（电力系统及其自动化专业论文）电动汽车一拖二srm控制系统.pdf

北京交通大学颈士学位论文商要 未来的发展趋势和存在的问题，特别对电动汽车驱动系统所 用的直流电机、交流感应电机、永磁无刷直流电机和开关磁 阻电机进行了对比。第二章全面分析了开关磁阻电机的基础 理论，对开关磁阻电机的特点和电磁原理进行了阐述，分析 了其绕组电流在不同阶段的变化情况以及转矩、功率公式。 第三章根据电动汽车驱动系统的特点，研制了本一拖二s r d 系统所采用的功率变换主电路，对电路的结构和有关参数进 行了选择、设计、计算；针对i g b t 的特性，提出了i g b t 对 驱动模块的要求，对常见的驱动电路模块进行了分析比较， 选择了德国s e m i k r o n 公司的高性能产品s k h t 2 2 b 作为本系 统的驱动模块，研制了相应的驱动电路并进行了调试；对控 制器的硬件电路进行了综合设计，研制了d s p 各种外围应用 电路、采样电路及通信电路等，为了提高电路的可靠性，电 路中采取了模拟光耦隔离等抗干扰措施。第四章在电动汽车 驱动特性和s r d 系统的控制方式的基础上，提出了本系统所 采用的控制策略；本系统采用p i 数字调节，发出相通断信号 和p w m 信号，并和电流、电压等保护信号以及斩波信号相 结合，实现对主功率元件的通断控制。编写了控制软件，采 用模块化编程，增强了程序的通用性和可读性。第五章在试 验的基础上给出了s r d 系统的试验结果，并对其进行了分析。 第六章对全文进行了总结。 关键词：开关磁阻电机，一拖二，s r d ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，控 制策略 ! ! 室奎望奎兰堡主鲎壁垒塞= ：曼! ! ! 塑 t h eo n e - d r i v e t w os r ds y s t e m a p p u c a t i o n st oe l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t i n r e s p o n s et o c o n c e r n sa b o u te n e r g ya n de n v i r o m e n t a l q u e s t i o n ，ar e k i n d i n go fi n t e r e s ti ne l e c t r i cv e h i c l e sh a sb e e n o b v i o u s d cm o t o r s ，p mb r u s h l e s sd cm o t o r sa n di n d u c t i o n m o t o r sa r e e x t e n s i v e l y u s e di ne l e c t r i c v e h i c l e s h o w e v e r , v a r i o u se v a l u a t i o n t e s t sc o n f i r m e dt h a ts w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) s e e m st ob et h eb e s t s o l u t i o no f e l e c t r i cv e h i c l e si nt e r m so fi t s s i m p l ec o n s t r u c t i o n f l e x i b l e c o n t r o l m e t h o d ，h i g h f a u l t t o l e r a n c e ， g o o d e l e c t r i c c h a r a c t e f i s t i c s s w i t c h e dr e l u c t a n c e d r i v e 心r d ) s y s t e mi san e w k i n do f v a r i a b l e - s p e e d d r i v e s ，w h i c hi s c o m p o s e d o f s r m p o w e r e l e c t r o n i cc o n v e r t e r , d r i v e rc i r c u i t ，c o n t r o l l e r , c u r r e n td e t e c t o r a n dr o t o rp o s i t i o nd e t e c t o r s r ds y s t e mh a db e e ns t u d i e db y m a n y r e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a d 。