开关磁阻电机位置检测方法的研究与实现

摘要

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）具有结构简单、成本低、效率高、调速范围宽、容错能力强以及控制灵活等突出优点。开关磁阻电机运行时，需要根据转子相对位置对各相绕组进行导通或关断，因此位置检测是SRM调速系统重要的组成部分。传统的位置检测技术存在精度低、实时性以及可靠性差等缺点，使得SRM的应用范围受到了限制，因此无论在实际应用还是理论研究中，高精度、实时、可靠的位置检测技术的研究具有非常大的意义。
　　本文主要致力于对SRM位置检测技术的研究和实践，文中首先综述了位置检测技术的发展状况以及各自的适用范围，介绍了SRM的结构特点、运行原理、数学模型以及控制方式。在此基础上本文研究了位置信息对电机运行性能的重要性，并分别对直接和间接位置检测技术进行了研究和实践。
　　(1)针对低成本SRM调速系统，提出基于数字倍频器的角度细分法，即利用光电开关作为位置传感器，数字倍频器对位置信号进行倍频，控制器通过对倍频信号计数确定转子相对位置。这种方法不仅提高了位置检测精度，同时保证了系统的成本;针对高性能SRM调速系统，提出基于CAN总线的高精度实时位置检测技术，即采用绝对式编码器作为位置传感器，从控制器安装在电机上进行位置信息处理，主从控制器之间通过CAN总线进行通信。系统中采用自定义的CAN通信协议，提出了基于转子位置的准时分通信机制，并分析了系统延时对换相位置的影响，通过角度补偿保证了系统的实时性。
　　(2)通过对磁链-电流法的分析和研究，提出改进型简化磁链法的无位置检测技术，即利用SRM的磁链-电流-位置之间的关系确定关断角位置，然后通过关断角位置估算转速和任意转子位置，实现开通角可调。文中详细分析了该方案的基本原理及实现步骤，并对位置检测精度进行了验证。
　　最后设计了基于CAN总线的SRM调速系统，介绍了各个模块的硬件电路以及主从控制器的软件设计。在不同的SRM控制方式下进行了实验，实验结果证明了调速系统的稳定性和实时性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 开关磁阻电机国内外研究现状

1．3 开关磁阻电机位置检测技术的发展

1．3．1 直接位置检测技术综述

1．3．2 间接位置检测技术综述

1．4 本课题研究背景和内容

第二章 开关磁阻电机调速系统的运行原理

2．1 SRM调速系统的组成及基本原理

2．1．1 SRM调速系统的组成

2．1．2 SRM结构特点及运行原理

2．2 开关磁阻电机的数学模型

2．2．1 开关磁阻电机的数学方程式

2．2．2 开关磁阻电机的线性模型

2．3 SRM的基本控制方式

2．3．1 电压斩波控制

2．3．2 电流斩波控制

2．3．3 角度位置控制

2．4 位置检测对SRM运行性能的影响

2．5 小结

第三章 直接位置检测技术

3．1 基于数字倍频器的角度细分方法

3．1．1 传统光电开关位置检测技术

3．1．2 数字倍频器的基本原理

3．1．3 角度细分的实现

3．2 基于CAN总线的高精度实时位置检测技术

3．2．1 基于CAN总线的位置检测系统总体设计

3．2．2 CAN总线介绍

3．2．3 SRM调速系统采用CAN总线的优势

3．2．4 CAN总线通信协议

3．2．5 系统延时分析

3．2．6 延时补偿

3．3 小结

第四章 间接位置检测技术

4．1 磁链法及简化磁链法的基本原理

4．1．1 磁链法基本原理

4．1．2 简化磁链法基本原理

4．2 磁链-电流曲线的静态参数测量

4．2．1 测量系统设计

4．2．2 磁链-电流曲线的测量

4．3 改进型简化磁链法

4．3．1 改进型简化磁链法总体结构

4．3．2 关断角的确定

4．3．3 转速估算以及开通角位置确定

4．3．4 位置检测精度分析

4．4 小结

第五章 开关磁阻电机调速系统的设计

5．1 系统总体设计

5．2 系统硬件设计

5．2．1 控制芯片选择

5．2．2 功率变换器

5．2．3 相电流信号调理电路

5．2．4 转子位置信号调理电路

5．2．5 IGBT驱动电路

5．2．6 过流保护电路设计

5．3 基于CAN总线控制系统软件程序设计

5．3．1 系统初始化

5．3．2 换相判断程序

5．3．3 转速闭环PID算法程序

5．3．4 转速计算

5．3．5 CAN通信软件程序

5．4 基于CAN总线开关磁阻电机调速系统实验验证

5．5 本章小结

第六章 全文总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