[论文精品]单片机为核心的开关磁阻电机调速系统设计

I太原理工大学毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目单片机为核心的开关磁阻电机调速系统设计毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）1了解开关磁阻电机的特点、种类、基本工作原理。2掌握开关磁阻电机的调速原理。3电源电压380V，功率55KW；四相8/6极，额定转速N1800RPM,超调量小，转速抗干扰性能及跟随性能好5控制芯片采用C8051系列单片机，设计以所选芯片为核心的开关磁阻电机调速系统，实现对开关磁阻电机的调速。第1页II毕业设计（论文）主要内容1概述开关磁阻电机的过去、现状和未来，其工作原理、控制方式，本论文要做的工作。2开关磁阻电机功率电路A整流滤波电路的参数计算B功率电路的主要形式，本文选定的电路及控制方式C功率器件及其驱动、保护3开关磁阻电机的硬件设计A单片机简介B与外围电路接口C速度给定、显示电路D位置传感器及其电路EPWM形成F保护电路4控制器软件设计A初始化模块B速度测量与显示模块C调节器模块D主程序5结束语本文所做的工作、不足、致谢学生应交出的设计文件（论文）1系统控制电路图一份2毕业设计说明书一份3英文原文及翻译一份第2页III主要参考文献（资料）1陈伯时电力拖动自动控制系统（第三版）北京机械工业出版社，20002王兆安电力电子技术北京机械工业出版社3胡健单片机原理及接口技术北京机械工业出版社，20044边春元开关磁阻电机驱动系统的理论和应用研究东北大学博士学位论文，20015王忠建开关磁阻电机振动的有限元分析与控制研究河海大学硕士学位论文，200236陶明峰开关磁阻电机控制器的研究中国农业大学硕士学位论文，2002专业班级电气工程及其自动化0704班学生王立彬要求设计（论文）工作起止日期20113至20117指导教师签字日期系主任批准签字日期系主任批准签字日期第3页I单片机为核心的开关磁阻电机调速系统设计摘要开关磁阻电动机驱动系统（简称SRD）是随着电力电子、计算机、微电子的迅速发展而出现的一种新型机电一体化无级调速系统，它将开关磁阻电动机、电力电子技术、控制技术融合为一体不仅保持了交流异步电机的结构简单、坚固可靠和直流电动机可控性好的优点而且还具有交流调速系统和直流调速系统所无法比拟的显著特点。论文以四相8/6极55KWSRM为研究对象，完成了以单片机为核心组成的调速系统设计方案，系统采用PWM控制方式，选用分裂式直流电源的功率变换器主电路，主开关器件选用IGBT，其驱动电路选用EXB841驱动模块，设计了以单片机C8051F320为核心的控制器，主要对电流检测、位置检测、故障保护和显示电路等外围电路进行了设计，具有过流、过压保护功能。同时本设计采用了模块化的编程方法，增强了程序的可读性和易操作性。关键词开关磁阻电机；单片机；功率变换器；开关磁阻电机调速系统IIDESIGNOFSRMSYSTEMBASEDONSCMCONTROLSYSTEMSABSTRACTSWITCHEDRELUCTANCEMOTORDRIVESYSTEMSHORTTITLESRDISVARIABLESPEEDSYSTEMWITHTHEDEVELOPMENTOFMICROELECTRONICSPOWERELECTRONICS,COMPUTERS,THERAPIDITSWITCHEDRELUCTANCEMOTOR,POWERELECTRONICS,CONTROLTECHNOLOGYFORTHEINTEGRATEDNOTONLYMAINTAINTHESTRUCTUREOFACINDUCTIONMOTORISSIMPLE,RUGGED,RELIABLEANDCONTROLLABLEDCMOTORHASAGOODADVANTAGEBUTALSOSPEEDACDRIVESYSTEMANDDCSYSTEMCANNOTMATCHTHESIGNIFICANTFEATURESTHESISBASEDONFOURPHASE8/6POLES55KWSRMASTHERESEARCHOBJECT,COMPLETEDAMICROCONTROLLERASTHECORECOMPONENTOFTHECONTROLSYSTEMDESIGNTHESYSTEMUSESTHEPWMCONTROLMODE,USESPLITDCPOWERCONVERTERMAINCIRCUITPOWERSUPPLY,THEMAINSWITCHINGDEVICESUSEDIGBT,THEDRIVECIRCUITUSEDEXB841DRIVERMODULEMCUC8051F320ASTHECOREOFTHECONTROLLERMAINLYONTHECURRENTDETECTION,POSITIONDETECTION,FAULTPROTECTIONANDOTHERPERIPHERALCIRCUITSANDDISPLAYCIRCUITSWEREDESIGNED,WITHTHEFLOW,OVERVOLTAGEPROTECTIONFUNCTIONTHEDESIGNALSOUSESTHEMODULARPROGRAMMINGMETHODTOENHANCETHEREADABILITYANDEASEOFMANEUVERABILITYKEYWORDSSWITCHEDRELUCTANCEMOTORSCMPOWERCONVERTERSWITCHEDRELUCTANCEMOTORCONTROLSYSTEMIII目