t h ec p u i s t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 w h i c hc o n t r o l st h ep a r a l l e ld r i v es y s t e mo ft h e d o u b l es r m t h es y s t e ma d o p t sd s p + c p l dd e s i g n t h e o l l e d r i v e t w os r d s y s t e mh a st h ea d v a n t a g e si na r r a n g i n gt h e s p a c e o f p l a c i n g t h em o t o r s r a t i o n a l l y a n d i m p r o v i n g t h e t r a c t i v e p r o p e r t i e so ft h ed r i v ev i t hc o m p o s i t i o no ft h et w o m o t o r s c h a p t e r1r e v i e w st h ed e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cv e h i c l e si n t h ew o r l d t h ec u r r e n ts t a t u so fm u l t i d i s c i p l i n a r yt e c h n o l o g i e s i ne l e c t r i cv e h i c l e si s p r e s e n t e d a n d t h e c o m p a r i s o n o f a p p l i c a t i o n sa m o n g f o u r t y p e sp r o p u l s i o ns y s t e m ：d c 1 1 1 北京交通大学硕士学位论文船s t 胜靠 m o t o r s ，p mb r u s h l e s sd em o t o r s ，i n d u c t i o nm o t o r s ，s r mi s m a d e i nc h a p t e r2 ，t h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e sf o rt h ec o n t r o lo f s r ma r e c o m p r e h e n s i v e l y s t u d i e d t h eo p e r a t i o n p r i n c i p l ea n d r u n n i n g c h a r a c t e r i s t i c so fs r da r eg i v e n i nc h a p t e r3 ，s e v e r a lm a i nc i r c u i t so fp o w e rc o n v e i t e ra r e a n m y z e da n dt h e i rc h a r a c t e r sa r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r m a i nc i r c u i t d r i v e rc i r c u i to fi g b ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i tf o r t h eo n e ，d r i v e t w os r d s y t e ma r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so f i g b t , t h eh i g h p e r f o r m a n c ed r i v e r , s k h l 2 2 b i ss e l e c t e df o rd r i v e rc i r c u i t c o n s i d e r i n gt h er e q u e s t o fe l e c t r i cv e h i c l e s ，t h ec o n t r o lm e t h o d sf o rs r da r eg i v e n t h ed s pc o n t r o lc i r c u i ta n dp e r i p h e r a l sa r ed e s i g n e d i no r d e r t oi m p r o v et h ea b i l i t yo fe m c a n a l o go p t o c o u p l e rc i r c u i t i s d e s i g n i nc h a p t e r4 ，c o n s i d e r i n gt h er e q u e s to fe l e c t r i cv e h i c l e s ， t h ec o n t r o im e t h o d sf o rs r d s y s t e m a r eg i v e n ；t h ec o n t r o l l e r p r o d u c e s t h eo na n do f fa n dp w ms i g n a l o fe a c h p h a s e c o m b i n e dw i t hp r o t e c t i n gs i g n a la n dc u r r e n tc h o p p i n gs i g n a l ， i tc a