论文总字数：27120字

摘 要

开关磁阻电机调速系统是一种结构简单、成本相对较低、过载能力优秀、调速范围宽、运行可靠的新型电机调速系统，在运用于特定的行业如航空航天自动化、电动汽车、工业自动化领域时，具有很强的竞争力。但是，由于开关磁阻电机自身的双凸极结构和开关式电源的原因，开关磁阻电机在正常运行下会产生较大的转矩脉动。而且由此导致的开关磁阻电机非线性的特性，对开关磁阻电机调速系统采用的控制策略要求较高。本文对开关磁阻电机调速系统的控制策略展开研究，以输出转矩为主要控制对象，对实际系统建模仿真得出仿真结论，设计了一套可行的开关磁阻电机调速系统并给出原理图，最后在实验室样机上进行实验验证控制策略的可行性。

本文对于三相12/8极开关磁阻电机分析了其工作原理并完成了数学建模，在此基础上运用Simulink对不同控制策略进行仿真，并比较它们的调速性能。第四章给出一种合理的SRD调速系统的设计原理图，包括控制器最小系统、供电电源、驱动电路、电压电流检测、位置检测等硬件电路以及软件框图、故障检测处理方法。最后在现有的实验平台上进行实验验证，模糊控制算法的控制效果得到检验，模糊控制的效果在实际电机运行中可以起到很好的效果。

关键词：开关磁阻电机建模，SIMULINK，模糊控制，SRD设计验证

Abstract

Switched reluctance motor speed control system is a new type of motor speed control system with simple structure, relatively low cost, excellent overload capacity, wide speed range, and reliable operation. It is used in specific industries and is highly competitive, such as aerospace automation, electric vehicles, the field of industrial automation. However, due to the double salient pole structure of the switched reluctance motor and the switching power supply, the switched reluctance motor will generate a large torque ripple under normal operation. Moreover, the resulting nonlinear characteristics of the switched reluctance motor require a relatively high control strategy for the switched reluctance motor speed control system. In this paper, the control strategy of the switched reluctance motor speed control system is studied. The output torque is the main control object. Simulation results are obtained by modeling and simulating the actual system, and a set of feasible schematic diagram of switched reluctance motor speed control system is designed and given. The final experiment in the laboratory prototype to verify the feasibility of the control strategy.

This paper analyzes the working principle of the three-phase 12/8-pole switched reluctance motor and completes the mathematical modeling. Based on this, it uses Simulink to simulate the control effects of different control strategies and compares the speed control performance of the motor. The fourth chapter gives a reasonable SRD speed control system design diagram, including the controller minimum system, power supply, drive circuit, voltage and current detection, position detection and other hardware circuits as well as software block diagram, fault detection and processing methods. Finally, experimental verification is performed on the existing experimental platform, and the control effect of the algorithm is verified. The effect of the fuzzy control can play a good effect in the actual motor operation.

KEY WORDS: Switch reluctance motor, Simulink, fuzzy control, hardware and software design

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 发展历史及意义 1

1.2 SRM调速系统的特性 1

1.3 开关磁阻电机的应用缺陷 2

1.4 本文研究内容 2

1.5 本文组织结构 3

第二章 开关磁阻电机的数学原理和物理模型建立 4

2.1 开关磁阻电机的结构和原理 4

2.1.1 开关磁阻电机的组成结构 4

2.1.2 开关磁阻电机的工作原理 4

2.2 开关磁阻电机的数学模型 5

2.2.1 机械方程 5

2.2.2 电磁方程 6

2.2.3 机电联立方程 6

2.2.4 准线性模型 7

2.3 开关磁阻电机调速系统组成 7

2.4 开关磁阻电机基本控制策略介绍 8

2.5 本章小结 11

第三章 直接转矩控制 12

3.1 交流电动机直接转矩控制原理 12

3.1.1 交流电机DTC的基本知识 12

3.1.2 DTC的特点 13

3.2 SRM的DTC原理和结构图 13

3.2.1 开关磁阻电机直接转矩控制原理 13

3.2.2 DTC结构图 14

3.3 SRM直接转矩模型的建立 15

3.3.1 磁链模型的建立 15

3.3.2 转矩模型的建立 15

3.3.3 空间电压矢量产生 16

3.3.4 电压矢量表的选择 17

3.4 基于SIMULINK的SR开关磁阻电机直接转矩控制模型的搭建 18

3.4.1 开关磁阻电机及功率变换器模块 19

3.4.2 电流斩波起动模块 21

3.4.3 位置计算和扇区判断模块 22

3.4.4 直接转矩控制模块 23

3.4.5 PI控制模块 23

3.4.6 传统PI控制仿真结果 24

3.5 基于复合模糊控制的直接转矩控制仿真 25

3.5.1 复合模糊控制器的组成 25

3.5.2 被控量论域 26

3.5.3 模糊语言变量与隶属函数 26

3.5.4 模糊控制规则 27

3.5.5 复合模糊控制仿真结果 28

3.6 本章小结 30

第四章 SRD平台设计与验证 31

4.1 SRD平台设计 31

4.1.1 STM32最小系统设计 31

4.1.2 电源变换电路 32

4.1.3 驱动电路 33

4.1.4 主桥功率变换电路 33

4.1.5 位置反馈电路 34

4.1.6 电流检测与过流比较 34

4.1.7 母线电压检测 35

4.1.8 转速给定电路 36

4.2 软件流程图设计 37

4.3 故障检测与电路保护 40

4.4 上机验证 40

4.4.1 实验平台 40

4.4.2 实验结果 40

4.5 本章小结 41

第五章 总结与展望 42

5.1 总结 42

5.2 研究展望 42

致 谢 43

参考文献 44

绪论

发展历史及意义

开关磁阻电机是利用磁阻可变设计出的一种新型电机，具有其他种类电机不具有的一些优点。开关磁阻电机的定子和转子设计为双凸极结构，定子凸极上存在线圈绕组，转子仅为导磁金属。这种设计使得开关磁阻电机在一些像高转速、强振动、高温等极端环境下正常工作。与传统的直流电机调速系统、异步电动机变频调速系统相比，SRD兼具了两者的优点，既有异步电机变频调速系统的结构简单、牢固可靠的优点，也有直流电机调速系统的高可控性的优点。除此之外还具有两者都不具有的经济耗费低、效率高、适应性强的优点。SRD调速系统是应用于现代电机系统的强有力的竞争者。

然而由于开关磁阻电机的定转子双凸极结构特点和开关电源供电通断变换的特点，其具有很强的非线性和强耦合性。输出转矩是关于定子绕组电流和转子所处位置的非线性函数，在正常运行工作中，开关磁阻电机会存在较强的转矩脉动现象，进而产生严重的电机震颤和运行噪声，这大大限制了SRD调速系统在伺服化、低噪声化方向的应用。这些特性对于控制策略的选择提出了更高的要求和更精细化的需求。

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