基于DSP的开关磁阻电机调速系统功率变换器设计.doc

郑州航空工业管理学院毕 业 论 文 2013 届 电气工程及其自动化 专业 1106972 班级题 目基于DSP的开关磁阻电机调速系统功率变化器设计 姓 名 李朝鹏 学号 110697205 指导教师 崔建锋 职称 副教授 二一三 年 五 月 二十 日内 容 提 要 开关磁阻电机（SRM）是一种伴随着电机学，微电子学，电力电子技术，智能控制技术发展起来的一种新型电机。因其结构简单、控制灵活、可四象限运行、可靠性高、能在较宽的速度和转矩范围内高效运行，而在车辆牵引，生活电器，机械等越来越多的领域得到应用。同时，关于开关磁阻电机驱动的一些技术难题也成为国内外学术界研究的热门课题。本文首先介绍SRM的结构原理、特点及控制方式，然后以8/6极开关磁阻电机（SRM）为控制对象，以DSP TMS320F2407为核心，主要进行功率变换器设计。通过对常见的几种功率变换器主电路比较，选用H桥式主电路，功率开关管采用IGBT，IGBT由芯片EXB841驱动。理论上，该设计正确可行。关键词 开关磁阻电机 IGBT DSP 驱动 功率变换电路AbstractSwitched reluctance motor (SRM) is a kind of new motor developed with the development of electrical machinery, microelectronics, power electronics technology, intelligent control technology .It is simple in structure, control of quadrant operation flexible, can be, high reliability, can be in a wider speed and torque range efficient operation features, its advantage technical performance and economic indexes in the domestic and foreign gets more and more extensive attention. This topic provides a based on digital signal processing (DSP) of switched reluctance motor current control scheme. Several common power converter main circuit based on the comparison, choose H bridge type main electric circuit .This article put forward the special require of drive circuit to Insulation Grid Bipolar Transistor and consider the problem of designing the drive circuit, describe the common style of drive circuit, and give some practical and typical circuit. In theory, the design is feasible.Key Wordsswitched reluctance motor，IGBT, digital signal processing, drive, power transfer circuit目 录1. 绪论.11.1开关磁阻电机的发展历史及研究现状.11.2开关词组电机调速系统（SRD）的优缺点.21.3当前SRD的研究方向.21.4本文主要研究的内容.42. 开关磁阻电机调速系统的组成及工作原理.52.1开关磁阻电机调速系统的组成 52.2开关磁阻电机工作原理.8 2.2.1 SRM运行过程分析.8 2.2.2 SR电机的工作原理.103. 控制器设计14 3.1 转子位置检测电路14 3.2 电流检测电路15 3.3 逻辑组合电路16 4. 