开关磁阻电机控制系统设计.doc

1、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

2、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 ABSTRACTSwitched Reluctance Drive system is a high performance system, which is composed of Switched Re

3、luctance 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

4、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 p

5、rinciple 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

6、, 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 displa

7、y 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 threephase 6/4 s

8、tructure lowpower SRM prototype as action element.The simulation results were given.Keywords: switched reluctance DSP TMS320LF2407 control 目 录1 绪论11.1前言11.2开关磁阻电机的发展状况21.3开关磁阻电机调速系统的概述21.3.1 SRD的基本结构21.3.2 SR的特点41.3.3 SRD的应用41.4本课题的主要任务52 开关磁阻电机的原理62.1开关磁阻电机的基本结构及工作原理62.1.1SR电机的基本结构62.1.2 开关磁阻电机的工作原

9、理62.2 开关磁阻电机的数学模型72.2.1绕组电感分段线性解析式72.2.2 SRM的相电压方程82.2.3磁链方程82.2.4 绕组电流的分析92.2.5 转矩转速的控制102.3 SR电机基本控制方式113 系统主电路153.1 系统整体框架153.2 SRM 功率变换器153.2.1主回路方案173.2.2 IGBT主开关管参数计算183.3 IGBT驱动电路193.4电流检测装置203.5位置检测214 开关磁阻电机调速系统的设计234.1开关磁阻电机调速系统的硬件设计234.1.1SRD硬件系统结构概述234.2基于DSP的SRD控制器234.2.1基于DSP的SRD系统硬件介绍

10、234.2.2控制策略254.3软件设计264.3.1主程序的设计274.3.2 功能子程序设计284.3.3 子程序显示284.3.4中断子程序设计295 开关磁阻调速电动机系统仿真研究315.1.SRM的控制方案315.1.1 电流斩波控制315.1.2 角度位置控制315.1.3 电压PWM控制315.2电压PWM控制方案下SRD仿真模型的建立315.3 仿真模型与分析325.4 仿真结果366 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 中国矿业大学2009届本科生毕业设计（论文） 第 65 页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

11、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，6070%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2030%。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SR

12、M）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。1SRM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*Nm，转速达r/min。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

13、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

14、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L

15、eeds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。21.3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。控制器驱动电路功率变换器SRMMMMMMMM电源电流检测位置检测速度输入图1.1SRD结构图1.开关磁阻电机开关磁阻电机(SRM)为双