章涛毕业设计

开关磁阻电机调速系统设计

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：开关磁阻电机；TMS320LF2407；位置检测；电流检测

I

Switch the resistance of electrical machinery velocity

modulation system design

ABSTRACT

Switched Reluctance Drive system is a high performance system, which is composed of Switched Reluctance 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 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 principle 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, 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 display 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 three–phase 6/4 structure lowpower SRM prototype as action element.The simulation results were given.

Keywords: switched reluctance；DSP；TMS320LF2407；control

II

目录

摘 要 ........................................................................................................................ I ABSTRACT ............................................................................................................ II 1 绪论 ....................................................................................................................... 1

1.1 前言 .............................................................................................................. 1 1.2 开关磁阻电机调速系统的研究历史和发展方向 ...................................... 1

1.2.1 开关磁阻电机调速系统的发展概况 ................................................. 1 1.3 开关磁阻电机调速系统的概述 .................................................................. 2

1.3.1 SRD的基本结构 ................................................................................. 2 1.3.2 SR的特点 ............................................................................................ 3 1.3.3 SRD的应用 ......................................................................................... 4 1.4本课题的主要任务 ....................................................................................... 4 2 开关磁阻电机的原理 ........................................................................................... 5

2.1 开关磁阻电机的基本结构及工作原理 ...................................................... 5

2.1.1SR电机的基本结构 ............................................................................. 5 2.1.2 开关磁阻电机的工作原理 ................................................................. 5 2.2 开关磁阻电机的数学模型 .......................................................................... 5

2.2.1绕组电感分段线性解析式 .................................................................. 6 2.2.2 SRM的相电压方程 ............................................................................ 6 2.2.3 磁链方程 ............................................................................................. 7 2.2.4 绕组电流的分析 ................................................................................. 7 2.2.5 转矩转速的控制 ................................................................................. 8 2.3 SR电机基本控制方式 ................................................................................. 8 3 系统主电路 ......................................................................................................... 12

3.1 系统整体框架 ............................................................................................ 12 3.2 SRM功率变换器 ....................................................................................... 12

3.2.1主回路方案 ........................................................................................ 13 3.2.2 IGBT主开关管参数计算 ................................................................. 14 3.3 IGBT驱动电路 ........................................................................................... 15 3.4 电流检测装置 ............................................................................................ 15 3.5 位置检测 .................................................................................................... 16 4 开关磁阻电机调速系统的设计 ......................................................................... 17

4.1 开关磁阻电机调速系统的硬件设计 ........................................................ 17

4.1.1 SRD硬件系统结构概述 ................................................................... 17 4.2 基于DSP的SRD控制器 ......................................................................... 17

4.2.1 基于DSP的SRD系统硬件介绍 .................................................... 17 4.2.2 控制策略 ........................................................................................... 18

III

4.3 软件设计 .................................................................................................... 19

4.3.1主程序的设计 .................................................................................... 20 4.3.2 功能子程序设计 ............................................................................... 20 4.3.3 子程序显示 ....................................................................................... 20 4.3.4中断子程序设计 ................................................................................ 21

5 开关磁阻调速电动机系统仿真研究 ................................................................. 23

5.1 SRM的控制方案 ....................................................................................... 23

5.1.1 电流斩波控制 ................................................................................... 23 5.1.2 角度位置控制 ................................................................................... 23 5.1.3 电压PWM控制 ............................................................................... 23 5.2 电压PWM控制方案下SRD仿真模型的建立 ...................................... 23 5.3 仿真模型与分析 ........................................................................................ 24 5.4 仿真结果 .................................................................................................... 26 6 结论 ..................................................................................................................... 31 致 谢 ..................................................................................................................... 32 参考文献 ................................................................................................................. 33 附录A 外文翻译—原文部分 ............................................................................. 34 附录B 外文翻译—译文部分 ............................................................................. 41

IV

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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，60~70%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20~30%。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SRM）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。[1]

SRM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*106Nm，转速达105r/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 开关磁阻电机调速系统的研究历史和发展方向

