（电力电子与电力传动专业论文）开关磁阻电机驱动系统的动态模型与仿真.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 础上，在s i m u l i n k 环境下建立了四相( 8 6 极) s r d 系统的 线性与准线性仿真模型。然后分别对s r 电机在开环、速度闭环、 电流闭环、速度电流双闭环控制方式下的各种运行情况进行了 一些探索性仿真分析。 论文中建立的快捷方便准确的s r d 动态模型，将在优化电 机设计、确定准确的控制策略以及s r d 系统的更广泛应用等方 面起到非常重要的作用。 关键词：开关磁阻电机，参数计算，动态模型，仿真 太原理工大学硕士研究生学位论文 d y n a m i cm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n 0 ft h es w l t c h e dr e l u c t a n c e d r i v es y s t e m a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ( s r d ) s y s t e mi san e wt y p eo f c o n t r o l l a b l es p e e dd r i v em e c h a n o t r o n i c ss y s t e mr i s i n gi nt h e19 8 0 、s o fl a s tc e n t u r y i td e v e l o p sw i t ht h ep r o g r e s so fm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n 0 1o g y , c o n t r o lt e c h n o l o g y , p o w e r e l e c t r i ca n dm o d e m c o m p u t e rt e c h n o l o g y i th a st h e t r a i t so fs i m p l es t r u c t u r e ，h i g h d e p e n d a b i l i t y , f l e x i b l ec o n t r o la n dh i 曲e f f i c i e n c y , a n dh a se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e sa n dw i d ea p p l i c a t i o n s i th a sb e e nu s e di n s e v e r a l i n d u s t r yd e p a r t m e n t sa n dh a sa n i c ef u t u r e i ti sr e c o g n i z e dt ob et h e m o s t p o t e n t i a l d r i v e s y s t e m f o r d y n a m o e l e c t r i c v e h i c l e s r e c o m m e n d e db yi n t e r n a t i o n a ld y n a m o e l e c t r i cv e h i c l es c i e n c ea n d i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t e c h n o l o g yo r g a n i z a t i o n s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) ，a st h em a i np a r to ft h es r d s y s t e m ，h a su n i q u ef e a t u r e sd i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a lm o t o r s ，a n d b e s i d e s ，h i g h l y s a t u r a t e de f f e c t sa n dn o n l i n e a r i t ye x i s ti ni t s m a g n e t i cc i r c u i t t h e r e f o r e ，i t i sm o s td e s i r a b l et ob u i l daf a s t ， c o n v e n i e n ta n da c c u r a t es i m u l a t i o nm o d e lf o rt h ed e s i g n i n go f s r ma n ds r da sw e l la sf o rt h ec o n t r o lo p t i m i z i n gd e s i g n a tf i r s t ，u s i n gt h es o f t w a r eo fa n s o f t , t h em o t o rp a r a m e t e r s a r ec a l c u l a t e d ，a n dt h e n ，m a g n e t i cf i e l da n a l y s i sa n ds i m p l e s i m u l a t i o na r ec a r r i e do u t b a s e do nt h ea n a l y s e so ft h el i n e a r m o d e l ，q u a s