基于DSP的开关磁阻电机调速特性的实现

河南科技学院2011届本科毕业论文（设计）论文题目：基于DSP的开关磁阻电机调速特性的实现—硬件部分学生姓名：常峥所在院系：机电学院所学专业：电气工程及其自动化导师姓名：王超完成时间：2011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的电机驱动，即直流电动机的串励特性。开关磁阻电机调速系统的研究，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iiDSP-basedspeedcharacteristicsofSRMimplementation-hardwareAbstractTheSwitchedreluctancedrivesystemhasasimplestructure,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:Switchedreluctancemotor,Controlsystem目录1绪论..............................................................................................................11.1SR电机的发展概况..........................................................................11.2课题综述...........................................................................................11.2.1开关磁阻电机调速系统的组成及工作原理................................11.2.2开关磁阻电机调速系统的主要技术特点..............................31.3本课题研究的主要内容...................................................................42开关磁阻电机调速实现原理......................................................................42.1开关磁阻电机的数学模型分析与控制策略...................................42.1.1开关磁阻电机的数学模型分析...............................................42.1.2开关磁阻电机的控制...............................................................52.2开关磁阻电机机械特性分析...........................................................72.3开关磁阻电机调速系统控制策略...................................................83开关磁阻电机调速系统的硬件设计..........................................................83.1硬件系统概述....................................................................................83.2DSP56F803的特点...........................................................................93.3基于DSP56F803的控制器硬件设计............................................103.4功率变换器的设计..........................................................................123.4.1整流电路................................................................................133.4.2功率变换电路........................................................................144结论............................................................................................................17致谢................................................................................................................18参考文献........................................................................................................1911绪论1.1SR电机发展状况磁阻式电动机的研究最早可以追溯到19世纪40年代，但是由于当时的条件所限，采用的是机械开关，其运行特性、可靠性和机电能量转换效率都十分低下，所以在其后直到功率电子开关问世前的100多年间，一直也没有得到应有的重视。20世纪60年代，随着大功率晶闸管的使用，SR电机才又重新焕发出生机。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。目前，SR电机在国外已经得到了很大的发展，产品已经广泛地应用于电动车驱动系统、家用电器、电力拖动(风机、泵、压缩机等)、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机(纺织机、航空发动机、电动工具、离心机等)。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。1.2课题综述1.2.1开关磁阻电机调速系统的组成及工作原理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电机一般采用凸极定子和凸极转子形成，即所谓双凸极型结构，并且定、转子极数不相等。图2表示电机的横截面和一相电路的原理示意图。S1、S2是电子开关，SR电机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调速系统整体工作过程如下：控制电路接收起动命令信号，在检测系统状态一切正常的情况下，根据位置传感器提供的各相定子齿极与转子齿极相对位置的信息，按起动逻辑给出相应的输出信号。例如，在图中定子A相齿极轴线AA'与转子齿极1的轴线11'不重合的情况下，应使功率变换器中控制A相绕组的开关元件S1和S2导通，A相绕组通电，而B，C和D三相绕组都不通电。电动机内建立起以AA'为轴线的磁场，磁通通过气隙的磁感应线是弯曲的。此时，磁路的磁导小于定、转子齿极轴线AA'和11'重合时的磁导，转子受到气隙中弯曲磁感应线的切向磁拉力所产生转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子齿极1的轴线11'向定子齿极AA'趋近。当轴线AA'和轴线11'重合，即A相定、转子齿对齐时，切线方向的磁拉力消失，转子停止转动，此时称转子达到稳定平衡位置[4]。图2SR电机工作原理(2)功率变换器功率变换器是SR电机运行时所需能量的提供者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。通过它将电源能量送入电机，也可将电机内的磁场储能反馈回电源。SR电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数及主开关器件的种类有关。SR电机绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅简单，而且具有普通交流及无刷直