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111开关磁阻电机调速系统在国内外的发展概况112开关磁阻电动机调速系统的组成与性能特点2121开关磁阻电机调速系统的组成2122开关磁阻电机调速系统的性能特点413SRD的应用场合514SRD存在的问题和研究的方向615本文研究的主要内容7第二章开关磁阻电动机821开关磁阻电动机结构与工作原理822开关磁阻电动机基本方程1023线性模型12231绕组电感12232电磁转矩1324SR电机调速控制方式选择13241电流斩波控制（CCC）方式14242角度位置控制（APC）方式15243脉宽调制控制（PWM）方式1525SR电动机起动过程分析16251单相起动方式16252双相起动方式1727SR电动机运行噪声分析17第三章功率变换电路1931功率变换器主电路的选择19311不对称半桥式19312每相只有一个主开关管的功率变换器20313带存贮电容的功率变换器21314本设计功率变换器的选择2132主开关器件的选择22第四章控制器硬件设计2841C8051F320单片机说明28411系统概述28411引脚介绍2842辅助电路设计31421晶振电路31422复位及复位电路31423按键控制31424速度给定电路32425速度显示电路33IV43位置传感器电路3444电流检测器3745保护电路39451过电流保护39452电压保护电路设计39453保护逻辑电路4046硬件系统的可靠性及抗干扰措施40第五章软件设计4251主程序流程图4252启动程序流程图4353运行模块流程图4454中断控制模块4455测速子程序4656调速方式的实现47总结49参考文献50致谢511第一章绪论作为新一代的调速电机，开关磁阻电机调速系统SWITCHEDRELUCTANCEDRIVE简称SRD是从20世纪80年代中期逐步发展起来的，开关磁阻电机具有结构简单、坚固等优点，由于其构成的SRD性能优良，所以较其他调速系统更有竞争潜力。SR电机的结构比笼型异步电动机简单，但SR电机的控制要求根据负载和运行条件的不同，在不同的转子相对位置下通断各相绕组的主开关器件，这样既提高了电机控制的灵活性，也增加了电机运行控制的复杂性，显然，如果不采用软件与硬件相结合的数字控制系统对SR电机进行控制，SRD性能的提高必然受到一定的限制，同时控制器的硬件电路亦将过于复杂和庞大。因此，为了简化控制电路，充分利用SR电机控制方式灵活多变的优点，完善系统的功能，有必要使用数字控制系统对SR电机进行控制。一方面，采用直接数字控制简化了硬件电路，提高了系统的可靠性，另一方面，直接数字控制符合SRD系统的特点，现代计算机技术和微电子技术的发展为直接数字控制提供了强大的物质和技术支持，目前开关磁阻电动机已广泛或开始应用于工，航空业和家用电器等各个领域，随着对开关磁阻电动机认识的深入，其应用必将更为普遍。11开关磁阻电机调速系统在国内外的发展概况现代SR电机的发展始于20世纪60年代，电子工业的发展为电气传动领域提供了强有力的功率电子器件和可靠、低廉、多功能的控制器件。60年代末，JJARRET提出了增加饱和度有利于提高磁阻电动机出力的观点，才使得SR电机得到迅速的发展。但在相当长的一段时期内，对磁阻电机的研究基本处于对其运行原理和性能特性的探索和论证。国外，70年代初，美国FORDMOTOR公司研制出了最早的开关磁阻电动机调速系统SWITCHEDRELCTANEEDRIVE。其机构为轴向气隙电动机。晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适合于作蓄电池供电的电动车辆传动。1975年，英国LEEDS大学和NOTTINGHAM大学联合研制了目前广泛应用的径向磁路SR电机，其系统效率和电动机利用系数等主要指标达到甚至超过了传统的传动系统。随后成立了开关磁阻电动机调速系统公司SWITCHEDRELUETANEEDRIVESLTD经营其研究成果。1981年，英国TASC公司TASCDRIVESLTD获准制造该系统，于1983年推出开关磁阻电机驱动系统SWITCHEDRELUETANCEMOTORDRIVESYSTEM，简称SRD系统的系列产品，取名为OULTON，调速范围为30一3000/RMIN，容量范围为4一22KW。该产品的出现在电气传动界引起了不小的反响。因为它在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。1985年研制成200KW的样机，最大转速为10000R/MIN；美国开发了用于航空航天方面的SRD系统，转速可达25000R/MIN；加拿大，意大利在SR电机的运行原理、电2磁场的分析计算方面有较多的研究；埃及主要探讨了小功率的单相、两相SR电机的结构和起动性能。国内，从1984年开始许多单位先后开展了SR电机的研究工作，如北京纺织机电研究所、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华中理工大学、华南理工大学、河海大学、合肥工业大学、哈尔滨电工学院、南京调速电机厂、西安微电机研究所、上海电科所、上海中达一斯米克公司等，且开关磁阻电机调速系统的研究被列为中小型电机“七五科研规划项目”。