i l i n e a rm o d e l ，a n d n o n l i n e a rm o d e lo fs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ，c o r r e s p o n d i n gd y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo fs r d f o r4 - p h a s e ss r mi sb u i l tu pr e s p e c t i v e l y f u r t h e r ，t h eo p e r a t i o n p e r f o r m a n c e so ft h ea n a l y z e ds r da r es i m u l a t e du n d e rc o n d i t i o n s o fc o n t r o lm o d e si n c l u d i n go p e nl o o p ，s p e e dc l o s e dl o o p ，c u r r e n t c l o s e dl o o pa n db o t hc u r r e n ta n ds p e e dc l o s e dl o o p s af a s t ，c o n v e n i e n ta n da c c u r a t ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l p r e s e n t e di nt h i st h e s i si s ap o w e r f u lt o o ls u i t a b l et oo p t i m i z i n g s r md e s i g na n dt od e t e r m i n i n gc o n t r o lp r o g r a m m i n g i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , p a r a m e t e rc a l c u l a t i o n ， d y n a m i cm o d e l i n g ，s i m u l a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章概论 1 1 开关磁阻电机发展历史及现状 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 年间的研究和改进设计工作，使磁阻式 电动机的性能不断提高，目前己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。2 0 世纪七十年代初，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动机调速系统( 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 ) 。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( 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 m 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 “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。目前，s r d 的开发范围已经达到：转矩为 太原理工大学硕士研究生学值论文 0 0 卜1 0 6 n m ，功率为1 0 w 一5 m w ，最高转速可达1 0 0 0 0 0 r p m ，规格己 从多相发展到单相 2 7 1 、两相，电机形式亦从旋转型发展到了直线型【2 8 】。 s r d 的应用领域己从最初侧重于牵引运输发展到通用工业、航空工业和家 用电器等多个领域。 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 等部门提高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。目前，已研制出5 0 w 一5 0 k w 的2 0 多个规格的s r d ，国内 有关s r d 研究的学术著作也相继出版1 1 1 2 11 3 1 。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。国内近年已有一大批高校、 研究所和工厂投入开关磁阻电动机调速系统的研究、开发和制造工作。自 从某研究所于1 9 8 8 年将首台样机用于工业现场以来，已有至少十余家单 位推出不同性能、不同用途的几十个系列规格产品。其产品已应用于纺织、 冶金、机械、运输等行业的数十种生产机械和交通工具中，其发展速度十 分迅猛。开关磁阻电动车几调速系统在一些机械中发挥出独有的优势，已难 以为其它类变速传动系统所代替。可以预言，该系统的异军突起，必将在 我国乃至世界的变速传动领域中占有重要的一席之地。 1 。2 开关磁阻电机系统的特点 开关磁阻电动机( 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 ) 是继直流电 动机和交流电动机之后，又一种极具发展潜力的新型电机。s r m 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，同时 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 还有价格低、效率高、适应性强、机械特性硬等优点，显示了很大的应用 前景，但是同时s r m 又有转矩脉动和噪声相对过大，必须配合控制器才 能运行等缺点，这些又限制了其得以迅速广泛的应用。