基于组合控制方式的开关磁阻电机调速系统的设计与研究

论文摘要

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)调速系统融开关磁阻电机与现代电力电子技术、控制技术为一体,兼有异步电机变频调速系统和直流电机调速系统的优点,以其简单的结构及其优良的调速控制性能日益受到人们的关注,显示出强大的市场竞争力。开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Motor Drive,SRD)的设计和研制为已经成为当代电气传动发展的热门课题之一。论文介绍了开关磁阻电机调速系统的发展前景,对开关磁阻电机调速系统的基本构成及特点进行了阐述;详细地分析了开关磁阻电机的特点及工作原理,并以12/8极30KW SRM为研究对象,建立了开关磁阻电机的数学模型;针对其电感、绕组电流和转矩在不同阶段的变化情况,对此电机进行一套调速系统的设计。系统采用双闭环结构的控制策略(外环为速度环,内环为电流环)。速度环采用模糊PI控制算法;电流环采用传统PI控制算法,提出了高速变角度电压斩波—低速定角度电流斩波的组合控制方法。本文设计了以ATMEL公司的ATmega128单片机为核心的控制器,控制器具有过电流、过电压保护的功能。主开关选取IGBT,灵活地运用了富士公司的EXB841驱动芯片,并加以改进,使驱动部分变得更加简单、可靠。系统控制软件采用模块化编程的方法,增强了程序的可读性和灵活性。实验和仿真表明:系统设计合理,软件所采用的控制方法和控制策略正确、有效,运行稳定可靠。

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ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 开关磁阻电机的基本结构、原理与特点

1.3 开关磁阻电机调速系统的结构与性能特点

1.3.1 SRD系统的组成

1.3.2 SRD系统的性能特点

1.3.3 SRD系统存在的主要问题和研究方向

1.4 本课题的主要研究工作

第二章 SRM数学模型与控制方式

2.1 SRM的数学模型

2.1.1 SRM的基本方程式

2.1.2 SRM数学模型的求解

2.2 基于SRM线性模型的运行分析

2.2.1 SRM线性电感模型分析

2.2.2 理想线性模型的SRM绕组磁链波形

2.2.3 基于线性模型的开关磁阻电机相绕组电流分析

2.2.4 电磁转矩的分析

2.3 开关磁阻电机调速系统的基本控制方式

2.3.1 角度控制方式（APC）

2.3.2 电流斩波方式（CCC）

2.3.3 电压斩波PWM控制

2.3.4 组合控制

2.4 SRM的运行特性

2.5 系统控制方式的确定

2.6 本章小结

第三章功率电路的设计

3.1 设计的参数依据与原则

3.2 常用的功率变换器主电路拓扑结构

3.2.1 双绕组功率变换器

3.2.2 最少主开关器件数量的功率变换器

3.2.3 H桥型主电路

3.2.4 不对称半桥线路

3.3 功率电路的设计

3.3.1 功率电路

3.3.2 功率元件的选取

3.3.3 IGBT驱动电路设计

3.4 本章小结

第四章 SRD控制器硬件设计

4.1 控制器CPU的选取及控制器系统构架

4.2 ATMEGA128单片机简介

4.2.1 ATmega128的结构与主要特点

4.2.2 ATmega128主要性能

4.3 外围硬件电路

4.3.1 转子位置检测及电路设计

4.3.2 电流检测电路

4.3.3 电压检测电路

4.3.4 A/D采样电路

4.3.5 过热保护电路

4.3.6 LCD显示电路接口连线图

4.4 本章小结

第五章 SRD系统调节器设计

5.1 SRD控制系统设计基础

5.2 SRD小信号线性化动态模型

5.2.1 SRM小信号模型及其传递函数

5.2.2 SRD其他环节的传递函数

5.2.3 SRD整体结构图及传递函数

5.3 系统调节器设计

5.3.1 数字PID分析

5.3.2 模糊自整定PI控制

5.4 本章小结

第六章系统的软件设计

6.1 软件设计思想

6.2 各程序模块介绍

6.2.1 主程序框架

6.2.2 初始化子程序

6.2.3 正常运行子程序

6.3 控制方式的选择与实现

6.3.1 控制方式的选择

6.3.2 控制方式的实现

6.4 控制策略的实现

6.4.1 数字PI算法实现

6.4.2 模糊自整定PI控制

6.5 本章小结

第七章实验与仿真研究

7.1 仿真结果

7.2 实验结果

7.2.1 PWM驱动信号

7.2.2 SRM运行时波形

7.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果

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