高集成度开关磁阻电机控制器硬件设计

论文总字数：30712字

摘 要

近年来，随着人们对开关磁阻电机的研究日益深入，开关磁阻电机控制器的设计也日趋完善。在此背景下，开关磁阻电机控制器高集成度设计是其控制器设计的发展方向，直观的要求是设计结合电机本体和电机控制器的一体化电机控制系统。

本文分析了开关磁阻电机的工作原理以及控制策略，研究了开关磁阻电机控制系统的结构框架，电机控制系统主要由功率转换模块、电源模块、采样模块和处理器模块组成。功率转化模块的作用是把微处理器的控制信号转化为可以直接驱动电机运行的电信号。处理器模块负责接收反馈信号发出控制信号，同时承担控制系统中的计算任务。采样模块的作用是将电机运行的状态反馈给微处理器，让微处理器可以根据电机运行状态调整控制信号以构成一个闭环控制系统。电源模块负责给各个模块供电。

本文在研究开关磁阻电机控制系统结构框架的基础上，针对额定电压DC 300V，额定功率100W的三相6/4极开关磁阻电机，设计了基于STM32F051芯片的控制器硬件电路，包括了基于集成半桥驱动芯片IR2103的和IGBT功率管6N60C的的功率转换模块，基于集成开关电源芯片VIPER22A的电源模块以及采样模块和其它外围电路。最后根据原理图，制造出可以直接安装在电极端盖上的双层结构PCB电路板，测试在AC 220V交流供电的情况下，控制器和电机均可稳定运行。

关键字：开关磁阻电机 控制系统 高集成度

HARDWARE DESIGN OF SWITCHED RELUCTANCE MOTOR

CONTROLLER WITH HIGH INTEGRATION

Abstract

Recently, with the development of switched reluctance motor, the design of switched reluctance motor has been improved much better. Under this background, the development direction of the controller design is high Integration,in another words, it is the integrated motor control system which combines the motor and the motor controller.

This paper analyzes the principle and strategy of switched reluctance motor’s controlling system .This motor’s controlling system mainly consists of the driving module,power supply module, sampling module and processor module composition. The function of the driving module is to convert the control signals of the microprocessor into electrical signals that can directly drive the motor. The processor module is responsible for receiving the feedback signal and controlling the calculation task in the control system. The sampling module is the function of the motor running state feedback to the microprocessor, so that the microprocessor can adjust the control signal to form a closed loop control system according to the motor running state. The power module is responsible for the power supply of each module.

Based on switch reluctance motor’s controlling system , we designed the controller hardware circuit for the three-phase 6 / 4 pole switch reluctance motor with rated voltage 300V DC and rated power of 100W based on the stm32f051 chip ,including the power conversion module based on the integrated half bridge driver chip ir2103 and IGBT power tube 6N60C , power supply module based on switching power IC VIPER22A , the sampling module and other peripheral circuits. Finally, according to the schematic diagram, we can create a double-layer structure PCB circuit board which can be directly mounted on the electrode end cap. The controller and the motor can be operated stably under the condition of 220V AC power supply.

KEY WORDS: switched reluctance motor , controlling system , high integration

目 录

第一章 绪论 1

1.1 选题背景和选题意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 开关磁阻电机控制系统的研究现状 1

1.2.2 控制系统的集成化设计研究现状 2

1.3 研究内容与设计目标 2

1.4 论文组织 3

第二章 开关磁阻电机原理及控制分析 5

2.1 开关磁阻电机的原理 5

2.1.1 开关磁阻电机的工作原理 5

2.1.2 开关磁阻电机基本方程^[14] 5

2.2 开关磁阻电机控制策略 6

2.2.1开关磁阻电机的机械特性 6

2.2.2 开关磁阻电机的一般控制方式 6

2.3 开关磁阻电机控制器需求分析 7

2.4 本章小结 7

第三章 开关磁阻电机控制器电路设计 9

3.1 开关磁阻控制器结构 9

3.2开关磁阻电机控制器处理器模块 9

3.2.1 主控芯片的选择 9

3.2.2 处理器外部辅助电路 10

3.3功率转换模块 11

3.3.1 功率转换模块框架 11

3.3.2 IGBT相关电路设计 11

3.3.3 栅极驱动电路设计 12

3.4 电源模块 13

3.4.1 整流电路的设计 14

3.4.2 滤波电路设计 15

3.4.3 Buck降压电路设计 15

3.5采样模块 17

3.5.1相电流检测电路 17

3.5.2 转子位置检测电路： 18

3.6 PCB设计 19

3.6.1 内侧板的设计 19

3.6.2 外侧板的设计 20

3.6.3 实物展示 22

3.7 本章小结 22

第四章 测试及结果分析 23

4.1 测试平台 23

4.1.1 硬件平台 23

4.1.2 软件系统 23

4.2 测试方案及结果分析 23

4.2.1 开关磁阻电机控制器测试方案 24

4.2.2 开关磁阻电机控制器测试结果分析 24

4.3 本章小结 26

第五章 总结与展望 27

致谢 28

附件一：企业教师毕业设计指导工作记录 30

附件二：企业教师毕业设计知道评价意见表 35

35

第一章 绪论

1.1 选题背景和选题意义

开关磁阻电机SRM(Switched Reluctance Motor)的概念其实早在十九世纪四十年代就被提出来了^[1]，但是囿于科学技术的限制并没有得到发展。而从二十世纪六十年代开始，随着电子电力技术飞速发展，开关磁阻电机以其显著的优点，再次被提到全世界学者的面前。随着开关磁阻电机的发展，它将会是传统电机的有力竞争者^[2]。

