開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(共56頁)_第1頁
開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(共56頁)_第2頁
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文檔簡介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計摘要開關(guān)磁阻電機作為上世紀80年代出現(xiàn)的一種新型機電一體化系統(tǒng),具有非常優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景。與傳統(tǒng)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)相比,開關(guān)磁阻電機既保留了感應(yīng)電機的絕大部分優(yōu)點,而且具有控制器簡單、運行可靠性高、控制靈活方便和價格便宜等突出特點。而近來,隨著電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展,開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)也與時俱進,日趨先進,在電動車、航空工業(yè)、家用電器和機械傳動領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用,成為電氣傳動領(lǐng)域的新勢力。 本次論文主要對開關(guān)磁阻電動機的驅(qū)動系統(tǒng)進行設(shè)計,以80C196KC單片機作為控制核心,得出基于位置傳感器檢測和電流檢測的控制方

2、案。論文的理論基礎(chǔ)是開關(guān)磁阻電動機的理想線性數(shù)學(xué)模型,通過研究開關(guān)磁阻電動機的控制特性、可控角、關(guān)斷角、相電流、繞組端電壓與控制策略之間的關(guān)系,進行系統(tǒng)的硬件電路和系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計。論文通過對開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)的設(shè)計,實現(xiàn)了電機的方便的正、反轉(zhuǎn)控制和制動控制,并設(shè)計了比較完備的電流和電壓保護環(huán)節(jié),以保證系統(tǒng)的可靠運行。關(guān)鍵詞: 開關(guān)磁阻電機;開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng);控制系統(tǒng);位置傳感器;80C196KCABSTRACTSwitched reluctance motor as a new type of mechatronic systems appeared at the 80

3、s of last century, with very good performance and wide application prospects. Comparing with the traditional AC and DC speed control systems, switched reluctance motor has retained most of the advantages of the induction motor, but also the controller is simple, reliable, flexible and inexpensi

4、ve control and other prominent feature. And recently, with the the rapid development of power electronics technology and computer technology, switched reluctance motor drive systems becoming more advanced, Has been successfully applied to the electric car, the aviation industry, household appli

5、ances and mechanical drive system and become a new force in the field of electric drive.  This paper focuses on the switched reluctance motor drive system which designed to Intel 80C196KC MCU As the core of control, location-based sensor and obtained current detection control program. The theor

6、etical basis of this paper is ideal linear switched reluctance motor model, by studying the control characteristics of switched reluctance motor, controllable angle, turn-off angle, phase current, the winding terminal voltage and the relationship between the control strategy, then the system of

7、 hardware and system control software design.     This paper by designing every aspect of switched reluctance motor, implementation of the motor which is easy turn t and brake , and then design a more complete link current and voltage protection to ensure reliable operation

8、of the system . KeyWords: Switched Reluctance Motor; SRD; Control system; Position sensor; 80C196KC目 錄專心-專注-專業(yè)第1章 緒 論1.1課題背景 開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor,簡稱SRM)作為上世紀80年代出現(xiàn)的一種新型機電一體化系統(tǒng),具有非常優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景。與傳統(tǒng)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)相比,開關(guān)磁阻電機既保留了感應(yīng)電機的絕大部分優(yōu)點,而且具有控制器簡單、運行可靠性高、控制靈活方便和價格便宜等突出特點。而近來,隨著電力電子技

9、術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展,開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)也與時俱進,日趨先進,在電動車、航空工業(yè)、家用電器和機械傳動領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用,成為電氣傳動領(lǐng)域的新勢力。11.2 SR電機與SR電機驅(qū)動系統(tǒng)概述1.2.1SR電機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理開關(guān)磁阻電動機傳動系統(tǒng)(SRD)是上世紀八十年代新型調(diào)速系統(tǒng),通過與日趨先進的電力電子技術(shù)與計算機控制技術(shù)相結(jié)合,具有許多顯著的優(yōu)點,在電氣傳動領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。SR電動機(三相6/4極)的結(jié)構(gòu)原理如下圖所示,在SRD系統(tǒng)中起到機電能量轉(zhuǎn)換的作用。SR電動機為雙凸極結(jié)構(gòu),定子與轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成,定子徑向相對的繞組可并聯(lián)或串聯(lián)成一相。常見的電機主要有三相6/

10、4極與四相8/6極。圖1-1 三相6/4極電動機結(jié)構(gòu)原理圖SR電動機的基本工作原理是磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合“磁阻最小原理”。當定子的某一相通電時產(chǎn)生的磁場由于磁力線扭曲而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩,使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置。結(jié)合圖1-1,當C相通電時,由磁阻最小原理可知,磁力線扭曲產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩將帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,使轉(zhuǎn)子1-3極軸線與定子的CC極軸線對齊;接著,C相斷電,B相通電,使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過30°,使轉(zhuǎn)子的2-4極極軸線與定子的BB相極軸線對齊;B相斷電,A相通電,轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過30°,使轉(zhuǎn)子1-3極軸線最終與定子AA極軸線對齊,這樣,一個周期內(nèi),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90°,當

11、定子按C-B-A-C.的順序通電,電機沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。反之,若按C-A-B-C.給定子通電,則電機逆時針旋轉(zhuǎn)。由上分析易知,SR電機的旋轉(zhuǎn)方向至于定子繞組的通電順序有關(guān),而與通電電流的方向無關(guān)。11.2.2SR電動機的特點開關(guān)磁阻電機在結(jié)構(gòu)和控制原理上面的特點使得其與其它種類的傳統(tǒng)電機相比,具有以下優(yōu)點:(1)結(jié)構(gòu)簡單,成本較低。SR電動機的突出優(yōu)點就是定、轉(zhuǎn)子皆由硅鋼片疊壓而成,定子上也只有簡單的繞組,結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低。此外,與同樣性能的其他一些交流調(diào)速系統(tǒng)相比,SR電動機功率變換器的拓撲結(jié)構(gòu)也較簡單,開關(guān)元器件的數(shù)目較少,每相可以僅使用一個,這極大地減少了功率變換器的成本。這樣,整個

