基于DSP的开关磁阻电机调速特性的实现

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1、科技学院2011届本科毕业论文设计论文题目：基于DSP的开关磁阻电机调速特性的实现硬件部分学生： 常峥所在院系： 机电学院所学专业：电气工程及其自动化导师： 王超完成时间：20XX5 月20日18 / 24摘 要开关磁阻电机调速系统具有结构简单、坚固、系统控制灵活、调速性能好、运行效率高、动态性能好等诸多优点,近二十多年来,国外在开关磁阻电机及其调速系统研究方面发展迅速。但对于一些特殊的需求领域,还未曾进行深入研究。本文正是基于这一需求,以三相开关磁阻电机为研究对象,对其调速系统进行研究。本课题主要完成的工作有以下两部分：首先,深入研究了开关磁阻电机的基本特性与数学模型,从中得出了一种简便、实

2、用的通过电流检测转矩的方法。其次,设计了基于DSP56F803的开关磁阻电机调速系统通用的硬件电路,可以实现调速控制、变角度控制、定角度电压斩波和电流上下限斩波控制。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的电机驱动,即直流电动机的串励特性。开关磁阻电机调速系统的研究,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。关键词：开关磁阻电机,调速系统 DSP-based speed characteristics of SRM implementation - hardware AbstractThe Switched re

3、luctance drive system has a simple structure, strong, flexible system control, speed performance, high efficiency, good dynamic performance advantages over the past two decades, both at home and abroad and in the Switched Reluctance Motor Speed Control systems research has developed rapidly. But for

4、 some special area of demand, but also did not conduct an in-depth research. This article is based on the requirements to three-phase switched reluctance motor for the study of its soft characteristics of speed control system for research. The main subject of the work have the following two parts: F

5、irst of all, in-depth study of the switched reluctance motors basic features and mathematical models to draw a simple, useful torque through the current detection method. Secondly, the design DSP56F803 based on the switched reluctance drive circuit common hardware, software features can be speed con

6、trol, voltage angle and current chopper chopper control upper and lower limits.At present in many production machines, such as electric vehicles, beam pumping unit, the electric drill with soft features, such as the motor drive, DC motor that is characteristic of the Series. Soft characteristics of

7、Switched Reluctance Motor Speed Control System, will expand the Switched Reluctance Motors research and applications, and the promotion of Chinas electric drive development of the area is of great practical significance.Key words: Switched reluctance motor, Control system目 录1 绪论11.1 SR电机的发展概况11.2 课题

8、综述11.2.1 开关磁阻电机调速系统的组成及工作原理11.2.2 开关磁阻电机调速系统的主要技术特点31.3 本课题研究的主要容42 开关磁阻电机调速实现原理42.1 开关磁阻电机的数学模型分析与控制策略42.1.1开关磁阻电机的数学模型分析42.1.2开关磁阻电机的控制52.2 开关磁阻电机机械特性分析72.3 开关磁阻电机调速系统控制策略83 开关磁阻电机调速系统的硬件设计83.1硬件系统概述83.2 DSP56F803的特点93.3基于DSP56F803的控制器硬件设计103.4功率变换器的设计123.4.1 整流电路133.4.2 功率变换电路144 结论17致18参考文献191 绪

9、论1.1SR电机发展状况磁阻式电动机的研究最早可以追溯到19世纪40年代,但是由于当时的条件所限,采用的是机械开关,其运行特性、可靠性和机电能量转换效率都十分低下,所以在其后直到功率电子开关问世前的100多年间,一直也没有得到应有的重视。20世纪60年代,随着大功率晶闸管的使用,SR电机才又重新焕发出生机。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。目前,SR电机在国外已经得到了很大的发展,产品已经广泛地应用于电动车驱动系统、家用电器、电力拖动、伺服与调速系统、牵引电机、

10、高转速电机。由于开关磁阻电机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。1.2 课题综述1.2.1 开关磁阻电机调速系统的组成及工作原理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所示1。 SR电机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

