（电力电子与电力传动专业论文）小功率开关磁阻电机的设计和控制.pdf

小功率开关磁阻电机的设计和控制 a bs t r a c t s w i c c h e dr e i u c t a n c em o f o ri sah j 曲p e r f b f n l a n c em e c h a l l i c a l 一e l e c t r i c a l i n t e g f a c i o n ， w h i c h d e v e l o p e df r o m t h em i d d l eo f t h e1 9 8 0 s t h es t n l c t u r ei ss i m p l ea n df i m l s r mh a s h 培ht o r q u e a n de 伍d e n c e ，w h i c hi sr e l i a b l ea n dc a nb eu s e du n d e rw i c k e dw o r k i n g c o n d i t i o n s s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ，t h ed r i v es y s t e mm a d eu po fs r m ，h a sg o o d p e r f o r m a n c ea n d a l s 0h a sa d v a n t a g e si ne c o n o m y t h u ss r di sap r o 衄s i n gd r i v es y s t e m ， w h i c hj sb e c o m j n gap o pt o p j ci 丑c h e 丘e l do fe 】e c 一cd r i v en o 、 ih o w e 、，e r ，i fs f i i 】n e e d s f u r t h e rs t u d y si ns m a l lp o w e r s r d ：w h j c hs h o u l db e c o m em o r ep e r f e c t 0 u rm a m w o r ki s t od e s 培na2 0 ws r ma i l di t sd r i v i n g s y s t e m f o rm 0 0 n e x p l o r a t i o n i nt h i s t h e s i s ，a n e rp r e s e n t i n gt h ed e v e l o p i n gs t a t u so fs r di nb o t hd o m e s t i ca n d a b r o a d ，w ei n t r o d u c et h es y s t e ms t n l c c t i r ea 1 1 dt h em a i np r i n c i p l eo fs r d t h e nw ep r e s e n t t h es t r u c t u r e ，f u n c t i o a n dp e 加助a n c eo ft h ep r o t o l y p e ，w h j c bi sa2 0 w d e v e 】o p e dm o l o r w i t h6s t a t o rp o l e sa j l d4r o t a t o r p o l e s b a s e do n t h ea n a l y s i so f t h e0 1 dc o n t r o ls t r a t e g y ，w e p m f o r w a i dan e wc o n t r o lm e 也o da n dr e a l i z et h es p e e dd o s e d l o o pw i t h t h ef u z z yc o n t r 0 1 h o wt or e a l i z et h ec o m | o lm e 也o do n 也es m a l lp o w e rs r mi st h em o s t i m p o r t a i l tc o n t e n t i nt h i s p a p e r f i n a j l v ，e x p e 缸e n t a lw a v e sa r eg i v e n w ba i s op r e s e n t as u g g e s t i o nl o i m p r o v et h ep e 渤加a n c eo fs r d t h e p r o t o t y p e i sc o n t r o l i e d t h r o u g h l p to fap c 、 ，cc o n t r o lt h es r mw i t ht h e s o f t w a r ei n s t e a do fi h eh a r d w a r ew h j c hi sac o m m o nm e t h o di ns r m c o n t r 0 i t h es