（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的tflsrm控制系统研制.pdf

北京变通火学硕士论： 覆遴、谲速特性和控潮方法，建立了英模型。在理怒线性纯 的数学模型基础上用m a t l a b 软件对系统进行了仿真。 设计了t f l s r m 系统所采用的功率变换主电路，对电路的 结构和有关参数遂行了选择、设计和计算；设计了褶应的驱 动电路。设计r 驱动电路与控制器用开关电源。对控制器的 硬件电路避行了综合设 ： 。，磷萋l 了以至i 公司的粥p 产基 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的控制器。 设计了位置闭环数字控制系统，它能够囱动控制电机循 环往复运动，实现电枫的西象限运行。熬后考虑到以后样梳 的延展和不同的实际应用，简单介绍了电流一速度双环p i 数 字溺节系统。对所设计酶系统试验装置进行了测试，给出了 t f l s r m 系统的试验缩果，并对其进行了分析。最后对全文进 行了总结。 本文通过开震对t f 盗焱及其控翻系统的研究，为它在辘 道交通及其它工业领域的应用提供了理论基础和先期试验。 关键词：横向磁场电机，直线电机，开关磁阻电机，数 字控铡，模型，系统仿真 儿 北京交通大学硕士论文 d e s i g no ft f l s r m c o n t r o ls y s t e m b a s e do nd s p a b s t r a c t w i n lm ed e v e l o p m e n to ft h ec i _ c y s e c o n o m ya 1 1 dc u l t u r e ， i n c r e a s eo ft h ev e h j c l e s ，t h e r ei sab 塘c o n t m d i c t i o nt h a tc a u s e sa s e r i e so f p r o b l e m sb e 铆e e nm eu r b a n 咖掰ca n dt h ed i o d ec u h e n t c a p a c i 够i h i lt r a f i ci s ap r i m a 巧m e t h o dt os o l v et l l eb i gc i 够s 缸- a 卿b l o c 蜘g e l i n e a r 毋9 p r 塾曼ss 9 m 宝璺 鲤t 璺g e s f o ri n s 印；_ e ， i i n e a rm o t o rc a l ld i r e c t l yg e n e r a t et h ef o r c ea n di ti sm d e p e n d e n t o f t l l ea d h e s i o n ，s oi ta t 订a c t sm a n y s p e c i 柚s t s n o t i c e a m o n gm e 1 m e a rm o t o r ss y s t e m ，l i n e a ri n i d u c t i o nm o t o ra 1 1 d l i n e a r s y n c h m n o u s m o t o r sc o r r e l a t i v e t e c l l i l o l o g y a r e c o m p a r a t i v e l ym a t 峨s om e yh a v eb e e nu s e di nr a i lt r a m ci l l s o m ec i t i e s a san e wm o t o rs y s t e m ，l i n e a rs w i t c h e dr e l u c 伽c e m o t o rh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es 伽】c t u r ea 1 1 dl a 略e o 。啤拿s oi t “! j ：oa t t r a c t s ，s o m 。磐e c i a l i s 埘n 磐i c e p a l l s v ( ! = 。