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开关磁阻电机软特性调速系统的研究 隋娜( 控制理论与控制工程) 白连平( 教授) 摘要 开关磁阻电机调速系统具有结构简单、坚固、系统控制灵活、调速 性能好、运行效率高、动态性能好等诸多优点，近二十多年来，国内外 在开关磁阻电机及其调速系统研究方面发展迅速。但对于一些特殊的需 求领域( 如要求开关磁阻电机具有软的机械特性) ，还未曾进行深入研究。 本文正是基于这一需求，以1 5 k w 三相开关磁阻电机为研究对象，对其 软特性调速系统进行研究。 本课题主要完成的工作有以下三部分：首先，深入研究了开关磁阻 电机的基本特性与数学模型，从中得出了一种简便、实用的通过电流检 测转矩的方法，然后通过大量实验与数据分析，获取了开关磁阻电机的 稳态转矩和电流的关系，并研究了在软特性要求下的负载变化与电流的 关系，进一步可以根据负载得到相应的转速给定，为软特性实现奠定了 基础。并对系统进行了实验测试，给出了软特性调速曲线，对曲线进行 了分析。其次，设计了基于d s p 5 6 f 8 0 3 的开关磁阻电机调速系统通用的 硬件电路，可以实现软特性调速控制、变角度控制、定角度电压斩波和 电流上下限斩波控制。最后，通过基于c 及汇编混合编程的控制软件， 实现了软特性的控制算法，实现了软特性调节和转速闭环控制。并且实 现了基于p cm a s t e r 软件的上位机可视化控制，可以在上位机上获取调 速系统的电流和转速波形，可以在线修改调速系统的参数和对电机进行 实时控制。 关键词：开关磁阻电机，调速系统，软特性 s o f tc o n t r o ls t u d yf o rs w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e s u in a ( c o n t r o lt h e o r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r b a il i a n - p i n g a b s t r a c t 1 1 1 es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v e ( s r d ) p o s s e s s e si o t so fm e r i t s s u c ha ss i m p l ec o n s t r u c t ，r u g g e d n e s s ，f l e x i b l ec o n t r o l ，g o o ds p e e dc o n t r o l p e r f o r m a n c e ，h i g he f f i c i e n e i e s a n ds a t i s f i e da c t i v ep e r f o r m a n c e f o rt h e r e c e n td e c a d e ，t h er e s e a r c ho ns r dd e v e l o p sf a s t b u tt h er e s e a r c hh a v en o t s e tf o o ti ns o m es p e c i a ld o m a i n sw h i c hn e e dt h es r da c tw i t hs o f t m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ot h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e do nt h er e s e a r c ho fs o f t c h a r a c t e r i s t i co f s r d i n w h i c h a s r m o t o r o f t h r e ep h a s e s ( 1 2 8 ) w i t h p o w e r o f1 5k wi st h er e s e a r c ho b j e c t t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a i n l yf i n i s h e dt h r e ep a r t s ：f i r s t l y , a n a l y z e st h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n dm a t h e m a t i cm o d e lo fs r m ，p r o v i d e sas i m p l ea n d f e a s i b l et o r q u ed e t e c t i n gm e t h o dt h r o u g hc u r r e n t t h e ng e t st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et o r q u ea n dc u r r e n tt h r o u g