o f t w a r e m e t h o dn o io n i ys i m p i i f yt h ec i r c u i ta n dr a i s et h er e i i a b i l 王t yb u ta l s om a k ei tm o r ef l e x i b l e t ob ec o n t r o i l e da n dm o r ee a s yt ob em o d i f i e d t e s t sh a v es h o w nt h a ti h ep r o t o t y p eh a s a l r e a d ya c h i e v e dt h ed e m a n d s o ft h eg i v e nt a s k f k e vw o r d s c a o j i n g d i r e c t e db yp r o f h u y u w e n s w l t c h e dr e j u c t a n c e 、i o t o “s r m l m oe o rc o n t r o i f u z z vc o n i r o l 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 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) 是在磁阻电动机 限e l u c t a n c em o t o r ) 基础上发展起来的一种高性能机电一体化产品。对于磁阻电动机 来说，它已有一百多年的历史，例如人们熟悉的定子三钼绕组同步反应式磁阻电动 机就是磁阻电机的一种，但习惯上仍把它看成传统交流黾机的一种。这种电机功率 因素低( c o s 中= 0 5 ) ，效率不高，只能在不考虑成本因素情况下低速、同步运行，而 且多做微特电机用。开关磁阻电机调速系统( s 耐t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e 简称s r d ) 不同于般的磁阻电动机的调速系统，是由磁阻电动机、电力电子开关电路及电子 控制器等组成的种新颖的无级调速装置。它不仅保持了交流异步电机的结构简单 、坚固可靠和直流电机可控性好的优点，而且还具有交流调速系统和直流调速系统 所不具备的价格低、效益高、适应力强等特点。 s r 电机结构简单，定子和转子均采用双凸极结构。定子有最简单的集中绕组 ( 相对于其它电机而言) ，端部较短，没有相间跨接线。转子( 旋转部分) 没有绕组 、换向器、滑环等部件，也无需永久磁铁，是无极结构，因此，制造工序少，成本 低，结构坚固，工作可靠，维修方便，特别适合在恶劣环境下运行。s r d 系统线路 简单、可靠性高、主开关元件数量少、成本低于变颓( p w m ) 交流调速系统。因为 s r m 的力矩与电流极性无关，只需要单相的电流激动：嚣此，在理论上说功率变换 电路中每相可以只用一个开关元件，而且每个开关元件蚕与电机绕组串联，不会出 现p w m 变频器那种电源通过上下桥臂两个开关元，牛髟文直流的危险( 即电源短路 故障) 。 s r 电机转子的结构形式对转速限制小，因此可以剖造成高转速电机。又因转子 转动惯量小，在电流每次换相时可以随时改变相应相转运的大小手日方向，所以系统 具有良好的动态响应，有文献表明，一台0 5 k w 的s r 号机，空袭时从1 5 0 0 r d m 制 动至零速仅需o 1 5 s 。 s r 电机控制灵活，它可以独立地控制每相主开关篓昙通与关新，也可以控制电 流e j 限幅，由此得到不同负载要求的机械特性，易亍关i 系统的攻起动和四象限乏 7 i 萼助能：微机控制方案中可通过软件预先给定最釜整号黄略，以得到最合理的工 作糈性，又s r d 系统是目同步运行，所以不会出现暑卺戛变频供毫的感应电动机垄 低颤时出现的不稳定和振荡问题。由于s r 电机采马了二、上介；l 喜勺独特结构和设汁 厅t 三以及棚应的控制技巧，? 妻其单位出力大。出s r m 墨曳的s r d 系统的效率和 小功率开关磁阻电机的设计和控制 出力在很宽的速度和负载范围内部可维持在较高水平，因此能有较高效率。因为采 用这种设计方法所得到的转子基本上无电气损耗，绕组可为直流供电实现能量反馈 和有效地存储能量脉动，具有优良的可控性等优点。 s r 电动机调速系统就目前的发展水平而言，还存在着以下几个主要缺点： ( 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 电动机转矩脉动的典型值为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。 l 4 ) 不能像笼型异步电动机那样直接接入电网作稳态运行，而必须与控制器一同 使用。 1 2 国外发展概况 七十年代初期，h o c h 、b y m e 、l l d y 等人在将类似于步进电机的电动机用到驱 动装置方面，做了一些理论研究和电动机结构方面的探讨。j a r r e t 还提出了增加饱 和度可以增加转矩输出的思想，美国的f o r d 公司率先研制成轴向磁路的s r d 系统 。