11、阻最小的路径闭合2,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电机一般采用凸极定子和凸极转子形成,即所谓双凸极型结构,并且定、转子极数不相等。图2表示电机的横截面和一相电路的原理示意图。S1、S2是电子开关,SR电机调速系统整体工作过程如下：控制电路接收起动命令信号,在检测系统状态一切正常的情况下,根据位置传感器提供的各相定子齿极与转子齿极相对位置的信息,按起动逻辑给出相应的输出信号。例如,在图中定子A相齿极轴线AA与转子齿极1的轴线11不重合的情况下,应使功率变换器中控制A相绕组的开关元件S1和S2导通,A相绕组通电,而B,C和D三相绕组都不通电

12、。电动机建立起以AA为轴线的磁场,磁通通过气隙的磁感应线是弯曲的。此时,磁路的磁导小于定、转子齿极轴线AA和11重合时的磁导,转子受到气隙中弯曲磁感应线的切向磁拉力所产生转矩的作用,使转子逆时针方向转动,转子齿极1的轴线11向定子齿极AA趋近。当轴线AA和轴线11重合,即A相定、转子齿对齐时,切线方向的磁拉力消失,转子停止转动,此时称转子达到稳定平衡位置4。图2 SR电机工作原理功率变换器功率变换器是SR电机运行时所需能量的提供者,是连接电源和电动机绕组的开关部件。通过它将电源能量送入电机,也可将电机的磁场储能反馈回电源。SR电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数及主开关器件的种

13、类有关。SR电机绕组电流是单向的,使得其功率变换器主电路不仅简单,而且具有普通交流及无刷直流驱动系统所没有的优点,即相绕组与主开关器件是串联的,因而可预防短路故障。控制器和位置检测器控制电路是系统的决策和指挥机构,它综合处理位置传感器、电流传感器所提供的转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的命令,然后通过分析处理,决定控制策略,向功率变换器发出一系列执行命令,实现对SR电机运行状态的控制。在SRD中,要求控制器具有下述功能：1电流斩波控制或电压斩波控制。2角度位置控制。3起动、制动、停车及四象限运行。4速度调节。位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号,使控制器能正确地决定绕组的导通和关

14、断时刻。通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈等方法进行位置检测。1.2.2开关磁阻电机调速系统的主要技术特点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

15、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。理论与实践表明,SR电机调速系统具有如下基本特点。1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。2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

16、。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。3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

17、的负载曲线。4在宽广的转速和功率围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,即存在转矩脉动、振动及噪声问题。这是由于SR电机固有的双凸极工作机理引起的。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在系统允许的围之。1.3 本课题研究的主要容本课题设计的开关磁阻电机特性调速系统,其主要功能有：正反转、大围平滑调速；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。具体研究容如下：1学习DSP56F803的使用,设计以该芯片为核心的SR电机特性调速系统控制器的硬件电

18、路,实现特性曲线给定及调速、电机正反转,转速、电流的显示功能。设计以IPM为主开关器件的功率变换器及相应的驱动电路和保护电路。2研究开关磁阻电机的转矩与电流之间的关系,获取了转矩与电流的计算关系,实现一种较为简便、快速、实用的计算转矩的方法。2 开关磁阻电机调速实现原理2.1 开关磁阻电机的数学模型分析与控制策略2.1.1开关磁阻电机的数学模型分析SR电动机的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势产生的,适当的磁路饱和有利于提高SRD的总体性能,因此电动机磁路的饱和是SR电动机的一个重要特征。由于电动机磁路的非线性,通常SR电动机的转矩应根据磁共能来计算,即 式1式中 转子位置角i 绕组电流显然,

19、磁共能的改变既取决于转子位置,亦取决于绕组电流的瞬时值。在SR电动机中,当定转子凸极中心线对准时,气隙很小,磁路往往是饱和的,而且从提高电机效率,减少功率变换器伏安容量要求考虑,则磁路必须是饱和的。因此电感实际上是转子位置和相电流的函数,并非分段线性。磁路饱和对电动机转矩、功率的分析、计算有着明显的影响,应予以充分考虑。但若不加简化的考虑磁路的非线性,则使得电磁关系计算非常困难,且不能解析计算。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。图3 分段线性磁化特性图3所描述的是