hl o t so fe x p e r i m e n t s ，s t u d i e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h a n g e so fc u r r e n ta n dl o a d sv a r i e t ya c c o r d i n gt ot h e s o f tc h a r a c t e r i s t i c ，a n dg e t st h es p e e dr e q u k e da c c o r d i n g l y , m a k e sab a s eo f s o f tc o n t r o lo fs r d a l s od o e st h es o f tc o n t r o le x p e r i m e n t so ns r d ，g a i n s a n da n a l y z e st h es o f tc o n t r o lc u r v e s e c o n d l y , d e s i g n st h eg e n e r a lh a r d w a r e c i r c u i to fs r d ，w h i c hc a na c h i e v et h es o f tc o n t r o l ，a n g l ec o n t r o l ，v o l t a g e c o n t r o la n dl i m i tc u r r e n tc o n t r 0 1 l a s t l y , r e a l i z e st h ec o n t r o la l g o r i t h m sf o r s o rc o n t r o ib yt h es o f t w a r eb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fca n da s s e m b l e l a n g u a g e t h es y s t e mr e a l i z e st h es o f tc o n t r o la n ds p e e dc l o s e dl o o pc o n t r 0 1 a l s od e s i g n st h er e a lt i m ed e v e l o p m e n to f m a i nc o m p u t e ra p p l i c a t i o n su s i n g t h ep cm a s t e rs o f t w a r ev i s u a l i z a t i o nt 0 0 1 t h ec u r r e n ta n ds p e e dc u r v eo f t h e s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mc a nb eg a i n e do nt h ep c ，t h ep a r a m e t e rm o d i f i c a t i o n o ft h es p e e dr e g u l a t i o na n dt h er e a lt i m ec o n t r o lf o rt h em o t o rc a nb e a c h i e v e do nl i n e k e yw o r d s ：s r m s p e e dc o n t r o ls y s t e m ，s o f tc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 岛绥形年 月，岁日 导师签名：鱼堕坌2 一叼彳年，月扩日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题来源及研究意义 本课题是自选研究课题，是基于导师对开关磁阻电机的预研究和技 术储备的研究工作。 由于开关磁阻电机( 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 电机) 结 构简单、坚固，可靠性高，效率高，在一些要求高精度的电力拖动设备 的控制系统中具有很多的优势。开关磁阻电机及其调速控制系统 ( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ，简称s r d ) 是位置、速度和电流三闭环控 制系统，是典型的机电一体化产品，有着广泛的应用前景。 近几年来开关磁阻电机在许多电力传动领域得到了广泛的应用，比 如在城市电动汽车、矿山井下电动机车、油田抽油机、家电领域上都可 以与直流调速电机和变频调速电机一较长短。随着电力电子技术和控制 技术的发展，开关磁阻电机及其调速控制系统将有更广泛的发展和应用 前景。 目前在许多生产机械中，比如，电动汽车、游梁抽油机、电动钻机 等需要具有软特性的电机驱动，即直流电动机的串励特性。而开关磁阻 电机具有起动电流小、控制灵活等优点，因此研究开关磁阻电机软特性 调速系统具有十分重要的意义。