《毕业论文--开关磁阻电机控制系统硬件设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文--开关磁阻电机控制系统硬件设计（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、HUNAN UNIVERSITY毕 业 论 文论文题目开关磁阻电机控制系统硬件设计学生姓名学生学号专业班级自动化1101学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长33湖南大学毕业设计(论文) 第 页 2015 年 5 月 23 日摘 要开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor）因结构简单，工作可靠，效率高成为电气传动领域热门课题之一。本文主要对开关磁阻控制系统硬件设计进行研究，通过在对目前开关磁阻电机的发展现状进行总结分析，确定了本研究中SRD系统的设计目标。设计了开关磁阻电机驱动系统的主电路和驱动电路。对以控制器DSP28335为和核心的控制器进行设计，设计了电压电流
2、和位置检测电路，显示电路。通过搭建的15KW开关磁阻电机测试平台进行实验，并对波形进行采集和比较分析。实验结果证明所设计控制系统能够满足预期性能指标。关键词：开关磁阻电机；DSP28335；电机控制系统；硬件电路Abstract目 录摘 要Abstract第1章绪论1.1国内外发展水平和研究现状1.2论文的研究背景及其主要内容1.2.1研究意义1.2.2本文主要工作第2章开关磁阻电机及其控制2.1 SR电机的基本结构与工作原理2.1.1SR电机的结构2.1.2SR电机的工作原理2.2SR电机控制方法第3章开关磁阻电机控制系统硬件设计3.1系统主电路设计3.1.1 开关磁阻电机的性能指标3.1.
3、2 开关磁阻电机的主电路3.2驱动电路设计3.3控制电路设计3.3.1电流检测电路3.3.2电压检测电路3.3.3位置检测电路第4章控制系统测试与结果4.1实验装置简介4.2电动实验测试结果第5章结论与展望参考文献致谢附录A 实验波形图附录B 系统实物图第1章 绪论从19世纪直流电动机问世起，电机学科的发展已经有一百多年的历史。然而，直流电动机的机械换向装置导致固有的换向问题，使其功率、速度及应用环境受限，因此采用无换向器的交流电动机实现电气传动向高电压、高速多大功率方向发展是电气传动发展的方向。正是在交流调速技术迅速发展的20世纪80年代，开关磁阻电机（Switched Reluctance
4、 Motor，简称SR电机）正式得到国际承认。 Lawrenson P J. Variable-speed switched reluctance motorsJ. Electric Power Applications Iee Proceedings B, 1980, 127(4):253 - 265.开关磁阻电动机(SRD)调速系统是基于计算机和电力电子技术的新型电机调速系统，主要包括开关磁阻电动机与微机智能控制器两个部分。开关磁阻电动机调速系统的突出特点是效率高、节能效果好、调速范围广、无启动冲击电流、启动转矩大、控制灵活，此外还具有结构简单、坚固可靠、成本低等优点。除可以取代已有的电气
5、传动调速系统(如直流调速系统、变频调速系统)外， SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。开关磁阻电机控制系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器等装置构成。其基本构成如图1-1所示。开关磁阻电动机是开关磁阻电机控制系统中实现机电能量转换的部件，也是开关磁阻电机控制系统有别于其它电机驱动系统的标志。功率变换器向开关磁阻电机提供运转所需能量，其由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。控制器是系统的中枢。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
6、制。位置传感器是开关磁阻电机控制系统不可缺少的一部分，由它提供控制器转子位置信息，保证电机正常工作。图1-1 SRD基本构成经过多年的发展SR电机的设计以及控制技术已经逐渐成熟，其具有如下优点：1. 结构简单、坚固、成本低。转子无任何绕组与永磁体，转子的这种结构使SR电机运行于高速和超高速成为可能；定子绕组嵌装容易，端部短而牢固；转子转动惯量小，易于加速；适用于高速、环境恶劣场合。2. 热耗大部分产生于定子，易于冷却；转子无永磁体，最大允许升温较高。3. 启动转矩大，在转速和功率范围内具有高输出和高效率。4. 控制参数多，控制方式灵活。5. 各向绕组和磁路互相独立，系统可靠性高，容错能力强。同
7、时，仍然存在部分问题亟需进一步完善，其局限性主要为：1. 没有独立励磁绕组，相电流中既有励磁电流分量，也有转矩电流分量，使功率变换器与电动机之间存在无功功率往返交换，因而功率变换器所需的伏安容量较高。2. 瞬间转矩脉动较大，振动、噪声问题突出。3. 相数较多，主接线数较多；需要根据定、转子相对位置投励，必须与控制器一同使用。1.1 国内外发展水平和研究现状开关磁阻电机（SR）的基本概念可追溯到19世纪40年代，1842年，英国的Aberdeen和Dafidson用两个U型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。在此后100多年内，由于受电力电子技术和计算机控制技术等发展水平的限制，SR电机都没有
