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河北工业大学硕士学位论文 开关磁阻电动机新型控制策略研究 摘要 开关磁阻电动机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s r m ) 具有结构简单坚固、体积 小、重量轻、工作可靠、制造成本低廉等诸多优良特性。由其组成的调速系统( s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o rd r i v e ，简称s r d ) ，是继异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系 统之后，又一极具发展潜力的新型调速系统。它集开关磁阻电动机、电力电子技术和控制 技术为一体，不仅保持了交流异步电动机的结构简单、举固可靠和直流电动机可控性好的 优点，而且还具有价格低、效率高、适应力强等优点，显示出广阔的应用前景。 本文以开关磁阻电动机作为电动执行器的执行元件为研究背景，着重对s r m 运行特 性及控制方法进行研究，提出了新的控制策略。文中首先对电动执行器及其执行电机进行 了研究，指出选用开关磁阻电机作为执行驱动部件及将交流步进理论作为其控制策略的优 势。在分析了s r m 的结构和基本原理的基础上，研究了s r m 的数学模型、转矩、绕组 电流及各种控制方式，为s r m 运行及选用控制策略的研究奠定理论基础。 本文着重致力于把步进传动控制理论运用于s r m 传动系统以实现增量运动，给出 s r m 的矩角特性及转矩星型图，提出微步控制思想，以克服s r m 转矩脉动和实现精确的 位置伺服控制，并把这种新颖的运动控制方式应用到电动执行机构中去。此外，还提出了 将电流滞环控制用于s r m 来取得更好的控制效果。 本文还对s r m 无位置传感器技术进行了研究，提出基于s r m 运动方程的在线调整 的转子位置估算法，提高了位置估算精度及系统的可靠性。 本文研究并设计了能实现s r m 微步控制的功率变换器；并以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 为核心，设计了系统控制器，实现了电压p w m 、电流检测、位置检测等功能。最后， 采用m a t l a b 软件作为仿真工具，对系统建立了仿真分析模型，对系统的动静态性能进 行了仿真分析。以仿真作为参考，对系统进行实验研究。实验结果表明该电动执行器不仅 结构简单、运行可靠、性能价格比高，而且动静态性能都大为改善，具有广阔的应用前景。 关键词：丌关磁阻电动机，微步控制，直接转矩控制，无位置传感器，仿真，d s p 开关磁阻电动机新型控制策略研究 r e s e a r c ho fn o v e lc o n t r o l s t r a t e g yo fs r m a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) t a k e so nt h em e r i t ss u c ha ss i m p l ea n d t i g h t n e s ss t r u c t u r e ， s m a l lf i g u r ea n dw e i g h t ，h i g hs t a b i l i z a t i o n ，l o wc o s t ，e t e s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v es y s t e m ( s r d ) i san e wd r i v es y s t e mw i t hh i g hp o t e n t i a la f t e rt h ea p p l i c a t i o no fa co rd cm o t o rd r i v es y s t e m i ti ss u p p o r t e db ys r m ，p o w e re l e c t r o n i c sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g y s oi th a st h ea d v a n t a g e sl i k e s i m p l es t r u c t u r ea n dh i g hs t a b i l i z a t i o na sa c n l o t o rd r i v es y s t e ma n dt h ea d v a n t a g e si i k ee a s yt o c o n t r o la sd cm o t o rd r i v es y s t e m b e s i d e st h e s e ，i ta l s oh a si t so w n a d v a n t a g e ss u c ha sl o w c o s t h i 曲e f f i c i e n c y ，s oi tw i l lp o w e rc o m p e t i t i o ni nc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n t ot a k et h ea p p l i c a t i o no fu s i n gs r ma sp o w e re l e c t r i ca c t u a t o r sm o t o