从总的历史过程来看，s r d 系统的推广应归功于英国的k e d s 大学和n o t t i n 2 h a m 大学。在1 9 7 0 年，k e d s 大学的步进电机和磁阻电机小组的研究人员看到了s r m 可以在单相电流的作用下运行。功率变换器( 当时是晶体管或晶闸管) 所用的开关 数量都是最少的，成本也最低。1 9 7 2 年进一步对带半导体开关电路的小功率电动机 ( 从1 0 w 到1 k w ，最高转速为1 0 0 0 r p m ) 进行了研究。1 9 7 5 年取得实质进展，并 丌发出可为5 0 k w 电瓶汽车使用的装置。1 9 8 0 年的i c e m 会议上，介绍了他们的研 究成果，向人们展示了s r 电机的优良特性。从此以后s r d 系统得到了国际上的 承认，并认为额定功率从数百瓦到数千瓦，从低速到高速的整个控制范围内尚有相 当大的潜力。它具有总效率高、易于控制、其结构与感应电动机一样简单耐用，功 率变换器较三相逆变器简单等优点。 1 9 8 0 年，英国成立了7 f 关磁阻电动机驱动装置有夏公司l t a s cs r dl c d ) ，专 门进行一s r d 系统的研究、开笺和设计工作：同时还莲；r 了s r d 系统的商业陡投产 = 1 9 8 3 年，1 a s cs r d l 【d 首先推出了s r d 产品，取名勺0 v u 、o n ，从而拉开了s r f 皂机：商业化的序幕。 1 9 8 4 年，t a s cs r dl t d 尘面左葛五次国际销售去议上，兰面地宣传了s r d 系 列产【托另外，囊公r 日还i i 翩丁一种适碉于有轨 乜车j ：疆动系； ，供应给g e c 牵引 仃 ：艮公司，剑1 9 8 0 年已成功地运i j 丁j o 1 0 ，k m 。 这以后s r ：丑机得到了+ 泛推广印应用，已深入至j 采矿、笏爆机棱、l 器人、 南京航空航天大学硕士学位论文 电力机车牵引、小农机械、航空航天等领域。现已制造出从1 0 0 w ( 1 0 0 0 0 r p m ) 到5 0 k w ( 7 5 0 r p m ) s r 电机，功率大于2 0 0 k w ( 1 5 0 0 r p m ) 的已成功运行。 加拿大、南斯拉夫在s r m 的运行、电磁场的分析计算等理论方面进行了许多研 究。埃及对小功率的单相、二相s r m 的结构，起动等方面进行了一定的研究。 从1 9 8 8 1 9 9 4 年国际会议上有关s r d 系统的文章来看，对s r d 系统的研究 工作己从论证它的优点、开发应用的阶段进入设计理论、优化设计阶段。对s r 电 动机、控制器、功率变换器等的运用理论、优化设计、结构形式等方面进行了更深 入的研究。 国外有的研究人员试图将状态观测器以及矢量变换控制和恒定力矩控制等方面 的理论引入s r 电机控制思想，以改进s r 电机的运行性能，但大多因控制算法的繁 杂而未能用于实时控制，还只停留在计算机仿真的水平上。但电流跟踪控制的思想 已由d g t a y i o r 提出，并用于一位置控制系统且得到了一定的效果。可以预料，随 着现代电子学的发展，在不久的将来有望实现这些高性能的控制策略。 国外在仿真模型的建立，新型功率变换器电路和性能预测等方面也有很大发展 ，在转子铁耗和发热计算方面对人们广泛持有的观点( 转子是“冷”的) 提出了质 疑。总之，研究工作不断拓宽、新的成果层出不穷。 1 3 国内发展概况 我国大约在1 9 8 5 年才开始对s r d 进行研究，并被列入我国中、小型电机“八 五”科研规划项目。目前，已有高等院校、研究所和工厂及其所属研究部门约三四 十个单位牙戛对s r 电机的研究开发工作，并取得了一定的成果= 如南京调速电机 厂与北京纺织机械研究所合作研制的3 k w s r 电机，南京航空学院与靖江电机厂联 合研制的5 j k w s r 电机都已通过了省级鉴定。国内已试制成功了2 5 0 w 3 0 k w 、 2 0 多个规珞的工业产品样机，上海中达斯米克电器电子有限公司的k c 系列 1 1 k w 二二k w 通用调速s r d 系统的商业销售已有好几年，1 9 9 5 年9 月在北京国 际展览馆誊_ 、的第二届匿际机宋展览会上，国内有八家研究开发s r 系统的厂商参 展。虽然坦、：的产品还不暴完善，离大规模工业生产还有定的曩离，但是，国产： s r d 系统三应用于纺织 j 1 啜、吸尘器、胍机水泵、通用调速系统等领域： 我国二i ：乏的s r d 系统爵毫工作主要集中于s r 电机的工作原莲运 i 性能分析 ，嵫m f 岜i ；二驱动控制器的攻汁等方面，其设计思想主要来源于匡外的z 默资料， 咆d 瞻构，了蔫基本相同，研复习的微处理器主要足z 8 0 和8 0 3 1 单净扣1 ：南京航空航 人大学成立= 关磁阻哩吼漠辽组，集中力饺从i 葬s r d 系统的研究发工i 乍，取锯 小功率开关磁阻电机的设计和控制 了较大成就，1 9 8 7 年4 月，他们出版了开关磁阻调速电动机、论文集( 1 ) 。华 中理工大学在s r 电机方面的研究工作令人瞩目，东南大学、天津大学等高等院校 对s r d 系统也进行了卓有成效的研制工作。 1 9 8 8 年在南京召开了第一届开关磁阻电机研讨会，会上有少量论文。