基于DSP的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)功率變換器設(shè)計.doc

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院畢 業(yè) 論 文 2013 屆 電氣工程及其自動化 專業(yè) 1106972 班級題 目基于DSP的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)功率變化器設(shè)計 姓 名 李朝鵬 學(xué)號 110697205 指導(dǎo)教師 崔建鋒 職稱 副教授 二一三 年 五 月 二十 日內(nèi) 容 提 要 開關(guān)磁阻電機（SRM）是一種伴隨著電機學(xué)，微電子學(xué)，電力電子技術(shù)，智能控制技術(shù)發(fā)展起來的一種新型電機。因其結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、可四象限運行、可靠性高、能在較寬的速度和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運行，而在車輛牽引，生活電器，機械等越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時，關(guān)于開關(guān)磁阻電機驅(qū)動的一些技術(shù)難題也成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱門課題。本文首先介紹SRM的結(jié)構(gòu)原理、特點及控制方式，然后以8/6極開關(guān)磁阻電機（SRM）為控制對象，以DSP TMS320F2407為核心，主要進(jìn)行功率變換器設(shè)計。通過對常見的幾種功率變換器主電路比較，選用H橋式主電路，功率開關(guān)管采用IGBT，IGBT由芯片EXB841驅(qū)動。理論上，該設(shè)計正確可行。關(guān)鍵詞 開關(guān)磁阻電機 IGBT DSP 驅(qū)動 功率變換電路AbstractSwitched reluctance motor (SRM) is a kind of new motor developed with the development of electrical machinery, microelectronics, power electronics technology, intelligent control technology .It is simple in structure, control of quadrant operation flexible, can be, high reliability, can be in a wider speed and torque range efficient operation features, its advantage technical performance and economic indexes in the domestic and foreign gets more and more extensive attention. This topic provides a based on digital signal processing (DSP) of switched reluctance motor current control scheme. Several common power converter main circuit based on the comparison, choose H bridge type main electric circuit .This article put forward the special require of drive circuit to Insulation Grid Bipolar Transistor and consider the problem of designing the drive circuit, describe the common style of drive circuit, and give some practical and typical circuit. In theory, the design is feasible.Key Wordsswitched reluctance motor，IGBT, digital signal processing, drive, power transfer circuit目 錄1. 緒論.11.1開關(guān)磁阻電機的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀.11.2開關(guān)詞組電機調(diào)速系統(tǒng)（SRD）的優(yōu)缺點.21.3當(dāng)前SRD的研究方向.21.4本文主要研究的內(nèi)容.42. 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理.52.1開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的組成 52.2開關(guān)磁阻電機工作原理.8 2.2.1 SRM運行過程分析.8 2.2.2 SR電機的工作原理.103. 控制器設(shè)計14 3.1 轉(zhuǎn)子位置檢測電路14 3.2 電流檢測電路15 3.3 邏輯組合電路16 4. 功率變換器設(shè)計174.1功率變換器簡介.174.2功率開關(guān)器件的選擇.184.3功率變換電路設(shè)計.214.4 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計.215. 