电气自动化——毕业设计——开关磁阻电机控制系统设计

1、中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 学 号： 学 院： 应用技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 设计题目: 开关磁阻电机控制系统设计 专 题： 指导教师： 职 称： 讲师 2009 年 6 月 徐州中国矿业大学毕业论文任务书学院： 应用技术学院 专业年级：电气 学生姓名： 任务下达日期:2009年3月8日毕业论文日期:2009年3月9日至2009年6月15日毕业论文题目:开关磁阻电机控制系统设计毕业论文专题题目：毕业论文主要内容和要求:1. 了解开关磁阻电机工作原理。2. 设计系统主回路（主要包括功率器件选型，驱动、保护电路参数设计）。3. 设计通用电机控制系统的电路。4. 采用

2、atlabimulink实现开关磁阻电机控制系统的仿真。 院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中

3、国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要开关磁阻电动机调速系统（switched reluctnce drive，简称srd）是由开关磁阻

4、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 tms320

5、lf2407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 dsp tms320lf2407 控制 abstractswitched reluctance drive system is a high performance system, which is composed of switched reluctance motor, power electronic switching circuit a

6、nd controller. switched reluctance motor has not only low cost , strong structure, good fault-tolerant，wide range speed modulation , low starting current, high speed accuracy, high temperature, and it can be started or stopped frequently, but also excellent controllability based on the electric and

7、mircrocomputer . thus, switched reluctance motor is widely used in drive and speed adjustment field. firstly, the background and significance of the project were given. the structure of the position control system of srm was given.the operational principle and control modes of srm were discussed. th

8、e output torque could be indirectly controlled by the rotor angular acceleration closed-loop control of srm. the position control strategy was also presented .in the matlab/simulink interactive simulation integrated environment, module construction, simulation and analysis of control system of srm w

9、ere 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 tms320lf2407, the position detection circuit,the current detection circuit,the keyboard and display circuit，the communication interface of upper compu

10、ter and the power system.thedesign of software mainly includes the main procedure, the modules initialization subroutines, the subroutines and the interrupt service subroutines. finally, the experiment system was established with a threephase 6/4 structure lowpower srm prototype as action element.th

11、e simulation results were given.keywords: switched reluctance dsp tms320lf2407 control 目 录1 绪论11.1前言11.2开关磁阻电机的发展状况21.3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41.3.3 srd的应用41.4本课题的主要任务52 开关磁阻电机的原理62.1开关磁阻电机的基本结构及工作原理62.1.1sr电机的基本结构62.1.2 开关磁阻电机的工作原理62.2 开关磁阻电机的数学模型72.2.1绕组电感分段线性解析式72.2.2 srm的相电压方程82

12、.2.3磁链方程82.2.4 绕组电流的分析92.2.5 转矩转速的控制102.3 sr电机基本控制方式113 系统主电路153.1 系统整体框架153.2 srm 功率变换器153.2.1主回路方案173.2.2 igbt主开关管参数计算183.3 igbt驱动电路193.4电流检测装置203.5位置检测214 开关磁阻电机调速系统的设计234.1开关磁阻电机调速系统的硬件设计234.1.1srd硬件系统结构概述234.2基于dsp的srd控制器234.2.1基于dsp的srd系统硬件介绍234.2.2控制策略254.3软件设计264.3.1主程序的设计274.3.2 功能子程序设计284.

13、3.3 子程序显示284.3.4中断子程序设计295 开关磁阻调速电动机系统仿真研究315.1.srm的控制方案315.1.1 电流斩波控制315.1.2 角度位置控制315.1.3 电压pwm控制315.2电压pwm控制方案下srd仿真模型的建立315.3 仿真模型与分析325.4 仿真结果366 结论41参考文献：43翻译部分45英文原文45中文译文56致 谢651 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

14、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

15、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、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

16、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开关磁阻电机的发展状况磁阻电机的工作原理最早出现在19世纪40年代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力方法可以使电动机旋转是简单可行的。1842年，英国的aberdeen和davids。制造了最初的磁阻电机模型，但是由于受到当时的科技条件的