开关磁阻电机软特性调速系统的研究， 将拓宽开关磁阻电机的研究和应用领域，并且对推动我国电气传动领域 的发展也具有十分重要的现实意义。 1 2 课题综述 1 2 1s r d 的组成及工作原理 s r d 主要由s r 电机、功率变换器、控制器和位置检测器四部分组 成，如图1 i 所示1 1 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 s r 电机 s r 电机是s r d 系统中实现机电能量转换的部件，也是s r d 系统有 别于其他电机驱动系统的主要标志，它的结构和工作原理与传统的交直 流电动机有着根本的区别。它遵循“磁阻最小原理”一磁通总要沿着磁 阻最小的路径闭合( 舶，产生磁拉力形成转矩。因此，它的结构原则是转 子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以s r 电机采用凸极定子 和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。 i 负载i l 三相交流电f - _ 1 功茸申器h 洲 l 外部蛤定卜-叫觚赫幡i ：j l 图1 1s r d 基本构成 e 图1 2 s r 电机工作原理 图l - 2 表示三相s r ( 1 2 8 极) 电机的横截面和相电路的原理示意图。 s l 、s 2 是电子开关，d i 、d 2 是二极管，e 是直流电源。当定子a 相磁极轴 线o a 与转子磁极轴线o a 不重合时，开关s l 、s 2 合上，a 相绕组通电，电 动机内建立起以o a 为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、 转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小 于定、转予磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的 切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线 o a 向定子a 相磁极轴线o a 趋近。当o a 和o a 轴线重合时，转子已达到平 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 衡位置，即当a 相定、转子极对极时，切向磁拉力消失，转子不再转动。此 时打开a 相开关s l 、s 2 ，合上b 相开关，即在a 相断电的同时b 相通电， 建立以b 相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场渊顷时针方向转过3 0 。， 转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过1 5 。依此类推，定子 绕组a - b c 三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距f ( f ，= 2 7 r l n r ) ，对于玉日1 2 8 极开猢电机，f ，= 3 6 0 0 8 = 4 5 。，定子磁 极产生的磁场轴线则顺时针移动了3 3 0 。- - - 9 0 “空间角。可见，连续不断 地按a b c - a 的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿 a - b c a 的方向不断移动，转予沿a c b a 的方向逆时针旋转。如果按 a - c b a 的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着a - c - b a 的方向转 动，转子则沿着与之相反的a b c a 方向顺时针旋转 4 1 。 2 功率变换器 功率变换器是s r 电机运行时所需能量的提供者，是连接电源和电 动机绕组的开关部件。通过它将电源能量送入电机，也可将电机内的磁 场储能反馈回电源。s r 电机绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电 路不仅简单，而且具有普通交流及无刷直流驱动系统所没有的优点，即 相绕组与主开关器件是串联的，因而可预防短路故障。功率变换器有多 种形式，并且与供电电压、电机相数和开关器件的种类等有关。 3 控制器和位置检测器 1 1 控制器综合处理位置传感器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和 电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对s r 电机运行状态的控制，是s r d 的指挥中枢，控制器般由单片机或d s p 及外围接口电路等组成。在s r d 中，要求控制器具有下述功能： 1 ) 电流斩波控制或电压斩波控制。 2 ) 角度位置控制。 3 ) 起动、制动、停车及四象限运行。 4 ) 速度调节。 位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决 定绕组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈等方法 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 进行位置检测。 