本科论文开关磁阻电机调速系统的研究.

1、本科毕业设计（论文）1 前言1.1开关磁阻电机调速系统的概况磁阻式电动机诞生于160年前，但在此后漫长时期内，它一直被认为是一种性能不高的电动机，故只应用于少数小功率场所。通过最近约20年问的研究和改进设计工作，使磁阻式电动机的性能不断提高，目前已能在较大的功率范围内使其性能不低于其它型式的电动机。七十年代初，美国福特电动机(Ford Motor)公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive)。其结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，特别适用作蓄电池供电的电动车辆传动。七十年代中期，在工业部门的促进下，

2、英国里兹(Leeds)大学和诺丁汉(Nottingham)大学组成一研究小组，共同研制以传动电动车辆为目标的开关磁阻电动机调速系统。小组在该系统的理论研究和实践方面做了大量工作，他们研制的样机容量从10W至50kW，转速从750rpm至10，000rpm，其系统效率和电动机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。随后以研究小组为基础成立了开关磁阻电动机调速系统公司(Switched Reluctance Drives Ltd)，以经营其研究成果。1981年英国TASC公司(TASC Drives Ltd)获准制造该系统，并于1983年推出商品名为Oulton的通用调速系列产品，其容量范围为

3、4-22kW。该产品的出现在电气传动界引起不小的反响。因为其确实在很多性能指标上达到出人意料的高水平，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。开关磁阻电动机调速系统的出现不仅为工业、交通、国防及家用电器等部门提供了一种极其优越的调速系统，而且也因其具有的典型机电一体化结果丰富了“机械电子学”的成功实例。因此1983年后在国际范围内迅速掀起开关磁阻电机研究开发热，并持续至今不断发展，其产品推广领域不断扩大。我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于1984年，现已有大批高等院校、科研院所、生产企业从事开关磁阻电机调速系统的开发研究工作，在借鉴国外经验的基础上，

4、国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上，目前已有十余家单位推出不同性能、用途、功率(1kW到55kW)的多规格系列产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等多种行业、场所的数十种生产机械和运输车辆中。开关磁阻电机的研究工作从最初摸索合理的设计方法转向如何加速优化设计发展，在绕组互感对运行的影响、转矩脉振、最佳电流波形、振动与噪声、发热及铁耗计算等方面提出了许多有益的见解和尝试。开关磁阻电机调速系统则是随之而上的又一调速驱动系统，涉及到微电子、电力电子、微机实时控制、机械制造、机电一体化及工程应用等众多学科领域，具有广阔的发展

5、前景。综上所述：开关磁阻电机调速系统结构简单坚固、成本低、效率高、调速性能优异，是传统交、直流调速系统的强有力竞争者，是各国研究和开发的热点之一，SRD产品己广泛或开始应用于电动车驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域，覆盖功率范围10kW5MW的各种高低速驱动系统，呈现强大的市场潜力。1.2开关磁阻电机调速系统的组成开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive简称SRD)，主要由开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor简称SRM)、功率变换器、控制器和角位移传感器四部分组成，如图1-1所示。图1-1 SRD系统组成Figur

6、e 1-1 The composition of the SRD system(1)开关磁阻电机是SRD中实现机电能量转换的部件，系双凸极可变磁阻电动机，其定转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联或并联构成一对磁极，称为“一相”。SRM可以设计成多相结构，且定、转予的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。因此电机定、转子的极数应当按使用的场合合理确定。SRM的转向与电流方向无关，为单向电流，若改变相电流的大小，可改变电动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速。若在转子极转离定

7、子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单的控制方式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。(2)功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给SRM，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于SRM绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可以避免直接短路故障。SRM的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。(3)控制器是系统的核心。它综合处理速度指令、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工作状态，实现对SRM运行状态的控制。(

8、4)位置传感器向控制器提供转子位置信号和速度信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈法进行位置检测，采用无位置传感器的位置检测方法是SRD的发展方向，对降低成本、提高系统可靠性有重要意义。1.3开关磁阻电机调速系统的特点(1)电动机结构简单、成本低、适用于高速。开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点是转子上没有任何型式的绕组，因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题。其转子机械弹度极高，可以用于超高速运转。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘容易。(2)功率电路简单可靠。因

9、为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比感应电动机绕组需流过双向电流，向其供电的PWM变频器中功率电路每相需两个功率元件。因此开关磁阻电动机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。开关磁阻电机调速系统中每个功率开关元件均直接与电动机绕组相串联，根本上避免了直通短路现象。因此开关磁阻电机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，既降低了成本，又具有高的工作可靠性。(3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统。从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。从控制器结构上看，各相电路各自给一

