1、毕业设计开关磁阻电动机高性能控制系统的设计姓 名： 徐坤 学 号： 10020109 班 级： 10 电气 4 专 业： 电气工程及其自动化所在系： 自动化工程系 指导教师： 李艇/徐纲 开关磁阻电动机高性能控制系统的设计摘 要开关磁阻电动机(简称 SRM 或 SR 电机)具有结构简单、成本低、控制灵活等特点，由其构成的调速系统(简称 SRD)具有交、直流调速所没有的优点，正在显示出强大的市场竞争力。本设计以 0.75KW 四相(8/6 极) 开关磁阻电动机控制系统的高性能控制策略及其系统为主题展开了理论研究和应用。开关磁阻电动机的最重要的缺点就是转矩脉动，它直接影响着驱动系统的输出性能。本设
2、计介绍了能够消除 SRM 的转矩脉动，提高 SRD 性能的几种新型控制策略，即SRM 的直接转矩控制并进行了仿真。研究了能够消除转矩脉动，提高 SR 在位置控制中定位精度的微步控制。基于开关磁阻电动机的线性模型，推导出其矩角特性，根据转矩星型图对换相时的相绕阻电流进行控制，用换相区代替换相点使各相电流为阶梯波，从而在空间得到多个派生转矩矢量，使电机的步进角减小，增加了转矩得平滑性，从而减小了转矩脉动研究表明，采用微步控制后，可有效地减小电流波动。为了验证系统的可行性，本文利用 MATLAB6.0 中的动态仿真工具 SIMULINK 对系统的动静态性能进行了仿真分析。仿真和实验结果基本一致，证明
3、了该系统的可行性，系统具有良好的速度和位置控制能力，有着广阔的发展前景。关键词：开关磁阻电动机；微步控制；直接转矩控制；MATLAB ；DSPDesign of High-performance Switched Reluctance Motor Control SystemABSTRACTSwitched Reluctance Motor ( SRM or SR motor for short ) has a simple structure，low cost，flexible control features，its speed control system consisting of (
4、 short SRD) with AC， DC does not have merit， is showing strong market competitiveness. The design of the four-phase high-performance 0.75KW (8/ 6 poles ) switched reluctance motor control system and the system control strategy theme of theoretical research and application.The most important drawback
5、 is that the switch reluctance motor torque ripple，which directly affects the output performance of the drive system. This design introduces several new control strategy to eliminate SRM torque ripple and improve the performance of the SRD， that SRM direct torque control and simulation . Studied to
6、eliminate torque ripple and improve the SR positioning accuracy in position control micro- step control. Linear model of switched reluctance motor，derives its torque-angle characteristics，torque control based on the star chart on the phase commutation when winding current， instead of switching to ph
7、ase commutation region points to the phase current is stepped wave，thereby obtaining a plurality of vectors derived torque space step angle of the motor is reduced，the torque was increased smoothness， thereby reducing the torque ripple. Research shows that the use of micro -step control，which can ef
8、fectively reduce the current fluctuations. In order to verify the feasibility of the system，we use MATLAB6.0 dynamic simulation tool SIMULINK dynamic and static performance of the system to be simulated. Simulation and experimental results are basically the same，proved the feasibility of the system，