17、限制，电动机的运行特性很差，在以后的100多年的时间里，开关磁阻电机调速系统发展的很缓慢。20世纪60年代，大功率晶闸管投入使用，为srd的研究和发展奠定了重要的物质基础。1967年，英国leeds大学开始对sr电机进行深入研究，结果表明sr电机可在单向电流下四象限运行，功率变换器中的主要元件的数量少，其成本明显低于同容量的感应电动机变频调速系统。1974年，美国 fordmotor公司研制出世界上最早的srd。七十年代中期，英国leeds大学和nottingham大学共同研制以电动车辆为目的的srd，成功研制出用于汽车的装置，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l

18、eeds大学总结了他们的研究成果，发表了著名论文可变速的开关型磁阻电动机，率先将“开关磁阻” (switchedreluctanee)术语用于径向气隙电动机，系统地阐述了sr电机的工作原理及设计理论，研究了sr电机的工作特性及控制方式，这些工作被公认为sr电机研究的奠基之作。随后，美国、加拿大、南斯拉夫等国竞相开展了srd的研究工作，并在系统的一体化设计、电动机的电磁分析、微机的应用、功率元件的应用、新型结构型式等方面取得了进展。21.3开关磁阻电机调速系统的概述1.3.1 srd的基本结构开关磁阻电动机调速系统(srd)是由sr电动机、功率转换电路、控制电路及位置、电流检测器构成，如图1.1

19、所示。控制器驱动电路功率变换器srmmmmmmmm电源电流检测位置检测速度输入图1.1srd结构图1.开关磁阻电机开关磁阻电机(srm)为双凸极铁芯结构，它的定子和转子的铁芯由硅钢片叠加而成。每个定子的铁芯凸极上安装集中绕组，转子铁芯凸极无绕组，径向相对的两个定子的绕组串联成一对磁极，称为一相。sr电机可以设计成不同的相数结构，定转子的极数也有不同的搭配，相数越多，转动脉冲也越小，但是结构也越复杂。目前常用的是三相（6/4）极和四相（8/6）极。2.功率变换器功率变换器的作用是将电源提供的能量经过适当的变换提供给srm电机。由于只需要给srm电机提供单向电流，所以功率变换器的电路结构简单。开关

20、磁阻电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数以及主开关器件的种类等有关。3.控制器控制器是系统的核心，它综合处理控制台指令、转子位置信号、相电流信号以及故障信号，控制功率变换器中主开关器件的开断，实现对sr电机运行状态的控制，并完成必要的显示功能。4.位置、电流检测单元转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的依据，正确的转子位置信号是整个sr正常运行的基础。而实际电流的大小是sr中不可缺少的一个参数，实时的电流信号为电流斩波控制和防止过电流提供了根据。因而，及时地位置、电流检测是系统可靠运行的保证。1.3.2 sr的特点1.sr电机结构简单、成本低，适用于高速。sr电机是将电

21、能转化为机械能的装置，其突出的优点是电机无碳刷和换相器，转子上没有任何形式的绕组;制造成本低且转子的机械强度高，使得电动机可高速运转而不致变形;另外转子转动惯量小，易于加、减速。在定子方面，它只有几个集中绕组，线圈嵌装容易，端部短而牢固，因此制造简便，绝缘结构简单，并且发热大部分在定子，易于冷却。2.sr中功率电路结构简单可靠。sr电动机的转矩方向与绕组电流的方向无关，只需单方向来对绕组供电，故功率电路结构简单，可以做到每相只需要一个功率开关器件。只要控制主开关器件的开通、关断时间，即可改变电动机的工作状态。另外，系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通短路现象。因此，开关磁

22、阻电动机调速系统中功率电路的保护部分可以简化，既降低了成本，又具有较高的可靠性。3.sr效率高、起动转矩大。sr是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机转子不存在绕组铜耗，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。且电机起动时，只需提供较少的电流，就能使电动机获得较大的起动转矩。4.sr可控参数多，控制方式简单sr电动机的控制方式主要有以下几种:l)角度控制方式 (apc);2)电流斩波控制方式 (ccc):3)电压pwm控制方式。5.srd可靠性高sr电机不会发生感应电动机转子断裂或烧熔的故障，再加上sr电机采用简单而坚固的转子结构，由单极性功率