开关磁阻电机结构简单、可靠性强、启动转矩大、启停性能高，正在逐步取代一些传统电机^[3]。但是开关磁阻电机也存在明显的缺点，比如说转矩脉动大，运行噪声大等^[4]。同时，对于开关磁阻电机的控制器的研究从上世纪80年代TASC公司开发出第一条开关磁阻电机调速系统开始，发展到现在已经形成了一套成熟的系统，控制器系统围绕电机驱动模块逐渐发展出了一套集合了驱动模块、电源模块和反馈模块等模块的调速系统^[5]。

开关磁阻电机控制器系统的框架在行业中已经逐渐规范和定型，但是开关磁阻电机控制器硬件仍然存在一定缺陷。一方面由于开关磁阻电机控制器由多个模块组成，但是目前并没有形成一个一体化设计的统一规范，同时为了减小成本和体积的考虑，对于高集成度开关磁阻电机控制器的硬件设计是目前开关磁阻电机控制器的发展方向。
因此，为开关磁阻电机设计一套通用的，高集成度的，用于控制开关磁阻电机的硬件电路对于电机行业的发展和开关磁阻电机的推广有着重要的意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 开关磁阻电机控制系统的研究现状

开关磁阻电机的概念最早由英国人在十九世纪四十年代提出，当时人们认为可以通过顺序励磁相绕组以磁力来牵引电机运转是可以实现的。但是由于当时科技水平落后，该技术未引起广泛的重视。从二十世纪六十年代开始，大功率晶体开关管的面世为开关磁阻电机控制系统的研究提供了最重要的条件。英国的Leeds大学和Nottingham大学是开关磁阻电机控制系统研究的先驱^[6]。在二十世纪七十年代，两者联合开发了用于蓄电池汽车的开关磁阻电机装置。同时，美国福特汽车公司也研发出了世界上第一套用于开关磁阻电机的调速系统^[7]。二十世纪八十年代，英国的TASC公司开发出了世界上第一条开关磁阻电机调速系统OULTON。随后至今的三十多年间，国外相关学者一直在致力于开关磁阻电机相关电磁特性等控制方面的研究^[8]。尽管开关磁阻电机存在一些难以克服的缺陷，但是随着开关磁阻电机的相关技术飞速发展，它的应用领域逐渐扩散到新能源车、冶金、农业和航空等行业。

作为我国我国中小型电机“七五科研规划项目”的研究项目之一，我国对开关磁阻电机的研究已经取得了巨大成果。不可否认的是，虽然我国对开关磁阻电机的研究时间很短，但是在国外已经有了深厚的研究基础之上，我国开关磁阻电机的研究起点并不低。国内现在已经有一大批高校、研究所和公司等机构在对开关磁阻电机本体结构和控制系统进行深入的研究。我国对开关磁阻电机的研究主要是从国外的研究成果出发，以较为成熟的三相或四相结构电机为基础研究电机特性和控制。我国目前对开关磁阻电机的研究主要集中电机磁链特性的测量^[9]，开关磁阻电机精确建模等方面^[10]。同时国内已有大量的机构开发出了实用的开关磁阻电机装置，应用领域包含家电、农业、冶金和航空等行业。

总而言之，开关磁阻电机控制系统是一个典型的机电一体化的系统，开关磁阻电机装置具有广泛的应用前景。随着对它研究的深入，开关磁阻电机将会挑战传统电机的统治地位。

1.2.2 控制系统的集成化设计研究现状

开关磁阻电机控制器的集成化是指驱动系统集成了控制功能，集成化设计的目标是，控制器不仅可以驱动电机完成转速转矩调整的基本功能，还可以接收外表也控制信号实现更加高级的电机控制，比如根据运转速度自动调整开通关断角；实时地向主控模块反馈电机控制系统的运行状态，比如相电压、相电流、转矩、转速等信息；具有一定的自我检测和自我保护功能。

电机驱动控制器的发展是紧随当时电子器件发展的，开关磁阻电机的驱动控制系统也是一样。驱动控制器的一体化在历史长河中主要体现驱动部分和控制部分的一体化，简化到器件层面也就是功率电力电子部分和微控制器部分。

功率电力电子从刚刚被发明之时，控制困难与可靠性差，到现在各种 IGBT功率模块的涌现；微控制器从刚被研发之初的 4 位单片机，操作复杂与运算简单，到现在包含 AD、PWM 和浮点运算的高性能微控制器。功率电力电子和微控制器的发展，从诞生之初的分道发展到现在一体化结合发展，是强电和弱电的结合，是社会更高需要的结果，也是电机驱动控制器一体化设计的基础。未来的电机驱动控制器一体化应该是集成控制器、驱动器、传感器、电源、电机等部分，在控制上和结构上的一体化，即处于开发阶段的一体化智能电机。

