（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的开关磁阻电机调速系统设计与研究.pdf

s u b j e c t：r e s e a r c ha n dd e s i g no 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 b a s e d o n d s p s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e r n a m e ：y a n g t a o i n s t r u c t o r ：w e il i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r 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 mi san e wm o t o rd r i v es y s t e m i th a sm a n yg o o d f e a t u r e sf o re x a m p l es i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s ta n de x c e l l e n ti nd r i v i n gp e r f o r m a n c e i t st h e s t r o n g e s tc o m p e t i t o rt ot r a d i t i o n a la ca n dd cd r i v es y s t e m , s oi th a sp o w e r f u lf u t u r e t h i s p a p e ru s e st h e8 6p o l e ，0 3 7 k ws r m a sr e s e a r c ho b j e c ta n dd e s i g nas w i t c h e dr e l u c t a n c e d r i v es y s t e m t h ec o n t r o l l e ru s e st m s 3 2 0 f 2 4 0 7 砸t h em a i nc o n t r o lu n i t , a d o p t s t w o - c l o s e d - l o o pc o n t r o ls c h e m ea n dv o l t a g ep w mc o n t r o l l i n g a n dt h e nt h ea p p l i c a t i o no f f u z z yc o n t r o lt e c h n i q u eo ns r di sa n a l y z e db ys i m l l l a t i n g t h em a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e r i sa sf o l l o w s ： 1 i tp r i m a r i l y p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n t , f e a t u r e sa n dm a i nr e s e a r c hd i r e c t i o no f s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 砒h o m ea n da b r o a da n dd i s c u s s e st h eb a s i cs t r u c t u r eo fs r d s y s t e m ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，r 蛇 r f c c tl i n e a rm o d e la n do r d m a r yc o n t r o lm e t h o d s 2 t h ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e da d o p t i n gt m s 3 2 0 f 2 4 0 7a sc o n t r o lc o r e p e r i p h e r a l l y c i r c u i t si n c l u d em a i nc o n t r o lm o d e l ，c u r r e n td e t e c t i o n , p o s i t i o ns e n s i n g ，f a u l td e t e c t i o na n d p t e c t i o n s e r i a li n t e r f a c ea n do t h e r sa s s i s t a n tc i r c u i t s b yr e s e a r c h i n ga n dc o m p a r i n gs e v e r a l p o w e rc o n v e r t e r s ，hb r i d g et o p o l o g ys t r u c t u r ei sa d o p t e d t h e nt h ep o w e rc o n v e r t e r sa n dt h e d r i v e rc i r c u i ta r ed e s i g n e d 3 t h es y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e da n dc o d e dw h i c hi n c l u d 器c o n t r o ls y s t e ma n du p p e r m a c h i n e s o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mi sc o m p i l e da n dd e b u g g e dw i t ha s s e m b l ea n dc l a r l g u a g eu n d e rt h ep l a t f o r mo fc c s 3 1 t h es o f t w a r eo fi l p p e rm a c h i n er e a l i z e sc o n t r o l f u n c t i o np o s s e s s i n gv i r t u a lm a c h i n ea n dc o n t r o lp l a t f o r mc h a r a c t e r i s t i c sb yu t i l i z i n gt h e a d v a n t a g eo f o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n gu n d e rt h ep l a t f o r mo f v c + + 6 0 4 ，d e s i g n e da s e to fs r da n dd i dt k ) m ee x p e r i m e n t s t h er e s u l ts h o w st h es y s t e md e s i g n i sr a t i o n a l ，t h ec o n t r o lm e t h o da n dc o n t r o ls t r a t e g ya r cc o r r e c ta n de f f e c t i v e t h es y s t e mh a sa 灶 g o o dp e r f o r m a n c ea n dh i g he f f i c i e n c y , a c h i e v e st h ea n t i c i p a t i v er c 轴心n l a k e $ af o u n d a t i o nf o r f u t u r er e s e a r c ha n dh a ss o m eu s e f u lv a l u e 5 f i n a l l y t h ea p p l i c a t i o no ff u z z yc o n 扫o lt c c l m i q u eo i ls r di sa n a l y z e d t h e e x p e r i m e n t a li e s u nm a n i f e s tt h a tf u z z yc o n t r o lt e c h n i q u eh a sm o r ca d v a n t a g et h a np i d c o n t r o lt e c h n i q u e k e yw o r d s ：s g m s r dd s pe o n 灯o l f u z z yc o n t r o l v c + + 6 0 对论文评阅意见的修改说明 1 论文评阅意见：河南理工大学艾永乐和王玉梅教授对论文一基于d s p 的开关磁阻电机调速系统设计与研究的评审意见为，论文选题具有科学性和使 用价值，对开关磁阻电机给以了较为详尽的论述，具有独立完成科研工作的能力， 论文达到了硕士学位水平，同意答辩。不足之处在于英文摘要语法有误，图表位 置不应置于内容之前，英文参考文献格式不统一，建议修改后答辩。 2 论文修改说明：根据艾永乐和王玉梅老师的意见，作者对论文作了相应 修改，并提请自己的导师韦力教授重新进行了审阅，得到了导师的肯定。并对修 改后的论文进行了重新打印装订。具体修改内容如下： 页； 1 、对英文摘要进行了重新翻译； 2 、对文中图表位置进行了修改，具体为论文第8 ，9 ，1 2 ，1 3 ，1 8 ，1 9 ，2 0 3 、对英文参考文献2 0 ，2 6 进行了修改。 论文作者 日期： 导师( 签名) 妻科技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j b 稠匕7 、日期：。j 一7 口 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 咽目矽年 事7 轹 签师教导指 1 绪论 i i i i _ _ _ _ _ _ _ i - _ _ - l 绪论 开关磁阻电动机调速系统( s r d ) 是八十年代中期发展起来的新型调速系统，是继 异步电动机调速系统之后崛起的种很有发展前景的变速拖动系统【l 】。