基于51单片机的开关磁阻电动机控制系统设计综述.docx
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基于51单片机的开关磁阻电动机控制系统设计综述
开关磁阻电动机的控制系统设计
学院
自动化学院
专业
测控技术与仪器
班级
94070101
学号
200704071069
姓名
曹志发
指导教师
张晓东
负责教师
沈阳航空航天大学
2013年6月
摘要
开关磁阻电动机驱动系统（简称SRD）是随着电力电子、计算机、微电子的迅速发展而出现的一种新型机电一体化无级调速系统，它将开关磁阻电动机、电力电子技术、控制技术融合为一体不仅保持了交流异步电机的结构简单、坚固可靠和直流电动机可控性好的优点而且还具有交流调速系统和直流调速系统所无法比拟的显著特点。
论文以三相12/8极7.5KWSRM为研究对象，完成了以单片机为核心组成的调速系统设计方案，系统采用PWM控制方式，选用不对称半桥式功率驱动器主电路，主开关器件选用IGBT，设计了以单片机STC89C52为核心的控制器，主要对电流检测、位置检测、故障保护和显示电路等外围电路进行了设计，具有过流保护功能。
同时本设计采用了模块化的编程方法，增强了程序的可读性和易操作性。
基于开关磁阻电动机的准线性动态模型,利用MATLAB/SIMULINK,对开关磁阻电动机进行仿真。
为此系统的进一步改进打下了基础。
仿真结果达到了预期的SRD控制效果。
本文用该设计进行了开关磁阻电机控制的模拟试验，达到了初步的实验效果，在软硬件两方面为以后开关磁阻电机控制系统这一课题的研究进行了有益的探索和实践。
关键词：
开关磁阻电机；单片机；功率驱动器；调速系统
Designofcontrolsystemofswitchedreluctancemotor
Abstract
Switchedreluctancemotordrivesystem（ShorttitleSRD）isvariablespeedsystemwiththedevelopmentofmicroelectronicspowerelectronics,computers,therapid.Itswitchedreluctancemotor,powerelectronics,controltechnologyfortheintegratednotonlymaintainthestructureofACinductionmotorissimple,rugged,reliableandcontrollableDCmotorhasagoodadvantagebutalsospeedACdrivesystemandDCsystemCannotmatchthesignificantfeatures.Thesisbasedonthree-phase12/8poles7.5KWSRMastheresearchobject,completedamicrocontrollerasthecorecomponentofthecontrolsystemdesign.ThesystemusesthePWMcontrolmode,useAsymmetricalhalf-bridgepowerconvertermaincircuitpowersupply,themainswitchingdevicesusedIGBT.MCUSTC89C52asthecoreofthecontroller.Mainlyonthecurrentdetection,positiondetection,faultprotectionandotherperipheralcircuitsanddisplaycircuitsweredesigned,withtheflow,over-voltageprotectionfunction.Thedesignalsousesthemodularprogrammingmethodtoenhancethereadabilityandeaseofmaneuverability.AccordingtotheSRMquasi-lineardynamicmodel,basedonMATLAB/SIMULINK,adynamicsimulationmodelofSRMisdeveloped.ThesimulationresultsreallyreportworkstatusofSRM.Finallythepapercarriesonapreliminaryexperimentofcontrollingswitchedreluctancemotorwiththisdesign,obtainssomeexperimentaldataandachievements,andprovidesausefulexplorationandpracticeinthesubjectofSRDinbothsoftwareandhardwareaspects．