s e 且嶝 m o t o r sn u ) ( i sv e r t i c a l t oi t sm o t i o nd i r e c t i o na n di t sm a 舭e t i c c i r c u i ti sd e c o u _ p l e d 丘o mi t se l e c 订i cc i r c u i t t r a n s v e r s en u x m o t o rh a s9 0 0 dp r o s p 甑i nr a i l 出i v es y s t e mb e c a u s ei t sh i 曲 t o r q u ed e n s i t ya 1 1 dp o w e rd e n s 咄a m o n g 也el i n e a rs w i t c h e d i i i j ! 至銮望查堂婴主堡兰 r e l u c t a n c em o t o r s ，a 仃a i l s v e r s en u x 。1 i n e a rs w i t c h e dr e l u c t a l l c e 啪t o r 呷l s 砌“) d r i v e i ss e l e c t e dt os 舢d yi nm i st o p i c t f l s r md r i v ei san o v e ld r i v ea n di t sm ei n t e g r a t i o no f t 王l e 1 i n e a rm o t o r _ t r a n s v e r s em o t o ra n ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r t h ed r i v ei s m a i n l yc o m p o s e do f 阿l s r m p o w e rm e n e r ， c o r 啦o u e ra n dp o s i t i o ns e n s o r i t h i sa r t i c l ep r i m 撕l yi n 仃o d u c e sm et f l s r md r 黼s 讥r k p r i n c i p l e ，c o n 的1 1 i n gm e a n 蛹y 或缸缸d d 甜s i i l l _ i l i l a t i o n ，1 1 a r d 、v a r e a n ds o r w a r e si m p l e m e n t a t i o n + t h i g a r t i c l ei n t r o d u c e s 协e t f l s 础s 乜m c t u r e ，曲a r a c t e r i s i t i ca n di t sd e v e l o p m e n t t h e nt h e e l e c t m m a g n 每t i cp d n c i p l e ，o p e r a t i 罐p r i n c i p l e ，m e t l l o d o fm e s p e e dr e g u l a t i o n ，c o m r 0 1 面d ea l l d 慨m o t o 幽s i m p l e 抽捌a r e d e s c r i b e dmd e t a i l s b a s e do nt h es i m 参l e1 i n e 酊m o d e l 也es y s t e m s i m u l 撕o ni sa c c o m p l i s h e db yu s i n gm a t l a bs o f 栅a r e s e v e r a lm a i nc i r c u i t so fp o w e r 6 n v e r t e ra r ea j l a l y 扣da n d m e i rc h 撕a c t e r sa r ec 6 】! 1 西a 俺d 、耐_ c he a j h6 ：l l e r m a i nc i r c u i t 矗耐 d r i v e rc i r c u i to fi g b tf o rm et f l s i 己ms y t e ma r ed e s i g n e d t h e h a r d w a r eo fm ec o n t r 0 1 1 e rb 蠢e do nm ed s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) i s d e s i g r l e d 。 