其融电力电子技 术、微电子技术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化技术，具有优良的调速性 能，与直流调速系统和异步电动机变频调速系统相比较，具有结构简单、成本低、损耗 小、效率高、可控参数多、控制灵活、起动电流小、起动转矩大等特点。因此，开关磁 阻电机一阋世就引起国内外电工界的广泛关注，已成为当代电气传动的热门课题之一， 深信将在电子传动自动化领域占有重要地位。 1 1 开关磁阻电机调速系统发展概况 开关磁阻电机( s r m ) 的雏形早在一百多年前就已经出现，由于当时科学技术水平 的限制，根本无法解决s r m 在设计、控制等方面的一系列关键问题，这一科学发现在 当时并没有足够引起人们的重视。直到2 0 世纪中叶，人们在电力电子、计算机、微电 子等领域取得了一个又一个的成就，为s r m 重新提上研究日程奠定了基础【2 l 。 2 0 世纪6 0 年代，电子工业的发展为电气传动领域提供了强有力的功率电子器件和 可靠、廉价、多功能的器件，以及在6 0 年代末，j j a r r e t 提出了增加饱和度有利于提高 磁阻电动机出力的观点，才使得s r 电机得到迅速发展。国外，7 0 年代初美国f o r d 公 司率先研制了轴向磁路电机；1 9 7 5 年，英国l e e d s 大学和n o t t i n g h a m 大学联合研制了 目前广泛应用的径向磁路s r 电机；1 9 8 3 年英国t a s cd r i v e r s 有限公司将世界上第一台 s r 电动机商品投向市场删。1 9 8 5 研制成2 0 0 k w 的样机，最大转速为1 0 0 0 0 r r a i n ；美国 开发了用于航空航天方面的s r d 系统，转速可达2 5 0 0 0 r r a i n ；加拿大、意大利在s r 电 机的运行理论、电磁场分析计算等方面有较多的研究；埃及主要探讨了小功率的单相、 两相s r 电机的结构和起动性能。我国于1 9 8 4 年左右也以较高的起点开始s r 电动机的 研究与开发工作。1 9 8 5 年华中理工大学开始研制以s c r 为功率开关器件的7 5 k ws r d 系统；1 9 8 7 年，北京纺织机械研究所与南京调速电机厂合作开发了3k w8 6 极、以b j t 为功率开关器件和以单片机8 7 5 1 为核心芯片的控制器的s r d 系统产品，1 9 9 3 年，3 0 k w s r 电机在山东淄博电二厂通过鉴定，2 0 0 0 年国内1 0 0k w 以上的s r 电机以用于煤矿 的采煤机，并开始进行18 0k w 的s r 电机在地铁机车应用的研究。 s r d 系统作为一种新型调速系统，兼具直流传动和普通交流传动的优点，已应用于 矿山机械、风扇、泵类、压缩机、伺服调速系统、高速电动机、家电、航天器械、汽车 辅助设备、以及抽油机的改型等领域 4 1 。 应当指出，开关磁阻电动机最有可能成为主流产品打入电动汽车和电动自行车市场 q 霄竹 子q i 干口w x u i 。电动车是解决世界能源危机、空气污染等重大难题的理想交通工具，是2 1 世纪高科 技产品之一。作为电动车驱动的电机类型有异步电机、永磁无刷电机和s r m 。异步电 动机转矩波动较小，但效率较低，特别在低速阶段；永磁无刷电机效率较高，但制造工 艺复杂，有退磁问题，可靠性不高，因此也不理想；s r m 具有结构坚固、可靠性高， 全工作范围内效率高，低起动电流和高起动转矩的优点，这些都是其它类型的电机不可 比拟的，是电动车驱动系统中的强有力的竞争者。此外，开关磁阻电动机特别适合于抽 油机。目前我国抽油机大部分采用异步电动机，效率很低，这种大容量低效率的运行状 况越来越引起有关部门的重视，已有极少数抽油机采用了变频调速系统，但由于其高昂 的投入，到目前为止，尚无法推广。开关磁阻电动机驱动系统在油田领域的应用必将带 来很大的经济效益和社会效益。 目前s r 电动机的推广应用亟待克服和解决的技术问题有- p j 。第一，振动及噪声。 s r 电机工作在脉冲供电方式中，瞬时转矩脉动大，转速很低时，步进状态明显，高速 重载时，振动和噪声大。噪声高于同容量的异步电动机，s r 电动机噪声大这一突出的 缺点在一定程度上也限制了其使用范围，如能有效地解决噪声问题，必将为其带来可观 的应用前景。噪声产生的原因一方面是由于机壳受力形变产生的，另一方面是由于转矩 脉动产生的。为减少机壳形变抑制噪声可以采取增加机壳厚度的方法，但需要增大s r 电动机的体积和重量，要以提高成本为代价，所以用增加s r 电动机机壳厚度的方法降 低噪声。虽有效，但并非可取。因此有必要从优化控制方式来减小转矩波动降低噪声， 或从改进s r 电动机定转子结构达到降低噪声的目的。第二，位置检测器。由于s r 电 动机本身的结构特点，必须实时检测转子位置来控制其绕组在合适的时候通断使其正常 运行，位置检测器使得结构简单的s r 电机变得逊色，降低了运转的可靠性，因此探索 实用的无位置捡测器的检测方案是十分引人注目的。