10、相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只须停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其它妨碍。由此本系统可构成可靠性极高的系统，可以适用于宇航等特殊场合。(4)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本系统的一大特点。起动电流小转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分适合那些需要重载起动和较长时低速重载运行的机械，如电动车辆等。(5)适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。这类生产机

11、械有龙门刨床、铣床、冶金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。(6)可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种：相开通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态(如出力最大、效率最高等，还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行(即正转、反转、电动、制动)能力，并具有高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。(7)效率高，损耗小，本系统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损，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

12、不同负载下实现高效优化控制。将本系统同PWM变频器带鼠笼感应电动机的系统进行比较。本系统在不同转速和不同负载下的效率均比变频器系统高，一般要高5个百分点左右。(8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。各种突出的优点，使SRD已成为交流电机驱动系统、直流电机驱动系统及无刷直流电机驱动系统的有力竞争者。由于SR的双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是SR电机存在的主要缺点。但是，近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，SRD的噪声完全可做做到高质量的PWM型异步电动机的噪声水平1。1.4课题研究内容本课题旨在设计3KW四相8/6极开关磁阻电机调速控制系统，该系统能够实现电

13、机正反转和平滑调速。具体研究内容如下：1、结合开关磁阻电机的基本结构和运行原理，对电机的运行与控制特性以及现有的控制方法进行分析研究，选择适合的控制方案。2、学习DSP56F803的使用，设计以该芯片为核心的SRD系统控制器的硬件电路，以及以IPM为主开关器件的功率变换器电路，实现控制信号输入、转速的实时显示和电机的平滑调速。3、根据控制方案的要求设计系统的控制软件，通过软件的调试实现电机的正反转、换相逻辑控制、电流斩波控制、变角度控制、转速计算与调节等功能。4、在现有的实验条件下设计实验方案，对本课题设计的系统进行测试，通过对电机的相绕组电流波形和转速曲线的记录和分析来验证系统的调速性能。2

14、 开关磁阻电机调速系统的控制原理2.1开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的工作原理与传统的交、直流电动机存在着根本的区别，它不像传统电机那样依靠定、转子绕组电流产生磁场间的相互作用形成转矩和转速，而是遵循“磁阻最小原理"磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到磁阻最小位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。当转子磁极轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有作用力作用在转子上并产生转矩，从而使转子向定子磁极的轴线方向运动或产生同方向的运动趋势，直到定、转子磁极轴线重合为止。以本系统中采用的四相8/6极开关磁阻电机为例，如图2-1所示2。图2-1中只画出了A相绕组及其供

15、电电路，Sl、S2是电子开关，VDl、VD2是二极管，Us为直流电源。图2-1开关磁阻电机的工作原理Figure 2-1 The working principle of switched reluctance motor以图2-1中定、转子所处相对位置为起始位置，当A相绕组的控制开关Sl、S2闭合时，A相绕组通电，电机内建立起以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，使转子逆时针转动。当转子旋转到转子极轴线22与定子极轴线A

16、A，重合的位置时，切向磁拉力消失，此时断开A相开关Sl、S2，同时合上B相开关，建立以B相定子磁极为轴线的磁场。若依次给A-B-C-D相通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续转动；反之，若依次给A-D-C-B相通电，则电机沿着顺时针方向转动。可见，SR电机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。2.2开关磁阻电机的数学模型为了简化分析，忽略铁芯损耗部分，并设开关磁阻电机的相数为m，各相结构和参数对称。设k=1，m相的电感、电压、磁链、电阻、电流及转矩分别为Lk、Uk、k、Rk 、k、Tk，转子位置角为，转速为r。1、电路方程根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端

17、的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，则第k相绕组电压方程为： (2-1)一般说来，= （, ）=Lk()ik,则式2-1可表示： （2-2）2、机械方程按照力学定律可列出在电动机电磁转矩和负载转矩瓦作用下的转子机械运动方程： （2-3）式中：J、D分别为转动惯量和粘滞系数。3、机电联系方程电路方程和机械方程通过电磁转矩耦合在一起，故反映机电能量转换的转矩表达式为机电联系方程，且考虑到m相绕组的对称性，则SR电动机输出平均转矩为： (2-4)式中：为相电流的中间变量，Nr为电动机转子极数，(,)为电感随位置与电流变化的函数。式(22)式(24)一并构成开关磁阻电机的数学模型1