軟件設(shè)計27致謝.31參考文獻(xiàn).31第一章 緒論1.1開關(guān)磁阻電機的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀開關(guān)磁阻電機，英文全稱switch reluctance motor(SRM),最早起源于1838年英格蘭學(xué)者Davidson制造的一臺用以推動蓄電池機車的驅(qū)動系統(tǒng)。由于其采用的是機械開關(guān)而使得運行特性、可靠性等綜合性能較低，所以當(dāng)時并沒有引起人們特別的關(guān)注。直到上世紀(jì)20年代，英國學(xué)者C.L.Walker發(fā)明并取得步進(jìn)電機的專利后，現(xiàn)代VR步進(jìn)電機和開關(guān)磁阻電機才露出雛形。隨著電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)磁阻電機又逐步進(jìn)入人們的視線.伴隨著本世紀(jì)50年代末晶閘管的出現(xiàn),70年代后各種高速、全控型開關(guān)器件的先后問世帶來的電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展,以及控制技術(shù)及計算機技術(shù)日新月異的進(jìn)步,SRM這種結(jié)構(gòu)上最簡單的電動機,又引起人們的研究興趣。由英國Leeds 大學(xué)和Not Gingham大學(xué)聯(lián)合組成的研究組,研制出由開關(guān)控制器與磁阻電動機相結(jié)合的開關(guān)磁阻調(diào)速電動機。同時,還發(fā)表了一批具有深遠(yuǎn)影響的、系統(tǒng)闡述其工作原理、設(shè)計及控制等方面的論文,于1983將名為0ulton的產(chǎn)品投放市場。1988年后又推出了其第二代產(chǎn)品。繼英國之后,美國、德國、法國、意大利、加拿大、新加坡等國家及我國相繼開展了這方面的研究工作。近20年來，SR電機的研究在國際上取得了很大的發(fā)展，但作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，研究的歷史還較短，由于這是一種涉及到電機學(xué)、微電子、電力電子、控制理論等眾多學(xué)科領(lǐng)域的高端技術(shù)，加之其復(fù)雜的非線形特性，使其研究更加困難，在電機理論、性能分析和設(shè)計等方面都還不夠成熟、完善，存在大量的工作要做，如鐵心損耗、轉(zhuǎn)矩波動和噪聲的理論研究，SR電機磁場的三維有限元分析，電機設(shè)計優(yōu)化及控制參數(shù)的優(yōu)化，SR電機的測試，無位置傳感器的SR電機，新結(jié)構(gòu)SR電機的開發(fā)等。1.2 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)（SRD）的優(yōu)缺點優(yōu)點：1) 電動機結(jié)構(gòu)簡單、堅固，制造工藝簡單，成本低，轉(zhuǎn)子僅由硅鋼片疊壓而成，可工作于極高轉(zhuǎn)速；定子線圈為集中繞組，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環(huán)境。2) 功耗主要產(chǎn)生在定子，易冷卻；轉(zhuǎn)子無永磁體，允許較高的溫升。3) 轉(zhuǎn)矩方向與相電流無關(guān)，從而可減少功率變換器的開關(guān)器件數(shù)，降低系統(tǒng)成本。4) 功率變換器不會出現(xiàn)直通故障，可靠性高。5) 轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無異步電動機在起動時出現(xiàn)的沖擊電流。6) 調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性。7) 在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高效率。8) 能四象限運行，具有較強的再生制動能力。缺點：轉(zhuǎn)矩脈動大，震動與噪聲大1.3 當(dāng)前SRD的應(yīng)用領(lǐng)域及研究方向目前，開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)因其優(yōu)越的性能而得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)品已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于電動車驅(qū)動系統(tǒng)、生活電器（洗衣機）、工業(yè)生產(chǎn)（風(fēng)機、泵、壓縮機等）、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、高轉(zhuǎn)速電機（用于紡織機，航空電動機，電動工具、離心機傳動等）。功率范圍從10W到5MW，轉(zhuǎn)速上限高達(dá)100000r/min，幾乎難以找到SR電機不適合的領(lǐng)域。SRD作為一項方興未艾的新技術(shù)涉及到電機學(xué)、微電子、電力電子、控制理論等多學(xué)科領(lǐng)域，而目前得發(fā)展現(xiàn)狀，無論是理論上還是應(yīng)用上都有待進(jìn)一步的提高和完善。目前SRD的研究主要集中在以下幾個方面： (1) SRM設(shè)計方面的發(fā)展。SRM的非線性使其性能的精確分析和計算較為 困難，目前普遍采用二維非線性有限元法分析SRM內(nèi)部的飽和磁場，同時也開展 了 SRM三維場的研究。(2)加強對鐵心損耗的理論的研究。