开关磁阻电动机调速系统仿真分析与设计研究

太原理工大学硕士学位论文开关磁阻电动机调速系统仿真分析与设计研究姓名：李书杰申请学位级别：硕士专业：@指导教师：卜庆华20100517太原理工大学硕士研究生学位论文开关磁阻电动机调速系统仿真分析与设计研究摘要开关磁阻电动机调速系统（简称SRD，SwitchedReluctanceMotorDrive）是继直流调速、交流变频调速之后，于上世纪80年代中期发展起来的一种开关磁阻电动机与电力电子技术、微电子技术、控制技术于一体的新型调速系统。兼有直流调速、交流调速的优点，以其宽广的调速范围、良好的机械特性、高效节能、卓越的起动和制动性能等优点成为传动领域的热门。本论文基于山西防爆电机（集团）有限公司承担的“十一五”国家科技支撑计划课题“矿用电机系统节能技术研究”中子课题“矿用隔爆开关磁阻电动机SRD技术研究”（项目编号：2008BAF34B00）对开关磁阻电动机调速系统进行研究。本文在基于研究开关磁阻电动机调速系统的意义的基础上，介绍了其发展状况、基本组成、性能特点及过去和现阶段研究热点。在了解上述内容的前提下，介绍了本文的研究内容。在本文的第二部分介绍了开关磁阻电动机及其调速系统的基本结构和工作原理；在数学模型介绍中分别叙述了三种数学模型的优缺点，并对线性化模型做了较详细的分析。通过对开关磁阻电动机调速系统的电流斩波控制方式（CCC）、角度位置控制方式（APC）、电压PWM控制方式、组合控制方式的介绍，对比上述几种控制方式的特点，提出本文的控制方式：低速电流斩波控制、高速角度位置控制相结合的组合控制方式，采用电流内环和PI调制的速度外环双闭环I太原理工大学硕士研究生学位论文的控制策略。在上述控制方式和控制策略提出的基础上，在matlab/simulink仿真环境下、采用模块化的思想建立了开关磁阻电动机调速系统的仿真模型，并进行了仿真实验，从仿真曲线验证了理论的电流斩波和角度位置控制方式下电流、电压波形。在硬件设计部分，介绍了TI公司的电机专用控制芯片TMS320LF2407的功能特点，以其为控制单元设计系统的硬件电路。通过对各种功率电路的比较分析以及SRD系统应用方面的发展，确定本系统的功率电路采用不对称半桥型功率电路，选择了主开关器件。并设计了位置信号检测电路、倍频电路、速度检测电路、电流检测电路和输入与显示电路。在软件设计部分，为了便于软件的调试、修改和发展亦采用了模块化的编程思想，增强了程序的通用性和可读性。最后，在实验系统调试部分，做了开关磁阻电动机在不同转速下的驱动信号和电流调试。并对本文做了总结，提出本系统存在的问题和今后发展的方向。关键词：开关磁阻电动机，开关磁阻电动机调速系统，电流斩波控制，角度位置控制，功率变换电路II太原理工大学硕士研究生学位论文TheSimulationandDesignofSwitchedReluctanceMotorDrivesABSTRACTSwitchedReluctanceMotorDrives(SRD)isanewtypespeedregulationsystemdevelopedinlastcentury,followeddirectcurrentmotordriveandasynchronismmotorfrequencyconversiondrive,whichcombinespowerelectronicstechnology,microelectronicstechnology,moderncontroltechnique.SRDhasbothadvantagesofdirectcurrentmotordriveandasynchronismmotorfrequencyconversiondrive.Becauseoftheadvantagesofvastspeedregulatingrange,goodmechanicalpropertiesexcellentstartingandbrakingperformanceandhighefficient,ithasbecomeoneofthemostpopulartopicsinthecurrentfieldsofelectricdrive.ThisthesiscarriedoutstudyofSwitchedRelucanceMotorDrivessystem,basedon“Thestudyonminingflameproofswitchedreluctancemotordrives”，onepartof“Energyconservationtechnologyofminingmotor”(Serialnumber:2008BAF34B00).WhichissupportedbyNationalTechnologyR&Dprogramduringthe11thFive-Yearplan,takenbyShanXiExplosion-proofmotor(Group)CO.,LTD.Inthispaper,thedevelopmentofSwitchedReluctanceMotorDrive(SRD),thebasicstructureandcharacteristicofSRDareintroduced.Followedup,whatstudyisprovidedinthispaper.Thesecondsection,III太原理工大学硕士研究生学位论文SwitchedReluctanceMotor,basicstructureofSRDandworkingprincipleareintroduced.ThelinearmathematicalmodelofSRDisestablished,followedthethreemathematicalmodelofSRDwasintroduced.AnalyzedthecontrolmethodsofCCC,APC,VoltagePwmcontrolonSRM,andchoosingtwokindofcontrolmethodsfitforthesystem:lowspeedchoppedcurrentwavecontrolandhighspeedAngularPositionControl.Ascontrolstrategy,weputforwardthecontrolstrategyofspeed-currentdoubleloop.Thecurrentloopastheinsideloop,thespeedloopastheoutloopinPIcontrolstrategy.Followthecontrolmethodandstrategy,madethemathematicalmodelofSRDusedindependentblocksundermatlab/simulink,andsimulation.Thecurrentandvoltagewaveformhasbeentestedbythewaveformofsimulation.Inthehardwaresection,thecharacteristicofTMS320LF2407(DSPformotorcontrol,madeinTICO),asthemaincontrol-coreforhardwaredesign.KindsofpowerconvertercircuitofSRDandtheiradvantages/disadvantagesarediscussedandcomparedinthisthesis,thinkaboutthedevelopmentofSRD.AsymmetricBridgeconverterasthesystemconverter,powertransistorisselected.Atthesametime,thecircuitofcurrentdetection,voltagedetection,speeddetection,doublingfrequency,interface/displayaredesigned.Insoftwaresection,themodularprogramcanmaketheprogramuniversalandreadable,usefulfortestanddevelopment.Finally,thedriveandcurrentofSRMaretestedindifferentspeed.Thedebuggingwaveformsametotheanalys.Givetheconclusion.IV太原理工大学硕士研究生学位论文KEYWORDS:switchedreluctancemotor,switchedreluctancemotordrive,choppedcurrentcontrol,angularpositioncontrol,powerconverterV太原理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论开关磁阻电动机调速系统（简称SRD，SwitchedReluctanceMotorDrive），它是继直流调速、交流变频调速之后，于上世纪80年代中期发展起来的一种新型交流调速系统[1]。它融新型电机结构（双凸极）和电子技术（电力电子技术、微电子技术）于一体，兼有直流电动机调速和异步电动机变频调速系统的优点[1]。以其结构简单、运行可靠、高效节能等优良性能异军突起，成为交流调速系统的一支生力军，应用前景广阔。1.1研究开关磁阻电动机调速系统的意义目前世界各国科学技术都向绿色化、高效化、智能化方向发展。其中电机系统节能是二十一世纪经济和社会发展的必然趋势。国家已把高效节能电动机列入十一五重点节能推广项目。而本课题正是国家推广“高效节能电动机——开关磁阻电动机”的重点节能工程。煤矿井下是高煤尘、易燃、易爆的危险环境，而SR电动机适合高粉尘、易燃、易爆等恶劣环境，因此在矿井下应用前景广阔，为提高煤矿井下电气传动设备的运行可靠性和延长电动机使用寿命开辟了一条新途径，对提高煤矿企业的经济效益、减少不安全因素、降低事故率具有重要意义。由于SR电动机的过载能力、起动性能，适合煤矿设备的频繁起动。可实现完美的传输功能和优异的节能效果。为本项目多台开关磁阻电动机驱动装置的矿用传输带综合节能控制系统的提出提供了可能性。开关磁阻电动机（SRM/SR电动机）在调速领域以其结构简单、成本低、效率高、调速性能良好及控制灵活等优点占据了一席之地，可在牵引运输、航空航天、电动汽车、家用电器等领域中应用[1]。但是在开关磁阻电动机调速系统的应用过程中也暴露出它的不足，体现在以下几方面：1、低速转矩脉动问题开关磁阻电动机起动时，为了增大转矩输出能力，SR电动机通常运行在磁场深度饱和的状态下，导致SR电动机相电感和磁链是转子位置角和绕组电流的非线性函数，在采用传统的脉冲供电方式下，低速时转矩脉动明显。2、噪声和振动问题1（太原理工大学硕士研究生学位论文由于开关磁阻电机采用各相轮流通电，则在某相通电时容易形成径向磁拉力，从而导致电机机座和定子轭部发生变形，由变形引起振动和噪声。3、温升问题开关磁阻电动机铁心各部分的磁场变化复杂、都是非正弦变化，又因为铁心磁场的频率随转速变化，因而温升是一个难题。然而这些在小功率SRM中不太明显，但随着功率等级的加大，其在小功率等级没有完全体现出来的转子温升现象逐步显现出来，如何解决转子温升问题成为一大难关。4、建模问题SR电动机由于其结构和磁路高度饱和，导致磁路的严重非线性，进而难以建立准确、可靠的数学模型，不能精确分析其动、静态性能。现今数学模型的建立以理想线性模型、准线性模型、非线性模型三类方法为主，线性模型、准线性模型难以准确可靠的描述SR电动机磁场特性；非线性模型虽然较以上两种有所改善，但其数据的采取由于并非是时刻采集，因此造成模型建立的不准确性。为了使开关磁阻电动机在实际应用中不受上述问题的影响，本文