（控制理论与控制工程专业论文）开关磁阻电机调速系统的研究.pdf

摘要 本文阐述r 开关磁阻电机调速系统的组成、特点、发展状况后，漉 明这一新型调速系统具有很高的研究价值和广阔的市场前景。本文以基 于d s p 的开关磁阻电桃调速系统控制器的设计为研究方向，主要做了以 下工作。 基于丌关磁阻电机调速系统的小信弓线性动态模型，进行了p w m 调压调速的开关磁阻电机调速系统仿真。 本文基于d s p 的 关磁阻电机调速系统，实现厂起动、转速调节、 转速电流显示、故障保护、d s p 与计算机通讯等功能。文中给出了主要 的硬件设计电路：功率电路、d s p 外围电路、角度细分电路、电流斩波 电路、真流侧电压检测电路及逻辑综合电路。主要的软件设计程序：d a 转换程序、根据位置信号和转向信号输出相通断信号程序、转速计算程 序、转速调节程序、捕狱中断程序及显示程序。试验结果证明该控制器 基本满足涮速要求。 关键词：开关磁阻电机调速系统d s p r e s e a r c ho fs 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 a b s t r a c t 7 l h ed i s s e r t a t i o ng i v e sa ni n t r o d u c t i o nt oc o m p o s i t i o n ，i 爸a t u r e s t h es t a t e a n dt r e n do fd e v e l o p m e n to fs 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 ) a n d s h o w st h es t u d yo fs r d s y s t e mi sv a l u a b l e t h ed i s s e r t a t i o ni sf o c u so nt h e e x p l o i t a t i o no f d s p b a s e ds r d s y s t e m c o n t r o l l e r b a s e do nal i t t l e s i g n a ld y n a m i cm o d e lo fs r ds y s t e m ，s r ds y s t e m w i t hv a r i a b l ev o l t a g ec o n t r o li ss i m u l a t e d d s p b a s e ds r d s y s t e mi m p l e m e n t ss t a r t u p ，s p e e dr e g u l a t i o n ，s p e e da n d c u r r e n td i s p l a ge l t o rp r o t e c t i o n c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s pa n dp c t h e m a i nh a r d w a r ec i r c u i tc o n s i s t so fi n v e r t e r c i r c u i t d r i r ec i r c u i t ，d s p p e r i p h e r a lc i r c u i t ，a n g l es u b d i v i s i o nc i r c u i t c u r r e n tc h o p p i n gc i r c u i t ，d cb u s v o l t a g em e a s u r i n gc i r c u i t a n d l o g i cs y n t h e s i s c i r c u i t t h em a i ns o f t w a r e p r o g r a m i n c l u d ed ac o n v e r s i o np r o g r a m ，p h a s eo n o f f a c c o r d i n gt op o s i t i o n a n dd i r e c t i o ns i g n a lp r o g r a m ，s p e e dc o m p u t a t i o np r o g r a m ，s p e e dr e g u l a t i o n p r o g r a m ，c a p t u r ei n t e r r u p tp r o g r a ma n dd i s p l a yp r o g r a m ，t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h ec o n t r o l l e ri sw o r k a b l e k e yw o r d s ：s w i t c h e d r e l u c t a n c ed r i v e ( s r d ) d s p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导f 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： 作帕同 志对本研究所做的任何贞献均已在论文中作了明确的说明并表山；了谢 意。 签名：垂烂 ，。