1 2 2s r 电机的基本特性 1 s r 电机的基本方程式1 2 1 描述s r d 系统动态过程的微分方程由电路方程、机械方程、机电联 系方程三部分组成。为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并设开关磁 阻电机的相数为m ，各相结构和参数对称。设p = l ，威相的电压、 磁链、电阻和电流及转矩分别为u ，、昂、，、耳，转子位置角为 0 ，转速为。 1 ) 电路方程 根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端的电压等 于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，一般说来，每相 的电感上，为相电流f ，和转子位移角臼的函数，所以第p 相绕组电压方程 可以表示为： 卟 呜+ i p 鲁+ i po l pd o 。 ( 1 - ) 2 ) 机械方程 按照力学定律可列出在电动机电磁转矩瓦和负载转矩瓦作用下的 转子机械运动方程： 瓦= j 害+ d 鲁+ 瓦 ( 1 - 2 ) 式( 1 - 2 ) 中j 、d 分别为转动惯量和粘滞系数 3 ) 机电联系方程 电路方程和机械方程通过电磁转矩耦合在一起的，故反映机电能量 转换的转矩表达式为机电联系方程，且考虑到m 相绕组的对称性，则s r 电动机输出平均转矩为： r = 警rr 警# d f a o ( 1 - 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 式中手为相电流的中问变量，n r 为电动机转子极数，i ( 0 ，0 为电感随位 置与电流变化的函数。 式( 1 - 2 ) 式( i - 3 ) 一并构成s r 电动机的数学模型。 然而，上述数学模型尽管从理论上完整准确地描述了s r 电动机的 电磁及力学关系，由于t ( 0 ，f ) 及f ( 口) 难以解析，所以使用起来很麻烦，实 际中往往必须根据具体电动机的结构及所要求的精确程度加以适当的简 化。 2 电感与转子位置角的关系 由于s r 电动机的磁路是非线性的，加上运行时电机状态的变化， 使电动机内部的电磁关系十分复杂。为弄清电机内部的基本电磁关系， 有必要从简化的线性模型入手进行分析。若不计电动机磁路饱和的影响， 假设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，这 时，相绕组的电感随转子位置角周期性变化的规律可用图1 3 说明【2 1 。 z _ r - 广后鬓前沿 - l 厂定子 j 。 i 一厅, e l - lj 转子 ( 口) 。 沔r 图1 3 电感与转子位置角的关系 图1 3 中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点9 = o 的位置， 对应于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 l 。，。在0l 一02 ( e2 为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值l 。i 。不变，这是由于s r 电机的转子槽宽通常大于定子极弧，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 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 电感常数区；转子转过02 后，相电感便开始线性地上升直到03 为止， 03 是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，相电感变为最大值l 。基于电机综合性能的考虑，转子极弧1 3r 通常要求大于定子极弧1 3 ；，因此在03 04 ( 04 为转子磁极的后沿与定 子磁极的后沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应的 定转子凸极间磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值l m 。从04 位置相 电感开始线性地下降，直到05 处降为l 。，05 、0l 均为转子磁极后沿 与定子磁极前沿重合处。如此周而复始，往复循环。 由图1 3 ，不难得到“理想化”s r 电机绕组电感的分段线性解析式 为： ( p ) = 删n k ( 0 一目2 、+ 三m m 。 n ，“一k ( o 一0 4 ) 护l 口臼2 目2 口口3 口3 s 口曰4 ( 1 - 4 ) 护4 护s 口， 式中k = 等= 生产；届吱子磁极极弧。 1 2 3s r d 主要技术特点1 5 i 从结构和运行原理上看，s r 电机可以说是一种高速大步距的反应式 步进电动机。两者的主要差别在于：步进电机作为一种信息传输、实现 角位移精密传动的执行机构，它的转子轴运动服从电源的换相，而电源 的换相通常是与转子位置无关的，属于转子位置开环控制；s r 电机则不 同，其定子供电电源的换相与转子位置直接有关，必须根据转子位置传 感器提供的位置反馈信息来实现，属于转子位置的闭环控制。