开关磁阻电机调速系统的研究及嵌入式实现

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开关磁阻电机调速系统的研究及

嵌入式实现

摘要

开关磁阻电机调速系统是由磁阻式电动机、电力电子电路和微控制器所组成

的机电一体化设备，兼有交流调速系统和直流调速系统的优点，近年来，在驱动

调速领域得到了广泛的应用。

本文首先介绍了开关磁阻电机调速系统的国内外现状及发展，阐述了系统的

组成及转动原理。以四相 8/6 极0.75Kw 开关磁阻电机为研究对象，在推导电机的

线性数学模型基础上提出了本系统的控制策略，即低速运行时采用电流斩波控制

高速运行时采用固定关断角的角度位置控制的电流内环、转速外环的双闭环调速

系统。通过对常见功率变换主电路的比较分析，设计了四相星点悬空型功率变换

主电路，选择 IGBT 为主开关器件，EXB841 模块为驱动芯片，并对有关参数进行

了定额计算。

传统的开关磁阻电机调速系统一般选择单片机或 DSP 为控制器和前/后台软

件开发思想，在遇到系统功能需求偏多、程序设计量庞大的场合，不仅 CPU 占用

率过高，而且系统设计、调试、扩展和维护都比较困难。本系统选用以 ARM7TDMI

为核心的 LPC2210 芯片作为电机调速系统的微控制器，采取嵌入式方法实现系统

的软件设计。通过移植嵌入式操作系统 uClinux，并在该环境下进行驱动程序和应

用程序的开发，使得整个软件系统设计简便、扩展方便。实验证明，采用嵌入式方

法实现开关磁阻电机的调速控制是可行的。

关键词：开关磁阻电机嵌入式调速功率变换器 uClinux

ABSTRACT

Switched reluctance motor drive system consists of reluctance motor, power

electronics circuit and micro controller. It has the advantages both AC drive system and

DC drive system and had been widely used in the drive area in recent years.

This thesis at first introduces the actuality and development of the switched

reluctance motor and expounds the structure and rotational principles of the motor. The

control strategy which contains chopped current control when SRM runs in low speed

and angular position control when high speed based on the linear mathematic model

with the four phases-8/6 poles and 0.75Kw switched reluctance motor is also promoted.

Compare with the familiar converter, the four phases impending circuit was the mainly

used in the system which choose the IGBT as the power part and EXB841 module as

the drive circuit that calculate the interrelated parameters.

The traditional method of the SRD is the combination of the DSP or MCU

controller and the idea of foreground/background. It is not only the high-consumption of

CPU, but also the hardness of design, maintain and exploitation. With the selection of

the LPC2210 chip based on ARM7TDMI of the drive, the application of embedded

method for the software design is implemented. When the embedded operation system

uClinux is transplanted, the development of the driver and application programs make

the whole software system designed easily, maintained conveniently and extend

advantageously. The experiment has been proved that it is feasible to control the

switched reluctance driver with the application of embedded method.

Key Word: Switched reluctance motor, embedded system, drive,

converter, uClinux

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.....................................................................................................................1
§1.1 开关磁阻电机调速系统的现状及发展............................................................1
§1.2 开关磁阻电机调速系统的特点........................................................................2
§1.3 嵌入式系统概述................................................................................................3
§1.4 课题背景和主要研究内容................................................................................3
第二章 开关磁阻电机调速系统的结构和工作原理......................................................5
§2.1 开关磁阻电机调速系统的结构........................................................................5
§2.2 开关磁阻电机调速系统的工作原理................................................................6
§2.2.1 SRM 的转动原理.....................................................................................6
§2.2.2 SRD 的工作过程.....................................................................................7
第三章 开关磁阻电机调速系统的数学模型和系统实现..............................................8
§3.1 系统的线性数学模型........................................................................................8
§3.1.1 电压平衡方程和功率方程......................................................................8
§3.1.2 电感与转子位置角关系..........................................................................9
§3.1.3 相绕组电流分析....................................................................................10
§3.1.4 基于准线性模型的平均转矩分析........................................................11
§3.2 开关磁阻电机调速系统的控制方法..............................................................12
§3.2.1 角度位置控制........................................................................................12
§3.2.2 电流斩波控制........................................................................................13
§3.2.3 电压 PWM 控制.....................................................................................14
§3.3 本系统控制策略的实现..................................................................................14
§3.3.1 PI 速度控制器........................................................................................15
§3.3.2 角度控制................................................................................................17
第四章 功率变换电路和驱动电路的设计....................................................................19
§4.1 功率变换器的拓扑结构..................................................................................19
§4.2 主开关器件的选型..........................................................................................22
§4.2.1 常用的主开关器件介绍........................................................................22

