毕业设计（论文）-开关磁阻电机转矩脉动抑制技术的研究.doc

开关磁阻电机转矩脉动抑制技术的研究 Research on control technique of switch reluctance motor torque ripple学院名称：江苏大学电气信息工程学院 专业班级：电子信息科学与技术0902 学生姓名： 袁九发 指导教师姓名： 秦云 指导教师职称： 副教授 2013年6月开关磁阻电机转矩脉动抑制技术的研究开关磁阻电机转矩脉动抑制技术的研究专业班级：电子信息科学与技术0902 学生姓名：袁九发指导教师：秦云 职称：副教授摘 要 开关磁阻电机以其结构简单、坚固、性能可靠、效率高和成本低等优点，近年来受到广泛关注。但是其自身的结构，同时也由于它的非线性，造成了开关磁阻电机控制的复杂性，制约了其在一定领域中的应用。本文旨在抑制开关磁阻电机转矩脉动，针对这一问题，提出了不同的控制方法抑制它并做了比较。 首先分析了开关磁阻电机的工作原理，并介绍了电流斩波控制、角度位置控制、电压控制三种常见的控制方法优缺点。然后介绍了目前国内外抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，结合本文，重点介绍了转矩分配函数控制策略及直接转矩控制策略。 针对三相开关磁阻电机，本文对转矩分配函数的设计进行了研究。在 Matlab仿真平台下，对基于转矩分配函数法的开关磁阻调速电机驱动系统进行了仿真。直接转矩控制的难点是如何选取三相开关磁阻电机的6个有效电压矢量。Matlab环境中，搭建了开关磁阻电机直接转矩控制的仿真模型，仿真结果显示定子磁链轨迹为圆形，电机转矩脉动比常规控制方法小。最后，本文总结了一下文章的主要研究成果，并且对课题进行了展望，为后面的研究做了铺垫。关键词 开关磁阻电机 直接转矩控制 转矩分配函数 Matlab Research on control technique of switch reluctance motor torque rippleAbstract With lots of virtues:solid structure,high reliability and efficiency,low cost etc,Switched Reluctance Motor(SRM)has been receive a wide publicity, but every coin has two sides. Its control scheme is very complex because of the highly nonlinear characteristic and unique structure.Therefore its application is restricted in some field. Aimed to reduce torque ripple for SRM ,this thesis presents different control strategies. First,the characteristic and operation principle of switched reluctance motor are analyzed in detail .And the advantages and disadvantages of traditional control methods,such as current chopping control,angle position control and voltage PWM control are introducted. Then,the current domestic and international methods of reducing the torque ripple are introduced. Connection with this paper, focuses on the analysis of torque share method and the Direct Torque Control. For three-phase switched reluctance motor, the design of the torque distribution function is studied. Under the Matlab simulation platform, the drive system of Switched Reluctance Motor Based on torque share function simulation is carried out. The difficulty of direct torque control are 6 effective voltage vector selection of three-phase switched reluctance motor. In the Matlab environment, the simulation model of direct torque control of switched reluctance