功率变换器设计174.1功率变换器简介.174.2功率开关器件的选择.184.3功率变换电路设计.214.4 IGBT驱动电路设计.215. 软件设计27致谢.31参考文献.31第一章 绪论1.1开关磁阻电机的发展历史及研究现状开关磁阻电机，英文全称switch reluctance motor(SRM),最早起源于1838年英格兰学者Davidson制造的一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。由于其采用的是机械开关而使得运行特性、可靠性等综合性能较低，所以当时并没有引起人们特别的关注。直到上世纪20年代，英国学者C.L.Walker发明并取得步进电机的专利后，现代VR步进电机和开关磁阻电机才露出雏形。随着电力电子技术和自动控制技术的飞速发展，开关磁阻电机又逐步进入人们的视线.伴随着本世纪50年代末晶闸管的出现,70年代后各种高速、全控型开关器件的先后问世带来的电力电子技术的蓬勃发展,以及控制技术及计算机技术日新月异的进步,SRM这种结构上最简单的电动机,又引起人们的研究兴趣。由英国Leeds 大学和Not Gingham大学联合组成的研究组,研制出由开关控制器与磁阻电动机相结合的开关磁阻调速电动机。同时,还发表了一批具有深远影响的、系统阐述其工作原理、设计及控制等方面的论文,于1983将名为0ulton的产品投放市场。1988年后又推出了其第二代产品。继英国之后,美国、德国、法国、意大利、加拿大、新加坡等国家及我国相继开展了这方面的研究工作。近20年来，SR电机的研究在国际上取得了很大的发展，但作为一种新型调速驱动系统，研究的历史还较短，由于这是一种涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多学科领域的高端技术，加之其复杂的非线形特性，使其研究更加困难，在电机理论、性能分析和设计等方面都还不够成熟、完善，存在大量的工作要做，如铁心损耗、转矩波动和噪声的理论研究，SR电机磁场的三维有限元分析，电机设计优化及控制参数的优化，SR电机的测试，无位置传感器的SR电机，新结构SR电机的开发等。1.2 开关磁阻电机调速系统（SRD）的优缺点优点：1) 电动机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速；定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。2) 功耗主要产生在定子，易冷却；转子无永磁体，允许较高的温升。3) 转矩方向与相电流无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本。4) 功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。5) 转矩大，低速性能好，无异步电动机在起动时出现的冲击电流。6) 调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性。7) 在宽广的转速和功率范围内都具有高效率。8) 能四象限运行，具有较强的再生制动能力。缺点：转矩脉动大，震动与噪声大1.3 当前SRD的应用领域及研究方向目前，开关磁阻电机系统因其优越的性能而得到了广泛的应用，产品已经广泛地应用于电动车驱动系统、生活电器（洗衣机）、工业生产（风机、泵、压缩机等）、伺服与调速系统、高转速电机（用于纺织机，航空电动机，电动工具、离心机传动等）。功率范围从10W到5MW，转速上限高达100000r/min，几乎难以找到SR电机不适合的领域。SRD作为一项方兴未艾的新技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论等多学科领域，而目前得发展现状，无论是理论上还是应用上都有待进一步的提高和完善。目前SRD的研究主要集中在以下几个方面： (1) SRM设计方面的发展。SRM的非线性使其性能的精确分析和计算较为 困难，目前普遍采用二维非线性有限元法分析SRM内部的饱和磁场，同时也开展 了 SRM三维场的研究。(2)加强对铁心损耗的理论的研究。