1985年华中理工大学研制以SCR为功率开关器件的75KW的SRD系统；1987年，北京纺织机械研究所与南京调速电机厂合作开发了3KW的8/6极、以BJT为功率开关器件和以单片机8751为核心芯片的控制器的SRD系统产品；1993年，30KW级别的SR电机在山东淄博电机二厂通过鉴定；2000年，国内10KW以上的SR电机已应用于煤矿的采煤机，并开始进行180KW的SR电机在地铁机车上的应用研制。由于SR电机磁路高度饱和和双凸极的结构特点，使其性能分析与传统电机的很不相同，直至90年代初，大量的研究工作集中在SRD系统电机设计理论、控制器设计方法和控制策略上，取得了一些显著成果。然而，随着研究的深入，尤其是工程应用的深入，SR电机特有的噪声问题越来越引起人们的关注，较大的噪声一定程度的掩盖了SR电机优良的运行性能特性，甚至阻碍了SR电机在一些领域的推广与应用，给其应用前景产生了不利的影响，因此研制和抑制SR电机的噪声已成为当前这一研究领域的紧迫任务。SR电机尽管结构和性能都具有很强的竞争能力，但其潜力远未能充分发挥。从SR电机的运行原理看出每相绕组允许励磁时间只有半个工作周期，并且关断角必须提前在远离最大绕组电感的位置，以避免制动转矩的产生，形成SR电机特有的换流问题和相对材料利用率低的问题。一旦克服了这两方面的问题，那么可以预料的是SR电机的单位体积出力将大大提高，电机效率也会得到进一步的提升。近期关于永磁式SR电机的研究虽然损失了传统的SR电机原有的变换器不会出现直通故障的优点，但它能有效的解决换流慢以及相对材料利用率低的问题。永磁式SR电机研究和应用的成功将对SR电机的发展产生很大的促进作用，也是SR电机发展的趋势。近20年来，SR电机的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型调速驱动系统，研究的历史较短，其技术涉及到电机、微电子、电力电子、微机、控制、机械及工程应用等众多学科领域的新技术，变频调速感应电机、无换向器直流电机等经历了几个年代的开发推广，目前己领先一步，有着极其广阔的市场前景。12开关磁阻电动机调速系统的组成与性能特点121开关磁阻电机调速系统的组成如图11所示，开关磁阻电动机调速系统主要由SR电机、功率变换器、控制器和检测器四部分组成。3电能输入功率变换器SRM负载电流检测器位置检测器控制器输入命令图11开关磁阻电动机调速系统框图从产品结构来看，系统通常由SR电机和驱动器两部分组成，其电动机部分包含位置传感器，驱动器部分包含功率变换器和控制电路等。1开关磁阻电动机开关磁阻电动机（简称SRM）是SRD中实现机电能量转换的部件也是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志它遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理由磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁转矩采用双凸极结构就是要使转子旋转时磁路的磁阻要尽可能大地变化。2功率变换器功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。因此功率变换器包括由整流器所产生的直流电源和开关元件等。功率变换器有三个作用起开关作用，使绕组与电源接通或断开；为绕组的储能提供回馈路径；为SRM提供电能量，以满足所需机械能的转换。SRD的成分主要取决于功率变换器。3控制器控制器是整个调速系统的核心，起决策和指挥作用。根据控制器中设定好的控制策略及其相应的算法，将外部反馈的电流、位置等检测输入量与内部程序中计算得出的给定量进行比较判断，决定电机的控制方式，并在合理的转子位置控制功率变换器中各相主开关器件的开关状态，实现机电能量合理、有效的转化。控制器由具有较强的信息处理功能的微机构成。微机信息处理功能大部分是由软件完成，因此，软件也是控制器的一个重要组成部分。4位置检测器开关磁阻电动机调速系统是位置闭环调速系统，开关磁阻电机各相绕组必须与转子位置同步激励，并且转子位置测量的精度和分辨率直接影响到调速性能的好坏。位置检测的目的是确定定、转子的相对位置，即要用位置传感器检测定转子相对位置，然后位置信号反馈至逻辑控制电路，以确定对应相绕组的通断。5电流检测器相电流检测是开关磁阻电机电流斩波控制方式（CCC方式）运行的需要，也是系统过流保护的需要。单向、脉动以及波形随运行方式、运行条件不同而变化很大是开关磁4阻电机相电流的基本特点。因此开关磁阻电机的电流检测器应具有快速性好，灵敏度高，单向电流检测，线性度好，抗干扰的优点。当控制器接收到位置检测器提供的电动机内各相定子磁极和转子磁极相对位置信息时，即进行判断处理，向功率变换器发出命令，决定定子绕组哪一相绕组激磁。被激磁相（如A相）绕组的开关元件即导通，这时激磁相绕组中有电流I通过，产生磁通，由于磁拉力作用转子上，靠近定子激磁相的某对转子磁极就被吸引，使转子转动起来；当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相磁极重合（即平衡位置）时，磁拉力消失，此时控制器会根据位置检测器的信息，在定、转子即将达平衡位置时，向功率转换器发出命令，断开激磁相绕组的主开关元件。在这个过程中，控制器还会根据位置检测器提供其它相的定、转子磁极相对位置和电动机运行速度等检测信号，在相应的时刻命令导通其它相绕组的主开关元件，使转子继续产生同方向的转矩，以保证转子连续不断地在一定速度下运行。122开关磁阻电机调速系统的性能特点理论研究和实践证明，SRD系统具有十分突出的性能优点1结构简单固定、成本低、适用于高速场合SR电机的结构甚至比通常被认为是最简单的鼠笼式感应电机还要简单。