12、SR電動機調(diào)速系統(tǒng)的成本在交流調(diào)速領(lǐng)域有很強的競爭力。(2)可控參量多,調(diào)速性能較好。開關(guān)磁阻電動機的主要參控方法有控制開通角、關(guān)斷角,控制相電流幅值和控制相繞組電壓等多種。SR電機各相之間無互感,而且每相電流的導(dǎo)通、關(guān)斷和電流大小皆可獨立控制,這讓其性能與直流電機調(diào)速系統(tǒng)相近,可以在四象限運行,能實現(xiàn)特定要求的調(diào)速控制。由于SR電動機的驅(qū)動系統(tǒng)的控制器是以微處理器為核心的,因而可以通過改變控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)電機的運行特性的改變,無需改變控制系統(tǒng)硬件,這是相對其他種類電機的顯著優(yōu)點,便于智能化。(3)效率高,工作可靠。SR電機在廣泛的轉(zhuǎn)速、功率范圍內(nèi)皆具有高效率。此外,簡單可靠的功率電路的使用,

13、避免了直通短路現(xiàn)象,這樣可以簡化功率電路的保護電路,減低成本的同時,極大的提高了整個SRD系統(tǒng)的可靠性,降低了運行維護所需的人力物力,提高了市場競爭力。 (4)適用范圍廣。SR電機的功率范圍很廣,能從幾瓦到數(shù)兆瓦,而且能適用與頻繁起停和正反轉(zhuǎn)速運行的機械系統(tǒng),在各種惡劣環(huán)境下的可靠性都很高,在電動車、航空工業(yè)以及一些精密的伺服系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。當然,SRD系統(tǒng)也存在一些不足,如存在轉(zhuǎn)矩脈動、震動和噪聲較大以及出線較多,需要不斷的改善。31.3國內(nèi)外SR電機驅(qū)動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.3.1SR電動機的發(fā)展概況SR電機的淵源可以19世紀40年代,當時有科學(xué)家利用兩個U型電磁鐵制造了電

14、動車,由蓄電池供電,但受限于當時的機械開關(guān)控制性能較差,電動機的性能不高。進入20世紀,隨著大功率晶閘管的問世,SR電機的研究進入了新紀元。從1967年起,英國Leeds大學(xué)開始了對SR電機的深入研究。這項研究表明SR電機相對于同容量的其他感應(yīng)電機,在單向電流下四象限運行時,其功率變換器所用的開關(guān)數(shù)是最少的,結(jié)構(gòu)簡便,成本也低。這些優(yōu)勢為SR電機的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。20世紀70年代,美國福特公司研制出了具有電動機運行狀態(tài)和寬廣調(diào)速范圍的SR電動機調(diào)速系統(tǒng),并將其應(yīng)用到了利用蓄電池供電的電動車輛上。1983年英國的TASC公司推出第一代通用的SR電機調(diào)速產(chǎn)品,此后,國外電氣傳動領(lǐng)域紛紛推出了其商品

15、化的磁阻電機產(chǎn)品。其功率從10w到50MW,轉(zhuǎn)速范圍從10rpm到rpm,轉(zhuǎn)矩范圍從0.1Nm到Nm,而系統(tǒng)功率變換電路所采用的開關(guān)元件有GTO、MOSEF、IGBT等,控制更加靈活、準確,控制器所采用的微處理器有8位機、16位機一直到32位機,功能愈加完善極大的擴大了SR電機的應(yīng)用范圍。其中比較典型的有英國SRDLtd公司推出的第二代SR電機,其功率和轉(zhuǎn)速范圍相對于TASC的Oulton系列產(chǎn)品有了顯著的提高。此外,英國ALLENWEST公司、BJD公司、加拿大semifusion公司等都分別制造出了一系列生產(chǎn)實踐性能很好的產(chǎn)品。17 我國從20世紀80年代初開始進行SRD的研究,經(jīng)過十幾年

16、的努力,許多高等學(xué)校和科研院、所在SRD研制、開發(fā)領(lǐng)域辛勤耕耘,起步雖然較晚,但在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上發(fā)展速度很快,目前已經(jīng)研制出多種性能優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于煤礦的采煤機、地鐵汽車牽引、龍門刨床、抽絲機、高檔洗衣機等,解決了許多傳統(tǒng)電機調(diào)速系統(tǒng)難以解決的技術(shù)難題。1.3.2SRD系統(tǒng)概述SRD系統(tǒng)是上世紀80年代時期發(fā)展起來的新型調(diào)速系統(tǒng),其基本構(gòu)成如下:電源功率變換器SR電動機外接負載位置檢測電流檢測控制信號控制器在這個控制系統(tǒng)中,SR電動機實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。SRD系統(tǒng)的發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)和微控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上的。早期的SR電動機主開關(guān)器件主要用SCR。但是SCR沒有自關(guān)斷功能

17、,這使得強迫關(guān)斷的電路控制復(fù)雜且開關(guān)速度較慢,此外成本也較高,顯然,這樣的功率變換器控制性能是不理想的。GTR和GTO都屬于電流控制型器件,GTO開關(guān)頻率不高且門極控制較復(fù)雜,而GTR得驅(qū)動電路消耗功率較大。MOSFET相對工作頻率更高,開關(guān)速度較快,適合小功率、低壓的SR電動機的功率變換器的開關(guān)器件。IGBT兼具GTR飽和壓降低和MOSFET控制端輸入阻抗高的優(yōu)勢,驅(qū)動電路簡單且工作頻率較高,是較理想的中、小型SR電動機的功率變換器的主開關(guān)元件。而對高壓、大功率的SR電動機,可選擇MCT做主開關(guān)元件。MCT是晶閘管和MOSFET的復(fù)合元件,具有工作頻率高,電流密度大,易驅(qū)動,易控制等優(yōu)點。本