18、3。然而，上述数学模型尽管从理论上完整准确地描述了开关磁阻电机的电磁及力学关系，但由于(,)及()难以解析，所以使用起来很麻烦，实际中往往必须根据具体电动机的结构及所要求的精确程度加以适当的简化。2.3开关磁阻电机的控制策略 2.3.1起动控制分析为了实现电机的正常起动，必须保证电机在任何位置的转矩都大于总负载转矩。而当转子处于不同位置并且给不同相通电时，所获得的起动转矩大小和方向都是不同的。由于SR电机的矩角特性对电机的起动转矩即带负载起动能力有很大影响，所以通过矩角特性来分析起动性能，SR电机的矩角特性如图2-2所示。图2-2 SR电机的矩角特性Figure 2-2 SR motor to

19、rque angle characteristics四相8/6极SR电机有两种起动方式：一相通电起动和两相同时通电起动。若不计相绕组间的磁耦合，两相同时通电的合成起动转矩可近似由同时通电相的各矩角特性线性相加求得，如图2-2中虚线所示。显然，两相起动的最小转矩为一相起动的最大转矩，两相起动方式的带负载能力明显强于一相起动方式；而且，两相起动转矩的波动明显减小，起动过程平稳；再者，对于所要求的起动转矩，采用两相起动比一相起动所需的电流小。因此，在实际应用中一般采用两相同时通电起动方式。由于电机在起动瞬间旋转电动势为零，若加额定电压直接起动，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机和

20、传动机构，因此必须在起动期间采用电流斩波控制限制起动电流。2.3.2换相控制分析开关磁阻电机调速系统是位置闭环系统，因此其绕组的换相与转子所处的位置密切相关。对于2四相8/6极SR电机，通常采用两个光电传感器进行转子位置信号检测。图2-3所示为正转时转子位置信号与四相绕组电感及换相逻辑的对应关系。当电机电动运行时，应在电感的上升区间给绕组通电，由此得出电机的换相逻辑关系，反转情况也是同样分析。2.3.3控制方法分析SR电机的控制方法是指对电机的哪些参数进行控制以及如何控制，使电机达到规定的工况，并使其保持较高的性能指标。SRD系统的可控变量有：相绕组电压Us相电流Is，、开通角on和关断角of

21、f，根据控制变量的不同可将控制方法分为：电流斩波控制(Current Chopping Contr01)、角度位置控制(angulRrPositionContr01)和电压斩波控制(Voltage ChoppingContr01)。1、电流斩波控制电流斩波控制是指固定开关角，通过主开关器件的多次导通和关断来控制电流保持在希望值。电流斩波有两种实现形式。一种是设定电流上限值以及关断时间t。在=on时，功率电路主开关器件开通，相电流从零开始上升，当相电流大于上限值时，主开关器件关断时间，然后重新导通主开关，如此循直到=off时实行相关断。这种方法对于图2-3转子位置信号与相绕组电感及换相逻辑的对应

22、关系Figure2-3 The rotor position signal and the phase winding inductance and commutation logic relation关断时间t的选择是很重要的，t过大会导致相电流脉动增大，过小又会使开关频率过高，系统损耗增大13。另一种是电流上下限控制14，当相电流上升到大于设定的电流上限值时关断开关管，相电流下降；当相电流衰减到设定的电流下限值时，主开关重新开通，如此反复直到=off，其斩波波形如图2-4所示。图2-4电流上下限控制的斩波波形Figure2-4 Chopping wave current limit con

23、trol电机低速运行时，绕组中旋转电动势小，电流增长快，所以需要电流斩波控制来限制电流峰值。同时，电流斩波产生的转矩较平稳，适用于转矩调节系统。但是，电流斩波控制在用作调速系统时抗负载扰动的动态响应慢，这是其一大弱点。2、角度位置控制角度位置控制是指控制开通角=on和关断角=off，以达到控制相电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置，进而控制电机的转矩以实现调速的目的。改变on和off使电流主要位于电感的上升段，这样能使电机处于电动运行。图2-5为角度位置控制下典型的相电流波形。图2-5角度位置控制的相电流波形Figure2-5 Phase current waveform angle

24、position control对于每一个由转速和转矩定义的运行点，on和off可以有多种不同组合，每一种组合所对应的电机的性能都不同，因此需要对on和off进行优化设计。由电机相绕组电流的分析中可知，开通角on对电流波形的宽度和电流波形的峰值影响很大，off虽然也对电流波形宽度有影响，但是其影响程度没有那么on大。因此，在实际控制中一般采用优化固定关断角，改变开通角的控制方式。对于调速范围较宽的情况，可以分段优化固定关断角，然后再分别对各段加以调节控制。角度位置控制一般适用于转速较高的场合；角度控制方式同时导通相数多，电机出力较大，转矩脉动较小；转矩调节范围大；通过角度优化，能使电机在不同负

