目 录
摘要 ...................................................................... I Abstract ................................................................. II 第1章 绪论 ............................................................... 1
1.1开关磁阻电机的发展概况 ............................................. 1
1.1.1国外发展概况 ................................................. 1 1.1.2 国内发展概况 ................................................. 2 1.2 开关磁阻电机控制系统的组成与性能特点 .............................. 3
1.2.1开关磁阻电机控制系统的组成 ................................... 3 1.2.2 开关磁阻电机调速系统其主要特点 ............................... 3 1.3开关磁阻电机调速系统的研究方向 ..................................... 4 1.4 本文的主要研究内容 ................................................ 6 第2章 SR电机控制系统的基本原理和数学模型 ................................ 7
2.1 SR电机基本结构及原理 .............................................. 7
2.1.1开关磁阻电机的基本结构 ....................................... 7 2.2开关磁阻电机的数学模型 ............................................. 9
2.2.2 数学模型的求解方法 .......................................... 10 2.3 开关磁阻电机工作的基本分析 ...................................... 11
2.3.1 电感与转子位置角的关系 ...................................... 11 2.3.2 电磁转矩的分析 .............................................. 12 2.3.3 绕组电流的分析 .............................................. 13 2.3.4 转速的控制 .................................................. 14 2.4 开关磁阻电机控制系统工作过程及控制策略 ........................... 15
2.4.1 开关磁阻电机控制系统的工作过程 .............................. 15 2.4.2开关磁阻电机调速系统的控制策略 .............................. 15 2.4.3 SR电机调速系统基本控制策略分类 ............................. 16
第3章 开关磁阻电机控制系统硬件设计 ...................................... 18
3.1 基于LPC2101 控制器的SRD 系统硬件结构设计 ........................ 18 3.2 功率变换器的整体设计 ............................................. 20
3.2.1 常用功率变换器主电路结构形式 ................................ 20 3.2.2 主开关器件的选择 ............................................ 23
3.2.3 功率变换器的设计 ............................................ 24 3.2.4 功率电路的相开关通断时刻 .................................... 26 3.3 IGBT驱动电路的设计 ............................................... 27 3.4 位置检测单元的硬件设计 ........................................... 28 3.5 速度给定信号的硬件电路 ........................................... 29 3.6 电流检测电路 ..................................................... 30 3.7 低速电流斩波电路 ................................................. 31 3.8 高速电压斩波电路 ................................................. 32 第4章 开关磁阻电机的软件设计 ............................................ 33
4.1 主程序框架 ....................................................... 33 4.2 初始化子程序 ..................................................... 33 4.3 相逻辑判断子程序 ................................................. 35 4.4 测速子程序 ....................................................... 36 4.5 数字滤波子程序 ................................................... 36 4.6脉宽控制子程序 .................................................... 37 4.7 运行控制子程序 ................................................... 38 4.8 本章小结 ......................................................... 39 第5章 试验结果数据分析 .................................................. 40
5.1 实验装置 ......................................................... 40 5.2 实验测试 ......................................................... 41 结 束 语 ................................................................. 44 参考文献 ................................................................. 46 致 谢 .................................................................... 47
高效节能型开关磁阻电机控制系统研究
摘要：开关磁阻电机是电机技术与现代电力电子技术、微机控制技术相结合的产物，既具有结构简单坚固、成本低、容错能力强，耐高温等优点，又在高度发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得了良好的可控性能，目前己经在多个工业部门得到应用。因此，开关磁阻电机在控制调速领域有着良好的发展前景。
首先，本文结合大量的文献资料，全面总结和分析了当前开关磁阻电机调速系统的几大优势，进一步明确了在科研中加强开发开关磁阻电机调速系统的意义。其次，论文对以微处理器为控制核心的高效节能型开关磁阻电动机控制系统进行了研究，得出基于有位置传感器检测的控制方案。论文简要概述了SRD 系统发展过程、发展方向，以及SRD 系统的基本结构、工作原理和特点； 基于单片机控制技术和电力电子变流技术，开发设计了一套以LPC2101 为核心的控制系统硬件设计，针对SR 电机的控制特点，充分利用了微处理器的硬件资源，设计了相应的外围硬件检测、保护、控制及人机接口电路，使控制系统结构紧凑，可靠性高；系统的控制软件设计，采用模块化的程序设计方法，增强了系统的可读性及可维护性，实现了一种电压和电流控制;结合系统的硬件设计，开发了相应的软件模块，使系统具有完善的保护和控制性能。
关词键: 开关磁阻电机、微处理器、控制系统
I
Efficient energy-saving switched reluctance
motor control system research
Abstract: As the representation of modern electrical machines, switched reluctance machine combines the electrical machine theories with the modern power electronic technique and the advanced microprocessor control technique, which not only has low-cost strong structure, good fault-tolerant and heat-resistant capability but also has excellent controllability. It develops with the progress of micro-electronic technology, control technology, power electric and modern computer technology. It has the traits of simple structure, high dependability, flexible control and high efficiency. It has been used in several industry departments and has a nicer future. Thus, switched reluctance machine as motor is widely used in drive and speed regulation field.