20、一种用两段线性特性来近似一系列非线性磁化曲线。其中一段为磁化特性的非饱和段,其斜率为电感的不饱和值；另一段为饱和段,可视为与=0位置的非饱和特性平行,斜率为。图中的i1是根据=n位置及定转子凸极对准时的磁化曲线决定的,一般定在磁化曲线开始弯曲处。2.1.2开关磁阻电机的控制1SR电机的起动1单相起动方式电机能够起动并且按照要求的方向转动,需要获得准确的绝对位置信息,但从位置传感器获得的位置信号只能是相对位置。以下方法获取绝对位置信息。a同时给两相通电,比如B、C相；b迟50ms,关断C相,B相继续通电；c延迟500ms,待电机稳定地停在B相定子极和转子极对齐的位置；表1 转子位置与起动相对应关

21、系ABC起动相010B011B C001C101C A100A110A B步骤a给电机提供了起动脉冲信号,如果B相确实不在电感最小位置或者在电感下降位置,那么C相提供电动转矩,驱动电机转动；当关断C相后,B相继续通电,当延迟了足够长时间后,电机就可以稳定地停在B相极对极位置即电感最大位置。起动过程大约花1s的时间,这样我们在确定了电机的绝对位置后就可以按照给定方向通电。比如正转,在起动程序结束后,关断B相,给C相通电即可,以后就按照A-B-C顺序通电,电机就会正转。该方法的缺点是：在起动的时候,为了寻找绝对位置,即B相极对极位置,需要先给C、B两相通电,这样如果电机不是停在该位置,起动时会有抖

22、动。2单双相混合起动方式由以上分析知道,单相起动时有抖动,这对严格不允许反转的场合是不适合的。在有些位置可以两相通电起动,有些位置只有一相可以通电起动,以正转为例,位置信号与起动相对应的关系见表1。表中有三个位置为双相起动：011、101、110,在理想电感曲线图4上可以看出,在这三个位置都是电感重叠区,而且总有一相只能有7.50的导通角,超过7.50以后,电感进入下降区,产生制动转矩,这需要及时关断该相,该相的位置信号的下降沿正好对应电感最大位置,所以可以利用下降沿来关断该相。所以在双相起动时,在起动过程中只需设置下降沿中断,如果顺利起动,则运行程序中处理该中断,完成双相起动到单相运行的顺利

23、过渡。位置传感器总共有六个状态,除了上述提出的三种状态外,另三种状态时,只给一相通电,起动电机。2SR电机的换相如果采用单相起动方式,则起动后可以直接进入单三拍运行方式,按照给定的方向给电机进行换相。如果采用单双相混合起动方式,则需要根据转子不同位置设置不同的捕捉方式,运行程序需要根据实际情况来完成双相到单相的过渡,在过渡成功后,才可以按照给定方向给电机换相。 3 SR电机的控制策略SRD系统性能较为理想,其特点之一就是其可控参数多,开通角、关断角、相电压U、相电流I都可影响转矩,从而对转速进行控制,因而其调速控制策略也较多。就目前而言,其控制策略大体可分为以下几类：1角度控制角度控制一般应用

24、于较高速区。对每一个由转速及转矩定义的运行点,开通角、关断角有多种组合,每一种组合对应不同的稳态性能。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,但不足之处在于其在低速区不能工作,必须配合其它方式,如变角度电流斩波控制等,因此控制起来较为复杂。2电流斩波控制电流斩波控制的一般方法是保持开关角度不变,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：电流上限控制在时,功率电路开关元件接通称相导通,绕组电流I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,开关管关断,电流快速下降。经时间时再重新开通。如此循环,

25、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关断时间恒定,但电流下降多少,则取决于绕组的电感、电感变化率、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。电流上下限控制这种方式指的是在一个控制周期,给定电流的最大值和最小值保持不变。当电流传感器检测的绕组电流信号大于设定信号的最大值时,关断开关管；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是变化的,故电流斩波频率疏密不均,在电感变化率较大的区间,电流

26、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损坏。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调制,通过调节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f=1/T,则电流波形比较平滑,电机出力增大,噪声减小,但功率开关元件的工作频率增大。2.2 开关磁阻电机机械特性分析简单的开关磁阻电机的机械特性曲线如图5,图6所示。图4 图5图4对应着给定不同空载转速n0,硬度相同时的机械特性曲线