ra si t sr e s e a r c h b a c k g r o u n d t h i s 血e s i sa n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r 0 1m e t h o d so fs r ma n di n t r o d u c e s s o m en e wc o n t r o ls t r a t e g y f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u e e sp o w e re l e c t r i ca c t u a t o r sa n di t sm o t o r s e c o n d l y ，i tp o i n t so u tt h ea d v a n t a g e so fu s i n gs rm o t o ra n da cs t e pm o t i o nc o n t r o lt h e o r y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fs r m t h i st h e s i ss t u d i e st h em a t h e m a t i c m o d e l t o r q u e w i r ec u r r e n ta n dc o n t r o lm e t h o d so fs r m i no r d e rt or e s e a r c ho fs r mc o n t r 0 1 s t r a t e g y a p p l i n gt h es t e p m o t i o nc o n t r o lt os r md r i v es y s t e m t h i st h e s i s p r o p o s e ss r m t o r q u e a n g l ec h a r a c t e r i s t i ca n dt o r q u es t a rm a da n dd r a w sam i c r o s t e p c o n t r o lm e t h o dt o m i n i m i z et h et o r q u ea n da c h i e v et h eh i g hp e r f o r m a n c eo fs e r v oc o n t r 0 1 t h i sm e t h o da p p l i e dt o t h ep o w e re l e c t r i ca c t u a t o r s t h i st h e s i sp r o p o s e san e wm e t h o da p p l y i n gc u r r e n th y s t e r e s i s b a n d t os r m t h i st h e s i sa l s os t u d i e st h em e t h o d sf o rs e n s o r l e s so fs r ma n dp r o p o s e san e w m e t h o dt o m o d i f yt h en o n l i n e a rf u z z ym o d e lw i t hm o t i o ne q u a t i o ni no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y i td e s i g n san e wp o w e rc o n v e r t e rw h i c hc a ns u p p o r tm i c r o s t e pc o n t r o la n dan e ws y s t e m c o n t r o l l e rw i t hv o l t a g ep w m c u r r e n td e t e c t i o na n dp o s i t i o nd e t e c t i o nb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p f i n a l l y , u s i n gm a t l a bt ob u i l d as i m u l a t i o nm o d e l ，t h e r eh a saa n a l y s i sf o rt h e p e r f o r m a n c eo fm es y s t e m ，a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i s ，t h ee x p e r i m e n t sh a v ed o n e t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h i sp o w e re l e c t r i ca c t u a t o r sh a ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g hs t a b i l i z a t i o n ，l o wc o s t ，h i g h d y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e a n dh a sb r o a dd e v e l o p i n gp r o s p e c t s k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，m i c r o s t e pc o n t r o l ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，s e n s o r l e s s s i m u l a t i o n ，d s p 河j t ；3 - 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1 课题研究背景 在现代化生产过程控制中执行机构起着十分重要的作用它是自动控制系统中不可缺少的组成部 分。