SR電動機磁場特征的非線性導(dǎo)致相繞 組供電電壓和電流波形較為復(fù)雜，一般為單向脈動的非正弦波，面臨的問題主要是如何建立準(zhǔn)確、適用的鐵心損耗計算模型和分析、測試手段。(3)功率變換器設(shè)計方面的發(fā)展目前小功率SRD常用MOSFET作為主開關(guān)，較大功率則采用IGBT,而主開關(guān)器件的電流定額必須根據(jù)電機、功率變換器和控制器三者整體優(yōu)化設(shè)計情況來確定。對于功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)研，目 前提出了較多方，可根據(jù)需要選用?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計方面的研究SRM基本控制策略為電壓（或電流）斬波控制下的恒轉(zhuǎn)矩控制和角度位置控制下的恒功率控制兩種D但簡單地運用這兩種控制方法難以獲得理想的輸出特性，應(yīng)根據(jù)電動機不同工作條件采用不同的組合控 制策略。由于SRD具有嚴(yán)重菲線性及變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)、數(shù)學(xué)模型難以精確建立的特點， 采用常規(guī)的線性系統(tǒng)控制方法難以取得理想的動、靜態(tài)性能，現(xiàn)在一般采用的是 基于現(xiàn)代控制理論的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等自適應(yīng)控制手段：(4)轉(zhuǎn)矩脈動及其引起的嗓聲是SRD個頗為突出的缺點，研究抑制SRM的振動和噪聲也是改善SRD性能的重要課題一減少SRM的振動、噪聲的關(guān)鍵在于減小作用在定子上的徑向力大小應(yīng)從SRM自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制手段兩方面加強研究除了在理論方面加強研究外還應(yīng)結(jié)合實際給出了一種簡單實 用的工程解決方法。(5)無位置傳感器的SRD系統(tǒng)的研制，位置閉環(huán)控制是開關(guān)磁阻電動機的基本特征，但它的存在會使電機結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點變得遜色，降低了可靠性，為此探索實用的無位置檢測器方案是十分引人注目的課題；應(yīng)用方面的發(fā)展。經(jīng)過多年的努力目前SRD的應(yīng)用領(lǐng)域已從最初側(cè)重于牽引運輸發(fā)展到家用電器、一般工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)高速電動機、航 天器械及汽車輔助設(shè)備等領(lǐng)域，顯示出強大的市場競爭。1.4 本文研究的主要內(nèi)容 1.開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的組成2.開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)原理及控制方式 3.常用功率開關(guān)電路類型及性能比較 4.開關(guān)管驅(qū)動電路設(shè)計第二章 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)組成及工作原理2.1 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的組成開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)，在國際電氣傳動界稱之為switched reluctance motor drive，簡稱SRD。 SRD是一種變速傳動系統(tǒng)，主要由開關(guān)磁阻電機（SRM）、功率變換器、控制器和位置檢測器四部分組成，是當(dāng)今世界上最新型、性價比最高的調(diào)速系統(tǒng)。如圖2.1所示：電源功率變換器器SRM負(fù)載驅(qū)動電路電流檢測器位置檢測器給定命令控制器速度檢測器 圖2.1 SRD組成結(jié)構(gòu)下面對開關(guān)磁阻電機四部分進(jìn)行介紹：（1） 功率變換器 功率變換器是連接電源和電動機繞組的開關(guān)部件。通過它將電源能量饋入電機，也可將電機內(nèi)的磁場儲能反饋回電源，其功率變換電路所用的開關(guān)部件為快速絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）.有三種基本的功率變換器電路：不對稱半橋電路、雙繞組電路、裂相式電路。不對稱半橋的主電路為單電源供電方式，每相有兩個主開關(guān)，工作原理簡單，控制起來靈活，流經(jīng)主開關(guān)的電流小，適配電機的范圍大；雙繞組電路的主電路的特點是有一個初級繞組和一個次級繞組，與完全偶合（經(jīng)常采用雙股并繞），所需主開關(guān)數(shù)目少；裂相式主電路以對稱電源供電，每相只有一個主開關(guān)，上橋臂從上電源吸收能量，并將剩余的能量回饋到電源，或從下電源吸收能量回饋到上電源，所需主開關(guān)數(shù)目少。由于各主電路的開關(guān)總伏安容量大致抵消相等，成本相差不大。在此需要特別指出，它與眾不同的是，開關(guān)磁阻調(diào)速節(jié)能電機系統(tǒng)很容易通過改變電動機的工作方式和控制參數(shù)實現(xiàn)不同的性能特點和滿足特殊的性能指標(biāo)，尤其當(dāng)采用微控制機為控制核心時，往往只需通過修改軟件，便能滿足用戶不同的性能要求。（2） 控制器和位置檢測器 控制器綜合處理位置檢測器、電流檢測器、速度和電流等反饋信息及外部輸入的指令，實現(xiàn)對SR電機運行狀態(tài)的控制，是SRD的指揮中樞?？