nc o n t r 0 1t h el g b to na n do f f t h ec o n t r o ls o f t w a r ei s p r o g r a m m e d t h em o d u l a rp r o g r a m c a nm a k et h ep r o g r a m a n i v e r s a la n dr e a d a b l e i nc h a p t e r5 ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tw i t ht h es r d s y s t e m ，t h er u n n i n g d a t aa n dc u r v e si s p r e s e n t e d a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs r d i sg i v e no u t c h a p t e r 6s u m m a r i z e st h ef u l lt h e s i s 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 ，o n e d r i v e t w o ， s r d ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，c o n t r o ls t r a t e g y 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 世界上第一辆电动汽车诞生于1 8 3 5 年，是由美国的汤姆斯发明的。 5 0 年后，他的同胞佛勒德克姆保尔首次使电动汽车成为商品，此后， 电动汽车曾一度辉煌。二十世纪初有三种汽车电动汽车、蒸汽汽 车和内燃机汽车展开了激烈的竞争。随着技术的发展及人们对汽车速 度和强大动力的追求，再加上1 9 世纪末2 0 世纪初发现了大量的油田， 所以内燃机汽车逐渐占据了主要市场，并称霸世界近一百年的时间。 进入2 0 世纪7 0 年代，两次石油危机和中东战争以及世界汽车保 有量的进一步增加使得欧洲各国和美、日等石油进口国纷纷寻找替代 和节省石油的办法。另外，大量汽车尾气所带来的环境污染问题也日 益受到人们的强烈关注。有资料表明，汽车已经成为了主要的污染气 体排放源。 为解决上述问题，人们又重新求助于电动汽车，使这种古老的交 通工具又焕发了青春。特别是1 9 9 0 年，美国加利福尼亚州空气资源局 制定了汽车废气排放法律，规定到1 9 9 8 年在加州销售的汽车中的2 必须是“零排放汽车”，到2 0 0 3 年，这一比率将达到1 0 。随后其他 国家和地区也纷纷制定了相应的法律和政策，并不断增加对电动汽车 研究的投入。我国也是一个石油短缺的国家，随着汽车保有量的增加， 环境污染问题也日益严重，电动汽车的开发应用已引起广泛重视。1 1 1 1 2 电动汽车的组成特点 现代电动汽车是融合电力电子、机械、控制技术、材料科学以及 化工技术甚至航天技术等各种高技术的综合产品，其发展的总体目标 是生产出在性能和价格上都能与燃油车辆相媲美的适合于各种用途的 电动汽车。 1 2 1 电动汽车总体结构 电动汽车总体结构的开发主要有改装和全新设计两种方式。改装 虽然可以加快开发进度节省经费但是原型车是为内燃机设计的，车身 重、风阻系数一般较大，缺乏安装电池和电气设备的合理空间，加之 传动系统与电机特性不匹配，改装电动汽车的性能将受到极大的影响。 所以纵观世界各大汽车公司所开发的电动汽车无一不是专门设计的a 北京交通大学硬士学位论文第一章绪论 1 2 2 电动汽车驱动系统 l 、驱动系统 为解决电动汽车一次充电行驶过短的问题，混合动力系统汽车将 是一个很好的选择。他是一种将电力与其它动力( 如污染排放的代用 燃料发动机) 进行组合来实现高效率驱动的汽车。根据发动机与电机 组合方式不同大致可分为三种：并联混合动力电动汽车( p h v ) 、串联 混合动力电动汽车( s h y ) 、串并联混合动力电动汽车( p s h v ) 。混合动 力电动汽车很好地解决了纯电动汽车电池容量不足的问题。由于发动 机在相对稳定的状态下工作，因此效率较高，排放的污染气体的含量 大大降低，在市区行驶时可以仅有电动机工作以达到零排放标准。我 国煤炭资源丰富而石油资源不足，混合动力电动汽车可以使用多种燃 料并对多神能源进行综合剩用。混合动力电动汽车在电机驱动的基础 上增加了发动机一发电机组，车辆的一次成本提高了1 5 2 0 。尽 管混合动力电动汽车性能较优越，但它只是公路交通工具由内燃机汽 车向电动汽车发展的中间暂时过渡产品。随着新材料新技术地不断发 展，特别是电池比能量和能量密度的提高，混合动力电动汽车终将会 被纯电动汽车所代替。 2 、驱动配置弘。 电动汽车的驱动方式主要有四种，见图1 - 1 ，其中( a ) 为普通式； ( b ) 为无变速器式；( c ) 为无差速器式；( d ) 为轮式电机式。 图1 1 电动汽车的驱动方式 f i g 1 - 1d r i v ew a y o ft h ee l e c t r i cv e h i c l e 内燃机汽车的驱动机构是由离合器、变速器、差速器等组成的， 因此，机械传动系统消耗的能量约占总有效能量的1 0 。