Keywords:
switchedreluctancemotor;SCM;powerconverter;controlsystem
符号表
第j相的端电压
V
J
系统转动惯量
N*m
第j相电流
A
负载转矩
N*m
第j相的磁链
B
霍尔系数
Ω
角速度
rad/s
电流与磁力线的夹角
rad
霍尔LEM模块副边电流
A
霍尔LEM模块原边电流
A
摩擦系数
1开关磁阻电动机概述
作为新一代的调速电机，开关磁阻电机调速系统（SwitchedReluctanceDrive简称SRD）是从20世纪80年代中期逐步发展起来的，开关磁阻电机具有结构简单、坚固等优点，由于其构成的SRD性能优良，所以较其他调速系统更有竞争潜力。
SR电机的结构比笼型异步电动机简单，但SR电机的控制要求根据负载和运行条件的不同，在不同的转子相对位置下通断各相绕组的主开关器件，这样既提高了电机控制的灵活性，也增加了电机运行控制的复杂性，显然，如果不采用软件与硬件相结合的数字控制系统对SR电机进行控制，SRD性能的提高必然受到一定的限制，同时控制器的硬件电路亦将过于复杂和庞大。
因此，为了简化控制电路，充分利用SR电机控制方式灵活多变的优点，完善系统的功能，有必要使用数字控制系统对SR电机进行控制。
一方面，采用直接数字控制简化了硬件电路，提高了系统的可靠性，另一方面，直接数字控制符合SRD系统的特点，现代计算机技术和微电子技术的发展为直接数字控制提供了强大的物质和技术支持，目前开关磁阻电动机已开始广泛应用于工，航空业和家用电器等各个领域，随着对开关磁阻电动机认识的深入，其应用必将更为普遍。
1.1开关磁阻电动机的发展状况
现代SR电动机的发展始于20世纪60年代，电子工业的发展为电气传动领域提供了强有力的功率电子器件和可靠、低廉、多功能的控制器件。
60年代末，J.Jarret提出了增加饱和度有利于提高磁阻电动机出力的观点，才使得SR电机得到迅速的发展。
但在相当长的一段时期内，对磁阻电机的研究基本处于对其运行原理和性能特性的探索和论证。
国外，70年代初，美国FORDMOTOR公司研制出了最早的开关磁阻电动机调速系统（SwitchedReluctanceDrive）。
其机构为轴向气隙电动机。
晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适合于作蓄电池供电的电动车辆传动。
1981年，英国TASC公司（TASCDrivesLtd.）获准制造该系统，于1983年推出开关磁阻电机驱动系统（SwitchedReluctancemotorDriveSystem，简称SRD系统）的系列产品，取名为OULTON，调速范围为30—3000/rmin，容量范围为4—22kW。
该产品的出现在电气传动界引起了不小的反响。
因为它在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。
1985年研制成200kW的样机，最大转速为10000r/min，美国开发了用于航空航天方面的SRD系统，转速可达25000r/min。
国内，从1984年开始许多单位先后开展了SR电机的研究工作，如北京纺织机电研究所、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华中理工大学、华南理工大学、河海大学、合肥工业大学、哈尔滨电工学院等，且开关磁阻电机调速系统的研究被列为中小型电机“七五科研规划项目”。
1985年华中理工大学研制以SCR为功率开关器件的7.5kW的SRD系统；1987年，北京纺织机械研究所与南京调速电机厂合作开发了3kW的8/6极、以BJT为功率开关器件和以单片机8751为核心芯片的控制器的SRD系统产品；1993年，30kW级别的SR电机在山东淄博电机二厂通过鉴定；2000年，国内10kW以上的SR电机已应用于煤矿的采煤机，并开始进行180kw的SR电机在地铁机车上的应用研制。
近20年来，SR电机的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型调速驱动系统，研究的历史较短，其技术涉及到电机、微电子、电力电子、微机、控制、机械及工程应用等众多学科领域的新技术，变频调速感应电机、无换向器直流电机等经历了几个年代的开发推广，目前己领先一步，有着极其广阔的市场前景。
1.2开关磁阻电动机的组成
开关磁阻电动机调速系统主要由开关磁阻电动机、功率驱动器、控制器和检测器四部分组成如图1-1。
图1-1开关磁阻电动机调速系统框图