18、次設(shè)計的主電路采用IGBT為主開關(guān)元件。11.3.3SR電機的未來研究方向SRD系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,性能愈加完善,未來的研究工作主要集中在以下幾個方面:(1)無位置傳感器的SRD系統(tǒng)。位置檢測器是SR電機的必備元件,但是它的使用使得結(jié)構(gòu)簡單的SR電機變得復(fù)雜,降低了運轉(zhuǎn)的可靠性,因而探索實用的無位置傳感器的檢測方案是當前備受注目的課題。目前研究較多的是通過采集定子繞組的瞬態(tài)的電感信息,進而實現(xiàn)無位置檢測器控制方案,但實際應(yīng)用還任重而道遠。(2)振動和噪聲的控制。SR電機采用的是脈沖供電,使得電機具有一定的瞬時轉(zhuǎn)矩波動,特別是在低轉(zhuǎn)速時步進狀態(tài)明顯,振動和噪聲都較大。此外高速、重載時振動和噪聲

19、也較大。怎樣通過電機設(shè)計和控制策略的優(yōu)化,有效地抑制轉(zhuǎn)矩波動和噪聲,使SRD系統(tǒng)具有低速平穩(wěn)運行且有靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力,這是需要進一步研究的。(3)綜合智能應(yīng)用。隨著現(xiàn)代微控技術(shù)的發(fā)展,ASIC和高性能的DSP都開始得到了從分的利用,怎樣利用日趨先進的微控技術(shù),實現(xiàn)具有動態(tài)性能高、抗干擾能力強、智能化程度高的高智能化的SRD系統(tǒng)控制是近期研究的熱點。3171.4課題研究的主要內(nèi)容及意義 隨著社會的快速發(fā)展,電動機調(diào)速系統(tǒng)中在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位,它的使用滲透到了社會各行各業(yè)。老式的磁阻電機效率、功率因數(shù)和功率密度都很低,因而適用領(lǐng)域受到了很大的限制。于是,將磁阻電機與電子器件相結(jié)合的開關(guān)

20、磁阻電機應(yīng)運而生。SRD作為新興的機電一體化調(diào)速系統(tǒng),具有很多傳統(tǒng)電機調(diào)速系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)勢。因此,研究出實用性強、性價比高、動態(tài)性能好和抗干擾能力強的SRD系統(tǒng)對社會發(fā)展具有重要意義。 本設(shè)計的主要是利用80C196KC為核心設(shè)計出通用化、標準化、智能化的開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng),因而在相應(yīng)開關(guān)器件的選擇如何做到性價比最高,單片機控制策略的實現(xiàn)以及相應(yīng)控制程序的設(shè)計以及電路原理圖的設(shè)計是本次畢業(yè)設(shè)計的難點。第2章 SR電機的數(shù)學(xué)建模及控制策略分析2.1引言 SR電機的結(jié)構(gòu)比較簡單,但由于定子采用雙凸極結(jié)構(gòu),繞組電流是非線性的,此外,由于磁路的飽和、渦流和磁滯效應(yīng)皆會產(chǎn)生非線性,這樣,就造成定子繞

21、組的磁通、電流波形不規(guī)則,難以用傳統(tǒng)的分析方法進行分析計算。但是,電機內(nèi)部的電磁過程仍然是建立在基本的電磁定律上的,可據(jù)此求得SR電機的基本方程式。常見的求解方法有線性模型、準線性模型、和非線性模型。對于非線性模型,雖可建立一個非常精確的數(shù)學(xué)模型,但磁路的飽和渦流的計算非常繁瑣,工程實際意義卻并不大。因此,我們在這里采用線性模型,雖然精度較低,但亦可清楚的表示出電機的基本特性與各種參量之間的關(guān)系,可作為探討控制方法的依據(jù) 。2.2 SR電機的基本方程 對于一個m相的SR電機,在忽略鐵心損耗,且假定各相的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對稱,這樣,SR電機可看成具有一個機械端口和m對電端口的電氣裝置。據(jù)此,可得到各種

22、基本方程如下:2.1.1電壓方程據(jù)基本的電路定律可知,SR電機某相(k相)的電壓平衡方程: uk = Rkik+ .(2-1)在此式中:uk 第k相繞組端電壓; Rk 第k相繞組電阻; ik第k相繞組電流; 第k相繞組的磁鏈。2.2.2 磁鏈方程 SR電機中某相繞組的磁鏈是該相電流與自感、其余相電流及互感和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù),但各相之間的互感相對自感小得多,簡便起見,SR電機的計算中一般省略互感,磁鏈方程為: =Lk(k,ik)ik. (2-2) 式中,每相電感Lk是該相電流 ik與轉(zhuǎn)子位置角 k的函數(shù),將該式帶入式(2-1)中可得: .(2-3)從上式中可看出,電源電壓與三部分壓降相等。第一項

23、是電阻壓降;第二項是電流變化而感應(yīng)的電動勢,又稱變壓器電動勢;第三部分是轉(zhuǎn)子位置改變引起的磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,即運動電動勢。2.2.3機械運動方程 SR電動機運行時,在電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)子的機械運動方程如下: . (2-4) 在上式中,表示電磁轉(zhuǎn)矩,J表示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量,表示摩擦系數(shù),表示負載轉(zhuǎn)矩。2.2.4轉(zhuǎn)矩公式SR電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可由下式求得: . (2-5)在上式中,表示繞組的磁共能。 上述SR電動機的數(shù)學(xué)模型完整、準確地描述了其電磁和力學(xué)關(guān)系,但是由于電路與磁路的非線性因素,準確計算的工作量很大且計算非常困難。2.3SR電動機的理想線性模型分析2.3.1SR電動機

