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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 电励磁双凸极起动/发电机起动控制技术研究 姓名：李国生 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：周波 2011-01 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 电励磁双凸极电机因其励磁可调，同时具备开关磁阻电机结构简单、适合高速运行的优点， 既可作为电动运行，也可以作为发电运行，适合构成无刷起动/发电机系统，在航空、汽车和风 力发电等领域具有很好的应用前景，因此对其展开深入的研究具有重要的意义。 本文首先回顾了无刷起动/发电系统的发展历程与研究现状，介绍了电励磁双凸极电机的发 展历程与研究现状、课题的研究背景与意义，详细阐述了电励磁双凸极电机的结
2、构、磁路特性、 数学模型、电动运行工作原理及在起动/发电系统中应用时不同起动阶段励磁控制的方法。 其次，介绍了基于实验测试双凸极电机反电势，建立其非线性电感模型的方法，并以此非 线性电感模型为基础建立了电励磁双凸极起动/发电机起动模型，然后对不同电流斩波方法进行 了仿真比较，还进行了全过程恒功率起动仿真、全过程恒转矩起动仿真以及先恒转矩后恒功率 分步起动的仿真分析。 然后对电励磁双凸极起动/发电机起动转矩脉动产生机理进行了分析，对基于半桥变换器的 电励磁双凸极电机主功率电路中分裂电容充放电平衡情况进行了研究，在此基础上提出了基于 半桥变换器的角度优化控制策略，并进行了仿真验证。 最后，搭建了电
3、励磁双凸极起动/发电机系统硬件实验平台，开发了基于 LabVIEW 的虚拟 仪器上位机软件，实时监测、控制下位机的运行状况，并以此平台为基础进行了相应的实验研 究。 关键词：电励磁双凸极起动/发电机，电励磁双凸极电机，建模仿真，半桥变换器，转矩脉 动，DSP，LabVIEW 电励磁双凸极起动/发电机起动控制技术研究 II Abstract The doubly salient electro- magnetic motor (DSEM) is widely used in aerospace, automotive and wind power generation area for its
4、adjustable excitation, simple structure and high- speed operation as switched reluctance motor. It is also capable of carrying on two reverse operations - starting and generating. Therefore, the research on DSEM starter/generator is of great significance. Firstly, this dissertation reviews the devel
5、opment of brushless starter/generator system and DESM. The background and the significance of the research project as well as the main contents of this dissertation are presented. Then, the characteristics of the DESM, such as the structure, magnetic properties, mathematical model, working principle
6、 over the operating range and the methods of excitation current control are described in detail. Secondly, in order to establish the nonlinear inductance model, an experimental test approach based on DESM back EMF is demonstrated. Based on the nonlinear inductance model, a doubly salient motor start
7、ing model is obtained, and the current chopping of different methods are simulated and compared. Different starting processes are also simulated including constant torque operation, constant power operation and their combination. Thirdly, the DSEM starter/generator starting torque ripple generation
8、mechanism is analyzed. Then, the operation principle and the steady state of the split- capacitor in DC- link of the half- bridge converter are discussed comprehensively. Moreover, an optimized control strategy of the half- bridge converter is proposed for the DSEM drives, and some simulations verif
