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开关磁阻电机驱动系统研究及实现

作　者: 刘博强
导　师: 孙建忠
学　校: 大连理工大学
专　业: 电机与电器
关键词: SRD 控制策略硬件设计软件实现
分类号: TM352
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

开关磁阻电机驱动系统(SRD)是很有发展潜力的驱动系统,突出的优点使得它在未来调速市场极具竞争力。由于开关磁阻电机(SR电机)具有双凸极定转子结构和工作时磁场深度饱和的特点,加之采用脉冲式供电方式,使得系统分析和控制面临很大的难度。本文对SRD控制器的硬件电路和软件(主要是控制策略)进行了优化设计。为了设计考虑磁路非线性、参数时变性和抑制扰动的较高动态性能SRM新型控制器,电流环使用混合控制策略以充分发挥各控制模式的优点。低功率时使用电流滞环斩波控制(CCC)和带反电动势解耦的PI型单极性PWM斩波调压控制(VC),高功率或高速时使用单脉冲控制,或者称角度位置控制(APC)。从硬件和软件设计两方面详细阐述了这些控制模式的工作情况和如何实现不同模式的平滑切换。实验结果充分说明各控制模式在机械特性的不同区段分别发挥了其优势,而且彼此间实现了无缝衔接。此外,为了使系统工作范围更宽、动态响应更快,采用了单双相通电模式和四象限运行控制。实验结果也表明采用单双相通电可使电流更平滑,转矩脉动有所减小；而使电机四象限运行不仅扩展了系统工作范围,而且转矩的控制更加灵活。功率电路使用了新型的无源Boost前端加每相1.5个IGBT和二极管的拓扑结构。实验表明采用此结构可加快相绕组退磁和某些情况下的励磁速度,从而增大电机出力和效率,扩大调速范围。为了使开关管的RC关断缓冲电路在器件关断和开通时均能较好地工作,利用电路理论详细分析了缓冲电路的工作状态,然后以本文设计的系统为例给出缓冲电路RC参数的计算方法。缓冲电路的实际工作效果和开关管电压实测波形验证了此计算方法的正确性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-17
  1.1 SRD系统的组成和工作原理  10-12
  1.2 SRD系统的主要性能特点  12
  1.3 SRD系统的发展状况和研究方向  12-15
    1.3.1 SRD的发展概况  12-13
    1.3.2 SRD的研究方向  13-15
  1.4 本文的主要工作  15-17
2 SR电机的数学模型和性能分析  17-22
  2.1 数学方程  17
  2.2 SR电机的线性模型  17-19
  2.3 SR电机的准线性模型和简化非线性模型  19-20
  2.4 SR电机的非线性模型  20-22
3 SR电机数字控制器的设计和控制策略制定  22-40
  3.1 SR电机的机械特性  22
  3.2 双闭环调节器的设计  22-27
    3.2.1 电流调节器的设计  23-27
    3.2.2 转速调节器的设计  27
  3.3 SR电机的角度控制  27-32
    3.3.1 角度控制的原理  27-29
    3.3.2 角度细分的实现  29-32
  3.4 电动和发电运行状态下PWM与APC模式间平滑切换条件  32-33
    3.4.1 SR电机工作在电动状态  32
    3.4.2 SR电机工作在发电状态  32-33
    3.4.3 SR电机电动和发电状态间的平滑切换  33
  3.5 电流环各控制方式间切换  33-37
    3.5.1 CCC和PWM方式间的切换  34-35
    3.5.2 PWM和APC方式间的切换  35
    3.5.3 电机四象限运行对应的电流环工作模式  35-37
  3.6 SR电机高级控制策略  37-40
    3.6.1 改进的单双相导通模式  37-38
    3.6.2 如何减小转矩脉动  38-40
4 控制系统的硬件设计  40-58
  4.1 功率变换器的设计  40-44
    4.1.1 常见功率变换器电路的形式  40-41
    4.1.2 新型功率变换器电路  41-44
  4.2 硬件总体设计  44-54
    4.2.1 控制芯片TMS320F2808简介  45-46
    4.2.2 驱动电路及其供电电源  46-49
    4.2.3 位置和速度检测  49
    4.2.4 电流检测电路  49-50
    4.2.5 故障检测和保护电路  50-51
    4.2.6 驱动逻辑综合电路  51-52
    4.2.7 直流母线电压检测电路  52-53
    4.2.8 上电限流电阻切除电路  53
    4.2.9 制动电阻的接入电路及其控制  53-54
  4.3 开关管关断缓冲电路的设计  54-58
    4.3.1 缓冲电路工作情况分析  54-55
    4.3.2 缓冲电路参数计算  55-58
5 控制系统的软件实现  58-68
  5.1 软件流程图  58-59
  5.2 软件各功能模块详细实现  59-68
    5.2.1 初始化子程序  59-60
    5.2.2 主程序  60-62
    5.2.3 定时器中断子程序  62-66
    5.2.4 保护中断子程序  66-68
6 实验结果  68-76
  6.1 新型主电路效果验证  68-69
    6.1.1 无源boost前端的工作效果  68
    6.1.2 RC缓冲电路的工作情况  68-69
  6.2 电流环三种控制模式相关波形  69-74
    6.2.1 低速电动CCC/PWM斩波调压控制  69-70
    6.2.2 中速电动CCC/PWM斩波调压控制  70
    6.2.3 高速电动单脉冲(APC)控制  70-71
    6.2.4 制动状态相关波形  71-73
    6.2.5 控制模式切换处相关波形  73-74
  6.3 其他相关波形  74-76
    6.3.1 单双相通电模式  74-75
    6.3.2 制动时直流母线电压波形  75-76
结论  76-77
参考文献  77-80
附录A 实验电机参数  80-81
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  81-82
致谢  82-84

开关磁阻电机驱动系统研究及实现

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