基于DSP的开关磁阻电机调速系统的研究
毕业论文
目录
摘要................................................................................ 错误！未找到引用源。Abstract .......................................................................... 错误！未找到引用源。
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 SRD系统的发展简介 (1)
1.3 SRD系统概述 (3)
1.3.1 SRD构成 (3)
1.3.2 开关磁阻电动机的基本结构及其转动原理 (4)
1.4 SR电机调速系统具有的基本特点 (5)
1.5 SRD系统的应用 (6)
1.6 本文的目的和任务 (8)
第2章DSP 概述 (10)
2.1 DSP技术的发展历程及趋势 (10)
2.2 DSP基本结构、特点及应用 (11)
2.3.DSP芯片的选择 (14)
2.3 TMS320LF240x的结构及特点 (19)
2.3.1 事件管理器模块 (20)
2.3.2 模数转换模块(ADC) (23)
2.3.3 PLL时钟模块 (24)
2.3.4看门狗(WD)和实时中断(RTI)模块 (24)
2.4 DSP系统的设计过程 (24)
2.5 DSP的开发工具 (25)
2.6 本章小结 (26)
第3章SRD调速系统硬件设计 (27)
3.1 系统总体设计方案 (27)
3.2 功率变换器的设计 (27)
3.2.1 功率变换器型式的选择 (28)
3.2.2 功率电路的相开关通断时刻 (28)
3.2.3 主开关管选择及参数计算 (29)
3.3 驱动电路设计 (30)
3.3 位置传感器电路 (32)
3.3.1 位置传感器电路 (32)
3.3.2 速度检测和实现 (32)
3.4 控制电路 (33)
3.5 本章小结 (35)
第4章系统软件设计 (36)
4.1 主要的控制思想 (36)
4.2 设计思想 (36)
本章小结 (39)
结论
致谢
参考文献
附录
第1章绪论
1.1课题背景
课题背景开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive简称SRD)是80年代中期发展起来的新型调速系统，它是继异步电动机变频调速系统之后崛起的一种很有发展前景的变速拖动系统。它融电力电子技术、微电子技术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化技术，具有优良的调速性能;与直流调速系统和异步电动机变频调速系统相比较，具有结构简单、成本低、损耗小、效率高、可控参数多、控制灵活、起动电流小、起动转矩大，能比常规电机高得多转速下运行，坚固耐用，适用于恶劣环境中使用等优点，因此，开关磁阻电动机一问世就引起了国内外电工界的广泛关注，深信它将在电气传动自动化领域中占有重要地位。
1.2SRD系统的发展简介
最早有记录的SR电机可以追溯到19世纪40年代，但是人们真正从认识到这种电机的发展潜力，还是从现代电力电子技术和计算机辅助电磁设计发展之后才开始。这两方面的发展开始于60年代中期，它们不仅为开展SR电动机的研究工作带来了新的生机，并且将其运行性能提高到了与直流驱动系统、交流驱动系统及无刷直流驱动相角逐的程度。
70年代以英国科学家LawrensonP .J.教授为首，由英国Leeds大学和Notingham大学联合成立了用电机及其驱动系统开发电动汽车的攻关小组,1980年，在经过了近十年的理论研究和产品开发基础上，LawrensonP .J. 教授等人发表了著名的科学论文“Variable-Speed Switched Reluctance Motors"[1][2]。文中详尽地介绍了开关磁阻电机的这种新型电机的工作原理、设计方法、控制方案以及已研究成功的一系列样机的实验结果。他们创造性地提出了容电力电子技术和电机设计于一体的设计观点，彻底解决了早期双凸极结构磁阻电机无法解决的换相问题，并使得新型磁阻电机的单位出力可以与交流异步电机相媲美甚至还略占优势，因此这种新型电机一经提出，就得到了国际上的广泛认可。开关磁阻电机驱动系统也成为这种新型电子换相变磁阻电机驱动系统的正式名称。这方面的研究论文逐年增加，普及到的国家也逐年增加，如有英国、美国、德国、中国、意大利、加拿大、新加坡等国。
就SRM本身来看，不论是铁芯形式还是绕组连接组成，改变并不是很多，至今双凸极每极单齿电动机仍占主导地位。在定、转子极数配合上，
有8/6、6/4、12/8、10/8、6/2极等。目前广泛采用的是8/6、6/4极配合，除双凸极每极单齿外，SRM还有每极多齿、单边凸极等结构形式。[3]随着电子工业的迅速发展，越来越多的新型半导体器件投入商用，器件的工作性能在不断提高，价格却越来越低。这无疑促使SR电机调速系统的设计朝着完善装置性能、降低商品成本的方向发展。目前系统中使用的主要开关器件可以选用MOSFET、IGBT、MCT等新型器件来代替已往使用的SCR、BJT、GTO等功率开关管，从而可以进一步完善系统的运行性能，并降低功率开关管驱动电路和保护电路的设计成本。
自1983年英国TASC公司首次推出Oulton系列的SR电机调速装置商业化产品以来，SR电机调速系统已逐渐成为其它各种调速装置的竞争对手，并在不断地争取各种可能的用户。各国学者将SR电机调速系统与各类可改变速驱动装置作了大量的比较分析，对其成本，性能和应用领域做了全面的论证。他们认为该装置的应用领域可以遍及家用，一般工业、伺服系统，牵引、高速驱动、飞机及汽车上的各种辅助装置等。
我国的SRD研究自80年代中期开始，目前己有许多院校和厂所投入不少力量，并逐步从实验室走向生产和推广应用。我国已在1988、1991年、1993三次召开了开关磁阻电机研讨会，并于93年初成立了开关磁阻电机学组，国内开发SRD较为成功的单位有:华中理工大学、北京纺机所、太原理工大学、浙江大学等。
