开关磁阻电动机驱动系统设计.docx

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开关磁阻电动机驱动系统设计

开关磁阻电动机驱动系统设计

摘要

开关磁阻电机作为上世纪80年代出现的一种新型机电一体化系统，具有非常优良的性能和广泛的应用发展前景。

与传统的交、直流调速系统相比，开关磁阻电机既保留了感应电机的绝大部分优点，而且具有控制器简单、运行可靠性高、控制灵活方便和价格便宜等突出特点。

而近来，随着电力电子技术和计算机技术的高速发展，开关磁阻电机驱动系统也与时俱进，日趋先进，在电动车、航空工业、家用电器和机械传动领域都有成功的应用，成为电气传动领域的新势力。

本次论文主要对开关磁阻电动机的驱动系统进行设计，以80C196KC单片机作为控制核心，得出基于位置传感器检测和电流检测的控制方案。

论文的理论基础是开关磁阻电动机的理想线性数学模型，通过研究开关磁阻电动机的控制特性、可控角、关断角、相电流、绕组端电压与控制策略之间的关系，进行系统的硬件电路和系统控制软件的设计。

论文通过对开关磁阻电动机驱动系统的每一个环节的设计，实现了电机的方便的正、反转控制和制动控制，并设计了比较完备的电流和电压保护环节，以保证系统的可靠运行。

关键词:

开关磁阻电机；开关磁阻电机驱动系统；控制系统；位置传感器；80C196KC

ABSTRACT

Switchedreluctancemotorasanewtypeofmechatronicsystemsappearedatthe80soflastcentury,withverygoodperformanceandwideapplicationprospects. ComparingwiththetraditionalACandDCspeedcontrolsystems,switchedreluctancemotorhasretainedmostoftheadvantagesoftheinductionmotor,butalsothecontrollerissimple,reliable,flexibleandinexpensivecontrolandotherprominentfeature. Andrecently,withthetherapiddevelopmentofpowerelectronicstechnologyandcomputertechnology,switchedreluctancemotordrivesystemsbecomingmoreadvanced,Hasbeensuccessfullyappliedtotheelectriccar,theaviationindustry,householdappliancesandmechanicaldrivesystemandbecomeanewforceinthefieldofelectricdrive. 

ThispaperfocusesontheswitchedreluctancemotordrivesystemwhichdesignedtoIntel80C196KCMCUAsthecoreofcontrol,location-basedsensorandobtainedcurrentdetectioncontrolprogram.Thetheoreticalbasisofthispaperisideallinearswitchedreluctancemotormodel,bystudyingthecontrolcharacteristicsofswitchedreluctancemotor,controllableangle,turn-offangle,phasecurrent,thewindingterminalvoltageandtherelationshipbetweenthecontrolstrategy,thenthesystem ofhardwareandsystemcontrolsoftwaredesign. 

    Thispaperbydesigningeveryaspectofswitchedreluctancemotor,implementationofthemotorwhichiseasyturntandbrake,andthendesignamorecompletelinkcurrentandvoltageprotectiontoensurereliableoperationofthesystem . 

KeyWords:

SwitchedReluctanceMotor;SRD;Controlsystem;Positionsensor;80C196KC

第1章绪论

1.1课题背景

开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor，简称SRM）作为上世纪80年代出现的一种新型机电一体化系统，具有非常优良的性能和广泛的应用发展前景。

与传统的交、直流调速系统相比，开关磁阻电机既保留了感应电机的绝大部分优点，而且具有控制器简单、运行可靠性高、控制灵活方便和价格便宜等突出特点。

而近来，随着电力电子技术和计算机技术的高速发展，开关磁阻电机驱动系统也与时俱进，日趋先进，在电动车、航空工业、家用电器和机械传动领域都有成功的应用，成为电气传动领域的新势力。

[1]

1.2SR电机与SR电机驱动系统概述

1.2.1SR电机的基本结构及工作原理

开关磁阻电动机传动系统（SRD）是上世纪八十年代新型调速系统，通过与日趋先进的电力电子技术与计算机控制技术相结合，具有许多显著的优点，在电气传动领域得到了越来越多的应用。