motor is built, simulation results show that the stator flux trajectory is a circular, the torque ripple is smaller than traditional control methods. Finally, this paper summarizes the main research results about the topic, and the topic is reviewed, and pave the way for the following research.Keywords Switched Reluctance Motor the Direct Torque Control torque sharing function MatlabI目 录引言1第一章 绪论21.1 开关磁阻电机控制系统的研究概况21.1.1 开关磁阻电机控制系统的组成21.1.2 开关磁阻电机控制系统的主要发展方向21.2 开关磁阻电机的相关应用51.2.1 开关磁阻电机的主要优点51.2.2 开关磁阻电机的应用61.3 课题研究的内容及意义7第二章 开关磁阻电机的工作原理92.1 开关磁阻电机的基本控制策略92.1.1 开关磁阻电机的工作原理92.1.2 开关磁阻电机的基本控制策略132.2 基于MATLAB的开关磁阻电机CCC控制系统的仿真152.2.1 仿真模型的搭建152.2.2 仿真结果分析18第三章 开关磁阻电机转矩脉动抑制技术203.1 开关磁阻电机转矩203.1.1 电机转矩203.1.2 开关磁阻电机转矩203.2 开关磁阻电机转矩脉动223.2.1 开关磁阻电机转矩脉动概论223.2.2 开关磁阻电机转矩脉动的相关因素223.3 开关磁阻电机转矩脉动的抑制233.3.1 传统控制策略及其脉动情况243.3.2 新型控制策略介绍27第四章 几种控制方式的仿真分析314.1 仿真模型搭建314.2 仿真结果分析32第五章 结论365.1 本文主要研究成果365.2 课题展望36参考文献38致谢41II引言 “开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）”源于1969年美国学者S.A.Nasar所撰写的论文，他描述了这种电机的两个基本特征1：开关性：电机必须工作在一种连续的开关模式；磁阻性：它是真正的磁阻电机，定、转子具有可变磁阻回路，更确切地说，是一种双凸极电机。由于SRM结构简单，国外很多学者高度关注其发展和应用。但是由于当时科技条件的限制，SRM的运行特性很差。20世纪中末叶，电力电子技术和微机技术迅速发展，为SRM系统（Switched Reluctance Motor Drive，SRD）的发展研究奠定了基础。1967年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个SRM雏形。1980年，英国学者Lawrenson及其同事在ICEM会议上系统地介绍了通过晶闸管实现可变速驱动系统，阐述了SRM的原理及其设计特点，在国际上奠定了现代SRM的地位。同年，英国成立了SRM驱动装置有限公司（Switched Reluctance Motor Drive Ltd SRD Ltd.），专门进行SRD的研究、开发和设计。1983年，SRD Ltd.首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON（7.5kw，1500/min）。原联邦德国在1984年至1986年期间也先后完成了1kW、1.2kW、5kW 样机的试制2。国外其他国家，例如美国、埃及、加拿大等，也都已开展SRD的研制工作。美国空军和GE公司联合开发了航空发动机用 SRD启动/发电机系统，有30kW、250kW 两种规格。加拿大、前南斯拉夫从SRM的运行理论、电磁场分析等方面着手，取得了不错的成绩。埃及则对小功率的开关磁阻电机的结构、启动性能等方面进行了研究3。我国在1984年左右开始SRM的研究和开发工作。80年代，SRM为热门的调速电动机；90年代，国内形成了理论研究与实际应用并重的发展态势。几十年来，我国SRM的研究进展很快。1988年11月，首届SRD研讨会在南京航空航天大学召开；1993年12月，在中国电工技术学会中中小型电机专业委员会领导下，成立了开关磁阻电机学组。华中科大开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。第一章 绪论1.1 开关磁阻电机控制系统的研究概况 SRD作为80年代中期发展的一种调速控制系统，兼有直流调速和交流调速的优点，它将SRM与现代电力电子技术、控制技术结合起来，作为交流调速系统的后起之秀，正逐渐成为当代电气传动领域和国际电工界的热门课题之一。1.1.1 开关磁阻电机控制系统的组成SRD系统主要由四部分组成：SRM本体、功率变换器、控制器及位置检测器和电流检测器，如图1-1所示。图1-1 开关磁阻电机控制系统框图 功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的功率开关部件。