SR电动机磁场特征的非线性导致相绕 组供电电压和电流波形较为复杂，一般为单向脉动的非正弦波，面临的问题主要是如何建立准确、适用的铁心损耗计算模型和分析、测试手段。(3)功率变换器设计方面的发展目前小功率SRD常用MOSFET作为主开关，较大功率则采用IGBT,而主开关器件的电流定额必须根据电机、功率变换器和控制器三者整体优化设计情况来确定。对于功率变换器主电路的结构研，目 前提出了较多方，可根据需要选用。控制系统设计方面的研究SRM基本控制策略为电压（或电流）斩波控制下的恒转矩控制和角度位置控制下的恒功率控制两种D但简单地运用这两种控制方法难以获得理想的输出特性，应根据电动机不同工作条件采用不同的组合控 制策略。由于SRD具有严重菲线性及变结构、变参数、数学模型难以精确建立的特点， 采用常规的线性系统控制方法难以取得理想的动、静态性能，现在一般采用的是 基于现代控制理论的模糊控制、神经网络控制等自适应控制手段：(4)转矩脉动及其引起的嗓声是SRD个颇为突出的缺点，研究抑制SRM的振动和噪声也是改善SRD性能的重要课题一减少SRM的振动、噪声的关键在于减小作用在定子上的径向力大小应从SRM自身的结构设计和控制手段两方面加强研究除了在理论方面加强研究外还应结合实际给出了一种简单实 用的工程解决方法。(5)无位置传感器的SRD系统的研制，位置闭环控制是开关磁阻电动机的基本特征，但它的存在会使电机结构简单的优点变得逊色，降低了可靠性，为此探索实用的无位置检测器方案是十分引人注目的课题；应用方面的发展。经过多年的努力目前SRD的应用领域已从最初侧重于牵引运输发展到家用电器、一般工业、伺服与调速系统高速电动机、航 天器械及汽车辅助设备等领域，显示出强大的市场竞争。1.4 本文研究的主要内容 1.开关磁阻电机系统的组成2.开关磁阻电机的结构原理及控制方式 3.常用功率开关电路类型及性能比较 4.开关管驱动电路设计第二章 开关磁阻电机调速系统组成及工作原理2.1 开关磁阻电机调速系统的组成开关磁阻电机调速系统，在国际电气传动界称之为switched reluctance motor drive，简称SRD。 SRD是一种变速传动系统，主要由开关磁阻电机（SRM）、功率变换器、控制器和位置检测器四部分组成，是当今世界上最新型、性价比最高的调速系统。如图2.1所示：电源功率变换器器SRM负载驱动电路电流检测器位置检测器给定命令控制器速度检测器 图2.1 SRD组成结构下面对开关磁阻电机四部分进行介绍：（1） 功率变换器 功率变换器是连接电源和电动机绕组的开关部件。通过它将电源能量馈入电机，也可将电机内的磁场储能反馈回电源，其功率变换电路所用的开关部件为快速绝缘门极双极型晶体管（IGBT）.有三种基本的功率变换器电路：不对称半桥电路、双绕组电路、裂相式电路。不对称半桥的主电路为单电源供电方式，每相有两个主开关，工作原理简单，控制起来灵活，流经主开关的电流小，适配电机的范围大；双绕组电路的主电路的特点是有一个初级绕组和一个次级绕组，与完全偶合（经常采用双股并绕），所需主开关数目少；裂相式主电路以对称电源供电，每相只有一个主开关，上桥臂从上电源吸收能量，并将剩余的能量回馈到电源，或从下电源吸收能量回馈到上电源，所需主开关数目少。由于各主电路的开关总伏安容量大致抵消相等，成本相差不大。在此需要特别指出，它与众不同的是，开关磁阻调速节能电机系统很容易通过改变电动机的工作方式和控制参数实现不同的性能特点和满足特殊的性能指标，尤其当采用微控制机为控制核心时，往往只需通过修改软件，便能满足用户不同的性能要求。（2） 控制器和位置检测器 控制器综合处理位置检测器、电流检测器、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢。控制器一般由单片机及外围接口电路等组成。在SRD中，要求控制器具有以下性能：电流斩波控制角度位置控制启动、制动、停车及四象限运行 速度调节 位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确的决定绕组的导通和关断的时刻。通常采用光电元件、霍尔元件或电磁线圈法进行位置检测，采用无位置检测的方法是SRD的发展方向，对降低系统成本、提高系统可靠性具有重要意义。