随着工业自动化的进步控制技术的发展及受数字技术利微处理技术的影垧，人们对l 业过榉控 制的终端执行器提出了新的要求。特别是在高温、高压、大流量、调节迅谜、控制精度高的系统 巾，酱通型执行器由_ 丁其本身的精度低、速度慢、提升力小已雉以胜任因而开发新型执行器已势 在必行。伺服驱动系统是执行驱动的上要组成部分，自一十世纪八十年代以米，在与交直流屯机激烈 的l i 场竞争中，种新型的传动系统丌关磁阻电动机驱动系统( s w i t c h e dr e l u c t a r m o t o r d r i v e s ， 简称s r d ) 脱颖而出。 开关磁阻电机调速系统是继异步电动机变频调迷系统和直流电动机调谜系统之后，又一极具发展 潜力的新型调迷系统。它集开关磁阻电动机( s w i t x ：h e d r e l u c t a n c e m o t o r ，简称s r m ) 、电力电子技术 和控制技术为一体，它不仅保持了交流异步电动机的机构简单、坚固可靠和直流电动机可控性好的优 点，而且还具有价格低、效率高、适应力强等扰点，显示出广词的应用前景。 s r m 作为s r d 中的重要组成部分，是在磁阻电动机的基础上发展起来的一种高- | 生能机电一体化 的产晶。它具有开关性和磁阻性两个基本特征。从结构上看开关磁阻电机定转子均采刚敢凸极结构， 定壬上有集中绕组，转子无绕组，电无永磁体。因此具有结构简单、坚固、卜作可靠、维修方便等优 点。另外，电机在一相或多相缺相的情况f 仍可咀运行”使得它可以应用丁恶劣的j 业环境中。s r m 控制灵活，采刚不| 司的控制方式可以得主u - 1 , 同负载要求的机械特性。根容易实现明象限运干丁和软启 动等要求。采用台理的控制策略由s r m 组成的s r d 系统的效率和山力能在很宽的速度和负载范围 内都能维持较高的运行特性。 然而开关磁阻电机输出转矩不平滑，必须采用适当的控制策略米消除转矩脉动。另外由丁磁通 的复杂分布使得电机的控制很复杂。电机不同相问的非线性耦台及电机参数的改变更增加了控制的复 杂程度1 。只有从调速系统的总体性能指标出发，通过采取优化的控带g 策略，才能逐步解决这些问 题。而且，由于s r d 总是1 二作在白同步状态，其位置闭环采用位置传感器，不仅增加了系统结构的复 杂性，提高丁成本，更重要的是会降低s l i d 系统的艇体可靠性，尤其是在某些应用环境比较恶劣的场合。 因此研究无位置传感器开关磁阻电机并提出较高精度转子位置估算的方法具有重要意义。 本课题正是在这种时代背景前提下。着重致力于把步进传动控制理论运丁s r m 传动系统以实 现增量运动提出微步控制思想以克服s r m 转矩脉动和实现精确的位置伺熙控制。 1 - 2 电动执行器概述 1 - 2 一i 电动执行器性能要求 电动执行机构以电源为动力，接受标准信号，将此信号转变成对应的机械位移( 转角、直线) 米 操作调节门、风门挡板等调节机构完成自动调节任务。它具有以下优势：采用电源为动力，使用方便 可以远距传输信号，方便计算和与计算机联网等”1 。随着工业自动化的进步、控制技术的发展及受数 字技术和微处理技术的影响，人们对执行器提出了更高的要求。 新型电动执行器应有以下性能要求： 1 具有较高的精度及系统耐节品质，渊节速度快。 1 具有较高的精度及系统调节品质，调节迷度快。 苎茎壁里皇垄塾堑型丝型簦竺里塑 2 具有良好转矩特性，能满足不同负载要求的需要。 3 具有较少的原材料和能源损耗。 4 具有较高的可靠性和环境适应能力。 5 具有自诊断、自保护的功能以及一定程度的故障处理能力。 6 具有低廉的价格。 1 - 2 ，2 常用执行电动机介绍 执行电动机是电动执行器的重要组成部分，常用的执行电动机，按电动机的原理来分，主要有直 流电动机、步进电动机、交流异步，乜动机。 直流电动机：具有体积小，效率高，控制方便，动态性能好等优点；但由j 二存在电刷年 换向器的 电的滑动接触使其存在可靠性差寿命短等一系列的缺点。 步进电动机：数字控制系统常用的执行电动机，调速与位置控制的性能良好其角何移量与输入 脉冲数严格成正比，因此没有累积误差；但步进电动机存在低频震荡和失步等缺点。 交流异步电动机：目前电动执行器产品中最常用的执行电动机，结构简单、成本低、可靠性好， 长期地得到广泛的应用：但随着系统的发展，异步电动机的执行功能难以满足可控、快速和高精度的 要求。 1 - 2 3 开关磁阻电动机特点及优势 开关磁阻电机是通过电子电路轮流接通和断开各相绕组使电机旋转的磁阻式电动机。其上装有转子 位置传感器，类似于无刷直流电动机的t 作方法进行控制。闻绕组为单方向通电，其电子电路简单可靠。 由于电机转于上无绕组，是用硅钢片成型叠成，定子上为集中绕鲴，很容易做剑散热，易于密封，电机 坚同耐川，可靠性高，而且它还具有较高的效率、小的启动电流和大的启动转矩等特点。 