1 9 9 1 年在 武汉召开了第二届研讨会。1 9 9 2 年初成立了中国电工技术协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s r 电机研究工作的进一步发展。从此，我国 对s r 电机的研究工作从摸索合理的设计方法发展为如何加速优化以进行s r 电机的 设计，在s r 电机绕组互感对运行的影响、转矩脉振、最佳电流波形、振动与噪音 、发热以及铁耗计算等方面出现了许多独特的观点和见解；在控制方面，正在进行 用i n t e 公司的m c s 9 6 或m o t o l o r a 公司的m 6 8 0 0 0 系列单片机取代8 0 3 1 单片机的 工作，以提高控制系统的响应速度，降低成本，实现复杂的控制策略。 我国s r 电机研究开发工作借鉴了国外的一些经验。因此，起点较高。在理论 、实验研究和产品开发上都取得了一些成就。但是，仍有许多工作有待研究和开发 ，如仿真模型的建立、性能预测、电感的高精度测量、控制系统的可靠性和抗干扰 性等。 1 4 当前主要研究方向 由于s r d 所具有的高性能、适应能力强等特点，在许多行业得到了广泛推广和 应用，促使人们更深刻地去关注、研究、开发。近年来，主要研究方向集中在以下 几个方面： r 1 ) 优化设计和c a d 应用； r 2 ) 码数的选择与研究： ( 3 ) 轰动与噪声： f 4 ) 损耗分析； f j ) 二j 率器件； r 6 ) 乏立置舱测器方案： ，l 发；几及集中、集成电路； f s 、 j 奎： 9 、 2 晶系歹；j 化，包括经济型、高速型s r d 声品及其系列化： 1 5 课题意义 南京航空航天大学硕士学位论文 开关磁阻电动机调速驱动系统( s r d ) 是八十年代中期，在交流变频调速系统 之后发展起来的种新型调速系统。它综合了交流变频调速系统坚固耐用、适用于 恶劣环境和直流调速系统可控性好等优点，被专家视为电气传动系统发展过程中的 一个里程碑，具有广阔的市场应用前景。 国外为了推动s r d 系统的开发与应用，成立了专门的研究机构和开发公司，做 了大量工作，取得了一定的成就。 从国内来看，有许多单位正在s r d 系统开发工作，s r d 系统被列入我国中、 小型电机“八五”科研规划项目。就s r d 系统的理论来讲，我们查阅并分析了大量 国内外文献资料，认为在改进电机设计、改进控制策略、提高系统性能等方面，特 别是对于小功率s r m ，仍有许多可以探讨的地方。因此，选择本课题具有理论意 义。 s r 电机由于结构简单、坚固耐用、适用于恶劣环境，其转动惯量小，而输出转 矩大，所以，我们设想将其用于月球探测漫游车、小型无人机等航空航天领域，研 究本课题具有现实意义。 1 6 课题内容 本课题的指导思想是： 第、总结已有文献资料提出的控制思想和策略，提出自己的控制思想和策 略： 第二、设计系统样机，实现自己的控制思想和策略。 本项目指标为： 设计洋机一台，为三相6 4 极，其调速范围为1 0 0 0 7 0 0 0 r p m ，调速方式为无级 运速，功率要求为2 0 w ，额定电压为2 8 v 。 本课题的工作内容及研究目标如下： ( 1 ) s r d 系统样机的设计、开发； ( ? ) 设计功率变换器主电路、驱动电路、电流检测电路及童置、速度捡测电 路以及其它捡测与保护电路等硬件电路；一 r 31 提出模糊控制思想和策略； r 4 ) s r d 系统样机实验。 小功率开关磁阻电机的设计和控制 第二章s r d 系统的组成及工作原理 2 1s r d 系统的组成 开关磁组电动机驱动系统( s r d 器、驱动电路、控制器和电流、位置、 系统) 由开关磁阻电动机( s n i ) 、功率变换 速度检测电路等组成。如图2 1 所示。 阿习。眄司。| 7 l 图2 1s r d 系统组成 2 1 1 开关磁组电动机( s r m l 孑关磁阻电动机是开关磁阻电动机驱动系统的执行元件，它不像传统电动机那 洋发靠定、转子绕组电流产生磁场相互作用形成转矩和转运，它与反熏式步进电机 一洋遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，声主磁拉力弓成转矩 磁阻性贡的电磁转矩。因此，要使转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化，所 以，厅关磁阻电机采用双凸极结构。 。戋磁阻电机按相数分，有单相、两相、三相、四相及多相s r m ：按气隙方向 分育均向式、径向式结构和径向轴向混合式结构s r m ：按每极的者数分，有每 ；亟耋；三构和每极多齿结构。 一孓永蜕，小容量家用电器上用的s r m ，常做成单相宣两相径i 轴向式结陶 i 一号驱动毫动机多采用三相、四相径向式结沟。 2 1 2 动率变换器 ，二毒变换器将f 乜源的能量传输s r m ，其结构形式多释多样，f i 弓s r m 的十 南京航空航天大学硕士学位论文 数、绕组形式密切相关，功率变换器的结构和开关器件的选择直接影响到s r d 驱动 系统的成本和性能。 功率变换器的作用主要有： ( 1 )向s r m 传输能量，满足机电能量转换的需要： ( 2 )起开关作用，使s r m 的各相绕组适时通断； ( 3 )为s r m 各相绕组的储能提供回馈路径。 