（3）开关磁阻电机（SRM）SRM电动机是 SRD系统中实现机电能量转换的部件，其结构和工作原理都与传统电机有较大的差别。 SRM的定子和转子铁是由硅钢片叠装而成的，在定子铁心内圆周和转子铁心外圆周均分布齿和槽，齿又称凸极，即所谓双凸极结构。转子上无绕组也无永磁体，定子铁心每个齿上安装像直流电机主磁极绕组一样的集中绕组，定子内圆周上相对的两个绕组可串联或并联在一起，构成“一相”如图所示为一台极SRM图2.2 三相6/4极 SRM 的结构原理图SRM 电动机可以设计成单相，三相，四相或更多结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数增多，有利于减少转矩脉动，但导致结构复杂，主开关器件增多，成本增高。目前应用较多的是三相6/4极结构，三相12/8极结构和四相8/6结构。功率变换器是 SRD系统能量传输的关键部分，是影响系统性能价格比的主要因素，起控制绕组开通与关断的作用。由于SRM电动机绕组电流是单相的，使得功率变换器主电路不仅结构简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，可以避免直通短路危险。 SRD系统的功率变换器结构形式与供电电压，电动机相数及主开关器件的种类有关。控制单元是 SRD系统的核心部分，其作用是综合处理速度指令，速度反馈信号及电流传感器，位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的通断，实现对 SR电机运行状态的控制。检测单元由位置检测和电流检测环节组成，提供转子的位置信息以决定各相绕组的开通与关断，提供电流信息来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电流。2.2 开关磁阻电机工作原理2.2.1 SRM运行过程分析SRM电动机的运行遵循“磁阻最小原理”磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子某相绕组通电时，所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力，试图使相近的转子极旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。SRM在结构上与反应式大步距角步进电机相似，定、转子均为齿槽结构，由硅钢片叠压而成，定子上有简单的集中绕组，转子无任何绕组，亦无永磁，定、转子齿极数 Ns、Nr不等，定子上每径向相对的绕阻串联构成一相绕组，故相数m=Ns/2。SRM定子、转子齿数有多种配合，但为了加大定子相绕组电感随转角的平均变化率以提高电机的出力，定子和转子齿极数应尽量接近，径向必须对称，所以双凸极的Ns,Nr应为偶数，并考虑结构设计的合理性，故最常用的关系为其Ns=Nr+2，从自起动能力及能否正反转考虑，应选择相数m3,一般来说，相数少则功率变换电路简单，成本也低。目前常用的是8/6，6/4两种结构。如图2.3是一台4相开关磁阻电动机。当A组绕组单独通电时，通过导磁体的转子凸极在A-A。轴线上建立磁路并迫使转子凸极转到A-A。 轴线重合的位子，如图2a)所示。这时将A相断电，B相通电，就会通过转子凸极在B-B。 轴线上建立磁路，因为此时转子并不处于磁阻最小位置，磁阻转矩驱动转子继续转动到2b)的位置。这时将B相断电，C相通电，根据“磁阻最小原理”，转子转到2c)的位置。当C相断电，D相通电后，转子又转到图2d)位置。这样，四相绕组按A-B-C-D顺序轮流通电，磁场旋转一周，转子逆时针旋过一个极距角。不断按照这个顺序换相通电，电动机就会连续转动。若改变换相通电顺序为D-C-B-A，则电动机就会反转。由此还可以得出一个结论：改变电动机转向与电流方向无关，而只与通电顺序有关。若改变换相电流的大小，就会改变电动机的转矩，从而改变电动机的转速。因此如果能控制开关磁阻电动机的换相、换相顺序和电流大小，就能达到控制该电动机的目的。 a) A相通电 b) B相通电 c) C相通电 d) D相通电 图2.3 开关磁阻电机工作原理2.2.2 SR电机的控制方式改变外施电压，或者改变开关角均能有效的改变转速的值。