从运行状 态上看，也可将s r 电机调速系统视为无刷直流电机调速系统的发展，两 系统中电机均运行在自同步状态。但无刷直流电机的转子有励磁，定子 多相绕组由逆变器提供交流电源：s r 电机的转子则为反应式，无须励磁， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 定子绕组由直流脉冲电源供电，仅由简单的开关即能实现，这使得电机 结构和变换器结构都得到简化。 理论与实践表明，s r 电机调速系统具有如下基本特点。 ( 1 ) 电机结构简单、适宜在恶劣条件下的可靠运行。s r 电机的突 出优点是转子上没有任何形式的绕组，亦无需采用永磁体构成转子磁极， 因此最大速度不受限制，可达1 0 0 0 0 0r r a i n ，也无高温退磁之忧。定子 线圈为集中绕组，端部短而牢固。所以电机易于冷却。适用于各种恶劣、 高温甚至强振动环境。 。 ( 2 ) 转矩方向与定子绕组电流方向无关，只需要单向的电流励磁， 因此可以减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本。另外，s r 电机 调速系统中每个功率开关器件均直接与绕组串联，根本上避免了直通短 路现象。从而简化了控制保护单元的要求，既降低了成本，又具有高的 可靠性。从控制结构上看，各相绕组相互独立工作，所以系统可以缺相 运行，容错能力强，适宜在如航天飞机，电动汽车等特殊场合作为起动 机或驱动系统使用。 ( 3 ) 可控参数多，调速性能好。控n s r 电机调速的主要参数有四 个：开通角、关断角、相电流幅值和相绕组电压。可控参数多，意味着 控制灵活方便。采用不同控制方法和参数值，不仅能使系统工作于最佳 状态( 如出力最大、效率最高等) ，而且可以实现各种不同的功能和特 定的运行曲线，如使电机具有完全相同的四象限运行能力，并具有高起 动转矩和串励电动机的负载曲线。 ( 4 ) 在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率，适用于频 繁起停及正反向转换运行。当然，s r 电机调速系统也有其明显的缺点， 即转矩脉动及噪声问题。这是由于s r 电机固有的双凸极工作机理引起 的。然而，经验表明，通过合理的设计电机结构以及采用先进的控制方 法，再结合良好的加工工艺，转矩脉动和噪声完全可以控制到可以接受 的水平之内。 s r d 良好的调速性能、宽广的调速范围、以较小的起动电流获得较 大的起动转矩、对称的四象限运行特性等一系列突出的优点，显然对于 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 满足需软特性驱动的系统提供了完全的可行性。 1 2 4s r 电机及其控制系统的发展撅况及国内外研究现状 1 s r 电机及其控制系统的发展概况 自1 9 8 3 年o u l t o n 开关磁阻电机通用调速系列产品问世以来，引起 各国电气传动界的广泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫等国竞相发展， 并在系统的一体化设计、电动机的电磁分析、微机的应用、功率元件的 应用、新型结构型式的开发等方面取得进展。 我国于1 9 8 4 年左右也以较高的起点开始s r d 的研究、开发工作， 1 9 9 2 年初成立了中国电工技术学会中小型电机专业委员会下设的开关磁 阻电机学组，以推动开关磁阻电机研究工作的进一步发展。现在，国内 对开关磁阻电机接受和感兴趣的程度逐年上升，形成理论研究与实际应 用并重的发展态势。 近几年来开关磁阻电机在许多电力传动领域得到了广泛的应用，比 如在城市的电动汽车方面、矿山井下电动机车方面、在油田的抽油机上、 在家电领域都取得了比直流调速电机和变频调速电机都好的效果。随着 电力电子技术和控制技术的发展，开关磁阻电机及其调速控制系统将有 更广泛的发展和应用前景。 但是，目前国内高校对开关磁阻电机及其调速系统主要是对其接近 硬特性运行的研究，进行开关磁阻电机软特性调速系统的研究未见报道。 2 s r m 控制技术的研究现状与发展趋势 1 ) 各种数学模型被提出1 6 l 目前已经发展起来的磁链模型和直接建立起来的机电联系模型有多 种形式，可将他们分为线性模型、准线性模型和非线性模型三类。线性 模型忽略电磁饱和、涡流、边缘效应、互感等非线性因素，使得每一相 电感只与转子位置有关，而与电流无关。这为分析s r 电机运行特性带 来极大方便。通过这一模型，可以很容易求出s r 电机转速恒定且相电 压为矩形脉冲时相电流和输出转矩的解析式，进而可以分析出开通角、 一s 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 关断角等参数对电机运行特性的影响规律，以及电流斩波和角度位置两 种控制策略的工作原理。从而为控制器的设计、调试提供了很有价值的 结论。准线性模型采用分段线性化的方法将非线性的电磁曲线简化，与 线性模型相比更接近s r 电机的实际特性。非线性模型试图用简单的非 线性数学表达式来刻画s r 电机磁链关于转子位置与电流的非线性关系。 