25、载下保持较高的效率。3、电压斩波控4电压斩波控制是指在on和off导通区间内，使功率开关按PWM方式工作，其斩波形如图2-6所示。其脉冲周期T(T=T1+T2)固定，占空比T1/T可调。在T1内，绕组加正电压，T2内加零电压或反电压。改变占空比，则绕组电压的平均值 U 变化，绕组电流也相应变化，从而实现转速和转矩的调节。与电流斩波控制方法类似，提高脉冲频率，则这样的电波形比较平滑，电机出力增大噪声减小，但功率开关元件的工作频率增大。 图2-6电压斩波控制的相电流波形Figure 2-6 Phase current waveform voltage chopping control电压斩波控制是

26、通过PWM方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流，既能用于高速运行，又适合于低速运行；适合于转速调节系统；抗负载扰动的动态响应快；但是在低速运行时转矩脉动较大。2.4调速系统的整体设计2.4.1系统控制方案设计通过对以上几种控制方法的分析可知，每一种控制方法都有其优势，同时也有其局限性。由于一般要求SR电机的转速范围较宽且负载转矩适用范围也较宽，为了使电机在各种不同工作条件下均具有较好的性能指标，一般可以选用几种控制方法相结合的方案。由于开关磁阻电机在起动和低速运行状态时，存在起动阶段电流峰值过大可能引起对绕组和功率器件造成损坏，以及在低速阶段由于电流幅值波动过大而导致转矩和转速

27、不平稳的问题，因此系统采用电流斩波控制和电压PWM斩波控制相结合的方案。随着电机速度的增加，需要采用角度位置控制。但是，由于转速越高对应的通电时间越短，电流波形滞后的就越多，电流很可能进入电感曲线下降区域而形成制动转矩，因此系统采用变角度与电压PWM斩波控制相结合的方案。这种控制方案就是将固定角度PWM控制与角度位置控制相结合，一方面，用PWM信号对功率变换器主开关触发信号实施调制；另一方面，在不同的转速段，分别采用不同的开通角和关断角。这样，系统在某一转速段内，采用固定角度PWM控制，而在整个转速范围内，采用变化的开通角和关断角，以提高系统效率 。图2-7开关磁阻电机调速系统的实现框图Fig

28、ure 2-7 Diagram of the switched reluctance motor drive system因此，本系统的整体控制方案为：起动和低速运行时采用电流斩波与电压PWM斩波相结合的控制方式，高速运行时采用变角度与电压PWM斩波相结合的控制方式。本调速系统以转速值为给定量，采用转速闭环控制，通过调节电压PWM信号的占空比来保证电机转速自动跟随给定量。开关磁阻电机调速系统的整体实现框图如图2-7所示。转速闭环控制输出的电压PWM信号、由位置信号得出的相通断信号、电流斩波信号和角度控制信号综合得出开关磁阻电机的功率变换器的驱动信号，从而实现对电机的控制。2.4.2闭环控制设计

29、由于SR电机的非线性及数学模型难以精确建立的特点，而PI调节器的优点在于即使在受控对象的模型未知的情况下，其比例、积分常数可以通过系统的实际运行现场整定出来，因此，系统中的转速闭环控制采用PI调节。实现PI控制算法的关键问题是比例和积分系数的整定，它直接影响到系统的动态性能、稳态性能和控制质量。根据SR电机小信号模型及其传递函数的理论15，可得到在不同运行条件下，SRD速度调节器的调节对象传递函数可近似等效为参数不同的两个惯性环节，如式(2-5)： GO(S)=KOTMs+1(Tes+1) (2-5)式中：Ko=Kn×Kc×Ku×T=d/(D+K)；TM=J/(

30、D+K),Te=T+T；Kn为速度反馈系数；Kc为PWM信号的放大系数；Ku和K国为SR电动机小信号动态模型的系数；T为电压斩波频率所决定的周期；T为速度反馈时间系数；J代表转动惯量；D代表粘滞系数。应用“二阶最佳"工程设计法，对式(2-5)的对象采用如式(2-6)所示的PI调节器，即 （2-6） 式中：=TM ;T=2×KO×Te由于SR电机的非线性，其参数的精确估计并非易事。从工程设计的角度出发，只需近似估算参数。估算的参数在系统调试时具有一定的参考价值，但是还需根据电机运行情况进行现场整定。在整定过程中，先屏蔽积分运算，调整比例参数，使其尽量取最大值，以得到