迄今为止，SRD系统的发展历程仅有短短的二十余年，但它却取得了令人瞩目的成绩，其产品已在电动机驱动系统，家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动等众多领域得到成功应用，其功率范围也覆盖了从l0w到5MW，转矩从0.O1N.m到10N.m，转速可达100,000r/min.目前SRD系统的研究主要涉及以下几个方面.[4]
(1) SRM 参数的确定，主要是磁链曲线的测量和计算;
(2) 性能的精确估算，包括整个系统稳态和动态性能的数字仿真;
(3) SRD系统的优化，包括从电动机的设计和控制器软、硬件两方面来提高系统效率、降低噪音和转矩脉动;
(4)无位置传感器的SRD系统的研制，位置闭环控制是开关磁阻电动机的基本特征，但它的存在会使电机结构简单的优点变得逊色，降低了可靠性。为此探索实用的无位置检测器方案是十分引人注目的课题;
(5)变换器方案和主开关元件选择;
(6)数字信号处理器和专用集成电路的应用，主要是根据不同的控制方案选择合适的数字信号处理器以及控制电路的ASIC设计;
(7)高速开关磁阻电动机产品开发;
(8)振动、噪声研究;
(9)铁损耗分析与效率研究。
1.3 SRD 系统概述
1.3.1 SRD 构成
开关磁阻电动机调速系统:主要由SRM 、功率变换器、控制器、位置检测器构成。如下图1-1所示。
图1—1SRD 系统框图[5]
(1)磁阻电机:SRM 是SRD 中实现机电能t 转换的部件，系双凸极可变磁阻电动机，其定转子的凸极均由普通硅钢片亚压而成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联或并联构成一对磁极，称为“一相”。SRM 可以设计成多相结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。因此电机定、转子的极数应当按使用的场合合理确定。SRM 的转向与电流方向无关，为单向电流。通过简单的控制方式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。
(2)功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给SRM ，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于SRM 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可以避免直接短路故障。SRD 的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。
(3 )控制器是系统的中枢。本文采用数字处理器芯片作为控制中心来进行控制，它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信号，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SRM 运行状态的控制。
∑
SR PWM 发生器 功率变换器 位置传感
器
PWM 功率变换器 ∑
+
—
1.3.2开关磁阻电动机的基本结构及其转动原理
开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。主要有开关磁阻电机、功率变换器、控制器与位置检测器四部分组成。控制器内包含控制电路与功率变换器，而转子位置检测器则安装在电机的一端。
开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围
10W~5MW的各种高低速驱动调速系统。使的开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用（电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域）。
其结构简单，价格便宜，电机的转子没有绕组和磁铁。
电机转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电机容易冷却。效率高，损耗小。
转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠。
SR电动机的定子和转子铁心是由硅钢片叠装的，在定子铁心内圆周和转子铁心外圆周均分布齿和槽，齿又称凸极，即所谓双凸极结构。定子铁心每个齿上安装象直流电机主磁极绕组一样的集中绕组，转子铁心齿上不安装绕组。定子内圆周上相对的两个齿上的绕组串联(顺向)成为一相绕组。
SR电动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闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己钩主轴线与磁场的轴线重合。
SRD系统各部件的结构及工作原理：开关磁阻电动机调速系统所用的开关磁阻电动机（SRM）是SRD中实现机电能量转换的部件，也是SRD 有别于其他电动机驱动系统的主要标志。SRM系双凸极可变磁阻电动机，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联接起来，称为“一相”，SR 电动机可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多、步距角小，有利于减少转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高，目前应用较多的是四相（8/6）结构和三相（12/8）结构。图2示出四相（8/6）结构SR电动机原理图。为简单计，图中只画出A相绕组及其供电电路。SR电动机的运行原理遵循“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。图2中，当定子D-D?极励磁时，1-1'向定子轴线D-D'重合的位置转动，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给D→A→B→C