s p o n g 等提出了一种连续的非线性模型，利用这一模型is p o n g 等针对机 械手关节驱动用s r 电机，设计了一个反馈线性化控制器，仿真结果证 明该模型的可行性。 2 ) 各种控制理论的应用 最初，被应用在s r 电机控制系统中的控制理论以线性控制理论为 主。以s r 电机的小信号线性模型为基础，利用经典的控制理论设计调 速系统的控制器。 。 由于s r 电机高度的非线性特性，建立精确而实用的s r 电机非线性 模型绝非易事，采用智能理论设计s r 电机控制器，是回避这一棘手问 题的途径之一。文献 7 1 1 8 1 1 9 分别用了模糊神经网络、模糊控制、变结构 控制方法设计了s r 电机控制器。 3 ) 转矩脉动抑制研究1 n l 在对s r 电机的振动和噪声研究中，得出了几个重要的结论。c a m e r o n de 等通过对s r 电机各种可能的噪声源采取分步运转法逐一鉴别比较后 得出结论：s r 电机噪声主要源于定、转子问径向磁吸力所导致的椭圆 形变，而且当相电流某一幅值充分大的谐波频率与定子共振频率接近或 一致时，将激发强烈的振动和噪声。因此，控制相电流波形，使之不含 激发定子共振的谐波分量是降低振动、噪声的有效方法之一。w ucy 等 基于时域分析，得出结论：相绕组外施相电压的阶跃变化，导致相电流、 径向力变化率跃变是引起s r 电机振动大的主要原因。因相电流关断对， 相电压产生大幅度负跃变，加之关断起始相电流又较大，故绕组关断激 发的冲击振动是最主要的。 现有研究都是基于将s r d 机电系统简化为线性系统以实验研究方法 为主进行的。一方面缺少理论分析，另一方面对s r 电机定子振动的非线 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 性特性没有重视更缺乏研究，所得结论尚不能精确和全面地反映实际s r 电机定子振动系统的动力特性，所提出的振动、噪声控制策略尚有局限 性。只有立足于非线性振动理论，在全面分析s r 电机非线性电磁场和非 线性径向力的基础上，才能对s r 电机定子电磁振动的非线性特性进行系 统的理论分析、计算和实验研究，从理论上揭示s r 电机非线性振动的基 本规律，研究在保证s r d 性能指标不变前提下，对各种运行工况下的s r 电机振动、噪声都能进行有效控制的策略，- 为s r d 在更大范围内推广应 用发挥其特长扫除主要障碍。 4 ) 无位置传感器技术 在无位置传感器研究方面，我国的研究水平走在世界前列，有很多 学者提出了新型的无位置传感器方案。文献 1 2 】提出一种利用锁相原理来 简化新型位置传感器，使得对任意相绕组的s r d 系统，位置传感器只需 要一个传感元件。这种方法虽然减小了位置传感器的数目，但是增加位 置传感器处理电路和软件的复杂性。文献 1 3 1 提出了电容式位置检测技 术，该方法与传统检测方法中基于电感测量的方法不同，它是一种通过 电容与转子转角的关系确定实际运行时定、转子相对位置的转予位嚣检 测方法，它不需考虑相绕组中电流及运动电势的影响，与电机负载无关， 而且它对电机的运行状态也没有影响。这种电容式检测器灵敏度高，可 获得较大的相对变化量、结构简单、适应性强。文献【1 4 】研究t s r 电机 的无位置传感器无反转起动，对在不允许反转的应用场合有重大意义。 文献 1 5 】通过相电流和相电流相对转子位置角变化率的研究，建立了基于 查表法的无位置传感器方法。另外有大量文献介绍用状态观测器实现无 位置传感器方案。 总的来说，目前无位置传感器检测方案有如下几种：电流波形检 测法；电感简化计算法；状态观测器检测法：相磁链、相电流与 转子位置传感器的关系解算法；相间互感与转子位置关系检测；电 容式位置检测法；加测试线圈检测法。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 3 本课题研究的主要内容 本课题设计的开关磁阻电机软特性调速系统，其主要功能有：正反 转、大范围内平滑调速：软特性参数的在线调整；软、硬特性运行方式 的选择，并具有各种保护功能。具体研究内容如下： 1 学习d s p 5 6 f 8 0 3 的使用，设计以该芯片为核心的s r 电机软特性 调速系统控制器的硬件电路，实现软特性曲线给定及调速、电机正反转， 转速、电流的显示功能。设计以i p m 为主开关器件的功率变换器及相应 的驱动电路和保护电路。 2 研究开关磁阻电机的转矩与电流之间的关系，通过实验获取转矩 与电流的计算关系，实现一种较为简便、快速、实用的计算转矩的方法。 3 开关磁阻电机软特性调速系统采用常规的p i 控制，通过实验确 定法，获得一组最佳调节参数，使得软特性调节能够迅速、平稳，转速 超调量小。 4 开关磁阻电机软特性调速系统的软件设计，使系统能够实现电机 起动，软特性调速和保护功能。并设计p cm a s t e r 的可视化控制软件。能 够在上位机上实现对系统的实时监控功能。 5 设计实验方案，对本课题设计出的系统进行测试。验证系统的调 速性能，软特性控制策略。