开关磁阻电机的优 点主要有以下几点： 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条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。而开关磁阻电动机调速系 统中每个功率开关元件均真接与电动机绕组相串联，根本上避免了直通短 路现象。因此开关磁阻电动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 同作用下产生一个园旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制器结构上看， 3 太原理： 大学硕士研究生学位论文 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，获得1 0 0 转矩；鼠笼感应电动机为3 0 0 的电流，获得1 0 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d , 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。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。如使电动机具有完全相同的四 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 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激 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。 鉴于上述优点，s r 电机在交流调速领域发展颇为迅速。但是s r 电机 同时也存在着许多有待解决的问题，主要集中在以下几个方面 1 ) 转矩波动问题 一 为了提高电机输出功率密度，s r 电机通常运行于深度磁饱和状态， 导致s r 电机相电感是电机转子位置和绕组电流的非线性函数。在采用传 统的矩形脉冲供电模式下，电机转矩脉动比较明显。在s r 电机低速运行 时，转矩脉动尤为明显。 2 ) 噪音和振动问题 s r 电机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 ) 建模问题 由于s r 电机双凸极结构和磁路饱和的特点，导致其磁路的严重非线 性，难以建立准确的数学模型，对其静态、动态等性能进行精确的分析， 这一直是困扰国内外学者的关键问题。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3s r d 的研究方向 近十几年来，s r d 的研究在国内外取得了很大的发展，但是作为一种 新型调速系统，研究的历史还比较短，其内容涉及到电动机、电力电子、 微电子、微机、控制机械及工程应用等众多学科领域，加上s r m 本身有 很强的非线性特性，决定了s r d 研究的复杂性和困难性，目前还有大量 的工作需要做。在应用上，s r d 有着广阔的市场前景，s r m 具有多种优 点，这就给了人们继续研究的动力。从目前发展水平看，无论是理论上还 足应用上，都存在不少问题，有待进一步的研究与完善。目前，s r d 的研 究方向主要集中在以下几个方面： 1 ) 进一步完善s r 电机设计理论 s r 电机的非线性使其性能的精确分析和计算较为困难。目前普遍采 用的二维非线性有限元方法分析s r 电机内部的饱和磁场，其局限性主要 表现在两个方面：一是对磁路为基础的设计方法研究不够：二是现有的方 法精度亦有待提高，应计及端部效应，开展s r 电机三维场的研究。可喜 的是现在有一些软件已经能够较准确的对电机的三维磁场进行仿真，如 a n s o f t 软件。 2 ) 对转矩脉动及振动噪声的研究 s r 电机的转矩脉动、振动和噪声问题是s r d 较为突出的缺点。s r 电动机工作在脉冲供电方式，因此瞬时转矩脉动大。低速时步进状态明显， 高速重载时振动和噪声大。这就限制了s r 电动机在诸多低速要求平稳且 有一定静态转矩保持能力的场合的应用。因此如何减小和抑制电动机的振 动和噪音也是一个重要课题。 3 ) 对铁心损耗的理论研究 s r 电机磁场特性的非线性导致相绕组供电电压和电流波形较为复杂， 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 一般为单向脉动的非正弦波，面临的问题主要是如何建立准确、实用的铁 心损耗计算模型和分析、测试手段。 4 ) 无位置传感器的研究 将位置传感器引入s r d 带来许多消极因素。如增加了s r 电机结构的 复杂性，增加了s r 电机与控制器之间的电路连线，增加了成本和潜在的 不稳定性，占据了一定的空间，而且由于传感器分辨率的限制，导致s r d 高速运行性能下降。因此探索实用的无位置传感器方案成为s r d 研究热 点之一。 5 ) s r 电机、功率变换器、控制器三者之间的协调设计 这是提高系统整体性能的必要条件，也是s r m 的一个显著特点，与 以往电气传动系统的传统设计方法( 局部最优设计) 相比有了质的飞跃，是 典型的机电一体会系统，同时这也增加了设计的难度，对系统设计人员提 出了较高的要求。 6 ) 微处理器和专用集成电路的改进 开关磁阻电机能够正常工作的关键是每相开关导通、关断的实时控 制，对起动、运行、故障保护也要实时控制。早期采用的模拟电路控制， 实时性相对较差，比较合理的是采用微机实现部分或全数字实时控制。在 微机控制中，已由8 位单片机，发展为1 6 位单片机，双1 6 位或3 2 位 的单片微机的应用亦正在研究开发之中。