9、the system has good speed and position control，there are broad prospects for development.Key words：Switched Reluctance Motor；Micro-step control ；MATLAB ；DSP目 录第一章 绪论 11.1 引言 11.2 运动控制发展概述 11.3 开关磁阻电机的研究概况及发展方向 21.3.1 开关磁阻电机的研究概况 21.3.2SR 电机的控制策略综述 31.4 研究的主要内容和目标 4第二章 SR 电机调速系统 52.1 开关磁阻电动机调速系统的基本结构
10、、特点及基本原理 52.1.1SRD 的基本结构 52.1.2SR 电机的工作原理 62.1.3SRD 系统的结构与性能特点 72.2 开关磁阻电机的数学模型 82.2.1 开关磁阻电机的数学模型 82.2.2 数学模型的求解方法 92.3 开关磁阻电机工作的基本分析 102.3.1 电感与转子位置角的关系 102.3.2 电磁转矩的分析 112.3.4 转速的控制 122.4 开关磁阻电机的控制方式 132.4.1 电流斩波控制 132.4.2 角度控制 132.4.3 电压斩波控制 142.4.4 各控制方式的特点 14第三章 SRD 新型控制策略的研究 163.1 SR 电机的直接转矩控
11、制 163.1.1 直接转矩控制原理 163.1.2 仿真研究 193.2.1 开关磁阻电动机的微步控制 233.2.2 微步控制策略的实现 263.2.3 仿真分析 263.2.4 结论 27第四章 基于 DSP的 SRM控制系统设计 284.1 基于 DSP 的 SRD 控制系统硬件设计 284.1.1DSP 的结构与特点 284.1.2 位置检测及换相逻辑 284.1.3PWM 输出电路 294.1.4 电流检测与斩波电路 294.1.5 键盘、显示电路 304.2 电路的保护及抗干扰设计 314.2.1 屏蔽技术 324.2.2 电路板的抗干扰设计 324.3 基于 DSP 的 SRM
12、 控制软件的设计 324.3.1 主程序设计 334.3.2 速度检测子程序 354.3.3 故障处理子程序 364.4 SRD 实验系统及实验结果 37第五章 结论 38参考文献 39致 谢 40天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 引言开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Motor Drive，简称 SRD)，是继异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统之后，又一极具发展潜力的新型调速系统。它集开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，简称 SRM)、电力电子技术和控制技术为一体，它不仅保持了交流
13、异步电动机的机构简单、坚固可靠和直流电动机可控性好的优点，而且还具有价格低、效率高、适应力强等优点，显示出广阔的应用前景。SRM 作为 SRD 中的重要组成部分，是在磁阻电动机的基础上发展起来的一种高性能机电一体化的产品。它具有开关性和磁阻性两个基本特征。从结构上看开关磁阻电机定转子均采用双凸极结构，定子上有集中绕组，转子无绕组，也无永磁体。因此具有结构简单、坚固、工作可靠、维修方便等优点。另外，电机在一相或多相缺相的情况下仍可以运行使得它可以应用于恶劣的工业环境中。SRM 控制灵活，采用不同的控制方式，可以得到不同负载要求的机械特性，很容易实现四象限运行和软启动等要求。采用合理的控制策略，由
14、 SR 人理组成的 SRD 系统的效率和出力能在很宽的速度和负载范围内都能维持较高的运行特性。然而，由于开关磁阻电机的双凸极结构，不能采用传统的 AC 电机波形来作为输入激励，从而不能应用 AC 电机很成熟的旋转磁场理论。而且，电机的输出转矩不平滑，必须采用适当的控制策略来消除转矩脉动。另外由于磁通的复杂分布使得电机的控制很复杂。电机不同相间的非线性祸合及电机参数的改变更增加了控制的复杂程度。只有从调速系统的总体性能指标出发，通过采取优化的控制策略，才能逐步解决这些问题 1。1.2 运动控制发展概述运动控制是一门综合性、多学科的交叉技术。它的主要研究内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动力
15、驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题。随着科学技术的不断发展，尤其是电力电技术的进步，微机技术的应用和新型控制策略的出现。今天的运动控制发展成为了根据预定方案及复杂环境，将计算机做出的决策命令变为某种期望的机械运动的系统控制。运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。典型的运动控制系统有运输机械、数控机床、机器人等，这些系统是力学、机械、材料、电工、天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书2电子、计算机、信息和自动化等科学和技术领域的总和。运动控制系统中，精确的位置、速度、加速度乃至力矩的控制土要