卅，年 ，月 ，f j 1 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油入学有关保留、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 以公布沦文的仝部或部分内容，呵以采用影印、缩e 或其他复制= = f 段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 川年i ，月f 1 2 蕾t 年 f t 月t lf i 石油火学( 华东) 硕士论文 目u 鬲 第1 章前言 1 1 开关磁阻电机调速系统的组成 开关磁阻电机调速系统( 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 ) ，主 要由开关磁阻电机( 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 m ) 、功率变换器、 控制器和角位移传感器四部分组成，如图1 - 1 所示。 【直流电i 蚪功率变换器r 叫! 兰! 卜7 l 负载 l 外部给定i- i 微机描l 车辛 s r d 系统组成 ( 1 ) 开关磁阻电机是s r d 中实现机电能量转换的部件，系双凸极 可变磁阻电动机，其定转子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，径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、 转予的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉 动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。因此电机定、转子的极数 应当按使用的场合合理确定。 s r m 的转向与电流方向无关，为单向电流，若改变相电流的大小， 可改变电动机转矩的大小，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到的直流电供电。由于s r m 绕组电 石油大学( 华东) 硕士论文前言 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 主开关器件是串联的，因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 ) 控制器是系统的核心。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 工作状态，实现对s r m 运行状态的控制。 ( 4 ) 位置传感器向控制器提供转子位置信号和速度信号，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 电磁线圈法进行位置检测，采用无位置传感器的位置检测方法是s r d 的 发展方向，对降低成本、提高系统可靠性有重要的意义。 1 2 开关磁阻电机调速系统的特点 ( 1 ) 电动机结构简单、成本低、适用于高速。开关磁阻电动机的结 构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点是转 子上没有任何型式的绕组，因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼 铸造不良和使用中的断条等问题。其转子机械弹度极高，可以用于超高 速运转( 如每分钟1 万转以上，国外有报道的最高转速为每分钟l o 万转) 。 在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘容易。 ( 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。对比 感应电动机绕组需流过双向电流，向其供电的p w m 变频器中功率电路 每相需两个功率元件。因此开关磁阻电动机调速系统较p w m 变频器功 率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。另外，p w m 变频器功率电 路中每桥臂两个功率开关直接跨在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功 率元件。而开关磁阻电机调速系统中每个功率开关元件均直接与电动机 绕组相串联，根本上避免了直通短路现象。因此开关磁阻电机调速系统 中功率电路的保护电路可以简化，既降低了成本，又具有高的工作可靠 石油大学( 华东) 硕士论文 刚磊 性。 ( 3 ) 各相独立工作，可构成极高可靠性系统。从电动机的电磁结构 上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。 而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形 旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制器结构上看，各相电路各自给 一相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电动机一一相绕组 或控制器一相电路发生故障时，只须停止该相工作，电动机除总输出功 率能力有所减小外，并无其它妨碍。由此本系统可构成可靠性极高的系 统，可以适用于宇航等特殊场合。 ( 4 ) 高起动转矩，低起动电流。控制器从电源侧吸收较少的电流， 在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。典型产品的数据是： 起动电流为1 5 额定电流时获得起动转矩为1 0 0 的额定转矩；起动电流 为额定值的3 0 时，起动转矩可达其额定值的1 5 0 。