27、,图6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5可得到转速与转矩的关系式：SRD可以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出软特性。此系统的实现关键要解决两个主要问题：一、负载的检测。这主要是由检测负载转矩来来进行判断。二、开关磁阻电机特性调速系统的实现。即为调速系统的软硬件设计,使系统响应速度快,动态性能好,抗干扰能力强。2.3 开关磁阻电机调速系统控制策略本系统采用的控制策略如下：1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

28、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7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。2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。为防止电流峰值过大损害IPM模块,在电机起动前,电流斩波幅值固定为限流值,使电流斩波电路作为IPM的保护电路。3调节器设计由于SRD精确的动态模型难以建立,而PID调节器

29、的优点在于即使在受控对象的模型未知的情况下,其比例,积分,微分常数亦可通过系统的实际运行现场整定出来,因此在此系统中选择为PI调节器,通过实验确定法确定其参数。3 开关磁阻电机调速系统的硬件设计3.1硬件系统整体概述系统的硬件设计框图如图6所示。系统的正常工作过程如下：首先是系统的开机准备工作,根据具体要求,通过键盘设置适当的运行参数。正反转按键决定电机旋转方向,奇数次按下正转,偶数次按下反转,指示灯会显示给定是正转还是反转,系统上电默认正转。特性参数输入,包括空载转速和斜率,系统默认为空载转速n0=1000r/min,斜率k=50。参数输入键按三下即可取消机械特性调速,保持为给定转速运行。参

30、数输入完毕后,按下起动按键,在系统无故障的情况下,DSP综合位置信号、转速给定信号,经过程序处理后,输出正确的PWM信号。逻辑综合电路把PWM信号、电流斩波信号、角度信号相与后送到IPM接口电路,功率变换器在正确的PWM信号驱动下给SR电机绕组供电,开始机械调速系统的正常运行。若运行中出现故障,控制器会使PWM端口电平无效,立即停机,并通过显示电路显示故障类型。图6 控制电路硬件框图3.2 关于DSP56F803芯片的特点Motorola DSP56F80x系列DSP是适用于数字电机控制的处理器,它把DSP的运算功能和MCU的控制特点集中到一块芯片上。DSP56F80x系列提供了基于C语言的开

31、发工具、IDE的集成环境以及SDK等先进的开发工具,大大缩短了开发周期。DSP56F80x系列提供了一些专门的外设,如PWM模块、12位的A/D转换器、定时器、相位检测器、通讯模块、通用I/O引脚、低电压禁止模块、JTAG/OnCE片上仿真器和FLASH、RAM存储器。采用3.3V供电,但允许输入端口使用5V TTL 电平。采用8MHz外部晶振,利用部压控振荡器和锁相环产生80MHz总线时钟,在80MHz时钟频率下可达到40兆条指令/s的指令执行速度；JTAG/OnCE程序调试接口,允许在系统设计过程中随时进行调试,并可对软件进行实时调试。DSP56F803作为DSP56F80x系列的一员,提

32、供了上述的各种模块。从控制SR电机的角度来讲,它的PWM、A/D、相位检测器这三个模块给SR电机的控制带来很大的便利,下面简单介绍一下在设计SRD系统时是怎样应用这三个模块的。PWM模块设置为独立通道模式,产生的6个PWM信号作为功率变换器各个开关管的控制信号,这6个信号可以完全独立的控制。可以通过改写输出控制寄存器,由软件控制PWM管脚的电平。所以在SR电机控制中,根据转子位置来改写输出控制器的容可以完成电机的换相,并且不影响其他的PWM管脚上信号的占空比。这种改变可以与PWM信号同步进行,所以完全能够满足换相的实时性。A/D模块采用触发同时扫描模式,最快可以在5.3s完成8通道的A/D转换

33、,并且可以和PWM信号同步。相位检测器与定时器模块A复用,并且部集成了干扰信号滤波器,所以由传感器出来的信号可以直接接到相位检测器模块的管脚,作为位置信号和速度信号。综上所述,在本系统中DSP资源利用如下：1起动、正反转、参数输入键,角度信号：通用输入输出口GPIO2电压斩波输出和换相控制：PWM模块3相电流检测和模拟转速给定：A/D模块4位置传感器信号：相位检测模块Decoder5显示电路、D/A输出：SPI模块6与上位机通信：SCI模块3.3基于DSP56F803的控制器硬件设计图7 转子位置检测电路1位置检测电路位置检测电路包括两部分即位置传感器电路与信号检测电路,位置传感器电路采用三个