16、通过电动机、驱动器、反馈装置、运动控制器、主控制器(如计算机和可编程控制器)来实现。随着微电子技术渗透到运动控制系统的各个环节并成为其控制技术的核心，功率变频器和电动机都具有了离散控制的基本特征。一般的运动控制系统包含了围绕电动机组成不同控制目标所涉及的理论和技术。运动控制作为一门多学科交义的技术，每种技术出现的新进展都使它向前迈进一步，其技术进步是日新月异的 2。1.3 开关磁阻电机的研究概况及发展方向1.3.1开关磁阻电机的研究概况磁阻电机是一种具有悠久历史的电机，它诞生于 160 年前，但它一直被认为是一种性能( 效率、功率因数、利用系数等)不高的电机，故只应用于小功率范围。经过近 20
17、 年的研究和改进，磁阻式电机的性能不断提高，目前已能在较大的功率范围内使其性能不低于其他型式的电机。美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家都开展了开关磁阻电机系统的研制工作，在国外的应用中，开关磁阻电机一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车，同时高速性能是开关磁阻电机的一个特长的方向。对于低压、小功率的应用场合，开关磁阻电动机远优于普通的异步电动机和直流电动机。例如使用开关磁阻电动机驱动风扇、泵类、压缩机等，可以在宽广的速度范围内实现高效率的运行且节能明显，可以在短期内收回成本，经济型小功率开关磁阻电动机调速系统有广阔的市场，尤其是在家用电器方面的应用。据报导，英国 Leeds 大学研制出一种用于洗
18、衣机的开关磁阻电动机及其驱动装置，该电动机重量为 3.1kg，最高转速达 10000r/min，直径为 100mm，长度为 118mm，在不使洗涤性能降低的情况下，比标准的洗衣机电动机尺寸减少一半。在开发高速传动领域，开关磁阻电动机调速系统也有其独特的优势，因为开关磁阻电动机结构简单、坚固，控制开关频率低，在叠片性能和轴承满足要求的条件下可实现高速运转。据报道，美国为空间技术研制了一个 25000r/min、90kW 的高速 SRD 样机 3。开关磁阻电机调速系统（SRD）的研究已被列入我国中、小型电机“八五” 、 “九五”和“十五”科研规划项目。华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五” 项目
19、中研制出使用 SRD 的纯电动轿车，在 “十五”项目中将 SRD 应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将 SRD 应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的效益。现如今功率电子技术，数字信号处理技术和控制技术的快速发展，而且随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片（DSP）的出现，利用高性能 DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术，无需附加外部硬件电路，大大提高了开关磁阻天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书3电机检测的可靠性和适用性，必将更大限度地显示 SRD 的优越性，现有研究都是基于SRD 机电系统简化为线
20、性系统以实验研究方法为主进行的，一方面缺少理论分析，另一方面对 SR 电机振动的非线性特性缺乏研究。只有立足于非线性振动理论，在全面分析SR 电机非线性电磁场和非线性径向力的基础上，才能对开关磁阻电机定子电磁振动的非线性特性进行系统的理论分析，计算和实验研究。近几十年来，SRD 的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型的调速系统，研究的历史还比较短，其技术设计电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多学科领域，并且 SR 电机本身的非线性特性，导致研究的困难性，存在着大量的工作要做。在应用上，SRD 有着广阔的市场前景，具有结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高，适于高速与
21、恶劣环境运行等特点，促使人们更深刻的去关注、研究、开发。综上所述，SRD 发展到现在，在控制策略方面虽然已取得了许多非常有用的成果，但是仍然很不完善，仍存在许多问题待解决，而且尚未形成完善的控制理论。虽 SRM 结构简单，但是用来分析 SRM 能量转换过程的数学方法却相对复杂。由于 SRM 的双凸极结构和磁路的严重非线性以及脉冲供电方式，传统电机学的一些理论和分析方法已不再适用于开关磁阻电动机。因此，研究 SRD 及其驱动系统无论是在理论上还是在工业应用中都具有重要意义 4。1.3.2SR电机的控制策略综述众所周知，SRD 融 SRM、功率变换器、控制器与位置检测器为一体，其性能的改善不仅依靠