9、y the analysis. Finally, A digital experimental test platform for DSEM starter/generator is built and an real- time monitoring software is developed based on LabVIEW to control of the operational status of the crew. The experiment results validate the theory and simulation analysis. Keywords: doubly
10、 salient electro- magnetic starter/generator, doubly salient electro- magnetic motor, modeling and simulation, half- bridge converter, torque ripple, DSP, LabVIEW 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图表清单 图 2.1 6/4 结构的电励磁双凸极电机定、转子截面图 6 图 2.2 定转子重叠角和转子位置角关系图. 7 图 2.3 电励磁双凸极电机等效磁路图 7 图 2.4 电励磁双凸极电机分段线性电感曲线图 8 图 2.5 三相全桥变
11、换器10 图 2.6 三相半桥变换器10 图 2.7 不对称半桥变换器10 图 2.8 两相导通控制模式11 图 3.1 电励磁双凸极电机反电势及位置信号15 图 3.2 反电势的积分模型15 图 3.3 电励磁双凸极起动/发电机起动控制的系统框图.16 图 3.4 电励磁双凸极起动/发电机起动控制系统的仿真模型结构.16 图 3.5 电励磁双凸极电机的 A相绕组模型.17 图 3.6 电励磁双凸极电机的励磁绕组模型18 图 3.7 电励磁双凸极电机本体的 MATLAB仿真模型18 图 3.8 电励磁双凸极电机本体模型的集成图19 图 3.9 Universal Bridge模块 .19 图
12、3.10 Universal Bridge模块的电路原理图 19 图 3.11 半桥变换器的 MATLAB模型.19 图 3.12 全桥功率变换器的控制模块20 图 3.13 半桥功率变换器的控制模块20 图 3.14 不同斩波方式的换相时刻电流波形21 图 3.15 电励磁双凸极电机非线性电感曲线22 图 3.16 恒转矩阶段仿真波形.23 图 3.17 恒功率阶段仿真波形.24 图 3.18 起动全过程仿真波形.25 图 4.1 非理想换相条件下电感与相电流波形27 图 4.2 理想换相条件下电感与相电流波形27 图 4.3 A相绕组换相时三相电流波形28 图 4.4 角度优化控制策略下换
13、相时刻三相电流波形30 电励磁双凸极起动/发电机起动控制技术研究 VI 图 4.5 角度优化控制策略的控制模式30 图 4.6 电流换相波形示意图30 图 4.7 传统控制方法下电流换相仿真波形.32 图 4.8 角度优化控制策略下电流换相仿真波形32 图 4.9 传统控制方法下合成转矩仿真波形.32 图 4.10 角度优化控制策略下合成转矩仿真波形.32 图 5.1 电励磁双凸极起动/发电机系统的硬件框图34 图 5.2 2 单元封装 IPM原理框图.35 图 5.3 2 单元封装 IPM外观35 图 5.4 IPM上管外围电路.35 图 5.5 IGBT 隔离驱动电路.35 图 5.6 T
14、MS320F2812 功能框图36 图 5.7 MX7847 芯片引脚图和原理框图37 图 5.8 DA参考电压产生电路原理图38 图 5.9 DA输出调理电路38 图 5.10 电流滞环原理图38 图 5.11 模拟电流滞环电路图.39 图 5.12 电压传感器和电流传感器使用原理图39 图 5.13 信号调理电路40 图 5.14 绝对值调理电路40 图 5.15 串口通讯接口电路41 图 5.16 过流、过压保护电路.41 图 5.17 主程序初始化程序流程图42 图 5.18 捕获中断程序流程图.42 图 5.19 AD 中断程序流程图.42 图 5.20 定时器周期中断程序流程图43
15、 图 5.21 转速、电流双闭环控制的结构框图43 图 5.22 PI 调节程序流程图43 图 5.23 位置信号处理图44 图 5.24 测试平台工作原理图.45 图 5.25 NI SCB- 68 外观图46 图 5.26 NI SHC68- 68- EPM外观图46 图 5.27 NI PCI- 6251 外观图.46 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 图 5.28 参数配置模块界面47 图 5.29 状态监控模块界面47 图 5.30 波形分析模块界面48 图 5.31 虚拟示波器与物理示波器测量给定信号的波形比较.49 图 5.32 虚拟示波器与物理示波器计算误差比较.49 图
16、5.33 软件空载特性测试实验数据及曲线49 图 5.34 手动空载特性测试实验曲线50 图 6.1 实验机组实物照片51 图 6.2 控制器实物照片51 图 6.3 传统控制方法下电流换相实验波形52 图 6.4 角度优化控制策略下电流换相实验波形.52 图 6.5 转速响曲线.52 图 6.6 起动过程转速与相电流波形53 图 6.7 起动过程转速与端电压波形53 图 6.8 起动过程转速与励磁电流波形.53 表 3.1 电机参数21 表 3.2 五种斩波方式性能比较.22 表 5.1 手动空载特性测试实验数据50 电励磁双凸极起动/发电机起动控制技术研究 VIII 注释表 一、缩略词与名称 缩略词 全称 缩略词 全称 DSEM 电励磁双凸极电机 DSPM 永磁双凸极电机 DSEG 电励磁双凸极发电机 D