31、反应快、超调小、静差小的调节效果，以不产生振荡为准。然后加入积分环节，调节积分系数由小到大，在使系统不产生振荡的前提下，尽快消除静差。由此得到PI调节的比例和积分系数，实现系统的转速闭环控制。3 开关磁阻电机调速系统的硬件设计3.1硬件设计概述开关磁阻电机调速系统的硬件设计包括功率变换器设计和控制器设计。控制器的硬件电路包括控制电路、位置检测电路、电流检测与斩波电路、直流侧电压检测电路、转速给定电路、逻辑综合电路、键盘电路、显示电路和上位机通讯电路。硬件系统的总体框图如图3-1所示。图3-1硬件系统的总体框图Figure 3-1 The overall block diagram of har

32、dware system系统上电后，控制器根据给定的控制指令，综合转子位置信号和电流、电压信号，发出相应的控制信号，使相应的开关导通，给电机相绕组通电。电机在磁力作用下旋转起来，当转子转过一定角度时，控制器根据新的位置信号给出正确的控制信号，使电机连续旋转。同时，控制器综合闭环控制输出的PWM信号、电流斩波信号和角度控制信号实现对电机调速的控制。3.2功率变换器的设计在开关磁阻电机调速系统的设计中，功率变换器的设计也是很重要的。一个理想的功率变换器不但要与电机的结构相匹配，而且还要具备控制方便、结构简单、成本低、效率高等特点。功率变换器设计的主要问题包括：主电路结构的设计、主开关器件的选择及其

33、器件定额的估算。3.2.1主电路结构的设计本系统中控制对象为3KW四相8/6极SR电机，选用H桥型主电路结构。H桥型功率电路采用的元器件少，电路比较简单，成本低，整体性能价格比高，是开关磁阻电机一种很有价值的主电路方案。功率电路结构如图3-2所示，包括整流电路、制动支路和功率变换电路。图3-2功率变换器主电路结构图Figure 3-2 Power converter main circuit structure diagram1、整流电路整流电路的作用是将交流电源转换为直流电源，以供功率变换电路使用。系统中使用三相不可控全波整流电路，电解电容Cl、C2对整流电路的输出起到滤波作用，而电阻Rl、

34、R2起到平衡两个电容Cl和C2上的电压及整个系统关闭时对Cl、C2电容放电的作用。在系统加电的瞬间，为了防止滤波电容开始充电所引起的过大的浪涌电流，需要采取一定的措施，本系统采用了电阻一接触器并联网络。当充电电压小于400V时，接触器J断开，电阻R流过电流，把浪涌电流限制在一个安全的范围。当充电电压大于400V时，接触器J闭合，把电阻R短路。整流电路中有关器件参数的计算及选择6(1) 整流二极管参数的计算三相不可控全波整流电路中，整流二极管承受的最大正向电压为537V，对于二极管而言，因其能承受较大的冲击电流，一般以有效值电流定额作为选型依据。以电机效率为85计算，则电容上的电流有效值为： I

35、=3×1030.85×514=6.87A (3-1) 设流过二极管的电流相平衡，则根据公式3ID=6.87A得出ID=3.97A，根据23倍的裕量，可选择整流二极管为20A/1200V。(2) 平滑滤波电容器的计算滤波电容C与负载等效电阻的乘积应远远大于三相全波整流桥输出的电压的脉动周期T(T=1(6×50)=33ms)，则有：C=0.0033(3×RF) (3-2)式中m为负载等效电阻，通常取RF=0.5，则C=2200uF，电容的额定电压取为450V。在本系统中选用两个2200uF、450V的电容串联来满足电压要求。(3) 电阻Rl、R2的计算:三相

36、全波整流输出的最大电压为537V，则可选Rl、R2电阻值为50l，功率为5W。2、制动支路当电机制动运行时，向功率电路回馈的电能多于从功率电路得到的电能。由于电源部分不可控，回馈的电能只能储存在滤波电容中，电容电压会升高甚至超过允许范围，这样会引起开关器件的损坏。因此，由Vz和Rz构成制动放电支路，当电容发生过电压时，Vz开关管开通，将电容能量泄放到电阻Rz上。3、功率变换电路在功率变换电路中，A、B、C、D为开关磁阻电机的四相绕组，VAVD为IGBT，VDlVD4为续流二极管。此电路只能工作在两相同时通电方式，因为任一相绕组电路必须以其它相绕组为通路。在本系统中，使用主开关VA、VC作为斩波

37、开关实现电压PWM控制，开关VB、VD仅用于换相。以A、B两相为例，相绕组的续流共有三种情况7：(1)开通期间，VA、VB同时导通，电源通过两个主开关管VA、VB使A、B相绕组励磁产生相电流，如图3-3(a)所示；(2)斩波期间，VA断开、VB导通，电流经VB、VDl续流，电能不能回馈电容，下降较缓，如图3-3(b)所示；(3)换相期间，VA、VB同时断开，电流经续流二极管VDI、VD2续流，电能回馈给电容，绕组感应电动势与电源电压极性相反，相绕组电流下降较快，如图3-3(c)所示。3.2.2主开关器件的选择SR电动机功率变换器主开关器件的选择与电动机的功率等级、供电电压、峰值电流、成本等有关

