开关磁阻电动机的直接瞬时转矩控制系统研究

摘要

随着电力电子、计算机控制和微电子等技术的发展，基于开关磁阻电动机的电力驱动系统逐渐引起了国内外专家学者的广泛关注。开关磁阻电动机不仅具有结构简单、成本低廉、控制灵活和调速范围宽等优点，而且能够在很小的电流下实现快速启动和频繁的正反转，达到高精度、高输出的性能指标。然而，由于开关磁阻电动机具有特殊的双凸极结构，并且采用开关式的供电方式，使得转矩脉动过大成为其固有缺陷。转矩脉动会引起噪声，同时较大的转矩脉动还会引起较大的转速波动。尽管传统的开关磁阻电动机控制方法能够实现比较好的转速控制，但是仍然存在较大的转矩脉动。针对这一问题，本文引入了直接瞬时转矩控制方法。
　　本文首先介绍了开关磁阻电动机的基本结构和运行原理，给出了开关磁阻电动机的数学模型，并在此基础上对电流斩波控制、电压斩波控制和角度位置控制三种传统的控制方法进行了分析。深入阐述了开关磁阻电动机转矩脉动产生的原因，概述了常用的转矩脉动抑制方法，同时引出了本文所采用的直接瞬时转矩控制方法。深入分析了直接瞬时转矩控制策略的工作原理，并分别介绍了转矩内外双滞环、转矩差值和改进型转矩差值三种转矩控制器。在转速闭环控制上采用PI速度控制器，并增加了去饱和项的限幅环节，以防止电动机在起动和突然加载时产生超调震荡。建立转矩、电流和转子位置角三者之间的关系表，采用双线性内插值法，通过电流和转子位置角估算出反馈转矩。针对四相8/6极开关磁阻电动机，应用MATLAB/Simulink软件搭建了直接瞬时转矩控制系统的仿真模型，详细分析了模型的各个组成模块，并进行了仿真实验。对采用了三种转矩控制器的直接瞬时转矩控制系统分别进行了多组仿真实验，仿真结果证明了该方法能够实现对转矩脉动的有效抑制。
　　在理论分析的基础上，并结合仿真模型及实验结果，本文以一台370W的四相8/6极开关磁阻电动机作为研究对象，采用数字信号处理器TMS320F2812PGFA为主控芯片开发了一套实验系统，并分别对系统中硬件电路的工作原理和控制程序的流程功能进行了全面深入的分析和说明。其中，硬件电路主要包括整流电路、功率变换电路、光电耦合与触发电路和电流采样电路；软件程序包括DSP控制程序和LabVIEW操作界面。基于该实验系统进行了测试与实验，实验结果验证了直接瞬时转矩控制方法对开关磁阻电动机的转矩脉动具有良好的抑制作用。

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第一章 绪论

1.1 选题的目的和意义

1.2 开关磁阻电动机调速系统概述

1.3 本文的主要研究内容

第二章 开关磁阻电动机的基本理论与数学模型

2.1 引言

2.2 开关磁阻电动机的结构及运行原理

2.3 开关磁阻电动机的数学模型

2.4 开关磁阻电动机的传统控制理论

2.5 本章小结

第三章 开关磁阻电动机的直接瞬时转矩控制

3.1 引言

3.2 开关磁阻电动机的转矩脉动分析

3.3 直接瞬时转矩控制方法

3.4 直接瞬时转矩控制系统建模

3.5 仿真结果与分析

3.6 本章小结

第四章 实验平台的硬软件设计

4.1 引言

4.2 实验平台硬件设计

4.3 实验平台软件设计

4.4 本章小结

第五章 实验结果与分析

5.1 引言

5.2 开关磁阻电动机启动实验

5.3 开关磁阻电动机的直接瞬时转矩控制实验

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作

6.2 进一步研究展望

致谢

参考文献

附录A

附录B