开关磁阻电机调速系统的研究及嵌入式实现

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 3.6MB 73 页 15积分

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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

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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，EXB8...

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