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机软特| 生的实现原理 第2 章开关磁阻电机软特性的实现原理 2 1 开关磁阻电机的数学模型分析与控制策略 2 i 1 开关磁阻电机的数学模型分析 1 s r 电动机的准线性模型 s r 电动机的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势产生的，适当的 磁路饱和有利于提高s r d 的总体性能，因此电动机磁路的饱和是s r 电 动机的又一个重要特征。由于电动机磁路的非线性，通常s r 电动机的 转矩应根据磁共能来计算，即 t ( o , i 1 ：o w ( o j ) ( 2 1 ) 0 0 式中。一转子位置角 i 一绕组电流 显然，磁共能矿( 口，i ) 的改变既取决于转子位置，亦取决于绕组电流 的瞬时值。 在s r 电动机中，当定转子凸极中心线对准时，气隙很小，磁路往 往是饱和的，而且从提高电机出力，减少功率变换器伏安容量要求考虑， 则磁路必须是饱和的。因此电感实际上是转子位置和相电流的函数，并 非分段线性。磁路饱和对电动机转矩、功率的分析、计算有着明显的影 响，应予以充分考虑。但若不加简化的考虑磁路的非线性，则使得电磁 关系计算非常困难，且不能解析计算。 实用中，为避免繁琐的计算，又近似的考虑磁路的饱和效应，常借 助准线性模型，即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，做这样的近似处理后，每段磁化曲线均可解析【2 l 。 图2 1 给出的是一种用两段线性特性来近似一系列非线性磁化曲线。 其中一段为磁化特性的非饱和段，其斜率为电感l ( o ，j ) 的不饱和值；另 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机软特性的实现原理 一段为饱和段，可视为与02 0 位置的非饱和特性平行，斜率为。图 中的i l 是根据0 = 0 。位置及定转子凸极对准时的磁化曲线= ( f ) 决定 的，一般定在磁化曲线开始弯曲处。 图2 1 分段线性磁化特性 基于图2 i 的s r 电动机的准线性模型，可写出绕组电感上( 口，f ) 的分 段解析式( b ，岛，b ，只，岛见图i - 3 ) ： 谁黧 日口 6 i 。鬻) 删 岛 。篙 伽 只 q 。2 乏：艘一即切片畦i7 篙 删 b厶。+ 【厶。一厶。一k 秒一6 i ) 片f j 45 由妒( f 口) = l c i , e ) g o ) ，可得绕组磁链的分段解析式如下： 厶m f 【k 。+ k ( o 一岛) y k 。f + 板口一岛) 岛s 口 见 o ，1只s 口 b f j ( f ，= k 。io s f s l i z f + ( 。一上m ) f j l 三m 。i k ( o 一只) ， o i i t1 【厶。f + 【，。一k 。一k ( o 一只) kf j 岛s p 只 只口 岛 ( 2 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机软特性的实现原理 由= j 卿= j t ( o ，o i d i ，可得磁共能的分段解析式如下： ( f ，印= 圭u 2 争k + 板臼吲，2 o - i i i l 吾厶眦“板口一岛) ff j 圭u。姚t l 圭u 2 + 一k 即嘲j 吉k 一圭聪口一鲫2 o 姚 圭k n f 2 + 【。一k )嘲 q 口 岛 岛 - o 0 3 岛口 岛 见 - 0 0 5 代入式2 1 ，即得s r 电动机的电磁转矩分段解析式为 瓦( f 国= 0 三船： o 拖f o 一三厨z k , f ( 2 - 4 ) q - 0 0 2 s l岛s p 岛 f j ( 2 5 ) 岛口 岛 。，l幺s 口 - i lj 2 1 2 开关磁阻电机的控制策略 1 s r 电机的起动 1 ) 理想电感与转子位置的关系 - 1 4 - 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电视软特性的实现原理 l c 鳓- 闷 i - 岛：- ：州 ：啪 a b c忸卜 图2 2 理想电感与转子相对位置关系曲线 若不计电动机磁路饱和的影响，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，这时相绕组的电感与转子相对位置关 系可用图2 - 2 表示。厶、如、己c 分别为三相的理想电感，a 、b 、c 为位 置信号。从该图中可以看出位置信号与相电感的关系，正转时，相通电 顺序为a 、b 、c ，此时各相位置信号的上升沿对应各相电感最小位置， 下降沿对应最大位置。位置信号之间间隔1 5 度，下面从该图中分析位置 信号状态及其变化与电机起动、换相之间的关系。 由s r 电机的基本理论知道，s r 电机始终工作在自同步状态，起动 和运行过程中对位置信号有严格的要求。位置传感器安装在转盘上，实 际上由于机械安装的问题，位置传感器可能出现偏移，使得测量的信号 和实际的信号不一致，所以在起动时，很难确定电机的准确初始位置， 这就给确定电机的起始带来了困难。s r 电机有两种起动方式：单相起动 和单双相混合起动方式。 2 ) 单相起动方式 为使电机能够起动并且按照要求的方向转动，需要获得准确的绝对 位置信息，但从位置传感器获得的位置信号只能是相对位置。