开关磁阻电机控制电路的集成化 对简化硬件电路、产品系列化、提高可靠性等非常有效，是研究的方向。 7 ) s r d 参数最优化控制和控制策略研究 从总体上讲，s r d 性能的改善必须考虑s r m 的非线性及参数时变特 性，研究具有较高动态性能，算法简单，能抑制参数变化、扰动及各神不 确定性干扰的s r m 新型控制策略。传统的控制策略主要是基于s r 电机线 性模型的p i 或p i d 控制，如电流控制、反馈转速控制等。在性能要求不 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 高的情况下通过整定p i d 参数往往能够得到可以接受的性能和较好的经济 性，但是由于s r 电机的强非线性一绕组电流的非正弦与磁通密度的高饱 和，基于线性模型的控制策略其输出特性、动态和静态特性以及鲁棒性无 法与直流传动相媲美。为改善系统性能，国内外发表了一些基于现代控制 理论和智能控制技术建立s r d 动态模型和系统设计的文献。自适应控制、 神经网络理论、模糊控制以及带状态观测器的无位置传感器s r d 在理沦 和实践应用上都有了可喜突破。 1 4 课题的目的和意义 开关磁阻电机调速系统( s r d ) 是机电一体化交流调速系统，由s r 电 机、功率变换器、控制器、位置检测器四大部分组成，如果对这四者孤立 地进行研究设计，难以提高s r d 整体性能。为了优化s r d 设计，需要建 立s r d 整体动态仿真模型。但是，由于s r 电机控制参数多，控制方案灵 活，相电流波形随着电机工作状态的不同而变化，磁路饱和，无法得到简 单统一的数学模型及解析式。如何较准确的建立一个实用的s r d 动态仿 真模型，是s r d 研究f 内难点之一。现有文献” f 3 q 对三相( 6 4 极) s r 电机 基于m a t l a b s i m u l i n k 建立了仿真模型，而目前四相s r 电机更多地应用 在实际中。本文利用m a t l a b s i m u l i n k 环境下的基本模块搭建了一个四 相( 8 6 极) s r 电机调速系统动态仿真模型，将s r 电机、功率变换器、控 制器、位置检测器四大部分构成一个整体系统，以便于对s r d 进行整体 性能仿真研究。与文献8 11 3 0 1 的模型相比较，本文的模型具有搭建方便，通 用性强，修改方便，设置电机的可控参数多，能够对s r m 的各种运行进 行仿真等特点，因此它对分析和设计s p d v l 系统有较高的应用价值。另外， 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n s o f t 软件是近年来出现的在电机设计中最为重要的一个应用软件，它 是由电机真实的尺寸和材料而直接得出电机参数的基础上进行仿真，因而 具有它比般常用的仿真软件( 如s i m u l i n k ) 更为准确等特点。但是 a n s o f t 软件在动态仿真方面与s i h u l i n k 软件相比的致命弱点是运算 速度慢，所以，如何在电机设计优化时充分利用a n s o f t 软件、s i m u l i n k 软件也非常重要。本论文的思路是，首先利用a n s o f t 软件对电机进行参 数计算，然后利用所得参数在s i m u l i n k 环境下进行初略仿真，参考仿真 结果，返回去修正优化电机的设计。这样，我们在电机设计时就能充分利 用a n s o f t 软件的准确性和s i m u l i n k 软件的快速性。 1 5 本论文研究的主要内容 s r d 系统是2 0 世纪8 0 年代迅猛发展起来的一种新型电机驱动系统， 它以其明显的优缺点成为各国电气传动领域开发和研究的热点之一。充分 利用a n s o f t 、s i m u l i n k 软件，本论文主要做以下几点研究探讨： 1 ) 利用a n s o f t 软件的s i m p l o r e r 计算s r m 的参数，利用a n s o f t 软件的m a x w e l l2 d 对电机进行电磁场分析，把磁路法模型导入有限元模 型进行动静态参数的计算与优化以及动态过程仿真。 2 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 环境下的基本模块搭建了四相( 8 6 极) s r 电 机调速系统的线性、准线性动态仿真模型。 3 ) 利用搭建的s r d 动态仿真模型对s r 电机在开环、速度闭环、电流闭 环、速度电流双闭环等控制策略下的各种运行情况进行了一些探讨性的仿 真分析。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 6 本章小结 本章主要介绍了s r m 发展的历史，s r m 的特点，开关磁阻电机驱动 系统发展的方向，简要说明了课题研究的目的意义以及本论文研究的内 容。 l o 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 第二章开关磁阻电机的原理及其驱动系统构成 2 1 开关磁阻电机的原理与结构 s r 电动机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。转子既无绕组也无永磁体，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”。s r 电动机可以设计 成多种不同相数的结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配，低于三相 的s r 电动机没有自启动能力。对于有自启动、四象限运行要求的驱动场 合，应优选表中2 1 所示的定、转子极数组合方案。 s r 电机相数多时，步距角就小，有利于减少转矩脉动，但结构复杂， 主开关器件多，成本高。