开关磁阻电机直接瞬时转矩控制研究

论文摘要

开关磁阻电机调速系统(SRD)作为一种新型的机电一体化产品在现在的社会生活中得到了越来越广泛的应用。作为系统的核心部件,开关磁阻电机除了具有结构简单、坚固,成本相对较低等优点以外,更重要的是它具有高起动转矩和相对较低的起动电流,并且可控参数多,调速性能好。但是,由于其存在磁路饱和以及受到双凸极结构的影响,使电机在运行过程中存在转矩脉动。因此本文采用新型的直接瞬时转矩控制策略同时对系统的硬件电路进行优化设计,以力图减小电机运行中的脉动,使系统更加稳定可靠。本文首先对开关磁阻电机的组成以及工作原理进行分析,然后给出开关磁阻电机的数学模型,在此基础上对开关磁阻电机转矩的产生及特性进行了深入分析。在控制策略上引入直接瞬时转矩控制,形成转矩的闭环控制,并以此建立起了系统的主要构架,推导出了简单的转矩的线性模型,验证了相电压对瞬时转矩的影响,设计了转矩的调节单元,并通过优化的滞环控制使瞬时转矩能够跟随参考给定。另外,本文还针对电机运行时转子的不同相对位置,将其分为单相导通区域和双相导通区域,并重点分析了在换相过程中转矩矢量及电流的分配策略,以达到实现在此阶段减小电流及转矩脉动的目的。在转速闭环控制上采用包含去饱和项的PI转速控制器,以避免在起动或突然加载时所产生的超调振荡。在此基础上,本文还以一台5.5kW三相12/8极开关磁阻电机为对象,设计了完备的外围硬件电路,包括控制、保护、驱动、电源等部分,并以dsPIC33FJ128MC706为主控芯片进行编程,进而得到相应的实验波形,通过对相关结果的分析可以看出本文构建的试验系统运行情况稳定,同时证明直接瞬时转矩控制可以起到抑制电流以及转矩脉动的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 SRD系统的特点
• 1.2 开关磁阻电机抑制转矩脉动研究近况
• 1.2.1 转矩脉动产生的原因
• 1.2.2 抑制转矩脉动的几种方法
• 1.3 直接瞬时转矩控制策略
• 1.4 本文所要做的主要工作
• 2 SRD直接瞬时转矩控制系统分析
• 2.1 开关磁阻电机基本结构及工作原理
• 2.1.1 基本结构
• 2.1.2 工作原理
• 2.2 开关磁阻电机转矩方程分析
• 2.3 开关磁阻电机的线性模型
• 2.4 直接瞬时转矩控制系统构架
• 2.5 转速调节器设计
• 2.6 瞬时转矩的简化线性模型
• 2.7 主电路工作状态设定
• 2.8 转矩调节单元
• 2.8.1 信号发生器设计
• 2.8.2 转矩分配策略
• 2.9 开关角度的设定
• 2.9.1 转子位置角度计算原理
• 2.9.2 相绕组开通角关断角选取
• 3 SRD直接瞬时转矩控制系统硬件设计
• 3.1 功率变换电路设计
• 3.1.1 功率变换器结构
• 3.1.2 主功率开关器件的选择
• 3.1.3 缓冲电路
• 3.2 隔离驱动电路
• 3.3 系统电源电路
• 3.3.1 半桥式变换器原理
• 3.3.2 开关电源电路设计
• 3.4 位置检测电路
• 3.5 电流、电压检测与保护电路
• 3.6 串口通信及显示电路
• 3.7 系统控制电路设计
• 3.7.1 dsPIC的特点
• 3.7.2 dsPIC最小系统电路设计
• 4 SRD直接瞬时转矩控制系统软件设计
• 4.1 程序整体结构
• 4.2 初始化子程序
• 4.3 主程序
• 4.3.1 键盘扫描判断子程序
• 4.3.2 转速计算子程序
• 4.4 中断服务程序
• 4.4.1 定时器中断程序
• 4.4.2 捕获中断程序
• 4.4.3 通信接收中断程序
• 4.4.4 保护中断程序
• 5 实验结果分析
• 5.1 实验测试系统平台
• 5.2 测试波形
• 5.2.1 负载运行时电压与电流波形
• 5.2.2 起动及稳定运行时驱动信号与电流波形
• 5.2.3 位置信号与电流波形
• 5.2.4 换相过程中两相电流波形
• 5.2.5 母线电压波形
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