23、变换器供单方向电流激励，可做到磁路上各相相互独立和电路上各相相互独立，因此，该系统具有较高的可靠性和容错能力。虽然开关磁阻电机调速系统的优点很多，但是其也有缺点，最主要的是转矩脉动和引起的噪声很大。通过sr电机的正确设计和控制技术的发展，这些问题将逐步得到解决。1.3.3 srd的应用随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高，srd已有了系列化产品，其多种功率的srd在不同的工业部门和家用电器中得到应用。(1)用于龙门刨床:工艺上需要电动机能频繁起、停及正反转，开关磁阻调速电动机能较好的实现。如机械工业中龙门刨床、铣床、冶金行业的可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降等系统。(

24、2)用于纺织“探边”设备:经过纺织行业的“探边”与“对中”设备的实践使用，取得了较好的效果。对作为“探边”设备的动力，其反应速度小于0.35，即电动机运转时，接到指令后，能在0.35内实现反转，并要求在24小时内连续频繁运转，同时要求在较宽范围内进行无级调速。(3)用于家用电器:将克服当今洗衣机和空调机、电冰箱的缺陷，成为更完善新一代产品。srd具有优良的调速性能，有更高的电能机械能转换效率，特别是在中低速时，优势尤为突出。从而能有效的克服了变频调速系统的弊端，使节能更为有效。(4)在电动车驱动上的应用:由于燃油汽车废气严重污染环境，故发展和完善无污染的电动车是社会的必然。而发展电动车除了随车

25、的蓄电池要有高能量之外，再则就是要有性能和效率很优越的电动机调速系统作动力。而srd高可靠性、宽广的调速范围，卓越的起、制动性能，它是各类电动车最理想的动力之一。191.4本课题的主要任务本课题研究的主要内容如下:(1)研究sr电机的结构、工作原理和数学模型，分析了sr电机主要的控制方式，并对这些控制方式进行详细的研究。(2)研究srd的特点和组成部分，并分别对它的各个组成部分功率变换器、控制器和信号反馈系统作了详细的研究;设计系统的主回路。(3)了解采用tms320f2407设计控制器的硬件电路，结构和功能，掌握基于tms320f2407的硬件和软件的设计方法，在对srd深入研究的基础上，设

26、计了srd的硬件系统。（4）应用matlab在sr电动机进行电机的性能仿真。 2 开关磁阻电机的原理2.1开关磁阻电机的基本结构及工作原理sr电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，sr电机既可以将电能转换为机械能即电动运行，也可将机械能转换为电能即发电运行，但内部的能量转换关系不能简单看成是sr电机的逆过程。2.1.1sr电机的基本结构开关磁阻电机驱动系统(srd)由开关磁阻电机、功率变换器、控制器、检测器和plc操作台五个部分组成，其中开关磁阻电机是整个系统的执行部分。它是一个双凸极可变磁阻电机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子上既无绕组和永磁体，也无换向器和集电环。定子极上

27、绕有集中绕组，径向相对称的两组绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”。srm可以设计成多种不同相数结构，单相、双相、三相、四相和多相等，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数越多，性能越好，但是同时成本也随之增加，以三相（6/4）结构开关磁阻电机的如图2.1所示。8,9图 2.1三相（6/4）开关磁阻电机结构2.1.2 开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的转子铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。因此，只要依一定次序给定子的相绕组通电，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩，电动机转子就会连续转动起

28、来。在图 2.1中，若以图示定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给bca相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给cba相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。2.2 开关磁阻电机的数学模型开关磁阻电机是一个多变量，严重非线性的模型，它的双凸极特殊结构决定了其电感及电感变化率随转子位置而变化，在定子极与转子极对齐位置电感值最大，在定子槽与转子极对齐位置电感值最小，在这两个位置之间相电感连续变化。建立开关磁阻电机数学模型，通常有以下三种方法：线性模型、准线性模型(分段线性模型)和非线性模型。线性模型忽略了饱和及边缘效应，认为绕组电感与电流无关。准线性模型将磁化曲线分