24、的理想線性模型由上節(jié)易知,SR電機的非線性模型的計算是非常困難的,本次設(shè)計需要我們掌握SR電動機內(nèi)部的基本電磁關(guān)系及基本特性,不需復(fù)雜的精確計算,故我們可對理想的線性模型進行研究。理想的線性模型需要作如下假設(shè):(1)忽略電流大小對繞組電感的影響,忽略磁路的飽和影響;(2)半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)動作是瞬時的,即導(dǎo)通和關(guān)斷時壓降皆為零;(3)主電路電源的直流電壓(士Us)恒定;(4)忽略磁通的邊緣效應(yīng),忽略所有的功耗;(5)電動機的轉(zhuǎn)速恒定。 滿足以上假設(shè)條件的電機模型就是理想的線性模型,電機相繞組電感L隨著轉(zhuǎn)子的位置角呈周期變化,如下圖2-1所示:LmaxL()LminOu23a45 圖2-1相繞

25、組電感曲線 如上圖2-1中所示,以定子極軸線和轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置為基準點,即坐標原點,以轉(zhuǎn)子位置角為橫坐標。=u=0時,相電感最小,為Lmin;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個極距角(/Nr)時,定子的磁極軸線與轉(zhuǎn)子的凸極中心對齊,此時相電感達到最大值,為Lmax。這樣,隨著定子和轉(zhuǎn)子的不斷重疊和分離,相電感在最小值和最大值之間線性地上升和下降,變化周期為轉(zhuǎn)子極距r,正比于轉(zhuǎn)子極數(shù)。 在圖2-1中,u為定子和轉(zhuǎn)子不對齊的位置;2為轉(zhuǎn)子凸極剛開始與定子磁極發(fā)生重疊的位置;3為轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極的臨界重疊位置;a位置的電感最大;4為轉(zhuǎn)子凸極剛要與定子磁極脫離完全重疊的位置;5轉(zhuǎn)子凸極剛好與定子磁極完全脫離。這樣,

26、可得到SR電動機的相繞組電感與轉(zhuǎn)子的位置角關(guān)系如下: u2時,L()=Lmin; 23時,L()=Lmin+k(-2); 34時,L()=Lmax;45時,L()=Lmax-k(-4);在上式中,k=(Lmax- Lmin)/(3-2) =(Lmax- Lmin)/s。s為定子磁極極弧。2.3.2相繞組磁鏈方程 SR電動機其中一相繞組的由恒定直流電源Us供電,這一相電路的電壓方程為: ±Us = iR+在上式中,+、-分別對應(yīng)于繞組通電期與電源關(guān)斷后繞組的續(xù)流期。由于是理想的線性模型,忽略所有功耗,故上式可以簡化為: .(2-6)式中,=表示轉(zhuǎn)子的角速度。 在開關(guān)合閘瞬間,此時,0=

27、0;=on,on為定子繞組電源接通時轉(zhuǎn)子與定子的相對位置角,即為開通角,則由式2-6可知通電段的磁鏈表達式為:. (2-7) 當=off時,電源關(guān)斷,off為關(guān)斷角,此時磁鏈達到最大值: . (2-8)上式中,op=off-on,表示一相繞組的開通角。 而根據(jù)是2-6Us取-時,可得到續(xù)流期間的磁鏈為; . (2-9)這樣,就可得出SR電動機理想線性模型下磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線如下圖2-2所示:maxOonoff2off-onoff-onoff-on 圖2-22.3.3相繞組的電流方程 將式2-6改寫成如下形式: . (2-10) 在轉(zhuǎn)速、電壓一定時,繞組的電流只與轉(zhuǎn)子位置角和初始條件有關(guān)

28、,下面分段進行研究分析:在u2時,L=Lmin,初始條件為i(on)=0,解得: . (2-11) 此段區(qū)域內(nèi),電感恒為,電流直線上升。在2off時,L()=Lmin+k(-2);根據(jù)電壓方程并代入初始條件可求出: . (2-12)對應(yīng)的電流變化率:. (2-13) 由上式易得,當on<2-Lmin/k時,di/d<0,電流將在電感上升的區(qū)域內(nèi)下降;當on=2-Lmin/k時,di/d=0,此時電流將保持恒定; on>2-Lmin/k時,di/d>0,則電流將繼續(xù)上升。不同的on可以形成不同的相電流波形。(3)在off3區(qū)域內(nèi),主開關(guān)元件關(guān)斷,繞組進入續(xù)流期。此時,電流

29、的解析式如下: . (2-14)(4) 在34區(qū)域內(nèi),電流解析式如下: . (2-15)(5)在42off on5區(qū)域內(nèi),電流解析式為: . (2-16) 這樣,以上各式構(gòu)成了一個完整的電流解析式,它是電源電壓、電機幾何尺寸、電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。在電壓和轉(zhuǎn)速恒定的時,電流波形與開通角on、關(guān)斷角off、最小電感Lmin、最大電感Lmax以及定子極弧s有關(guān)。 由此可看出,主開關(guān)開通角on在控制電流大小方面作用明顯。當on減小時,電流峰值和電流波形的波寬將增大;主開關(guān)關(guān)斷角off對電流波形寬度有影響,off增大時,電流波形變寬,但它對電流峰值沒影響;此外,電流大小與直流供電電壓成正比,與電