目前国内外研究较多的是用定子绕 组的瞬态电感信息来实现无位置检测器方案，但距实际应用还有一定距离，有待进一步 深入研究开发。 随着现代科学技术水平的提高以及电力电子技术、计算机控制技术的飞速发展，高 效率、高输出s r 电机的研究与应用也必将得到快速发展。 1 2 开关磁阻电机调速系统概述 1 2 1 开关磁阻电机调速系统的基本构成 开关磁阻电机调速系统主要由s r m 、功率变换器、控制器、检测器组成 6 1 ，如图 1 1 所示。 2 1 绪论 机械 输出 图1 1s r d 系统框图 ( 1 ) 开关磁阻电动机 s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，其定、转子的凸极均由普通硅钢片迭压 而成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有几种绕组，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、转子的极数有多种 不同的搭配。相数多、步距角小，有利于减少转矩脉动，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，若改变电流的大小，可以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，所以我们可以通过制动方式来改变电动机的转向、转速和工作状态。 ( 2 ) 功率变换器 功率变换器的作用是向s r m 提供运转所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到 的直流电供电。由于s r m 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简 单，其结构形式与s r 电动机的相数、绕组形式有关。功率变换器的结构和开关器件的 选择直接影响到s r d 系统的性能和成本。其主要作用有： 向s r 电动机传输电能，满足机电能量转换的需要； 起开关作用，使s r 电动机的各相绕组适时通断； 为s r 电动机各相绕组的储能提供回馈路径。 ( 3 ) 控制器 控制器是系统的中枢，其综合处理电流传感器、位置传感器的回馈信息，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。若控制器发出一系列 控制信号使电动机各相主开关器件按一定规律导通，则电动机连续按逆时针或顺时针旋 转，并输出机械能，若输出相反顺序的触发信号，则电动机将反转。并且控制导通角8 。 和关断角e 晴的大小，就可以控制输出转矩的大小和方向。 ( 4 ) 检测单元 检测单元由位置检测和电流检测环节组成。位置检测环节提供转子的位置信息从而 确定各相绕组的开通和关断；电流检测环节提供电流信息来完成电流跟踪控制或采取相 应的保护措旋以防止过电流。 3 西安科技大擘硕士学住论文 1 2 2 开关磁阻电机调速系统的特点 根据开关磁阻电动机的结构和性能，可以得出该电机具有以下特点f 7 研 ( 1 ) 电动机结构简单、成本低 开关磁阻电动机的结构比鼠笼式异步电动机的结构还要简单。其转子没有绕组和永 磁体，也不用像鼠笼式异步电动机那样要求较高的铸造工艺，因此转子机械强度极高， 可用于高速运行。电损耗发热主要在定子上，丽定子易于冷却。 ( 2 ) 驱动电路简单可靠 由于电动机的转矩方向与相电流的方向无关，因此，每相驱动电路可以实现只用一 个功率开关管，这使得驱动电路简单，成本低。另外，功率开关管直接与相绕组串联， 不会产生直通短路故障，增加了系统的可靠性。 ( 3 ) 电机系统可靠性高 电动机的各相绕组能够独立工作，各相控制和驱动电路也是独立工作的，因此当有 一相绕组或电路发生故障，不会影响其它相工作。这时只需停止故障相的工作，除了使 电动机的总输出有所减少外，不会妨碍电动机的正常运行，所以其系统的可靠性极高， 可用于航空等高可靠性要求的场合。 ( 4 ) 效率高，损耗小 当开关磁阻电机以效率为目标优化控制参数时，可以获得比其它电机高的多的效 率。其系统效率在很宽的调速和功率范围内都能达到8 7 以上。 ( 5 ) 可以实现高启动转矩和低启动电流 可以实现低启动电流但却能获得高启动转矩。典型对比为：为了获得相当于1 0 0 额定转矩的启动转矩，开关磁阻电动机所用的启动电流为1 5 额定电流；直流电动机所 用的启动电流为1 0 0 额定电流；鼠笼式异步电动机所用的启动电流为3 0 0 额定电流。 ( 6 ) 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和方法主要有四种：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。 ( 7 ) 适用于频繁启停和正反转运行 电动机具有完全相同的四象限运行能力，具有较强的再生制动能力，加上启动电流 小的特点，可适用于频繁启停和正反转运行的场合。 ( 8 ) 容错能力强 开关磁阻电机的容错能力体现在电机某一相损坏，电机照样可以运行。 4 1 绪论 i i i ii i i i ；i ( 9 ) 应用前景广泛 开关磁阻电机不会发生感应电动机转子笼断裂或烧熔的故障。转子上无碳刷、无换 向器，无直流电动机转子整流子故障，适合在高粉尘、易燃、易爆等恶劣环境下运行。 