SR电动机（三相6/4极）的结构原理如下图所示，在SRD系统中起到机电能量转换的作用。

SR电动机为双凸极结构，定子与转子由硅钢片叠压而成，定子径向相对的绕组可并联或串联成一相。

常见的电机主要有三相6/4极与四相8/6极。

图1-1三相6/4极电动机结构原理图

SR电动机的基本工作原理是磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合——“磁阻最小原理”。

当定子的某一相通电时产生的磁场由于磁力线扭曲而产生旋转力矩，使转子旋转到磁阻最小的位置。

结合图1-1，当C相通电时，由磁阻最小原理可知，磁力线扭曲产生的旋转力矩将带动转子转动，使转子1-3极轴线与定子的CC’极轴线对齐；接着，C相断电，B相通电，使转子顺时针转过30°,使转子的2-4极极轴线与定子的BB’相极轴线对齐；B相断电，A相通电，转子顺时针转过30°，使转子1-3极轴线最终与定子AA’极轴线对齐，这样，一个周期内，转子转过90°，当定子按C-B-A-C...的顺序通电，电机沿顺时针方向旋转。

反之，若按C-A-B-C...给定子通电，则电机逆时针旋转。

由上分析易知，SR电机的旋转方向至于定子绕组的通电顺序有关，而与通电电流的方向无关。

[1]

1.2.2SR电动机的特点

开关磁阻电机在结构和控制原理上面的特点使得其与其它种类的传统电机相比，具有以下优点：

（1）结构简单，成本较低。

SR电动机的突出优点就是定、转子皆由硅钢片叠压而成，定子上也只有简单的绕组，结构简单，制造成本低。

此外，与同样性能的其他一些交流调速系统相比，SR电动机功率变换器的拓扑结构也较简单，开关元器件的数目较少，每相可以仅使用一个，这极大地减少了功率变换器的成本。

这样，整个SR电动机调速系统的成本在交流调速领域有很强的竞争力。

（2）可控参量多，调速性能较好。

开关磁阻电动机的主要参控方法有控制开通角、关断角，控制相电流幅值和控制相绕组电压等多种。

SR电机各相之间无互感，而且每相电流的导通、关断和电流大小皆可独立控制，这让其性能与直流电机调速系统相近，可以在四象限运行，能实现特定要求的调速控制。

由于SR电动机的驱动系统的控制器是以微处理器为核心的，因而可以通过改变控制系统软件实现电机的运行特性的改变，无需改变控制系统硬件，这是相对其他种类电机的显著优点，便于智能化。

（3）效率高，工作可靠。

SR电机在广泛的转速、功率范围内皆具有高效率。

此外，简单可靠的功率电路的使用，避免了直通短路现象，这样可以简化功率电路的保护电路，减低成本的同时，极大的提高了整个SRD系统的可靠性，降低了运行维护所需的人力物力，提高了市场竞争力。

（4）适用范围广。

SR电机的功率范围很广，能从几瓦到数兆瓦，而且能适用与频繁起停和正反转速运行的机械系统，在各种恶劣环境下的可靠性都很高，在电动车、航空工业以及一些精密的伺服系统中都得到了广泛的应用。

当然，SRD系统也存在一些不足，如存在转矩脉动、震动和噪声较大以及出线较多，需要不断的改善。

[3]

1.3国内外SR电机驱动系统的研究现状及发展趋势

1.3.1SR电动机的发展概况

SR电机的渊源可以19世纪40年代，当时有科学家利用两个U型电磁铁制造了电动车，由蓄电池供电，但受限于当时的机械开关控制性能较差，电动机的性能不高。

进入20世纪，随着大功率晶闸管的问世，SR电机的研究进入了新纪元。

从1967年起，英国Leeds大学开始了对SR电机的深入研究。

这项研究表明SR电机相对于同容量的其他感应电机，在单向电流下四象限运行时，其功率变换器所用的开关数是最少的，结构简便，成本也低。

这些优势为SR电机的发展打下了基础。

20世纪70年代，美国福特公司研制出了具有电动机运行状态和宽广调速范围的SR电动机调速系统，并将其应用到了利用蓄电池供电的电动车辆上。

1983年英国的TASC公司推出第一代通用的SR电机调速产品，此后，国外电气传动领域纷纷推出了其商品化的磁阻电机产品。

其功率从10w到50MW，转速范围从10rpm到100000rpm，转矩范围从0.1N•••••m到1000000N•m，而系统功率变换电路所采用的开关元件有GTO、MOSEF、IGBT等，控制更加灵活、准确，控制器所采用的微处理器有8位机、16位机一直到32位机，功能愈加完善极大的扩大了SR电机的应用范围。