目前应用较多的是四相结构( 8 6 极) 。 表2 - 1 常见定、转手极数组合方案 t a b l e 2 1t h eg e n e r a ls c h e m eo f s t a t o ra n dr o t o rp o l e s 相数 3456789 定子极数n s 681 01 21 41 61 8 转子极数n r 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 步进角 3 0 。1 5 。9 。 6 o 4 2 8 。3 2 l o 2 5 。 图2 1 示出四相( 8 6 极1s r 电动机结构原理图。为了简单，图中只画 出a 相绕组及其供电电路。 s r 电动机的运行原理遵循“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 i 中，定子a a 极励磁时，所产生 l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 的磁力力 图使转子 旋转到转 子极轴线 a a 与定 子极轴线 a a 重合 的位置，并 使a 相绕 组的电感 最大。若以 图2 1 四相8 6 极s r 电机典型结构原理图( 只画出一相) f i g2 1t h ec l a s s i c a lc o n f i g u r a t i o np r i n c i p l eo fs r mw i t h 8 6p o l e sa n df o u rp h a s e s 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，转予则会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给b a d c 相通电，则电动机会沿顺时针方向转动。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。 在多相电机实际运行时，常出现两相或两相以上绕组同时导通的情 况。另外，图2 1 可看出，当主开关器件s ，、s ，导通时，a 相绕组从直流 电源己，吸收电能，而当s ，、s ：关断时，绕组电流经续流二极管v d 。、v d ： 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 2 开关磁阻驱动系统简介 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 1s r d 系统的结构和特点 s r d 系统主要由s r 电机、功率变换器、控制器、和转子位置检测器 四部分组成。结构原理图如图2 2 所示， 涟度给定 图2 , 2s r d 系统结构原理图 f i 9 22t h eb l o c kd i a g r a mo f5 k ds y s t e m 1 ) 开关磁阻电动机( s r m ) s r 电机是s r d 中实现机电能量转换的部件，它的机构和原理与传统的 交直流电机有着很大的 差别，图2 3 为四相8 ，6 极s r 电机定、转子实物 图，定转子均由普通硅 钢片叠压而成，转子既 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”。 图2 3 四相8 6 极s r 电机定、转于实物图 f i 9 2 3t h ep r a c t i c a lp h o t of o rs t a t o ra n dr o t o ro f 8 6p o l e ss r mw i t hf o u rp h a s e s 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 s r 电机的转向与电流方向无关，为单向电流。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。s r 电机可以设计成多相结构， 且定子、转子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 电机的设计方法和性能分析发展较 快，磁场的分析由线性方法发展到非线性方法，其中二维非线性有限元法 比较成熟，有利于电机的设计和电磁转矩的分析与计算 3 0 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，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，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。在整个s r d 成本中，功率变换器占有很大的比重，s r d 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，合理选择和设计功率变换器是提高s r d 的性能价格比的关键 因素之一。 功率变换器主电路形式的选取对s r 电机的设计也直接产生影响，应 根据具体性能、使用场所等方面综合考虑，找出最佳方案。功率变换器的 图2 4 功率电路与s r 电机的四相绕组连接图 f i 9 2 4 t h ep o w e r c i r c u i to f f o u r - p h a s e w i n d i n g so f s r m 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 器件选择由2 0 世纪8 0 年代的s c r 、g t r 、g t o 发展到现在的m o s f e t ( 场 效应晶体管) 和i g b r ( 绝缘栅双极晶体管) ，拓扑结构形式也日趋多样化， 主要有：双绕组型、双极性电源型、能量回收型和基于主开关器件数量为 最少型等。