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1、河南科技学院2009届本科毕业论文（设计）论文题目：开关磁阻电机软特性的软件设计学生姓名：李广明 所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：赵明富 王 超完成时间：2009年5月20日 目 录1 绪论12 设计要求13 系统结构及特点13.1 SRD的组成及工作原理13.2 SRD主要技术特点34 开关磁阻电机软特性的实现原理44.1 开关磁阻电机软特性分析44.2 开关磁阻电机软特性实现原理44.2.1 转矩的计算44.2.2 开关磁阻电机软特性调速系统控制策略65 开关磁阻电机软特性的软件设计75.1 软件设计概述75.2 主程序设计85.3 软特性的实现95.4 PI调节器的
2、设计105.5 子程序设计125.6 可视化控制软件PC master155.6.1 监控界面165.6.2 监测功能166 结束语17致谢18参考文献19附录 程序清单201 绪论开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，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。开关磁阻电机及其调速控制系统（Switched Reluctance Drive，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。近几年来开关磁阻电机在许多电力传动领域得到了广泛的应用，比如在城市电动汽车
3、、矿山井下电动机车、油田抽油机、家电领域上都可以与直流调速电机和变频调速电机一较长短。随着电力电子技术和控制技术的发展，开关磁阻电机及其调速控制系统将有更广泛的发展和应用前景。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软特性的电机驱动，即直流电动机的串励特性。而开关磁阻电机具有起动电流小、控制灵活等优点，因此研究开关磁阻电机软特性调速系统具有十分重要的意义。开关磁阻电机软特性调速系统的研究，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。2 设计要求本课题设计的开关磁阻电机软特性调速系统，其主要功能有：正反转、大范围内平滑
4、调速；软特性参数的在线调整；软、硬特性运行方式的选择，并具有各种保护功能。具体研究内容如下：学习DSP56F803的使用，设计以该芯片为核心的SR电机软特性调速系统,实现软特性曲线给定及调速、电机正反转，转速、电流的显示功能。,研究开关磁阻电机的转矩与电流之间的关系，实现一种较为简便、快速、实用的计算转矩的方法。开关磁阻电机软特性调速系统的软件设计，使系统能够实现电机起动，软特性调速和保护功能。并利用PC master的可视化控制软件。能够在上位机上实现对系统的实时监控功能。3 系统结构及特点3.1 SRD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
5、示1。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，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电机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。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图1 SRD基本构成图2 SR电机工作原理图2表示三相SR（12/8极）电机的横截面和一相电路的原理示意图。S1、S2是电子开关，D1、D2是二极管，E是直流电源。当定子A相磁极轴
6、线OA与转子磁极轴线Oa不重合时，开关S1、S2合上，A相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。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，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA趋近。当OA和Oa轴线重合时，转子已达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失，转子不再转动。此时打开A相开关S1、S2，合上B相开关，即在A相断电的同时B相通电，建立以B相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方向转过30，
7、转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过15。依此类推，定子绕组A-B-C三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距（），对于三相12/8极开关磁阻电机，=45，定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了330=90空间角。可见，连续不断地按A-B-C-A的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿A-B-C-A的方向不断移动，转子沿A-C-B-A的方向逆时针旋转。如果按A-C-B-A的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着A-C-B-A的方向转动，转子则沿着与之相反的A-B-C-A方向顺时针旋转。3.2 SRD主要技术特点5从结构和运行原理上看，SR电机可以说是一种高速大步距的反应式