其中比较典型的有英国SRDLtd公司推出的第二代SR电机，其功率和转速范围相对于TASC的Oulton系列产品有了显著的提高。

此外，英国ALLENWEST公司、BJD公司、加拿大semifusion公司等都分别制造出了一系列生产实践性能很好的产品。

[1][7]

我国从20世纪80年代初开始进行SRD的研究，经过十几年的努力，许多高等学校和科研院、所在SRD研制、开发领域辛勤耕耘，起步虽然较晚，但在借鉴国外经验的基础上发展速度很快，目前已经研制出多种性能优良的调速系统，广泛应用于煤矿的采煤机、地铁汽车牵引、龙门刨床、抽丝机、高档洗衣机等，解决了许多传统电机调速系统难以解决的技术难题。

1.3.2SRD系统概述

SRD系统是上世纪80年代时期发展起来的新型调速系统，其基本构成如下：

在这个控制系统中，SR电动机实现机电能量的转换。

SRD系统的发展是建立在电力电子技术和微控技术发展的基础上的。

早期的SR电动机主开关器件主要用SCR。

但是SCR没有自关断功能，这使得强迫关断的电路控制复杂且开关速度较慢，此外成本也较高，显然，这样的功率变换器控制性能是不理想的。

GTR和GTO都属于电流控制型器件，GTO开关频率不高且门极控制较复杂，而GTR得驱动电路消耗功率较大。

MOSFET相对工作频率更高，开关速度较快，适合小功率、低压的SR电动机的功率变换器的开关器件。

IGBT兼具GTR饱和压降低和MOSFET控制端输入阻抗高的优势，驱动电路简单且工作频率较高，是较理想的中、小型SR电动机的功率变换器的主开关元件。

而对高压、大功率的SR电动机，可选择MCT做主开关元件。

MCT是晶闸管和MOSFET的复合元件，具有工作频率高，电流密度大，易驱动，易控制等优点。

本次设计的主电路采用IGBT为主开关元件。

[1]

1.3.3SR电机的未来研究方向

SRD系统经过几十年的发展，性能愈加完善，未来的研究工作主要集中在以下几个方面：

（1）无位置传感器的SRD系统。

位置检测器是SR电机的必备元件，但是它的使用使得结构简单的SR电机变得复杂，降低了运转的可靠性，因而探索实用的无位置传感器的检测方案是当前备受注目的课题。

目前研究较多的是通过采集定子绕组的瞬态的电感信息，进而实现无位置检测器控制方案，但实际应用还任重而道远。

（2）振动和噪声的控制。

SR电机采用的是脉冲供电，使得电机具有一定的瞬时转矩波动，特别是在低转速时步进状态明显，振动和噪声都较大。

此外高速、重载时振动和噪声也较大。

怎样通过电机设计和控制策略的优化，有效地抑制转矩波动和噪声，使SRD系统具有低速平稳运行且有静态转矩保持能力，这是需要进一步研究的。

（3）综合智能应用。

随着现代微控技术的发展，ASIC和高性能的DSP都开始得到了从分的利用，怎样利用日趋先进的微控技术，实现具有动态性能高、抗干扰能力强、智能化程度高的高智能化的SRD系统控制是近期研究的热点。

[3][17]

1.4课题研究的主要内容及意义

随着社会的快速发展，电动机调速系统中在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用渗透到了社会各行各业。

老式的磁阻电机效率、功率因数和功率密度都很低，因而适用领域受到了很大的限制。

于是，将磁阻电机与电子器件相结合的开关磁阻电机应运而生。

SRD作为新兴的机电一体化调速系统，具有很多传统电机调速系统难以比拟的优势。

因此，研究出实用性强、性价比高、动态性能好和抗干扰能力强的SRD系统对社会发展具有重要意义。

本设计的主要是利用80C196KC为核心设计出通用化、标准化、智能化的开关磁阻电机驱动系统，因而在相应开关器件的选择如何做到性价比最高，单片机控制策略的实现以及相应控制程序的设计以及电路原理图的设计是本次毕业设计的难点。

第2章SR电机的数学建模及控制策略分析

2.1引言

SR电机的结构比较简单，但由于定子采用双凸极结构，绕组电流是非线性的，此外，由于磁路的饱和、涡流和磁滞效应皆会产生非线性，这样，就造成定子绕组的磁通、电流波形不规则，难以用传统的分析方法进行分析计算。