t h ec o n t r o ls o 行w a r et h a tc a nc o m p l e t ec l o s e dp o s i t i o nl o 叩 i sp r o g r 黜e d t h em o t o rm a tc a nc o m p l e t ef o u r _ q u a d r a n t 叩e r a t i o nc a i la d v a l l c ea i l dr e t u n lm o v e m e m c o n s i d e r i n g 鼬e r l 塑塑塑坠堂堡圭垫壅 e s 哂a n dd i 毹粥n ta p p l i c a t i o n ，ac 嘲n t - s p e e dd o u b l ec l o s 醚 i o o pd i g i t a ic o 椭ls y s t e mi sa 1 8 0i n t r o d u c 。d a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i 龇n to f m et f l s 蝴越v e ，t h er u l l 芏1 吨d a t aa n dc u r v e s a f e p r e s 眺d 戚锃l e 吐瓣e 钕i s t 呈e s 黜a n 雒y z e d 。f i 凇l l y 妇是挂 t h e s i si ss u m n l a r i z e d 1 1 ”o u g hm es t u d ya b o u tm et f l s r m d r i v e ，m i sp a p e rc a n s u p p l ys o m e 龇r e t i c a 王a n de x p e r i m e n t a ls u p p o r ti nr a i l 蚀题c 勰do 缘e fi 转d l l s 扛 e s k e y w o r d s ：t r 锄s v e r s ef l u xm o t o r ，i i n e a rm o t o r ，s w i t c h e d r e ! 烈e e 嫩。抛m o d e t $ y s t e ms i m u l a t i o n v 北京交通大学硕士论文 第一章绪论 本章摘要：本章首先介绍选题背景，然后比较各种直线电机，引入 横向磁场直线开关磁阻电机其控制系统并简要介绍它的结构和特点。 1 1 选题背景及意义 随着城市经济、文化活动的日益发展，流动人口以及道路车辆不断 增加，城市交通量与运载能力之间的矛盾日显突出，行车难、乘车难不 仅成了人民工作和生活的一个突出问题，而且直接制约了城市经济的发 展。经过近1 0 年的实践和论证，从中央到地方都一致认为，发展城市轨 道交通是解决我国大城市交通堵塞的主要途径。 从国外和国内的情况看，目前用于轻轨系统的驱动方式有两种，一 种是传统的旋转电机驱动，另一种是直线电机驱动。这两种驱动方式有 蕃自的优势，旋转电机比直线电机在同样情况卞目耗要低1 0 一一3 0 【i j ； 且直线电机驱动方式还需要一条长长的反应轨，使得投资相对增加。但 是i 直线电机也有自己的独到之处。下面说说它的特点。 1 1 1 直线电机的概况 直线电机是一种将电能直接转变成直线运动机械能，而不需要任何 中间转换机构的传动装置。有直线直流电动机( l d m ) 、直线步进( 脉 冲) 电动机( l p m ) 、直线感应电机( l i m ) 、直线同步电机( l s m ) 和直线开关磁阻电机( l s r m ) 等。目前直线电机的应用得到了迅速的 发展，制成了具有实用价值的装置和产品，在工业领域，直线电机被用 于生产输送线以及各种横向或垂直运动的一些机械设备中。例如直线电 机驱动的运媒机、起重机、冲压机、各种电动门、电动窗、磁头定位驱 动装置、矿山运输系统等等。在交通运输中，曾利用直线电机制成了 5 0 0 k m h 以上的磁悬浮列车【2 3 】i 我国广州地铁四、五号线已经采用了 直线电机驱动系统。 1 1 2 直线电机的优点4 j 在城市轨道交通中，直线电机驱动车辆比旋转电机有自己独特优 点，具体为： ( 1 ) 直线电机车辆无需旋转电机车辆所必需的转换装置，电机直 北京交通大学硕士论文 接产生直线推力，无转换耗能问题，、结构简单，车辆自重也大大降低， 运行可靠。车轮只起滚动与支撑作用，直径大为减小，加之直线电机的 扁平结构，使得车体高度大大降低，对于地铁应用而言，可减小隧道断 面高度，进而可降低土建成本。 ( 2 ) 旋转电机驱动的列车靠轮轨间的粘着获得牵引力，而轮轨粘 着系数随速度提高而下降。尤其严重的是，速度越高，越需要强大的牵 引力来克服急剧上升的空气阻力，所以其列车速度一般不应超过 4 0 0 h 油。直线电机车辆的驱动为非粘着驱动系统，牵引力不受粘着限 制，可适应大坡度与小半径线路，便于城市轨道交通线路的选线和车站 的设置。 ( 3 ) 由于不采用转换装置，直线电机车辆没有旋转声和齿轮发出 的噪声，并使保养维修工作简化，通过弯道时轮轨间的摩擦碾压声也大 大减小，同时减轻了轮轨的磨损。 ( 4 ) 散热效果好，可采用自然冷却。 德国、日本、加拿大、美国、澳大利亚、马来西亚等国家已将直线 电机驱动系统用于地铁及轻轨车辆。我国有些城市的轨道交通建设也作 了这方面的研究探讨。直线电机车辆系统( 地铁或轻轨) 仍为轮轨系统， 车辆的支撑和导向是依靠车轮与轨道完成的，无论是成本、能耗还是维 修的复杂度都较磁悬浮列车小的多，而其性能却远比传统地铁( 或轻轨) 优越。广州地铁四、五号线已经采用了直线感应电机驱动系统。可以预 见，直线电机车辆系统在我国城市轨道交通中将会得到长足的发展。 本文研究的对象是横向磁场直线开关磁阻电机( t f l s r m ) ，它是 l s 州中的一种类型。通过开展对t f l s r m 及其控制系统的研究，为它 在轨道交通及其它工业领域的应用提供理论基础和先期试验。 l2 各种直线电机的的比较 1 2 1 直线感应电动机 直线感应电动机技术相对最为成熟，应用也比较多。直线感应电动 机是由初极和次极两部分组成。各方面的考察表明，若以直线感应电机 作为牵引之用，最好把初极装在车上，让轨道本身作为次极。直线感应 电动机还有以下一些特点：1 、具有较大的启动力矩而不需要附加的启 动设备，并可实行大范围的加速和减速；2 、具有较大的气隙( 一般比普 北京交通大学硕士论文 通感应电机大约大3 一1 0 倍) ，推力随着气隙的增大而减小，功率因数和 效率都比较低；3 、直线感应电机具有端部效应，其端部效应包括纵向 效应和横向效应，特别在高速区域其端部效应特别明显，并起到减小推 力的作用旺”。常导磁吸式一般用直线感应电机。 1 2 2 直线同步电动机 近几十年来，直线同步电动机逐渐引起了各国科学家的重视，这主 要是感应电机的工作方式的效率低下以及同步方式运行的优点所决定 的。一般来说，直线同步电动机有这样一些特点：1 、采用直流励磁绕 组，因而具有较高的功率因数，使得激磁损耗大为减少，特别是超导磁 体的应用使这一特点更为突出；2 、直线电机的推进力和垂直力可由同 一系统提供，且对电机气隙的要求不象直线感应电动机那样严格，可运 行在较大的气隙状态下，因而对轨道要求不高；3 、对于常规的直线同 步电动机，三相交流绕组铺在地面上使得轨道价格较高；4 、需要一个 完整的控制系统使得直线同步电动机在所有的速度下都保持同步运行： 5 、直线同步电动机系统的效率比直线感应电动机系统的效率高口，6 l 。超 导磁斥式磁悬浮铁路一般采用直线同步电机。 1 2 3 直线开关磁阻电机5 】 直线开关磁阻式电机( l s r m ) ，其结构类同于旋转式开关磁阻电机。 与旋转式开关磁阻电机( s r m ) 相比，它相当于沿s r m 圆周方向，将旋转 的定、转子展开后，对应转子部分为l s 删次级，对应定子部分为l s r m 初 级。直线开关磁阻电机的推力与旋转开关磁阻电机产生转矩的原理是相 同的。l s r m 系统能够产生推进力，也能产生法向力，这两个力是互相 垂直的。和l 订、l s m 相比，l s r m 次级无绕组亦无永磁体，原级边 为集中绕组，这使得它结构简单，生产和维护容易，而且它的驱动方式 使其具有故障容错性。此外，l s r m 调速范围宽，起动转矩大、起动电 流小，低速大转矩的特点使其特别适于爬坡。 传统的电机一般是径向磁场电机，而横向磁场电机是一种新型电 机，它的主磁路与电机运动方向垂直，实现了磁路与电路结构上的解耦， 可以通过电机极数和相数的增加提高输出转矩，具有较高的转矩密度。 和传统的径向磁场s r m 比，它增强了设计的灵活性。它在转矩与功率密 度方面有得天独厚的优越性，以及灵活的结构设计，多样化的拓补结构， 它可以用低速大功率、容错性好来概括，能直接驱动低速大转矩负载， 北察交避丈学硕士论文 在躲舷爨麓桨煮接驱魂、风夯发奄、宅动汽车方瑟黪有菪广润豹应麓奈 问。缺点烂工艺复杂，没有较离的工艺水平很难制造。它已经引起了许 多国家的极大兴趣。 开关磁阻电机是本世纪七十年代以后才逐渐发展起来的一种新粼 驱动装置，怒磁阻电动机和电力融予开关电路相结合而产生的一种机嗽 一落纯瑟产燕。它爵隧实瑷麓精度、姨褪瘟、裹效察戳及裹辕窭弱热熊 蓿标。鍪本琢理是磁通总是蘩沿着磁导最大静籍强闭合，困两在裙、次 级铁心间会产生磁拉力，此磁皴力就是s r m 定、转予运动的电磁力。 开关磁阻电机调速系统综合了交直流调速系统的许多优点，可以归 纳如下： ( 1 ) 缝梅篱单，转子仅由懑片梅成，没有任德形式的绕组、滑环、 换蠢器等；定予上只有麓单瓣祭中绕缓，蝼部连接麓，没有程阗跨接线。 其有裁彳蕈工序少、成本低、工作可靠、成本小等优点。 ( 2 ) 电机转子结构形式对转速限制小，可以制造成高转速电机； 转动惯量小，动态响应迅速。 ( 3 ) 转矩与电流的极性凭关，只需要单向的电流激励。从理论上 讲，s 砒畦黪功率变换电路中镑程可娃只用一个开关元件。藤虽每个努 关元箨都与魄规绕缀串联，不存在p w m 遵交器孛亳源存壹逶瑟令开关 的危险。 ( 4 ) 控制灵活，可以通过控制电压、绕阻电流开关角、电流幅值 等参数，樗刹满足不同负载要对屯的机械特性。 ( 5 ) 可方便地实现四象限运行，起动转矩大，并能有效控制起渤 电滚，戆羰繁逶反转、超毒l 动。 ( 6 ) 嘏祝稻功率交换电路各稳独立，在蜀部稳发生敌簿眩怼其它 相影响不大，因而具有良好的容错性能。 s r m 的主要不足之处在于： 。 ( 1 ) 由于双凸极结构和磁路饱和的非线性影响，使s r m 的合成转 矩是含有一定谐波分量的脉动转矩，谐波的存在对s r m 的低速运行性 戆毒影酶。 ( 2 ) 不能像异步电动祝那稀赢接接入电网终穗速运行，s r m 必须 与控制器一同使用。 ( 3 ) 能溉传感器的存在，增加系统的复杂性。 4 北束交通大学硕士论文 t f l s r m 是l s r m 的神，它既具有开关磁阻电机结构简单牢固、转子 损耗小、调速范围宽等优点，又典有横向磁场电机的特点，由t f l s r m 构成盼矗线毫杭车耩不但整露、爵靠，成本低廉，维护简单，能充分发 挥壹线电掇车辆在城率鞔遴交逶中毂优势。 对于t f l s r m 斡硬宠，e h 程l g - t s u n gl i 珏等人微了大整的工作，发表了 四篇被i e 腿检索的论文。在文【l l ，【1 5 】中，用有限元和傅立时变 换等方法对三维力的稳定性进行了分析，建立了复杂的模型，做出了悬 浮式的试验样机。而闰内大陆地区对t f l s r m 研究述相当少，本文对此开 展研究探索它的应用领域，将会促进人们对t f l s 附的注意。 1 3t f l s 硎系统的概述 横商磁场直线开关磁隘亳梳系统主要密电枫( ，王f l s r m ) 、功率交 换器、控铹爨、德置检测、毫滚梭测等稿成。熟图l ，l 鼹示。 图卜1t f l s i l m 系统构成摄图 f i g tl ls t f u c t u r eo f1 f l s r ms y s t e 搦 、横向磁场崖线开关磁浆电极( 善f l s 魏) t f l s r m 中实瑗机电越量转换的部馋，其优点兹越已经森所论述。 它可以设计成多种不网相数结构，且初、次级的极数有多种不同的搭配。 2 、功率变换器 功率变换器的作用楚将电源提供的能量经适当转换后提供给 t f l s r m 。由于t f l s r m 绕组电流怒单向的，使得其功率交换器主电 路不仪结构较简单，而且稆绕组与主开关器件是串联的，因而可预防短 路敌障。了节l s r m 的功率变换器主电路的结构形式与供电电瑶、电杌穗 数潋及主开关器件靛释类等舂关。 3 、接制嚣 北京交通大学硕士论文 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，进而去控制功率变换器中主开关器件 的工作状态，实现对电机运行状态的控制。 4 、位置传感器 位置检测器是电机驱动系统至关重要的组成部分，它向控制器提供 初、次级相对位置信息，为控制器进行速度计算和控制算法提供依据。 位置传感器多为光电式结构，根据光电传感器输出信号的组合，就能判 断出初、次级磁极的相对位置。 1 4 电机方案的确定 系统有两种方案可以选择。第一种；系统采用短初级、长次级结构 以降低制造成本和运行费用，初级定子安装在车辆底部的转向架上，而 将次级转子悬空固定在支架上，并沿轨道长度全线铺设，如图1 2 。其 中1 2 ( a ) 是两维横断面示意图，1 2 ( b ) 两维侧面示意图。这样设 计的原因是：当初级定子通电时，t f l s r m 除了产生与轨道平行的推力 外( x 轴方向) ，还产生法向力( y 轴方向) ，此法向力方向向上可以减 小车辆重力对轨道的压力，进而使车辆轮轨间的摩擦减小，车辆前进所 需的电机推进力也被减小。 1 2 ( a ) 两维横断面图 北京变通天学硕士论文 l 2 ( b ) 两雏侧面图 霉l _ 2t f 爱蕊砖第一肆结麓示意毽 f i g 1 2t h es k e 钯h 。f 蕊t f 臻r 淤sf i f 蛀s t r c u t u r o 第二种方案，若将次级转子固定于地面( 圈1 3 所示) ，减小了建 设费用，控匍较为简单，但向下同时的法向力势必增大车辆对轨道的压 力，增大轮鞔闻的痒擦，车辆前进所需的稚力辔被潜翔。 