对比其它调速系统 的起动特性，如直流电动机为1 0 0 电流，获缛1 0 0 转矩；鼠笼感应电 动机为3 0 0 的电流，获得10 0 的转矩。起动电流小转矩大的优点还可 以延伸到低速运行段，因此本系统十分适合那些需要重载起动和较长时 低速重载运行的机械，如电动车辆等。 ( 5 ) 适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩， 低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发 热较连续额定运行时还小。可控参数多使之能在制动运行同电动运行具 有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之 适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1 0 0 0 次孙时。这类生产 机械有龙门刨床、铣床、冶金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。 ( 6 ) 可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参 数和常用方法至少有四种：相开通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电 压。可控参数多，意味着控制灵活方便。可以根据对电动机的运行要求 和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状 石油大学( 华东) 硕士论文 刚舌 态( 如出力最大、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。如使电动机具有完全相同的四象限运行( 即正转、反转、电 动、制动) 能力，并具有高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。 ( 7 ) 效率高，损耗小，本系统是一种非常高效的调速系统。这是因 为一方面电动机转子不存在绕组铜损，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下实现高效优化控制。其系统效 率在很宽范围内都在8 7 以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。 将本系统同p w m 变频器带鼠笼感应电动机的系统进行比较。本系统在 不同转速和不同负载下的效率均比变频器系统高，一般要高5 个百分点 左右。 ( 8 ) 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。 各种突出的优点，使s r d 已成为交流电机驱动系统、直流电机驱动 系统及无刷直流电机驱动系统的有力竞争者。由于s r 的双凸极结构， 不可避免地存在转矩波动，噪声是s r 电机存在的主要缺点。但是，近 年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，s r d 的噪声完全 可咀做到高质量的p w m 型异步电动机的噪声水平。 1 3 开关磁阻电机调速系统的发展概况和发展趋势“1 磁阻式电动机诞生于1 6 0 年前，但在此后漫长时期内，它一直被认 为是一种性能( 效率、功率因数、利用系数等) 不高的电动机，故仅应 用于少数小功率场所。通过最近约2 0 年问的研究和改进设计工作，使磁 阻式电动机的性能不断提高，目前已能在较大的功率范围内使其性能不 低于其它型式的电动机。七十年代初，美国福特电动机( f o r dm o t o r ) 公 司研制出最早的开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e d r e l u c t a n c ed r i v e ) 。其 结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状 态和较宽范围调速的能力，特别适用作蓄电池供电的电动车辆传动。七 十年代中期，在工业部门的促进下，英国里兹( l e e d s ) 大学和诺丁汉 石油大学( 华东) 硕士论文 日磊 ( n o t t i n g h a m ) 大学组成一研究小组，共同研制以传动电动车辆为目标的开 关磁阻电动机调速系统。小组在该系统的理论研究和实践方面做了大量 工作，他们研制的样机容量从1 0 w 至5 0 k w ，转速从7 5 0 r p m 至 1 0 ，0 0 0 r p m ，其系统效率和电动机利用系数等主要指标达到或超过了传统 传动系统。随后以研究小组为基础成立了开关磁阻电动机调速系统公司 ( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e sl t d ) ，以经营其研究成果。1 9 8 1 年英国 t a s c 公司( t a s cd r i v e sl t d ) 获准制造该系统，并于1 9 8 3 年推出商品 名为o u l t o n 的通用调速系列产品，其容量范围为4 - 2 2 k w 。该产品的出 现在电气传动界引起不小的反响。因为其确实在很多性能指标上达到出 人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长 期广泛应用的一些变速传动系统。 开关磁阻电动机调速系统的出现不仅为工业、交通、国防及家用电 器等部门提供了一种极其优越的调速系统，而且也因其具有的典型机电 一体化结果丰富了“机械电子学”的成功实例。因此1 9 8 3 年后在国际范 围内迅速掀起开关磁阻电机研究开发热，并持续至今不断发展，其产品 推广领域不断扩大。