高速两相开关磁阻电机及其驱动系统的研究

摘要

打磨机等高速电动工具通常采用单相串激电机驱动，具有起动转矩高、空载转速高、结构紧凑、成本低廉等特点，但由于存在换向器和碳刷，影响到其使用寿命和可靠性。两相开关磁阻电机具有很好的串激特性，并且无换向器和滑环，结构简单、成本适中，是高速电动工具的理想驱动电机，本文以打磨机工具为驱动对象，研究开发高速两相开关磁阻电机系统，主要包括以下内容:
　　首先，阐述了开关磁阻电机的基本结构，在线性模型下对该电机的电感特性、转矩特性、运行特性进行了分析，在原理分析的基础上总结了开关磁阻电机的控制方式。然后针对两相开关磁阻电机自起动问题及运行原理进行分析。
　　其次，基于打磨机电动工具驱动要求，对高速两相开关磁阻电机进行了电磁设计研究。建立了两相开关磁阻电机的电磁场有限元仿真研究模型，研究了阶梯气隙大小、阶梯气隙角度、绕组每相串联匝数等参数对电机自起动能力、转矩脉动等性能的影响，给出了电机电磁设计优化方案，并经电磁场有限元动态仿真，研究电机的动态性能。
　　再次，基于前述建立的开关磁阻电机仿真模型，通过分析电机的控制策略和输出特性，采用STM8S003F3单片机作为主控芯片，不对称半桥电路作为驱动电路，对打磨机驱动用高速两相开关磁阻电机的控制系统进行了研究。
　　最后，在上述的研究工作基础上，制作出一台高速两相开关磁阻电机及其相应的驱动控制系统，同时进行了电机样机的打磨机驱动试验，试验表明所开发的高速两相开关磁阻电机系统具有良好的性能，能够替代原有的串激电机驱动打磨机电动工具。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 两相开关磁阻电机驱动打磨机的适用性

1．2．1 串激电机

1．2．2 两相开关磁阻电机驱动打磨机的优势

1．3 开关磁阻电机的发展概况

1．4 两相开关磁阻电机的发展现状

1．4．1 定子结构优化的两相开关磁阻电机

1．4．2 转子结构优化的两相开关磁阻电机

1．4．3 分块式转子的两相开关磁阻电机

1．5 本文的研究内容

第2章 开关磁阻电机的基本结构与原理

2．1 引言

2．2 开关磁阻电机系统的基本结构

2．3 开关磁阻电机的解析分析

2．2．1 开关磁阻电机的基本平衡方程

2．2．2 开关磁阻电机电感的线性分析

2．2．3 开关磁阻电机运行特性的分析

2．4 开关磁阻电机的控制方式

2．5 两相开关磁阻电机的起动和工作原理

2．5．1 两相开关磁阻电机的自起动问题

2．5．2 两相开关磁阻电机的工作原理

2．6 本章小结

第3章 两相开关磁阻电机的电磁设计与控制策略的研究

3．1 引言

3．2 两相开关磁阻电机的初始设计

3．2．1 打磨机工具的部分尺寸与性能要求

3．2．2 电机基本结构的确定

3．2．3 电机主要尺寸的确定

3．3 阶梯型气隙结构的设计

3．4 电机设计方案的仿真验证

3．5 位置检测装置的设计

3．6 电机驱动系统的控制策略

3．6．1 PWM调压控制

3．6．2 角度位置控制

3．6．3 转速闭环控制

3．7 本章小结

第4章 两相开关磁阻电机控制系统的设计

4．1 系统硬件设计

4．1．1 逻辑控制模块

4．1．2 功率模块

4．1．3 驱动模块

4．1．4 检测模块

4．1．5 电源模块

4．2 系统软件设计

4．2．1 电机系统状态分析

4．2．2 软件总体结构

4．2．3 转速计算与位置检测

4．2．4 PWM软件功能的实现

4．3 本章小结

第5章 两相开关磁阻电机的实验与分析

5．1 实验样机系统

5．2 位置信号检测

5．3 功率元件测试

5．4 开通角和关断角对电流波形的影响

5．5 空载和负载实验的分析

5．6 电机整体性能测试

5．7 本章小结

第6章 全文总结

参考文献

致谢

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