在控制系统一体化设计的研究方向上，伺服电机走在了前面。国内外多家大公司均推出了控制器与电机本体相结合的一体化电机产品，比如施耐德电气公司推出的 Lexium MDrive 一体化电机，如图 1-1所示，丹麦 JVL 工业电子公司推出的 MAC 系类一体化电机，如图1-2，德国西门子公司推出的 SIMODRIVE POSMO 系列一体化电机等^[11]。这些一体化伺服电机将电机本体与电机控制器结合成为一个整体，第一减小了整体的体积，结构更加紧凑，减少了电 机的安装成本，提高了系统的稳定性，同时也降低了电机的调试难度。一体化伺服电机的技术目前已经逐渐完善，在诸如航空航天、农业、实验设备等领域，一体化伺服电机已经发挥了重要的作用。

图1-1 施耐德Lexium MDrive 图1-2 JVL-MAC

1.3 研究内容与设计目标

本文的研究内容主要是学习开关磁阻电机的工作原理和控制策略，设计可直接安装在电机端盖上的电机控制器。主要研究内容如下：

1. 分析开关磁阻电机的工作原理和控制策略，搭建一个基于微处理器的电机控制系统，对控制系统的功率模块、电源模块和采样模块等进行高集成度设计，计算设计相应的元器件的参数。
2. 根据电路图进行全局的PCB板设计，设计要满足对尺寸限制，不同区域的功能划分，高低压隔离，数模电源地区分，供电能力和信号完整性保障的要求。
3. 测试所设计的控制器，需要达到以下几个指标：驱动模块的驱动功能健全，可以对相绕组灵敏而迅速地励磁和消磁；电源模块的电压输出性能稳定；采样反馈回路反馈和反应速度快，反馈信号完整不失真。

本课题设计目标如下：

1）设计出以STM32F051为核心的开关磁阻电机控制器硬件电路。开关磁阻电机额定电压300V,额定功率100W；控制器由220V交流市电供电。

2）设计高集成度的控制器PCB电路板，高集成度的指标主要是在不影响电路性能的前提下，控制PCB电路板的尺寸，使电路板可以直接安装在电机端盖外侧，和电机一起构成一体化电机控制系统。

1.4 论文组织

本论文围绕三相6/4级结构开关磁阻电机，研究了开关磁阻电机的特性和运行原理，讨论了开关磁阻电机的控制策略，围绕选择的控制策略来设计了一套基于微控制器的开关磁阻电机控制器，并且在原理设计和布局布线阶段对电路对电路进行高集成度的优化。

第一章在明确了选题背景和选题意义的情况下，查阅相关文献资料，了解了国内外相关学者在开关磁阻电机控制器设计以及其高集成度设计上所取得的成果，然后根据调研结果规划了本课题的研究内容和设计目标。

1. 对开关磁阻电机的工作原理做了一定的了解，主要是研究了开关磁阻电机的运行原理和机械特性，总结了开关磁阻电机在不同转速下的控制策略。
2. 对开关磁阻电机控系统的框架进行了设计。，并以开关磁阻电机控制系统的框架为中心，设计了开关磁阻电机控制器的硬件电路。包括选择合适的芯片，设计了处理器模块，功率转换电路、电源模块、采样模块。最后进行PCB电路板的设计并展示实物。

第四章在实验室的测试平台中对所设计的开关磁阻电机控制器进行了测试，并对结果进行了分析。

第五章总结本文研究成果和不足之处，提出了今后的工作重点和研究方向。

1. 开关磁阻电机原理及控制分析

2.1 开关磁阻电机的原理

2.1.1 开关磁阻电机的工作原理

开关磁阻电机采用典型的双凸级结构，定子和转子的凸级都是用普通的硅钢片叠压而制成，和传统电机不同的是，电机定子的凸级缠绕集中绕组，电机转子上没有永磁体也没有绕组。电机的基本结构是相对两个凸级上的绕组串联构成一个两级磁极，这样称之为一相。本章以典型的三相6/4极结构开关磁阻电机为例，介绍开关磁阻电机的原理。开关磁阻电机的结构原理如图2-1所示，图中只给出了A相绕组^[12]。

图2-1 开关磁阻电机结构

开关磁阻电机的运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合^[13]。当转子铁芯凸级与磁场中轴线重合时是其磁阻最小状态。如图 所示，当C相绕组励磁时，根据“磁阻最小原理”，距离C相凸级最近的转子凸级会被牵引向C相定子凸级移动，当定子绕组以一定顺序励磁，就可以牵引转子以一定的方向旋转。例如，从图 所示状态开始励磁，若以C -gt; B -gt;A -gt;C……方式励磁，则定子以顺时针方向旋转；若以A -gt;B -gt;C -gt;A……方式励磁，则定子以逆时针方向旋转。

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