在国外推广较早较成熟的有：矿山机械( 采煤机、 输送带等) 、航空发动机、电梯、电动汽车、洗衣机、食品加工机、火车 空调机、织布机等。 我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于1 9 8 4 年，并被列为 中小型电机“七五科研规划项目”。现已有大批高等院校、科研院所、生 产企业从事开关磁阻电机调速系统的开发研究工作，如北京纺织机械研 究所、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华中理工大学、华南 理工大学、合肥工业大学、哈尔滨电工学院、南京调速电机厂、山东淄 博电机二厂、西安微电机研究所、上海电科所、上海中达- 斯米克公司等。 在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽 管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或 四相控制方案上，目前已有十余家单位推出不同性能、用途、功率( 1 k w 石油大学( 华东) 硕士论文前言 到5 5 k w ) 的多规格系列产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等多种 行业、场所的数十种生产机械和运输车辆中。 1 9 8 8 年在南京召开的第一届开关磁阻电机研讨会和1 9 9 1 年在武汉 召开的第二届研讨会上，均发表了不少专业论文，但数量、质量均不高。 1 9 9 2 年，在中国电工技术学会中小型电枫专业委员会领导下成立了开关 磁阻电机学组，以更好地推动开关磁阻电机研究工作的进展。自此，开 关磁阻电机的研究工作从最初摸索合理的设计方法转向如何加速优化设 计发展，在绕组互感对运行的影响、转矩脉振、最佳电流波形、振动与 噪声、发热及铁耗计算等方面提出了许多有益的见解和尝试；在控制方 面，微控制器正由m o t o r o l a 的d s p 5 6 f 8 0 0 系列或t i 的t m s 3 2 0 f 2 4 x 系 列逐步取代i n t e l 公司的m c s 一9 6 或m o t o r o l a 公司的m 6 8 0 0 0 系列单片机， 用以提高控制系统的响应速度，降低成本，实现更为复杂的控制策略。 交流变频调速、直流无刷等系统经历了几个阶段的研究开发，在应 用领域己处于领先地位。开关磁阻电机调速系统则是随之而上的又一调 速驱动系统，涉及到微电子、电力电子、微机实时控制、机械制造、机 电一体化及工程应用等众多学科领域，具有广阔的发展前景。 目前s r d 系统的研究主要涉及以下几个方面： o s r m 参数的确定，主要是磁链曲线的测量和计算； 性能的精确估算，包括整个系统稳态和动态性能的数字仿真： s r d 系统的优化，包括从电动机的设计和控制器软、硬件两方面 来提高系统效率、降低噪音和转矩脉动； 无位置传感器的s r d 系统的研制，位置闭环控制是开关磁阻电动 机的基本特征，但它的存在会使电机结构简单的优点变得逊色，降低了 可靠性。为此探索实用的无位置检测器方案是十分引人注目的课题； 变换器方案和主开关元件选择； 微处理器和专用集成电路的应用，主要是根据不同的控制方案选 择合适的微处理器以及控制电路的a s i c 设计； 石油大学( 华东) 硕七论文 前言 高速开关磁阻电动机产品开发： 振动、噪声研究； 铁损耗分析与效率研究。 综上所述：开关磁阻电机调速系统结构简单坚固、成本低、效率高、 调速性能优异，是传统交、直流调速系统的强有力竞争者，是各国研究 和开发的热点之一，s r d 产品己广泛或开始应用于电动车驱动、家用电 器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域，覆盖功率范围 1 0 k w 5 m w 的各种高低速驱动系统，呈现强大的市场潜力。 1 4 课题的主要工作 本课题是自选研究课题，研制一套基于d s p 的开关磁阻电机调速系 统。开关磁阻电机为8 6 极四相3 k w ，控制芯片选用m o t o r o l a1 6 位d s p 芯片d s p 5 6 f 8 0 3 。主要工作如f ： ( 1 ) 设计s r d 系统控制器的硬件电路，包括电流电压检测电路、位 置检测电路、保护电路、低速电流斩波电路、角度细分电路、d s p 外围 电路、驱动电路及功率电路等。 ( 2 ) 编写、调试控制软件。实现数据采集及显示；跟踪转子位置， 输出相通断信号至功率变换器对应的开关器件，以励磁对应的相绕组： 根据转子位置信号计算速度值，将速度偏差作p i 运算，p i 运算结果换算 成p w m 信号的占空比，实现电机转速调节；控制电机通电相序，实现 电机正反转运行；电机起动时采用定角度电流斩波工作模式，运行时采 用变角度电压斩波工作模式。 ( 3 ) 通过实验，验证控制器设计的合理性。 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章开关磁阻电机的基本原理 第2 章开关磁阻电机的基本原理 2 1 开关磁阻电机的工作原理 图2 1 表示8 6 极四相开关磁阻电 机的横切面和一相电路的原理示意 图，s l 、s 2 是电子开关，v d l 、v d 2 是二极管，以是直流电源。它的定子 和转子呈凸极形状，极数互不相等， 转子由叠片构成，无绕组，定子绕组 可根据需要采用串联、并联或串并联 结合的形式在相应的极上得到径向磁 场，转子带有位置检测器以提供转予 位置信号，使定子绕组按一定的顺序 通断，保持电机的连续运行。