从产品结构来看，系统通常由SR电机和驱动器两部分组成，其电动机部分包含位置传感器，驱动器部分包含功率驱动器和控制电路等。
1．开关磁阻电动机
开关磁阻电动机（简称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它遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理由磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁转矩采用双凸极结构就是要使转子旋转时磁路的磁阻要尽可能大地变化。
2．功率驱动器
功率驱动器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。
因此功率驱动器包括由整流器所产生的直流电源和开关元件等。
功率驱动器有三个作用：
起开关作用，使绕组与电源接通或断开；为绕组的储能提供回馈路径；为SRM提供电能量，以满足所需机械能的转换。
SRD的分类主要取决于功率驱动器。
3．控制器
控制器是整个调速系统的核心，起决策和指挥作用。
根据控制器中设定好的控制策略及其相应的算法，将外部反馈的电流、位置等检测输入量与内部程序中计算得出的给定量进行比较判断，决定电机的控制方式，并在合理的转子位置控制功率驱动器中各相主开关器件的开关状态，实现机电能量合理、有效的转化。
控制器由具有较强的信息处理功能的微机构成。
微机信息处理功能大部分是由软件完成，因此，软件也是控制器的一个重要组成部分。
4．位置检测器
开关磁阻电动机调速系统是位置闭环调速系统，开关磁阻电机各相绕组必须与转子位置同步激励，并且转子位置测量的精度和分辨率直接影响到调速性能的好坏。
位置检测的目的是确定定子与转子的相对位置，即要用位置传感器检测定转子相对位置，然后位置信号反馈至逻辑控制电路，以确定对应相绕组的通断。
5．电流检测器
相电流检测是开关磁阻电机电流斩波控制方式（CCC方式）运行的需要，也是系统过流保护的需要。
单向、脉动以及波形随运行方式、运行条件不同而变化很大是开关磁阻电机相电流的基本特点。
因此开关磁阻电机的电流检测器应具有快速性好，灵敏度高，单向电流检测，线性度好，抗干扰的优点。
1.3开关磁阻电动机的性能特点
SRD系统具有十分突出的性能优点：
1.结构简单固定、成本低、适用于高速场合
SR电机的结构甚至比通常被认为是最简单的鼠笼式感应电机还要简单。
其显著的优点是转子上没有任何形式的绕组，只有定子边有集中绕组，因此制造简单，维护起来方便，绝缘容易。
同时其转子机械强度很高，可用于超高速运转（10000r/min）。
一般来说，中小SRD，其成本可以低于同功率和类似性能的其他现代调速系统。
2.各相独立工作，有很高的运行可靠性
SR电机的运转不同于传统的电机运转机理。
从电磁结构上看，一般电机要正常运转就必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆旋转磁场。
而SR电机各相绕组和磁路相互独立，各自在一定转角范围内产生电磁转矩。
从控制结构上看，SR电机各相电路各自给一相绕组供电，也是相互独立工作，由此可知，当SR电机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相的工作，在控制方面并不需要对其他相做任何变动。
因此本系统可以构成可靠性很高的系统。
3.转矩方向与相电流极性无关，只与通电顺序有关。
从而可使每相绕组只需一个主开关，降低功率驱动器成本。
4.功率驱动器不会发生直通短路故障，可靠性高。
传统的PWM变频器功率电路中每桥臂两个功率开关直接跨在直流电源侧，容易发生直通短路烧毁功率元件。
而SR电机调速系统中每个功率开关元件均直接与电机绕组相联，根本上避免了直通短路现象。
5.高起动转矩，低起动电流。
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SRD的一大特点。
一般典型产品的数据是:
起动电流为10%额定电流时，获得的起动转矩为100%额定转矩；起动电流为额定值的30%时，起动转矩可达到其额定值的150%。
对比其它调速系统的起动特性，本系统十分适合那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械，如电动车辆等。
6.可控参数多，调速范围宽。
由于SR电机控制参数多，所以控制器的控制方式也有多种，并不是仅仅依靠控制开关管的开通，关断顺序来进行控制。
目前，SR电机转速的控制模式主要有以下几种:
（1）角度位置控制APC方式。
电压保持不变，通过改变开通角和关断角两个控制参数来调节电机转速。