随着电力电子技术、微机控制技术以及计算机辅助技术的高度发展，形成了s r m 、功率变换器、 位置检测器和控制器组成的s r d 系统。电力电子器件的开戈控制与离散供电、微氆计算机的数字控制 以及由开关磁阻电动机各相独立相绕组顺序供电而形成的定子空间步进磁动势，使其具有更加明显的 离散与增量运动的特征，因此完全可以构成高性能的增量位置伺服控制系统。如果采用先进的电力电 子技术、计算机控制技术以及步进传动理论，对s r m 步进离散的磁动势进行控制，既可以获得精确 的位置控制，还可以进一步提高系统的动、静态性能。随着人们对s r m 非线性本质认识的加深、以 及转矩脉动抑制研究的进一步发展，必将促进人们加强对s r m 在伺服驱动系统中应用的研究，为s r m 这种极具应用前景的执行部件最终在空间广阔的伺服驱动等高性能驱动领域获得广泛的应用创造条什 5 1 。 1 - 3 运动控制发展概述 运动控制通常指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变为期望的机械运动a 运动控制 系统使得被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制或转矩控制，也包括这些量的综 合控制。按动力源的不同，运动控制分为气动、液压、和电动三大类。其中电气运动控制由丁其更容 易与微控制器( 微型计算机、单片机、p l c 、d s p 等) 构成运动控制系统，冈而在精密以及复杂环境 f i 构j 8 动控制中得到最广泛应用。电气运动控制，义称电气传动，综合了控制电机技术、传感器技术、 电力电子技术、微电子技术、自动控制技术、以及危机应用技术的最新发展成就其作为多学科交义 技术，每种技术的新发展都会使得它有新的发展1 1 。 纵观运动控制的发展历程，交、直流两大电气传动并存于各个t 业领域，虽然各个时期科学技术 的发展使它们所处的地位、所起的作用不同，但他们始终是随着工业技术的发展，特别是电力电子和 河北工业人学硕士学位论文 微电子技术的发展，在相互竞争，相互促进中，不断完善升发生者变化。由丁历史上最早出现的是直 流电机，所以在1 9 世纪8 0 年代以前，直流电气传动是唯一的电气传动方式。直到1 9 世纪末，出现了 交流电且解决了三相交流电的输送和分配的问题，并制成了经济适_ h j 的鼠笼型感应电机，这就使得 交流电气传动在工业中逐步得到广泛的应用。由于人量使用异步电机，严重影响了电网的功率因数。 同步电机的诞生和使用大大缓解了电网功率因数问题。在2 0 世纪火部分时间里形成了直流调速，交流 不调速的格局。 随着生产技术的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调述范围、静态特性、动态 响应等方面都提出了更高的要求，这就要求人量使用调速系统。由f 直流电动机住调速性能和转矩性 能的性能良好，2 0 世纪3 0 年代就开始使h j 商流调速系统。直流调速由最早的旋转变流机组控制发展 为放人机、磁放人控制器，在进步，川静l t 的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速，使系统 的快速性、可靠性、经济性不断提高。直流调速性能的不断提高使直流调流系统应_ 【 j 非常广泛。然而， 由于直流电动机结构上具有电刷和换向器，制造工艺复杂且成本高，维护麻烦，使川环境受限制等缺 点，以及很难向高转速、高电压、火容量发展，逐渐显示山直流调速的弱点。 1 9 5 6 年普通晶闸管的问世宣告了电力电子技术的开始。在电力电子技术的发展过程中经历了两个 阶段。1 9 8 0 年前，以背通品闸管为核心，衍生出若干派生器仆，功率越来越人，性能日趋完善，技术 逐渐成熟。其土要特点是器什是半控型的，即通过门极只能控制其导通，而不能控制其芙断，结构基 本采 j 分立元忭，主要应用于直流传动等方面。然而，由r 、f ，控型器件不麓自关断，必须采用强迫换 相电路，使得结构复杂，阻碍了它们的继续发展。7 0 年代后期，各种高速、全控刑的器件先而问世， 如可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、双极晶体管( b j t ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、绝 缘栅双极晶体管( i g b t ) ，智能功率模块( i p m ) 等。这些器1 _ r f ：实现了全控化、集成化、高频化以及 多功能化使结构人为简化，速度人为提高，功能逐渐增强。日前，变频装置中所州开关器什主要是 b j t 平i g b t 。由于i g b t 性能优于b j t ，而且其电流电压指标也已超过了b j t ，闳此i g b t 止在取代 b j t 成为一种应用前景十分广阔的场控器件。近年来| g b t 的新系列，智能功率模块( j p m ) 的使刖 也越来越多，并在通用变频器的设计中得到了较多的应用，也有着良好的发展前景。这些年米，电力 电子技术的快速发展，为交流调速装置提供了性能越来越高的变流装置，从而推动新- - 4 4 交流系统的 绢成，它为交流调速的发展奠定了坚实的基础。 交流调速的发展中，最早使崩的控制手段是采用机械手段，目前一些简单的控制领域，仍在沿h j 机械控制方法。但是随着控制的要求越来越高，功能要求越来越完善，完全_ j 机械手段已不人可能实 现性能优良的调速系统。冈此采用微机控制绢成功能齐全的数字控制系统，将是更好的选择。