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1、. . 小功率开关磁阻电机控制与驱动系统的设计毕业论文目录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 开关磁阻电机的发展11.2开关磁阻电机调速系统的特点和应用领域11.3当前的主要研究热点和发展方向31.4本课题主要工作4第二章 开关磁阻电机的基本理论分析52.1开关磁阻电动机调速系统的组成52.2开关磁阻电动机结构与运行原理52.3 开关磁阻电机的基本方程72.4 基于理想线性模型的SR电动机分析82.4.1 SR电机的相电感模型82.4.2 SR电机的电磁转矩92.5 考虑磁路饱和时SR电动机的分析102.6 SR电机的基本控制方式122.7 开关磁阻电机调速系统总体方案的确定13第三
2、章 小功率开关磁阻电机驱动系统硬件设计153.1开关磁阻电机的参数153.2功率变换器的结构设计153.2.1主电路拓扑结构介绍153.2.2功率电路的设计193.2.3功率变换器的驱动电路设计213.2.4 功率缓冲吸收电路设计2233驱动系统设计243.3.1总体设计243.3.2控制核心AT89C51功能253.3.3 电机智能控制模块MCSRD9800253.3.4 位置检测部分设计283.3.5 电流检测部分设计303.3.6角度细分电路313.3.7 D/A转换与斩波电路323.3.8 优先编码电路333.3.9逻辑综合电路343.3.10显示电路343.3.11单片机最小系统35
3、第四章 4KW开关磁阻电机驱动系统软件设计374.1主程序374.2运行子程序394.3相中断程序414.4 INTO中断子程序434.5 软件抗干扰措施43致谢45参考文献46 / 第一章 绪论1.1 开关磁阻电机的发展20世纪60年代以前,在需要可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域中,直流传动系统一直占领统治地位。自60年代以后,随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展,交流电气传动技术发生了日新月异的变化,特别是异步电动机矢量控制和直接转矩控制理论的产生及应用技术的推广,使得异步电动机变频调速系统具备了宽调速范围、高稳态精度,快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能,其动、静态
4、特性完全可以和直流传动系统相媲美,于是出现了交流传动取代直流传动的趋势。但是,异步电动机变频调速系统也尚有一些未尽如人意之处。 正是在电气传动技术得到迅猛发展的时代背景下,20世纪80年代国际上推出了一种新型交流电动机调速系统开关磁阻电动机调速系统。它融新的电动机结构开关磁阻电动机与现代电力电子技术、控制技术为一体,兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的优点,已成为当代电气传动的热门课题之一。1.2 开关磁阻电机调速系统的特点和应用领域开关磁阻电机是一种新型调速电机,调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点,是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。开关磁阻电机
5、调速系统的特点：（1） 电动机结构简单、成本低、适用于高速开关磁阻电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单,其突出的优点是转子上没有绕组,因此不会有鼠笼式感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题。开关磁阻电动机的转子机械弹性很好,可以用于超高速运转如1000r/min。在定子方面,它只有几个集中绕组,因此制造简单,绝缘容易。2各相工作独立、系统可靠性高从电动机的电磁结构上看,各相绕组和磁路相互独立,各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生圆形旋转磁场,电动机才能正常运转。从控制器结构上看,各相电路各自给一相绕组供电,一般也是相互独立工作。
6、可见,当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时,只须停止该相工作,电动机除总输出功率能力有所下降外,并无其他影响,因此开关磁阻电动机调速系统可以构成可靠性很高的系统,可以适用于一些特殊的场合,比如航天领域。3功率电路简单可靠开关磁阻电机转矩方向只与各相通电顺序有关,而和绕组电流的方向无关,即只需要单方向绕组电流,故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比感应电动机绕组需流过双向电流,向其他供电的PWM变频器中功率电路每相需两个功率元件。因此开关磁阻电机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率元件少,电路结构点单,另外,感应电动机PWM变频器功率电路中每桥臂两个功率开关直接跨接在直流电源侧,易
7、发生直通短路烧毁功率元件。而开关磁阻电机调速系统中每个功率元件均直接与电动机绕组相串联,根本上避免了直通短路现象,因此开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化,即降低了成本,又具有较高的工作可靠性。4起动转矩高,启动电流小控制器从电源侧吸收较少的起动电流,在电机侧得到较大的起动转矩是开关磁阻电动机调速系统的一大特点。典型的产品数据是：起动电流为15%额定电流时获得起动转矩为100%的额定转矩；起动电流为额定值的30%时,起动转矩可达额定值150%。对比其他调速系统的起动特性,如直流电动机100%起动电流,获得100%起动转矩；鼠笼感应电动机为300%的起动电流,获得100%的起动转矩