1 3 ( a ) 两维横断面图 l 一3 ( b ) 两缨侧赫图 、 蹋卜3t f l s 蹦的第二种结构示意图 f i g 1 3 孙es k e 如ho ft h et f l s r m ss e c o n d8t r c u t u r e 考虑到第二秘方案试验条件较为容易实现，控制也烟对较为翁单， 所以本文先以第二神方案为研究对象并简化试验系统。 1 5 本文研究的主要内容 本文以设计一台3 相t f l s r m 及其控制系统实验样机为主题，主 要研究工作如下： ( 1 ) t f l s r m 梳电能麓转换关系。本文从髓l s r m 的基本电磁魏 律蟊发，全蔷分析了它的运行舔理、数学模型、调速特性帮控黼方法。 在线洼数学模型豹基磁上对t f 毛s r 艇系统遴行了系统仿真。 2 ) 设计轻l s r m 控铡器和功率变换器。攘讨不錾功率电路瓣刊 北京交通大学硕士论文 弊，根据本t f l s r m 系统选择了所采用的功率变换主电路。对主电路的 有关参数进行了选择、设计、计算；设计了相应的驱动电路。设计了控 制器用开关电源；对控制器的硬件电路进行了综合设计，研制了以d s p 为核心的控制器电路。 ( 3 ) 提出了系统所采用的控制策略。首先根据样机系统轨道较短 的特点，介绍本系统采用的位置闭环数字调节系统，它能够实现电机的 自动循环往复四象限运行。编写了上述软件的主程序、子程序和中断处 理程序。采用模块化编程，增强了程序的通用性和可读性。然后考虑到 以后样机的延展和不同的实际应用，简要介绍了电流速度双环p i 数 字调节系统的实现。 最终制作出一台3 相t f l s r m 及控制系统实验样机，对样机进行 了实验，取得实验结果并进行了分析，最后对全文进行了总结。 8 北京交通大学硕士论文 第二章直线开关磁阻电规的基本原理和模型 本搴蘩溪：本章主要分缨篁f l s 嬲懿基本器囊萃封数学模型，并对 t f l s r m 运行特性进行了分析。 2 1t f l s r m 的基本结构与工作原理】 上章提到，t f l s r m 与旋转式开关磁阻电机( s r m ) 相比，它相当于 沿s r m 茵周方向，将旋转的定；转子展开后，对应定予部分为l s r m 初级， 对应转子部分为l s 麟次级( 图摇第一章图卜3 掰示) 。除了杰结构主梗 似，在驱动系统上也裔很多可以相互借鉴的地方。 开关磁阳电机一出现就受到了人们的广泛重视，= 十多年来，提出了 各释窀梳结毒奄方案，按褶鼗分青擎楣、两褶、三相和隧稆，英中对三稽和 四熄开关磁腿电枞研究最为广泛。按照每投搬数分有攀齿瓤多嚣缝槐，一 般说来，多齿结构单位铁芯体积出力要大一些，但其铁芯和主开关元件的 开关频率和损耗也增加，这将限制开关磁阻电机的高速运彳亍和效率，因诧， 一般不锼蠲多卷练孛冬。开关磁阻崴掇一般采用双鼹援缨构，并且定、转子 极数不同。 图2 1 f l s r m 的结构示霭躅 f i g 2 lt h es k g 锄o ft h et f l s 赚 罩f l s 勰是搂匿磁场毫橇，主磁路方囊与运动方良垂蠹。秘筵统熬 径向磁场l s r m 比，它增强了设计的灵活性，可以在次级的极间用混 凝土加固而毫不影响电机性能，如图2 1 ，这是径向磁场l s r m 所无能为 力静。 由予t f l s 列秘s r m 的静形式，它也具有反应式结构，它运行遵 循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有 北京交通大学硕士论文 一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，使自己的主轴线与磁场的轴 线重合，当初级的一相通以激励电流时，在初级和次级气隙间产生磁拉 力，距离该相初级最近的次极就被吸引向着初级极中心线的方向运动。 通过位置传感器实现闭环控制，对功率电路强迫换相，适时通断开关， 以连续顺序地给各相初级绕组通电，就可以产生电机需要的持续电动力 或制动力。 系统的运行原理为：如图21 ，当通电顺序为b c a b 时，直线电 机车辆将沿x 轴正方向前进；相反，若通电顺序为a c b a 时，车辆将 沿x 轴负方向前进。和常规s r m 一样，t f l s r m 可方便地实现制动与能 量回馈。通电过程中，同相下的初级绕组可以串联连接也可以并联连接。 可以是每侧的4 段同时通电，也可以选择其中的几段。 2 2t f l s r m 的数学模型“2 0 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 虑初、次级齿极重叠时的饱和。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，是因为该电机本身很特殊，它的磁场分布和电路参数比较复杂，特 别是在脉冲性电流供电及次级步进运行中，无法像其他电机那样建立简 单和规范的数学模型。