38、；还与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关损耗、抗冲击性、耐用性、并联运行的难易性、峰值电流定额和有效值电流定额的比值大小和市场普及性等有关。就目前电力电子技术发展的现状而言，有普通晶闸管、可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、功率MOS场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)可供选择。 在小容量的SRD中，可选择GTR、MOSFET、IGBT作为主开关器件。IGBT兼有MOSF图3-3相绕组电流续流情况Figure3-3 Winding stream current控制极输入阻抗高和GTR通态饱和压降低的优点，工作频率较高，驱动电路耗电少，是目前中小功率SRD功率变

39、换器较理想的主开关器件。本系统功率变换器的主开关器件采用三菱公司的智能功率模块IPM(Intelligent Power Modules)，其复合了高速、低开关损耗的IGBT功率器件和优化的栅极驱动电路以及电压欠压、过温、过流和短路保护电路。考虑到应有的裕量，选取PM75DSAl20模块作为主开关器件，续流二极管使用模块自带的，其标准与主开关管配套。PM75DSAl20内部电路框图，一个IPM模块中有两个IGBT，使用时只使用其中一路。每个IGBT有5根控制线：VP1、VN1为+15V的输入端，FPO、FNO为故障信号输出，SPR、SNR在IPM正常工作时为+5V的输出端(故障时为0V)，CP

40、1、CN1为控制信号输入端，VPC、VNC为地线输入端。C1、E1和C2、E2分别是两个IGBT的输出端。片内的控制和保护电路是相互隔离的两块，其中FO是故障信号输出，是控制信号输入，SR是+5V输出，OUT1和OUT2是驱动信号输出，SENS是电流传感信号输入端，SINK为低电平时，IGBT正常通断工作，SINK为高电平时，IGBT被关断8 。驱动电路是IPM功率变换电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。由于IPM内置了驱动电路，与IGBT驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供15V直流电压即可。由于低电平控制IGBT导

41、通，高电平控制IGBT关断，所以要考虑到控制信号电平与IPM模块的驱动信号电平的匹配，同时控制信号需经过光耦隔离送到IPM的控制信号输入端。系统的保护除了依靠IPM模块自身的内部保护机制，还需要辅助其他保护手段。系统中利用软件实现保护功能，软件实现的基本思路是：IPM发生故障时，故障信号输入控制器，DSP接收到故障信号后禁止PWM模块输出，从而达到保护的目的。软件保护不需要增加硬件，简便易行。3.3控制器的硬件设计3.3.1控制电路本系统采用Motorola DSP56F803作为主控制器，是Motorola DSP56F80x系列中适用于电机控制的数字信号处理器。DSP56F80x系列提供了

42、基于C语言的开发工具、IDE的集成环境以及SDK等先进的开发工具，大大缩短了开发周期。从控制开关磁阻电机的角度来讲，DSP56F803的相位检测器模块、A/D转换模块、PWM模块给电机的控制带来了很大的便利。相位检测器与定时器模块A复用，内部集成了干扰信号滤波器，使位置信号的检测和转速的计算更加精确；A/D转换模块包括8个输入通道，转换精度为12位，转换速度最快为每次同时扫描仅需5.3s，并且可以通过同步信号与PWM同步；PWM模块是专门面向电机控制设计的，能够被配置成互补通道模式或独立通道模式，具有边沿对齐和中心对齐的脉宽产生方式，支持占空比从0到100。PWM输出可以由PWM发生器控制，也

43、可以由软件控制输出。基于DSP56F803的控制电路的结构框图如图3-4所示。在本系统中，DSP资源利用如下：(1)转子位置传感器信号：相位检测器模块(Decoder)(2)相电流和直流侧电压检测、转速给定信号：A/D转换模块(3)脉宽调制信号生成：PWM模块(4)键盘信号、角度信号、相通断信号：通用输入输出口(GPIO)(5)D/A转换输出、显示电路：SPI模块(6)与上位机通讯：SCI模块DSP56F803为控制电路的核心，主要负责识别键盘按键信号、判断相电流和直流侧电压信号、转速给定信号以及转子位置信号，从而给出相通断信号、电压PWM信号、电流斩波信号和角度控制信号，综合产生IPM的驱动