在煤矿井下的生产设备上，如矿用运输机、电牵引采煤机、电机车牵引及局部风机和水 泵等，有广阔的应用前景，可为提高这些生产设备的运行可靠性和延长其电动机使用寿 命开辟一条新途径。这对于提高企业的经济效益、减少不安全因素和降低事故率具有重 要意义。将开关磁阻电机系统作为小型风力发电机系统亦具有良好的应用前景。 但是不可否认，s r d 系统也存在着一些不足： ( 1 ) 采用的是磁阻式电动机，其能量转换密度低于电磁式电动机； ( 2 ) 转矩脉动较大，通常s r m 转矩的典型值为土1 5 。由转矩脉动所导致的噪声 及特定频率下的谐振问题也较为突出； ( 3 ) 相数越多，主接线数越多； ( 4 ) 需要根据定、转子的相对位置激励： ( 5 ) 不能像异步电动机那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。 1 3 开关磁阻电机调速系统的研究方向 由于开关磁阻电动机的发展历史短，涉及面广，在理论和应用上仍存在诸多值得研 究探讨的课题隗1 0 1 1 】： ( 1 ) 优化设计与计算机辅助计算 与其它传统电机相比，这种双凸极结构的磁阻电动机的电磁设计是比较特殊的。由 于电机磁场分布的高度非线性，计算非常复杂：同时由于开关电路供电的非线性，电流 波形规律特殊，只有将电机、变换器及控制模式体化设计，协调优化电机、电路结构 及控制参数等才能获得较为满意的设计结果，因此计算机辅助优化设计技术是最基本的 研究课题。实践证明，经过优化设计的开关磁阻电机至少可以做到与同机座的交流电机 同容量。 ( 2 ) 电机铁耗、效率分析 开关磁阻电机调速系统是一种高效率的调速系统，但双凸极磁阻结构的铁心损耗计 算却是难度较大的研究课题。由于供电波形复杂，局部磁路饱和，步进运动状态以及双 凸极结构，定子铁心损耗很难得到精确的解析式，转子铁心损耗就更难精确计算了。铁 耗是影响电机效率的重要因素之一，对电磁计算的准确与否和计算机仿真结果都有直接 影响，需要进一步分析探讨。 ( 3 ) 变换器方案确定和主开关器件选择 开关磁阻电机调速系统的性能和制造成本，在很大程度上取决于变换器主电路的结 5 西安科技大学硕士学位论支 构形式。变换器是根据控制器的指令输出直流脉冲电压分配给电机各绕组工作的，方案 类型很多。随着电力电子技术的发展，如何合理地选择主开关器件的类型、数量及容量 也是十分重要的课题。 ( 4 ) 微处理器和专用集成电路的应用 开关磁阻电机能够正常工作的关键是每相开关器件导通、关断的实时控制，以及对 起动、运行、故障保护的实时控制。早期采用的模拟电路控制，实时性相对差一些，比 较合理的是采用微处理器实现部分或全数字实时控制。开关磁阻电机控制电路的集成化 对简化硬件电路、促使产品系列化、提高可靠性等非常有效，这也是研究的方向。这些 郝是开关磁阻电机迈向成熟和批量生产的必由之路。 ( 5 ) 无位置检测器方案研究 位置死循环控制是开关磁阻电机的基本特征之一，但它的存在使结构简单的优点逊 色不少，同时也增加了成本、降低了可靠性。探索使用无位置检测器方案成为众多科研 人员十分关注的课题。 国际上对无位置传感器转子位置检测技术的研究始于1 9 8 4 年，各国学者在二十多 年的研究工作中，提出了多种间接位置检测方案，大致可以分为以下两大类：一是应用 状态观测器估算转子位置，二是采用脉冲注入法估算转子位置。应用状态观测器估算转 子位置法通过测量s r 电机运行时的电压和电流信号，根据s r 电机的实际模型或特性 曲线估算得至转子位置信息；采用脉冲注入法估算转子位置时，通过控制向非激励相注 入高频低幅的测试信号，测量出电流或其它信息，通过计算和分析得到转子位置信息【1 2 】。 ( 6 ) 加强对转矩脉动及噪声的理论研究 s r 电动机的转矩脉动及其引起的噪声是s r d 的一个颇为突出的缺点，这限制了其 在诸如伺服驱动等这类低速且要求平稳，有一定静态转矩保持能力场合下的应用。因此 研究抑制s r 电动机的振动和噪声也是改善s r d 性能的重要课题之一，减少s r 电动机 的转矩脉动、噪声的关键在于减少作用在定予上的径向力的大小。从s r 电动机自身的 结构设计上看，重要的是合理设计双凸极的形状、定子磁扼强度和电动机刚度，合理选 择气隙、极弧参数；从控制角度看，主要是优选导通角和关断角及调解方案，尽可能调 节好各项工作参数的对称性。 1 4 本文研究的主要内容 在总结和继承了前人研究成果的基础上，设计了一套基于1 1 公司生产的 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 芯片的开关磁阻电机调速系统。研究的主要内容有； ( 1 ) 研究了开关磁阻电机的理想线性模型；分析了开关磁阻电机调速系统的结构、 工作原理以及基本控制策略。 ( 2 ) 研究并设计了控制器和功率变换器的硬件电路。控制器以n 公司的 6 1 绪论 1 m s 3 2 0 l 2 4 0 7 a 为核心，设计了c p u 的最小系统和外围电路。功率变换器采用h 桥型 拓扑结构。 ( 3 ) 设计并实现了开关磁阻电机调速系统的软件部分，包括控制软件和上位机软件。 对各个功能模块进行了详细的设计和分析，将“电压p w m 斩波，j 空制策略应用于系统当 中，完成各个运行模块的设计。 ( 4 ) 设计了一套开关磁阻电机调速系统，并对该系统进行了试验，实验结果表明电 机运行可靠稳定，达到了调速指标的要求，为更进一步研究打下了基础。 ( 5 ) 由于开关磁阻电机调速系统是一种新型调速系统，在导师的指导下秉着循序渐 进的原则首先进行了p i d 控制的研究，并在此基础上进行了模糊控制系统的可行性研 究。通过仿真得出在开关磁阻电机这种非线性系统中，模糊控制算法有着比传统控制算 法更具优越性的结论。但由于时间关系，最后没有能够将模糊控制应用在控制系统中。 7 西安科技大学硕士学住论文 2s r 电机的工作原理和控制策略 2 1s r 电机的工作原理 2 1 1s r 电机的基本结构 开关磁阻电机是开关磁阻电机调速系统的执行组件，其结构和工作原理与传统的交 直流电动机有着根本的区别。其遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，产生 磁拉力形成转矩一磁阻性质的电磁转矩。因此，其结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要 有尽可能大的变化。所以开关磁阻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。 s r m 的定子和转子都是凸极式齿槽结构。定、转子铁芯均由硅钢片冲成一定形状 的齿槽，然后叠压而成，图2 。l 是8 6 极定、转子冲片的形状。转子即无绕组也无永磁 体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”。 为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿槽数z s 和z r 应为偶 数。当然，z s z r ，但应尽量接近。因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子 相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。再考虑结构设计的合 理性，所以常用的关系为： z i = z ，+ 2 ( 2 1 ) 定子上设有集中绕组，径向正对两齿极上的线圈串联成一相绕组。因此，开关磁阻 电机的相数的计算式为： m ：鱼 ( 2 2 ) 2 s r 电动机可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。 文献 1 0 1 所述的研究表明，低于三相的s r 电动机没有自起动能力，对于有自起动、四 象限运行要求的驱动场合，应优选表2 1 所示的定、转子极数组合方案。 表2 1s r 电动机的定、转予极数组合方案 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。 8 2s r 电机的工作原理和控制策略 目前应用的较多的是四相( 8 6 ) 结构。 图2 18 6 极定、转子截面图 2 1 2s r 电机的工作原理 图2 2 为四相( 8 6 ) s r 电动机结构原理酣。为简单计算，图中只画出a 相绕组 及其供电电路。 图2 2 开关磁阻电动机的工作原理 结构上与步进电动机相似的s r 电动机的运行原理遵循“磁阻最小原理”一磁通总要 沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己 的主轴线与磁场的轴线重合。图2 2 中，当定子 ，a 7 极励磁时，所产生的磁力则力图使 转子旋转到转子极轴线i - 1 与定子极轴a a7 重合的位置，并使a 相励磁绕组的电感最 大。若以图中定，转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给a b - c d 相绕组通电， 9 西安科技大学硕士学位论文 转子会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，以此给d - c b - a 相通电，则电动机 就会沿着顺时针方向转动。可见，s r 电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取 决于相绕组通电的顺序。另外，从图2 2 可以看出，当主开关器件s l 、s 2 导通时，a 相 绕组从直流电源u 吸收电能，而当s l 、s 2 关断时，绕组电流经续流二极管v d l ，v d 2 继续流通，并回馈给电源u 。因此s r 电动机传动的共性特点是具有再生作用，系统效 率高。 2 ，2s r 理想线性数学模型 开关磁阻电机数学模型，通常有以下三种：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 模型将磁化蛆线分段线性化，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往往不是常数，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。 2 2 1 电机的基本方程 ( 1 ) 电压平衡方程 根据电路的基本定律，可以写出s r m 第k 相的电压平衡方程式： 机= r k t + 警 ( 2 3 ) u 式中4 z t ：相绕组激励阶段外加电压： 一“。