电动机的外 特性与内燃机不同，其转速从零到最高转速范围内可任意调节，而且 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 象开关磁阻电机和永磁无刷直流电机等在低转速区转矩较大。电机还 具有体积小、效率高等特点，而且可利用大减速比的行星齿轮减速器 使较高的电机最大设计转速与电动汽车要求相适应，从而减小电机的 体积使之能够装入汽车轮毅。随着电机技术、功率变换技术和控制技 术的进步发展，减速器最终将被取消，使传动系统自量损耗降到最 低。 1 3 电动汽车用的各种电机比较 电动汽车都以电池为电源，但是电动汽车可选用的驱动电机有多 种类型，如直流电机、交流感应电机、永磁无刷直流电机、开关磁阻 电机等多种电机。早期电动汽车驱动电机多采用直流电机，而且当前 仍在一些电动汽车上使用，但目前广泛的为交流感应电机和永磁无刷 直流电机，开关磁阻电机作为7 0 年代兴起的新型电机再电动汽车应用 方面也有着非常巨大的潜力。下面结合电动汽车的要求对目前使用较 多的几种电机进行评价。 1 、直流电动机 由于电动汽车以电池输出的直流电作为电源的供给，所咀在电动 汽车上采用直流电动机较为简单。直流电动机的优点是机械特性好， 具有良好的调速性能，可以做成较大的功率。缺点是电动机本身体积 大、质量大、价格高，有刷直流电动机平均效率较低。另外，工作时 电刷与换向器之间的换向火花和机械磨损，不仅使电动机经常需要维 修和维护，维修量很大，而且还有能量损失，不利于向高速方向发展， 同时对电动汽车的电磁环境有不良影响，在某些转速范围内效率较低。 2 、交流感应电动机 交流感应电机以其所采用的变压变频技术( v v v f ) 最为成熟，随 着电力电子技术的不断发展，矢量变换控制原理的提出，使得交流调 速的动态和静态性能完全可能同直流传动系统相媲美。随后又提出了 直接转矩控制理论，直接转矩控制是控制电机的磁链和转矩，而电动 汽车主要控制的是转矩，控制了转矩，也就控制了速度。这种电动机 的突出优点在于结构简单牢固、经久耐用，转速极限高，成本低，体 积小，效率超过直流电动机，制动时还能将回收的能量对电池进行充 电。但是其功率因数低，控制复杂，加上交流感应电机固有的缺点 起动转矩较小，这些不利因素仍较大的影响着交流感应电机在电动汽 车上的应用。目前交流感应电动机交流调速系统较广泛的应用于电动 汽车上。 3 、永磁无刷直流电机 北京交逢大学硬士学位论交第一章绪论 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机，具有高转矩- 质量比 和功率一质量比，尺寸较小，不需要激磁电流，没有激磁铜耗，具有较 高的系统效率和功率因数。它的最大特点就是具有直流电动机的外特 性而没有换向器和电刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转 子，没有励磁损耗；发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易， 因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长， 运行可靠，维修简便。 典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永 磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合 于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型s p w m 法 来完成。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控 制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来削 弱定子绕组中的磁链。 这种电动机的不足之处是永磁材料价格昂贵，性能受工作温度影 响较大，受到永磁材料工艺的影响和限制，较难实现电动机最大功率 的恒定输出，其功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受 到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁 现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中 必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式 下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电 动机的驱动系统造价很高【1 0 】。且永磁材料价格昂贵，性能受工作温度 影响较大，较难实现电动机最大功率的恒定输出。目前，永磁电机在 国外都仅限于小功率电动汽车使用。 4 、开关磁阻电动机 开关磁阻电动机交流调速系统是2 0 世纪7 0 年代问世的一种新型 机电一体化调速装置，是磁阻同步电动机和电力电予开关电路相结合 而产生的一种机电一体化新产品。s r m 结构十分独特，它的转子上无 绕组或永磁体，是用硅钢片成型叠成，定子为集中绕组，其线圈安装 容易，端部短而牢固，且很容易做到散热，易于密封，电机坚固耐用， 制造和维修十分方便。同时，开关磁阻电动机交流调速系统的效率在 很宽的调速范围内可大于9 0 以上，这是其它调速系统不容易达到的， 是一种高效调速电机。