30、機的轉(zhuǎn)速成反比,啟動時常采用電流斬波控制進行限流。這些,都是電動機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的原理基礎(chǔ)。2.3.4 電磁轉(zhuǎn)矩電機的電磁轉(zhuǎn)矩也是分段的,假定電機的磁路不飽和,根據(jù)電感的分段解析式可得電磁轉(zhuǎn)矩的解析式分列如下:u2時,Te=0; 23時,Te =1/2Ki2; 34時,Te =0;45時,Te =-1/2Ki2。 從上式中易看出,電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電流的平方成正比。在電感曲線上升的階段,繞組電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩;在電感曲線下降的階段,繞組電流產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩,這也是關(guān)斷角的選取需要顧及的地方,一般取電感上升區(qū)域的中間位置。2.4SR電機的控制策略2.4.1SR電機的基本運行特性SR電動機在給定外施電壓Us

31、且開通角on、關(guān)斷角off固定時,電動機的轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系與直流電動機的串勵特性類似。但在轉(zhuǎn)速較低時,電流。轉(zhuǎn)矩都有極限值,其基本的機械特性如下圖2-3所示:TO恒轉(zhuǎn)矩區(qū)恒功率區(qū)串勵特性區(qū)CCC方式APC方式c固定12 圖2-3SR電動機基本機械特性(1)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。對于給定的SR電動機,它在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)能達到的最大轉(zhuǎn)速為1,此時,SR電動機的功率也是最大的,1稱為第一臨界轉(zhuǎn)速。在低速運行時,由于電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩Tav與相電流的平方成正比,為了獲得恒轉(zhuǎn)矩特性,限制電流不超過允許值,常采用電流斬波控制,即CCC(Chopped Current Control)控制。CCC控制的方法是固定開通角

32、on、關(guān)斷角off,通過斬波控制外施電壓。CCC控制分為啟動斬波模式、定角度斬波模式與變角度斬波模式三種。啟動斬波模式在SR電動機啟動時采用,通常固定on、off,導(dǎo)通角op取一個較大的值,以便在得到大的啟動轉(zhuǎn)矩的同時又能限制相電流峰值;定角度斬波模式常在電機啟動后低速運行時采用,op不變但相對較??;變角度斬波模式通常在電機中速運行是采用。CCC控制通常有以下幾種方法實現(xiàn)斬波:限制電流上、下幅值;電流上限和關(guān)斷時間給定;PWM斬波調(diào)壓控制。本次設(shè)計采用電流上限和關(guān)斷時間給定的方法,即將相電流i與給定電流Imax比較,當i>Imax時,控制功率開關(guān)關(guān)斷一段時間,一個周期內(nèi)的關(guān)斷時間是恒定的

33、。這種控制方式最大的優(yōu)點是簡單容易實現(xiàn),但對關(guān)斷時間的選取要適宜,以防止“過斬”或斬波頻率過高。(2)恒功率區(qū)。在恒功率區(qū),保持外施條件不變時,增大時,Tav將隨著2下降。在第一臨界速度以上1、第二臨界速度2以下,為獲得恒功率特性,采用角度位置控制,即APC(Angular Position Control)控制,保持外施電壓不變,調(diào)節(jié)開通角on和關(guān)斷角off,常采用固定關(guān)斷角off、改變開通角on的控制方式。一般選offa,且op/2。(3)串勵特性區(qū)。當轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加,可控條件達到極限,轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速的平方下降,此時,SR電動機呈串勵特性。 在SR電動機控制方式實際運用時,一般低速時采用CC

34、C控制,高速時采用APC控制,在中速時采用CCC控制和APC控制方式結(jié)合來進行控制。這種組合控制方式提高了電動機的控制性能。12.4.2SR電動機的起動 SR電動機啟動時有兩種起動方式,即一相通電起動和兩相通電起動。本次設(shè)計所采用的是四相8/6極SR電動機,采用兩相起動方式。相對于一相起動方式,兩相起動增大了電動機的啟動轉(zhuǎn)矩,消除了起動死區(qū),同時兩相起動的轉(zhuǎn)矩脈動減小,起動所需的電流幅值也更低。2.4.3SR電動機運行控制(1)正反轉(zhuǎn)控制 SR電機的運行需兩個條件:一是使轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩,二是有相應(yīng)相序的控制信號。由前面2.3節(jié)的分析易知,每相繞組的通電區(qū)域由開通角on和關(guān)斷角off所在區(qū)段來決

35、定。若通電區(qū)段位于>0的區(qū)段,產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩;若通電區(qū)段位于<0的區(qū)段,則產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩。電機一旋轉(zhuǎn),位置檢測器信號就自動追蹤相序形成相應(yīng)的相序控制信號,電機開始運行。當開通角on和關(guān)斷角off為正轉(zhuǎn)控制角,只要將控制導(dǎo)通區(qū)推遲半個周期,就可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)控制(2)制動控制 在SR電動機傳動系統(tǒng)中,需限制電動機轉(zhuǎn)速的,這就需要進行制動控制,在電動機的軸上施加與轉(zhuǎn)速方向相反的轉(zhuǎn)矩。采用APC控制方式,改變開通角on和關(guān)斷角off,將主開關(guān)器件的導(dǎo)通區(qū)段設(shè)在相繞組電感的下降段即可產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩,完成制動控制。1第3章 SRD系統(tǒng)的設(shè)計原理3.1 SR電動機的換相原理 SR電動機經(jīng)過前面分析已知,它的轉(zhuǎn)動