34、普通光电传感器以检测位置信号,传感器放在电机部,互差15度。在电机上由航空插头引出五根线分别为电源、地、A相、B相、C相信号。信号检测电路利用DSP56F803的相位检测器的脉冲捕捉功能及输入状态监视功能,读取位置信号的状态和捕捉位置信号产生的脉冲,完成转速计算及电机起动、换相。传感器与DSP的硬件接口电路如图8所示,图中CON1是SR电机位置传感器输出接口,A、B、C分别对应A、B、C三相位置信号。LM339对位置信号起着缓冲和整形作用。CON2对应于DSP56F803的相位检测器的接口引脚。2电流采集及斩波电路图8 电流采集与斩波原理图图9为一相的电流采集与斩波电路原理图,其中的LEM为霍

35、尔电流传感器,检测到的电流经过放大后分为两路信号,一路输入到DSP的A/D转换模块,用AN1代表,另外一路与DSP输出的电流斩波值做比较。当采用限电流上下限的斩波控制方式时,其要求可用如下表达式表示电流上下限斩波过程用S表示开关管开通关断状态,S=1,开通；S=0关断,I表示实际的相电流： 式3图9中用Ia表示A相电流,D/Amax表示斩波上限值,D/Amin表示斩波下限值。图9 电流上下限斩波波形R1、S1分别表示实际电流值与斩波上限和下限电流值相比较的结果。R1、S1分别接到R-S触发器的R、S端,CD4043的Q端输出信号作为A相的电流斩波信号S1。当IaD/Amax时,R1=1,S1=

36、0,Iaout=0；IaD/Amin时,S1=1,R1=0,Iaout=1；D/AmaxIaD/Amin时,S1=0,R1=0,Iaout不变；S1=1,R1=1的情况不存在。根据图9电路分析可知,该斩波电路符合表达式3的要求。其电流斩波波形如图10所示。3D/A转换电路D/A转换采用美信公司的550A型号D/A转换器。图11只画出了电流上限值D/AmaxD/A转换电路,下限值D/Amin转换电路与此相同,只是选通信号用GPIOE3。图10 D/A转换电路 图11 逻辑综合电路4逻辑综合电路逻辑综合电路把电流斩波信号、PWM信号、角度控制信号相与,所得信号作为IPM驱动电路的输入信号。由于DS

37、P56F803的PWM模块控制十分方便,通过适当的控制,可以完成相通断功能,所以逻辑综合电路里少了相通断信号。5键盘给定电路该系统的键盘输入功能是由DSP的GPIOA口中断功能实现的。本系统结合DSP的外部中断管脚IrqA,IrqB,一共包括6个按键,分别为：复位键、起动键,正反转键、参数输入键、斜率输入键、空载转速输入键。图13为单个键盘按钮的电路原理,其中R为上拉电阻,电容C经过多次试验,选为0.01F时消除按键时的抖动干扰效果比较好。图12 键盘电路3.4功率变换器的设计软件保护基本思路是：IPM发生故障时,故障信号输入控制器。DSP接收到故障信号后禁止PWM模块输出,从而达到保护目的。

38、两者相比较,软件保护不需增加硬件,简便易行,但可能影响保护的快速性。硬件保护则反应迅速,工作可靠,实际应用中软件与硬件结合的保护方式能更好的提高系统的可靠性。3.4.1整流电路图13 SRD系统主电路原理图本文控制对象为三相12/8极SR电机,选用不对称半桥功率变换器,主开关器件为IPM模块。图14为本课题所设计的SRD系统的主电路原理图。主电路包括两部分：整流电路、功率变换电路。整流电路的作用是将交流电源转换为直流电源,以供功率变换电路使用。系统中使用的整流电路为三相三线制电路,分为二极管整流部分和电容滤波部分。电阻R1、R2起到平衡C1和C2电压及整个系统关闭时对C1、C2电容放电的作用。