若与开关角有关的参数无关，则正比于，改变其外施电压就会改变电机的转速。因此，SR电动机转速的可控变量一般有加于相绕组两端的电压、开通角和关断角三个参数。SR电动机的控制方式主要针对以上几个可控变量来进行控制，一般分为:角度位置控制方式(Angular Position Control，简称APC控制)、电流斩波控制方式(Chopped Current Control，简称CCC控制)和电压PWM控制方式。SR电动机的各种控制方式的区别是对以上几个参数的控制方法不同，下面将进行详细的讨论和分析。1.角度位置控制（）在直流电压的斩波频率和占空比确定时，加于相绕组两端的电压大小不变的情况下，可通过调节SR电动机的主开关器件的开通角,和关断角的值，来实现转矩和速度的调节，此种方法便称之为角度位置控制(APC)。尤其是当电机转速较高，旋转电动势较大，电机绕组电流相对较小时，最宜采用此种控制方式。角度位置控制是通过控制开通角,和关断角来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置，这样就可以改变电动机的转矩，从而改变电动机的转速。在电动机正常运行时，应使电流波形的主要部分位于电感波形的上升段；在电动机制动运行时，应使电流波形位于电感波形的下降段。改变开通角，可以改变电流的波形宽度、电流波形的峰值和有效值大小以及电流波形与电感波形们相对位置；改变关断角一般不影响电流峰值，但可以影响电流波形宽度以及与电感曲线的相对位置，电流有效值也随之变化，因此同样对电动机的转矩和转速产生影响，只是其影响程度没有那么大。故一般采用固定关断角，改变开通角的控制方式。 但是，角度位置控制不太适用于低速。因为转速降低时，旋转电动势减小，使电流峰值增大，必须进行限流，因此角度位置控制一般用于转速较高的应用场合。2.电流斩波控制(CCC) 在SR电动机起动、低、中速运行时，电压不变，旋转电动势引起的压降小，电感上升期的时间长，而的值却相当大。为避免过大的电流脉冲峰值超过功率开关元件和电机允许的最大电流，通常会采用电流斩波的控制方式来限制电流的大小。 一般在低速运行时，将使电机的开通角和关断角保持不变，而主要靠控制斩波电流的大小来调节电流的峰值，从而起到调节电动机转矩和转速的目的，工作在CCC方式下的斩波电流波形如图3-1所示。图2.4 CCC方式下的斩波电流波形 在=on 时，功率电路开关元件接通(称相导通)，绕组电流从零开始上升，当电流达到斩波电流上限值时，切断绕组电流(称斩波关断)，绕组承受反压，电流快速下降。经时间，或电流降至斩波电流下限值时，重新导通(称斩波导通)，重复上述过程，则形成斩波电流波形，直至时实行相关断，电流衰减至零。 CCC控制方式又分为起动斩波模式、定角度斩波模式和变角度斩波模式。起动斩波模式是在SR电机起动时采用的，此时要求转矩要大，同时又要限制相电流峰值，故通常固定开通角和关断角，导通角值相对较大；定角度斩波模式通常在电机起动后，低速运行时采用，导通角值保持不变，但值限定在一定范围内，相对较小；而变角度斩波模式通常在电机中速运行时采用，此时通过电流斩波、开通角、关断角的同时起作用来进行转矩的调节。3.电压PWM控制在导通区间内，使功率开关按PWM方式工作，其脉冲周期固定，占空比可调，在内，绕组加正电压，内加零电压或反电压。改变占空比，则绕组电压的平均值将会变化，进而间接改变相绕组电流的大小，从而实现转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制。与电流斩波控制方式类似，提高脉冲频率，则电流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但功率开关元件的工作频率增大，成本有所增加。图2.5 电压控制时的相电流波形电压PWM控制通过调节相绕组电压的平均值，进而能间接地限制和调节相电流，因此既能用于高速调速系统，又能用于低速调速系统。电压PWM控制法虽然简单，迫调速范围较小。其它特点则与电流斩波控制方式相反，它适合于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。综合比较各方式的优劣结合本系统的设计思路，决定采用电压PWM控制。