采州 数字控制后，硬件电路标准化程度将提高，成本降低：软件控制灵活性人，修改容易；此外随着c p u 容量、速度的提高，各种较为复杂的控制算法都能实现。起初采用微机控制，土要是选_ i jc p u 、r o m 、 r a m 、i o 、a d 、d a 等芯片白行组成最小微机系统。但随着单片机的出现，使得系统组成更为方便 简洁，因为它在一片芯片上集成了所有上述部件，大大缩小了控制器的体积，降低了成本。之f 亓，为 了提高运算速度，8 0 年代出现了数字信号处理器( d s p ) ，它采用哈佛结构、流水线作业及快速的指 令周期，使得数字控制更加高效。此外精简指令集计算机和高级专用集成电路等为微机控制提供了更 多的选择。 总之，电力电子技术和微机控制技术的快速发展是交流调速不断前进的动力。此外，近年来交流 电机的火量控制技术、直接转矩控制( d t c ) 技术、脉宽调制( p w m ) 技术筲调速理论的出现与逐渐 完善也为交流调述的发展发挥了不容忽视的作用。交流调速逐步具有了宽调速范围、高稳速精度、快 速动态响应利四象限远行等良好的技术性能，并实现了产品化、系列化，这样先前普遍虑用于恒速运 行场合的交流电机可以弥补直流电机的不足，而且从调速性能上完全可与真流调速系统相媲荚。口前 调速系统己- s 据土导地位。 开关磁阻电动机新型控制策略研究 1 - 4 本课题的研究意义及主要研究内容 现有的国产电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠 性差等问题。而且执行机构的全程运行速度取决r 其电机的输山轴转速和其内部减速齿轮的减速比， 一旦出厂，这一速度同定不可调整，其通用性较弱。随着电力电子学，计算机控制技术和近代交流传动理 论的发展，如何运用新的控制理论，对传统的执行机构进行改造，使其达到更高的性能，成为了研究 的重点所在。 s r d 作为一种新型调速系统，兼有直流传动和普通交流传动的特点。其具有结构简单、坚固、成 本低、l 作可靠、控制灵活、运行效率高，适r 高速与恶劣环境运行等特点，1 常适合作为电动执行器 的执行元件可以人大改善l 乜动执行器的性能。 但是由fs r m 的烈凸极结构和采用开关性的供电r u 源，使得s r m 的特性和控制方式与传统l u 机 不同。尤其是1 f 线性及饱年现象；造成s r m 的模型难以解析，比较突出的问题是转矩脉动和噪卢。 另一方面，s r d 作为典型的机电一体化系统，融合，电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多科 学领域，所以系统的优化设计还需从整体出发。 本文第一章综合电动执行器的发展情况，介绍了儿种常用的执行电动机，并重点介制了开关磁阻 电动机作为电动执行器的执行电机的优势所在：简述了运动控制的发展情况，并将其r 对s r m 的 控制。在此基础上，针对s r m 调速系统，本文从i j l 个方面展开应用和理论研究】：作。 1 、在第二章中，介绍了s r m 的l 作原理、建立了s r m 的准线性化的数学模型并介纠了s r m 基 本的控制方法。基于s r m 的数学模型和控制方法，在第六章中介绍了s r m 的m a t l a b 仿真模型。 2 、在本文第三章，提出了一些新型控制策略：不但能消除转矩脉动而且能实现更精确的定位的开 关磁阻电动机的微步控制、更有效控制绕组电流的电流滞环控制以及以降低转矩脉动为主要目标的 s r m 直接转矩控制、对s r d 运行特性的优化控制。仿真及试验结果表明验证了整个控制系统能有效 减小转矩脉动和提高系统的动、静态性能。 3 、功率变换器在整个s r d 成本中占有主要比重，本文第四章研究了s r d 的功率变换器，同日】介 纠了控制电路各个组成部分控制系统的硬件电路设计。设计了基丁t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 芯片为基础的控 制电路。t i 公司的这款芯片是专门为电机控制而设计的，除了保持高速的优点外，内部还集成了事什 管理器以及a d 转换器等外围设备；主电路则以i g b t 作为主开关器什的控制系统。设计了两相斩波 式主电路及其控制器，并讨论了s r m 的电压犁p w m 斩波方式及其控制特点。讲述完硬什设计之后， 对控制软件的设计进行介绍。 4 、在第五章中，介绍了s r m 无位置传感器研究现状，提出基于模糊推理规则的转子位置估算方 法，并通过s r m 运动方程进行在线调整，进一步提高位置估算精度。 开关磁阻电动机是近2 0 年以来兴起的一种全新变速驱动系统，尽管进入市场较晚，但目前己占有 一定的市场份额，随着人们对s r d 系统了解和研究的深入，必将得剑更快的发展。 4 ! 翌苎三些查兰堕兰竺丝丝苎 第二章s r m 调速系统 2 - 1 开关磁阻电动机调速系统基本结构及工作原理 2 - 1 1s r d 的基本结构 图2 】s r d 系统构成框图 f i g ，2 1 s t r u c t u r eo fs r ds y s t e m 开关磁阻电动机调速系统主要由s r m 、功率变换器、控制器、位置检测器构成。如图2 1 所示。 ( 1 ) 磁阻电机：s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，系烈凸极可变磁阻电动机。乓定转丫 的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，释向相对的两个绕 组可串联或并联构成一对磁极，称为“一相”。s r m 可以设计成多相结构，且定、转子的极数有多种不 同的搭配。