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，而是电流和初、次级相对位置的函数。 开关磁阻电机初级绕组的电流、磁链等参数随着次级位置不同而变 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，本系统中假设t f l s r m 的各相结构和参数对称。设 k = 1 ，m 相的电压、磁链、电阻和电流分别为u 后、y 七、， 速度为v 。 l 、电压方程 根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各初级绕组端的电压等 于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，第k 相绕组电压 方程： 1n 北意变避大学硬士论文 = 气+ 警 纠) 2 、磁链方程 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各稻窀流与互感黻及裙、次 缀稻对位谶的函数。由于t f l s 跚各相之间的互感稆对自感来说甚小， 为了便于计算，在t f l s 蕊的计算中一般忽略稻问互感，这时磁链方稚 可近似成： 矿是。三o ，弘z ，) 2 是 ( 2 _ 2 ) 焉y ，z 分别是x ，y ，z 轴方向的位移；足电感。 从( 2 1 ) 和( 2 - 1 ) 式可以推导出k 相的电压方程 吒= 气+ 警+ 罄塞+ 警等+ 警妄，麓 c 。固 从2 3 式可以看出电压主要有电阻压降，自感产生的电压和运动 电动势压降，其中在低速时，电阻的压降不可以忽略不计，但是在高速 时由自感和运动电动势的电压会占很大很大的比例，电阻压降可以不 计。 式2 - 3 嚣边郝乘以，可以辱譬出： 矿。t = + 气警十e 警争警警尝 臣固 供给电机的功率减去绕组上的电阻消耗的功率，可以表示为 p 三是k 誓t 罄警象+ 警耘 _ ， 从能量的变化率方面有： 象哇气弘& 鲁弓謦塞+ 警鲁+ 警藏 涵国 式2 5 减去2 6 得到 p z ：主c 警妄+ 警老+ 警妄，z ； c z 忉 设电机的运动方向为x 方向，则为x 方向上运动所提供的功率为 。f ：三堡堕f ； ( 2 8 ) 珞2 五i i 2 后 因此由p = f v 可以得出k 相在x 方向上产生的电磁力为 鬈= ；警尝 则三相电机在x 方向上的产生的合力为 毛2 圭差。警墨 p 聊 同理，法向力以及初级和次级间的侧向力可以描述为 = ：差。警尝 陋m 乞2 j 墨。警 p 1 2 电机设计合适时侧向力的合力为o ，假设忽略侧向力，我们只考虑 x 方向和y 方向力，则x 方向的机电动态方程： m 窘= 六一；加罢 ( 2 _ 1 3 ) 其中磐：v d t 其中d 是阻尼系数，m 是初级和负载的总质量，z 是作用到初级上 的阻力。 同样的道理，y 方向的方程可以表示为 北京交通大学颟士论文 材擎= 五一掰。爵一或警 ( 2 - 1 4 ) 2 。3t f l s 蹦线性模型分据： i ：! 嗣羔! 雾簿黪鬻爹 北京交通大学硕士论文 域内，定次级磁极不相重叠，电感保持最小值上。i 。不变，这是因为开关 磁阻电机的次级槽宽通常大于初级齿宽，所以当初级凸极对着次级槽 时，便有一段初级齿与次级槽之间的磁阻恒为最大并不随次级位置变化 的最小电感常数区：次级转过x 2 后，相电感便开始线性地上升直到x 3 为止，x 3 是次级磁极的前沿与初级磁极的前沿重叠处，这时初、次级 磁极全部重叠，相电感变为最大值三一；基于电机综合性能的考虑，次 级凸极( 齿宽) l s 通常要求大于初级凸极( 齿宽) 长度l p ，因此在 x 3 一x 4 ( x 4 为次级磁极的后沿与初级磁极的后沿相遇的位置) 区域内，初、 次级磁极保持全部重叠，相应的定、次级凸极间磁阻恒为最小值，相电 感保持在最大值上。；从x 4 相电感开始线性地下降，直到x 5 处降为 三，x 5 、x 1 均为次级磁极后沿与初级磁极前沿重合处。如此周而复始， 往复循环。 开关磁阻电机线性模型的电感的分段线性解析式如下： 式( 2 1 5 ) 中 上g ) f上m 面x l x x 2 世g j ：) + 三血ax z z ：码 ( 2 1 5 ) i三m a xx 3 工工4 、 【上。a x 一足g x 4 ) x 4 x - 屯 2 3 2 相电流分析 典型的相电流波形如图2 3 所示 图2 3 典型的相电流波形 ( 2 - 1 6 ) l4 等等k 墨 如 北京变通大学碗士论文 f l g 2 31 i 。