第三章 控制器设计 TMS320LF2407DSP是TI公司专门针对电机，逆变器，机器人等控制而设计的，它配备了完善的外围设备（如补货单元,PWM单元，A/D单元，SPI等），不论是从计算速度，精度或是性价比上，还是从其发展前景上来考虑，TMS320LF2407都优于传统的96、51单片机，所以本设计采用TMS320LF2407替代传统的51单片机来作为主控单元。控制器单元是SRD系统的核心部分，其设计的好坏直接影响电机的运行性能。该单元主要包括MS320LF2407处理器，位置检测电路，电流检测电路，及逻辑组合电路等。其中位置检测电路用来提供转子的位置信息来计算转速，同时也用来决定电机各相绕组的通断，由电流检测电路提供绕组电流大小来完成电流斩波控制和对系统的过流保护动作。电源桥式整流功率变换主电路SRMDSP位置传感器位置信号处理电路电流检测电路IGBT驱动电路驱动电路驱动电路相通断信号PWM信号图3.1 控制系统框图下面简单介绍一下位置检测电路，电流检测电路及逻辑组合电路。3.1转子位置检测电路 转子位置检测电路如图4.1所示，四相SRM的两路位置信号经过反相器整理，再由电阻分压得到副值为3.3V的编码脉冲分别输入到DSP的两个捕获单元CAP1，CAP2当捕获输入引脚检测到一个转换时，定时器T2的值被捕获并存储在相应的两级FIFO堆栈中，位置信号的上下跳变均引起捕获单元的中断，即每隔15度产生一次捕获口中断，CAP的中断服务程序可以根据转子的瞬时位置信息进行换相，并计算出电机的转速。 图3.2 转子位置检测电路3.2 电流检测电路 TMS320LF2407内有两个10位8通道A/D转换器，每次/D转换最长时间66s，两个转换可以并行工作，转换结果存在一个两级FIFO寄存器中，模拟输入引脚ADCN00ADCN07属于模拟转换单元1，ADCN16属于模拟转换单元2. 电流检测采用两个磁场平衡式霍尔电流传感器（LEM模块），电流传感器的输出经比例调节电路变换至合适的范围后，输入到DSP的ADCN01,ADCN02引脚，电流检测电路如图3.2所示。 图3.3 电流检测电路3.3 逻辑组合电路设置DSPTMS320LF2407的IOPE1-IOPE6为相通断信号，分别控制六路相通断信号，设高电平为1，低电平为0,1表示相通，0表示断开。设置IOPE1-6为I/O口功能，分别输入到GAL16V8的六个管脚，结合PWM电路产生的PWM信号，同时将过电流检测信号(设为S信号)接到逻辑模块上进行相与，结合与门的特点，有0则是0，全1为1,0和1分别表示高低电平，将三者经过逻辑综合后，输入到驱动电路里面，逻辑电路有6路输出分别接到6个驱动电路模块里面，来控制相导通开关，因为该模块是可编程逻辑模块，对其进行编程为：令输出管脚F1=A3&PWM1&S F2=B3&PWM1&S F3=A4&PWM1&S F4=B4&PWM1&S F5=A5&PWM1&S F6=B5&PWM1&S （其中S信号为过流检测信号）具体的逻辑电路如下图所示：图3.4 逻辑组合电路第四章 功率变换器设计4.1 功率变换器简介 功率变换器是直流电源和SRM的接口，起着将电能分配到SRM绕组中的作用，同时接受控制器的控制。由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要单极性供电的功率变换器。功率变换器应能快速从电源接收能量，也要能迅速向电源回馈电能。开关磁阻电机系统是典型的机电一体化系统，其功率变换器与控制器更是不可分离。在整个系统中，功率变换器的成本的比重很大，因此有必要对开关磁阻电机功率变换电路的分类、功率电子器件的选用、参数设置进行探讨。一般情况下，开关磁阻电机功率变换电路应具备以下优点：1. 最少数量的开关器件；2. 可将全部电源电压加给电机的绕组；3. 主开关器件的电压额定值与电机接近；4. 具备迅速增加相绕组电流的能力；5. 可通过主开关器件调制，有效地控制相电流；6. 在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源。 4.2 功率开关器件的选择功率电子器件在调速系统及各种功率变换电路中运用广泛，以开关方式工作的电力电子器件是开关磁阻电机功率变换电路的基础及核心，大功率开关器件的选择对功率变换电路、控制电路的复杂程度以及系统的整体性能都有很大的影响，采用不同的功率变换器件产生不同结果，因此，弄清楚功率器件的特性是合理选择器件的基础。