相数多，步距角小，有利丁i 减小转矩脉动，但结构复杂，且主开大器制：多，成本高。冈此也 机定、转子的极数应当按使用的场合台理确定。 s r m 的转向与电流方向无关，为单向电流，若改变相电流的人小，可改变电动机转矩的人小，进 而可以改变电动机转速。若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制 动转矩。由此可知，通过简单的控制方式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。 ( 2 ) 功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给s r m ，由蓄电池或交流电整流 后得剑的直流电供屯。由y - s r m 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且 相绕组与主开关器什是串联的，冈而可以避免直接短路故障。s r m 的功率变换器主电路的结构形式与 供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。 ( 3 ) 控制器是系统的中枢。它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反 馈信息，控制功率变换器中主开关器件的丁：作状态，实现对s r m 运行状态的控制。 2 - 1 2s r m 的= 作原理 图22 所示为一台典型四相( 8 6 ) s r m 的横截面和其中一相电路的原理示意豳。它的定子上有 八个齿极( 即m = 8 ) ，每个齿极上绕着一个线圈，直径方向上相对的两个齿极上的线圈串连成一相绕 组，转子沿圆周有六个均匀分布的齿极，( 即m = 6 ) ，齿极上没有绕组。定、转子间有很小的气隙。s 一 和s ：是屯子开关，v d ，和v m 是续流二极管，u 是直流电源。 s r m 调速系统整体1 ：作过程如下：控制器接收启动命令信号，在检测系统状态一切止常的情况h ， 根据位置传感器提供的各相定子齿极和转子齿极相对位置的信息，按照起动逻辑给出相应的输出信号 ”1 。例如，在幽22 中定子a 相齿极轴线a a 与转子齿极l 的轴线儿不重合的情况t - ，应使功率变换器 5 开关磁阻电动机新型控制策略研究 中控制a 相绕组的开关元件s 和s 。导通，a 相绕组通电，而b 、 c 和d 三相绕组都不通电。电动机内建立起以a ，为轴线的磁场， 磁场通过气隙的磁感应线是弯曲的。此时，磁路的磁导小于定、 转子齿极轴线从和1 1 重合时的磁导，转子受到气隙中弯曲磁感 应线的切向磁拉力所产生转矩的作用，使转子逆时针方向转动， 转子齿极l 的轴线l l 向定子齿极a a ，趋近。当轴线从邪1 l 重合， 即a 相定、转子齿对齐时，切线方向的磁拉力消失，转子停i r 转 动，此时称转子达到稳定平衡位置。与此同时，b 相定子齿极轴 线b b 屿转子齿极轴线2 2 r 的相对位置与圈2 2 中a 相的情况相 同。此时，控制器根据何置传感器提供的位置信息，命令断开a 相开关s 和s 并合上响应的8 相开关，使a 相绕纠断开的同时b 相绕组通电。如此类推当定子绕组按a b c d 的顺序轮换导电 一周时，转子逆时针方向转过一个极距角“( f j - 2 t o m ) 。奉论 文中，= 6 故r ，= 盯3 机械角度。可见，若连续不断地按 a - b - c d a 的顺序周期的接通各相定子绕组，使s r m 内的磁 场轴线沿a - b - c d a 的方向不断移动，则电机转子亦将沿 a d 。c ，_ b 一_ a 的方向逆磁场旋转方向转动。如果定子绕绢的通 电顺序改为a d 。c 。b 。a ，则转子将沿a b c d a 的方向旋转。 这表明改变定子绕组的通电顺序，即可改变电机的转向。显然， 改变相电流的方向并不影响转子的旋转方向。 图2 2 四相s r 电机的工作原理图 f i g 2 2p r i n c i p l eo ff o u rp h a s es r m o t o r 在多相电机实际运行中，也常出现两相或多相同时导通的情况。设每想绕组开关频率( 主开关开 关频率) 为丘，转子极数为，则s r m 的同步转速( ，m i n ) 可表示为： 哟 1 2 n ? 由t - s r m 的转向与绕组电流方向无关，所以使得功率变换器电路能够充分简化。在剀2 2 中，当 主开关s ，、s 。接通时，a 相绕组从直流电源u 吸收电能，而当s ，、s ：断开时，绕组电流通过续流啊二极管 v d ，、v d ：将剩余能量同馈给电源。因此s r m 具有能量回馈的特点，系统效率高。 2 - 1 - 3s r d 特点 s r d 系统的结构与性能特点： ( 1 ) 电动机结构简单、成本低、适于高速 开关磁阻电动机的突出优点是转子上没有任何型式的绕组，成本低：转子的机械强度高，电动机 可高速运转而不致变形：转子转动惯量小，易r 加、减速。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制 造简便，绝缘结构简单，并且发热大部分在定子，易于冷却。 ( 2 ) 功率电路简单可靠 因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一 个功率开关电路结构简单。另外，系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通 短路现象。