其显著的优点是转子上没有任何形式的绕组，只有定子边有集中绕组，因此制造简单，维护起来方便，绝缘容易。同时其转子机械强度很高，可用于超高速运转10000R/MIN。一般来说，中小SRD，其成本可以低于同功率和类似性能的其他现代调速系统。2各相独立工作，有很高的运行可靠性SR电机的运转不同于传统的电机运转机理。从电磁结构上看，一般电机要正常运转就必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆旋转磁场。而SR电机各相绕组和磁路相互独立，各自在一定转角范围内产生电磁转矩。从控制结构上看，SR电机各相电路各自给一相绕组供电，也是相互独立工作，由此可知，当SR电机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，在控制方面并不需要对其他相做任何变动。因此本系统可以构成可靠性很高的系统。3转矩方向与相电流极性无关，只与通电顺序有关。从而可使每相绕组只需一个主开关，降低成本。4变换器不会发生直通短路故障，可靠性高。传统的PWM变频器功率电路中每桥臂两个功率开关直接跨在直流电源侧，容易发生直通短路烧毁功率元件。而SR电机调速系统中每个功率开关元件均直接与电机绕组相联，根本上避免了直通短路现象。5高起动转矩，低起动电流。控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是SRD的一大特点。一般典型产品的数据是起动电流为巧额定电流时，获得的起动转矩为100额定转矩；起动电流为额定值的30时，起动转矩可达到其额定值的150。对比其它调速系统的起5动特性，本系统十分适合那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械，如电动车辆等。6可控参数多，调速范围宽。由于SR电机控制参数多，所以控制器的控制方式也有多种，并不是仅仅依靠控制开关管的开通，关断顺序来进行控制。目前，SR电机转速的控制模式主要有以下几种1角度位置控制APC方式。电压保持不变，通过改变开通角和关断角两个控制参数来调节电机转速。关键在于将角度量转化为相应速度时的时间可控量。适合于电机较高速运行区。2电流斩波控制。电压不变，电机低速运行时，反电势较小，电流变化率大，为避免电流上升过快，超过允许的最大电流，可采取斩波方式来限制电流。一般用于电机低速区。3电压斩波控制方式。开关角固定不变，绕组不同的外施电压对应不同的转矩转速曲线，因此可以通过调节加在绕组上的电压来控制电机转速。7效率高，损耗小。SR电机的转子不存在励磁及转差损耗，功率变换器开关器件少，相应的损耗也小。其次，可控参数多，控制灵活，易于在很宽的转速范围内实现高效优化控制。13SRD的应用场合1在有特殊要求的场所中的应用在要求快速正反转的一些工业应用中，如纺织印染业，要求电动机反应速度要快，其反应时间不得大于03秒，电动机要能长期地、连续地、频繁地处于正、反转交替变换的工作状态，电动机要有能在较宽广的范围内无级调速的性能，电动机能长期地在湿、热的环境中工作。这时候，使用开关磁阻电机能收到意想不到的良好效果。还有在要求转速高度稳定的一些工业应用中，如化纤行业，开关磁阻调速电动机具有良好的同步性能，而且不存在电刷磨损（如直流电动机）或恒磁体退化（如永磁同步电动机）的问题，可长期可靠工作。2在龙门刨床主传动系统中的应用开关磁阻调速电动机良好的调速性能、宽广的调速范围、比较小的起动电流获得较大的起动转矩、对称的四象限运行特性等一系列突出优点，对于满足龙门刨主传动的高技术要求提供了完全的可行性。3在数控机床主轴直驱系统中的应用利用开关磁阻调速电动机恒转矩特性好、动态响应特性好的优点，将其应用于数控机床主轴直驱系统，取得了成功。这为我国普及型小型数控机床的主轴驱动提供了一种性价比很高的新动力。4开关磁阻调速电动机在家电行业中的应用空调、冰箱、洗衣机等家电发展的总趋势是采用具有现代调速系统的电动机来取代不调速的电动机。这里最具资格的当数无刷直流电动机调速系统和开关磁阻调速电动机系统。而在性价比上开关磁阻调速电动机系统还占有一定的优势。65在电动车、船驱动控制系统中的应用开关磁阻调速电动机高效、节能、调速范围宽、启、制动特性卓越，显然是电动车驱动与控制系统的理想动力。国外已将SRD在电瓶车、铲车、无轨电车、电动轿车、城市轻轨列车等方面进行广泛应用，其优势已经明显凸现出来，国内这方面的研究开发也已取得了显著的成效。6将开关磁阻调速电动机应用于水域的船只驱动上，可以避免机油、汽油、柴油对水域的污染，还可以大大减少噪声污染，这同样是一个很有前途的应用领域。开关磁阻调速电动机还可以用在其他许多领域，这需要相关人士更多的努力。相信开关磁阻调速电动机技术一旦普及和推广，一定会取得良好的经济效益和社会效益。14SRD存在的问题和研究的方向SRD是典型的机电一体化系统，为使系统整体最优，SR电动机、功率变换器以及控制器三者之间必须协调设计，其研究涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论、机械及工程应用等众多学科领域加之SR电机的磁路具有复杂的非线性特性，导致了研究的困难，因此就国内外SRD发展水平来看，无论在理论上还是应用上都存在不少问题，有待进一步研究与完善。SRD的不足主要表现在1位置传感器的引入使电机结构复杂，安装调试因难。电机和控制器之间连线增加，且由于传感器分辨率的限制，使开关磁阻电机调速系统性能下降。