36、方向只與定子繞組的通電順序有關(guān),因而可以通過對各相的通電控制進行正方轉(zhuǎn)控制。采用轉(zhuǎn)子位置檢測器進行檢測,進而根據(jù)獲得的位置信息,將此信息通過80C196kc的HSI端口輸入進單片機,進行相關(guān)的位置參數(shù)計算和轉(zhuǎn)速計算,通過計算結(jié)果控制各相主開關(guān)器件的控制,進而實現(xiàn)換相控制。3.2 SRD控制系統(tǒng)原理本次課題設(shè)計的SRD系統(tǒng)原理圖如下:速度給定ASR)放大驅(qū)動綜合邏輯控制ACR功率變換器轉(zhuǎn)速計算SRMM位置傳感器位置信號電流檢測由上面的系統(tǒng)原理圖可知,本次設(shè)計是基于位置傳感器反饋控制原理的,控制策略的實現(xiàn)都是基于對位置信號的分析處理。系統(tǒng)主要由以下幾個單元構(gòu)成:(1)速度給定單元;(2)轉(zhuǎn)子位置檢

37、測單元;(3)數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器;(4)電流和電壓斬波控制器;(5)電流檢測環(huán)節(jié);(6)綜合邏輯控制;(7)功率變換電路。下面將分別對其中的主要單元進行介紹3.2.1 速度給定單元速度給定單元將轉(zhuǎn)速給定電壓信號ug的突變部分進行積分,使電壓信號變成較為平緩的變化量,以使系統(tǒng)工作更加平穩(wěn)。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖易知速度給定單元之后還有一個80C196KC的軟件速度PI調(diào)節(jié)器,且電機運行的平穩(wěn)性和快速性是相互制約的,故硬件積分器時間常數(shù)不宜選太大,本次課題選擇時間常數(shù)為=1s,最終輸入到80C196KC芯片中間的A/D轉(zhuǎn)換通道的電壓為05V,對應(yīng)轉(zhuǎn)速為02000rpm。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號與轉(zhuǎn)速負反饋

38、的數(shù)字信號綜合轉(zhuǎn)速后的誤差信號被送入到軟件速度PI調(diào)節(jié)器,這樣就構(gòu)成了一個完整的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。3.2.2轉(zhuǎn)子位置檢測單元位置檢測控制就是通過確定定子和轉(zhuǎn)子的相對位置,然后將所測得的位置信號反饋至邏輯控制電路,進而通過計算對相應(yīng)繞組的通斷和轉(zhuǎn)速高低進行調(diào)節(jié)控制。常見的位置檢測器有光敏式、磁敏式等位置檢測方案。 對于一個m相的SR電動機,轉(zhuǎn)子齒極數(shù)為Nr,定子齒極數(shù)為Ns,轉(zhuǎn)子的極距角為: r=步距角為: 每轉(zhuǎn)步數(shù)為:轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周,定子m相繞組需要輪流通電Nr次,故可得SR電動機轉(zhuǎn)速n與每相定子繞組的通電頻率f 的關(guān)系為: n= 功率變換器的開關(guān)頻率為: 本次設(shè)計采用光敏式檢測器,它由光電耦合開

39、關(guān)和遮光盤組成,將光電開關(guān)固定在定子上,遮光盤固定在定子上,它的齒、槽與轉(zhuǎn)子的凸極、凹槽數(shù)相等,且齒、槽均勻分布,這樣,轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個步進角,位置檢測器的輸出信號就與此對應(yīng)變化一次,在一個轉(zhuǎn)子極距角r內(nèi),位置信號變化m次,當轉(zhuǎn)過一個極距角r后,位置信號會回到起始狀態(tài),并且位置信號按此規(guī)律循環(huán)反復(fù)。這樣,就可通過轉(zhuǎn)子的位置信號經(jīng)過處理后對繞組導(dǎo)電的相序進行控制。 本次課題采用的樣機是四相8/6極SR電動機,采用半數(shù)檢測法,即采用兩個光電開關(guān)進行檢測,其間的夾角由下式?jīng)Q定: =(k-1/m)r (k=1,2,.)可知,兩個光電開關(guān)之間可以為15°、45°、75°。本次

40、位置傳感器的安裝采用45°,即在某相(A相)定子繞組中心線位置安裝光電開關(guān)V1、再順時針轉(zhuǎn)過45°安裝另一個光電開關(guān)V2,遮光盤齒槽角間距為30°。電路通電后,位置檢測電路可以輸出兩路周期為60°、間隔為15°的脈沖序列,再通過相間關(guān)系可得基本位置信號的通電邏輯如下圖3-1所示:A相B相C相D相SPOOOO 圖3-1正轉(zhuǎn)時位置信號與相繞組通電邏輯(on=0°,on=30°)根據(jù)電機運行時位置檢測信號和對應(yīng)相電感的關(guān)系,可以確定SR電動機在運行時各相主開關(guān)器件的切換邏輯。據(jù)此,可得到SR電動機分別在正反轉(zhuǎn)運行的真值表(假定逆時

41、針為正): 表3-1SR電動機正、反轉(zhuǎn)運行真值表 逆時針運行 順時針運行S PA 相B 相C 相D 相S PA 相B 相C 相D 相1 1ONOFFOFFON1 1ONONOFFOFF0 1ONONOFFOFF0 1ONOFFOFFON0 0OFFONONOFF0 0OFFOFFONON1 0OFFOFFONON1 0OFFONONOFF上表是SR電動機運行時的基本控制邏輯。每相繞組在傳感器信號的高低電平下的通斷如上表。微控制器通過捕獲S、P傳感器信號的突變沿來進行位置同步和計算轉(zhuǎn)速,再通過延遲時間和角位移之間的函數(shù)關(guān)系,在高速運行階段得到PI調(diào)節(jié)輸出的on和off,在低速運行階段得到固定角度