图2 4 是其中的一种四相功率电路与电机的四相绕组a 、b 、c 、 d 的连接图。 三相交流电源经过二极管整流电路v 转换为直流电源。八个功率开关 s 。和续流二极管v d 。组成逆变电路。该电路采用的是单相通电方式， 直流电源经某一相的两个功率开关同时导通激励相应的电动机绕组，当任 意一功率开关管关断时，该相绕组通过续流二极管续流和回馈能量。 3 ) 控制器 控制器是s r d 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，控制功率变换器中的主开关器件的 工作状态，实现对s r 电机运行状态的控制。早期的s r d 系统控制器是 由模拟电路和数字电路共同完成的，其缺点是所用元件数量大、结构复杂、 成本高、可靠性差、控制不灵活。随着高性能的微处理器的问世和普及， s r d 控制器的结构也愈加紧凑，控制方式更加灵活、可靠。从控制器的组 成方式来看，其发展经历了集成电路、8 位单片机、1 6 位单片机和d s p 四个阶段。控制策略亦从简单的p i 速度调节器、电流斩波控制发展到全数 字智能控制和转矩脉动抑制等。 4 ) 转子位置传感器 转子位置传感器向控制器提供转子位置和电机速度等信号，使控制器 能正确地决定定子绕组的导通和关断时刻，根据电机的转速，采用不同的 控制策略，控制电机的运行。通常转子位置检测采用光电器件、霍耳元件 或电磁线圈法进行位置检测。由于有位置传感器检测方案中存在的不少缺 点，采用无位置传感器的位置检测方法是s r d 的重要发展方向之一，这 1 5 太原理： 大学硕士研究生学位论文 对降低系统成本、提高系统高速运行可靠性有重要的意义。 对s r d 的理论研究和实践证明，该系统具有许多明显的特点 3 1 【3 l 】： 1 ) 电机结构与制造工艺简单、坚固、成本低。转予仅由硅钢片叠压而 成，可工作于极高转速；定予线圈为集中绕组，嵌放线圈容易，端部短而 牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境； 2 ) 电机的能量损耗主要产生在定子，电机易于冷却，转子无永磁体， 可允许有较高的温升： 3 ) 转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数， 降低系统成本； 4 ) 功率变换器不会出现直通故障，可靠性高； 表2 - 23 7 ，5 k w 、1 5 0 0 r p m 的几种调速系统性能比较 t a b l e 2 - 2t h ep e r f o r m a n c e sc o m p a r i s o no f s e v e r a ls p e e d r e g u l a t i o ns y s t e m so f 3 7 ，5 k w 、15 0 0 r p m 滑差电动机直流电动异步电动 s r d 调速机调速机调速 效率1 0 0 t 和1 0 0 n7 57 67 78 3 ( ) 1 0 0 t 和5 0 n3 86 56 58 0 价格+ o 81 o1 51 o 单位体积功率+o 81 oo 9 1 o 可控性+ 0 31 0o 5o 9 控制复杂性 o 21 o1 81 可靠性及可维修性+ 1 61 o0 91 1 躁声( d b ) 6 96 57 47 4 注：性能参数以直流调速系统为参照 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 1 启动转矩大，低速性能好，无异步电机起动时所出现的冲击电流： 6 ) 调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩速度特性： 7 ) 在宽广的转速和功率范围内都具有高效率； 8 ) 能四象限运行，具有良好的再生制动能力。 鉴于以上各种突出的特点，使s r d 己成为交流电机和直流电机调速 系统的有力竞争者，二者间的性能对比如表2 ，2 m 1 所示，从表中可以看出 s r d 系统的优良性能。 2 2 2s r d 系统的应用 目前，s r 电机产品己经开始或广泛地应用于电动车驱动系统、家用 电器( 沈衣机、食品加工机械等) 、通用工业( 风机、泵、压缩机等) 、伺服与 调速系统、牵引电机、高转速电机( 用于纺织机、航空发动机、电动工具、 离心机传动) 等。 随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高， s r d 系统已有了系列化产品，其多种功率s k l 3 系统在不同的工业部门和 家用电器中得到应用1 。 1 ) 用于龙门刨床：工业上需要电动机能频繁启、停及正反转，开关磁 阻调速电动机能较好的实现。如机械工业中龙门刨床、铣床、冶金行业的 可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降系统，建设工程中的沥青、水 泥混凝土系统等。 2 ) 用于纺织“探边”设备：经过纺织行业的“探边”与“对中”设备 的实践使用，取得了较好的效果。对作为“探边”设备的动力，其反应速 度小于0 3 秒，即电动机运转时，接到指令后，能在0 3 秒内实现反转，并 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 能在2 4 d , 时内连续频繁运转，同时可在较宽广范围内进行无级调速。 3 ) 用于家用电器：将克服当今洗衣机和空调机、电冰箱的缺陷，成为 更完善新一代产品。s r d 系统具有优良的调速性能，有更高的电能机械能 转换效率，特别是在中低速时，优势尤为突出。从而能有效的克服了变频 调速系统的弊端，使节能更为有效。一般情况下，空调均是高耗能型家电， 如果能节5 能以上，必将会获得较大的经济与社会效益。 