能实现电动汽车要求的调节控制，而转子无绕 组，转动惯量小，启动和反转快。尤其是开关磁阻电动机的机械特性 呈串激特性，类似于直流串激电动机，这恰好与电动汽车对电机的要 求不谋而合，其性能和经济指标优于普通的交流感应电动机调速系统。 所以，开关磁阻电动机较适合于作车辆牵引。 目前，开关磁阻电动机存在的主要问题是由于双凸极结构和磁路 4 c! ! 星茎堕奎兰堡主兰堡堡塞= 釜二兰堕笙 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 的低速运行性能有影响。低速转矩脉动比较大， 噪音也较大，且出线较多。另外，开关磁阻电动机目前没有产品化和 系列化，需要专门开模制造，初期投资较大。值得指出的是，对s r m 的最新研究表明，s r m 上述缺点通过对s r m 的优化设计，及采取更为 合理的控制方案，是可以得到改进的。同时，英、美、法等国一些机 构的应用s r m 的开发成果，也很好的证明了s r m 其优良的性能可用于 牵引驱动。 基于s 肼的优点，s r m 在电动汽车上的应用一定会成为其他传统 电机的有力竞争者。本系统所用电机为1 2 8 极s r m 电机，其控制系统， 和原系统的主要区别在于现在采用一个控制器带两个开关磁阻电机， 该点与变频器控制系统的不同的是，一个变频器可带多个感应电机直 接并联，而s r d 系统由于存在位置检测等问题，很难做到多个电机直 接并联到原来的单电机控制系统中，目前采用主电路直流母线上有两 块单独i g b t 驱动电路并联，分别控制两个电机。 1 4 本文主要研究方向 本课题是8 6 3 项目电动汽车电机及控制系统的后续课题，具有研 究性质，由于本系统以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制器的主控单元， 采用一块主控芯片控制两台5 k w 开关磁阻电机的并联运行，采用d s p + c p l d 结合设计。s r m 系统存在位置检测等问题，很难做到多个电机 直接并联到一个控制器中，目前采用主电路直流母线上有两块单独功 率驱动电路并联。一拖二s r d 系统在合理分配空间和提高两台电机并 联拖动性能有其优势所在。 主要研究工作如下： ( 1 ) 分析s r m 的工作原理及其数学模型，综述比较s r m 的控制 方式以及它们所适用的速度范围，结合电动汽车驱动系统的实际要求， 确定合理的控制方案。 ( 2 ) 设计了本一拖二s r d 系统的主电路，并研制了驱动电路。 ( 3 ) 设计了基于t i 公司d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的控制电路，采 用d s p - i - c p l d 结合设计。 ( 4 ) 针对电动汽车设计了电流闭环p i 调节系统。根据所确定的 方案，绘制软件流程，编写本控制系统的d s p 控制程序，并进行编译 调试。 ( 5 ) 设计试验方案，对样机进行测试，测出电机的转速、转矩、 功率曲线及相电压、电流波形，从而对控制电路及控制软件进行验证。 北京交通大学硕士学位论文第二章s i t 0 系统的基本原理 第二章s r d 系统的基本原理 2 1 s r d 系统的组成与性能特点 2 1 1s r d 系统的组成 s r d 系统是开关磁阻电动机和电力电子开关电路相结合而产生 的一种机电一体化的无级交流调速电机，集直流调速与交流调速电机 优点于一体，结构简单可靠，调速性能优良。在宽广的调速范围内具 有较高效率，可以在很小的电流下实现启停和频繁正反转，可以实现 高精度、快响应、高效率和高输出的性能指标。s r m 的转矩电流、 转矩，殴量都明显高于大多数电机，而且不需要永磁材料，优势非常 明显。 s r d 系统主要由s r m 、功率变换器、驱动电路、控制器、电流 检测器、位置检测器等组成。如图2 1 所示。 r。1。1。一 电源l 一 污涵西酾磊升叫歼美磁阻电机卜叫机械负载 一 l 厂_ 匹叠受习一 l 1 砂叫幢圈昏埋圆 图2 1s r d 系统构成框图 f i g 2 1s t r u c t u r e o fs r d 1 、开关磁阻电动机( s r m l s r m 是s r d 系统的执行元件，其主要优点前面已经有所论述。 它不像传统电动机那样依靠定、转子绕组电流产生磁场相互作用形成转 矩和转速，它与反应式步进电机一样，遵循磁通总是要沿着磁阻最小的 路径闭合的原理，产生磁拉力形成磁阻性质的电磁转矩。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，开关磁阻电机采用凸 极定子和凸极转子的双凸极结构。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应为偶数。但它们应尽量接近。因为定 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数。 s r m 可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种 6 北京交通大学硕士学位论文第二章s r i ) 系统的基车原理 不同的搭配。对于有自起动、四象限运行要求的驱动场合，定、转子 极数都应该有合理的组合方案。 