电机磁 阻随着转予磁极与定子磁极的中心线 对准或错开而因为电感与磁阻成反 弧 图2 - l 开关磁阻电机的工作原理 比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极 间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 当定予d d7 极激励时，所产生的磁力则力图使转子旋转到转予极 轴线1 1 与定子极轴线d d 重合的位鼍，并使d 相励磁绕组的电感 最大。当1 1 和d d7 轴线重合时，转子已达到平衡位置，即当d 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d 相开 关s 。、s 2 ，合上a 相开关，即在d 相断电的同时a 相通电，建立以a 相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方向转过4 5 。，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d a - b c 四相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距 r ，( rr = 2 口n r ) ，对于四相8 佑极开关磁阻电机- 3 6 0 。6 = 6 0 。，定子磁 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机的基本原理 极产生的磁场轴线则顺时针移动了4 4 5 。= 18 0 。空间角。可见，连续 不断地按d a b c 的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线 沿d a b c 的方向不断移动，转子会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋 转。如果按b a d c 的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着 b a d c 的方向转动，转子则顺时针方向旋转。 2 2 开关磁阻电机的数学模型 建立开关磁阻电机数学模型，通常有以下三种方法：线性模型、准 线性模型( 分段线性模型) 和非线性模型。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，一般用于定性分析。 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型。 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 ，m 相的电压、磁链、电阻和电 流及转矩分别为“。、y 。、r ，、”正，转子位置角为0 ，转速为。 ( 1 ) 电压方程 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，第p 相绕组电压 方程： “。：r j , l e + 旦竺( 2 ” dt ( 2 ) 磁链方程 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机的基本原理 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： 妒。= 眇( ，1 ，厶，厶，p ) ( 2 - 2 ) 由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计 算，在丌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： y 。= 妒( 办，9 ) = 上( 如，毋) 五， ( 2 - 3 ) ( 3 ) 转矩方程 根据机电能量转换原理，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 t r = 掣= ，( d p ，臼) ( 2 - 4 ) = 一2 ，口j ”， a f 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 兀= 丁( 厶，目) ( 2 5 ) p = l ( 4 ) 机械运动方程 其中，。，、b 、t 1 分剐为转动惯量、粘滞系数及负载转矩。 ，! 竺：t e b 一t i( 2 ，6 ) ( 打 一d o ： ( 2 7 ) d t 2 3 开关磁阻电机的线性模型 在忽略电动机磁路饱和的影响，且假定相绕组的电感与电流的大小 无关情况f 即绕组电感是转子位置的分段线性函数，则可推出s r 电机的 线性数学模型。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机的基本原理 2 3 1 绕组电感 由于开关磁阻电动机的电磁转矩是磁阻性质的，又是双凸极结构， 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，也就是上节所说的理想线性模型开始进行分析研究，所得到的 相绕组电感随转子位置角周期性变化的规律可用图2 2 说明。 图2 - 2 中横坐标为转 子位置角，它的基准点即 坐标原点0 = 0 的位置， 对应于定予凸极中心与 转子凹槽中心重合的位 置，这时相电感为最小值 上。在0 ，臼2 ( 0 ：为转 子磁极的前沿与定子磁 极的后沿相遇的位置) 区 卅萑习 f 厂 一j l 成扎 1 _r 印。? - ： a0 日2如矾 岛日 图2 - 2 电感与转子位置角的关系 域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值三。