检测单元由位置检测和电流检测环节组成，位置检测提供转子的位置信息来确定各相绕组的开通与关断以及计算电机的转速，电流检测提供电流信息来实现各种控制策略，例如电流斩波控制。1.1.2 开关磁阻电机控制系统的主要发展方向 作为一种新型调速驱动系统4，开关磁阻电机研究的历史还较短，其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多学科领域，加之其复杂的非线性特性，导致研究的困难性。从目前的发展水平来看，无论在理论上还是在应用上都存在不少问题，有待进一步的研究与完善5。（1）设计理论的优化SRM的非线性使其性能的精确分析和计算较为困难，目前普遍采用二维非线性有限元法分析SRM内部的饱和磁场，这在电机性能分析上研究不够，因此对开展SRM电机磁场的三维有限元分析有待提高。同时，由于开关电路供电的非线性，电流波形特殊，只有将电机、功率变换器及控制模式一体化设计，协调优化电机、电机结构及控制参数才能获得较为满意的设计结果6。（2）功率变换器研究 在开关磁阻电机的整个系统中，功率变换器的设计成本比较大，且SRM的电流波形受很多因素的影响，例如系统的运行环境，电机设计参数等，这些很难准确预料的条件使得功率变换器的设计、功率器件的选择以及电流定额的估算成为功率变换器设计的主要问题。目前，研究方向主要集中在功率变换器拓扑结构的设计、主开关器的选择和使用等方面。 现有文献的开关磁阻电机功率变换器主电路拓扑结构有很多种，这些结构的区别在于去磁方式（即每个导通区间储存在每相绕组的能量是如何恢复的）的差异。据此，现有的功率变换器拓扑结构可以分成以下三类：半桥型、额外换相电路型和自换相电路型。后两种方法在减少功率器件数目的同时，又引进了其他无源储能元件以及辅助开关器件，如电容、电感等，这样使得系统的体积与成本并未显著降低，其实质只是通过增加单个主开关器件的容量来减少主开关器件的数目，因此功率器件的拓扑结构的研究还有很大的提高空间。（3）控制器控制策略研究7 开关磁阻电机调速控制参数多，决定了它有灵活多样的控制方法。根据改变控制参数的不同方式，SRM有三种控制模式，即角度位置控制(Angular Position Control，简称APC)、电流斩波控制(Current Chopping Control，简称CCC)与电压控制(Voltage Control，简称VC)。早期的控制策略主要以线性模型为基础，结合传统PI或PID控制器，简单地运用上述三种控制模式，采用前馈转矩（或电流）控制、反馈转速控制。 现在控制策略的研究方向是多目标优化控制。在控制参数的优化方面，根据不同的系统要求，可选取不同的目标函数，如系统的效率最高、平均转矩最大、转矩脉动系数最小等。目前，随着各种控制理论在传统电机调速系统中应用的研究日益成熟，很多学者开始把一些先进的控制方法应用在SRD系统中，如可部分解决开关磁阻电机调速系统的非线性、多变量、强耦合等问题，但距实际的应用还有一定的距离。 展望今后关于SRD的控制策略的发展方向，应以以下几点为研究重点：从控制的角度，加强减小转矩脉动、降低噪声的研究；研究具有较高动态性能，且控制算法简单的SRD新型控制策略；研究具有较强的鲁棒性、自适应性和自学习能力的SRD智能控制算法。（4）微处理器和数字控制技术 开关磁阻电机控制系统的关键是能实时地开通、关断开关器件，同时对起动、运行、故障保护等的实时控制。目前，各类电气传动装置的控制器己由模拟控制转向数字控制。数字化控制的实现使得调速系统的动静态性能更加趋于完善，系统的可靠性、可操作性、可维护性得以大幅度提高。目前在高性能的调速装备上，控制芯片己由最初的8位、16位单片机发展到了16位、32位的数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)。 DSP是一种高速的微处理器，目前已形成以TI公司的TMS320F281系列、MOTOROLA公司的DSPS6000系列和Analog Devices公司的ADSP2100系列为代表的电机运动控制芯片。目前，市场占有量最大的DSP厂家仍属TI公司，从1982年推出的第一个TMS320系列产品TMS32010到现在己发展到拥有定点、浮点及多处理器等各种型号的系列产品。（5）无位置传感器方案研究位置闭环控制是开关磁阻电机的基本特征之一8，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。目前普遍采用的轴位置传感器或者其他类型的探测式位置检测器的安装不但会增加系统的复杂性，更重要的是会降低整个驱动系统结构的坚固性，会影响到电机的可靠运行，尤其是在某些应用环境比较恶劣的场合。因此，新型的位置检测技术成为开关磁阻电机研究的一大热点，目前用的比较广泛普遍的有两种方法：一种方法就是在电机内部添加附加的硬件，比如内置探测绕组或探测极板来检测转子的位置，这种方法原理简单，但是需要复杂的检测电路；还有一种方法就是直接根据电机的电压和电流信息确定转子位置，这种方法成本低廉，使系统结构更加坚固，运行可靠、高效，是一个很有潜力的研究方向。1.2 开关磁阻电机的相关应用 近年来，SRM的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100000r/min。