开关磁阻电机按相数分，有单相、两相、三相、四相及多相s r m ， 从自起动能力及能否反转考虑，应选择相数大于等于三，所以对三相和 四相开关磁阻电动机研究最为广泛。按气隙磁场分，有轴向式和径向式 结构和径向、轴向混合式结构s r m ，单相开关磁阻电动机大多采用轴向 式结构。按每极齿数分，有单齿和多齿结构。一锻说来，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动机的高速运行和效率，因此，一般不使用多 齿结构。 本系统采用三相1 2 8 极结构开关磁阻电机，其结构示意图如图 2 2 所示。定子铁芯由硅钢片迭成，迭装后压入定子机壳。这里定子冲片 上只有1 2 个齿槽。转了铁芯也是由硅钢片迭成，压装在转轴上。转子片 上只有8 个齿和槽，该开关磁阻电动机为三相1 2 8 极结构。 图2 2 三相1 2 8 极s r m 结构示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a p o fs r mw i t h3p h a s e s1 2 8p 0 1 e s 2 、功率变换器 功率变换器的作用将电源提供的能量经适当转换后提供给s r m ， 其结构形式多种多样，且与s r m 的相数、绕组形式密切相关。功率 变换器的结构和功率器件的选择直接影响到s r d 系统的性能和成本。 功率变换器的主要作用有： ( 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。 功率变换器的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。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 ) ，大功率双极型晶体管( g t r ) 、功率场效应管 ( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 等。功率器件各自有优 北京交通太学硕士学位论文第二章s l i d 系统的基本原理 缺点，分别应用于不同的场合，目前小功率s r d 中常采用场效应管 ( m o s n 玎) ，较大功率的采用绝缘栅双极型晶体管( 1 g b t ) 。本系 统采用i g b t 作为功率开关元件。 3 、控制器 控制器是系统的中枢，它综合控制指令、电流传感器及位置检测 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。其性能好坏直接影响到电机运行的性能。 在s r d 系统中，控制器主要完成以下功能： ( 1 ) 电流斩被控制 ( 2 ) 角度位置控制 ( 3 ) 四象限运行 ( 4 ) 转速调节 4 、电流检测器 s r d 系统在低速运行时采用电流斩波控制，是通过调节绕组的电 流的大小来控制转矩的，因此要求有反馈电流；调速时电流环p i 调 节必须要求引入精确的电流信号；在高速运行时采用角度位置控制方 式，尽管电流不再是控制量，但为了防止系统过载或故障，仍要采取 过流保护，所以，系统始终都要精确可靠的检测绕组电流。 对电流检测电路的技术要求有两条：一是产生正比于被测电流的 信号，要求电流传感器具有较高的精度、较快的响应时间和较好的工 作稳定性；二是实现强弱电隔离。 电流检测的方法般可采用磁敏电阻法、霍尔元件直接测量法、 电阻采样隔离法等。本系统采用了l e m 公司的磁平衡式霍尔电流传 感器。 5 、位置检测器 位置检测器实际上是位置、速度捡澍器，负责提供正确的电机转 子的位置和速度信息，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。 位置检测器由传感器( 固定部分) 和齿盘( 旋转部分) 组成，传感器 可以采用光电器件、电磁式器件或磁敏式器件，高精度的位置检测器 可以采用旋转编码器，但价格较高。 本系统中的位置检测器采用的是光电式位置检测器，向d s p 端 口正确提供转子位置信息。相关电路有两部分：位置信号检测电路与 位置信号处理电路。 2 1 2s r d 系统的性能特点 s r d 系统有如下优点： 北京交通大学硕士学位论文第二章s 髓系统的基本原理 1 、磁阻电机转子只有一段叠片铁一t l ，上面没有任何形式的绕组， 而定子上只有简单的集中绕组，绕组端部短且牢固，定、转子铁心又 都是大的齿槽结构，因此整个电动机结构简单、成本低、可靠性高、 维护工作量小。 2 、开关磁阻电机转子结构简单而坚固，对转速的限制小，因此 可制造成很高转速的电机，由于转子的转动惯量小，因此电机具有良 好的动态性能。另外，开关磁阻电机有很大的起动转矩，同时又没有 异步机在商转差率下起动时的大电流，因此适用于频繁起动、制动的 场合。 3 、开关磁阻电机的电磁转矩与绕组电流方向无关，只需要单方 向电流，这样，在理论上功率变换器中每相可以只用一个开关器件。 而且每个开关器件都与电动机绕组串联，于是就避免了交流传动和直 流无刷电机驱动系统中存在的桥臂上下两管同时导通造成电源短路 的危险，因而对保护电路的要求相对较低，而且功率变换器结构简单， 成本低，可靠性高。 4 、开关磁阻电机驱动系统可控参数多，调速性能好。控制开关 磁阻电机的主要运行参数和常用方法有四种。 主开关开通角日。：改变主开关的触发导通时间，可以实现相 电流性质( 电动或制动) 、大小和波形的控制，从而可有效的调节电 机的转矩、转速及转向。 