不变，这是因为开关 磁阻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 小电感常数区；转子转过0 ：后，相电感便开始线性地上升直到0 ，为止， 良系转予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；基于电机综合性能的考虑，转子极弧，卢， 通常要求大于定子极弧卢。，因此在0 ，0 。( 0 。为转子磁极的后沿与定 予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三。；从0 n 相电感开 始线性地下降，直到毡处降为l 。，o s 、0 ，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。 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章开关磁阻电机的基本原理 开关磁阻电机基于线性模型的绕组电感的分段线性解析式为 f 们= k ( o 一口2 1 + 三m m l l m a x - - k ( o 一0 4 ) 口ls 臼茎目2 0 2 0 口) 口3 口曼0 4( 2 8 ) 目4 目0 5 式中k = 等= 半；届一定子磁极极弧。 23 2 绕组电流 当开关磁阻电机由恒压直流电源【，。供电时，在绕组电感仅是转子位 置的线性函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况下，由式( 2 1 ) 得 u 。：坐 ( 2 9 )，= _( 一) 将甲= l i 代入上式，得 如。= l 罢砌丝0 0 ( 2 _ 1 0 ) 以 由初始条件r = o 、0 。= 0 。，i 。= f ( 目。) = o 及式( 2 - 8 ) ，求解微分方程 ( 2 1 0 ) 可得 f ( 们= 当旦二盟b 蔓臼辄 三。 国 。 一 k 。+ k ( o 一0 2 ) j u ，( 2 口彬一0 。一0 ) i 。瓦j i 网 u 、( 2 0 硝一0 。一0 ) 上。 u ，0 0 。 i一l一-x(o-00 0 2 0 0 ， 口r j 0 0 3 ( 2 1 1 ) 0 ，0 0 4 0 。0 0 5 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章开关磁阻电机的基本原理 显然，当日= 2 a 蚵一如时，相电流已衰减至零。 图2 - 3 不同开通角f 的绕组电流波形 】疗。 口2 一l 。k 2 一钆= 口2 一l 。k 3 p 。) 侥一三。，足 由式( 2 1 1 ) 可知，对结构一定的电动机，绕组电流与外加电源电 压u 。、角速度、开通角钆、关断角护，w 、最大电感三、最小电感k 。 定子极弧，等有关。减少a 卅，电流峰值随之增加，调节日可改变电流 波形宽度，但较之臼。的作用较弱。显然，如果在电感下降区绕组电流不 为零，则产生的电磁转距为制动转距，因此一州不能关断过迟。但锄关 断过早也会由于电流有效值不够而使电磁转距减小。图2 3 为不同开通 角时的电流波形。 在电机低速运行时，电流幅值会很高，必须加以限幅，以保证开关 管的安全，固定占。、臼。，通过给定电流限幅值，以产生所需的电磁转 距，电流波形近似为“平顼波”。在电机高速运行时，通过调节口。、晚， 来改交电流的最大值、有效值，以产生所需的电磁转距。 2 33 电磁转矩 s r 电机电磁转距的计算，可通过磁场储能或磁共能晰对转子位置 角的偏导数求取。 石油大学( 华东) 硕十论文 第2 章开关磁阻电机的基本原理 t ：旦堕堡：鱼 a6 i 磁共能m 为 d w = l i 卿 0 在理想线性模型假设下，可写出电磁转距的解析表达式为 丁：! f ：盟 2a 甘 将式( 2 镥) 代入式( 2 1 4 ) ，则得 0 1 k i 2 o 一娄肼 口1 8 口2 目2 兰口口3 3 口口4( 2 1 5 1 口4s 目墨毋5 由以上分析可得出如下结论： ( 1 ) 电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的，当磁 导对转角的变化率大时，转矩也大。 ( 2 ) 电磁转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电流增 大后铁芯饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随电流的增大 而增大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕 组电流得到恒转矩输出的特性。 ( 3 ) 转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感曲线的上升段 通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段通入绕组 电流则会产生反向的电磁转矩。 2 4 开关磁阻电机的控制模式 s r 电机的控制模式是指对电机那些参数进行控制及如何进行控制， 】4 2 3 4 眨 眨 眨 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机的基本原理 使电机达到规定的工况( 如规定的转速、转矩) ，并使其保持较高的性能 指标。s r 电机的可控变量一般有施加于相绕组两端的电压玑，相电 流，、开通角臼。和关断角臼。，等。根据控制变量的不同方式，常用的控 制模式：电流斩波控制( c h o p p e d c u r r e n tc o n t r o l 简称c c c ) 、角度位置控 静l ( a n g u l a r p o s i t i o nc o n t r o l 简称a p c ) 和电压斩波控制。 