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B→A→D→C相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。可见，SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。另外，从图2可以看出，当主开关器件S1、S2导通时，A相绕组从直流电源US吸收电能，而当S1、S2关断时，绕组电流经续流二极管VD1、VD2继续流通，并回馈给电源US。因此，SR电动机传动的共性特点是具有再生作用，系统效率高如图（附录二）由此可见，通过控制加到SR电动机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置（即导通角、关断角），即可控制SR电动机转矩的大小与方向，这正是SR电动机调速控制的基本原理。
1.4 SR电机调速系统具有的基本特点
开关磁组电动机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在：
(1) 电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。SRD的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转（如每分钟上万转）。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结构简单。
(2) 功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方相绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比异步电动机绕组需流过双向电流，向其供电的PWM变频器功率电路每相需两个功率器件。因此，开关磁阻电动机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。另外，PWM变频器功率电路中每桥臂两个功率开关管直接跨在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率器件。而开关磁阻电动机调速系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，根本上避免了直通短路现象。因此开关磁阻调速电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，即降低了成本，又有较高的工作可靠性。
(3) 系统可靠性高。从电动机的电磁结构上看，各项绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其他妨碍。
(4) 起动转矩大，起动电流低。控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。典型产品的数据是：起动电流为额定电流的15%时，获得起动转矩为100%的额定转矩；起动电流为额定电流的30%时，起动转矩可达其额定转矩的250%。而其他调速系统的起
动特性与之相比，如直流电机为100%的电流，鼠笼感应电动机为300%的电流，获得100%的转矩。起动电流小而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分合适那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械。
(5) 适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩、低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还要小。可控参数多使其制动运行能与电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1000次/小时。
(6) 可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种：相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便。可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采取不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态（如出力最大、效率最高等），还可使之实现各种不同的功能的特定曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有最高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。由于SRD速度闭环是必备的，因此系统具有很高的稳速精度，可以很方便的构成无静差调速系统。
(7) 效率高，损耗小。本系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机绕组无铜损；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。以3kW SRD为例，其系统效率在很宽范围内都在87%以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。将本系统同PWM变频器鼠笼型异步电动机的系统进行比较，本系统在不同转速和不同负载下的效率均比变频器系统高，一般要高5～10个百分点。(8) 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。
1.5SRD系统的应用