功率变换器主开关器件的选择与电动机的功率等级、供电电压、峰值电流、成 本等有关；另外还与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关损耗、抗冲击性 、耐用性、并联运行的难易性、峰值电流定额和有效值( 或平均值) 电流定额的比 值大小及市场普及性等有关；当然，还与电力电子技术发展的水平有关。 功率器件可以选择普通晶闸管( s c r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、大功率晶体管 ( g t r ) 、功率m o s 场效应管( m o s 肿) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 等。8 0 年代初，主开关器件选用的都为普通晶闸管，一度被认为是s r d 中最理想的主开关 器件，但它无自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高，可靠性差，后来， 大多数应用大功率晶体管( g t r ) ，但其承受浪涌电流的能力差，存在二次击穿现象 ，不易保护，8 0 年代中期，结合了上述两者优点的可关断晶体管( g t o ) 逐步受到 重视，但它不断关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，近年来 ，国外小功率s r d 中常采用场效应管( m o s h 玎) ，较大功率的采用绝缘栅双极型 晶体管( i g b t ) 。总之，它们各自有优缺点，分别应用于不同的场合，本系统采用 场效应管m o s h 玎为功率开关元件。 2 1 3 控制器 控制器综合输入信息、决策控制策略和逻辑输出，其性能好坏直接影响到电机 运行的性能。 控制器的研究主要集中在于两个方面：一是s r d 系统控制理论的研究，二是控 制方式的研究和改进。 在s r d 驱动系统中，控制器主要完成以下功能： ( 1 ) 电流斩波控制( c c c 控制) ( 2 ) 角度位置控制( a p c 控制) ( 3 ) 起动、制动、停车及四象限运f 于 ( 4 )转速调节 控制器是随着电子技术的发展而发展的。随着电子技术的发展，庄制器在量陶 、性能、可靠性、灵活性等方面邪得到了汲大的提高。由单片机构成的控制器，萁 控制助能订软件完成，可实现复杂的控制方案。 小功率开关磁阻电机的设计和控制 国内外在控制器的设计过程中，先后采用了z 8 0 c p u 、8 0 3 1 、8 7 5 l 、8 0 9 8 、8 0 c 1 9 6 、d s p 等单片机芯片，是一个由低性能到高性能的过程。 2 1 4 电流检测器 s r d 驱动系统在低速运行时采用电流斩波控制，是通过调节相绕组电流的大小 来控制转矩的，因此要求有反馈电流；在高速运行时采用角度位置控制方式，系统 通过调节开通角眈。和关断角眈f 来实现对转矩的控制，尽管电流不再是控割量，迫 为了防止系统过载或故障，仍要采取过流保护，所以，系统始终都要可靠地检测电 流。 在s r d 系统中，电流是单方向的且有较大的尖峰，因此要求电流检测器的性旋 要好，如工作范围大、稳定、可靠，抗干扰能力强，线性度好等。 电流检测的方法一般可采用磁敏电阻法、霍尔元件直接测量法、电阻取样直接 隔离法等。 2 1 5 位置检测器 位置检测器实际上是位置、速度检测器，负责提供电机转子的位置和转速信窟、 ，并将这些信息和电流检测器测得的电流信号一起传输给控制器由控制器进行加工 和处理，保证转子位置与绕组导通相序有机地结合，实现设计所需的运行性能，此 处的转子位置是指电机定、转子间的相对位置。 位置检测器通常由齿盘和光电传感器组成，传感器可以采用光电器件、电磁式 器件或磁敏式器件，高精度的位嚣检测器可以采用旋转编码器，但价格也高。现在 也有人j 下在研究无位置传感器的位置检测方法。 2 2 开关磁阻电机的工作原理 s r 电动机是双凸极结构可变磁阻电动机，定子上有集中终组，转子既无绕组又 无永磁体。径向相对的两个绕组串联构成一个磁极形成一相。s r 电动机的相数多刮 步距角小，有利于减小转矩脉动这s r 电动机固有弱点。但是嫡数多使得s r 电动t 结构复杂，而且主回路开关器件多，提高了成本。昌前应用较多的匹相r8 j 6 ) 结；： ，于三棚f6 4 、结构性能并不比四相( 8 6 ) 逊色但经济性却明曼提高：目n h i j 三川f6 4 ) s ri _ 巳动机的研究、巧发正同益受到重强。本澡题丌发设计的样机为三 州1 0 w 小功：# s r ! ( 1 动机。 跚i i 以三棚l6 4 ) s r 电动机为例，介绍s r 电动机的工f 乍原理：图2 2 为三q j 南京航空航天大学硕士学使论文 s r 电机结构原理图，为简单起见，图中只画出a 相绕组及它的供电电路。 s r 电动机的原理是根据磁通总要沿着磁阻最小的磁路闭合这一原理。转子铁心 在相对于定子的不同位置时与定子之间的磁阻是不同的。当定子与转子齿齿相对时 磁阻最小，转子齿中心和定子槽中心相对时磁阻最大。如果定子绕组中某相通电 流时，转子铁心就有了要与通电相定予齿齿相对的趋势。