y p l c a lc u r v eo fc u r t e n t 滔磁阻电机由恒压赢流电源供电时，在绕组电感仅是位置的线性醋 数的假设下和忽略绕组电阻影响的影响下，设电机在x 轴方向下运动， 把下标k 略去由式( 2 3 ) 中可以褥蓟： 移：三堡i 些v ( 2 1 乃 穗 c b c l 、鼍x x 2 电感l 蒯n ，且越苏= o ，x 。；是通电时刻，冀祥为 相断电时刻，则电流解析表达式如式( 2 。1 8 ) f ( x ) ：了坠r ：兰兰逸 ( 2 _ 1 8 ) 三 n i 盏i 蕊建 v 式( 2 1 8 ) 表明，电流在最小电感恒值区城内是奠线上升的，这是因 为该区域内电感恒为最小值，虽无旋转电动势，困诧开关磁阻电渤机稻 电流可在该区域内迅速藏立。 2 、工2 x x 。疗 这一阶段是有效工作段，相电流将产生电动转矩，魏後时阕雨电感 处于上升段，电机的电流大小鞠持续时间将巍接影响电机性能。 胰x o f f 瞬闯开始，主开关关断，进入续流阶浚。在爱向奄篷帮运 动电渤势的作用下，电流很快下降。该续流电流还产生电动力，说明这 期间电机磁场储能一部分转化为电能酗馈给电源，尚有一部分转化为有 用的机械毖。 4 、z 3 x x 4 缕滚毫雾菱在最大电感区内线牲衰减。鼗时，髭彖= o 为零，无旋 转电动势，相电流不产生电磁力，绕组磁能回馈给电源。 5 、茁4 善 x 5 在这个蹬段，越蕊 2 如魄氇毽+ 酞强 瑰瓯 ll2浮动ll l u c u 。 lll浮幼可控 1 i r m 。 主开关数 2l11m + l mm + l m1 相数 相控独立性独立独立不独立不独立独立不独立 不独立 宅桩稽 须5 制 每一瞬薅次馈 器件及铜线间必须电，控 换相电 缺点中赢电 有两相栅较复 挨摇蠖爨r 上 数量多利用率 位漂移肖损耗 低导逡杂 表4 1 动率变换器主电路比较表 北京交通大学硕士论文 f i g ，4 一ll a b l e0 0 m p 8 r l s o no ft h ep o 驿e re o n v e r t e r 4 1 2 功率变换器主电路的选用依据和原则 l 、适髑戆提数 寝4 1 中所示的7 种常用的功率变换器主电路中，电容分压型只适 震予鞠数为偶数黪l f l s 粼， l 橙型仅避趸予楣数是4 k ( k = l 、2 、3 、) 的t f l s r m ，其它4 种主电路均适用于任意相数的t f l s r m 。 2 、电滚有效裂建率 反映功率变换器主电路电源有效利用率的参数有两个： ( 1 ) u ；斑：帮功率交换器主毫嬉静壹流邀澈供电恕压毡与稻绕组最大 供电电压u 。之比。该参数最好为1 ，这样在同容攥的条件下，t f l s 删 静稻邀流小、锈耗小、系统效率高。 ( 2 ) u 。u ：即相绕组的换相电压与相绕组最大供电电压u 。之比。 从主开关和续流二极管额定工 乍电压的合理性和系统侠途换稻的要求 出发，该参数最好也取k 3 、相控独立程 欲保持多相t f l s 雕每提均键工作，使系统具有较强的容错能力， 最好做到独立控制各相的供电泡压和换相电压，使之不受其它相的影 响。 在表4 一l 中只有双开关型和双绕组型功率变换器可做到各相独立 控制，且控制筵单。综合以上番令方露的因豢，本系统采鼹双开关( 不 对称半桥) 型功率主电路的拓扑结构。它的三相功率变换器电路如图 4 8 掰示。 躅一8 暴磅称半耨螯功率变换主电路 f i g 4 8p o w e rc o n v e r t e ro f u n e q u a lh a l f b r i d g e 4 。1 3 不对称半援戮线路瓣跨点及电黪多 析： 主要特点： 北京交避大学硕士论文 各主开关管静宅压定额为 由于主开关管静电压定簌与电动梳绕缀静电压定额涯 羧裙等， 所以这稀线路蒂足了主开关管的额定窀箍，有效的全部蠢源电压可雳来 控制相绕缀电流。 由于缚栩绕组接至各舀的不对称半桥，在电路上，檑与相之间 是完全独立的，敝这种结构对绕组相数没有任何限制。 每相需要两个主开关管，电动机绕组与每相开关串联，不存在 上、下桥臂直通的隐患。 这种结构共有三种工况，以电机a 楣分析为例：a 稿导通；a 相导 通且进行p w m 调制；a 相关断。 1 、a 相导通，上下两只主开关管s l 、s 2 同时导通日寸，电压加至a 相绕组两端，产生棚电流矗，此时电能转换为磁场能量； 2 、a 桷导通且进行p 删调制，由于本系统采有定频调宽的p w m 调制 方式，所以，在a 相导通且p 嬲调制处于周期开通状态时，上下两只主 开关管s l 、s 2 网时导通，电压热至a 蝴绕组聪蠛；在a 相导通且p 删 调制处于周期关龄状态对