2 4 1 电流斩波控制 电机低速运行时，u 。不变，反电势较小，电流变化率大，为避免电流 上升过快，超过功率开关和电机允许的最大电流，可以采用斩波方法限制 电流。 电流斩波实现通常有两种措施【6 i ： 1 ) 限制电流上下限值 在一个控制周期内，检测电流i 和给定电流i + 进行比较，当i i + + f 时，就控制功率开关器件关断：当f f + + a i 时，再熏新使该相的开关器 件导通。这样，就使相电流i 维持在斩波电流给定值i 上下。 u u ( a ) 滞环比较器 0日 f b l 相电流波形 图2 3 电流上、f 限控制 图2 3 ( a ) 为采用滞环比较器实现的控制电路，图2 - 3 ( b ) 为该控制 模式下的相电流波形。由于一个周期内，相绕组电感不同，电流的变化 率也不同。因此，斩波频率疏密不均，在低电感区，斩波频率较高；在 高电感区，斩波频率下降。 石油人学( 华东) 硕士论文 第2 章开关磁阻电机的基本原理 ( 2 ) 电流上限和关断时间恒定 j 爹压叵p 0 0 r a l 单稳电路 f b l 相电流的波形 图2 4 电流上限关断时间恒定控制 与限制电流上、下幅值的控制模式相比，区别在于相电流i 和给定电 流i + 进行比较，当i i 时，控制功率开关关断段时间后再导通。图2 4 ( a ) 为采用单稳态电路实现的控制电路，实测电流超过电流给定值时， 产生一脉宽恒定的信号，其与功率开关管的触发信号相与来关断开关管 “一定时间。图2 4 ( b ) 为该控制模式下的相电流波形。在每一个控制周 期内，关断时间恒定，但电流下降多少取决于绕组电感量、电感变化率、 转速等因素，因此，电流下降量并不一致。此外，对于关断时间的选取 应适宜，时间过长，相电流脉动大，发生“过斩”；时间过短，斩波频 率高。 2 4 2 角度位置控制 电机较高速运行时，反电势足以抑制电流上升，角度位置控制就是电 压保持不变，通过改变开通角和关断角两个控制参数来调节电机转速， 角度调节的关键在于将角度量转化为相应速度的时间可控量，同时应兼 顾到精度要求及控制复杂性。 由于导通角的增大是有极限的，一般不超过半个极距f ，2 ，亦即电源 电压u ，= u 。，良。= 7 必= 万n ，所对应的运行角速度o , 1 ，是a p c 方 式的下限值，没有进一步调节的余地，这时s r m 将回复到对应于 目。= f ，2 时的自然机械特性上运行。 6 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章开关磁阻电机的基本原理 可见，开关磁阻电机控制变量有电源电压u ，开通角0 。、关断角 口。彬，在上述两个区域内分别采用不同的控制方法，即c c c 方式矛 i a p c 方式，便能得到满足不同要求的机械特性，这充分表i t 珥s r m 具有优良的 调速性能。 2 43 电压斩波控制 在0 。一0 m 导通区间内，使功率开关按p w m 方式工作。其脉冲周期 7 1 固定，占空比，r 可调。在丁内，绕组加正电压，t ：内加零电压或反 电压。改变占空比，则绕组电压的平均值“变化，绕组电流也相应变化， 从而实现转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制。与电流斩波控制方 式类似，提高脉冲频率f = 1 t ，则电流波形比较平滑，电大，噪声减小， 但功率开关元件的工作频率增大。 调节绕组外施电压的方法有以下三种： ( 1 ) 直流侧p w m 斩波调压 图2 5 斩波器电路 对于采用不可控整流电路的系统，整流电压近似恒定，因此，可直 接在回路串联一支开关管丁。，用p w m 信号控制t 。的通断，图2 5 为电路 示意图。根据转速要求，调节p w m 信号的占空比d ，从而调节电机绕组 的平均供电电压，实现调速目的。由于开通角可以保持不变，因此该控 制简单，较易实现。但各项共接于电源端，公共开关，会影响各相的工 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机的基本原理 作状态，通过选择适宜的占空比来保证要求。 ( 2 ) 开关斩波调压 相开关斩波调压就是直流电压保持不变，用p w m 信号直接控制相开 关的通断，从而调节旎加于绕组j 二的有效电压。与直流侧p w m 斩波调压 的控制模式相比，不需要额外增加开关管，而且，各相独立控制，换相 不受影响。但是，每相开关器件均工作于高频斩波状态，开关损耗较大。 ( 3 ) 可控整流调压 系统的整流侧采用可控整流电路，通过调节整流电压可以响应电机 转速要求。与以上方式通过p w m 斩波限定电流不同，由于可预先调节直 流电压，因此，不需要p w m 斩波控制。在整个调速范围内，只有一个运 行模式，即单脉冲方式，减少开关损耗，但是控制电路复杂。 244 各控制模式的特点 ( 1 ) 角度控制的特点 转矩调节范围大 同时导通相数可变 电动机效率高 不适用于低速 ( 2 ) 电流斩波控制的特点 适用于低速和制动运行 转矩平稳 适合用于转矩调节系统 用作调速系统时抗负载扰动性的动态响应慢 ( 3 ) 电压斩波控制的特点 电压斩波控制是通过p w m 方式调节绕组电压平均值，间接调节和 限制过大的绕组电流，既能用于高速运行，又适合于低速运行。其它特 点则与电流斩波控制方式相反，适合于转速调节系统，抗负载扰动的动 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机的基本原理 态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。 