2尽管电机输出功率密度大，但SR电机通常运行于深度磁饱和状态，导致SR电机转矩是转子位置和绕组电流的非线性函数。在采用传统的矩形脉冲供电模式下，电机转矩有明显脉动，这在转轴惯量小、转速低时尤为严重。转矩脉动及其引起的噪声是SRD驱动系统一个颇为突出的缺点。这些缺点限制了SRD的进一步推广和应用，也促使国内外学者对它作进一步的研究和深入的探讨，主要表现在下列几个方面1优化设计和计算机辅助设计与其它传统电机相比，SR电机的电磁设计是比较特殊的。由于电机磁场分布的高度非线性，计算非常复杂；同时还因为开关电路供电的非线性，电流波形规律特殊，只有将电机、变换器及控制模式一体化设计，协调优化电机、电路结构及控制参数等才能获得较为满意的设计结果。因此，计算机辅助优化设计技术是最基本的研究课题。实践证明，经过优化设计的开关磁阻电机至少可以做到与同机座的交流电机同容量。2合理的确定变换器方案以及选择主开关元器件开关磁阻电机调速系统的性能和制造成本，在很大程度上取决于变换器主电路的结构形式。变换器是根据控制器的指令输出直流脉冲电压分配给电机各相绕组工作的，方案类型很多。随着电力电子技术的发展，如何合理地选择主开关元件的类型、数量及容量也是十分重要的课题。3微处理器和专用集成电路的应用开关磁阻电机能够正常工作的关键是每相开关导通、关断的实时控制，以及对起动、运行、故障保护的实时控制。早期采用的模拟电路控制，实时性相对较差，比较合理的7是采用微处理器实现部分或全数字实时控制。开关磁阻电机控制电路的集成化对简化硬件电路、促使产品系列化、提高可靠性等非常有效，这也是研究的方向，是开关磁阻电机迈向成熟和批量生产的必由之路。4电机铁耗、效率分析开关磁阻电机调速系统是一种高效率的调速系统，但双凸极磁阻结构的铁心损耗计算却是难度较大的研究课题。由于供电波形复杂，局部磁路饱和，步进运动状态以及双凸极结构，定子铁心损耗很难得到精确的解析式，转子铁心损耗就更难精确计算了。由于铁耗是影响电机效率的主要因素之一，对电磁计算的准确与否和计算机仿真结果都有直接影响，故有必要进一步分析探讨。5无位置检测器方案研究位置闭环控制是开关磁阻电机的基本特征之一，但它的存在使结构简单的优点逊色不少，同时也增加了成本、降低了可靠性，因此，探索实用的无位置检测器方案成为众多科研人员十分关注的课题。6加强对转矩脉动及噪声的理论研究SR电动机的转矩脉动及其引起的噪声是SRD一个颇为突出的缺点，这限制了其在诸如伺服驱动等这类低速且要求平稳并有一定静态转矩保持能力场合下性能的应用。因此，研究抑制SR电动机的振动和噪声也是改善SRD性能的重要课题之一。减少SR电动机的转矩脉动、噪声的关键在于减小作用在定子上的径向力的大小。从SR电动机自身的结构设计上，主要是合理设计双凸极的形状、定子磁扼强度和电动机刚度，合理选择气隙、极弧参数从控制角度看，则主要是优选导通角和关断角及调节方案，尽可能调节好各相工作参数的对称性。15本文研究的主要内容随着开关磁阻电机的应用领域不断扩大，对开关磁阻电机的研究也不断深入。开发高性能的开关磁阻电机调速系统就显得十分必要。本文研究了开关磁阻电机的特有性能与运行机理，并在此基础上设计了用单片机C8051F320芯片控制的开关磁阻电机调速系统。第一章介绍了开关磁阻电机调速系统发展、组成、特点、应用。第二章介绍了开关磁阻电机的结构、工作原理及基本方程，分析了开关磁阻电机调速系统的基本控制策略。第三章分析并选择了适合本次设计的功率电路，以及功率变换器各器件的选择和其驱动电路的实现。第四章对控制系统硬件部分进行了相关的设计，以C8051F320单片机为核心，分析了位置检测器，电流检测器原理，并对相关电路进行了设计。第五章设计了调速系统的软件部分，对各功能模块进行了流程图设计与分析，并编译出了相关程序。最后，总结全文所做的工作，并展望了后续研究方向。8第二章开关磁阻电动机21开关磁阻电动机结构与工作原理SR电机在结构上与步进电机相似，运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，当铁心与磁场的轴线不重合时，便会有作用力将铁心拉到磁场的轴线上来。这个作用力就是磁阻电机运行的原动力切向磁拉力。这是SR电机与步进电机的相似之处，但是在以下两方面SR电机不同于步进电机第一，步进电机是一般位置开环控制，而SR电机是位置闭环控制。有位置闭环控制就不会失步。第二，一般步进电机是作为信息传输从而实现角位移精密传动，而SR电机是典型的功率型电气传动装置。因此，SR电机要突出速度控制和实现系统高效率，故其设计思路大不相同。SR电机可以设计成单相、两相、三相、四相以及多相等不同的相数结构，相数越多，则步进角越小，这样有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。通常转子的极数比定子极数少2个，少于三相的SR电机没有自起动能力，因此，对于要求自起动、四象限运行的驱动场合，应优选表21所示的结构类型。目前应用较多的是四相8/6级结构。表21SR电机的结构类型相数3456789定子极数NS681012141618转子极数NR46810121416步进角度30159642832125电机可以根据转矩的产生机理粗略的分为两大类一类是由电磁作用原理产生转矩；另一类则是由磁阻变化原理产生转矩。在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相互作用产生使两个磁场趋于同向的电磁转矩。类似于两个磁铁的同极相斥、异极相吸的现象。