29、段线性化，近似考虑定转子齿极重叠时的饱和。以上两种模型，电感参数有解析表达式，用于求解电机性能时，电流和转矩有解析解，一般用于定性分析3。2.2.1绕组电感分段线性解析式事实上，由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、涡流和磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性和可控性，在电机运行期间绕组电感不是常数，而是电流和转子位置角的函数。开关磁阻电机定子绕组的电流、磁链等参数随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，难以用简单的解析表达式来表示，因此很难建立精确可解的数学模型。如果不考虑电动机磁路饱和的影响，忽略相绕组的电流对电感的影响，且不考虑磁场边缘扩散效应，这个时候相绕组的电感随转子位置角的周

30、期性变化规律可用图2.2说明。 图 2.2定转子相对位置展开图及相绕组电感曲线 （21）其中： （22） 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点=0的位置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小值lmin。在1和2 (2为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相对应的位置)区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值lmin不变，这是因为开关磁阻电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以当定子凸极对着转子槽时，便有一段定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并不随转子位置变化的最小电感常数区；转子转过后，相电感便开始线性地上升直到为止，系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极

31、全部重叠，相电感变为最大值lmax；基于电机综合性能的考虑，转子极弧r通常要求大于定子极弧s，因此在和(为转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置)区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子凸极间磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值lmax；从4相电感开始线性地下降，直到处降为lmin，、均为转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。如此周而复始，往复循环。142.2.2 srm的相电压方程开关磁阻电机的相电压方程如下2： （23）2.2.3磁链方程 （24） 由初始条件，可得通电期间磁链解析式为： （25） 关断期间： （26） 随转子位置的变化曲线，如图2.3所示。图 2.3 开关磁阻电机相绕组磁

32、链曲线2.2.4 绕组电流的分析当开关磁阻电机由恒压直流电源us供电时，在绕组电感仅是转子位置的线性函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况下: （27） 也即： （28）（1）在1到2区段，l=lmin， i(on)=0(on为开始导通角)得： （29）上式表明电流在最小电感恒值区域内是直线上升的，这是因为该区域内电感恒为最小值，且无旋转电动势，因此开关磁阻电动机相电流可在该区域内迅速建立。（2）在2到off区段(off为关断角)，将上述结果作为该区段的初值条件，得 （210）（3）在off到3区段，绕组电流为 （211）（4）在3到4区段，绕组电流为 （212）（5）在4到5区段，绕组电流为 （

33、213）显然，当=2off-on时，相电流已衰减至零。这些分段电流函数可以用下面的通式统一描述，即 （214）由上式可知，绕组电流与外加电源电压us、角速度、开通角on、关断角off、最大电感lmax、最小电感lmin、定子极弧s等有关。对结构一定的电动机，在on和off不变的情况下，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。42.2.5 转矩转速的控制开关磁阻电机的转矩公式为2： （215）由此可以看出:（1）电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的，当磁导对转角的变化率大时，转矩也大。（2）电磁

34、转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电流增大后铁芯饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随电流的增大而增大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕组电流得到恒转矩输出的特性。（3）转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感曲线的上升段通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段通入绕组电流则会产生反向的电磁转矩。将绕组电流分段函数（21）表示式代入转矩公式（215）中，得到： （216）由此进一步得到： （217） （218）从式中可以看出，有两种转速控制方法： 1）改变外施电压；2）改变与开关角有关的参数f，f是代表电动机结构参数(如绕组电感和定子极弧等

35、)和控制参数(如开通角、关断角)的函数。若与开关角有关的参数f不变，则正比于us，改变其外施电压就会改变电机的转速。2.3 sr电机基本控制方式1、ccc控制电机低速运行时，反电势较小，电流变化率大，为了避免电流上升过快，超过功率开关元件和电机允许的最大电流，可以采用斩波方式限制电流，电流斩波控制方式一般应用于电机低速区。电流斩波控制的一般方法是保持开通角、关断角不变，通过主开关器件的多次导通和关断，进而将电流限制在某一值附近，借以控制转矩。它又可分为两种方式：（1）固定关断时间电流上限控制在时，功率开关器件接通，绕组电流从零开始上升，当绕组电流一旦超过电流的设定值（斩波电流上限值）时，开关管