关键在于将角度量转化为相应速度时的时间可控量。
适合于电机较高速运行区。
（2）电流斩波控制。
电压不变，电机低速运行时，反电势较小，电流变化率大，为避免电流上升过快，超过允许的最大电流，可采取斩波方式来限制电流。
一般用于电机低速区。
（3）电压斩波控制方式。
开关角固定不变，绕组不同的外施电压对应不同的转矩转速曲线，因此可以通过调节加在绕组上的电压来控制电机转速。
7.效率高，损耗小。
SR电机的转子不存在励磁及转差损耗，功率变换器开关器件少，相应的损耗也小。
其次，可控参数多，控制灵活，易于在很宽的转速范围内实现高效优化控制。
1.4开关磁阻电动机的应用场合
由其性能特点，开关磁阻电动机可以在许多场合得到应用：
1.在有特殊要求的场所中的应用
在要求快速正反转的一些工业应用中，如纺织印染业，要求电动机反应速度要快，其反应时间不得大于0.3秒，电动机要能长期地、连续地、频繁地处于正、反转交替变换的工作状态，电动机要有能在较宽广的范围内无级调速的性能，电动机能长期地在湿、热的环境中工作。
这时候，使用开关磁阻电机能收到意想不到的良好效果。
还有在要求转速高度稳定的一些工业应用中，如化纤行业，开关磁阻调速电动机具有良好的同步性能，而且不存在电刷磨损（如直流电动机）或恒磁体退化（如永磁同步电动机）的问题，可长期可靠工作。
2.在龙门刨床主传动系统中的应用
开关磁阻调速电动机良好的调速性能、宽广的调速范围、比较小的起动电流获得较大的起动转矩、对称的四象限运行特性等一系列突出优点，对于满足龙门刨主传动的高技术要求提供了完全的可行性。
3.在数控机床主轴直驱系统中的应用
利用开关磁阻调速电动机恒转矩特性好、动态响应特性好的优点，将其应用于数控机床主轴直驱系统，取得了成功。
这为我国普及型小型数控机床的主轴驱动提供了一种性价比很高的新动力。
4.在家电行业中的应用
空调、冰箱、洗衣机等家电发展的总趋势是采用具有现代调速系统的电动机来取代无调速的电动机。
这里最具资格的当数无刷直流电动机调速系统和开关磁阻调速电动机系统。
而在性价比上开关磁阻调速电动机系统还占有一定的优势。
5.在电动车、船驱动控制系统中的应用
开关磁阻调速电动机高效、节能、调速范围宽、启、制动特性卓越，显然是电动车驱动与控制系统的理想动力。
国外已将SRD在电瓶车、铲车、无轨电车、电动轿车、城市轻轨列车等方面进行广泛应用，其优势已经明显凸现出来，国内这方面的研究开发也已取得了显著的成效。
将开关磁阻调速电动机应用于水域的船只驱动上，可以避免机油、汽油、柴油对水域的污染，还可以大大减少噪声污染，这同样是一个很有前途的应用领域。
开关磁阻调速电动机还可以用在其他许多领域，这需要相关人士更多的努力。
相信开关磁阻调速电动机技术一旦普及和推广，一定会取得良好的经济效益和社会效益。
2开关磁阻电动机的原理与控制
2.1开关磁阻电动机的结构原理
SR电机在结构上与步进电机相似，运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，当铁心与磁场的轴线不重合时，便会有作用力将铁心拉到磁场的轴线上来。
这个作用力就是磁阻电机运行的原动力—切向磁拉力。
这是SR电机与步进电机的相似之处，但是在以下两方面SR电机不同于步进电机。
第一，步进电机是一般位置开环控制，而SR电机是位置闭环控制。
有位置闭环控制就不会失步。
第二，一般步进电机是作为信息传输从而实现角位移精密传动，而SR电机是典型的功率型电气传动装置。
因此，SR电机要突出速度控制和实现系统高效率，故其设计思路大不相同。
SR电机可以设计成单相、两相、三相、四相以及多相等不同的相数结构，相数越多，则步进角越小，这样有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。
通常转子的极数比定子极数少2个，少于三相的SR电机没有自起动能力，因此，对于要求自起动、四象限运行的驱动场合，应优选表2-1所示的结构类型。
目前应用较多的是四相8/6级结构和三相12/8极机构。
电动机相数定转子极数与步进角之间关系如下表2-1所示。
表2-1SR电机的结构类型
相数
3
4
5
6
7
8
9
定子极数
6
8
10
12
14
16
18
转子极数
4
6
8
10
12
14
16
步进角（度）
30
15
9
6
4.3
3.2
2.5
电机可以根据转矩的产生机理粗略的分为两大类:
一类是由电磁作用原理产生转矩；另一类则是由磁阻变化原理产生转矩。
在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。
这种相互作用产生使两个磁场趋于同向的电磁转矩。
类似于两个磁铁的同极相斥、异极相吸的现象。