Firstly，this paper summarized and analyzed the advantages of switched reluctance drive, further made the significance of developing this knowledge of SRD system clear. Secondly，dissertation is researched on the switched reluctance motor control system, which takes ARM as the control core. Controlling scheme is based on position sensor. The paper offers a system survey of SRD, including developing process and trend. The operational principle, structure and characteristic of SRM are also cited. A set of practical SRD’s hardware system is developed, the paper also offers SRM control system design of hardware based on LPC2101. The control system includes detector circuit, protection circuit, control and man-machine interface circuit, which makes full use of ARM resources for high reliability and simplified the construction of system. In order to read and maintain easily, a microprogramming modular is adopted in system software design. A new control strategy of voltage and current is realized for improving motor's working efficiency. System software modules associating the hardware circuit make system perfect performance. The last section presents system experiment results under the load condition.
Keywords: Switched Reluctance Motor、ARM、Control System
II
高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计
第1章 绪 论
1.1开关磁阻电机的发展概况
1.1.1国外发展概况
开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor）基本原理最早提出在19世纪40年代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力使电动机旋转是简单可行的。1842年，英国的Aberdeen和Davidson制造出了最初的SRM模型，但是因为当时的科技条件落后，电动机的运行特性很差。以后的100多年间，开关磁阻电机的发展缓慢。
20世纪60年代，大功率晶闸管的研制投产为SRM的研究发展提供了重要的物质条件。1967年，英国的Leeds大学开始对SRM进行深入研究；到1970年左右，研究结果表明：SRM可在单向电流下四象限运行，功率变换器无论用晶体管还是用普通晶闸管，所需的开关数都是最少的；电动机成本也明显低于同容量的异步电动机。
1973年英国的Nottingham大学也开始对SRM攻关。1975年，上述两所大学的研究小组联合参加了Chlorida Technical有限公司发起的制造蓄电池车辆驱动装置的研究工作，成功研制了用于电动汽车的50KW的SRM装置，其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置，这充分说明了SRM大有前途。
1980年，Leeds大学的Lawrenson教授及其同事总结了自己的研究成果，发表了题为《变速开关型磁阻电动机》的论文，标志着SRM得到国际社会的承认。该论文系统阐述了SRM的基本原理及基本设计理论，研究了SRM的特性及其控制方式。
1981年英国TASC公司获准制造SRM系统，并于1983年推出了商品名为Oulton的通用调速系列产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫等国竞相发展，并在系统一体化设计、电动机电磁分析、微机应用、功率元件应用、新型结构开发等方面取得进展。
七十年代初，美国福特公司也研制出最早的开关磁阻电动机调速系统，其结构为轴向气隙电动机、具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。
SR电机作为一种新型调速系统，兼有直流调速和交流调速的优点，无疑有广阔的市场前景。但是PWM异步电动机和无刷直流电动机等经过了多年的开发推广，目前以领先一步，有了极广泛的应用，SR电机要进入调速市场并占据较大的份额，尚需花大力气宣
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