44、信号，实现对电机调速的控制。图3-4控制电路结构框图Figure 3-4The structure of the control circuit diagram3.3.2位置检测电路正确检测转子的实时位置是SRM实现位置闭环控制的基础，因此，控制器首先需要获得正确的转子位置信号。在本系统中采用光敏式位置传感器，包括光电传感元件和与转子同结构的转盘，转盘安装在转子轴上并同步旋转，夹角为75°的两个光电传感元件分别固定在定子极的中心线左右两侧75°/2处。当转盘的齿挡住光电传感元件的光路时，光电三极管处于截止状态，其集电极输出高电平；而当转盘的槽 经过光电传感元件时，光路开通，

45、光电三极管处于导通状态，其集电极输出 低电平。由于传感器安装在电机内部，位置信号会受到干扰而出现毛刺，因此位置信号需要经RC滤波后再经史密斯触发器整形 9(由于触发器带有非门，因此整形后需再次取反)，最后产生两个相位差为15°、占空比为50的方波信号。转子位置传感器电路如图3-6所示。图3-5转子位置信号波形及其异或后的信号波形Figure 3-5 Signal waveform of rotor position signal waveform and the XOR of the图3-6转子位置传感器电路Figure 3-6Rotor position sensor circui

46、t转子位置信号Sl、S2及其异或后的信号S的波形如图3-5所示。S1、S2组合成四种不同的状态，分别代表电机四相绕组不同的参考位置。位置信号的处理分两路：S1、S2,直接送入DSP的PHASEA0和PHASEB0口，利用相位检测器的输入状态监视功能读取位置信号的状态，作为电机换相控制的依据；信号S送入定时器A的TA2进行脉冲捕捉，在捕捉中断中完成电机转速的计算和角度控制中的开通角和关断角的计算。3.3.3电流检测与斩波电路为了实现电流斩波控制，必须对相绕组电流进行检测。本系统中采用线性度较好、抗干扰能力强、实现较为简单的霍尔电流传感器来实现电流检测。由于四相开关磁阻电机正常运行时，A相和C相、

47、B相和D相的导通区间一般不会重叠，因此A、C相和B、D相可分别共用一个电流传感器，所以使用两个电流传感器就可以完成四相电流的检测。系统中采用北京森社科技公司的宇波模块，型号为LA-50P的闭环霍尔电流传感器，其典型连接如图3-8所示。LA-50P的测量范围为050A，供电电压为+12V，线性度<01，频率范围可达200kHz。传感器的匝数比为1：1000，所以输出电流IM是被测电流IN的1/1000。由于传感器输出的是电流信号，所以需要在检测端M接一个检测电阻RM，将电流信号转换成电压信号。输出电压经同相放大器放大后分为两路信号，一路分压后经3V稳压管送至DSP的MD转换模块，另一路送至

48、电流斩波电路。电流采集与斩波电路原理图如图3-9所示。图3-8霍尔电流传感器的典型连接Figure 3-8 Typical connection holzer current senso图3-9电流采集与斩波电路Figure 3-9 Current acquisition and chopper circuit本系统中电流斩波控制采用硬件方法实现，使用电压比较器LM339和RS触发器CD4043实现双限电流斩波，将电流值Ireal限制在上限值Imax和下限值Imin加之间。当IrealImax时，R=I，S=0，RS触发器置0，开关管关断；当IrealImin加时，R=0，S=I，RS触发器置

49、1，开关管导通；IminIrealImax R=0,S=0。RS触发器保持原状态不变，开关管继续导通或关断。这样就能实现电机的电流斩波控制。电流斩波电路中所需的电流上限值Imax和下限值Imin是由DSP程序给定的，需转换成模拟量后才能供给斩波电流，因此系统中需两路数/模转换电路。数/模转换采用MAX550A芯片，其电路原理如图3.10所示。3.3.4直流侧电压检测电路当由于某种原因引起主回路电源电压上升，超过了允许范围(如功率开关管的额定值等)，势必会烧坏功率开关管或者电机定子绕组，这是绝对不允许的。另外为了断开直流侧的限流电阻，也需要检测电压。因此需要进行直流侧电压的检测与保护，过压时DS

50、P关断相输出信号直至主电路电压恢复正常。直流侧电压检测电路如图3-11所示。图3-10数/模转换电路Figure 3-10 Digital-to-analog conversion circuit图3-11直流侧电压检测电路Figure 3-11 DC side voltage detection circuit直流侧电压输入差动放大电路，其输出Vin为： (3-3)由于R4/R3=R2/Rl，所以式(3-3)可表示为： (3-4)Vin输入LOC110光耦合器光电压模式隔离放大电路，得其输出Vout为： (3-5)式中：增益k1=k2=0.007,k3=k2/k1=1因此，将与直流侧电压成线