1.2.1 开关磁阻电机的主要优点开关磁阻电动机驱动系统（SRD）是较为复杂的机电一体化装置，SRD的运行需要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。 开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高。对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有许多显著的优点： （1） 电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。 （2） 损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。 （3） 转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。 （4） 功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。 （5） 起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。（6） 调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩速度特性。 （7）在宽广的转速和功率范围内都具有高效率 （8）能四象限运行，具有较强的再生制动能力。 （9）容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏，电机照样可以运行。与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。 如果说第一代开关磁阻电机（1983年研制）在小功率范围的效率比高效变频调速感应电动机低，第二代开关磁阻电机（1988年研制）的效率已全面超过了高效变频调速感应电动机。更难得的是，开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率，这是变频调速感应电动机难以比拟的。感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开关磁阻电机通过调整开通角、关断角、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性，控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运行，而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，通过修改软件调整电机工作特性满足不同应用要求。1.2.2 开关磁阻电机的应用 开关磁阻电机在很多领域都有相当广泛的应用前景，如电机学、纺织也、冶金等等。下面就主要介绍下其在电动车、纺织工业、焦炭工业方面的应用。开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。 SRD开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。其优点主要表现在以下几个方面：（1） 开关磁阻电机不仅效率高，而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率，这是其它类型驱动系统难以达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合，有利于提高电动车的续驶里程。 （2） 开关磁阻电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。 （3） 开关磁阻电机有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率，减小电机体积和重量。 （4）通过调整开通角和关断角，开关磁阻电机完全可以达到它激直流电机驱动系统良好的控制特性，而且这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，从而能通过重新编程或替换电路元件，方便地满足不同运行特性的要求。（5）开关磁阻电机无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，无需或很少需要维护，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。 近十多年来，我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。其中，无梭织机的主传动技术也有了新的突破：采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动带来许多好处，减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘，不用电磁离合器和刹车盘，不用寻纬电机，节能10%等优点，国内已有开关磁阻电机和驱动器的产品（北京中纺机电研究所），目前还在与无梭织机主机厂合作，共同开发应用技术，希望能尽快取得成功，填补国内空白。 