图2 2 中若定子a a 相 s u s 图2 2三相电动机结构 通电流时，所产生的磁力就要使转子旋转到转子轴线1 1 与定子a a 重合的位置 ，此处a 相绕组的电感最大。当以图2 2 中定、转子所处的相对 立黄作为起始位置 ，则依次以a _ b c a 为序给各相绕组通电，则转子就会逆时针旋转；反之，若依次 以b a c b 的逆时针顺序通电，转子就会沿着顺时针方向旋转。可见，s r 电动机 的转向与相电流无关，而仅仅取决于通电次序，这与异步电动机的情况有着完全的 不同。 s r 转矩是由于最小磁阻原理而产生的。电动机磁路饱和是s r 电动机的一个显 著特点。这种电动机磁路的严重非线性使得s r 电动机般用磁共能微分来描述电 机转矩。即： 一 加拈! ! 盟!( 2 1 ) 疗6 l 式中9 转子位胃角：j 绕组电；气， 磁共能的大小及变化取决于转子位聋和氆组电流，是一个二i 堡函数，处理起来 分禁琐。左对电机作定性分析时可以简化骥型，假定电感同绕组电流无关，忽略 磁路饱和与边缘效应的影响，则定f f 包感随蕾转子位胃变化的曲线妇圈2 一：j 所示。 小功率开关磁阻电机的设计和控制 电动机每转过机械角度3 6 0 度，电感经历了同转子极数相等次数的周期变化。 九n m e ? e 2 83 8 ( a ) er 。 ( b ) 图2 3 相电感、转矩随转子位置的变化 ( a ) 相电感随转子位置的变化 ( b ) 一定电流下的转矩随转子位置变化 电感与电流无关时，电磁转矩的表达式简化为： 厂( 目，f 1 = 土f2 皇兰= 三f z ! 生 ( 2 2 j 、 2a 目2d 6 ， 由此可知，电磁转矩与电流的平方成正比，而其大小与电流的方向无关，仅汉 取决于电感随角度的变化。在电感位置曲线图中，电感上升段若相电流不为零，刘 电磁转矩为正值，声生电动转矩：在电感下降段若电流不为零，则电磁转矩为负直 ，产生制动转矩；这样，通过改变电流的幅值、起始值、关断角，即可调节电磁转 矩的大小和方向。这就是s r 电动机的工作原理。 2 3 开关磁阻电动机( s r m ) 的基本方程式 j r 关磁m 毫三。；1 由于采用了双凸极结构，并且只在定子上安装各相励磁绕坦 所以s r 电动机运j 的两天特点为：绕组电流的非于弦和铁心磁通密度的高泡和，弓 外t s r 电动机注置参数多控制方案灵活，相电流波形随电动机工f 乍? 吠态的不f ，i 三 变换，无法得到篱渔、统一的数学模型解析式。因此，传统电动机的性能分听，了三 对s r 电动机不尽适喟。为了弄清s rf 乜机的基本关系和特性，我们以理想线形模兰 南京航空航天大学硕士学位论文 为仍进行分析。所谓理要线形模型是指： ( 1 ) 主电路电源的直流电压( 以) 不变： ( 2 ) 开关器件为理想开关，即导通时压降为零，关断时电流为零 ( 3 ) 忽略铁心的蠢滞损耗和涡流损耗； ( 4 ) 磁极间的砬遥边缘效应忽略不计； ( 5 ) 在一个电流象动周期内，认为转子的转动角速度恒定。 2 3 1电感与转子位置角的关系 如果不计电动机磁菇逝和的影响，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，相绕组的电感随转子位置角口周期性变化的规律如 图二一；所示。 蓦中横坐标为转子童置角( 机械角) ，它的基准点为坐标原点口= o 的位置，电 机转动过程中，随着定、转子磁极重叠的增加和减少，绕组电感l 在最大值和 最小黾感工。间周期变亿。工一是指定、转子磁极轴线重合的绕组电感：。是指定 子牟宝戋与转子磁极间中心线重合时的电感。 蛋2 4 中表示了转子转动一个极距r ，时绕组电感的变化曲线。极距f ，是指转子 相锣两极之间的机械角夏：f ，= 2 万( 2 3 ) 绕组电感与募予宣置角口的关系如下： f。b s 口s p ： ( 曰) ：k 日一8 ：) + l m n 曰25 p 5 秽3 。 l。p 3s 口e 口 l 。一k ( 目一以) 以s 目s 以 式中k = ( 三一一。) ( 口3 一目：) = ( 上一一一) ， ，是定子磁极芭硬五( 鼠；目，一目：) ： ( 2 4 ) 2 3 ：磁通与磁链 一f 目绕组电流绕组；：莲差为： 土，：型型臼 ，二5 ) i 中，“+ ”号用于；j 芝通电时，“一”用亍新尹时。兰式t2 4 ) 可知，当臼等 互襄t 口0 转角变化一：乏 转速愈高磁疑愈小磁路毫司度愈小。 小功率开关磁阻电机的设计和控制 k 。， j 茁 j 口 ?口j 扎 ( 。) 口i 口i j jl j ，_ 1 l 心邋姒 j ij o 自j ，扎口 6 ( b ) j 爪。 定子 转子 rc ) 型二- 4 皂甚上j 位置角天系及【岂流斩：专、角度缸置控制方式相哩赢波形 2 3 3 绕组电流 s rf 已轧中，通匣干日绕组电流i 由下式决定 = u l r = a w 陀f ( 2 6 ) 2 出*蔷 南京航空航天大学硕士学位论文 或 “= 识+ m l a f a 臼+ 血a l a 口 ( 2 - 7 ) 是口和f 的函数，电流f 是电压“、电感、转角口的复杂函数，它与磁路饱和 、初始条件有紧密关系。若要改变电流f 的大小和波形，则可以通过通电方式、触 发角、关断角的调节来实现。