换器和制定控制策略；非线性模型则用于电机性能计算、仿真，是电机设计的必要手段。 1.准线性模型 准线性模型是将实际的非线性磁化曲线分段线性法，近似的考虑了磁路的饱和效应、边缘效应，从而克服了线性模型只能用于定性分析的缺陷，又能使问题解析计算，具有一定的精度，因此准线性模型较多的应用于分析和设计功率变换器和制定控制策略。 2.非线 性模型 要准确的计算 SR 电机性能，对稳态运行特性进行仿真，必须采用非线性方法。至今，国内外已经提出了很多的计算方法，这些方法可以概略的分为两大类。第一类
24、是 数值方法或实验方法所获得的完整的电机磁化曲线族为基础，建立数据库或者对磁化曲线进行模型化，从而计算电机的运行性能。 J.M.Stephenson 和 J.Corda 提出的非线性磁参数法即是这种方法的典型代表。第二类是利用 SR 电机几个特殊位置的磁化曲线，将电流或磁链作为转子位移角的函数进行模型化，查值求取中间位置磁特性，典型代表是 T.J.E.Miller 等提出的 一种快速非线性法。 3.线性模型 在线性模型中要做如下假设： (1)忽略磁通边缘效应和磁路非线性，磁导率 = ，因此绕阻电感 L 是转子位置的分段函数； (2)功率管开关动作瞬时完成； (3)忽略所有的功率损耗； (4)电机恒速运转。 在上述假设条件下的电机模型为理想线性模型。线性模型只能做定性分析，开关磁阻电机控制手段丰富，综合各种控制手段，可以很好的控制电机的良好运行。