另外，由于s r 电机具有良好的调速性能和高速运行特性，故s r d 在 航空航天和电动汽车领域的应用发展较快，非常引人注目 3 2 1 。 1 ) 在航空航天应用方面： 美国在这一领域进行了积极的探索，g e 公司所属部门正在进行s r d 作为机载电机的研究和开发，并已列为美国空军未来先进控制技术( f a c t s ) 项目中的部分内容。 以下为s r 电机在航空方面的具体应用： 航空燃气涡轮发动机用3 0 k w 开关磁阻起动发电机系统，额定电压为 2 7 0 v ，发动机功率为1 0 4 4 k w ，运行环境温度为- 5 1 。c + 1 2 5 c 。s r 电机 为三相、浊冷、与涡轮发动机轴直接连接。定子外径为1 5 8 7 5r a i n ，铁心 叠长为6 3 5m m ，主开关管为i g b t 。起动运行时，电机可以从零升速至 2 6 0 0 0 r p m ，8 0 0 0 r p m 以下时为1 3 5 6 n m 的恒转矩区，8 0 0 0 r p m 2 6 0 0 0 r p m 时为1 2 6 8 k w 的恒功率区；发电运行时，电机速度变化范围为2 7 0 0 0 4 6 8 5 0 r p m ，允许过速至5 2 0 0 0 r p m ，额定功率为3 0 k w 时系统效率约为8 0 。 航空燃气涡轮发动机用2 5 0 k w 开关磁阻启动发电机系统的电机，额 定电压为2 7 0 v ，s r 电机为六相( 1 2 8 极) ，通过齿轮箱与涡轮发动机连接， 定子外径为2 2 3 3 m m ，铁心叠长为1 8 2 1 m m ，功率变换器主开关管为i g b t ， 控制器基于数字信号处理器( d s p ) ，发电运行时，电机速度变化范围为 1 3 0 0 0r p m 2 3 0 0 0 r p m 。 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 驱动航空燃气涡轮发动机油泵的是9 0 k w 的s r 电机，额定电压为 2 7 0 v ，三相，定子外径为1 6 1 2 9 m m ，铁心叠长为8 3 ，8 2 m m ，功率变换器 主开关管为i g b t ，电机最大速度为2 5 0 0 0r p m 。 在对飞机油泵驱动电机和无齿轮传动的启动发电系统的研究和开发 实践证明：s r d 在航空航天等恶劣环境中具有较高的应用价值。 2 ) 在电动车应用方面： 在世界汽车工业发达国家已掀起了一股研制开发电动车的热潮，美 困、日本和英国等已研制出一些性能优良的电动车。我国在“八五”计划 中也把电动车列为开发项目。 电动车主要包括车体、蓄电池和驱动系统三大部分，对驱动系统的要 求是：结构简单、效率高、运行可靠、调速性能良好和四象限运行特性， s r d 与一般交流、直流电机调速驱动系统相比，具有明显的优点，可以满 足电动车驱动系统的要求。在电动车方面的应用包括：电动汽车、电动自 行车、电动摩托车和高尔夫车等。 典型应用如下： s r dl t d 公司研制的3 0 k w 开关磁阻电机驱动的市内有轨电车，在包 括重盐大气环境的各种恶劣条件下运行了2 年，累计行程2 4 0 0 0 k m ，体现 了优良的工作性能，被认为在同类型电动车辆中操作最方便、噪声最低的 车辆。 一台7 5 吨城市载货电动车，采用5 0 k w 、1 8 0 v 开关磁阻电动系统， 蓄电池夜间充电。整车性能完全达到了柴油发动机驱动时的性能，而且在 操纵性和噪声水平上还更优良。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 本章小结 本章主要对开关磁阻电机的原理和结构以及s r d 系统做了简单介绍， 对s r d 系统的结构进行了分析，并总结了s r d 系统的若干优点，与交流 电机和直流电初调速系统进行了比较，体现出了s r d 的优良性能。最后 介绍了s r d 的广泛应用情况。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章基于a n s o f t 软件的s r m 参数计算及其仿真 3 ，1a n s o f t 软件简介 有限元法起源于结构力学，在弹性力学获得了极大的发展，后来逐渐 从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域】。目前在传统的 力学计算方面，已经有许多大型的有限元分析程序，如a n s y s 、n a s t r a n 等，大多主要着眼于机械力学计算。a n s o f t 贝, i j 是侧重于电磁力、转矩和 磁场计算的通用有限元程序，且对电机设计给予了专业软件支持，如 r m x p r t 软件包可以进行感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等十几 种电枫的计算机辅助设计，经实验验证，初始条件和参数充分恰当条件下， 具有相当好的精度。和其他通用有限元软件一样，a n s o f t 具有强大的前、 后处理功能。在前处理中，可以直接利用a n s o f t 提供的模型生成器2 d 模型干1 1 3 d 模型来构建仿真几何模型，有限元模型由软件自动剖分或手动 剖分生成。另外，a n s o f t 提供了软件接口。读取用a u t o c a d 、p r o e 、 u g 等软件输出的+ d x f 格式、a c i s 文件格式( + s a t ) 、1 g e s 文件格式 ( + i g s ) 和s t e pa p 2 0 3 文件格式( + s t e p ) 的文件，便于几何模型的构建。 在后处理软件中则提供了强大的数据提取工具、其他相关数据的计算工 具、输出数据绘图工具，方便了计算结果的分析。 a n s o f t 软件包括电场、稳态