当s r m 起动或低速运行时，电流上升速度快，可采用 电流斩波或电压斩波控制方式( 即c c c 方式) ；s r m 高速转动时，电流上升速度慢 ，可采用角度位置控制方式( 即a p c 方式) 。下一节将具体介绍这些运行方式。 2 3 4 转矩与功率 当忽略绕组电阻时，将式( 2 7 ) 两边同乘以i ，得 = 嘉c 胁z 二籍。州r 上式说明s r 电动机运行时，单位时间从电源吸收的能量 场储能( 即磁共能v 吒) ，另一部分转换为机械能( w ) 输出。 电机的平均电磁转矩t ，为： 小学孚，何p ) ( 2 8 ) 一部分用于增加磁 式( 2 - 9 ) 的详细推导可参见参考文献【7 】。 在线性理想情况下，啦r p ) = 常数，则l ，与转速的平方成反比， 1 即 l ，。c 等 倒 平均电磁功率为：只= l 。 1 之与转速的一次方成反比，即pz 二。 2 4 开关磁阻电动机( s r m ) 的运行方式 ( 2 9 ) = 三于s r d 是一个机电一体化的系统，它的每一种运行状态与系统的控制方法 有一宅的对应关系。s r 电动机始终工作在有位置反溃的自同步状态因此，目同 步运 亏式s r 电动机运行状态的统称。s r 电动苓1 圣相绕组利用转子位胃信号来 通罡：襄磁的方法，反映了电机运行方式的本质特百： s r 电动机运行时，主要有下列几种运行状态： ( 1 ) 起动运行状态； ( 2 ) 稳定运行状态； l3 小功率开关磁阻电机的设计和控制 ( 3 ) 制动运行状态。 按绕组通电的激磁方式来分，可分为 ( 1 ) 起动运行方式； ( 2 ) 电流斩波运行方式； ( 3 ) 角度位置控制方式。 2 4 1 起动运行方式 根据s r 电机结构，一般起动方法有一相起动和两相起动= 起动的基本要求应满足：足够大的起动转矩，起动电流小逛动时间短。一相 起动是指起动只对相绕组激磁：两相起动是指起动是对两提绕组激磁。两相起动 增大了最小转矩。最小转矩反映s r 电动机带负载转矩起动曲瑟力，在一定电流作 用下，最小转矩越大，可带动的总负载转矩也越大。对一定的受载转矩，两相起动 时所需的起动电流幅值小于一相起动的起动电流幅值。它必将聋低主开关元件的电 流容量，有利于降低成本。 2 4 2 电流斩波控制方式 一通电期间，一相绕组的磁链可表示如下： y ：业( 口一见。) ：业铭f 2 - l0 1 在触发角目。( 或导通角目。) 一定时，因r 很小，可认为( “一氓) 是常数，则 y z 圪。当转速减小时，磁链v 增加，由于磁路饱和，相童为匣流峰值也增加， 如图7 所示。 aj 誊通波形( b )：毡漉：互i ： l 鲥：j不同转速f 的磁链、电流波形 臼( ：j， 南京航空航天大学硕士学位论文 s r m 低速运行时，为了避免过大的电流和磁链的峰值，需通过开关元件的多次 导通和关断来限制电流在给定的上、下限值内变化。在c c c 方式下，目。和目。e 固 定不变，以保证激磁状态与转子位置的严格同步。电流斩波控制方式的电流波形 也可见图2 4 ( b ) 。 提高斩波频率，可以提高控制性能，降低噪音。 2 4 3 角度位置控制方式 s r 电动机在高速转动时，绕组反电势大，电流上升速度缓慢，不会出现过电流 情况；因此，不再需要用c c c 方式来限制电流大小。改变目c 可以改变绕组电流大 小，进而改变转矩。角度位置控制方式的电流波形可见图2 - 4 ( c ) 。 为了克服电流缓慢上升阶段电流较小的不利影响，要求提前触发激磁相；为了 克服续电流产生负力矩的影响，要求提前关断激磁相。一般地，口。、目。有一个最 佳取值范围。 2 4 4 制动运行 根据前面的分析，只要改变目。、目。就可以在电动机轴上掩加一个与旋转 方向相反的转矩，实现制动功能，使电动机从高速快速进入低速运行甚至停车。如 果纯粹地通过改变激磁相序来实现制动，由于与转向相反的力矩投入过大过快，会 引起电机振荡，甚至产生过流现象。 在s r 电机中，只有回馈制动( 或称再生制动) 方式。 1 立当适意，制动运行方式仍属于角度位置控制运行方式，在制动运行方式中， 磁链、电流的方向仍为正| 直。 小功率开关磁阻电机的设计和控制 第三章模糊控制理论 在人们的日常生活中，经常会有这样一些判断，“如果温度较高，就打开电风 扇”，“如果前面路上有一个坑，就绕过去”，诸如此类各种各样。这些判断都带有一 些模糊性的因素，是人类经验的总结。研究发现，人类的模糊性思维在很多方面具 有计算机不可比拟的优点。为了吸取人类思维的这一长处，人们研究采用数学手段 描述具有模糊性的事物，从而诞生了模糊数学。模糊控制就是一门以数学为基础的 研究控制的学科。 3 1 模糊集的基本概念 美国l a z a d e h 教授于1 9 6 5 年在一篇论文中首次提出了模糊f 缸您y ) 集的概 念，从而开创了模糊数学的研究。 模糊集合的提出是为了区别于传统意义的普通集合，用于描述具有模糊意味的 概念。在人们的头脑中，大量存在的是模糊性概念，诸如大小、高矮、胖瘦、冷热 等等。例如，胖子就是一个模糊集合。它是指不同程度发胖的人，它没有明确的界 限，也就是说你无法绝对的指出那些人是胖子，而那些人不是。用不同集合就很难 描述“胖子”这样的带有模糊性的概念。