许战辉-开关磁阻电机软特性调速系统的硬件设计

河南科技学院2009届本科毕业论文（设计）论文题目：开关磁阻电机软特性调速系统的硬件设计学生姓名：许战辉所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：赵明富王超完成时间：2009年5月20日i摘要开关磁阻电机调速系统具有结构简单、坚固、系统控制灵活、调速性能好、运行效率高、动态性能好等诸多优点，近二十多年来，国内外在开关磁阻电机及其调速系统研究方面发展迅速。但对于一些特殊的需求领域，还未曾进行深入研究。本文正是基于这一需求，以三相开关磁阻电机为研究对象，对其软特性调速系统进行研究。本课题主要完成的工作有以下两部分：首先，深入研究了开关磁阻电机的基本特性与数学模型，从中得出了一种简便、实用的通过电流检测转矩的方法。其次，设计了基于DSP56F803的开关磁阻电机调速系统通用的硬件电路，可以实现软特性调速控制、变角度控制、定角度电压斩波和电流上下限斩波控制。目前在许多生产机械中，比如，电动汽车、游梁抽油机、电动钻机等需要具有软特性的电机驱动，即直流电动机的串励特性。开关磁阻电机软特性调速系统的研究，将拓宽开关磁阻电机的研究和应用领域，并且对推动我国电气传动领域的发展也具有十分重要的现实意义。关键词：开关磁阻电机，调速系统，软特性iiSoftcharacteristicsofSwitchedReluctanceMotorSpeedRegulatingSystemhardwaredesignAbstractTheSwitchedreluctancedrivesystemhasasimplestructure,strong,flexiblesystemcontrol,speedperformance,highefficiency,gooddynamicperformanceadvantagesoverthepasttwodecades,bothathomeandabroadandintheSwitchedReluctanceMotorSpeedControlsystemsresearchhasdevelopedrapidly.Butforsomespecialareaofdemand,butalsodidnotconductanin-depthresearch.Thisarticleisbasedontherequirementstothree-phaseswitchedreluctancemotorforthestudyofitssoftcharacteristicsofspeedcontrolsystemforresearch.Themainsubjectoftheworkhavethefollowingtwoparts:Firstofall,in-depthstudyoftheswitchedreluctancemotor'sbasicfeaturesandmathematicalmodelstodrawasimple,usefultorquethroughthecurrentdetectionmethod.Secondly,thedesignDSP56F803basedontheswitchedreluctancedrivecircuitcommonhardware,softwarefeaturescanbespeedcontrol,voltageangleandcurrentchopperchoppercontrolupperandlowerlimits.Atpresentinmanyproductionmachines,suchaselectricvehicles,beampumpingunit,theelectricdrillwithsoftfeatures,suchasthemotordrive,DCmotorthatischaracteristicoftheSeries.SoftcharacteristicsofSwitchedReluctanceMotorSpeedControlSystem,willexpandtheSwitchedReluctanceMotor'sresearchandapplications,andthepromotionofChina'selectricdrivedevelopmentoftheareaisofgreatpracticalsignificance.Keywords:SRM，SpeedControlSystem，SoftControl目录1绪论..............................................................................................................11.1课题来源及研究意义.......................................................................11.2课题综述...........................................................................................11.2.1SRD的组成及工作原理................................................................11.2.2SRD主要技术特点..................................................................31.2.3SRM及其控制系统的发展概况及国内外研究状.................41.3本课题研究的主要内容...................................................................62开关磁阻电机软特性的实现原理..............................................................62.1开关磁阻电机的数学模型分析与控制策略...................................62.1.1开关磁阻电机的数学模型分析...............................................62.1.2开关磁阻电机的控制策略.......................................................82.2开关磁阻电机软特性分析.............................................................102.3开关磁阻电机软特性实现原理.....................................................112.3.1转矩的计算............................................................................112.3.2开关磁阻电机软特性调速系统控制策略.............................113开关磁阻电机软特性调速系统的硬件设计............................................123.1硬件系统概述..................................................................................123.2DSP56F803的特点.........................................................................133.3基于DSP56F803的控制器硬件设计............................................143.4功率变换器的设计..........................................................................173.4.1整流电路................................................................................173.4.2功率变换电路........................................................................184结论............................................................................................................21致谢................................................................................................................21参考文献........................................................................................................2211绪论1.1课题来源及研究意义本课题是自选研究课题，是基于导师对开关磁阻电机的预研究和技术储备的研究工作。由于开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor，简称SR电机）结构简单、坚固，可靠性高，效率高，在一些要求高精度的电力拖动设备的控制系统中具有很多的优势。开关磁阻电机及其调速控制系统（SwitchedReluctanceDrive，简称SRD）是位置、速度和电流三闭环控制系统，是典型的机电一体化产品，有着广泛的应用前景。近几年来开关磁阻电机在许多电力传动领域得到了广泛的应用，比如在城市电动汽车、矿山井下电动机车、油田抽油机、家电领域上都可以与直流调速电机和变频调速电机一较长短。随着电力电子技术和控制技术的发展，开关磁阻电机及其调速控制系统将有更广泛的发展和应用前景。1.2课题综述1.2.1SRD的组成及工作原理SRD主要由SR电机、功率变换器、控制器和位置检测器四部分组成，如图1所示[1]。(1)SR电机图1SRD基本构成SR电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件，也是SRD系统有别于其他电机驱动系统的主要标志，它的结构和工作原理与传统的交直流电动机有着根本的区别。它遵循“磁阻最小原理”—磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合[2]，产生磁拉力形成转矩。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以SR电机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。图2表示三相SR（12/8极）电机的横截面和一相电路的原理示意图。S1、S2是电子开关，D1、D2是二极管，E是直流电源。当定子A相磁极轴线OA与转子磁三相交流电功率变换器SRM外部给定微机控制器电流检测位置检测负载2极轴线Oa不重合时，开关S1、S2合上，A相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA趋近。当OA和Oa轴线重合时，转子已达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失，转子不再转动。此时打开A相开关S1、S2，合上B相开关，即在A相断电的同时B相通电，建立以B相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方向转过30°，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15°。依此类推，定子绕组A-B-C三相轮