开关磁阻电机高性能位置检测技术研究

论文摘要

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SRM或SR电机)具有结构简单、成本低、控制灵活等优点,由其构成的调速系统(Switched Reluctance Motor Drive简称SRD)具有一般交、直流调速系统所没有的优点,所以目前逐渐形成SRD理论研究与实际应用并重的发展态势。位置检测是SRD系统必不可少的组成部分,而位置传感器的存在会降低SRD系统结构的可靠性,影响系统总体控制性能,因此研究如何实现间接位置检测、提高检测精度对开关磁阻电机驱动系统来说意义重大。本文首先介绍了SR电机及其控制系统的发展历程及研究现状,分析了SR电机间接位置检测技术的研究方法及发展趋势,对间接位置检测方法进行了综述。通过分析SR电机的结构和运行原理、研究SR电机绕组的线性电感模型和非线性电感模型,建立了基于电机结构的非线性数学模型,进行了相应的仿真实验分析。利用电机的固有信息间接确定转子位置,提出基于模糊模型的转子位置估算方法,建立了开关磁阻电机模糊非线性模型,对转子位置估算中的噪声、误差及估算模型的鲁棒性进行了分析,研究了模糊模型的优化及位置估算精度提高方法。仿真实验表明该位置估算方法实时性好,抗干扰能力强,鲁棒性好。间接位置检测算法实施过程要求占用存储空间尽量小、速度快、少占用CPU资源。本文设计采用Cyclone系列可编程逻辑器件FPGA实现位置检测算法,使用高速A/D进行信号检测转换,采用流水线优化技术以提高工作速度,编制了各个子程序模块以及顶层文件,实验仿真验证了算法的有效性、实时性。最后,设计了SRM的功率变换器,并以TI公司的TMS320F2407DSP为核心,设计了系统控制器。在该实验系统上,进行了开关磁阻电机的实验研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 引言
• §1-2 开关磁阻电动机的研究及发展状况
• §1-3 SRD 系统构成及特点
• 1-3-1 SRD 的基本组成原理
• 1-3-2 SRD 的特点及存在问题
• §1-4 课题研究的意义
• 1-4-1 间接位置检测技术的研究
• 1-4-2 本课题研究的意义
• §1-5 本文主要研究内容
• 第二章 SRM 建模与分析
• §2-1 引言
• §2-2 理想开关磁阻电机模型
• 2-2-1 电路方程
• 2-2-2 机械方程及机电联系方程
• §2-3 SRM 的线性模型和准线性模型
• 2-3-1 线性模型
• 2-3-2 准线性模型
• §2-4 SRM 非线性模型
• 2-4-1 SRM 数学分析模型的研究
• 2-4-2 SRM 电机几何结构的分析模型
• §2-5 SRM 非线性模型的仿真和分析
• 2-5-1 简单数学分析模型的建模
• 2-5-2 几何结构分析模型的建模
• 2-5-3 性能仿真结果与分析
• §2-6 结论
• 第三章 基于模糊模型的 SRM 间接位置检测方法的研究
• §3-1 引言
• §3-2 开关磁阻电机磁化特性的测量
• 3-2-1 磁链特性确定方法概述
• 3-2-2 测量基本原理
• 3-2-3 磁链测量过程
• 3-2-4 磁链测量结果
• §3-3 基于模糊模型的转子位置估算方法
• 3-3-1 间接位置传感器检测技术的理论依据
• 3-3-2 模糊算法的优势
• 3-3-3 转子位置角模糊推理算法
• 3-3-4 转子位置估算中的噪声和误差分析
• 3-3-5 估算模型的鲁棒性
• §3-4 模糊模型的优化
• 3-4-1 ANFIS 模糊神经网络的构成
• 3-4-2 ANFIS 神经网络的训练过程
• §3-5 估算精度提高方法
• 3-5-1 最佳相选择
• 3-5-2 估算中的超前滤波
• 3-5-3 位置预测
• 3-5-4 在线电阻估计
• §3-6 结论
• 第四章 基于 FPGA 的开关磁阻电机位置检测算法研究
• §4-1 引言
• §4-2 磁链计算原理及算法实现
• 4-2-1 磁链法基本原理
• 4-2-2 简化磁链法的原理
• 4-2-3 简化磁链算法的实现
• §4-3 实验系统硬件设计
• 4-3-1 高速A/D 转换器
• 4-3-2 FPGA 配置
• §4-4 实验系统软件设计
• 4-4-1 电流采样
• 4-4-2 创建电流-参考磁链数据表格
• 4-4-3 建立磁链计算模型
• 4-4-4 确定换相位置
• §4-5 结论
• 第五章 SRM 位置间接检测调速系统的研究
• §5-1 引言
• §5-2 步进原理与位置检测
• 5-2-1 步进原理的提出
• 5-2-2 步进原理
• 5-2-3 步进原理在SRM 控制系统中的实现
• 5-2-4 步进原理与位置检测的关系
• §5-3 开关磁阻电机调速系统的硬件组成
• 5-3-1 功率变换器设计
• 5-3-2 电流检测
• 5-3-3 过流过压检测电路
• 5-3-4 键盘、显示电路
• 5-3-5 过热保护电路
• §5-4 控制系统算法设计
• 5-4-1 系统总体设计方案
• 5-4-2 主程序设计
• 5-4-3 中断服务子程序
• 5-4-4 捕获中断
• 5-4-5 电流采样子程序（采样、保护、滤波）
• §5-5 系统的实验性能
• §5-6 结论
• 第六章 总结
• §6-1 论文总结和创新点
• 6-1-1 博士期间工作总结
• 6-1-2 论文的创新点
• §6-2 进一步的研究方向
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间所取得的相关科研成果