目前大部分电机都遵循这一原理，如一般的直流电机和交流电机包括永磁类电机。而在第二类电机中，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子绕组通电时，产生一个单相磁场，其分布要遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转距使其趋向于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置。类似于磁铁吸引铁质物体的现象。开关磁阻电机就属于这一类型的电机。下面就以常用的四相8/6极开关磁阻电机为例进一步阐释其运行机理。如图21所示，具体工作过程如下9图21开关磁阻电机的典型结构原理图图21画出了A相绕组及其供电电路，其余各相与此相相同。结构上与步进电动机相似的SR电动机的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”一一磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必须使自己的主轴线与磁场的轴线重合。在图示位置，当定子DD极受到励磁时，电机内建立以DD为轴线的磁场，其磁通经过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子轭闭合。此时穿过气隙的磁力线是弯曲的，磁阻大于定、转子轴线重合时的磁阻，因此转子将受到弯曲磁力线切向分力所产生的转矩的作用，而沿逆时针方向转动。当转子极轴线11与定子极轴线DD重合时，D相励磁绕组的电感达到最大值，转子达到稳定平衡位置，切向磁力消失，如果转子上无外部驱动转矩，则需要将A相导通，以维持转距，如此逐相导通，电机将连续转动作电动机运行。（A）D相通电（B）D相通电（C）D相通电（D）D相通电图22开关磁阻电机各相顺序通电的磁场情况10如图22所示，转子所处的相对位置作为起始位置，依次给DABC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BADC相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动，由此可见SRM的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组通电的顺序其电动运行原理图为了更加清楚地理解开关磁阻电机的基本原理，本文将开关磁阻电机与其它几种类似的电机作了比较，见表22。由此可见，开关磁阻电机是现代电力电子技术、控制技术综合发展的产物。表22开关磁阻电机与三种类似电动机比较类比相同点不同点第一组开关磁阻电机结构相近，均为双凸极结构，转子无励磁。原理相同，各项依次脉冲供电，转子实现步进运动。位置闭环控制，不会是典型的功率型电气装备。反应式步进电机开环控制，会丢步或失步，用于信息传输，实现角度精密传动。第二组开关磁阻电机定转子均为双凸极或等效双凸极结构，无励磁。用于功率传输。定子为凸极式，绕有集中绕组，各相绕组采用直流励磁，产生步进的单相脉振磁场，依赖磁阻转矩旋转，位置闭环控制，不失步，可控性好。反应式同步电机定子与一般的交流电机相同，各相绕组采用正弦交流励磁，产生圆形旋转磁场，依赖凸极效应传递功率，控制困难。第三组开关磁阻电机都采用转子位置闭环控制的自控变频器供电。转子无需励磁，定子绕组采用直流脉冲供电。自整步同步电机转子需要励磁，定子绕组多组交流电励磁。22开关磁阻电动机基本方程SR电机的工作原理和结构都比较简单，但其双凸极的结构特点、磁路和电路的非线性、开关性，使得电机的各个物理量随转子位置作周期性变化，定子绕组电流和磁通波形极不规则，传统电机的性能分析方法难以简单地用于SR电机计算，不过SR电机内部的电磁过程仍然建立在电磁感应定律、全电流定律、能量守恒定率等基本的电磁关系上，并可由此写出SR电机的基本平衡方程式。1电动势平衡方程式11一台Q相SR电机，假设各相结构和电磁参数对称，根据电路定律可以写出SR电机第J相的电动势平衡方程式JJJJDURIDT（21）式中JU第J相的端电压；JI第J相的电流；JR第J相的电阻；J第J相的磁链。在SR电机中，各相绕组的磁链是转子位移角和各相绕组电流的函数，故磁链J为12,JQIII（22）如果忽略电阻压降，并假设磁路为线性，则式（21）可写为JJJJJJRADDIDLULIEEDTDTD（23）式中（机械）角速度，/DDT；RE由于磁链变化在绕组中引起的感应电动势，称为变压器电动势；AE由于转子旋转使绕组交链的磁链变化引起的感应电动势，称为旋转电动势。进一步考察SR电机能量流，有22122JJJJJJIDLDUILIDTD（24）式24表明，输出功率的一部分转为磁场储能增量，另一部分则为输出的机械功率，可以说SR电机正是利用其不断的能量储存，转换而获得高效、大功率的性能。2转矩平衡方式当电动机电磁转矩ET与作用于电机轴上的负载转矩不相符时，转速就会发生变化产生角加速度/DDT，根据力学原理，可以写出这时的转矩平衡方程式ELDTJKTDT（25）或22ELDDTJKTDTDT（26）式中J系统的转动惯量；K摩擦系数；LT负载转矩当SR电机稳态运行时，/0DDT，则有12ELTKT（27）电磁转矩ET可以表示为磁共能W的函数12（I,I,I）QEWT（28）式（21）、式（22）、式（25）和式（28）一并构成了SR电动机基本平衡方程组，由于电路、磁路的非线性和开关性，使得上述方程组很难计算，通常需要根据具体运行状态和研究目的进行必要的简化，一般都采用线性模型进行简化，线性模型有利于对SR电机的定性分析了解其运行的物理状况、内部各物理量的基本特点和相互关系。