“开关磁阻电机”一词源见于美国学者S.A.Nasar 1969年所撰写的论文，它描述了这种电机的两个基本特征：①开关性――电机必须工作在一个连续的开关模式，这也是为什么在各种新型功率半导体器件问世后这种电机才得以发展的主要原因；②磁阻性――定、转子具有可变磁阻回路，是真正的磁阻电机。 1842年，英国的Aberdeen和Dafidson用两个U型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。但因电路断开时没有释放能量的续流二极管电路，以及采用机械开关控制电磁铁的轮流通电，电动机的性能（效率、功率因素和利用系数等）不高。在此后100多年内，SR电机都没有得到重视和发展。 1.2.1 开关磁阻电机调速系统的发展概况

20世纪60年代，大功率晶闸管的出现为SR电机的研究发展提供了重要的物质条件。1967年，英国的Leeds大学开始对SR电机深入研究，到1970年左右，研究结果表明：SR电机可在单向电流下四象限运行，功率变换器无论用晶体管还是用普通晶闸管，所需的开关数都是最少的；电动机成本也明显低于同容量的感应电动机。

20世纪70年代初，美国福特公司研制出最早的开关磁阻电动机调速系统，其结构为轴向气隙电动机，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适用于蓄电池供

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章涛：开关磁阻电机调速系统设计

电的电动车辆的传动。

1975年，英国Leeds大学和Nottingham大学的研究小组联合研制了用于电动汽车的50kwSR电机装置，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大学的Lawrenson教授及其同事总结了自己的研究成果，发表了题为“Variable-Speed Switched Reluctance Motors（变速开关型磁阻电动机）”的论文，系统阐述了SR电机的基本原理与设计特点，并得出新型磁阻电机的单位出力可以与交流电感电机相媲美甚至略占优势的结论，这标志着SR电机得到国际社会的承认。

1983年英国TASC公司推出了Oulton系列通用SRD调速产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视。目前，SRD在国外已取得很大的发展，其产品已在电动车驱动、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。功率范围从10W到50MW，转矩从0.01N?m到1000000N?m，转速可达100000r/min。

从二十世纪80年代初开始，我国许多单位先后开展了SRM的研究工作，如北京纺织机械研究所（即中国纺织总会纺织机电研究所）、华中理工大学、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华南理工大学及浙江大学等，且SRM被列入中小型电机“七五”科研规划项目。在借鉴国外经验的基础上，我国SRM的研究进展很快，1988年在南京航空航天大学召开了首届开关磁阻调速系统研讨会。并于1993年在我国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下，正式成立了开关磁阻电机学组。我国学者在SRM的控制、仿真、设计理论和电磁数值分析等方面做了大量的工作，尤其近20年来，开关磁阻电机在国内的应用和发展已取得了明显的进步。我国130KW的开关磁阻电机已经投入市场，北京中纺锐力机电有限公司开发的SRM可达400KW，山东科汇电气与淄博牵引电机公司、山东理工大学合作开发了1.1～132kW 系列开关磁阻电机调速系统。开关磁阻电机已在电动汽车、工业、航空业和家用电器等各个领域开始应用。

1.3 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，如下图1.1所示。 （1）开关磁阻电机

开关磁阻电机(SRM)为双凸极铁芯结构，它的定子和转子的铁芯由硅钢片叠加而成。每个定子的铁芯凸极上安装集中绕组，转子铁芯凸极无绕组，径向相对的两个定子的绕组串联成一对磁极，称为一相。SR电机可以设计成不同的相数结构，定转子的极数也有不同的搭配，相数越多，转动脉冲也越小，但是结构也越复杂。目前常用的是三相（6/4）极和四相（8/6）极。 （2）功率变换器

功率变换器的作用是将电源提供的能量经过适当的变换提供给SRM电机。由于只需要给SRM电机提供单向电流，所以功率变换器的电路结构简单。开关磁阻电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数以及主开关器件的种类等有关。 （3）控制器

控制器是系统的核心，它综合处理控制台指令、转子位置信号、相电流信号以及故障信号，控制功率变换器中主开关器件的开断，实现对SR电机运行状态的控制，并完成必要的显示功能。