在焦炭工业应用上，开关磁阻电机（SRD）因其起动力矩大、起动电流小、可以频繁重载起动、无需其它的电源变压器、节能、维护简单等优点，而特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等焦炭工业操作中。1.3 课题研究的内容及意义（1）课题研究内容本课题在学习了解开关磁阻电机基本特性的基础上，分析了开关磁阻电机几种基本控制策略。针对SRM转矩脉动的特点，详细介绍了几种简单直接的抑制策略转矩分配函数控制、智能控制等。在前者的基础上，利用Matlab和Simulink平台进行了仿真，得到了正确的结果。（2）课题研究意义 环境保护是全世界的根本要求，新型高效率、零排放的电动汽车既可改善人类的生存环境，又可促进资源合理利用，是人类21世纪重要的绿色交通工具。汽车动力电气化已成为汽车技术发展的趋势，开发电动汽车是世界汽车工业的新动向，我国政府也极其重视电动汽车的研制和开发，并提出了“节能减排”的国策，把电动汽车列为重大专项。 电动汽车技术仍有待于完善，尤其是关键零部件，如电池和电机制约了电动汽车的发展进程。开发高性能电机已成为研发的重点，目前，从各种资料来看，主要有交流感应电动机、无刷直流电机以及开关磁阻电机（SRM）。与其他电机不同，SRM的定、转子采用双凸极结构，由硅钢片叠压而成，定子上只有简单的集中绕组，转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，因此SRM结构简单、坚固。另外，开关磁阻电机可四象限运行、能在较宽的速度和转矩范围内高效运行等一系列优点，己受到研究人员的青睐，SRM也必将成为电动车辆选用的驱动系统之一。然而由于开关磁阻电机的双凸极结构和开关形式的供电电源，导致了其不可避免的转矩脉动，转矩脉动对电动机运行过程中的振动和噪声都有着很大的影响。因此，如何减少开关磁阻电机的转矩脉动及噪声，研究新的控制策略便成了开关磁阻电机市场开拓的重要关键。所以，研究如何抑制开关磁阻电机转矩脉动具有相当重大的意义，这不仅仅可以完善现有科学理论，更能够将理论应用到实践，解决现有技术应用难题，为社会科学技术的进步将做出巨大贡献。40第二章 开关磁阻电机的工作原理 开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive System, SRD)具有一些很有特色的优点：电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小；高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SRD系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。因此，了解SRD核心部件开关磁阻电机的工作原理十分有必要。2.1 开关磁阻电机的基本控制策略2.1.1 开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电动机传动系统(简称SRD系统)9是最近20年来开发成功的一种新型电气传动系统，它由开关磁阻电动机(简称SR电机或SRM)、功率变换器、转子位置检测器和控制器所组成，如图1-1所示。（1）基本部件1、定子和转子均为凸极结构2、定子和转子的齿数不等，转子齿数一般比定子少两个3、定子齿上套有集中线圈，两个空间位置相对的定子齿线圈相串联，形成一相绕组4、转子由铁心叠片而成，其上无绕组如图2-1图2-1 开关磁阻电机结构图（2）开关磁阻电机工作原理描述 开关磁阻电机的工作机理与磁阻(反应)式步进电动机一样，基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。（3）转速的计算设定子绕组为m相，定子齿数Ns=2m，转子齿数为Nr。当定子绕组换流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这样定子需切换通电Nr次转子才转过一周，故电机转速 n(r/min)与相绕组电压的开关频率f之间的关系为： 2-1 2-2 给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率，则为 2-3磁阻电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制后叠成；磁阻电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制后叠成与普通电机一样；转子与定子直接有很小缝隙，转子可在定子内自由转动；由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），是向电机提供工作磁场的励磁绕组。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中受力来解释电动机旋转的道理，但磁阻电机转子上没有线圈，也无“鼠笼”。磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用齿极间的吸引力拉动转子旋转。 