23线性模型在线性模型中作如下假设；1忽略磁通边缘效应和磁路非线性，且磁通率，因此绕组电感L是转子位置的分段线性函数。2忽略所有功率损耗。3功率管开关动作瞬时完成。4电机恒速运转。231绕组电感在上述假设条件下的电机模型为理想线性模型，绕组电感L与转子位移角的关系如图23所示。图中横坐标为转子位置角机械角，它的基准点即坐标原点O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MINL，当转子转过半个极距时，该相定、转子凸极中心完全对齐，电感为最大值MAXL，随着定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感则在MAXL和MINL线性地上升和下降，四相8/6SR电机，绕组电感L与转子位置角的关系如下MINL21LMIN2LK32MAXL43294MAXKL54其中MAXMINMAXMIN21SLLLLKS定子磁极极弧。13图23绕组电感L与转子位移角的关系232电磁转矩SR电机的电磁转矩并非恒定转矩，而是绕组电流和转子位移角的函数。当转子不处于对齐位置和不对齐位置时，由于磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。如果保持绕组中的电流值不变，将不同转子位置的静态转矩连成曲线则形成SR电机的静态矩角特性。在理想线性模型假设下，可写出电磁转矩的解析表达式，即DDLITE221（210）将式（29）代入式（210），则得SR电机在转速恒定的稳态运行情况下，定子相绕组轮流通一次时，转子转动一个转子极矩RRN2，因此SR电机的平均电磁转矩可以表示为DINNDIQTRSRAV4（211）式中，DI是一个周期（R）的I轨迹所包围的闭合面积。24SR电机调速控制方式选择开关磁阻电动机是一种典型的机电一体化装置。双凸极磁阻电动机的正常运行离不开可控的开关电路控制器。而每个控制器功能的实现都离不开合理的控制策略，本节着重研究开关磁阻电机的控制原理，介绍各种调速控制方案。该系统的控制具有两个层面一是，电机控制层面，即通过调节电机自身的参数改变电机的运行特性，这一层关系是直接的；二是，系统控制层面，这个层面是将控制策略应用于开关磁阻电机及14其外围的设备控制器、信号检测装置等，并使之为达到某一控制目标协同运作，这种控制是通过功率变换器间接作用在电机之上的。这个层面上的控制是种通用技术，能够应用在其它电机上的控制理论基本上都可以应用在开关磁阻电机上，比如最常见的PI或PID调节、模糊控制等；而电机层面上的控制则是开关磁阻电机所特有的，下文将对其具体控制策略加以总结和讨论。SR电机的可控变量一般有施加于相绕组两端的电压士U、相电流I、开通角和OFF等。开关磁阻电机的控制简单的说就是对上述参数进行调节，根据上述控制参量的不同，主要可分为以下三种控制方式角度位置控制APC，又叫单脉冲控制、电流斩波控制CCC，又叫电流PWM控制、电压斩波控制CVC，又叫电压PWM控制。241电流斩波控制（CCC）方式开关磁阻电机在基速B以下运行时，由于转速较慢，旋转电动势较小，绕组电流上升率较大，为避免过大的电流和磁链峰值，获得恒转矩机械特性，采用电流斩波控制（CCC）方式。电流斩波控制是通过固定开通角ON、关断角OFF，通过主开关器件的多次导通关断将电流限制在给定范围内实现电机恒转矩控制。CCC控制方式下的相电流波形见图24。显然，当固定开通、关断角时，调节斩波就相当于调节关断角，或者说是电流开通区间的长度。但是它们之间也有不同之处，APC方式下电流的不可控相比，CCC方式是直接对电流实施控制，通过适当误差带的设置可以获得较为精确的控制效果。因此，CCC方式同样具有简单直接，可控性好的特点，也避免了APC方式中的“敏感”问题，与后面的电压PWM方式相比，也具有较小的开关损耗，是比较常用的控制方式。只是这种控制下，电流的斩波频率不固定，它随着电流误差变化而变化，不利于电磁噪声的消除。图24CCC控制方式下的相电流波形15242角度位置控制（APC）方式在基速B至第二临界转速SC区域，转速较高，旋转电动势较大，绕组电流上升率低，电流较小，为获得恒功率机械特性，常采用角度位置控制方式。角度位置控制方式是调节开通角ON、关断角OFF，改变相绕组相对于电感位置的励磁区域，从而调节电机的转矩。角度位置控制的控制非常灵活，但ON、OFF的组合非常多，使得控制参数的选择较为复杂，这就存在一个角度位置控制参数优化的问题。优化的目标可以是恒功率下转矩最优，也可以是效率最优，以及其它目标。优化目标不同，ON、OFF的最优组合往往也不同。因此角度位置控制往往需要按照控制性能目标事先对控制参数进行优化，优化的方法有仿真、实验测量等。实际采用的APC调节法，一般都先优化固定OFF，然后通过闭环调节ON。对于调速范围较宽的，可以分段优化固定OFF，然后再对其进行调节。角度控制也称单脉冲控制，因为开通期间内开关元件始终导通。这种方式比较简便，但这种方式中相电流是不可控，其变化率很大，对于开通角和关断角的微小变化都十分敏感，在调节上也存在一定的困难。因此，这种方式比较适合在短时间里快速达到期望电流的场合，如较高机械转速下的控制。图25APC控制时的相电流波形243脉宽调制控制（PWM）方式脉宽调制PWM控制方式的实质是通过调节绕组两端的励磁电压来控制电磁转矩。