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图1.1 SRD结构图

（4）位置、电流检测单元

转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的依据，正确的转子位置信号是整个SR正常运行的基础。而实际电流的大小是SR中不可缺少的一个参数，实时的电流信号为电流斩波控制和防止过电流提供了根据。因而，及时地位置、电流检测是系统可靠运行的保证。 1.3.2 SR的特点

（1）SR电机结构简单、成本低，适用于高速。SR电机是将电能转化为机械能的装置，其突出的优点是电机无碳刷和换相器，转子上没有任何形式的绕组;制造成本低且转子的机械强度高，使得电动机可高速运转而不致变形;另外转子转动惯量小，易于加、减速。在定子方面，它只有几个集中绕组，线圈嵌装容易，端部短而牢固，因此制造简便，绝缘结构简单，并且发热大部分在定子，易于冷却。

（2）SR中功率电路结构简单可靠。SR电动机的转矩方向与绕组电流的方向无关，只需单方向来对绕组供电，故功率电路结构简单，可以做到每相只需要一个功率开关器件。只要控制主开关器件的开通、关断时间，即可改变电动机的工作状态。另外，系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通短路现象。因此，开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护部分可以简化，既降低了成本，又具有较高的可靠性。

（3）SR效率高、起动转矩大。SR是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机转子不存在绕组铜耗，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。且电机起动时，只需提供较少的电流，就能使电动机获得较大的起动转矩。

（4）SR可控参数多，控制方式简单

SR电动机的控制方式主要有以下几种: ?角度控制方式 (APC);

?电流斩波控制方式 (CCC): ?电压PWM控制方式。 （5）SRD可靠性高

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章涛：开关磁阻电机调速系统设计

SR电机不会发生感应电动机转子断裂或烧熔的故障，再加上SR电机采用简单而坚固的转子结构，由单极性功率变换器供单方向电流激励，可做到磁路上各相相互独立和电路上各相相互独立，因此，该系统具有较高的可靠性和容错能力。虽然开关磁阻电机调速系统的优点很多，但是其也有缺点，最主要的是转矩脉动和引起的噪声很大。通过SR电机的正确设计和控制技术的发展，这些问题将逐步得到解决。 1.3.3 SRD的应用

随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高，SRD已有了系列化产品，其多种功率的SRD在不同的工业部门和家用电器中得到应用。

(1)用于龙门刨床:工艺上需要电动机能频繁起、停及正反转，开关磁阻调速电动机能较好的实现。如机械工业中龙门刨床、铣床、冶金行业的可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降等系统。

(2)用于纺织“探边”设备:经过纺织行业的“探边”与“对中”设备的实践使用，取得了较好的效果。对作为“探边”设备的动力，其反应速度小于0.35，即电动机运转时，接到指令后，能在0.35内实现反转，并要求在24小时内连续频繁运转，同时要求在较宽范围内进行无级调速。

(3)用于家用电器:将克服当今洗衣机和空调机、电冰箱的缺陷，成为更完善新一代产品。SRD具有优良的调速性能，有更高的电能机械能转换效率，特别是在中低速时，优势尤为突出。从而能有效的克服了变频调速系统的弊端，使节能更为有效。

(4)在电动车驱动上的应用:由于燃油汽车废气严重污染环境，故发展和完善无污染的电动车是社会的必然。而发展电动车除了随车的蓄电池要有高能量之外，再则就是要有性能和效率很优越的电动机调速系统作动力。而SRD高可靠性、宽广的调速范围，卓越的起、制动性能，它是各类电动车最理想的动力之一[19]。

1.4本课题的主要任务

本课题研究的主要内容如下:

(1)研究SR电机的结构、工作原理和数学模型，分析了SR电机主要的控制方式，并对这些控制方式进行详细的研究。

(2)研究SRD的特点和组成部分，并分别对它的各个组成部分功率变换器、控制器和信号反馈系统作了详细的研究;设计系统的主回路。

(3)了解采用TMS320F2407设计控制器的硬件电路，结构和功能，掌握基于TMS320F2407的硬件和软件的设计方法，在对SRD深入研究的基础上，设计了SRD的硬件系统。