但是，电机内部的电磁过程仍然是建立在基本的电磁定律上的，可据此求得SR电机的基本方程式。

常见的求解方法有线性模型、准线性模型、和非线性模型。

对于非线性模型，虽可建立一个非常精确的数学模型，但磁路的饱和涡流的计算非常繁琐，工程实际意义却并不大。

因此，我们在这里采用线性模型，虽然精度较低，但亦可清楚的表示出电机的基本特性与各种参量之间的关系，可作为探讨控制方法的依据。

2.2SR电机的基本方程

对于一个m相的SR电机，在忽略铁心损耗，且假定各相的结构和参数对称，这样，SR电机可看成具有一个机械端口和m对电端口的电气装置。

据此，可得到各种基本方程如下：

2.1.1电压方程

据基本的电路定律可知，SR电机某相（k相）的电压平衡方程：

uk=Rkik+

...........................（2-1）

在此式中：

uk————第k相绕组端电压；

Rk————第k相绕组电阻；

ik————第k相绕组电流；

————第k相绕组的磁链。

2.2.2磁链方程

SR电机中某相绕组的磁链是该相电流与自感、其余相电流及互感和转子位置角的函数，但各相之间的互感相对自感小得多，简便起见，SR电机的计算中一般省略互感，磁链方程为：

=Lk（

k，ik）ik.......................（2-2）

式中，每相电感Lk是该相电流ik与转子位置角

k的函数，将该式带入式（2-1）中可得：

...（2-3）

从上式中可看出，电源电压与三部分压降相等。

第一项是电阻压降；第二项是电流变化而感应的电动势，又称变压器电动势；第三部分是转子位置改变引起的磁链变化而产生的感应电动势，即运动电动势。

2.2.3机械运动方程

SR电动机运行时，在电磁转矩和负载转矩的作用下，转子的机械运动方程如下：

........（2-4）

在上式中，

表示电磁转矩，J表示系统的转动惯量，

表示摩擦系数，

表示负载转矩。

2.2.4转矩公式

SR电动机的电磁转矩可由下式求得：

.........................（2-5）

在上式中，

表示绕组的磁共能。

上述SR电动机的数学模型完整、准确地描述了其电磁和力学关系，但是由于电路与磁路的非线性因素，准确计算的工作量很大且计算非常困难。

2.3SR电动机的理想线性模型分析

2.3.1SR电动机的理想线性模型

由上节易知，SR电机的非线性模型的计算是非常困难的，本次设计需要我们掌握SR电动机内部的基本电磁关系及基本特性，不需复杂的精确计算，故我们可对理想的线性模型进行研究。

理想的线性模型需要作如下假设：

（1）忽略电流大小对绕组电感的影响，忽略磁路的饱和影响；

（2）半导体开关器件的开关动作是瞬时的，即导通和关断时压降皆为零；

（3）主电路电源的直流电压（士Us）恒定；

（4）忽略磁通的边缘效应，忽略所有的功耗；

（5）电动机的转速恒定。

满足以上假设条件的电机模型就是理想的线性模型，电机相绕组电感L随着转子的位置角呈周期变化，如下图2-1所示：

图2-1相绕组电感曲线

如上图2-1中所示，以定子极轴线和转子凹槽中心重合的位置为基准点，即坐标原点，以转子位置角为横坐标。

θ=θu=0时，相电感最小，为Lmin;转子转过半个极距角（π/Nr）时，定子的磁极轴线与转子的凸极中心对齐，此时相电感达到最大值，为Lmax。

这样，随着定子和转子的不断重叠和分离，相电感在最小值和最大值之间线性地上升和下降，变化周期为转子极距τr，正比于转子极数。

在图2-1中，θu为定子和转子不对齐的位置；θ2为转子凸极刚开始与定子磁极发生重叠的位置；θ3为转子凸极与定子磁极的临界重叠位置；θa位置的电感最大；θ4为转子凸极刚要与定子磁极脱离完全重叠的位置；θ5转子凸极刚好与定子磁极完全脱离。