下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈连接在一起（标有紫色圆点的线端连接在一起），组成一相，该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6/4结构。在下图2-2标注的A相、B相、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接普通的三相交流电。 图2-2 开关磁阻电机线圈图在图2-3至图2-5是磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转动起来的。A相、B相、C相线圈由开关控制电流通断，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子的深蓝色线是磁力线；约定转子启动前的转角为0度。 从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始异时针转动；中间图是转子转了10度的图，右面图是转到20度的图，磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转子不再转动，此时磁路最短。 图2-3 磁阻电动机运转原理1为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度时接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间图是转子转到40度的图，右面图是转到50度的图，磁力一直牵引转子转到60度为止。 图2-4 磁阻电动机运转原理2在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子转到70度的图右面图2-5是转到80度的图，磁力一直牵引转子转到90度为止。图2-5 磁阻电动机运转原理3当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。由于是运用了利用磁阻最小原理，故称为磁阻电动机；又由于电机磁场并非由正弦波交流电产生，其线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。（4）功率变换器功率变换器是开关磁阻电动机的电源接口，通过开关晶体管向线圈供电，图2-6就是三相线圈与开关晶体管的连接示意图，Q1、Q2、Q3是三个开关晶体管，分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。 图2-6 三相线圈与开关晶体管的连接示意图由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没有标明磁力线的方向。 A、B、C各相线圈轮流通电视乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断时间与转子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定，这些都需要控制器对功率变换器进行控制，控制器由微处理器（单片机）与接口电路组成。2.1.2 开关磁阻电机的基本控制策略开关磁阻电机在运行的过程中，随着转子角速度的增大，转矩会有不同的特性，电机的运行状态也会有所不同。SRM运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特性区（串励特性区），如图2-7所示：一般定义在最高外施电压和允许的最大磁链（电流）条件下，电机能够获得最大转矩的最高速度为“基速”1，有文献定义为“第一临界转速”。在基速以下，由于最大磁链随转速减小而增大，因此必须对部分或全部控制参数进行调节。为了在基速以下获得恒转矩特性，则可以固定开通角on和关断角off，通过斩波控制外施加电压，这种方式叫电流斩波控制（Chopped Current Control， CCC）。在基速以上，由于电压不能再增加，而开关角调节受相周期限制，因此存在获得最大功率的最高转速，有的文献定义其为“第二临界转速”2，转速的调节可通过改变开通角和关断角实现，这种控制方式叫做角度位置控制（Angular Position Control，APC）。在2以上，由于电压和开关角均已达到限值，电机将输出其自然特性。图2-7 电机的运行特性下面详细介绍基本控制方法10： （1）电流斩波控制开关磁阻电机低速运行时，反电势较小，电流变化率大，为了避免电流上升过快，超过功率开关元件和电机允许的最大电流，可以采用斩波方式限制电流。电流斩波控制的一般方法是保持on、off不变11，通过主开关器件的多次导通和关断，进而将电流限制在某一值附近，从而获得较高的启动转矩。电流斩波控制的优点在于：它适用于电机的低速调速系统，起到良好有效的保护和调节效果；因每相电流波形会呈现出较宽的平顶状方波，使得产生的转矩比较平稳，合成转矩脉动明显比其它控制方式小。然而，由于电流的峰值受到了限制，当电机转速在负载的扰动作用下发生变化时，电流的峰值无法做出相应的改变，使得系统的特性比较软，因此系统在负载扰动下的动态响应很缓慢。