（4）应用matlab在SR电动机进行电机的性能仿真。

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2 开关磁阻电机的原理

2.1 开关磁阻电机的基本结构及工作原理

SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机既可以将电能转换为机械能即电动运行，也可将机械能转换为电能即发电运行，但内部的能量转换关系不能简单看成是SR电机的逆过程。 2.1.1SR电机的基本结构

开关磁阻电机驱动系统(SRD)由开关磁阻电机、功率变换器、控制器、检测器和PLC操作台五个部分组成，其中开关磁阻电机是整个系统的执行部分。它是一个双凸极可变磁阻电机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子上既无绕组和永磁体，也无换向器和集电环。定子极上绕有集中绕组，径向相对称的两组绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”。SRM可以设计成多种不同相数结构，单相、双相、三相、四相和多相等，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数越多，性能越好，但是同时成本也随之增加，以三相（6/4）结构开关磁阻电机的如图2.1所示[8,9]。

图 2.1三相（6/4）开关磁阻电机结构

2.1.2 开关磁阻电机的工作原理

开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的转子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。因此，只要依一定次序给定子的相绕组通电，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩，电动机转子就会连续转动起来。在图 2.1中，若以图示定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给B?C?A相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给C?B?A相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。

2.2 开关磁阻电机的数学模型

开关磁阻电机是一个多变量，严重非线性的模型，它的双凸极特殊结构决定了其电感及电感变化率随转子位置θ而变化，在定子极与转子极对齐位置电感值最大，在定子槽与转子极对齐位置电感值最小，在这两个位置之间相电感连续变化。建立开关磁阻电机数学模型，通常有以下三种方法：线性模型、准线性模型(分段线性模型)和非线性模型。线性模型忽略了饱和及边缘效应，认为绕组电感与电流无关。准线性模型将磁化曲线分段线性化，近似考虑定转子齿极重叠时的饱和。以上两种模型，电感参数有解析表达式，用于求解电机性能时，电流和转矩有解析解，一般用于定性分析[3]。

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章涛：开关磁阻电机调速系统设计

2.2.1绕组电感分段线性解析式

事实上，由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、涡流和磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性和可控性，在电机运行期间绕组电感不是常数，而是电流和转子位置角的函数。开关磁阻电机定子绕组的电流、磁链等参数随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，难以用简单的解析表达式来表示，因此很难建立精确可解的数学模型。如果不考虑电动机磁路饱和的影响，忽略相绕组的电流对电感的影响，且不考虑磁场边缘扩

散效应，这个时候相绕组的电感随转子位置角的周期性变化规律可用图2.2说明。

θu 图 2.2定转子相对位置展开图及相绕组电感曲线

?Lmin?K??????L?2minL?????

?Lmax??Lmax?K????4??1?? ??2?2?? ＜?3 （2－1）

?3?? ＜?4?4?? ＜ ?5其中：

K??Lmax?Lmi???Lmi?n?3??2???Lmaxn?s （2－2） 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点θ=0的位置，对应于定子凸极中心

与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小值Lmin。在θ1和θ2 (θ2为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相对应的位置)区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值Lmin不变，这是因为开关磁阻电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以当定子凸极对着转子槽时，便有一段定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并不随转子位置变化的最小电感常数区；转子转过θ2后，相电感便开始线性地上升直到θ3为止，θ3系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重叠，相电感变为最大值Lmax；基于电机综合性能的考虑，转子极弧βr通常要求大于定子极弧βs，因此在θ3和θ4(θ4为转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置)区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子凸极间磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值Lmax；从θ4相电感开始线性地下降，直到θ5处降为Lmin，θ5、θ1均为转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。如此周而复始，往复循环[14]。

2.2.2 SRM的相电压方程

开关磁阻电机的相电压方程如下：

U?Ri?L(?)didL(?)?i （2－3） dtdt 6

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