51、性比例关系的电压Vout送入DSP的A/D口，即可进行直流侧电压的检测与保护。3.3.5转速给定电路转速给定信号通过电位器分压来实现。将电位器的电压值送入DSP的A/D转换器，当手动调节电位器时，电位器上的电压值改变，则模数转换结果发生变化，从而实现给定转速的改变。其电路原理如图3-12所示。 图3-12转速给定电路 图3-13逻辑综合电路Figure 3-12Speed setting circuit Figure3-13 Logic integrated circuit3.3.6逻辑综合电路逻辑综合电路就是把相通断信号、PWM信号、电流斩波信号和角度信号相与，所得的信号经过一定的变换就能作

52、为IPM的驱动信号，其电路原理如图3-13所示。3.3.7键盘、显示电路和上位机通讯电路系统利用DSP系统复位中断、中断A和中断B以及GPIOA的中断实现键盘输入功能，分别为系统复位、起动、停止、正转和反转。图3-14为单个键盘按钮电路，其中R为上拉电阻，电容C经实验选0.011aF时消除按键抖动干扰的效果较好。图3-14键盘按钮电路Figure3-14 Keyboard button circuit系统采用MAX7219驱动5位LED显示系统初始参数、运行参数，电路如图3-15所示。MAX7219的数据输入主要友三根输入线完成：串行数据线、时钟线和加载线，由DSP的SPI控制完成参数的显示。

53、系统为了实现DSP的SCI串行接El与上位机的通讯，采用MAX232完成DSP输出电平与RS-232电平之间的转换，上位机通讯电路如图3-16所示。图3-15显示电路Figure 3-15 Display circuit图3-16上位机通讯电路Figure 3-16 The host computer communication circuit4 开关磁阻电机调速系统的软件设计4.1软件设计概述本系统软件是基于Motorola的嵌入式SDK开发包开发的应用程序。SDK开发包是从DSP56800的Metrowerks Code Warrior开发工具发展而来的。SDK是一个API(Applica

54、tion Programming Interface)、库、服务、规则的集合体，补充了DSP56800的开发工具CodeWarrior，给CodeWarrior提供了许多特殊功能。这些开发工具形成了一个综合开发环境。基于SDK的开发环境支持C、C+和汇编语言编程。利用SDK中的核心库函数、DSP功能库函数以及特殊专门库函数，可以使编程更加高效简捷10。1、相位检测器在本系统中，相位检测器用来检测转子位置信号。DSP56F803有一个相位检测器模块，其4个输入引脚分别为PHASEA0、PHASEB0、INDEX0和HOMEO，这4个引脚同时复用为定时器A的四个计数器TAO、TA1、TA2和TA3

55、。选择相位检测器的工作模式为模式1，那么这4个引脚上的信号经过内部的干扰信号滤波器后，分别作为定时器A的输入捕捉和相位检测器的输入，读取相位检测器的输入监控寄存器IMR的值就可以得到SR电机的位置信号。DSP56F803的相位检测器为灵活的换相策略提供了方便。2、定时器DSP56F803有一个专用的定时器D和一个可选用的定时器A，定时器A和相位检测模块复用IO引脚。每个定时器有4个计数器模块，每个计数器有两个基本功能：一是记录内部或者外部事件数；二是记录每个外部事件之间所经历的内部时钟周期数，也就是得到外部事件的时间间隔。本程序中，利用定时器的输入捕捉和定时功能，在中断子程序中完成对系统的实时

56、控制，这部分内容将在输入捕捉中断和定时中断子程序中详细介绍。3、PWM模块在SR电机控制系统中，PWM信号被用来控制开关管的开关时间，为电机绕组提供所需要的能量，获得所需的转速和转矩。本系统中，采用全数字PI调节器，其输出决定PWM信号的占空比。DSP56F803有一个脉宽调制模块PWMA，有6个PWM信号输出引脚PWMA0-5。在PWM控制寄存器中，可以设定每1个PWM可重载时机到每16个PWM可重载时机重载1次的重载频率。在中心对齐方式下，周期开头和半周期处都属于可重载时机，而在边沿对齐方式下，只允许整周期重载。在本系统中，PWM0-3信号分别作为电机四相绕组A、B、C、D各个开关管的控制信号，PWM模块设置为独立通道模式，采用边沿对齐方式，在整周期完成参数重载。本程序主要分成以下三部分：主程序、功能子程序和中断服务子程序。功能子程序主要包括：起动子程序、转速计算子程序、PI调节子程序、角度控制子程序、显示子程序和模拟量输出子程序。中断服务子程序包括：输入捕捉中断子程序、定时中断子程序、PWM参数重载中断子程序、A/D转换完成中断子程序和按键中断子