具体方法是固定ON和OFF，用PWM信号调制主开关器件相控信号，通过调节PWM信号的占空比，从而调节励磁电压加在相绕组上的的有效时间宽度，改变相电压的有效值，进而改变输出转矩。PWM方式可控性较好，在基速以上或基速以下的范围都可以应用，适用于转速调节系统。通过对转速的给定值和实际转速的反馈值之差进行PI运算，调节PWM信号占空比，达到转速快速响应。缺点在于导通角度始终固定，功率元件开关频率高，开关损耗大，影响了系统效率。通过对以上几种控制方法的分析可知，不同的控制方法有不同的优点，也有不同的适用范围，对应的电动机特性差异也很大，因此选择适当的控制方式是系统设计者16的重要任务。由于一般要求电动机转速范围较宽，负载转矩适用范围也较宽，为了使电动机在各种不同工作条件下均具有较好的性能指标，一般可选用几种控制方式的组合来控制系统的运行，如高速时采用角度控制，低速时采用电流斩波控制，以利于发挥二者的优点。综合考虑几种控制方式的适用范围和优缺点，本设计采用了单一的控制方式脉宽调制PWM控制方式。25SR电动机起动过程分析SR电动机的优点之一是具有良好的起动性能起动转矩大，起动电流小，起动时间短。SR电动机由静止不动到正常运转必须经历一个起动过程，与步进电动机不同，SR电动机始终工作在有位置反馈的自同步状态，因此，SR电动机不存在步进电动机起动过程中因起动频率过高而引起失步导致起动失败的问题。SR电动机的起动比较简单，无需辅助设备，研究表明，三相或三相以上的SR电动机可在任意转子位置正、反方向起动。在起动瞬间，0R，故旋转电动势为零，若加额定电压US直接起动，相电流将过大，由此产生的过大动态冲击转矩可能会损坏电动机和传动机构，因此必须在起动期间采用电流斩波控制方式限制起动电流的幅值。对本实验用四相8/6极SR电动机，有两种起动方式可供选择单相绕组通电起动方式和双相绕组同时通电起动方式。251单相起动方式在电动机的起动过程中，任一瞬时，SR电机的绕组只有一相绕组通电产生转矩，这种起动方式便称之为单相起动方式。显然，转子处于不同的位置，并且给不同的相通电，所获得的起动转矩大小及方向都是不一样的。如图26所示，将各相转子的位置角B的参考坐标统一取在A相最小电感处，将A,B,C,D四相绕组通电的矩角特性画在一起。图26单相起动运行四相SR电动机合成转矩波形由上图不难看出，各相转矩曲线互相重叠，在任意转子位置上都有起动转矩。由于电机转子初始位置不同，起动转矩大小也不一样。假设A,D相中相绕组导通产生的17起动转矩相同，且此时为正向转矩，电机为正转向，如要改变电机起动转向，应给B,C相中任一相绕组通电，产生反向转矩。由图可知这种单相起动方式的最小起动转矩为相邻两相矩角特性交点处的转矩，显然，加在SR电动机转轴上的总负载转矩必须小于最小起动转矩，电动机才可能在任意位置都能起动，否则便会出现“起动死区”。因此，最小起动转矩代表了SR电动机带负载起动能力的极限。电动机的最小起动转矩值不仅与起动电流、相邻相绕组矩角特性重叠有关，而且与矩角特性的波形有关。252双相起动方式在电动机的起动过程中，任一瞬时，SR电机的绕组会有两相同时通电，这种起动方式便称之为双相起动方式。如果起动时SR电机两相绕组同时导通，则起动转矩由两相绕组共同产生。忽略相间磁耦合和磁路饱和的影响，起动转矩可根据各相转矩角特性线形相加，如图27所示。图27双相起动运行四相SR电动机合成转矩波形显然，采用双相起动时转矩波动明显减小，平均转矩增大，两相起动时的最小转矩等于一相起动时的最大转矩。与单相起动方式相比，带负载起动能力明显增强了；而且，两相起动方式的最大起动转矩与最小起动转矩比值减小，所以起动过程较平稳；再者，若负载转矩一定，双相起动的电流幅值明显小于单相起动的电流幅值，降低了主开关管的电流容量要求，减少了系统成本。在任意转子位置，两相起动的转矩均比较一致，产生的电流冲击和机械冲击比较小，起动性能明显优于一相起动。通过以上对电机起动方式的分析可见，双相起动的优点非常明显，对于提高电机的容量，减小转矩波动有着重要意义。同时，对于单边磁拉力引起的噪声也有一定的降低，对于本课题的四相电机来说，若在运行中有两相绕组同时通电，则相当于一相绕组运行时产生的单边磁拉力分解成不同圆周角度上的两部分力，故而对径向磁拉力引起的噪声的降低也有一定的贡献。27SR电动机运行噪声分析SR电动机运行时的噪声和振动严重制约了SR电动机的应用和发展。与传统电机一样，SR电机的噪声主要由三大部分组成机械噪声、空气动力噪声和电磁噪声。理论分析和实验研究表明，机械噪声主要源于机械部件的质量，好的电机这方面的噪声是比较小的，机械噪声可以通过提高制造质量予以控制。空气动力噪声由电机内的冷却风扇产生，主要由风扇的型式、风叶和通风道及进出口的结构设计决定，该18噪声占整个噪声的比例一般是比较小的。电磁噪声是SR电机噪声的主要组成部分，转子径向的单边磁拉力和转矩波动是噪声的主要来源，尤其是当径向磁拉力的谐波频率与定子固有频率一致时，将会产生严重的噪声和振动。由于SR电机的转矩是波动性质的，因此，转矩波动是导致SR电机的噪声、振动的一个原因；但是随着研究的深入，各国学者发现，转矩波动只是电机噪声产生的原因之一，在某些电机实验中转矩波动导致的噪声甚至不是最主要的，因径向单边磁拉力而引起的电磁噪声在电机噪声中反而占据更大的比例。当给SR电机一相绕组通电时，定子励磁极和转子磁极之间产生磁吸力，力图使磁路的磁阻最小。磁吸力可分成两个方向的分量切向磁吸力和径向磁吸力，切向磁吸力正是所需要的使电机运行的电磁转矩。径向磁吸力非但不能产生电机旋转所