目前较常用的功率开关器件主要有以下几种：（1） 晶闸管（SCR）：晶闸管SCR又称可控硅，是一种可控单向导电的大功率电力电子元件，能承受大电压大电流，而且正向管压降较小，这些均是晶闸管作为功率电路相开关的优势，但晶闸管本身也是一种干扰敏感元件，它没有自控关断能力，一旦正向导通后，控制极（门极）就失去了控制能力，就可能发生误触发导通，必须由附加强迫关断电路才能使晶闸管关断，而且关断速度低，所以晶闸管作为功率电路的开关并不理想，只有大功率SR电动机在其他电力电子元件不能满足大电流高电压的要求时，才选用晶闸管，但也要选用通断时间短的开关型晶闸管。（2） 双极型功率晶体管（GTR）：是目前应用最为广泛的开关器件。和SCR相比，开关控制方便，有较高的开关频率，导通饱和压降小，但它承受浪涌电流能力差，连续电流驱动功耗大。双极型功率品体管（GTR）用于电路中，均工作于饱和、截止状态（即开关状态），由驱动电路向GTR的基极提供足够量的基极电流，GTR饱和，基极信号消失，则GTR截止。因此GTR的通断控制方便，且开关速度快，耐压高，电流大，所以GTR在中小功率SR电机功率电路中被广泛使用，GTR的缺点是输入阻抗较小，要求驱动电路的输出功率较大。（3） 可关断晶闸管（GTO）：可关断晶闸管GTO保持了晶闸管的优点，而克服了晶闸管的缺点，可自控关断。它利用足够大的反向门极电流使之关断。由于给GTO提供较大的反向门极电流不是一件容易的事情，所以选用可关断晶闸管作为功率电路的开关并不理想但其最大连续运行期间的温度为125，比GTR的150低，其驱动和关断要求高，必须在低电压回路发出突变的触发信号。GTO对于大功率的开关磁阻发电机具有吸引力。（4） 功率场效应晶体管（Power MOSFET）：也称单极型晶体管，是一种高性能的自关断器件，与各种双极型器件相比，功率场效应管从原理到性能都有很多独特之处。它的输入阻抗大、栅极电流很小，因此对驱动要求不高，可由CMOS集成电路或光耦合器件直接驱动，另外它还具有开关速度快、工作频率高等特点，所以功率MOSFET在线性放大和功率开关等方面的应用向深度和广度迅速发展，各种新颖电路不断问世，价格也大幅度下降，成为其它功率器件的主要竞争者。它与GTR相比具有速度快、安全工作区宽、驱动功率小等优点。其缺点是开关容量小、耐压低、通态电阻大，宜用于小功率场合。（5） IGBT：是近年来才开始应用的，其性能优良。它综合了MOSFET和GTR各自的优点，保留了MOSFET门极输入阻抗高的优点，又有导通关断延迟小、工作频率高等一系列优点，但价格相对较高，一般应用于大功率场合。IGBT是以GTR为主导，MOSFET为驱动元件的达林顿电路结构器件。N沟道的IGBT图形符号有两种，如图4.1所示：对于P沟道的IGBT与两图中的箭头方向相反。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET 内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。在门极施加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。由于IGBT是一种新型的复合器件，基于它诸多的优越性能，功率变换器主电路就采用IGBT管作为主开关管。图4.1 IGBT 的等效电路图4.3 功率变换电路的设计根据绕组向电源回馈能量的方法的不同，可将常用的功率变换主电路分为以下六种： 1. 不对称半桥型 如图4.2所示，双开关式功率变换器每相有2只主开关和2只续流二极管。当两个主开关和同时导通时，电源U向电机向绕组A供电；当两个主开关和同时关断时，相电流如图中箭头方向经续流二极管和续流，将SRM磁场贮存的能量以电能的形式回馈电源，实现换相。这种结构的主要优点之一是开关器件电压容量要求比较低，特别适合高压和大容量场合；二是各项绕组电流可以独立控制，且控制简单，缺点是开关器件数量较多； 图4.2 不对称半桥型功率变换主电路2.双绕组型 图4.3所示为双绕组式功率变换器主电路。