主开关关断角磅耐：主开关有合理的导通期，当主开关关断截 止后，该相进入续流阶段。改变关断角的大小也影响电流波形，在 定范围内可以调节转速、控制运行状态，并影响系统的效率。 相电流幅值：常用斩波来控制相电流幅值，这包括启动和低速 时的限流，也是常用的保护控制方式。 直流电源电压：采用电压p w m 斩波来调节直流电压的平均值， 从而实现调速。 5 、开关磁阻电机驱动系统运行时，电动机绕组通电状态的改变 是与转子位置变化相同步的，所以不会产生失步现象，也不会出现由 变频器供电的异步电机在低频时易发生的不稳定和振荡现象。电枫绕 组电流脉冲波形的前、后沿以及电流幅值都可以得到控制，从而转矩 的大小和方向都能得到控制，很方便的实现四象限运行。 6 、大多数场合中，开关磁阻电机损耗( 绕组电阻损耗、铁损耗) 大部分出现在定子，这样电机的散热就比较方便。转子上没有绕组和 永磁体，因此允许的温升较高。 7 、设计和控制良好的开关磁阻电机具有较高的功率密度( 单位 体积产生的机械功率) ，可以与异步机相媲美甚至更胜一筹。其效率 9 北京交通大学硕士学位论文第二章s r d 系统的基本贩理 和输出功率可以在宽广的转速和负载范围内保持较高的水平，因此被 认为是种高效的电机。 s r d 系统的主要缺点有： l 、转矩脉动。从前面描述的开关磁阻电机工作原理可知，电机 中的磁场是跳跃性旋转的，电动机的输出转矩是各相绕组通电产生的 脉冲转矩叠加而成的。由于电机的双凸极结构、磁路有饱和等非线性 以及绕组电流波形不是理想方波，使输出转矩不是恒定的转矩，而存 在脉动。转矩的脉动使得转速也有脉动。 2 、振动与噪声。开关磁阻电机中存在的转矩脉动以及单边磁拉 力引起电机的振动与噪声。另外，功率变换器的开关频率在人耳听觉 范围内时也会产生噪声。 2 2s r m 的工作原理 s r m 是双凸极结构可变磁阻电动机，定子上有集中绕组，转子 上无绕组或永磁体，径向相对的两个绕组串联构成一个磁极形成一 相。s r m 的相数多则步距角小，有利于减小转矩脉动。但是相数多 使得s r m 结构复杂，而且主回路开关器件多，提高了成本。 本系统所用的s r m 结构采用的是三相1 2 8 极结构。 下面以三相1 2 8 极s r m 为例说明s r m 的工作原理，图2 3 为 s r m 的原理示意图。为简单起见，图中只画出a 相绕组及它的供电 电路。s 】、s 2 为理想开关，v d l 、v d 2 为续流二极管，u s 为直流电源。 图2 - 3三相1 2 8 极开关磁阻电机一相电路示意图 f i g 2 - 3o n ep h a s e c i r c u i ts k e t c hm a po fs r mw i t h3p h a s e s1 2 8p o l e s s r m 的运行原理是根据磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合这一 原理。转子铁心在相对定子不同位置时与定子之闻的磁阻是不同的。 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。如果定子绕组中某一相通电流时，转子铁心就有了要与通 电相定子齿齿相对的趋势。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线 北京交通太学硕士学位论文第二章s 胁系统的基本豫理 对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转予磁极在定子磁极中 心线位置时，相绕组电感最大，当转子极问中心线对准定子磁极中心线 时，相绕组电感最小。 图2 - 3 中，当定子磁极轴线o a 于转予磁极轴线o a 不重合时， s l 、s 2 闭合，a 相绕阻通电，电机内建立起以o a 为轴线的径向磁 场。磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过 气隙的磁力线是弯曲的，这样一个扭曲的磁场会产生一个与磁场扭曲方 向相反的磁拉力，转子在该力的作用下沿逆时针方向转动，转子磁极的 轴线o a 向定子a 相磁极轴线o a 趋近。当o a 和o a 轴线重合时，转子 己达到平衡位置，此处a 相绕组的电感最大，即当a 相定、转子极对极 时，磁力线不再弯曲，磁拉力消失。此时打开a 相开关s 1 、s 2 ，台上 b 相开关，即在a 相断电的同时b 相通电，建立以b 相定子磁极为轴线 的磁场，电动机内磁场沿顺时钏方向转过3 俨，转子在b 相磁拉力的作用 下继续沿逆时针方向转过1 5 a 。依此类推，定子绕组a - b c 三相轮流通电 一次，转予将沿逆时针转动一个转子极距t ，。其中，r ，= h n ，n ，为 转子极数。 因此对于三相1 2 8 极开关嘟且电耖睐说，定子磁极产生的磁场轴线顺时 针移动9 0 q ，转子就逆时针转过4 5 。可见，连续不断地按a - b c - a 的 顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿a - b c - a 的方向不 断移动，转子则沿a - c b - a 的方向逆时针旋转。如果按a c - b - a 的顺序 给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着a - c 一& a 的方向转动，转子贝q 沿 着与之相反的a - b c - a 方向顺时针旋转。