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1、开关磁阻电机调速系统设计摘 要开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctnce Drive，简称SRD）是由开关磁阻电动机、电力电子开关电路及驱动控制部分组成的高性能调速系统。开关磁阻电机具有结构简单坚固、成本低、容错能力强、调速范围宽、低速转矩大、起动电流小、转速精度高、耐高温、可频繁起动制动等优点，又在高度发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得了良好的可控性能。因此，开关磁阻电机在驱动调速领域得到了广泛的应用。本文首先介绍了课题研究背景和意义。给出了开关磁阻电机控制系统的组成、运行原理和控制方式。给出了开关磁阻电机的控制策略。在Matlab/Simulink 交互式仿真集成环
2、境下，对开关磁阻控制系统进行了建模、仿真及分析。接着，给出了开关磁阻控制系统的硬件、软件设计方案。主要包括：DSP TMS320LF2407最小系统、位置检测电路、电流检测电路、键盘和显示电路、上位机通信接口及电源系统、系统主程序、各模块初始化子程序、各功能子程序和各中断服务子程序等。最后，以三相6/4 结构小功率开关磁阻电机作为执行元件，给出了仿真结果。 关键词：开关磁阻电机；TMS320LF2407；位置检测；电流检测Switch the resistance of electrical machinery velocity modulation system designABSTRACT
3、Switched Reluctance Drive system is a high performance system, which is composed of Switched Reluctance Motor, Power electronic switching circuit and controller. Switched Reluctance Motor has not only low cost , strong structure, good fault-tolerant，wide range speed modulation , low starting current
4、, high speed accuracy, high temperature, and it can be started or stopped frequently, but also excellent controllability based on the electric and mircrocomputer . Thus, Switched Reluctance Motor is widely used in drive and speed adjustment field. Firstly, the background and significance of the proj
5、ect were given. The structure of the position control system of SRM was given.The operational principle and control modes of SRM were discussed. The output torque could be indirectly controlled by the rotor angular acceleration closed-loop control of SRM. The position control strategy was also prese
6、nted .In the Matlab/Simulink interactive simulation integrated environment, module construction, simulation and analysis of control system of SRM were given. And then, the hardware and software of control system of SRM were designed. The design of hardware mainly includes the least system of DSP TMS
7、320LF2407, the position detection circuit,the current detection circuit,the keyboard and display circuit，the communication interface of upper computer and the power system.Thedesign of software mainly includes the main procedure, the modules initialization subroutines, the subroutines and the interr
8、upt service subroutines. Finally, the experiment system was established with a threephase 6/4 structure lowpower SRM prototype as action element.The simulation results were given.Keywords: switched reluctance；DSP；TMS320LF2407；control 目录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 前言11.2 开关磁阻电机调速系统的研究历史和发展方向11.2.1 开关磁阻电机调