现采取以 下步骤获取绝对位置信息。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机软特性的实现原理 a 同时给两相通电，比如b 、c 相： b 迟5 0 m s ，关断c 相，b 相继续通电； c 延迟5 0 0 m s ，待电机稳定地停在b 相定子极和转子极对齐的位置： 步骤a 给电机提供了起动脉冲信号，如果b 相确实不在电感最小位 置或者在电感下降位置，那么c 相提供电动转矩，驱动电机转动：当关 断c 相后，b 相继续通电，当延迟了足够长时间后，电机就可以稳定地 停在b 相极对极位置即电感最大位置。起动过程大约花l s 的时间，这样 我们在确定了电机的绝对位置后就可以按照给定方向通电。比如正转， 在起动程序结束后，关断b 相，给c 相通电即可，以后就按照a - b 1 2 顺 序通电，电机就会正转。该方法的缺点是：在起动的时候，为了寻找绝 对位置，即b 相极对极位置，需要先给c 、b 两相通电，这样如果电机 不是停在该位置，起动时会有抖动。 3 ) 单双相混合起动方式 由以上分析知道，单相起动时有抖动，这对严格不允许反转的场合 是不适合的。 仔细分析图2 - 2 可以知道，在有些位置可以两相通电起动，有些位 置只有一相可以通电起动，以正转为例，位置信号与起动相对应的关系 见表2 - l ： 表2 1 转子位置与起动相对应关系 abc起动相 o lob o l1bc o0lc 1 0lca looa 1loab 表中有三个位置为双相起动：0 1 1 、1 0 1 、1 1 0 ，在理想电感曲线图2 2 上可以看出，在这三个位置都是电感重叠区，而且总有一相只能有7 5 0 的导通角，超过7 5 0 以后，电感进入下降区，产生制动转矩，这需要及 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机软特性的实现原理 时关断该相，该相的位置信号的下降沿正好对应电感最大位置，所以可 以利用下降沿来关断该相。所以在双相起动时，在起动过程中只需设置 下降沿中断，如果顺利起动，则运行程序中处理该中断，完成双相起动 到单相运行的顺利过渡。位置传感器总共有六个状态，除了上述提出的 三种状态外，另三种状态时，只给一相通电，起动电机。 2 s r 电机的换相 如果采用单相起动方式，则起动后可以直接进入单三拍运行方式， 按照给定的方向给电机迸行换相。如果采用单双相混合起动方式，则需 要根据转子不同位置设置不同的捕捉方式，运行程序需要根据实际情况 来完成双相到单相的过渡，在过渡成功后，才可以按照给定方向给电机 换相。 3 s r 电机的控制策略 。 s r d 系统性能较为理想，其特点之一就是其可控参数多，开通角鼠、 关断角只、相电压u 、相电流i 都可影响转矩，从而对转速进行控制， 因而其调速控制策略也较多。就目前而言，其控制策略大体可分为以下 几类： i ) 角度控制。角度控制一般应用于较高速区。对每一个由转速及 转矩定义的运行点，开通角、关断角有多种组合，每一种组合对应不同 的稳态性能。角度控制方式的优点在于有较大的灵活性，可同时对多种 参数进行优化，效率较高，但不足之处在于其在低速区不能工作，必须 配合其它方式，如变角度电流斩波控制等，因此控制起来较为复杂。 2 ) 电流斩波控制。电流斩波控制的一般方法是保持开关角度不变， 通过主开关器件的多次导通和关断，进而将电流限制在某值附近，借 以控制转矩。它又可分为两种方式： ( 1 ) 电流上限控制 在0 = 如时，功率电路开关元件接通( 称相导通) ，绕组电流i 从零 开始上升，当绕组电流一旦超过电流的设定值( 斩波电流上限值) 时，开 关管关断，电流快速下降。经时间址时再重新开通。如此循环，从而达 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机软特性的实现原理 到控制电流的目的。这种控制方式不足之处在于：虽然在一个控制周期 内关断时间恒定，但电流下降多少，则取决于绕组的电感、电感变化率、 转速等因素，因此电流的下限并不一致。如关断时间过长则相电流脉动 大；如关断时间过短，则斩波频率过高。因此采用该方式的主要问题在 于参数不易优化，电流脉动大，振动噪声大。 ( 2 ) 电流上下限控制 这种方式指的是在一个控制周期内，给定电流的最大值和最小值保 持不变。当电流传感器检测的绕组电流信号大于设定信号的最大值时， 关断开关管：当续流电流衰减到设定的最小值时，主开关重新开通，如 此反复。这种方式的不足之处在于：由于电感在一个周期内是变化的， 故电流斩波频率疏密不均，在电感变化率较大的区间，电流上升快，斩 波频率较高，必须选择合适的上下限。f 过大则易于使电流脉动大，以 至于电机噪声太大；f 过小，则使斩波频率过高，使主开关无法长期地 承受高频下的开关损耗而被损坏。 3 ) 电压斩波p w m 控制 电压斩波p w m 控制采用的方法是：在原来主开关相控触发信号上 加p w m 调制，通过调节p w m 的占空比d ，从而调节施加在相绕组上 的两端电压，以达到调速的目的。与电流斩波控制方式类似，提高脉冲 频率仁l 厂r ，则电流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但功率