：开关关断后续流阶段加的电压； r ： 第k 相绕组电阻； ： 第k 相绕组电流； 帆：第k 相绕组磁链。 ( 2 ) 磁链方程 各相绕组的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， 但由于s r m 各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于分析，在s r m 的计算中一般 忽略相问互感。因此，磁链方程为： g t , = l k ( 吼，) 。t ( 2 4 ) 每相电感t 是相电流t 和转子位置角幺的函数，电感之所以与电流有关是因为 1 0 2s r 电机的工作原理和控制策略 s r m 磁路非线性的缘故，而电感随位置角变化正是s r m 的特点，是产生转矩的先决条 件。 将( 2 4 ) 式带入( 2 3 ) 式得： u t = r k + + 簧警+ 斋鲁= 墨。屯+ c 丘+ 争警+ 万a l k i d o c 2 式( 2 5 ) 表明，电源电压与电路中三部分压降相平衡。其中，等式右端第一项为第 k 相回路中的电阻压降；第二项是由电流变化引起磁链变化而感应的电动势，称为变压 器电动势；第三项是由转子位置改变引起绕组中磁链变化而感应的电动势，称为运动电 动势，与s r m 中能量转换有关。 ( 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： 瓦= 8 l v m ；( i i l 【, 一0 ) = t ( 气，彩 ( 2 6 ) 气一丽广一一“p w 由 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成； 瓦= r ( 气，们 ( 2 7 ) ( 4 ) 机械运动方程 按照力学定律可列出在电动机电磁转矩t e 和负载转矩t l 作用下的转子机械运动方 程： j 等= t e - b 沪t l ( 2 8 ) _ d 0 ：国 ( 2 9 ) 式中：j ，b 分别为转动惯量和粘滞系数。 2 2 2 方程的求解方法 上述数学模型由于其严重的非线性，不可能得出解析解。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，人们针对磁 链的变化，采用了以下几种方法建立模型： ( 1 ) 线性电感模型 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，可采用开关磁阻电机的理想线性模型将磁链。近似为电流l 的线性函 数，这种方法可了解电机工作的基本特性和各参数间的相互关系，并可作为深入探讨各 西安科技大学硕士学位论文 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 因为磁链缈。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，同时不考虑相问耦合效应， 这样可以用解析式来表示每段磁化曲线。可将* 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】；f ，。用一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 该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流间隔电机磁链特性数据妒f 即反演为 等角度、等磁链问隔的电流特性数据f ( 矿，d ，连同矩角特性数据丁( j ，d 以表格形式存入 计算机中，然后用查表法数值求解非线性模型，这种方法较为直接，也较为精确，既可 用于稳态分析。也可用于解瞬态闯题。 2 2 3 基于理想线性模型的方程求解 根据s r m 内部的基本电磁关系和基本特性，本文从理想的简化线性模型入手进行 分析，为本文的控制系统设计打下理论基础。为此，作如下假设【明： ( 1 ) 不计磁路的饱和影响，绕组的电感与电流大小无关； ( 2 ) 忽略磁通的边缘效应： ( 3 ) 忽略所有的功率损耗： ( 4 ) 功率管的开关动作是瞬时完成的； ( 5 ) 电机以恒转速运行。 在上述假设条件下的电机模型就是理想线性模型。这时，相绕组电感l 随转子位置 角0 的变化关系图2 3 所示。 图2 3 相电感与转子位置角的关系 1 2 0 2 s r 电机的工作原理和控制策略 _ _ _ _ | _ _ _ _ _ - _ i _ | i i - _ j _ | - i j i | _ _ 一i i i _ _ _ _ _ 图中横坐标为转子位置角 机械角) ，其基准点即坐标原点( 口= o ) 位置对应于定 子磁极轴线( 也是相绕组的中心) 与转子凹槽中心重合的位置( 把这个位置叫做不对齐 位置) ，这时相电感为最小值三m 。；当转子转过半个极距( 1 8 0 0 n r ) 时，定子磁极轴线 与转子凸极中心对齐( 对齐位置) ，相电感为最大值三一。随着定、转子磁极重迭的增 加和减少，相电感在三一和上n 。之间线性地上升和下降，l ( 0 ) 的变化频率正比与转子极 数，变化周期为转子极距f ，。 