22、优化 SRM 与功率变换器设计，而且必须借助于先进控制策略的手段。从 20世纪 80 年代以来，在 SRD 控制方面已出现了大量先进的控制思想，并取得了有益的成果。SR 电机控制参数多，控制系统设计的主要问题时努力实现参数最优化、结构最优化和功能最优化。根据改变控制参数的不同方式，SRM 又三种控制模式，即电流斩波控制( 简称 CCC)、角度位置控制(简称 APC)、和电压控制(VC) 。其中，CCC 一般应用于低速运行区，因为此时旋转电动势较小，必须限制系统的最大工作电流；APC 时电压保持不变，通过改变开通角和关断角调节电机转速，适合于系统较高转速区；VC 时在固定的开关角条件下，通过调节
23、绕组电压控制系统转速。 基于线性假设的 SR 控制系统难以获得理想的输出特性，鲁棒性差，其动静态性能无法与直流传动相媲美，这严重阻碍了 SR 的商品化进程。其主要原因在于： SRM 为高度非线性系统，具有双凸极集中绕组的几何结构，为输出最大转矩而运行于饱和状态，磁阻转矩是绕组电流和转子位置的非线性函数。传统的线性控制方法难以满足动态较快的 SRM 非线性、变参数要求。近年来，为改善系统的性能，国内外发表了一些基于现代控制理论和智能控制技术建立 SR。动态模型和系统设计的文献。模糊控制器是一种语言控制器，无需被控对象的精确数学模型，本质上也是一种非线性控制，具有较强的鲁棒性。模糊控制器的这些特点
24、，使得从原理上改善 SRD 系统的调速性能成为可能。近年来，应用模糊控制理论设计 SRD 己受到重视。但模糊控制的动静态特性之间也存天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书4在一定的矛盾，采用固定的参数难以获得满意的性能，转矩脉动、振动和噪声是 SRD较为突出的问题，也是控制策略所要研究的重点。转矩的分布由相电流决定，因此关键是控制相电流使其输出转矩脉动最小化分布。但困难在于 SR 电机数学模型难以精确解析，而且 SRD 的结构及其动态特性在运行中常逐步改变或突变，并且难以预知。因此常规控制方法部可能控制相电流按理想分布变化，只有引入自适应、自学习控制技术及智能控制技术，才能使
25、系统根据运行条件的改变，自动的调整调节器的结构、参数，以保证系统连续处于输出转矩脉动最小化状态 5。综上所述，SRD 发展到现在，在控制策略方面虽然已取得了许多非常有用的成果，但是仍然很不完善，仍存在许多问题待解决，而且尚未形成完善的 SR 控制理论。今后关于 SRM 控制策略的研究应主要围绕以下几个方面展开：1.从控制角度继续加强研究，以减小转矩脉动、降低噪声。2.研究具有较高动态特性，算法简单，能抑制参数变化、扰动和各种不确定性干扰的 SRM 新型控制策略。3.研究具有智能控制方法的 SRM 新型控制策略机器分析设计理论。1.4 研究的主要内容和目标开关磁阻电机调速系统作为一种新型调速系统
26、，兼有直流传动和普通交流传动的特点，但是由于开关磁阻电机的双凸极结构和采用开关性的供电电源，使得电机的特性和控制方式与传统电机不同，尤其是非线性及饱和现象，造成电机的模型难以解析，比较突出的问题是转矩脉动和噪声。另一方面，SRD 作为典型的机电一体化系统，融合了电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多科学领域，所以系统的优化设计还需从整体出发，基于以上原因提出了开关磁阻电动机高性能控制系统的设计，能够消除转矩脉动，提高开关磁阻电机在位置控制中的定位精度 6。本设计主要研究内容有以下几个方面：1.利用仿真软件对开关磁阻电机控制系统不同控制策略进行动态仿真分析。2.采用微步控制对开关磁阻电机控制系
27、统的位置控制能力进行分析，达到优化控制的目的。3.开关磁阻电机高性能控制系统应用在在电动执行器中的位置控制分析。天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书5第二章 SR 电机调速系统2.1 开关磁阻电动机调速系统的基本结构、特点及基本原理2.1.1SRD的基本结构交流电电源 功率变换器S R M负载电流检测 位置检测外部给定 微机控制器图 2.1 SRD 系统构成框图Fig.2.l Structure of SRD system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，如图 2.1 示：磁阻电机：SRM 是 SRD 中实现机电能量转换的部件，系双凸
28、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，为单向电流，若改变相电流的大小，可改变电动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速。若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转矩。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。SRM 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