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系统已有了系列化产品，其多种功率SRD系统在不同的工业部门和家用电器中得到应用。
(1)用于龙门创床:工业上需要电动机能频繁启、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、电弧炉的电极升降系统，建设工程中的沥青、水泥混凝土系统等。
(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0.3s，即电动机运转时，接到指令后，能在0.3s内实现反转，并要求在24小时内连续频繁运转，同时要求在较宽广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。SRI)系统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。一般情况下，空调均是高耗能型家电，如果能节5%能以上，必将会获得较大的经济与社会效益。
（a）在洗衣机中的应用
目前，世界上使用面广、为广大用户所接受的洗衣机主要有两大类：一类是波轮式全自动洗衣机；另一类是滚筒式全自动洗衣机。
这两类洗衣机对电动机有着共同的性能要求：洗涤时要电动机低转速转动，且能频繁地正反转；脱水时要电机能高速旋转。
长期以来，这两类洗衣机基本上都采用了一种变极双速单相感应电动机而勉强达到使用要求，但缺点是很明显的：
（Ⅰ）调速性能差，在洗涤时只有一种转速难以适应各种织物对洗涤转速的要求，而所谓的“强洗”、“弱洗”、“轻柔洗”等洗涤程序的变化仅仅是靠改变正反转的持续时间而已。而且为了照顾洗涤时对转速的要求，往往使得脱水时的转速偏低，一般仅为400转/分钟至600转/分钟。（Ⅱ）单相变极双速感应电动机的效率很低，一般均为30%以下。而其起动电流竟是额定电流的7～8倍以上，这会对电网造成冲击。
如果用开关磁阻调速电动机来取代单相变极双速感应电动机则可以取得十分满意的效果。
南京瑞鹏科技有限公司成功开发了用于5kg滚筒洗衣机的SRD专用系统，取得了令人振奋的效果。系统的“标准洗”，滚筒的转速为57转/分钟；而“轻柔洗”、“丝绒洗”滚筒转速则为25转/分钟。真正做到高档织物不损伤。“脱水”时滚筒转速可在400转/分钟至1200转/分钟之间任意设定选取。系统还为洗衣机的各种动作设计了专用程序。如为正转、反转洗涤设计了特定的起动、加速、减速程序，可有效的提高衣物的洗净率。为漂洗和脱水分别设计了特定的起动、均布升速程序，有效避免在脱水时由于衣物在滚筒上分布不均而造成的振动和噪声；而对于根本不可能均匀分布的洗涤物，则可智能地为其选择较低的脱水转速。经测试比较，同样的衣物，同样一个“标准洗”，本系统的用电量仅为普通滚筒洗衣机（双速感应电动机为动力）的44%；其耗电、耗水、洗净度、脱水率、噪声等一系列指标都达到了欧洲A类洗衣机的标准。
（b)在空调和电冰箱的应用
空调、电冰箱的核心部件是压缩机，可是目前进入千家万户的普通空调、电冰箱的压缩机大都是由单相异步电动机来驱动的。它的缺点表现为：一、由于他们采用简单的通断式来进行控温，这样将带来许多毛病，如系统效率低、功率因素低、温度起伏大、因起动电流大而对电网产生冲击等。二、近年来出现了“变频空调”新产品，它采用异步电动机变频调速系统来取代单相异步电动机。相比较而言，变频空调具有制冷速度快、环境
舒适度好、对电网无冲击、运行噪声小、效率高和节能等一系列优点，是空调升级换代的革命性措施。但变频调速系统在运行中、低速时，机械特性通常变差，系统效率和功率因素下降明显。而变频空调系统压缩机的电动机恰恰绝大多数时间在中、低转速状态下运行，只是刚开始时是高速运转。因此，这给变频空调系统的节能优越性大大的打了个折扣。而开关磁阻调速电动机系统除了具有变频调速系统的一系列优点外，它具有比变频调速系统更高的电能—机械能转换效率，特别是在中、低转速运行时，这一优势就更加明显。这一点在此就不再赘述。
（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。而发展电动车除了车内的蓄电池要有高能量密封之外，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系统高效率、高可靠性、宽广的调速范围，卓越的启、制动性能，它是各类电动车最理想的动力之一。据有关资料报道，轻轨电动车列车将列入我国“十五”重大科技攻关项目。
（5）高速运行应用场合的开发:由于SRM电动机具有坚固性和需要相对低的开关频率，所以在叠片性能和轴承满足的条件下可作高速传动与运行，为此，作为开发高速SRD系统又是一个应用方向。据有关资料说明:美国为空间技术应用研制25000r/min, 90KW的高速SRD样机，其电动机有效材料仅为lOKg。
虽然SRD系统在我国出现较晚，产业化工作滞后，它的特点目前未被广大用户所了解，但由于SRD系统具有十分优良的控制性能，从而使得某些领域可取代现在仍广泛采用的交流变频调速系统，特别是在一些现有调速系统难以胜任的场所发挥作用。
1.6本文的目的和任务
随着工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的不断增加，现代电机控制技术也变得越来越重要。但开关磁阻电机的调速和控制以前大多用单片机8031, 8051等进行控制，电路采用的元器件多、运行速度慢、硬件结构复杂、系统运行可靠性差、控制灵活性小等缺点。并且在这种控制系统中，SR电动机磁场非线性，转子磁链模型计算、转子参数的辩识与校正等，使系统变得十分复杂。数字信号处理器(Digital Signal Processor) DSP的出现，为电机系统的数字化控制注入了新的生机，完全解决了开关磁阻电机的这些要求。
本文把数字信号处理器DSP应用于开关磁阻电机调速系统中，使得SRM 调速系统控制灵活。
数字信号处理器是伴随着微电子技术的迅速发展和数字信号处理理论与技术的不断完善，而开发的现代高速数字信号处理单片机，是电子信息领域的新型高科技产品。美国TI(Texas Instrument)公司最新推出的高性