刂破饕话阌蓡纹瑱C及外圍接口電路等組成。在SRD中，要求控制器具有以下性能：電流斬波控制角度位置控制啟動、制動、停車及四象限運行 速度調(diào)節(jié) 位置傳感器向控制器提供轉(zhuǎn)子位置及速度等信號，使控制器能正確的決定繞組的導(dǎo)通和關(guān)斷的時刻。通常采用光電元件、霍爾元件或電磁線圈法進(jìn)行位置檢測，采用無位置檢測的方法是SRD的發(fā)展方向，對降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。（3）開關(guān)磁阻電機（SRM）SRM電動機是 SRD系統(tǒng)中實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的部件，其結(jié)構(gòu)和工作原理都與傳統(tǒng)電機有較大的差別。 SRM的定子和轉(zhuǎn)子鐵是由硅鋼片疊裝而成的，在定子鐵心內(nèi)圓周和轉(zhuǎn)子鐵心外圓周均分布齒和槽，齒又稱凸極，即所謂雙凸極結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子上無繞組也無永磁體，定子鐵心每個齒上安裝像直流電機主磁極繞組一樣的集中繞組，定子內(nèi)圓周上相對的兩個繞組可串聯(lián)或并聯(lián)在一起，構(gòu)成“一相”如圖所示為一臺極SRM圖2.2 三相6/4極 SRM 的結(jié)構(gòu)原理圖SRM 電動機可以設(shè)計成單相，三相，四相或更多結(jié)構(gòu)，且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。相數(shù)增多，有利于減少轉(zhuǎn)矩脈動，但導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主開關(guān)器件增多，成本增高。目前應(yīng)用較多的是三相6/4極結(jié)構(gòu)，三相12/8極結(jié)構(gòu)和四相8/6結(jié)構(gòu)。功率變換器是 SRD系統(tǒng)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，是影響系統(tǒng)性能價格比的主要因素，起控制繞組開通與關(guān)斷的作用。由于SRM電動機繞組電流是單相的，使得功率變換器主電路不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且相繞組與主開關(guān)器件是串聯(lián)的，可以避免直通短路危險。 SRD系統(tǒng)的功率變換器結(jié)構(gòu)形式與供電電壓，電動機相數(shù)及主開關(guān)器件的種類有關(guān)?？刂茊卧?SRD系統(tǒng)的核心部分，其作用是綜合處理速度指令，速度反饋信號及電流傳感器，位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關(guān)器件的通斷，實現(xiàn)對 SR電機運行狀態(tài)的控制。檢測單元由位置檢測和電流檢測環(huán)節(jié)組成，提供轉(zhuǎn)子的位置信息以決定各相繞組的開通與關(guān)斷，提供電流信息來完成電流斬波控制或采取相應(yīng)的保護(hù)措施以防止過電流。2.2 開關(guān)磁阻電機工作原理2.2.1 SRM運行過程分析SRM電動機的運行遵循“磁阻最小原理”磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合。當(dāng)定子某相繞組通電時，所產(chǎn)生的磁場由于磁力線扭曲而產(chǎn)生切向磁拉力，試圖使相近的轉(zhuǎn)子極旋轉(zhuǎn)到其軸線與該定子極軸線對齊的位置，即磁阻最小位置。SRM在結(jié)構(gòu)上與反應(yīng)式大步距角步進(jìn)電機相似，定、轉(zhuǎn)子均為齒槽結(jié)構(gòu)，由硅鋼片疊壓而成，定子上有簡單的集中繞組，轉(zhuǎn)子無任何繞組，亦無永磁，定、轉(zhuǎn)子齒極數(shù) Ns、Nr不等，定子上每徑向相對的繞阻串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，故相數(shù)m=Ns/2。SRM定子、轉(zhuǎn)子齒數(shù)有多種配合，但為了加大定子相繞組電感隨轉(zhuǎn)角的平均變化率以提高電機的出力，定子和轉(zhuǎn)子齒極數(shù)應(yīng)盡量接近，徑向必須對稱，所以雙凸極的Ns,Nr應(yīng)為偶數(shù)，并考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，故最常用的關(guān)系為其Ns=Nr+2，從自起動能力及能否正反轉(zhuǎn)考慮，應(yīng)選擇相數(shù)m3,一般來說，相數(shù)少則功率變換電路簡單，成本也低。目前常用的是8/6，6/4兩種結(jié)構(gòu)。如圖2.3是一臺4相開關(guān)磁阻電動機。當(dāng)A組繞組單獨通電時，通過導(dǎo)磁體的轉(zhuǎn)子凸極在A-A。軸線上建立磁路并迫使轉(zhuǎn)子凸極轉(zhuǎn)到A-A。 軸線重合的位子，如圖2a)所示。這時將A相斷電，B相通電，就會通過轉(zhuǎn)子凸極在B-B。 軸線上建立磁路，因為此時轉(zhuǎn)子并不處于磁阻最小位置，磁阻轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動到2b)的位置。這時將B相斷電，C相通電，根據(jù)“磁阻最小原理”，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到2c)的位置。