9、速系统的发展概况11.3 开关磁阻电机调速系统的概述21.3.1 SRD的基本结构21.3.2 SR的特点31.3.3 SRD的应用4本课题的主要任务42 开关磁阻电机的原理52.1 开关磁阻电机的基本结构及工作原理5SR电机的基本结构52.1.2 开关磁阻电机的工作原理52.2 开关磁阻电机的数学模型5绕组电感分段线性解析式62.2.2 SRM的相电压方程62.2.3 磁链方程72.2.4 绕组电流的分析72.2.5 转矩转速的控制82.3 SR电机基本控制方式83 系统主电路123.1 系统整体框架123.2 SRM功率变换器12主回路方案133.2.2 IGBT主开关管参数计算143.3
10、 IGBT驱动电路153.4 电流检测装置153.5 位置检测164 开关磁阻电机调速系统的设计174.1 开关磁阻电机调速系统的硬件设计174.1.1 SRD硬件系统结构概述174.2 基于DSP的SRD控制器174.2.1 基于DSP的SRD系统硬件介绍174.2.2 控制策略184.3 软件设计19主程序的设计204.3.2 功能子程序设计204.3.3 子程序显示20中断子程序设计215 开关磁阻调速电动机系统仿真研究235.1 SRM的控制方案235.1.1 电流斩波控制235.1.2 角度位置控制235.1.3 电压PWM控制235.2 电压PWM控制方案下SRD仿真模型的建立23
11、5.3 仿真模型与分析245.4 仿真结果266 结论31致 谢32参考文献33附录A 外文翻译原文部分34附录B 外文翻译译文部分411 绪论1.1 前言21世纪，世界的能源问题越来越严重。如何进行节能和充分的利用能源已经成为了一个关系到国家生存和民族发展的重要问题。据研究发现，几乎99%的电能由同步机发出，6070%的电能通过各种电机加以利用。在电机用电中，交流电机占80%左右，其中大多数为异步电机直接拖动。人们发现，占电机用电量一半以上的风机、泵类负载是靠阀门和挡板来调节流量和压力的，其拖动电机一般工作在恒速状态，从而造成了大量的电能浪费。如用改变电机转速的方法调节风量或流量，在压力保持
12、不变的情况下，一般可以节电2030%。为了达到这个目的，国内外的研究者投入了大量的人力、物力和财力对交流调速系统进行了研究。而开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motors，简称SRM）作为一种新型交流调速系统，正是人们在开发新型电机方向上的一个努力探索。1SRM不仅可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。由于SRM结构简单坚固、成本低、运行可靠性高，兼有直流传动和普通交流传动的优点。所以SRM主要用于调速系统中。国内外现在已经生产出许多成型的产品。包括有通用型和特殊型，容量可达5MW，转矩达1*Nm，转速达r/min。普通型产品主要用于一般供工业用，如风机、泵、卷扬机
13、、压缩机等。特殊产品主要用于牵引机车。电动汽车以及飞机的启动电动机、伺服系统以及日用家电等方面。我国在开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctance Drive，简称SRD）的理论研究以及日用家电等方面也已经取得了长足的进步，已经研制出了350W到50W多个规格的样机。实践证明，采用SRM后，成本降低，效率提高，在30%的启动电流下可以获得150%的起动转矩。SRM结构简单，容错性能强，调节性能好，可以用于飞机的启动以及风力发电等。现在也有一些研究者在研究开关磁阻电动机在直线电机中的应用。开关磁阻电动机已经向各种传统传动系统发出了挑战，正逐步应用在家用电器、一般工业、伺服与调速
14、系统、牵引电动机、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力。因此SRD具有良好的应用前景和发展潜力。1.2 开关磁阻电机调速系统的研究历史和发展方向 “开关磁阻电机”一词源见于美国学者S.A.Nasar 1969年所撰写的论文，它描述了这种电机的两个基本特征：开关性电机必须工作在一个连续的开关模式，这也是为什么在各种新型功率半导体器件问世后这种电机才得以发展的主要原因；磁阻性定、转子具有可变磁阻回路，是真正的磁阻电机。 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。但因电路断开时没有释放能量的续流二极管电路，以及采用
15、机械开关控制电磁铁的轮流通电，电动机的性能（效率、功率因素和利用系数等）不高。在此后100多年内，SR电机都没有得到重视和发展。 开关磁阻电机调速系统的发展概况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。1967年，英国的Leeds大学开始对SR电机深入研究，到1970年左右，研究结果表明：SR电机可在单向电流下四象限运行，功率变换器无论用晶体管还是用普通晶闸管，所需的开关数都是最少的；电动机成本也明显低于同容量的感应电动机。20世纪70年代初，美国福特公司研制出最早的开关磁阻电动机调速系统，其结构为轴向气隙电动机，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。1975年，英国Leeds大学和Nottingham大学的研究小组联合研制了用于电动汽车的50kwSR电机装置，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。1980年，Leeds大学的Lawrenson教授及其同事总结了自己的研究成果，发表了题为“Variable-Speed Switched Reluctance Motors（变速开关型磁阻电动机）”的论文，系统阐述了SR电机的基本原理与设计特点，并得出新型磁阻电机的单位出力可以与交流电感电机相媲美甚至略占优势的结论，这标