39、在系统加电的瞬间,为了防止滤波电容开始充电所引起的过大的浪涌电流,需要采取一定的措施,本系统采用了电阻-接触器并联网络。当充电电压小于400V时,接触器J断开,电阻R流过电流,把浪涌电流限制在一个安全的围。当充电电压接近额定值时,接触器闭合,把R短路减小电路损耗。三相不可控全波整流电路中,整流二极管承受的最大正向电压为537V,对于二极管而言,因其能承受较大的冲击电流,一般以有效值电流定额作为选型依据。考虑到以后增大电机容量,本系统所有器件参数均按30KW的SR电机选取以电机效率为85%计算,则电容上的电流有效值为：设流过二极管的电流相平衡,则流过二极管电流的有效值ID可以按如下公式计算：根据

40、23倍裕量,可选择整流二极管为110A/1600V。计算滤波电容可采用如下公式：其中C为电容量单位F,I为负载电流单位A,t为电容维持电平的时间单位S,V为所允许的峰-峰值纹波电压单位V。功率为30KW,输入交流相电压为220V,频率50Hz,若按效率为85%计算,则输入电流为：假定允许40V峰-峰值纹波电压,并且电容要维持电平的时间为整流输出波形的半个周期,即1/600s=1.6ms。C=/40=2628F,则取C=3300F,电容的额定电压取为450V。本系统选取电容参数为5600F、450V,两个电容串联以满足电压要求。电阻R1、R2的计算：整流输出的最大电压为537V,则可选R1、R2

41、电阻值为100K,功率为5W。主开关管承受的电压最大值等于直流电源电压最大值537V,考虑到2倍的电压裕量,则选主开关器件的耐压定额为1074V。在已知SR电机额定功率PN的情况下,根据经验公式,则电流额定值近似为：最大峰值电流为：根据市场已有规格,本课题选用的200A/1200V IPM模块作为系统主开关器件。3.4.2 功率变换电路主电路连接图如图15所示,本系统的功率变换部分采用三相不对称半桥线路。由于所选用的IPM模块包含两个IGBT,所以每个IPM模块均有一个IGBT没有使用。由于采用一个IGBT也要外加续流二极管,成本较高,且体积较大,在本课题设计中选择部集成了两个IGBT的IPM

42、模块,其中一个IGBT处于常关断状态,使它的二极管与另一个IGBT配合使用。这样结构紧凑,成本也不高。具体一相的连接线路如图16所示,每一相的上桥臂的IPM模块的下管子和下桥臂的IPM模块的上管子没有使用。图14 IPM模块连接线路图功率变换电路工作模式分析图15 斩双管PWM控制续流路径图16 斩单管PWM控制续流路径对于不对称半桥结构的功率变换器,调制绕组上的电压有斩双管和斩单管两种方法,控制原理见图17。图17斩单管和斩双管控制原理图两种调制方法的特点为：1斩双管在相导通期间,调制信号同时对上下两个开关管作用。相电流经电源续流,其续流路径如图16所示。其特点为,在续流期间,绕组两端的电压

43、近似为-Us,因而电流脉动大,振动噪声都较大,有能量回馈。2斩单管在相导通期间,保持一个开关管导通,调制信号作用于另一个开关管上。相电流不经电源续流。其续流路径如图17所示。其特点为,在续流期间,绕组两端的电压近似为0,因而电流脉动小,振动和噪声都较令人满意,但无能量回馈。主开关管的保护吸收电路可以抑制关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压,吸收电路原理如图20所示。图18 IGBT吸收保护电路二极管选用快恢复二极管,电容和电阻的参数按如下公式8求取： 式4 式5 式6Im为流过IGBT的电流有效值,Vcc为开关管承受的反向电压,tfi为开关管关断时间,ics为开关管承受的最大电流,PR代表电阻