这主要是因为在普通集合中，元素x 与集 合a 的关系只有两种，即要么属于，要么不属于。常用如下数学式来表达这关系： 小) = 仨箸 普通集合只能描述那些有清晰边界的概念，例如男人和女人。考毫到现实世界 中很多事物的分类边界是不分明的，而这种不分明的划分在人类的识别、认知和判 断过程中起着重要的作用，l a z a d e h 教授提出了模糊集合的概念。左模糊集合中 ，元素与集合的关系不再只用o 和1 两个值来描述，而可为闭区间【0 1 】内的任意值 。这个值即为该元素嚆于集合的程度，常称为隶属度函数。 在模糊集合中，隶属度函数是一个非常重要的概念，所谓隶属度函数就是表，征 漠糊集合中的元素属于该集合的程度的函数。隶属度函效常用。b ) 表示。其。 畏示模锎集合，j 表示集合中的元素。并且满足： os g ) 1 仃丁隶属度函数，就可以方便地描述现实世界中的吴有模糊性的谚念。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 模糊推理 推理就是根据已知的一些命题，按照一定的法则，去推断一个新的命题的思维 过程和思维方式。对于具有模糊性的问题就需要用模糨推理。例如，对于判断：“如 果温度较高且温度不断升高，就增大电风扇的风力”，由于“温度较高”、“温度不 断升高”是模糊概念，就不能用传统的形式逻辑进行推理，必须借助于模糊集的概 念。 1 模糊推理是一种近似推理，其基本提法为： 给定一个模糊蕴含关系“若a 则b ”，a 、b 均为各自论域( 设为u 、v ) 上的 模糊集合；己知爿也为论域tt 上的一个模糊集合，问从蕴含关系能推出什么样的结 论b ，b7 为论域v 上的模糊集合。 在模糊推理中，模糊蕴含关系“若a 则b ”一般是经过大量的实验或由经验得 到的，与人类日常经验的表述大致相同，有利于总结利用人类的已有知识。在模糊 控制中，将其称为控制规则，通常采用i f t h e n 。这样的条件语句表述。 有了模糊蕴含关系，也就是控制规则后，就可以根据模糊推理的一些法则进行 推理，得到与4 对应的b 。 3 3 模糊控制 模朔控制的基本结构可用图3 1 表示。虚线框内的部分即是模糊控制器，它完 哎输入变量的模糊化、根据控制规则进行的模糊推理、以及输出变量的反模糊化等 各：面功能。 r - - 一 数字量转 模糊量转 化为模糊 一 化为数字 量( 模糊 化) 量( 反模 糊化) j模糊控制器 ： 型3 1 摸糊控制系统基五薹f 日幽 嗅黼控制器需要完成的工作量较大，在对实时计算运度要求较高的系统中，常 小功率开关磁阻电机的设计和控制 再模糊控制表实现模糊控制器的全部功能，则图3 1 所示系统交为： 鬯p _ 1 划分l 叫查询表r _ 斗 llli 图3 2 利用模糊控制查询表实现的模糊控专系统 由图1 7 可见，该模糊控制系统的核心是模糊控制查询爱。所谓禳锈至割，就 是一种给出输出( 数字量) 与输入( 数字量) 对应关系的表巷，它是提蚕手礁定的 语言变量以及相童的隶属度函数，由事先总结的控制规则，羟过模糊艇暑算面得 ：将输入变量在箕取值范围内划分为若干等级，计算出输入冬等级的乎育兰合下对 立的输出大小，习为模糊控制表中的数据。模糊控制表为离线计算得要三汁算好 舌将其存入计算礼，实时控制时，只需要根据输入的大小对立查询控魂裹三可，因 而不会占用很多对间。只是存储模糊控制表需要占用一定的计算机内存奇翁入输 出量的划分越绍控制的精度就越高，相应的控制查询表也裁越大，乒零臣并算机 内存也裁越多。 s r d 控制系；毛的设计一般是采用p i d 调节器进行速度闭互调节的。! r 、l 童叠的 吾度非线性，至还没能求得其准确的数学模型，所以采亏一般的e 割j 三嘎碓 冬到理想的控帝：竺能。 模糊控制作勺一种语言控制方法无需被控对象准确的数李模型即筻妥三乏曼荨的 歪制。之实质上三一种非线性、智能控制方法。近年来，模餐控制理论三夏互号子 主流调速系统，天善了系统的调速性能，证明了模糊控制理运立用于吾运毛咩系统 冀可能性。采用散机做为核心s r m 控制系统，应用模糊控帝! 差论进行设_ 。：五善 姜溺速性能，不飞是可能的，而且是十分便利的。 本系统采用嘎蜘控制算法实现s r m 的速度闭环控制，柬萎i 系统墨i 运二乏 南京航空航天大学硕士学位论文 4 1 系统组成 第四章 s r d 系统硬件设计 开关磁阻电机调速系统是由开关磁阻电机f s 础“) 、功率开关主电路、驱动电路 、控制电路、检测电路等组成，如图4 1 所示。检测电路包括电流检测、转子位置 捡测和转速检测。 2 8 v 直流电源i p c ， 端口0 x 3 7 8输出t t l 电韵网网。际 1 l 电路 路r r 。 l 。 l 砭h 辫y i一电流调节器l l 电流检测卜j j 端口o x 3 7 9 一广 c 兰兰卜_ 1 位置、速度检测卜 图4 1s r m 控制系统结构框图 s r d 系统是机电一7 玉化产品，它需要控制逻辑电路根据转子建置决定与相绕组 相连的功率开关的导通三关断。早期的s r d 系统是由模拟电路手丑数字电路共同完成 的，其缺点是所用的元嚣，牛数量大、结构复杂、成本高、可靠性差、控制不灵活、 体积也大。当前的产品兰要由微型控制器( 如单片机) 和控制数