它每相有主、副两个线圈，主、副线圈双线并绕，同名端反接，其匝数比为1：1。主开关导通时，电源主绕组供电；主开关关断时，靠磁耦合将主绕组的电流转移至副绕组，通过二极管续流，向电源回馈电能，以实现换相。由于主副绕组之间不可能完全耦合，在S1关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故S1关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故S1需要形成良好的吸收回路。另外，由于主副两个绕组，因而电机槽及铜导线利用率低。铜耗增加，体积增大。这种主电路可适用于任意相数的开关磁阻电机，尤其适用于低压直流电源供电的场合。 图4.3 双绕组型功率变换电路3.电容转储型 如下图所示为电容转储式功率变换器主电路。当主开关导通时，电源对相绕组供电；当主开关断开时，相绕组电流经二极管续流，向电能转储电容充电，再适时控制开关的通断，使向C转移能量，实现两次馈电。图4.4 电容转储型主电路4.电容分压型 图4.5所示的是采用分压型直流电源的功率变换电路结构。由于两个电容的分压，每相只得到电源电压的一半，每相绕组的通路上只有一个开关管和一个续流二极管，单相运行V1导通时，A相绕组从C5吸收电能，V1关断后A相绕组储存的磁能转化为电能通过VD1向C8充电紧接着V2导通，C8放电B相导通，放完后，VD2续流，向C5充电，就这样各绕组随着各个开关管的依次导通而得电，同时两个电容交替充放电，不过两个电容上会出现较大的波动，而双相运行则可有效的解决这一问题，这种功率变换器方案只适用于偶数相的开关磁阻电机。然而双相运行时，可能出现dL/d2UsUsUsUsUs+Uc续流二极管额定工作电压Us2UsUsUsUsUs+UcUs/Um112浮动11Uc/Um111浮动1可控主开关数相数2111m+1/mm+1/m相控独立性独立独立不独立不独立不独立独立缺点器件数量多电机槽及铜线利用率多需限制中点电位漂移每一瞬间必须上下各有一相导通换相慢两次馈电，控制较复杂综合比较以上6种电路的性能，得出H桥型变换电路最适合8/6式SRM的驱动.本文设计的功率变换器电路如图4.8所示，H桥型主电路比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个串联的分压电容，换相相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。它要求每一瞬间上下桥臂各有一相导通。本电路特有的优点是可以实现零电压续流，提高系统的控制性能。图4.8 H桥功率变换电路电解电容C对整流桥的输出起到滤波和吸收电流回馈作用。Rc是合闸时的充电电阻，以防止合闸时浪涌电流对滤波电容有过大的电流冲击。当电机起动后，开关闭合，将Rc从电路中切除。R是采样电阻，用于电流环控制和硬件过流保护。4.4 IGBT驱动电路设计 在考虑到对驱动电路要求要求动态驱动能力强，能向IGBT提供适当的正反向栅压、有足够的输入、输出电隔离能力、具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿、自身带有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰能力，本系统采用的驱动模块是EXB84I，可实现IGBT的最优驱动。该电路的优点是驱动电路集成化，抗干扰能力强，速度较高，保护功能完善。 如图4.9是本文设计的IGBT驱动电路图4.9 IGBT驱动电路第五章 软件设计系统软件是调速系统的核心，很大程度上决定了系统运行性能的优劣。本系统软件实行模块化设计，增加了程序的可读性和移植性。设计有主程序、初始化子程序、捕获中断子程序、测速子程序等。主程序：主程序主要是起到连接各个子程序的纽带作用，安排各个子程序的运行顺序。调度各个子程序，以实现软件的控制。DSP初始化子程序的主要功能是：设置系统时钟，初始化时间管理器包括设置定时器单元，比较单元，捕获单元，PWM通道，I/O输出输入设置，设置可用中断，时间管理器的通用定时器1的主要产生PWM方波，定时器2、定时器3由内部时钟作为时钟源,定时器3作为捕获事件时间基准。在数字I/O控制器中设置IOPE1IOPE6对应6个相