基于DSP的开关磁阻电机调速系统功率变换器设计

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О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DSPTMS320F2407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IGBTDSP驱动功率变换电路AbstractSwitchedreluctancemotor(SRM)isakindofnewmotordevelopedwiththedevelopmentofelectricalmachinery,microelectronics,powerelectronicstechnology,intelligentcontroltechnology.Itissimpleinstructure,controlofquadrantoperationflexible,canbe,highreliability,canbeinawiderspeedandtorquerangeefficientoperationfeatures,itsadvantagetechnicalperformanceandeconomicindexesinthedomesticandforeigngetsmoreandmoreextensiveattention.Thistopicprovidesabasedondigitalsignalprocessing(DSP)ofswitchedreluctancemotorcurrentcontrolscheme.Severalcommonpowerconvertermaincircuitbasedonthecomparison,chooseHbridgetypemainelectriccircuit.ThisarticleputforwardthespecialrequireofdrivecircuittoInsulationGridBipolarTransistorandconsidertheproblemofdesigningthedrivecircuit,describethecommonstyleofdrivecircuit,andgivesomepracticalandtypicalcircuit.Intheory,thedesignisfeasible.KeyWordsswitchedreluctancemotor，IGBT,digitalsignalprocessing,drive,powertransfercircuit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……………………………………….82.2.1SRM运行过程分析……………………………………..82.2.2SR电机的工作原理…………………………………..103.控制器设计…………………………………………………………143.1转子位置检测电路…………………………………………143.2电流检测电路………………………………………………153.3逻辑组合电路………………………………………………164.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…………………………………………..214.4IGBT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switchreluctancemotor(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NotGingham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switchedreluctancemotordrive，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：图2.1SRD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1W和一个次级绕组2W，1W与2W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