因此开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，既降低了成本，义具有高的 j ：作可靠性。 ( 3 ) 效率高、功耗小 s r d 系统是一种非常高效的调速系统。这是阏为方面电动机转子不存在绕组铜耗，另一方面电 动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载f 实现高效优化控制。图2 3 给出了典型产 品的输出特性和效率曲线，其系统效率在很宽的范围内部在8 7 以上，这是其他一些调速系统不易达剑 6 图2 3 开关磁阻电动机实测性能曲线 f i g 2 3t h ec u r v eo f r e a lp e r f o r m a n c eo f s r m ( 4 ) 高起动转矩、低起动电流 从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧得到较大的起动转矩是本系统的一人特点。典型产品的数 据是：当达到1 0 0 额定转矩时，只需1 5 的额定电流。 ( 5 ) 可控参数多，调整性能好 控制开关磁阻电动机的主要运行参数平u 方法至少有四种： 控制开通角： 控制关断角； 控制相电流幅值： 控制相绕组屯压。 可控参数多，意味着控制灵活方便，u ，以根据对电动机的运行要求午电动机的情况，采_ l | j 不同控制 方法和参数值即可使之运行于最佳状态( 如山力最火、效率最高等) ，还可使之实现各种不同的功能 和特定的特性曲线。 s r d 系统也存在着一些不足，口】为功率变换器输出的是不规则电流脉冲，一般导致振动噪卢较人、 低速转矩脉动较人，并且相数越多，主接线数越多；需要根据定、转子的相对位置投励，不能像异步电 动机邪样可以直接接入电网作稳速运行，而必须与控制器一同使用等。随着有关研究 作的深入，这些 缺点止被逐步克服。开关磁阻电动机调速系统是由电动机、何置传感器、功率电路和控制电路所组成的 机电统一体，各部分密切配合，缺一不可。电气传动系统的传统设计方法都是利j l ： j 已有的电动机，然卮 在此基础上作系统设计。设计电动机时所作的优化仅涉及电动机本身，对系统而言只能称为“局部优化”， 而开关磁阻电动机系统囚备部分不能单独使用，只能是从系统总体性能优化的角度出发，而不是只考虑 每一部分本身的优化，这种设计力，法同传统设计方法相比是一个质的飞跃，实际已经步入新兴学科“机 械电f 学”的范畴，在这种思想指导下设计出的产品是典型的机电体化产品。 2 2 开关磁阻电机的数学模型 2 2 1 开芙磁阻电机的数学模型 数学模型是研究系统运行与控制特性的基础，在以往的研究过程中，人们已经提山了各种各样的 开关磁阻电动机新型控制箫略研究 开关磁阻电机数学模型：线性模型、准线性模型( 分段线性模型) 和非线性模塑。线性模型忽略了饱和及 边缘效应，认为绕组电感与电流无关。准线性模型将磁化曲线分段线性化，近似考虑定转子齿极重叠时 的饱和。以上两种模型，电感参数有解析表达式，用于求解电机性能时，电流和转矩有解析解一般用 丁定性分析。事实上，由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、涡流和磁滞效应所产生的非线性，加上电 机运行期间的开关性和可控性，在电机运行期间绕组电感不是常数，而是电流和转子位置角的函数。开 关磁阻电机定子绕组的电流、磁链等参数随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，难以用简单的解 析表达式来表示，因此很难建立精确可解的数学模犁。 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分并没开关磁阻电机的相数为m ，各相结构垌i 参数对称。设 p = l ，m 相的电压、磁链、电阻币电流及转矩分别为i f f , , 、毋、乃，转子何黄角为0 ，转速 为0 9 。 1 、屯压方群 根据能培守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕细端的电压等r 电阻乐降乖i 冈磁链变化而产 生的感应电势作h j 之和，第p 相绕纽电压方程 一，“ “，一月， 叶兰丝 ( 2 1 ) d t 2 、磁链方年早 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转子位置角的函数 惭= y ( 厶，上，0 ) ( 2 2 ) 由丁开关磁阻电机各相之间的互感相对白感来说甚小，为了便于计算，在开关磁阻电机的计算中 般忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转子轭部饱和在各相之间产生的相互影响，这时 磁链方程可近似成 p 巾= y ( 办，口) = l ( ，o ) h ， ( 2 3 ) 3 、转矩方程 根据机电能茸转换原理，开关磁阻电机的电磁转矩表示为磁共能对转子位置增加的速率 昂= 掣= 丁( 厶，口) 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 l = 7 1 ( 厶，口) p = l 4 、机械运动方程 其中，口、甜分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩 j 竺：厂一b 缈一t 1 c l t d o = 国 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 - 2 2 数学模型的求解方法 上述数学模型由于有严重的非线性，不叮能得“j 解析解。