而且在这种控制方式下，电流的斩波12频率不固定，不利于电磁噪声的消除。（2）角度控制电机高速运行时，定子绕组反电势足以限制电流，这时通过改变电机绕组电流触发角与关断角的方法来控制电流与转矩，由转矩给定的增减决定开通角和关断角的大小。角度位置控制的优点在于：转矩调节的范围宽，可同时多相通电，以增加电机的输出转矩，同时减小了转矩波动；通过角度优化，能实现效率最优控制或转矩最优控制13。但是，此法不适于低速场合。因为在低速时，旋转电动势减小，可使电流峰值超过允许值必须采取相应措施进行限流，故此法一般用于转速较高的场合。2.2 基于MATLAB的开关磁阻电机CCC控制系统的仿真仿真软件的发展使得各个学科的研究工作者从大量、繁琐的数学计算中解脱出来，减轻了计算的工作量。而Matlab凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱，已成为国际控制界最为流行的计算机辅助设计及教学工具软件14。而且，随着Matlab版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来越广泛。Simulink是 Matlab程序的扩展，它是基于Windows环境下的图形程序，它提供了良好的图形用户界面15。它内部有许多不同类型的子模块库，模块库内包含着丰富的功能模块，使用户可以根据需要混合使用其中各库中的模块，也可以创建、封装自定义的模块库，从而实现全图形化的仿真，因而被广泛地应用于动态系统的建模。Simulink中的SimPowerSystems工具箱，为电力电子、电力系统及电力拖动等领域提供了大量的仿真模块16，是电气技术及自动控制领域工程技术人员常用的仿真工具。最新版本的Matlab仿真软件（MatlabR2008a），在SimPowerSystems模块中提供了开关磁阻电机的模型，无需为SRM建模，为系统的仿真带来了方便，使系统仿真具有更高的精度。2.2.1 仿真模型的搭建根据模块化建模的思想，将控制系统分割为各个功能独立的子模块，主要包括：SRM本体模块、电流控制模块等，通过这些功能模块的有机整合，就可在Matlab/Simulink下建出SRM控制系统的仿真模型，如图 2-8 所示。图2-8 SRM控制系统仿真模型（1）功率变换器图2-9 不对称半桥电路 本文采用的是SRM最基本的功率变换器结构即不对称半桥型功率变换器，以 A相为例，如图2-9所示，每相有两个主开关管Q1、Q2及续流二极管Dl、D2。其中，上、下两只主开关管可同时导通和关断也可以一个导通一个关断。 这种变换器每相绕组都接至各自的桥臂上，相与相之间是完全独立的，故这种结构对绕组相数没有任何限制。虽然与三相异步电动机PWM逆变器电路类似，但却不存在PWM 逆变桥上、下桥臂直通的故障隐患，主要应用在高电压大功率而且相数较少的场合。 根据不对称半桥型功率变换器的结构图就可以在Simulink中搭建出功率变换器的仿真模块（图2-10中的Converter子模块）。在图2-6中，输入信号是各管触发信号和电源输入，输出信号接电机各相绕组两端。即各个输入g信号接其对应的开关管触发导通信号；1、2 引脚是220V电源引脚，输出引脚 a1、a2分别接开关磁阻电机A相绕组的两端，b1、b2 分别接B相两端，c1、c2分别接C相两端。 本系统采用斩双管控制方式，所谓斩双管是指同时对每相的上下开关管加 PWM调制信号，以实现对电路导通与关断的控制。忽略开关管和二极管压降，A相开关管脉冲信号pulse为高电平，主开关V1和V2同时导通；开关管脉冲信号 pulse为低电平，T1、T2关断，电流经续流二极管D1和D2续流，将电机的磁场储能以电能的形式回馈给电源，以此来实现强迫换相。所以g_a1与g_a2公用一个控制信号，g_b1与g_b2公用一个控制信号，g_c1与g_c2公用一个控制信号。图2-10 Converter子模块（2）位置角度检测模块 控制系统中需要知道转子的位置角度信息，所以需要将速度转化为角度，得到各相的转子当前位置。以6/4结构样机为例，反馈的转速首先进行比例变换，由弧度单位转换为角度单位，再经过离散积分器进行积分得到角度。由于电机模型中假定正方向转动时的触发顺序是A-B-C-A，三相相对于对齐位置互差30，因此A相离散积分器从0开始积分，B相离散积分器从-30开始积分，C相离散积分器从-60开始积分。积分完成后，由于6/4结构电机相电感周期为90，三相相对角度再对90求余，即图2-11中mod模块，得到0-90范围内的角度值，这样计算得到每相绕组磁链值所需要的角度值。该角度值经过两个比较器与开通角alfa和关断角beta 比较，当大于等于alfa或小于等于beta时输出 1，否则为0，两路比较输出经过与操作，得到三相触发信号sig。图2-11 位置传感器模型（3）电流斩波模型 在该模型中采用滞环的电流斩波方式，即保持开关的开通on、关断角度off不变，通过主开关器件的多次导通和关断将电流限制在给定的上、下限之间，本文给定的是200A。在Simulink模型中，通过滞环比较器来设定滞环宽度参数，如图2-8中relay模块所示。本系统上下限设置为+10、-10。