44、的功率,fm为最高工作频率。按此公式,可求得Cs=0.06F,Rs=3。本课题选择的电容和电阻参数分别为：电容0.1f,电阻10、20W。4 结论作为一种新型的电机调速系统,开关磁阻电机兼有直流电机和交流电机的优点,设计SRD调速系统是为了满足特殊场合对开关磁阻电机的需求。其最终要达到的目的是转速的变化能够与负载变化相配合,使系统高效运行。一方面要实现转速与负载的协调配和,一方面要实现转速的快速、稳定、平滑的调节,调节过程中要求超调小,无静差。要提高系统的整体性能,各方面的因素,包括数学模型的处理,功率变换器主电路的设计,微机控制系统的硬件电路设计以及控制算法与控制软件的设计都是非常重要的。经

45、过一段时间的努力和指导老师的大力帮助,本文主要完成了：设计了基于DSP56F803的开关磁阻电机调速系统通用的硬件电路以及功率变换器及其驱动保护电路,可以实现参数输入,转速调节,电机保护等功能。通过研究开关磁阻电机的基本特性与数学模型,得到了一种简便、实际可行的转矩检测方法。通过理论分析,获取了开关磁阻电机的稳态转矩和电流的关系,在此基础上实现了电机速度调节。致经过近几个月的努力,我的毕业设计已接近尾声。在这段时间里,我衷心感我的指导老师,在课题选定、理论指导和方案的论证上,老师都对我进行了精心的指导和耐心的鼓励,使我能够坚持到底,毕业设计有了圆满的结果。我刚开始做的时候对这个课题很陌生,但是

46、指导老师对我的耐心讲解,我对次有了很大的了解。他渊博的知识,深邃的思想,严谨的治学风格、平易近人的处事态度和幽默风趣的话语,让我在学习知识和解决问题时感到无比的轻松和愉快。至此论文定稿之际,对老师表示衷心的感! 感老师能在繁忙之中抽出时间为我提供耐心的指导,帮我们解决在设计过程中遇到的种种问题。在做毕业设计期间,我还有幸得到同学们的大力帮助,正因为有了他们,我才能克服各种困难,顺利完成毕业设计和论文。充分的体现了师生情、同学情。在这里一并向他们表示感！最后,再次向各位领导、各位老师致以崇高的敬意和最衷心的感！参考文献1 吴建华. 开关磁阻电机设计与应用：机械工业,20012 王宏华. 开关磁阻

47、电动机调速控制技术. : 机械工业,19983N.N.Fulton etal开关型磁阻电动机驱动的近期实践经验开关磁阻电动机译文集微电机研究所,1998：154 郭文恒基于TMS320F240的开关磁阻电机控制系统：硕士论文,北方交通大学,：20025纪良文等. 开关磁阻电机调速系统及其新型控制策略研究：博士论文 大学,20026 加勇等.开关磁阻电动机控制技术的研究现状和发展趋势.电机与控制学报,2002,61：167 Luis Oscar de Araujo Porto Henriques et al.Proposition of an Offline Learning Current M

48、odulation for Torque-Ripple Redution in Switched Reluctance Motors: Design and Experimental Evaluation. IEEE Trans. on Industrial Electronics, 2002; 49: 6656758 王宏华等. 开关磁阻电动机比例因子自调整模糊控制器设计. 电气传动,2001,2：17199 安荣等. 调压方式下的开关磁阻电机变结构控制. 控制与决策,1999,14增刊： 609 61210 王宏华等. 开关磁阻电动机调速系统的发展及现状. 电气传动, 2001,5：381

49、1 Sahoo N C et al. A fuzzy sliding mode current controller for high-degree control of switch reluctance motorsJ. International Journal of Intelligent Control and Systems, 1999; 3: 205-22212 王炎. 开关磁阻电动机调速系统的研究：博士论文 工业大学,200013 詹琼华等. 开关磁阻电动机电容式位置检测技术. 电工技术学报,1999,143：1514 邱亦慧等. 无位置传感器开关磁阻电机的无反转起动研究. 电

50、工技术学报,2001,162：182215 邵贝贝等Motorola DSP 型16位单片机原理与实践：航空航天大学,200316 DSP56F801/803/805/807 16Bit Digital Signal Processor Users ManualRev.3.0 Motorola Inc,200117 DSP56F801/803/805/807 16Bit Digital Signal Processor Users ManualRev.3.0 Motorola Inc,200118广海等. IPM驱动和保护电路的研究电子技术应用,2004,12：434519 风君编著逆变器用整流电源：机械工业,2004