8、得到重视和发展。20世纪60年代，大功率晶闸管的出现为SR电机的研究发展提供了重要的物质条件，研究结果表明，SR电机可在单向电流下四象限运行，跟其他高性能电机相比，它对功率变换器数量需求都是最少的，电动机成本也明显低于同容量的感应电动机。随着20世纪70年代初美国福特公司第一台开关磁阻电动机调速系统问世，开关磁阻电机开始进入实用阶段。1975年，英国研制出用于电动汽车的50kW的SR电机控制装置，其单位输出功率和效率都高于同类的感应电动机驱动装置。1983年英国TASC公司推出了Oulton系列通用SRD调速产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视。目前，SRD在国外已取得很大的发展，其产
9、品已在电动车驱动、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动等众多领域得到应用。从二十世纪八十年代起，我国很多研究单位、高等院校开展了开关磁阻电动机研究，如华中科技大学、南京航空航天大学、中纺机电研究所（原中国纺织机械研究所）等。开关磁阻电机还被列为中小型电机“七五”科研规划项目。在借鉴国外经验的基础上，我国 SR 电机的研究发展迅速，取得了大量的科研成果，技术达到甚至领先于国际先进水平，形成了SRD 系列商品，最大功率达几百千瓦，成功地将SRD应用到电动车辆驱动、家用电器、龙门刨床、纺织机械、油田抽油机等产品中。开关磁阻电机产品的成功应用，引起了国内电工界的极大兴趣，也纷纷加入到研究、开发、应用
10、的行列：如清华大学、浙江大学、西北工业大学等高等院校，北京通大华泉、山东科汇、广东威灵（美的）等公司企业。目前，国内的华中科技大学、中纺机电研究所都有SRD 系统产品在混合动力电动汽车的驱动系统中应用与运行，中纺机电研究所研制的180 kW SRD 已成功用于地铁轻轨车的驱动系统中。西北工业大学也于1999 年研制出了飞机发动机用SR 起动/发电机系统。2000 年，国内30kW以上的SR电机已应用于煤矿的采煤机，SR电动机还适用于高速传动机构、恶劣环境中的生产机械传动等应用，国内生产的用于吸尘泵、离心干燥机等装置的专用高速开关磁阻电动机的转速最高达30000r/ min。2001年，中纺机电
11、研究所研制的30kW的SRD成功用于油田抽油机，节电率可达30%以上，每台每月节约电费2000元左右。该产品在明显的节约电能的同时，又优化和完善了电机的性能指标及运行中的各项自动调整和保护功能。目前，我国对开关磁阻电机的理论研究已取得一定的积累，已有产品的应用得到了良好的反馈。但针对国内工业生产的需求现状，其推广使用还存在明显的不足，实用化工作进展缓慢，亟需在新产品的系列化开发和应用方面取得突破。1.2 论文的研究背景及其主要内容1.2.1 研究意义目前，我国矿用运输设备调速系统主要采用交流异步电机变频调速和直流电机斩波调速。直流调速系统因为成本高、体积大、寿命短等原因在现代调速系统中已经被逐
12、步淘汰。与开关磁阻电机相比，交流异步牵引电机效率低，同一起动电流下起动转矩小，必须采用多级传动方式，传动系统体积较大，成本高。开关磁阻电动机调速系统作为后起之秀，具有结构简单可靠、起动及低速运行转矩大、效率高等优良性能，可以实现驱动系统一级传动或直接传动，具有交流变频调速系统无法比拟的高性价比。1.2.2 本文主要工作本文基于TEXAS INSTRUMENTS公司的DSP28335实现设计开关磁阻电机主控电路以及微机控制系统，调试系统硬件并对开关磁阻电机进行控制。本文主要章节及其重点内容如下：第1章 绪论部分， 介绍了研究开关磁阻电机控制系统的目的与意义，现阶段国内外开关磁阻电机控制系统研究状
13、况，对开关磁阻电机的原理、组成及特性进行了阐述。第2章 开关磁阻电机及其控制， 对要开关磁阻电机的结构和电路原理进行介绍分析；然后从开关磁阻电机系统的主电路和转子位置检测电路入手介绍了控制方法。第3章 控制系统硬件设计，对主电路、驱动电路以及以DSP28335为核心的开关磁阻电机控制系统硬件电路进行设计。第4章 测试方案，根据系统设计要求，检测所进行的控制策略和设计是否合理。最后，本文还对工作做了总结。第2章 开关磁阻电机及其控制SR电机是SRD是实现机电能量转换的部分，与传统的交流电动机不同，SR电动机采用双凸极铁心结构，并且只在定子上安装集中绕组。因此，传统的电动机的性能分析方法对SR电动
14、机不尽适用。2.1 SR电机的基本结构与工作原理2.1.1 SR电机的结构SR电机是双凸极变磁阻电动机，它的结构与工作原理与传统的交流电动机有着很大的差别，其定、转子均由具有高磁导率的硅钢片叠成，转子既无绕组也无永磁体，定子极饶有集中绕组，径向相对极的一组串联，构成一向相绕组。图2-1为典型SR电机结构原理。图2-1 四项SR电动机结构SR电机根据定转子齿极数不同组合形成不同的结构形式，例如：6/4、8/6、12/8等，表1-1为几种典型SR电动机、转子搭配方案1，其中为相绕组工作的极对数。表1-1几种典型SR电动机定、转子极对数搭配方案目前，应用较多的是三相（6/4）结构，且有较好经济性，故三相（6/4）电动机的研究、开发正日益收到重视。6/4型开关磁阻电机的双凸形结构如图2-2所示。该电机定子上绕有线圈,称作定子绕组,转子上没有线圈,而装有位置检测器,其定子铁芯上的定子绕组如图2-3所示。图2-2 开关磁阻电机双凸型结构图2-3 开关磁阻电机定子铁心上的定子绕组2.1.2 SR电机的工作原理本实验采用的