8、步进电动机。两者的主要差别在于：步进电机作为一种信息传输、实现角位移精密传动的执行机构，它的转子轴运动服从电源的换相，而电源的换相通常是与转子位置无关的，属于转子位置开环控制；SR电机则不同，其定子供电电源的换相与转子位置直接有关，必须根据转子位置传感器提供的位置反馈信息来实现，属于转子位置的闭环控制。从运行状态上看，也可将SR电机调速系统视为无刷直流电机调速系统的发展，两系统中电机均运行在自同步状态。但无刷直流电机的转子有励磁，定子多相绕组由逆变器提供交流电源；SR电机的转子则为反应式，无须励磁，定子绕组由直流脉冲电源供电，仅由简单的开关即能实现，这使得电机结构和变换器结构都得到简化。SR电
9、机调速系统具有如下基本特点。电机结构简单、适宜在恶劣条件下的可靠运行。SR电机的突出优点是转子上没有任何形式的绕组，亦无需采用永磁体构成转子磁极，因此最大速度不受限制，可达100000 r / min，也无高温退磁之忧。定子线圈为集中绕组，端部短而牢固。所以电机易于冷却。适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。转矩方向与定子绕组电流方向无关，只需要单向的电流励磁，因此可以减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本。另外，SR电机调速系统中每个功率开关器件均直接与绕组串联，根本上避免了直通短路现象。从而简化了控制保护单元的要求，既降低了成本，又具有高的可靠性。从控制结构上看，各相绕组相互独立工作，所以
10、系统可以缺相运行，容错能力强，适宜在如航天飞机、电动汽车等特殊场合作为起动机或驱动系统使用。可控参数多，调速性能好。控制SR电机调速的主要参数有四个：开通角、关断角、相电流幅值和相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便。采用不同控制方法和参数值，不仅能使系统工作于最佳状态（如出力最大、效率最高等），而且可以实现各种不同的功能和特定的运行曲线，如使电机具有完全相同的四象限运行能力，并具有高起动转矩和串励电动机的负载曲线。在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率，适用于频繁起停及正反向转换运行。当然，SR电机调速系统也有其明显的缺点，即转矩脉动及噪声问题。这是由于SR电机固有的双凸极工作机理
11、引起的。然而，经验表明，通过合理的设计电机结构以及采用先进的控制方法，再结合良好的加工工艺，转矩脉动和噪声完全可以控制到可以接受的水平之内。SRD良好的调速性能、宽广的调速范围、以较小的起动电流获得较大的起动转矩、对称的四象限运行特性等一系列突出的优点，显然对于满足需软特性驱动的系统提供了完全的可行性。4 开关磁阻电机软特性的实现原理4.1 开关磁阻电机软特性分析简单的开关磁阻电机的软机械特性曲线如图3，图4所示。图3 图4 图3对应着给定不同空载转速n0，硬度相同时的机械特性曲线，图4对应着当空载转速相同，机械特性硬度（斜率k）不同时的特性曲线。由图4可得到转速与转矩的关系式： （1）开关磁
12、阻电机软特性调速系统能够满足一些特殊负载的要求，即当负载增加或减小时，转速能够根据要求相应的变化，使得开关磁阻电机的机械特性呈现软特性。此系统的实现关键要解决两个主要问题：负载的检测。这主要是通过检测负载转矩来判断。负载转矩的检测比较简便的方法即为采用扭矩传感器，但采用扭矩传感器成本太高，因此本文设计的系统采用间接方法来检测转矩。开关磁阻电机软特性调速系统的实现。即为调速系统的软硬件设计，使系统能够实现软特性控制，响应速度快，动态性能好，抗干扰能力强。4.2 开关磁阻电机软特性实现原理4.2.1 转矩的计算实用中，为避免繁琐的计算，又近似的考虑磁路的饱和效应，常借助准线性模型，即将实际的非线性
13、磁化曲线分段线性化，同时不考虑相间耦合效应，做这样的近似处理后，每段磁化曲线均可解析2。开关磁阻电机转矩与电流的关系式为： （2） 即SR电动机相电流很小，磁路不饱和时，电磁转矩与电流的平方成正比。而若绕组电流较大，则SR电动机运行在饱和状态，这时电磁转矩与电流的一次方成正比关系，即：当电流较小时，转矩与电流成二次曲线关系，当电流较大时，电流与转矩成线性关系。因此由得到的数据可以用最小二乘法模拟曲线。曲线的函数由两部分构成，即y1=ax2+bx+c xx1 式3中的分界点x1，即对应着式2中的i1，而这个分界点的确定是非常复杂的，为了简化过程，采用数学分析的方法来确定。转矩与电流的测量关系与拟
14、合的关系曲线对比如图5：图5 转矩与电流的关系拟合曲线转矩与电流的关系曲线由两部分（二次曲线和一次曲线）构成，分别对这两部分运用最小二乘法拟和曲线。为了寻找x1点，设点xn，在xxn范围内拟合的曲线为y1=ax2+bx+c，在xxn范围内拟合的曲线为y2=px+q。最佳的分界点xn即为使得R(n)最小的点。利用matlab仿真可以得到，当n=11时，具有最小的R（n），此时电流值x(11)=7.4A，所以在计算转矩时，当电流值小于7.4A时，采用二次曲线计算，当大于7.4A时，采用线性关系计算。计算公式为（式4）：y1=0.1913x2+0.3926x-1.6043 x7.4 （4） 4.2.
15、2 开关磁阻电机软特性调速系统控制策略3本系统采用的控制策略如下：起动方式：由于单相起动不如单双相起动可靠，并且在起动过程中为了确定转子绝对位置，若给不恰当的两相通电，可能使电机产生抖动，所以本系统采用单双相混合起动、单三拍（A-B-C）运行方式。在图2-4中可以看到给定转速后面加了一个给定积分器，给定积分器是将给定阶跃信号变成随时间按照一定斜率线性变化的输出信号,使电动机能够平稳缓慢地起动，避免产生冲击。控制方式：电压斩波控制从低速到高速运转不存在控制方式转换问题，既能用于高速运行，又适合于低速运行。所以本文选择定角度电压斩波方式，开通角0，关断角15。从减小电流峰值及脉动，提高系统效率出发，采用斩单管的电压斩波方式。为防止电流峰值过