2 5 开关磁阻电机的控制策略 与采用角度一斩波控制的s r d 相比，采用固定导通角p w m 控制的 s r d ，其相电流峰值较高，系统效率也没有前者高。变导通角p w m 控 制是将固定导通角p w m 控制与角度位置控制相结合的s r d 调速控制策 略。一方面，它用p w m 信号对功率变换器主开关触发信号实旖调制； 另一方面，在不同的转速段，分别采用不同的主开关开通角0 。，和关断 角仇，。这样，s r d 在某一转速段内，采用固定导通角p w m 控制，而 在整个转速范围内，采用变化的0 。和0 0 j s ，以提高系统效率，降低电流 峰值1 6 j 。 表2 - 1 0 。，口f j ，设定值 本系统的控制策略：起动时采用电流斩波控制，限制电流峰值。调 整位置检测器，可有不同的0 。0 。固定导通角方案；运行时，采用变导 通角p w m 控制。 2 6 开关磁阻电机的转矩一转速特性 图2 - 6 是s r 电机的转矩一转速特性，它与异步电机变频调速系统的 特性相一致。由于控制灵活，很容易改变转矩一转速特性的曲线，以适 应不同负载的要求。 对几何尺寸一定的开关磁阻电机，一般定义在外施电压和允许的最 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章开关磁阻电机的基本原理 大磁链，即最大电流条件下电机能获得的最大转矩的最高转速为“基速” 胁。在基速以上，由于电压不能再增加，而开关角受相周期限制。因此存 在获得最大功率的最高转速，有的文献定义为“第二临界转速”以。转 速低于国。时，s r 电机采用c c c 控制。此时，电机的开通角固定在电机效 率最高或转矩脉动最小的位置。通过调节斩波电流上限值使s r 电机保持 恒转矩特性。当转速高于锄时，为了得到较大的电磁转矩，须增大导通 角。为此采用角度控制。调整开通角的大小，使电机具有恒功率输出特 性。当转速高于国。导通角增大到一定值后，就不能再增加了。这时s r 电机的导通角保持在最大值，电机具有类似串励直流机的特性。因而开 关磁阻电机宽范围的调速特性可以通过简单地改变控制模式而得到。 1 l 恒转矩臣i 恒功率哇 串励特性区 式方式l p c 方式1 忙- r 。 。j 图2 6 转矩一转速特性 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章s r d 控制系统的设计 第3 章s r d 控制系统的设计 3 1s r d 控制系统 本系统框图如图3 ，1 所示。速度反馈信号m 取自位置传感器输出的转 子位置信号，被给定速度j 相减后作为速度调节器的输入，速度调节器 输出对应p w m 信号。p w m 信号综合相通断信号、电流斩波信号和保护 信号共同驱动功率开关管。 图3 1s r d 系统框图 3 2s r d 小信号线性化动态模型h 3 3 21s r 电机小信号模型 当s r 电机相电流为平顶电流波形时，其平均电磁转矩丁。，为： 驴筹( o o 一- 0 2 ) l 警一i 1 - 0 0 口- i 0 2j ( 3 - 1 0 3 l m a x ) z 疗 【 l m m z l 删n j 式中：旷电动机相数： ，一转子齿数； 脚一转速； u 一电源电压； 2 l 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章s r d 控制系统的设计 0 。一绕组开通角： 目m 一绕组关断角： 0 ：一相电感上升的起始角； l ( 三。) 最大( 最小) 电感。 由此可见，s r 电机的平均电磁转矩r 。为控制参数u 、0 。、0 。及 受控变量0 9 的函数。由微分学原理，电磁转矩丁。，的全微分方程为： 亿。= 鲁删+ 薏地。+ 薏d 勘+ 等如d z ， 由于s r 电机调速系统通常为稳速系统，对于某个稳态工作点附近 小的扰动，根据非线性系统线性化理论，上式( 3 2 ) 中各变量微分可用对 应的增量来代替，因此可得s r 电机在工作点附近小信号线性化的电磁 转矩方程为： a 7 。= k 。a u + k 。曰。+ k 硝a o t s k 。a a o ( 3 - 3 ) 其中，k 。= a t 。o u ； k ，。= a t 。0 0 。； k ，= o t 。8 0 , 矽； k 。= - 8 t 。，a 。 由上面转矩方程式( 3 - i ) ，可得出各系数表达式分别为： 肛i p n , u ( 喝l 警一j 1i o o 口- i - 0 2 | ( 3 - a ) = 一j p n , 。u 国2 i ( o , , j p - 0 2 ) ( 3 5 ) ：掣i 目2 - - o o n 一卫堕i( 3 - 6 ) 硝一丽i i i ：il 。3 一o 舻筹c 畅嘞l 警一i 1 瓦0 0 拶- 0 2 ；p ， 仿照式( 3 ，3 ) 的推导，s r 电机机械运动方程式也作小信号线性化处 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章s r d 控制系统的设计 理，得 ，。，= d d a ，c o + d a 脚+ 7 1 ，( 3 - 8 ) s r 电机在a p c ( 角度位置控制) 方式运行时，当某相绕组导通后，输入 的角度控制命令必须经过一个转子极矩角f 的延迟，直到该相再次导通 时才被响应。所以，若角度控制的输入量为石。和万。为，则有： 舷三麓z t p 。， i 酿桫= 万晰( - f ) 卜 7 其中，f 为s r 电机响应角度控制命令的延迟时间平均值，一般约为几毫 秒。 e l l 式( 3 3 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 构成s r