42、的on和off,控制器據(jù)此給出各相繞組通斷的控制信號。 轉(zhuǎn)子位置信號是SR電動機控制時序的決策依據(jù),在前文中已有詳述。根據(jù)SR電動機正、反轉(zhuǎn)運行時各相繞組切換的真值表,以進行正、反轉(zhuǎn)控制。下面將就方案的具體實施和測速原理進行分析。轉(zhuǎn)子位置信息經(jīng)80C196KC具有捕獲功能的輸入端口HSI來檢測。將轉(zhuǎn)子上位置傳感器上得到的方波信號先后進行分壓濾波、電平轉(zhuǎn)換,然后直接加到80CI96KC芯片的HIS.0和HIS.1引腳,在控制寄存器中將捕獲中斷事件的方式設(shè)為上下沿都觸發(fā)的方式,這樣每經(jīng)過一個步距角(15°),就可通過硬件中斷從位置傳感器S或P上面獲得一個脈沖突變沿,進入中斷服務(wù)程序后,就

43、可通過讀HSI狀態(tài)寄存器相應(yīng)位的狀態(tài)進而判斷是上升沿或者是下降沿??蓳?jù)此來進行位置同步、控制相序。位置信號由高速輸入口記錄在十六位時間寄存器中,根據(jù)位置檢測原理,可由兩次脈沖沿觸發(fā)時刻之差來計算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過l5°所用的時間從而計算出轉(zhuǎn)速而進行轉(zhuǎn)速刷新。此外,一路位置信號轉(zhuǎn)過一個周期(60°)的時鐘數(shù)除以60,這可以得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1°所對應(yīng)的時間值,以該值為基本單位t標,將它與導(dǎo)通角on或者關(guān)斷角off所需的延遲角度相乘,就可得到與之相對應(yīng)的延遲時間,寫入高速輸出口HSO的命令寄存器,在不經(jīng)過CPU干預(yù)的情況下,將自動產(chǎn)生各相通斷允許信號,這在綜合邏輯控制單元中是相導(dǎo)通

44、的一個重要邏輯判據(jù)。3.2.3 數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器 數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器是實現(xiàn)對SR電動機斬波電流和導(dǎo)通角自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵,是速度位置閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重中之重,它與控制策略的實施和控制品質(zhì)的優(yōu)劣直接相關(guān)。所以經(jīng)典的PID在連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,控制靈活,參數(shù)整定方便。但由于SR電動機動態(tài)性能較好,一般使用比例和積分環(huán)節(jié),即PI調(diào)節(jié),就可以勝任SR電機的調(diào)速控制。本次設(shè)計中80C196KC對斬波電流幅值、導(dǎo)通角度的調(diào)節(jié)都是采用PI控制,其計算表達式為: 式中: 調(diào)節(jié)器的輸出; Kp比例系數(shù);e調(diào)節(jié)器的輸入,此處為設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差;積分常數(shù); 控制基準,常取輸出控制量取取值范圍的中間值。由上式易看

45、出,PI調(diào)節(jié)器的比例調(diào)節(jié)的輸出與偏差成正比,且偏差越大,調(diào)節(jié)速度越快;積分環(huán)節(jié)對存在的偏差進行積分,可以消除靜差。因而PI調(diào)節(jié)器兼具比例環(huán)節(jié)的快速性和積分環(huán)節(jié)能消除靜差的優(yōu)點。單片機的控制采用采樣控制,因而上式中的積分項可以用數(shù)學(xué)方法逼近:設(shè)t=iT(T 為采樣周期)表示采樣時間,則上式可離散化為: 在實際控制系統(tǒng)中,采用APC控制時,常采用固定關(guān)斷角off,調(diào)節(jié)c的控制方法,先通過計算機算出相應(yīng)轉(zhuǎn)速的最佳關(guān)斷角off,將這個值存到存儲器中,再由PI調(diào)節(jié)器算出導(dǎo)通角op,用off -op就可得到開通角on,進而完成APC控制。3.2.4 電流檢測環(huán)節(jié) 電流檢測是SRD系統(tǒng)實現(xiàn)低速電流斬波控制、

46、過流保護的基礎(chǔ),只有得到精確的實時監(jiān)測電流,才能進行高性能的實時控制。電流檢測環(huán)節(jié)的主要作用有以下二點,一是將檢測得到的實時電流作為電流調(diào)節(jié)的控制參量,在起動、低速運行和加速運行時進行電流調(diào)節(jié)和導(dǎo)通角度限制;二是監(jiān)測功率變換電路判斷是否存在過電流故障,以便進行過流保護和故障處理。常用的電流檢測方法由通過電阻采樣和通過霍爾傳感器采樣兩種。電阻采樣法功耗高,且檢測靈敏度較低,此外電流檢測的線性度亦不好;而霍爾傳感器相對靈敏度更高,本身還有自保護功能,因而適用更廣。本次設(shè)計就采用霍爾傳感器進行電流檢測。3.2.5 電流和電壓斬波控制調(diào)節(jié)器 電流和電壓斬波控制調(diào)節(jié)器是執(zhí)行控制策略的重要單元,包括軟件和

47、硬件兩個組成部分。功能是實現(xiàn)角度控制、電流控制、電壓控制等控制方式,根據(jù)數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器的輸出信號改變控制參數(shù),進行控制方式的切換。 在課題采用的基本的控制方式是在基速1以下實行電流斬波控制,1以上實行變角度的電壓PWM斬波控制。3.2.6綜合邏輯控制單元 80C196KC的控制信號最終是由綜合控制邏輯發(fā)出的。這個部分主要綜合了控制方式實現(xiàn)信號、各相繞組通斷切換信號以及故障判斷信號等,輸出一個符合電動機相數(shù)的并且實現(xiàn)調(diào)速控制方式的多路信號,該信號傳送給驅(qū)動電路板。由它來驅(qū)動功率器件的通斷。3.2.7功率變換器 在SRD系統(tǒng)中,由IGBT構(gòu)成的主回路及其IGBT的驅(qū)動電路合并為一個完整的功率變