36、关断，电流快速下降。经时间时再重新开通。如此循环，从而达到控制电流的目的。这种控制方式不足之处在于：虽然在一个控制周期内关断时间恒定，但电流下降多少，则取决于绕组的电感、电流变化率、转速等因素，因此电流的下限并不一致。如关断时间过长则相电流脉动大；如关断时间过短，则斩波频率过高。因此采用该方式的主要问题在于参数不易优化，电流脉动大，振动噪声大。（2）限制电流上、下幅值这种方法是在一个控制周期内，设定电流的最大值和最小值。当电流传感器检测的电流信号大于设定信号的最大值时，主开关断开；当续流电流衰减到设定的最小值时，主开关重新开通，如此反复。这种方式的不足之处在于：由于电感在一个周期内是变化的，故

37、电流斩波频率疏密不均，在电感变化率较大的区间，电流上升快，斩波频率较高，必须选择合适的上下限。过大则易于使电流脉动大，以至于电机噪声太大；过小，则使斩波频率过高，使主开关无法长期地承受高频下的开关损耗而被击穿。图2.4给出了电流滞环控制下的电流波形。图2.4 ccc的电流波形2、apc控制在sr电机高速运行时，为了使转矩不随转速的平方下降，在输入电压保持不变而通过改变开通角和关断角来来获得所需的较大电流，这就是apc控制。apc控制的典型相电流波形如图2.5所示： 图2.5 apc的电流波形 当开通角减小，即提前触发导通主开关，会使峰值电流加大，电源供电时间加长，因此，有效电流增大。这样，在一

38、定转速时，电磁转矩随开通角的减小而增大；在一定负载转矩时电机转速随开通角减小而增加。其中，开通角减小可延伸至出现负值，即在最小电感出现之前就开通绕组。开通角提前太多将可能导致局部瞬间出现负转矩，总效果应当综合考虑，不宜过分超前。普通开关磁阻电动机控制器常以开通角作为主要控制量，在调速系统中实现自动调节控制。关断角也可以作为控制量，实现对开关磁阻电动机的调控。不同开通角和关断角的相电流波形如图2.6和2.7所示。图2.6 不同开通角的电流波形 图2.7不同关断角的电流波形 综上分析可知，角度控制一般应用于较高速区。角度控制方式的优点在于有较大的灵活性，可同时对多种参数进行优化，效率较高，但其不足

39、之处在于其在低速区不能工作，必须配合其它方式，如电流斩波加调节角度复合控制等，因此控制起来较为复杂。5,12 3、电压斩波pwm控制电压斩波pwm控制采用的方法是：在原来主开关相控触发信号上加pwm的占空比d，从而调节施加在相绕组上的两端电压，以达到调速的目的，与电流斩波控制方式类似，提高脉冲频率，则电流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减少，但功率开关元件的工作频率增大。电压斩波控制下典型的相电流波形如图2.8所示。图2.8电压斩波控制电流波形电压斩波pwm控制又可分为斩双管和斩单管两种方式：（1）斩双管方式斩双管方式采用的方法是对每相的上、下主开关管t1、t2的相控触发脉冲信号同时施加pwm

40、调制信号，以实现调压调速控制。相电流经电源续流，其续流路径如图2.9所示。其特点为：在续流段，绕组两端的电压近似为-u，因而电流脉动大，振动噪声都较大，但有能量回馈。 图2.9 斩双管（2）斩单管方式斩单管方式采用的方法为：将pwm调制信号仅加于功率变换器的上管t1或下管t2，进行电压斩波pwm控制。相电流不经电源续流，其续流路径如下图2.10所示。其特点为：在续流段，绕组两端的电压近似为0，因而电流脉动小，振动和噪声都比较令人满意，但无能量回馈。图2.10 斩单管3 系统主电路3.1 系统整体框架 开关磁阻电动机调速系统(srd)是由sr电动机、功率转换电路、控制电路及位置、电流检测器构成，