因此，在性能分析求解数学模型时不得 不在实用和理想之间寻求一种折衷的处理方法。到目前为止，针对磁链的变化，采用了以i - j l b 方法 建立模型： l 、理想线性模型 若不计电机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的大小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应， 8 河北工业大学颂1 ：学位论文 基本特性和各参数间的相互关系，并可作为深入探讨各种控制方式的依据但求解的误差较大，精度较 低。 2 、准线性模型 因为磁链n ，的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了近似地考虑磁路的饱和效应、边缘效 应，可将实际的非线性磁化曲线分段线性化，同时不考虑相间耦合效应，这样可以用解析式来表示每段 磁化曲线。可将妒一i 曲线分为两段( 线性区和饱和区) 或三段( 线性区、低饱和区和高饱和区) 。 3 、非线性函数拟合模型 将磁链用非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确度。 4 、查表法 该方法是把实测戏计算所得的等角度、等也流问隔电机磁特性数据矿“，反演为等角度、臀磁 链间隔的电流特性数据jr ，口j ，连同矩角特性数据，化0j 以表格形式存入计算机中，然后川赍表法 数值求解1 f 线性模删，这种方法较为直接、也较为精确，既可川丁稳态分析，也可川丁解瞬态问题。 2 - 3s r i v i 转矩分析 根据能量守恒定律在不考虑电路中电阻损耗、铁芯损耗和转子旋转产生机械损耗的情况r ，绕 组输入的屯能w e 应等丁二结构中磁储能，咿与输出机械能w m 之和，即为 d w e = d 所+ d 隅，( 2 8 ) 如果把电压口币l 感应电势p 的参考方向选得一致，根据电磁感应定律，绕绸电路的电压力科为 “：p ：坐( 2 9 ) m 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为 j 耽= u i d t口1 0 ) 将式( 2 9 ) 代入式( 2 1 0 ) 得 d w e = f 矿p e 2 1 1 ) 机械能可由电磁转矩7 1 和角位移。计算，即为 d w m = t d o 旺1 2 ) 将式( 2 1 1 ) 和i 式( 2 1 2 ) 代入式( 2 8 ) ，则得 d 彤( 妒，c r ) = i d h u 一删护 俚1 3 ) 式( 2 1 3 ) 表明，对无损系统，磁储能是由独立变量和口表示的状态变量 当妙为恒定值时，由式( 2 1 3 ) 得到一般转矩计算式，为 t ：一旦堕些! 盟 0 0 磁储能由p 垌10 所决定。 ( 2 1 4 ) 在考虑转子处于任意位置时的电磁转矩时，可以假设转子无机械转动，则由式( 2 9 ) 得 d 矾= d w l ( 2 1 5 ) 将式( 2 j 1 ) 代入式( 2 15 ) ，得 t 附= i j 删 ( 2 1 6 ) 0 设磁路中无磁滞损耗，再假设磁路为线性磁路( 这在气隙不太小，磁路不太饱和时近似成立) ，则磁链 可由电感l 表示为 掣= l i ( 2 1 7 ) 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 6 ) ，得到磁储能的计算式 0 开关磁阻电动机新型控制策略研究 所= 二l i 2( 2 1 8 ) 2 将式( 2 ，1 8 ) 代入式( 2 1 4 ) ，得 丁：土j2 丝( 2 1 9 ) 2a 毋 由于开关磁阻电动机的电磁转矩是磁阻性质的，义是双凸极结构，其磁路是非线性的，加上运行时 的开关性和可控性，使电动机的电感与转子位置角的关系十分复杂。为弄清电机内部的基本电磁关系， ：i 竺二f j 门厂定子 广工w 一，子 0 ，0050 岛 图2 4 电感与转子位置角的关系 f i g 2 4t h er e l a t i o n s h i pb e l w e e nla n dr o t o ra n g l e 有必要从简化的线性模型，也就是理想线性模 删开始进行分析研究，所得剑的相绕组电感随 转子位置角周期性变化的规律可h 4 图2 4 说 明。 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即 毕标原点e = o 的位置，对应丁定子凸极中心与 转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小 值。在口和d ：( 口：为转子磁极的前沿与定 子磁极的后沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极 不相重替，电感保持最小值l m i n 不变，这是冈 为开芙磁阻电机的转子槽宽通常人_ 定子极 弧，所以当定子凸极对着转子槽时，便有一段 定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并不随转 子位置变化的最小电感常数区；转子转过口2 厉，相屯感便开始线性地上升直到船为止，目3 系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，这时定 转子磁极全部重叠，相电感变为最人值l m a x ；基于电机综合性能的考虑，转子极弧p r 通常要求人丁 定子极弧卢s ，因此在3 和0 4 ( 口4 为转子磁极的后沿与定于磁极的后沿相遇