當(dāng)C相斷電，D相通電后，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)到圖2d)位置。這樣，四相繞組按A-B-C-D順序輪流通電，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子逆時針旋過一個極距角。不斷按照這個順序換相通電，電動機就會連續(xù)轉(zhuǎn)動。若改變換相通電順序為D-C-B-A，則電動機就會反轉(zhuǎn)。由此還可以得出一個結(jié)論：改變電動機轉(zhuǎn)向與電流方向無關(guān)，而只與通電順序有關(guān)。若改變換相電流的大小，就會改變電動機的轉(zhuǎn)矩，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。因此如果能控制開關(guān)磁阻電動機的換相、換相順序和電流大小，就能達(dá)到控制該電動機的目的。 a) A相通電 b) B相通電 c) C相通電 d) D相通電 圖2.3 開關(guān)磁阻電機工作原理2.2.2 SR電機的控制方式改變外施電壓，或者改變開關(guān)角均能有效的改變轉(zhuǎn)速的值。若與開關(guān)角有關(guān)的參數(shù)無關(guān)，則正比于，改變其外施電壓就會改變電機的轉(zhuǎn)速。因此，SR電動機轉(zhuǎn)速的可控變量一般有加于相繞組兩端的電壓、開通角和關(guān)斷角三個參數(shù)。SR電動機的控制方式主要針對以上幾個可控變量來進(jìn)行控制，一般分為:角度位置控制方式(Angular Position Control，簡稱APC控制)、電流斬波控制方式(Chopped Current Control，簡稱CCC控制)和電壓PWM控制方式。SR電動機的各種控制方式的區(qū)別是對以上幾個參數(shù)的控制方法不同，下面將進(jìn)行詳細(xì)的討論和分析。1.角度位置控制（）在直流電壓的斬波頻率和占空比確定時，加于相繞組兩端的電壓大小不變的情況下，可通過調(diào)節(jié)SR電動機的主開關(guān)器件的開通角,和關(guān)斷角的值，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和速度的調(diào)節(jié)，此種方法便稱之為角度位置控制(APC)。尤其是當(dāng)電機轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動勢較大，電機繞組電流相對較小時，最宜采用此種控制方式。角度位置控制是通過控制開通角,和關(guān)斷角來改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對位置，這樣就可以改變電動機的轉(zhuǎn)矩，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。在電動機正常運行時，應(yīng)使電流波形的主要部分位于電感波形的上升段；在電動機制動運行時，應(yīng)使電流波形位于電感波形的下降段。改變開通角，可以改變電流的波形寬度、電流波形的峰值和有效值大小以及電流波形與電感波形們相對位置；改變關(guān)斷角一般不影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對位置，電流有效值也隨之變化，因此同樣對電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒有那么大。故一般采用固定關(guān)斷角，改變開通角的控制方式。 但是，角度位置控制不太適用于低速。因為轉(zhuǎn)速降低時，旋轉(zhuǎn)電動勢減小，使電流峰值增大，必須進(jìn)行限流，因此角度位置控制一般用于轉(zhuǎn)速較高的應(yīng)用場合。2.電流斬波控制(CCC) 在SR電動機起動、低、中速運行時，電壓不變，旋轉(zhuǎn)電動勢引起的壓降小，電感上升期的時間長，而的值卻相當(dāng)大。為避免過大的電流脈沖峰值超過功率開關(guān)元件和電機允許的最大電流，通常會采用電流斬波的控制方式來限制電流的大小。 一般在低速運行時，將使電機的開通角和關(guān)斷角保持不變，而主要靠控制斬波電流的大小來調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，工作在CCC方式下的斬波電流波形如圖3-1所示。圖2.4 CCC方式下的斬波電流波形 在=on 時，功率電路開關(guān)元件接通(稱相導(dǎo)通)，繞組電流從零開始上升，當(dāng)電流達(dá)到斬波電流上限值時，切斷繞組電流(稱斬波關(guān)斷)，繞組承受反壓，電流快速下降。經(jīng)時間，或電流降至斬波電流下限值時，重新導(dǎo)通(稱斬波導(dǎo)通)，重復(fù)上述過程，則形成斬波電流波形，直至?xí)r實行相關(guān)斷，電流衰減至零。 CCC控制方式又分為起動斬波模式、定角度斬波模式和變角度斬波模式。起動斬波模式是在SR電機起動時采用的，此時要求轉(zhuǎn)矩要大，同時又要限制相電流峰值，故通常固定開通角和關(guān)斷角，導(dǎo)通角值相對較大；定角度斬波模式通常在電機起動后，低速運行時采用，導(dǎo)通角值保持不變，但值限定在一定范圍內(nèi)，相對較??；而變角度斬波模式通常在電機中速運行時采用，此時通過電流斬波、開通角、關(guān)斷角的同時起作用來進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。3.電壓PWM控制在導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，使功率開關(guān)按PWM方式工作，其脈沖周期固定，占空比可調(diào)，在內(nèi)，繞組加正電壓，內(nèi)加零電壓或反電壓。