41、如3.1图所示。图3.1系统框图3.2 srm 功率变换器功率变化器是直流电源和sr电动机的接口，在控制器的控制下起到开关作用，使绕组与电源接通或断开；同时还为绕组的储能提供回馈路径。srd系统的性能和成本在很大程度上取决于功率变换器，因此要合理设计功率变换器。性能优良的功率变换器应同时具备如下条件：（1） 具有较少数量的主开关元件。（2） 可将电源电压全部加给电动机相绕组。（3） 主开关器件的电压额定值与电动机接近。（4） 具备迅速增加相绕组电流的能力。（5） 可以通过主开关器件调制，有效地控制相电流。（6） 能将绕组储能回馈给电源。通常可以用来构成srd功率变化器的主开关器件主要有普通晶闸

42、管、大功率晶体管（gtr）、可关断晶闸管（gto）、mos场效应晶体管（mosfet）和绝缘栅双极晶体管（igbt）。其中，普通晶闸管因为没有自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高、可靠性差，构成的srd总体性能有局限性；gtr的电压、电流过载能力差，承受浪涌电流的能力差，存在二次击穿现象，不易保护；gto在不断关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，并存在管压降比普通晶闸管高、工作频率较gtr低，缓冲电路的损耗较大、门极控制较复杂等缺点；mosfet单管功率难以做得很大，若将多个单管并联以扩大容量，势必增大控制的难度并降低装置的可靠性；igbt综合了mosfet控制极输入阻抗

43、高和gtr通态饱和压降低的优点，具有工作频率较高，而且单管的电压定额与电流定额也已将做得很大，已经可以满足功率器件的要求。所以采用igbt。6综上所述，根据系统实际要求选用了igbt作为系统的功率变换单元，采用了不对称的拓扑结构，其结构如图3.2所示：图3.2 三相不对称半桥型主电路以a相为例，每相有两个主开关管（即主开关器件）v1、v2和续流二极管vd1、vd2。其中上、下两只主开关管是控制a相绕组处于通电或蓄流或断开状态。当v1、v2导通的时候，vd1、vd2截止，外加电源us加至a相绕组的两端，产生相电流ia；当v1或者v2关断的时候，a相绕组产生的变压器电动势下负上正，则vd1或vd2

44、正向导通，ia通过vd1、vd2及储能电容cs续流，cs将储存a相绕组的部分磁场能量。基于上述分析，这种不对称半桥线路具有以下特点：由于主开关管的电压定额与电动机绕组的电压额定近似相等，所以这种线路用足了主开关管的额定电压，有效的全部电源电压可以用来控制相绕组电流；由于每相绕组接至各自的不对称半桥，在线路上彼此是相互完全独立的，故这种结构对绕组相数没有任何的限制。每相需要两个主开关管，除了电动机绕组与每相开关串联，不存在上、下桥臂直通的隐患。3.2.1主回路方案如图3.3所示，l1、l2、l3为滤波电抗器，c1为滤波电容，两者的作用是为了避免此系统产生的高次谐波对主电网造成影响；当srd系统大

45、功率电路和交流电网接通是，若回路中没有限制电流的元件，则合闸瞬间整流电路中大的储能电容将电源短路，电路中有较大的浪涌电流。这个电流的大小随电源开关合闸瞬间交流电压的相位及输入回路的内阻不同而不同，即使是上百瓦数量级的供电电源，合闸浪涌电流大都高达100a200a之巨，这样大的浪涌电流不仅会引起电源开关触点的熔接，输入熔断器熔断，也会干扰相邻的用电设备，就储能电容器和整流器本身而言，多次而反复地经受大电流冲击，性能会逐渐变坏。限制合闸浪涌电流的方法是在储能电容回路串入限流电阻。合闸瞬间，充电电阻r0串入电容充电回路，待充电结束后，j闭合将r0短接。r1为放电电阻，是有dsp控制其所在支路开关的，

46、当直流母线上的电压高于预定数值的时候就打开此支路进行放电；电容组c2为冲放电电容，其作用为的是避免在系统状态转换时电压冲击；i1、i2、i3为三个lem电流互感器，在进行处理后进入dsp控制系统进行a/d转换，为双闭环系统中电流闭环的输入；la、lb、lc为开关磁阻电机的三个绕组。vd1vd6为igbt的续流二极管。25图 图3.3主回路方案3.2.2 igbt主开关管参数计算本系统中所控制的开关磁阻电机为三相6/4极、功率为75kw，采用240v的直流电源供电。功率变换电路采用三相srd系统最常用的主电路形式双开关型主电路开关磁阻电机的功率变换器工作时，主开关管承受的电压最大值等于直流电源电

