开关磁阻电机调速系统论

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1、青岛理工大学自动化工程学院开关磁阻电机调速系统的研究摘要开关磁阻电机调速系统融开关型磁阻电机、现代电力电子技术和控制技术于一体，开关磁阻电机本身具有结构简单、坚固、可靠性高等优点，由其构成的调速系统具有控制灵活、调速性能好、运行效率高等优点，在调速领域显示了其独特的优越性，并已经在很多领域得到了广泛的应用。本文以7.5KW四相8／6极开关磁阻电机为研究对象，对其构成的调速系统进行研究，主要完成了以下几个方面的工作：首先，研究了开关磁阻电机的工作原理与数学模型，分析了常用的三种控制方法：电流斩波控制、角

2、度位置控制和电压斩波控制，在此基础上确定了本系统的控制方案为：起动和低速运行时采用电流斩波与电压PWM斩波相结合的控制方式，高速运行时采用变角度与电压PWM斩波相结合的控制方式。其次，设计了基于DSP28x系列的开关磁阻电机调速系统的硬件电路，包括功率变换器主电路和控制器硬件电路。功率变换器以智能功率模块IPM为主开关器件，采用H桥型主电路结构。控制器硬件电路实现了转子位置检测、相电流和直流侧电压检测、电流上下限斩波、转速给定、控制信号输入、逻辑综合、与上位机通讯和显示等功能。最后，在控制器硬件的基础

3、上，根据控制方案的要求，完成了控制软件的设计和编写。控制软件采用模块化编程，提高了程序的通用性和可读性。联合调试控制器的硬件和软件，DSP综合相通断信号、电流斩波信号、电压PWM信号和角度控制信号，产生功率电路的驱动信号，实现了开关磁阻电机的换相逻辑控制、电流斩波控制、变角度控制、转速闭环调节、转速计算及显示等功能；并利用实验装置进行了开关磁阻电机的空载和负载实验，给出了实验波形，并作了相应分析。实验结果表明，开关磁阻电机调速系统的动态性能和稳态性能良好。关键词:开关磁阻电机;调速系统；角度控制一、开

4、关磁阻电机的发展概况开关磁阻电机的基本结构和基本原理的提出可追溯到19世纪40年代，但是直到20世纪60年代，随着大功率晶闸管投入使用，开关磁阻电机的理论砌究和实际应用才得到了迅速发展。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，其结核为轴向气隙电动机、具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。近年来，国内已有一大批高校、研究所和工厂投入到SRD的研究、开发和制造工作中，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相电机的控制方案上，至今已有十余家单位

5、推出不同性能、不同用途的几十个系列规格产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等行业中。现在，国内对开关磁阻电机接受和感兴趣的程度逐年上升，形成理论研究与实际应用并重的发展势态。目前，开关磁阻电机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、牵引电机和高转速电机、伺服与调速系统、家用电器和通用工业等领域。随着对SR电机认识的深入、电力电子技术和控制技术的发展，开关磁阻电机及其调速控制系统将具有更广泛的发展和应用前景。1、开关磁阻电机调速系统的组成(l)、SR电机SR电机是SRD系统中实现机电能量

6、转换的部件，也是SRD系统有别于其它电机驱动系统的主要标志。SR电机系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。转子既无绕组也无永磁体，、定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”。SR电机可以设计成多相结构，且定、转子的级数有多种不同的搭配。目前应用较多的是三相(6／4)结构和四相(8／6)结构。(2)、功率变换器功率变换器是向电机直接提供能量的部件，它以功率开关管为主要功能器件，在控制电路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

7、储能提供回馈路径。由于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。在整个SRD成本中，功率变换器占有主要的比重，因此合理设计功率变换器是提高SRD的性能／价格比的关键之一。性能优良的功率变换器应具备以下特点：最少数量的主开关器件；可将电源电压全部施加于相绕组；主开关器件的电压额定值接近于电机额定电压；主开关器件的调制可以有效地控制相电流的通断；具备使相绕组电流迅速增加的能力；在绕组磁链减少的

8、同时，能将能量回馈给电源。功率变换器有多种形式，与供电电压、电机相数和开关器件的种类等有关。目前常用的功率变换器主电路形式有以下几种：不对称半桥电路、双绕组电路、裂相式电路和H桥型电路，其原理图如图1．3所示。2、控制器和位置检测器控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢。控制器一般由单片机或DSP及外围接口电路等组