改變占空比，則繞組電壓的平均值將會變化，進(jìn)而間接改變相繞組電流的大小，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，這就是電壓斬波控制。與電流斬波控制方式類似，提高脈沖頻率，則電流波形比較平滑，電機出力增大，噪聲減小，但功率開關(guān)元件的工作頻率增大，成本有所增加。圖2.5 電壓控制時的相電流波形電壓PWM控制通過調(diào)節(jié)相繞組電壓的平均值，進(jìn)而能間接地限制和調(diào)節(jié)相電流，因此既能用于高速調(diào)速系統(tǒng)，又能用于低速調(diào)速系統(tǒng)。電壓PWM控制法雖然簡單，迫調(diào)速范圍較小。其它特點則與電流斬波控制方式相反，它適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)載擾動的動態(tài)響應(yīng)快，缺點是低速運行時轉(zhuǎn)矩脈動較大。綜合比較各方式的優(yōu)劣結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計思路，決定采用電壓PWM控制。第三章 控制器設(shè)計 TMS320LF2407DSP是TI公司專門針對電機，逆變器，機器人等控制而設(shè)計的，它配備了完善的外圍設(shè)備（如補貨單元,PWM單元，A/D單元，SPI等），不論是從計算速度，精度或是性價比上，還是從其發(fā)展前景上來考慮，TMS320LF2407都優(yōu)于傳統(tǒng)的96、51單片機，所以本設(shè)計采用TMS320LF2407替代傳統(tǒng)的51單片機來作為主控單元?？刂破鲉卧荢RD系統(tǒng)的核心部分，其設(shè)計的好壞直接影響電機的運行性能。該單元主要包括MS320LF2407處理器，位置檢測電路，電流檢測電路，及邏輯組合電路等。其中位置檢測電路用來提供轉(zhuǎn)子的位置信息來計算轉(zhuǎn)速，同時也用來決定電機各相繞組的通斷，由電流檢測電路提供繞組電流大小來完成電流斬波控制和對系統(tǒng)的過流保護(hù)動作。電源橋式整流功率變換主電路SRMDSP位置傳感器位置信號處理電路電流檢測電路IGBT驅(qū)動電路驅(qū)動電路驅(qū)動電路相通斷信號PWM信號圖3.1 控制系統(tǒng)框圖下面簡單介紹一下位置檢測電路，電流檢測電路及邏輯組合電路。3.1轉(zhuǎn)子位置檢測電路 轉(zhuǎn)子位置檢測電路如圖4.1所示，四相SRM的兩路位置信號經(jīng)過反相器整理，再由電阻分壓得到副值為3.3V的編碼脈沖分別輸入到DSP的兩個捕獲單元CAP1，CAP2當(dāng)捕獲輸入引腳檢測到一個轉(zhuǎn)換時，定時器T2的值被捕獲并存儲在相應(yīng)的兩級FIFO堆棧中，位置信號的上下跳變均引起捕獲單元的中斷，即每隔15度產(chǎn)生一次捕獲口中斷，CAP的中斷服務(wù)程序可以根據(jù)轉(zhuǎn)子的瞬時位置信息進(jìn)行換相，并計算出電機的轉(zhuǎn)速。 圖3.2 轉(zhuǎn)子位置檢測電路3.2 電流檢測電路 TMS320LF2407內(nèi)有兩個10位8通道A/D轉(zhuǎn)換器，每次/D轉(zhuǎn)換最長時間66s，兩個轉(zhuǎn)換可以并行工作，轉(zhuǎn)換結(jié)果存在一個兩級FIFO寄存器中，模擬輸入引腳ADCN00ADCN07屬于模擬轉(zhuǎn)換單元1，ADCN16屬于模擬轉(zhuǎn)換單元2. 電流檢測采用兩個磁場平衡式霍爾電流傳感器（LEM模塊），電流傳感器的輸出經(jīng)比例調(diào)節(jié)電路變換至合適的范圍后，輸入到DSP的ADCN01,ADCN02引腳，電流檢測電路如圖3.2所示。 圖3.3 電流檢測電路3.3 邏輯組合電路設(shè)置DSPTMS320LF2407的IOPE1-IOPE6為相通斷信號，分別控制六路相通斷信號，設(shè)高電平為1，低電平為0,1表示相通，0表示斷開。設(shè)置IOPE1-6為I/O口功能，分別輸入到GAL16V8的六個管腳，結(jié)合PWM電路產(chǎn)生的PWM信號，同時將過電流檢測信號(設(shè)為S信號)接到邏輯模塊上進(jìn)行相與，結(jié)合與門的特點，有0則是0，全1為1,0和1分別表示高低電平，將三者經(jīng)過邏輯綜合后，輸入到驅(qū)動電路里面，邏輯電路有6路輸出分別接到6個驅(qū)動電路模塊里面，來控制相導(dǎo)通開關(guān)，因為該模塊是可編程邏輯模塊，對其進(jìn)行編程為：令輸出管腳F1=A3&PWM1&S F2=B3&PWM1&S F3=A4&PWM1&S F4=B4&PWM1&S F5=A5&PWM1&S F6=B5&PWM1&S （其中S信號為過流檢測信號）具體的邏輯電路如下圖所示：圖3.4 邏輯組合電路第四章 功率變換器設(shè)計4.1 功率變換器簡介 功率變換器是直流電源和SRM的接口，起著將電能分配到SRM繞組中的作用，同時接受控制器的控制。由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要單極性供電的功率變換器。功率變換器應(yīng)能快速從電源接收能量，也要能迅速向電源回饋電能。開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)是典型的機電一體化系統(tǒng)，其功率變換器與控制器更是不可分離。在整個系統(tǒng)中，功率變換器的成本的比重很大，因此有必要對開關(guān)磁阻電機功率變換電路的分類、功率電子器件的選用、參數(shù)設(shè)置進(jìn)行探討。一般情況下，開關(guān)磁阻電機功率變換電路應(yīng)具備以下優(yōu)點：1. 