47、压最大值,考虑到主开关和续流二极管开关过程中要能承受一定的瞬间过电压，所选器件的电压定额应留有安全裕量。主开关和续流二极管的电压定额一般取其额定工作电压的2到3倍。l)主电路元器件电压定额三相全波整流输出的直流电压：= 240 v主开关管和续流二极管承受的电压最大值等于直流电源电压最大值，考虑到23倍的电压裕量(这里选2.5倍)，则主开关器件和续流二极管的耐压定额为：考虑到一定的裕量，整流二极管、续流二极管和主开关器件的电压定额均取为700v。2)电流定额主开关器件(igbt)的有效值电流定额为: i1.4i=1.4*31.2=43 a igbt电流选取应该遵循其主开关电流峰值。开关磁阻电机额

48、定状态工作时igbt的开关电流可达到1.5倍的有效值电流，所以igbt电流定额为： 续流二极管承受冲击电流的能力强，其电流定额可按来确定： 3)平滑滤波电容器的计算三相全波整流输出电压的脉动周期 ()，而滤波电容c 与负载等效电阻r f 的乘积(时间常数) 应远大于脉动周期，也即:取倍数为4，设负载等效电阻为0.5欧姆，则： 所以分析，igbt、续流二极管和滤波电容可选用如表所示的型号。器件选型名称型号备注igbtdim400ddm17-a00060a/1700v续流二极管dfm600lxs1860a/1800v快恢复电容器hcgf3.3 igbt驱动电路由于igbt（绝缘栅双极型晶体管）是一

49、种电压控制型功率器件，它所需驱动功率小，控制电路简单，导通压降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力。因此，如何有效地驱动并保护igbt变得很重要。一个具有保护功能的驱动电路不但能在正常工作状态下给igbt提供所需的驱动功率，在异常工作状态下能起到保护igbt的作用，而且应当能使电力电子系统中的igbt有很好的替换特性。驱动电路的选择须遵循以下原则：1、igbt是电压驱动，具有一个2.55v的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此，igbt对栅极电荷聚集很敏感，要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与igbt的连线要尽量短。2、用小内阻的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后

50、沿，使igbt的开关损耗尽量小。3、驱动电平增大时，igbt通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时流过的电流增大，igbt能承受的短路电流的时间减少，对其安全不利，一般选为12v15v。4、在关断过程中，为尽快抽取存储的电荷，须施加一个负偏压，但此负压受igbt的g、d极间最大反向耐压的限制，一般取2v5v。5、大电感负载下，igbt的开关时间不能过分短，以限制所形成的尖峰电压，保护igbt的安全。6、由于igbt在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。7、igbt的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对igbt的保护功能，并有较强的抗干扰能力。3.4

51、电流检测装置电流通过检测装置输入到系统的adc端口，dsp根据a/d转换的结果和期望值之间进行比较，根据电流误差，控制器在每个pwm周期开始对pwm脉冲的占空比进行调节，实现对各个igbt的开通和关断进行控制，从而实现对三相绕组中电流的闭环控制。所以电流传感器在系统中占有很重要的地位。常见的电流检测通常有分流器、互感器、霍耳、光纤，表3.2是这几种检测装置之间的比较，如下表：序号 比较类型 分流器 互感器 霍耳 光纤 1 插入损耗 有 无 无 无 2 布置方式 需串入主电路 开孔，导线穿过开孔，导线穿过 3 测量对象 直流、交流、脉冲 交流 直流、交流、脉冲 直流、交流 4 电气隔离 无隔离 隔离 隔离 隔离 5 精度 一般较低 较低 闭环型精度高 较高 6 频带响应 10mhz 1khz 50khz 1mhz 7 使用方便性 小信号放大 需隔离处理 使用较简单 使用简单 8 适用场合 小电流 控制测量 交流测量 电网监控 控制测量 高压测量 电力系统常用 9 价格 较低 低 高 很高 从表中我们可看出：分流器成本低、频响好但使用麻烦，互感器只能测量交流，霍耳传感器性能好使用方便但价格稍高。对于大功率开关磁阻电机来说，