48、換環(huán)節(jié)。功率變換器在SRD控制系統(tǒng)中的作用是無可比擬的,其價格在整個SRD系統(tǒng)中也占有主要的比重,因此,設(shè)計合理完善的功率變換器是提高整個SRD系統(tǒng)性能、提升價格比的關(guān)鍵之一。功率變換器是直流電源和SR電動機的接口,同時為系統(tǒng)的儲能提供回饋路徑。性能優(yōu)良的功率變換器應(yīng)該具備以下幾個條件:主開關(guān)元件數(shù)量較少;能將直流電源的電壓全部加到電動機相繞組上;主開關(guān)器件電壓額定值與SR電動機接近,一般略高;開關(guān)器件反應(yīng)是瞬時的;可通過對主開關(guān)器件的調(diào)制來控制相電流;能提供繞組儲能的回饋路徑。常用的功率主電路由雙開關(guān)型、雙雙繞組型、電容分壓型、H橋型公共開關(guān)型幾種。本次設(shè)計采用電容分壓型主電路,具體器件選擇

49、及驅(qū)動電路將在第四章中詳述。73.3 80C196KC單片機簡介80C196KC是Intel公司MCS-96系列單片機中功能電路較為完備的一種單片機,CPU是16位,適合各類自控系統(tǒng)。MCS-96系列單片機與MCS-51系列單片機系統(tǒng)相比,在實時性方面有了很大的提高,指令系統(tǒng)也具有更高的效率,執(zhí)行速度亦更快。80C196KC單片機繼承了80C196KB的許多優(yōu)點,是MCS-96系列單片機中的高性能產(chǎn)品。80C196KC單片機的主要性能如下:(1)16位無累加器CPU,內(nèi)部采用寄存器文件結(jié)構(gòu);(2)10位A/D轉(zhuǎn)換器;(3)256字節(jié)片內(nèi)RAM;(4)48個I/O端口;(5)高速輸入輸出部件HS

50、I/HSO;(6)三個硬件脈寬調(diào)制輸出PWM;(7)外設(shè)事務(wù)服務(wù)器PTS(Peripheral Transaction Server);(8)16位監(jiān)視定時器WDT;(9)兩個16位定時/計數(shù)器;(10)具有總線出讓規(guī)程HOLD/HLDA;(11)具有兩個優(yōu)先級的28源/16向量中斷結(jié)構(gòu);(12)片內(nèi)時鐘振蕩器,時鐘頻率最大為20MHZ。此外80C196KC采用2分頻電路能產(chǎn)生不同相位的內(nèi)部時鐘,其軟件執(zhí)行速度在相同晶振頻率下要比早期的8096系列快1/3左右??梢?,80C196KC硬、軟件資源豐富且數(shù)據(jù)處理速度快,是很理想微型控制器件。第4章 SRD系統(tǒng)硬件電路設(shè)計4.1系統(tǒng)概述 本次SRD

51、系統(tǒng)設(shè)計以微控制器80C196KC為核心,其硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示:P0 HSI PWM HSO 位置、速度檢測電路故障檢測電路鍵盤及外接電路顯示電路相控信號輸出電路過流保護及電流斬波電路故障控制電路邏輯綜合電路 驅(qū)動放大電路 功率變換器 本次設(shè)計采用的是四相8/6極SR電動機,其主要技術(shù)指標如下:額定功率:30kW;額定轉(zhuǎn)速:1500rpm;轉(zhuǎn)速范圍:50-2000rpm;起動轉(zhuǎn)矩:1.5×190N.m;過載能力:120%;雙向運行,停車制動。三相工頻電壓經(jīng)全波整流器整流后給SR電動機供電,整流后的直流供電電壓平均為513V,電動機過載時的峰值電流約為147A。4.2位置檢測電路位置檢

52、測電路采用如下圖的4-2電路,光電耦合開關(guān)的輸出信號首先連接一個比較器LM339,防止邊沿抖動,然后經(jīng)過濾波電路濾波,通過施密特觸發(fā)器整形,在經(jīng)過反相器反相輸出位置信號S,另一路信號與此一樣,經(jīng)單片機的HIS.0和HIS.1輸入。 圖4-2位置檢測電路4.3低速電流斬波器本設(shè)計采用低速電流斬波控制的控制方案,其電路圖如下圖4-3所示,以圖中AC相為例,比較器LM339正相輸入端V+為給定斬波電流的上限值Uref,負相輸入端V-為電流檢測器測得的繞組電流實際值轉(zhuǎn)化的UAC,兩者相比較產(chǎn)生相應(yīng)的通斷信號,當Uref>UAC即V+>V-時,LM339輸出Vl為高電平,此時,與此相對應(yīng)相的主功率開關(guān)導(dǎo)通;反之,若Uref<UAC即V+<V-時,則Vl變?yōu)榈碗娖?,則可得與非門CD4011輸出V2變?yōu)楦唠娖剑瑔畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4098的輸入端V3變?yōu)榈碗娖?,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將工作,其輸出端OUTAC為低電平且將持續(xù)時間Tl,對應(yīng)相主功率開關(guān)關(guān)斷Tl時間。如果在Tl時間內(nèi)Vl變?yōu)楦唠娖?,則在Tl終止時刻,OUTAC恢復(fù)高電平,主功率開關(guān)元件導(dǎo)通;如果在T1時間內(nèi)Vl一直為低電平,則OUTAC繼續(xù)處于關(guān)斷狀態(tài)直到Vl為高電平為止,如此循環(huán)反復(fù)就構(gòu)成一個斬波調(diào)節(jié)控制。圖中的CHOPLOCK信號由80C196KC的PI.0端口給出,在

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