这样，可得到SR电动机的相绕组电感与转子的位置角关系如下：

θu≤θ＜θ2时，L（θ）=Lmin；

θ2≤θ＜θ3时，L（θ）=Lmin+k（θ-θ2）；

θ3≤θ＜θ4时，L（θ）=Lmax；

θ4≤θ＜θ5时，L（θ）=Lmax-k（θ-θ4）；

在上式中，k=（Lmax-Lmin）/（θ3-θ2）=（Lmax-Lmin）/βs。

βs为定子磁极极弧。

2.3.2相绕组磁链方程

SR电动机其中一相绕组的由恒定直流电源Us供电，这一相电路的电压方程为：

±Us=iR+

在上式中，+、-分别对应于绕组通电期与电源关断后绕组的续流期。

由于是理想的线性模型，忽略所有功耗，故上式可以简化为：

.....................................（2-6）

式中，

=

表示转子的角速度。

在开关合闸瞬间，此时，Ψ0=0；θ=θon，θon为定子绕组电源接通时转子与定子的相对位置角，即为开通角，则由式2-6可知通电段的磁链表达式为：

.................................................（2-7）

当θ=θoff时，电源关断，θoff为关断角，此时磁链达到最大值：

.................（2-8）

上式中，θop=θoff-θon,表示一相绕组的开通角。

而根据是2-6Us取-时，可得到续流期间的磁链为;

.........................................（2-9）

这样，就可得出SR电动机理想线性模型下磁链随转子位置角的变化曲线如下图2-2所示：

图2-2

2.3.3相绕组的电流方程

将式2-6改写成如下形式：

....................（2-10）

在转速、电压一定时，绕组的电流只与转子位置角和初始条件有关，下面分段进行研究分析：

在θu≤θ＜θ2时，L=Lmin，初始条件为i（θon）=0,解得：

............（2-11）

此段区域内，电感恒为

，电流直线上升。

在θ2≤θ＜θoff时，L（θ）=Lmin+k（θ-θ2）；根据电压方程

并代入初始条件可求出：

.............（2-12）

对应的电流变化率：

................（2-13）

由上式易得，当θon<θ2-Lmin/k时，di/dθ<0,电流将在电感上升的区域内下降；当θon=θ2-Lmin/k时，di/dθ=0，此时电流将保持恒定;θon>θ2-Lmin/k时，di/dθ>0，则电流将继续上升。

不同的θon可以形成不同的相电流波形。

（3）在θoff≤θ＜θ3区域内，主开关元件关断，绕组进入续流期。

此时，电流的解析式如下：

...................（2-14）

（4）在θ3≤θ＜θ4区域内，电流解析式如下：

.............................（2-15）

（5）在θ4≤θ≤2θoff–θon≤θ5区域内，电流解析式为：

......................（2-16）

这样，以上各式构成了一个完整的电流解析式，它是电源电压、电机几何尺寸、电机转速和转子位置角的函数。

在电压和转速恒定的时，电流波形与开通角θon、关断角θoff、最小电感Lmin、最大电感Lmax以及定子极弧βs有关。

由此可看出，主开关开通角θon在控制电流大小方面作用明显。

当θon减小时，电流峰值和电流波形的波宽将增大；主开关关断角θoff对电流波形宽度有影响，θoff增大时，电流波形变宽，但它对电流峰值没影响；此外，电流大小与直流供电电压成正比，与电机的转速成反比，启动时常采用电流斩波控制进行限流。

这些，都是电动机驱动系统设计的原理基础。

2.3.4电磁转矩

电机的电磁转矩也是分段的，假定电机的磁路不饱和，根据电感的分段解析式可得电磁转矩的解析式分列如下：

θu≤θ＜θ2时，Te=0；

θ2≤θ＜θ3时，Te=1/2Ki2；

θ3≤θ＜θ4时，Te=0；

θ4≤θ＜θ5时，Te=-1/2Ki2。

从上式中易看出，电磁转矩的大小与电流的平方成正比。

在电感曲线上升的阶段，绕组电流产生正向转矩；在电感曲线下降的阶段，绕组电流产生制动转矩，这也是关断角的选取需要顾及的地方，一般取电感上升区域的中间位置。

2.4SR电机的控制策略

2.4.1SR电机的基本运行特性

SR电动机在给定外施电压Us且开通角θon、关断角θoff固定时，电动机的转矩、功率和转速的关系与直流电动机的串励特性类似。

但在转速较低时，电流。

转矩都有极限值，其基本的机械特性如下图2-3所示：

图2-3SR电动机基本机械特性

（1）恒转矩区。

对于给定的SR电动机，它在恒转矩区能达到的最大转速为Ω1，此时，SR电动机的功率也是最大的，Ω1称为第一临界转速。

在低速运行时，由于电机的平均电磁转矩Tav与相电流的平方成正比，为了获得恒转矩特性，限制电流不超过允许值，常采用电流斩波控制，即CCC（ChoppedCurrentControl）控制。

CCC控制的方法是固定开通角θon、关断角θoff