l 够) = l 曲q 0 s 岛 k ( 口一岛) + l 曲岛口岛 ( 2 1 0 ) l 。岛口只 l 。一k ( o 一只)只护s 岛 其中k = ( 一一k ) 一岛) 。 开关管合闸瞬间( r - - o ) 为电路的初始状态，此时，= 0 ，口= 屯，气为定子绕 组接通电源瞬间定、转子磁极的相对位置角，称为开通角。 将式( 2 3 ) 取“+ ”，忽略绕组的电阻，积分并带入初始条件，得通电阶段的磁链表 达式为： 缈= 挚曰= 告p 一免) ( 2 1 1 ) 式中：q ：曼呈为转子的角速度。 d t 当p = 只，时关断电源，此时磁链达到最大，其值为： l l ，= l f 。= 百u s 一气) = 罟嚷 ( 2 1 2 ) 式中：p 。为定子绕组断开电源瞬间定、转子磁极的相对位置角，称为关断角，吼为 定子一相绕组的导通角，见= 一气 式( 2 1 1 ) 为电源关断后绕组续流期间的磁链初始值，对式( 2 3 ) 取“一”，积分并 代入初始条件，得到续流阶段的磁链解析式为： 甲= 尝( 2 一氏一目) ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) ，可画出磁链随转子位置角变化的曲线，如图2 4 所示。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 0 6 姊 n j 。 y 2o 。口r n 悃。 图2 4 一相绕组的磁链 在转速、电压一定的条件下，绕组电流仅与转子位置角和初始条件有关。由于绕组 电感l ( e ，f ) 的表达式是一个分段解析式，因此需要分段给出初始条件，得出( 2 1 4 ) 式 的解。 f ( 缈= 7 u 一, e 了- _ o 一， 最口 岛 l ， q 1 鬲訾热，岛s 口 q l 。h + k ( 口一岛) 】7 “ 差黼，妇 只 旺 , u ( 2 _ o a 百r - 8 , m - 8 ) ， 岛p 只 q l 一 7 0 i , f ( 2 0 0 f - o m _ - 灭o ) i ， 砬秽 2 吃口一气k q l 。一( e 一只) 】 4”“ 式( 2 1 4 ) 是一个完整的电流解析式，是关于电源电压、电机转速、电机几何尺寸 和转子位置角0 的函数。在电压和转速恒定的条件下，电流波形与开通角气、关断角只证、 最大电感三一、最小电感。、定子极孱等有关。图2 5 和图2 6 分别面出了在电压和 转速恒定时，不同开通角和关断角对应的电流波形。 通过以上分析，我们可以得出如下结论： ( 1 ) 主开关开通角气对控制电流大小的作用十分明显。开通角气减小，电流线性 上升的时间增加，电流峰值和电流波形的宽度增大。 ( 2 ) 主开关关断角p 。一般不影响电流峰值，但对相电流波形的宽度有影响。增 大，供电时间增加，电流波形的宽度就会增大 ( 3 ) 电流的大小与供电电压成正比，与电机转速成反比。在转速很低，如起动时， 可能形成很大的电流峰值，必须注意限流。有效的限流方式就是采用电流斩波控制。 1 4 2s r 电机的工作原理和控制蓑略 在理想线性模型中，我们假定了电机的磁路不饱和，可得 w m = w o 。= 三阿= 扣2 ( 2 1 5 ) 从而转矩为： 耶加圭，2 嚣 ( 2 1 6 ) 将电感的分段解析式带入式( 2 1 2 ) ，可得： l = 0 bs 护 岛 妻尉2岛s e e 3 ； 岛口 幺 2 肿 一丢好6 1 l s 口 见) ，绕组电流将产生制动转矩，因此，主开关的关 断不能太迟。但关断过早也会由于电流有效值不够而导致转矩减小，且在最大电感期间， 绕组也不产生转矩，因此取关断角p 。= ( 吼+ 0 3 ) 2 ，即电感上升区的中间位置，是比较 好的选择。 2 3 开关磁阻电机的控制策略 2 3 1 开关磁阻电机主要的几种控制方法 控制直流电机的转速需要调节其外施电压或励磁电流，而控制感应电机的转速则需 调节电源的频率。与其它电机一样，开关磁阻电机也有其自己的控制方法。这里仍然针 1 5 西安科技大学硕士学住论文 对开关磁阻电机的线性模型来加以讨论，对其转速控制特性加以定性分析。 式( 2 1 4 ) 可以简化为： f ( 口) = 二三厂( 口) ( 2 7 ) 将式( 2 1 7 ) 带入式( 2 1 6 ) 中，得到 乏= 三等2 ，2 等 ( 2 1 8 ) 由此进一步得到： 厅 国= u ，旨 ( 2 1 9 ) y 其中声，- 吾厂2 ( 回否o l 万，从式( 2 1 9 ) 中可以看出t 有两种转速控制方法： ( 1 ) 改变外施电压： ( 2 ) 改变与开关角有关的参数f ，f 代表电机的结构参数( 如绕组电感和定子极弧 等) 和控制参数( 如开通角和关断角) 的函数。 由上述可知，s r 电机的可控参数一般有加于相绕组两端的电压u s 、开通角o 。和 关断角0 呵三个参数。对这三个参数进行单独控制或组合控制就会产生各种不同的控制 方法，一下是几种常用的控制方法1 1 2 1 3 】； ( 1 ) 角度控制法 角度控制法是指对开通角艮和关断角e 。的控制，通过对它们的控制来改变电流波 形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置。在电动机电动运行时，应使电流波形的主 要部分位元于电感波形的上升段