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基于DSP+CPLD的开关磁阻电机的控制器设计

作　者: 王勤昌
导　师: 王兴华
学　校: 山东大学
专　业: 电气工程
关键词: 开关磁阻电机控制器上下限电流斩波软件调角度 DSP数字信号处理器可编程逻辑器件CPLD
分类号: TM352
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

开关磁阻电机调速是继直流调速、交流调速后发展起来的一种新型的调速系统,由开关磁阻电机及控制器两部分组成。电机为定转子双凸极结构,转子上无绕组及永磁体,定子上有集中绕组,电机结构简单可靠。控制器主要由嵌入式微处理器、可编程逻辑器件、外围接口电路、驱动电路及控制软件组成。该调速系统具有高效节能、调速范围宽、起动电流小,起动转矩大、可频繁起停及正反转切换、高转矩／惯量比及可四象限运行等优点,能够为变速驱动提供一个好的解决方案。本文在分析开关磁阻电机工作原理及其控制技术的基础上,设计了一套开关磁阻电机控制器,该控制器能够满足大部分通用调速场合性能的要求,而且成本低,便于推广应用。该控制器的硬件采用DSP+CPLD的设计思路,DSP采用TI公司生产的电机控制专用芯片TMS320LF2407,逻辑电路采用可编程逻辑器件采用ALTERA新一代MAX II CPLD EPM240,设计了斩波电路、位置信号电路、DSP电路、CPLD电路、显示电路、串行通讯电路、模拟量及开关量输入输出电路等硬件电路。控制器的软件设计采用C语言与汇编语言相结合的方法,可满足程序的实时性与可维护性要求。本文给出了总体程序的设计方案,并对转速计算、角度控制、位置信号处理等程序进行了详细的分析与设计。本文针对一些关键的技术问题,提出了自己的设计方案,①双幅电流斩波的软硬件设计,相比单幅定时限斩波控制降低了电机低速运行时IGBT的开关损耗,可以根据控制策略的需要,灵活的设置上下限幅值的电流回差,可以提高电流平滑度,减小转矩脉动；②角度控制的软件实现、可以实现角度和电流的同时调节,相比电流达到最大值后再逐步调角度的方法,前者的同时调节提高了电机的动态响应；③位置信号的软件抗干扰设计、有效解决了干扰脉冲对控制造成的影响；④如何根据位置脉冲实时准确的计算转速以提高动态响应性能等。本文根据设计方案,进行了电路图及电路板的设计,并编写了相应的控制软件。配以相应的外围器件,包括电流传感器、硅桥、电容、IGBT及驱动电路等,制作出了开关磁阻电机控制器样机,经过调试改进后,在空气压缩机上投入使用,运行效果良好,验证了开关磁阻电机所具有的优点。

全文目录

摘要  9-10
Abstract  10-12
符号说明  12-13
第一章引言  13-20
  1.1 开关磁阻电机调速的技术背景  13
  1.2 开关磁阻电机技术的发展历程  13-14
  1.3 开关磁阻电机控制技术的发展  14-15
  1.4 开关磁阻电机调速技术的国内外研究现状  15-16
  1.5 开关磁阻电机调速系统的特性  16-19
  1.6 本文的主要工作、目的和意义  19-20
第二章开关磁阻电机的工作原理与控制技术分析  20-36
  2.1 开关磁阻电机工作原理  20-32
    2.1.1 SR电机的基本原理  20-24
    2.1.2 SR电机的数学模型  24-25
    2.1.3 SR电机转矩的线性模型  25-28
    2.1.4 SR电机转矩的非线性模型  28-32
  2.2 开关磁阻电机的控制技术分析  32-36
    2.2.1 基本控制原理  32-33
    2.2.2 电流斩波控制  33-34
    2.2.3 角度控制  34
    2.2.4 电压斩波控制  34-36
第三章开关磁阻电机控制器的总体设计方案  36-44
  3.1 开关磁阻电机调速系统的组成  36
  3.2 控制器的功能与性能指标  36-41
    3.2.1 控制器的基本功能  36-38
    3.2.2 控制器保护功能  38-39
    3.2.3 主要性能指标  39
    3.2.4 控制器的电磁兼容(EMC)设计  39-41
  3.3 硬件总体设计方案  41-43
  3.4 软件总体设计方案  43-44
第四章硬件设计与实现  44-65
  4.1 电流采样电路  44-45
  4.2 上下限电流斩波电路  45-48
  4.3 驱动输出电路  48-49
  4.4 转子位置采集电路  49-51
  4.5 DSP电路设计  51-55
    4.5.1 DSP电路实现的功能  51-52
    4.5.2 数字信号处理器DSP  52-54
    4.5.3 EEPROM和看门狗功能  54-55
    4.5.4 电压基准  55
  4.6 CPLD电路设计  55-59
  4.7 输入输出接口设计  59-62
    4.7.1 开关量输入输出电路  59-60
    4.7.2 开关量输出电路  60
    4.7.3 模拟量输入  60-61
    4.7.4 模拟量输出  61-62
  4.8 键盘显示电路设计  62-64
  4.9 串行通讯电路设计  64-65
第五章软件设计与实现  65-74
  5.1 C编程语言及开发工具  65-66
  5.2 DSP的存贮器组织  66-67
  5.3 主程序设计  67
  5.4 子程序设计  67-72
    5.4.1 程序初始化模块  67
    5.4.2 键盘处理模块  67-68
    5.4.3 显示模块  68-69
    5.4.4 转速计算模块  69-70
    5.4.5 角度调制算法  70
    5.4.6 电流调节和角度调节的统一  70-71
    5.4.7 位置脉冲出错处理  71
    5.4.8 闭环控制模块  71
    5.4.9 制动控制模块  71
    5.4.10 PWM驱动模块  71
    5.4.11 简易PLC控制模块  71-72
    5.4.12 通讯模块  72
    5.4.13 故障检测模块  72
  5.5 系统调试  72-74
第六章试验数据及应用效果  74-79
  6.1 性能测试数据  74-79
附录  79-92
第七章全文总结  92-93
参考文献  93-96
致谢  96-97
学位论文评阅及答辩情况表  97

基于DSP+CPLD的开关磁阻电机的控制器设计

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