目前大部分电机都遵循这一原理，如一般的直流电机和交流电机（包括永磁类电机）。
而在第二类电机中，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。
当定子绕组通电时，产生一个单相磁场，其分布要遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。
因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转距使其趋向于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置。
类似于磁铁吸引铁质物体的现象。
开关磁阻电机就属于这一类型的电机。
下面就以常用的三相12/8极开关磁阻电机为例进一步阐释其运行机理。
如图2-1所示，具体工作过程如下:
图2-1开关磁阻电机的典型结构原理图
图2-1画出了A相绕组及其供电电路，其余各相与此相相同。
结构上与步进电动机相似的SR电动机的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”一一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，必须使自己的主轴线与磁场的轴线重合。
在图2-2示位置，当定子一极受到励磁时，电机内建立以定子对角线为轴线的磁场，其磁通经过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子轭闭合。
此时穿过气隙的磁力线是弯曲的，磁阻大于定、转子轴线重合时的磁阻，因此转子将受到弯曲磁力线切向分力所产生的转矩的作用，而沿逆时针方向转动。
当转子极轴线与定子极轴线重合时，此相励磁绕组的电感达到最大值，转子达到稳定平衡位置，切向磁力消失，如果转子上无外部驱动转矩，则需要将下一相导通，以维持转距，如此逐相导通，电机将连续转动作电动机运行。
图2-2开关磁阻电机一相通电的磁场情况
由通电磁场情况得出开关磁阻电动机的正反转与定子极的通电顺有关，而与相绕组的电流方向无关。
为了更加清楚地理解开关磁阻电机的基本原理，本文将开关磁阻电机与步进电机和自整步同步电机作了比较，见表2-2。
由此可见，开关磁阻电机是现代电力电子技术、控制技术综合发展的产物。
表2-2开关磁阻电机与三种类似电动机比较
2.2开关磁阻电动机的基本方程
SR电机的工作原理和结构都比较简单，但其双凸极的结构特点、磁路和电路的非线性、开关性，使得电机的各个物理量随转子位置作周期性变化，定子绕组电流和磁通波形极不规则，传统电机的性能分析方法难以简单地用于SR电机计算，不过SR电机内部的电磁过程仍然建立在电磁感应定律、全电流定律、能量守恒定率等基本的电磁关系上，并可由此写出SR电机的基本平衡方程式。
1.电动势平衡方程式
一台q相SR电机，假设各相结构和电磁参数对称，根据电路定律可以写出SR电机第j相的电动势平衡方程式：
在SR电机中，各相绕组的磁链是转子位移角和各相绕组电流的函数，故磁链为：
进一步考察SR电机能量流，有
上式表明，输出功率的一部分转为磁场储能增量，另一部分则为输出的机械功率，可以说SR电机正是利用其不断的能量储存，转换而获得高效、大功率的性能。
2.转矩平衡方式
当电动机电磁转矩T与作用于电机轴上的负载转矩不相符时，转速就会发生变化产生角加速度
，根据力学原理，可以写出这时的转矩平衡方程式
由于电路、磁路的非线性和开关性，使得上述方程组很难计算，通常需要根据具体运行状态和研究目的进行必要的简化，一般都采用线性模型进行简化，线性模型有利于对SR电机的定性分析了解其运行的物理状况、内部各物理量的基本特点和相互关系。
在线性模型中作如下假设；
（1）忽略磁通边缘效应和磁路非线性，且磁通率，因此绕组电感L是转子位置的分段线性函数。
（2）忽略所有功率损耗。
（3）功率管开关动作瞬时完成。
（4）电机恒速运转。
在上述假设条件下的电机模型为理想线性模型，绕组电感L与转子位移角θ的关系如图2-3所示。
图中横坐标为转子位置角（机械角），它的基准点即坐标原点θ=0的位置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小值，当转子转过半个极距时，该相定、转子凸极中心完全对齐，电感为最大值，随着定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感则在和线性地上升和下降。
图2-3绕组电感L与转子位移角θ的关系
2.3开关磁阻电动机的调速控制方式
开关磁阻电动机是一种典型的机电一体化装置。
双凸极磁阻
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