§4.2.2 IGBT 的简单工作原理..........................................................................23
§4.3 主电路元件的定额计算..................................................................................24
§4.4 驱动电路的设计..............................................................................................25
§4.4.1 驱动芯片 EXB841 模块........................................................................25
§4.4.2 驱动模块与 IGBT 的集成.....................................................................27
第五章 硬件电路的实现................................................................................................29
§5.1 ARM7TDMI 和LPC2210 芯片简介...............................................................29
§5.1.1 ARM7TDMI 简介..................................................................................29
§5.1.2 LPC2200 主控芯片介绍........................................................................30
§5.2 基于 LPC2210 主控芯片的外围电路设计.....................................................31
§5.2.1 控制器总体设计....................................................................................31
§5.2.2 电源电路................................................................................................31
§5.2.3 系统复位电路........................................................................................32
§5.2.4 片外 Flash 存储器..................................................................................32
§5.2.5 A/D 转换器.............................................................................................33
§5.2.6 捕获输入................................................................................................34
§5.2.7 PWM 输出..............................................................................................35
§5.3 位置传感器电路..............................................................................................36
§5.4 电流传感器电路..............................................................................................37
第六章 系统软件设计....................................................................................................39
§6.1 嵌入式系统设计概念......................................................................................39
§6.2 uClinux 内核的移植和定制............................................................................40
§6.2.1 内核的移植过程....................................................................................40
§6.2.2 uClinux 内核的定制..............................................................................45
§6.3 uClinux 环境下驱动程序的开发....................................................................45
§6.3.1 uClinux 环境下驱动开发概述..............................................................46
§6.3.2 PWM 的驱动开发..................................................................................50
§6.3.3 A/D 的驱动开发.....................................................................................52
§6.4 应用软件的实现..............................................................................................54
§6.4.1 主程序....................................................................................................55
§6.4.2 转速控制程序........................................................................................56
§6.4.3 电流反馈环控制程序............................................................................56
§6.4.4 相中断及角度计算程序........................................................................57

§6.4.5 PWM 输出程序......................................................................................58
第七章 实验结果分析....................................................................................................59
§7.1 实验装置系统..................................................................................................59
§7.2 实验结果分析..................................................................................................60
§7.2.1 低速电流斩波方式一相电流分析........................................................60
§7.2.2 高速角度位置方式一相电流分析........................................................61
第八章 总结和展望........................................................................................................62
§8.1 总结..................................................................................................................62
§8.2 展望..................................................................................................................63
参考文献.........................................................................................................................64
附 录................................................................................................................................67

第一章绪论

开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Drives，简称SRD）是一种融

电力技术、电子技术、微电子技术和电机控制技术于一体的新型调速系统，主要由

开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）、功率变换器、控制器、

电流传感器和位置传感器五部分组成，具有结构简单、控制灵活、可四象限运行、

可靠性高、能在较宽的速度和转矩范围内高效运行等特点。

§1.1 开关磁阻电机调速系统的现状及发展[10~12, 16]

目前，SRD 已从最初侧重于牵引运输发展到通用工业、航空工业和家用电器

等各个领域。SRD 转矩的开发范围由 0.01 kN·m 发展到 1000kN·m，功率为 10W-

5MW，转速可达100000r/min，规格已从多相发展到单相、两相，电机形式亦从旋

转型发展到直线型。

在电机设计方面，趋于成熟的二维非线性有限元法，有力地支持了SR 电机

内部饱和磁场的分析及电磁转矩的准确计算和动态仿真。此外，SR 电机的 CAD、

铁耗计算、优化设计等方面近年来成为研究热点。

在国外，有研究人员已系统论述了每相只用一个主开关器件的功率变换器的

拓扑结构，并对开关器件的有效值进行了定额计算，设计了输入滤波器。对比分

析了 5种典型拓扑结构功率变换器的峰值电压和电流定额、直流环节元件的体积

和峰值定额；并且还开发出了一种新的功率变换器电路结构，其全部电源电压施

加于相绕组，主开关器件的电压额定值与电源电压接近，而每相平均分摊的主开

关器件数却少于2个，从而构成一种“主开关器件最少的功率变换器”。

由于 SRD 控制参数多，因此，参数的优化成为提高电机性能的关键。

应用现代控制理论和智能控制技术建立的SRD 动态模型和系统设计逐渐成为

SRD 控制系统设计领域里的一个研究热点，而基于 BP 算法建立的SRD3 层人工

神经网络模型也初露端倪。

SRD 是位置闭环系统，但位置传感器的存在不仅削弱了SR 电机结构简单的

优势，而且降低了系统高速运行的可靠性。因此，探索无位置传感器检测转子位

置方案成为提高 SRD 性能的有效途径。目前，国外研究较多的是用定子绕组瞬态

电感信息来实现无位置检测方案，也有研究人员提出用状态观测器估计转子位置

开关磁阻电机调速系统的研究及嵌入式实现

但这些方案的精度和应用范围比较有限。

瞬时转矩脉动、振动、噪声是SRD 较突出的问题，也是研究的难点之一。引入

自适应、自学习控制技术及智能控制技术的研究有效的保证输出转矩脉动最小。另

外，PWM、随机调整开关角以及定子振动主动补偿等方法，成为较为有效的降噪

方法，并在此基础上，提出适用于每相只用1个主开关的功率主电路抑制振动的

新换相策略：“三步换相法”。

§1.2 开关磁阻电机调速系统的特点[1, 4, 8, 9]