8、。起动电流小起动转矩大的优点还可以延伸到低速运行段,因此该系统十分适合那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械,如电动车辆。（5） 可控参数多,调速性能好控制开关磁阻电机的主要运行参数和常用方法有：开通角,电流PWM,电压PWM等。可控参数多,意味着控制灵活方便,可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况,采用不同的控制方法和参数值,既可以使之运行于最佳状态如最大出力、效率最高等,还可以使之实现各种不同的功能和特性曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行能力,并具有高速起动转矩和串激电动机的负载能力曲线。6适用于频繁启动、停车以及正反转运行开关磁阻电动机调速系统具有的高起动转矩,低起动电流的
9、特点,使之在起动过程中电流冲击小,电动机和控制器发热与连续额定运行时相比还小。可控参数多使之能在制动运行同电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用于频繁启动、停车以及正反转运行,次数可达1000次/小时。（7） 效率高,损耗小开关磁阻电动机调速系统是一种非常高效的系统。这是因为一方面电动机转子上无绕组,没有铜耗,另一方面电动机可控参数多,灵活方便,易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。其系统效率在很宽范围内都在87%以上,这是其他一些调速系统不容易达到的。将该系统和PWM变频器带鼠笼感应电动机的系统进行比较。该系统在不同转速和不同负载下效率均比变频器
10、系统高,一般要高5%左右。开关磁阻电动机调速系统作为一种新型的调速系统,兼有直流传动和普通交流传动的优点,以向各种传统调速系统挑战的势头正在逐步应用在家用电器、一般工业、伺服与调速系统、牵引电动机、高速电动机、航天器械以及汽车辅助设备等领域,显示出强大的市场竞争力。开关磁阻电动机由于具有串励直流电动机的特性,因此在发展的初期主要应用在电力机车的牵引上。随着进一步的发展,开关磁阻电动机调速系统将逐渐占据电气传动市场。另外,对于低压、小功率的应用场合,开关磁阻电动机远优于普通的异步电动机和直流电动机。例如使用开关磁阻电动机驱动风扇、泵类、压缩机等,可以在宽广的速度范围内实现高效率的运行,且节能明显
11、,可以在短期内收回成本。经济型小功率开关磁阻电动机调速系统有广阔的市场,尤其是在家用电器方面的应用。1.3 当前的主要研究热点和发展方向开关磁阻电动机调速系统同样也存在一些自身的不足和缺点,这主要表现在以下几个方面：1系统采用的是磁阻式电动机,其能量转换密度低于电磁式电动机。2开关磁阻电动机运行时转矩脉动较大,通常转矩脉动的典型值为15%,由转矩脉动导致的噪声问题以及待定频率下的谐振问题也较为突出。3开关磁阻电动机相数越多,主接线数越多。4系统运行需要电动机位置信号的反馈,而位置传感器的引入使电动机结构复杂,安装调试困难。电动机和控制器之间的连线增加,而且位置传感器的分辨率有限,使系统的运行性
12、能下降。5笼型异步电动机可以直接接入电网稳定运行,可以没有控制环节,而开关磁阻电动机必须配合控制器才能稳定工作。针对上述缺点,国内外对开关磁阻电动机调速系统做了进一步的研究,研究的方向有：进一步完善开关磁阻电动机的设计理论,建立一套效率高、适用于工程设计要求的优化设计法。（1） 加强对铁心损耗理论的研究。（2） 加强对转矩脉动及噪声的理论研究,提高电机的功率因数。（3） 改善电机静态及动态性能仿真模型。（4） 完善开关磁阻电动机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计。（5） 实用无位置传感器方案的研究。（6） 开关磁阻电机转矩波动最小化技术。14本课题主要工作基于优良的性能特点,研究开关磁阻电
13、机调速系统具有十分重要的意义。本文在以前研究工作的基础上,研究小功率开关磁阻电机的驱动系统,设计一个开关磁阻电机的驱动系统控制器。论文的主要工作包括以下几个方面： 1介绍开关磁阻电机调速系统的发展、基本特点和应用领域及发展方向； 2从理论方面深入研究分析开关磁阻电机的结构和运行原理； 3研究开关磁阻电机调速系统的组成、控制方法和运行原理； 4功率变换器电路设计和驱动系统的硬件电路设计； 5编写控制系统的软件设计流程,实现控制策略；第二章 开关磁阻电机的基本理论分析21开关磁阻电动机调速系统的组成开关磁阻电动机调速系统是一种新型机电一体化交流调速系统,主要由四部分组成：开关磁阻电动机、功率变换器
14、、控制器和检测器,如图2-1所示。 图2-1 开关磁阻电机调速系统框图1 SR电动机是SR系统中实现机电能量转换的部件,其结构和工作原理都与传统电机有较大的差别。2功率变换器是SRD系统能量传输的关键部分,是影响系统性能价格比的主要因素,起控制绕组开通与关断的作用。由于SR电机绕组电流是单向的,使得功率变换器主电路不仅结构简单,而且相绕组与主开关器件是串联的,可以避免直通短路危险。SR电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类有关。 3控制器是SRD系统的核心部分,其作用是综合处理速度指令、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
15、的通断,实现对SR电动机运行状态的控制。 4检测单元由位置检测和电流检测环节组成,提供转子的位置信息以决定各项绕组的开通与关断,提供电流信息来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电流。22开关磁阻电动机结构与运行原理 SR电动机的运行遵循磁阻最小原理磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子某相绕组通电时,所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力,试图使相近的转子极旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置,即磁阻最小位置。图2-2 SR电动机结构原理图下面以三相128极开关磁阻电动机为例,来说明开关磁阻电动机的运行机理。 如图2-2所示,图中只画出了A相绕组及供电线路,其他各相与之相同。其中S1、S2是功率电子开关,D1、D2是二极管,E是直流电源。当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线Oa不重合时,开关Sl、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