2.2.2 仿真结果分析开通角on=0，关断角off=18，负载TL=0 Nm，其磁链、绕阻电流波形、合成转矩波形如图2-12 所示。 磁链波形图（1-A，2-B，3-C）电流波形图（1-A，2-B，3-C）电磁转矩波形图（以C相为例）图2-12 ccc仿真波形图从图中可以看到12，电流波形很好的控制在一定的范围之内，但是转矩脉动特别大，在实际的应用中必须采用一定的方法加以控制。主要原因是SRM在运行过程中，电感上升开始区和上升结束区电感变化率较小，而恰是在这两个区间，电流是上升和下降的过程，故电流值也偏小，而造成一相绕组在开始导通和续流期间输出瞬时转矩值小，进而引起转矩脉动17(曲线3为了区别于曲线1和2而瞄了下边）。第三章 开关磁阻电机转矩脉动抑制技术本章主要讨论开关磁阻电机转矩及其脉动相关知识，包括转矩计算、转矩脉动的相关因素及其抑制技术的简要分析。通过本章的讨论，我们将对开关磁阻电机有更进一步的了解。3.1 开关磁阻电机转矩 开关磁阻电动机(以下简称SRM)因具有结构简单、成本较低、工作可靠、效率高的控制方便、调速性能好等优良特性，成为具有强竞争力的一种调速及伺服电动机，现已在很多领域得到应用。然而，由于SRM的双凸极结构引起的磁路非线性和饱和效应，使得其存在噪声及转矩脉动，导致它在如伺服系统和电器等多种领域不能广泛应用。因此，为了获取更好的SRM的动静态性能，如何抑制噪声和降低转矩脉动已经成为当今SRM系统制系统的研究。3.1.1 电机转矩简单的说，就是转动的力量的大小。转矩18是一种力矩，力矩在物理中的定义是：力矩= 力 力臂这里的力臂就可以看成电机所带动的物体的转动半径。如果电机转矩太小，就带不动所要带的物体，也就是感觉电机的“劲”不够大。通俗的讲电动机带动机械转动的劲头就是电动机的转矩。电动机的转矩 = 皮带轮拖动皮带的力 皮带轮的半径但电动机的转矩与旋转磁场的强弱和转子笼条中的电流成正比和电源电压的平方成正比所以转矩是由电流和电压的因素所决定的。转矩与频率：在50Hz以下时，电机转矩与频率成正比变化；频率达到50Hz时，电机达到额定功率，额定转矩；频率大于50Hz时，转矩与频率成反比变化。3.1.2 开关磁阻电机转矩 所谓开关磁阻电机转矩，即开关磁阻电机相关的转矩1。它不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而是依靠“磁阻最小原理”产生转矩。所谓“磁阻最小原理”，即“磁通总是沿着磁导最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩”和“磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”。因此，在转子旋转时，磁路的磁阻要有尽可能大的变化。 如图3-1所示，控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流流过，产生磁场；磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动；这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行；再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。 图3-1 三相SRM剖面图从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使SRM能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。3.2 开关磁阻电机转矩脉动3.2.1 开关磁阻电机转矩脉动概论 由于开关磁阻电机的双凸极结构，工作在饱和状态下的铁芯磁路以及开关的非线性影响，导致SRM瞬时转矩脉动，在相绕组换流时尤为显著，限制了开关磁阻电机调速在很多驱动领域的应用。 开关磁阻电机本体的噪声是一个非常突出和有待解决的问题，它主要是由于电机的双凸极结构和采用开关性的供电电源造成的。 研究表明，电磁噪声是SRM噪声的主要组成部分。电磁噪声由电磁振动引起的，而引起电磁振动一个重要因素就是作用在定子上的脉动径向力。很多文献利用磁通管法推导出径向力的解析表达式，分析了径向力与电机结构参数等之间的关系，通过了解径向力的产生原理，有助于减小SRM的噪声。开关磁阻电机转矩脉动的产生机理比较复杂，受电机结构，几何尺寸，转速以及控制策略等许多因素的影响。近年来，针对如何减小脉动径向力、抑制转矩脉动、减小SRM的振动和噪声，目前已有很多文献从不同的侧面论及这个领域，研究者们也取得了一定的效果。3.2.2 开关磁阻电机转矩脉动的相关因素开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor）因结构简单、坚固，制造成本低，调速范围宽及效率高等优点，使其成为可变速驱动系统中极具潜力的新成员。然而，其定子、转子的双凸极结构及开关形式供电电源，使得开关磁阻电机驱动系统（Switched Reluctance Drives）成为一个多变量高度耦合、非线性异常严重的系统，运行中转矩脉动比较明显，由此引起电机噪声及转矩波动，直接影响了SRM在运行质量要求较高场合的应用，一定程度上限制了SR