开关磁阻电机调速系统主要有如下特点：

电动机结构简单，转子无绕组，定子只有几个集中绕组。因此制造简单，绝

缘容易，成本低廉。

高起动转矩，低启动电流。其典型产品的数据是，起动电流为 15%额定电流

时获得起动转矩为 100%的额定转矩；起动电流为额定值的30%时，起动转矩可

达额定值的150%。

可控参数多，调速性能好。开关磁阻电动机常用的控制方法包括控制相开通

角，相关断角，电流 PWM，电压 PWM 等，若采取不同控制方法和设置相应参数

值，既有较高的运行效率，又可实现不同的功能，如电机的四象限运行等。

功率电路简单可靠。由于电机转向与绕组电流无关，只需单方向的绕组电流，

故功率电路可以实现每相只有一个开关元件。另外开关磁阻电动机调速系统中每

个功率元件直接与电动机绕组串连，避免了直通短路现象，简化了功率电路的保

护电路，既降低了成本，又提高了可靠性。

各相可独立工作，构成高可靠性系统。每相电路独立给一相绕组供电，当电

动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只须停止该相工作，仅降低电机的

总输出功率。

适用于频繁起停和正反转运行的场合。系统具有高起动转矩、低起动电流的特

点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器的发热较连续额定运行时小

可控参数多使之能在制动和电动运行时具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。

效率高，功率损耗小。一方面电动机转子不存在绕组铜损，另一方面电动机

可控参数多，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。

§1.3 嵌入式系统概述[5, 6, 14]

从20 世纪 70 年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器

第一章绪论

的大规模应用，嵌入式系统己经有了 30 多年的发展历史。与传统的 PC 系统相比

较，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软件可裁剪，适用

于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一

般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个

部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式系统一般指非 PC 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/

微处理器、存储器及外设器件和 I/O 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统

软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种

软件组合在一起。应用程序控制系统的运作，操作系统控制应用程序与硬件的交

互作用。

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备如下特点：

1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应

时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

2）具有功能很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构已模块化，

为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能

同时也有利于软件诊断。

3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入

式微处理器。

现阶段，已有很多嵌入式操作系统，如Vxworks、WinCE、uC/OS、uClinux 等，

而uClinux 是一个完全符合GNU/GPL 公约的操作系统，完全开放源代码。它主要

从Linux2.0/2.4 内核派生而来，由于 uClinux 在标准的 Linux 基础上进行了适当的

裁剪和优化，形成了一个高度优化、代码紧凑的嵌入式 Linux，在 GNU 通用公共

许可证的保证下，运行 uClinux 操作系统的用户可以使用几乎所有的 Linux API 函

数，使得系统的开发更加模块化、系统化和简便。

§1.4 课题背景和主要研究内容

近年来，开关磁阻电机调速系统的特点使其在驱动调速领域得到广泛的应用

和发展，但是遇到对系统功能需求较多、程序设计量较大的场合，采用传统的以

单片机或 DSP 为控制器和基于前/后台开发思想的软、硬件实现方法，不仅 CPU

占用率过高，而且系统设计、调试、扩展和维护都比较困难。

嵌入式操作系统的出现满足了现代软件技术需求，它采用先进的编程思想，

为软件开发人员提供一个友好的开发平台，可以实现多任务调度、时间管理、进程

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摘要：

开关磁阻电机调速系统的研究及嵌入式实现摘要开关磁阻电机调速系统是由磁阻式电动机、电力电子电路和微控制器所组成的机电一体化设备，兼有交流调速系统和直流调速系统的优点，近年来，在驱动调速领域得到了广泛的应用。本文首先介绍了开关磁阻电机调速系统的国内外现状及发展，阐述了系统的组成及转动原理。以四相8/6极0.75Kw开关磁阻电机为研究对象，在推导电机的线性数学模型基础上提出了本系统的控制策略，即低速运行时采用电流斩波控制高速运行时采用固定关断角的角度位置控制的电流内环、转速外环的双闭环调速系统。通过对常见功率变换主电路的比较分析，设计了四相星点悬空型功率变换主电路，选择IGBT为主开关器件，EXB8...

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