最少數(shù)量的開關(guān)器件；2. 可將全部電源電壓加給電機的繞組；3. 主開關(guān)器件的電壓額定值與電機接近；4. 具備迅速增加相繞組電流的能力；5. 可通過主開關(guān)器件調(diào)制，有效地控制相電流；6. 在繞組磁鏈減少的同時，能將能量回饋給電源。 4.2 功率開關(guān)器件的選擇功率電子器件在調(diào)速系統(tǒng)及各種功率變換電路中運用廣泛，以開關(guān)方式工作的電力電子器件是開關(guān)磁阻電機功率變換電路的基礎(chǔ)及核心，大功率開關(guān)器件的選擇對功率變換電路、控制電路的復(fù)雜程度以及系統(tǒng)的整體性能都有很大的影響，采用不同的功率變換器件產(chǎn)生不同結(jié)果，因此，弄清楚功率器件的特性是合理選擇器件的基礎(chǔ)。目前較常用的功率開關(guān)器件主要有以下幾種：（1） 晶閘管（SCR）：晶閘管SCR又稱可控硅，是一種可控單向?qū)щ姷拇蠊β孰娏﹄娮釉?，能承受大電壓大電流，而且正向管壓降較小，這些均是晶閘管作為功率電路相開關(guān)的優(yōu)勢，但晶閘管本身也是一種干擾敏感元件，它沒有自控關(guān)斷能力，一旦正向?qū)ê?，控制極（門極）就失去了控制能力，就可能發(fā)生誤觸發(fā)導(dǎo)通，必須由附加強迫關(guān)斷電路才能使晶閘管關(guān)斷，而且關(guān)斷速度低，所以晶閘管作為功率電路的開關(guān)并不理想，只有大功率SR電動機在其他電力電子元件不能滿足大電流高電壓的要求時，才選用晶閘管，但也要選用通斷時間短的開關(guān)型晶閘管。（2） 雙極型功率晶體管（GTR）：是目前應(yīng)用最為廣泛的開關(guān)器件。和SCR相比，開關(guān)控制方便，有較高的開關(guān)頻率，導(dǎo)通飽和壓降小，但它承受浪涌電流能力差，連續(xù)電流驅(qū)動功耗大。雙極型功率品體管（GTR）用于電路中，均工作于飽和、截止?fàn)顟B(tài)（即開關(guān)狀態(tài)），由驅(qū)動電路向GTR的基極提供足夠量的基極電流，GTR飽和，基極信號消失，則GTR截止。因此GTR的通斷控制方便，且開關(guān)速度快，耐壓高，電流大，所以GTR在中小功率SR電機功率電路中被廣泛使用，GTR的缺點是輸入阻抗較小，要求驅(qū)動電路的輸出功率較大。（3） 可關(guān)斷晶閘管（GTO）：可關(guān)斷晶閘管GTO保持了晶閘管的優(yōu)點，而克服了晶閘管的缺點，可自控關(guān)斷。它利用足夠大的反向門極電流使之關(guān)斷。由于給GTO提供較大的反向門極電流不是一件容易的事情，所以選用可關(guān)斷晶閘管作為功率電路的開關(guān)并不理想但其最大連續(xù)運行期間的溫度為125，比GTR的150低，其驅(qū)動和關(guān)斷要求高，必須在低電壓回路發(fā)出突變的觸發(fā)信號。GTO對于大功率的開關(guān)磁阻發(fā)電機具有吸引力。（4） 功率場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）：也稱單極型晶體管，是一種高性能的自關(guān)斷器件，與各種雙極型器件相比，功率場效應(yīng)管從原理到性能都有很多獨特之處。它的輸入阻抗大、柵極電流很小，因此對驅(qū)動要求不高，可由CMOS集成電路或光耦合器件直接驅(qū)動，另外它還具有開關(guān)速度快、工作頻率高等特點，所以功率MOSFET在線性放大和功率開關(guān)等方面的應(yīng)用向深度和廣度迅速發(fā)展，各種新穎電路不斷問世，價格也大幅度下降，成為其它功率器件的主要競爭者。它與GTR相比具有速度快、安全工作區(qū)寬、驅(qū)動功率小等優(yōu)點。其缺點是開關(guān)容量小、耐壓低、通態(tài)電阻大，宜用于小功率場合。（5） IGBT：是近年來才開始應(yīng)用的，其性能優(yōu)良。它綜合了MOSFET和GTR各自的優(yōu)點，保留了MOSFET門極輸入阻抗高的優(yōu)點，又有導(dǎo)通關(guān)斷延遲小、工作頻率高等一系列優(yōu)點，但價格相對較高，一般應(yīng)用于大功率場合。IGBT是以GTR為主導(dǎo)，MOSFET為驅(qū)動元件的達(dá)林頓電路結(jié)構(gòu)器件。N溝道的IGBT圖形符號有兩種，如圖4.1所示：對于P溝道的IGBT與兩圖中的箭頭方向相反。IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)柵極加正電壓時，MOSFET 內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。在門極施加負(fù)電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即為關(guān)斷。由于IGBT是一種新型的復(fù)合器件，基于它諸多的優(yōu)越性能，功率變換器主電路就采用IGBT管作為主開關(guān)管。圖4.1 IGBT 的等效電路圖4.3 功率變換電路的設(shè)計根據(jù)繞組向電源回饋能量的方法的不同，可將常用的功率變換主電路分為以下六種： 1. 不對稱半橋型 如圖4.2所示，雙開關(guān)式功率變換器每相有2只主開關(guān)和2只續(xù)流二極管。當(dāng)兩個主開關(guān)和同時導(dǎo)通時，電源U向電機向繞組A供電；當(dāng)兩個主開關(guān)和同時關(guān)斷時，相電流如圖中箭頭方向經(jīng)續(xù)流二極管和續(xù)流，將SRM磁場貯存的能量以電能的形式回饋電源，實現(xiàn)換相。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點之一是開關(guān)器件電壓容量要求比較低，特別適合高壓和大容量場合；二是各項繞組電流可以獨立控制，且控制簡單，缺點是開關(guān)器件數(shù)量較多； 圖4.2 不對稱半橋型功率變換主電路2.