可见，改变定子通电顺序，即 可改变电机转向，s r m 电动机的转向与相电流无关，而仅仅取决于通电 次序，这与异步电机的情况有着完全的不同。 2 3s r m 电磁转矩的基本理论l 聊 电磁转矩的形成及其理论是认识开关磁组电机工作原理的基础。 s r m 转矩是由于最小磁阻原理而产生的，如图2 3 所示，若单独给a 相通电，设相电流为“，刚建立磁场的能量为： q = f ：j d l f ， ( 2 - 1 ) 式中，相磁链l f r 是相电流和转子位置角( 以口角表示) 的函数。 如图2 - 4 简化了该磁特性，p 点( 坝，, 4 ) 为该磁工作点。图中标出了 表示磁能。的面积和表示磁共能职。的面积。 w 。ac 。妒d i = 妒。一i ，k( 2 - 2 ) 北京交通大学硕士学位论文第二章s r d 系统的基本原理 由电磁场基本理论可知，在这个磁系统中，若转子有位移，则磁 能与机械能之间发生转换，其电磁转矩为： 乙一o w d 疗m o tf妒；c(2-3) 乙= 一。一， ) 该式以磁链不变( y = c ) 作为计算的约束条件，这正表示了d 性o ， e = - d 】；c , d t = o ，即q i f l g ( e i d t ) 2 ( 0 0 矿时为续流 阶段。则丌关磁阻电机第k 相的电压平衡方程式为： u s ：r k ”警 2 15 ) 其i i ，弧、风、如、吼分别为第k 相绕组的电压、电阻、电流和 磁链。+ 适用于供电阶段，酥适用于续流阶段。 又冈为， 甄= 甄( 气，8 ) = t 纸，i 玩 ( 2 - 1 6 ) 代入式f 2 15 ) 可得 姒咄p 警等+ 考警 瑚+ ( l k + i x 瓦0 f , k ，百d i k “斋等 、 式( 2 1 7 ) 表明，电源电爪与电路中_ _ 三部分电压降相平衡。其巾， 等式右端第一项为k 相回路的电阻压降，第二项是由电流变化引起磁 链变化的感应电动势，称为变胝器电势：第三项是出转子位置改变q i 起绕组中磁链变化而感应的电动势，冈此称为运动电动势，它j 机电 能量转换直接相天。 在线性模型中，认为电感只与转子化置有关，与i 乜流无关，r ) 1 i 将式( 2 17 ) 写成： + u s = r 。i k + 厶等“等警( 2 - 1 8 ， 坐皇塑兰型：堂丝兰兰二：兰三：! ! 翌量篁塑苎垒坚些 设电机匀速旋转，角速度脚：掣，! l | i jh 政写为： d ， u 。= 。霉+ ，( d 面l k + r k d t ) ( ，6 i 若忽略柑电阻，则有： + u x = l k ld 为简堆起见，将式( 2 - 2 0 ) q 。的f 标k 省略不写，即j = 三竺+ ，历n l 珊= c 嘉+ z 舅) 可以看出，f ( 回规律与0 。挣州密切相关。如图2 7 所示， 周期分为1 、i i 、l t l 、i v 四个区段，那么解析f 将日j 能有t 同模式。这罩仅分析最常见的i f 常电动工作方式：设在区段】 导通主开关，在区段i i 内主丌关天断。典型电流波形如图2 - 7 该典型电流波形可分为以下几个阶段 图2 - 7 典型的相电流波形 f i g 2 - 7h p i e a le u r v eo fp h a s ec u r r e l l t 2 - 8 、2 - 9 所示曲线由m a t l a b 仿真得剑 ( 2 - 1 9 ) f 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 把个 多种不 内触发 所五j 。 北京交通、学蛳1 学位论文讹s r d 系统的艰奉原删 i 、疗l 峁 0 r 2 2 3 ) d 8 础 由于电感小，h a l l 8 8 = 0 ，u 】无运动电动势，因此电流线性增 长，上升速率较快。出式( 2 一1 6 ) 可知，电流存此阶段是直线上升的。 2 、如翊 电流解析表达式如式( 2 2 4 ) ，变化率如式( 2 2 5 ) 。 妒，= 老 ( 2 _ z a ， 塑d 8 = 罐湍k ( 8 ( 2 i z s ) 吐) 【硼。+一目：) j 2 、 这一阶段是有效工作段，相电流将产生电动转矩，该电流的大小 和持续时间将直接影响电机性能。”，以看出，不同的可能形成不 同的相电流大小及波形，不同丌通角下的相电流波形如图2 - 8 所示。 曲线1 中目。 0 。 图2 - 8 不同以。的相电流波形( p 咿= 常数) f i g2 - 8p h a s ec u r r e n tc u r v ea td i f f e r e n t0 。n 北京交厕k 产坝i 学位 = c = 文氨章s r d 系统的尽奉坂理 3 、0 0 ， 口 只电流解析表达式如式f 2 - 2 6 ) 。 f ( 曰l ：u s ( 2 0 o r f - o o - 0 ) ，( 2 - 2 6 ) 一 c o i l m m4 - k ( o 一岛) j 从0 0 f f 瞬间玎始，丰丌笑天断，进入续流阶段。在反向电压和运 动电动势的作用下，电流很快卜降。l 亥续流电流还产卜电动转矩，说 明这期间电机磁场储能一部分转化为，b 能回馈给电源，尚有部分转 化为有用的机械能。图2 - 9 表示不同关断角对应的电流波形。 图2 - 9 不同关断角o o f i t 的相电流波形( o o