雙繞組型 圖4.3所示為雙繞組式功率變換器主電路。它每相有主、副兩個線圈，主、副線圈雙線并繞，同名端反接，其匝數(shù)比為1：1。主開關(guān)導(dǎo)通時，電源主繞組供電；主開關(guān)關(guān)斷時，靠磁耦合將主繞組的電流轉(zhuǎn)移至副繞組，通過二極管續(xù)流，向電源回饋電能，以實現(xiàn)換相。由于主副繞組之間不可能完全耦合，在S1關(guān)斷的瞬間，因漏磁及漏感作用，其上會形成較高的尖峰電壓，故S1關(guān)斷的瞬間，因漏磁及漏感作用，其上會形成較高的尖峰電壓，故S1需要形成良好的吸收回路。另外，由于主副兩個繞組，因而電機槽及銅導(dǎo)線利用率低。銅耗增加，體積增大。這種主電路可適用于任意相數(shù)的開關(guān)磁阻電機，尤其適用于低壓直流電源供電的場合。 圖4.3 雙繞組型功率變換電路3.電容轉(zhuǎn)儲型 如下圖所示為電容轉(zhuǎn)儲式功率變換器主電路。當(dāng)主開關(guān)導(dǎo)通時，電源對相繞組供電；當(dāng)主開關(guān)斷開時，相繞組電流經(jīng)二極管續(xù)流，向電能轉(zhuǎn)儲電容充電，再適時控制開關(guān)的通斷，使向C轉(zhuǎn)移能量，實現(xiàn)兩次饋電。圖4.4 電容轉(zhuǎn)儲型主電路4.電容分壓型 圖4.5所示的是采用分壓型直流電源的功率變換電路結(jié)構(gòu)。由于兩個電容的分壓，每相只得到電源電壓的一半，每相繞組的通路上只有一個開關(guān)管和一個續(xù)流二極管，單相運行V1導(dǎo)通時，A相繞組從C5吸收電能，V1關(guān)斷后A相繞組儲存的磁能轉(zhuǎn)化為電能通過VD1向C8充電緊接著V2導(dǎo)通，C8放電B相導(dǎo)通，放完后，VD2續(xù)流，向C5充電，就這樣各繞組隨著各個開關(guān)管的依次導(dǎo)通而得電，同時兩個電容交替充放電，不過兩個電容上會出現(xiàn)較大的波動，而雙相運行則可有效的解決這一問題，這種功率變換器方案只適用于偶數(shù)相的開關(guān)磁阻電機。然而雙相運行時，可能出現(xiàn)dL/d2UsUsUsUsUs+Uc續(xù)流二極管額定工作電壓Us2UsUsUsUsUs+UcUs/Um112浮動11Uc/Um111浮動1可控主開關(guān)數(shù)相數(shù)2111m+1/mm+1/m相控獨立性獨立獨立不獨立不獨立不獨立獨立缺點器件數(shù)量多電機槽及銅線利用率多需限制中點電位漂移每一瞬間必須上下各有一相導(dǎo)通換相慢兩次饋電，控制較復(fù)雜綜合比較以上6種電路的性能，得出H橋型變換電路最適合8/6式SRM的驅(qū)動.本文設(shè)計的功率變換器電路如圖4.8所示，H橋型主電路比四相電容分壓型功率變換器主電路少了兩個串聯(lián)的分壓電容，換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導(dǎo)通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一瞬間上下橋臂各有一相導(dǎo)通。本電路特有的優(yōu)點是可以實現(xiàn)零電壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。圖4.8 H橋功率變換電路電解電容C對整流橋的輸出起到濾波和吸收電流回饋作用。Rc是合閘時的充電電阻，以防止合閘時浪涌電流對濾波電容有過大的電流沖擊。當(dāng)電機起動后，開關(guān)閉合，將Rc從電路中切除。R是采樣電阻，用于電流環(huán)控制和硬件過流保護(hù)。4.4 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計 在考慮到對驅(qū)動電路要求要求動態(tài)驅(qū)動能力強，能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼聪驏艍骸⒂凶銐虻妮斎?、輸出電隔離能力、具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿、自身帶有對IGBT的保護(hù)功能，并有較強的抗干擾能力，本系統(tǒng)采用的驅(qū)動模塊是EXB84I，可實現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動。該電路的優(yōu)點是驅(qū)動電路集成化，抗干擾能力強，速度較高，保護(hù)功能完善。 如圖4.9是本文設(shè)計的IGBT驅(qū)動電路圖4.9 IGBT驅(qū)動電路第五章 軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件是調(diào)速系統(tǒng)的核心，很大程度上決定了系統(tǒng)運行性能的優(yōu)劣。本系統(tǒng)軟件實行模塊化設(shè)計，增加了程序的可讀性和移植性。設(shè)計有主程序、初始化子程序、捕獲中斷子程序、測速子程序等。主程序：主程序主要是起到連接各個子程序的紐帶作用，安排各個子程序的運行順序。調(diào)度各個子程序，以實現(xiàn)軟件的控制。DSP初始化子程序的主要功能是：設(shè)置系統(tǒng)時鐘，初始化時間管理器包括設(shè)置定時器單元，比較單元，捕獲單元，PWM通道，I/O輸出輸入設(shè)置，設(shè)置可用中斷，時間管理器的通用定時器1的主要產(chǎn)生PWM方波，定時器2、定時器3由內(nèi)部時鐘作為時鐘源,定時器3作為捕獲事件時間基準(zhǔn)。在數(shù)字I/O控制器中設(shè)置IOPE1IOPE6對應(yīng)6個相