（电力系统及其自动化专业论文）电动汽车用开关磁阻电机dsp控制器硬件研制.pdf

| e 京变确，大学磺吐：学位截? 汰一一摘鬻 电机调速系统的构成及其在电动汽车上的应用；对开关磁阻电机 的特点和电磁原理进行了阐述，分析了其绕组电流农不同阶段的 变化清况以及转矩、功率公式；根据电动汽车驱动系统的特点， 礤制了本系统魔采用款功率变换主电路，对魄路鲍结构帮有关参 数进行了选择、设计、计算，并且分析了i g b t 保护的工作原理， 设诗了缓冲吸收、过浚探护霹过热保护电路；针对i g b t 鲶特陛， 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 分辑艺较，选择了德国s 蕊i k 黼公蔼瀚高经簏产品s 疆1 2 4 作为 本系统的驱动模块，研制了相鹿的驱动电路并进行了调试；在电 动汽车驱动将睦和s i c ) 的控锖l 方式酶蕊础上，提出了本系统所采 用的控制策略，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搂旎；在天津国家汽 车技术研究中心与整车总体进行了联合调试，在试验的基础e 给 爨了系统的绕维泡流、邀压波形，及转矩转速蓬线，并对凿线进 行了分析。 关键词：开关磁阻电机，d s p ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，s k h l 2 4 ，1 6 b t 。北! 塑查兰竺主兰竺竺查二二! 堕! ! 丝! 一 h a r d w a r ed e s i g no fd s p - b a s e d s r m c o n t r o l l e rf o re l e c t r i c v e h i c l e a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l ei sv e r ye c o n o m i c a la n dc l e a n ，i ti sn o to n l y p r e d o m i n a n t a n dc o m p e t i t i v ei n e n e r g y a n de n v i r o n m e n t ，b u t a l s ov e r ya d a p t e dt or e a l i z em e c h a t r o n i c sw i t hm o d e m c o n t r o l t e c h n i q u e s s oi t i sv e r yp r o m i s i n gi nf u t u r e t h e r ea r et w ok e y p r o b l e m s i nt h e d e v e l o p i n g o fe l e c t r i cv e h i c l e o n ei st h e e x p l o i t a t i o n o f h i g l a p e r f o r m a n c e b a t t e r i e s ，t h e o t h e ri st h e e x p l o i t a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c e m o t o rd r i v e s n o wt h e r ea r e m a n ym o t o rt os e l e c t ，s u c ha sd cm o t o r ，a c i n d u c t i o nm o t o r ， b r u s h l e s sd cm 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 e s p e c i a l l y ， t h em a i na d v a n t a g e so fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ri nt e r m so fa s i m p l ec o n s t r u c t i o n ，h i g ht o r q u e d e n s i t i e sa n d h i g h f a u l t t o l e r a n c eh a v eb e e nr e c o g n i z e df o ra l o n gt i m e s r m d r i v e sh a v e b e e n g a i n i n gp o p u l a r i t y e v e rs i n c et h ea d v a n c e si n p o w e r e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g i e s h a v em a d ei tf e a s i b l et ou t i l i z et h e i r a d v a n t a g e s t h e s e d r i v e sa r en o wc o n s i d e r e da s h a v i n gg r e a t p o t e n t i a lf o ra p p l i c a t i o nf o re l e c t r i c v e h i c l ed r i v e sa n dt l l ef o c u s o fr e s e a r c h p e o p l e w es e l e c ts w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ra st h ed r i v em o t o rf o r e l e c t r i cv e h j d e t h ec p ui s t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，p a r t o ft h e t m $ 3 2 0 c 2 0 0 0p l a t f o r mo f f i x e d p o i n t d s p s t h el f 2 4 0 7 d e v i c e so f f e rt h ee n h a n c e dt m s 3 2 0 d s pa r c h i t e c t u r a ld e s i g nf o r i i i i v 北京交通大掌硕士掌位论文一- - a b s t r a c t l o w c o s t ，l o w p o w e r ， a n d h i g h p e r f o r m a n c ep r o c e s s i n g c a p a b i l i t i e s s e v e r a la d v a n c e dp e r i p h e r a l s ，o p t i m i z e df o rd i g i t a l m o t o ra n dm o t i o nc o n t r o la p p l i c a t i o n s ，h a v eb e e ni n t e g r a t e dt o p r o v i d e at r u e s i n g l e c h i p d s pc o n t r o l l e r ，i ti s a d a p t e d t o c o n t r o l l i n gs r mv e r ym u c h t h i st h e s i s f i r s t l y i n t r o d u c e st h ec u r r e n ts t a t u so fe l e c t r i c v e h i c l e s i ta l s oi n t r o d u c e sc h es t r u c t u r eo fs r ma n dt h e a p p l i c a t i o n i ne l e c t r i cv e h i c l e s t h e o p e r a t i o np r i n c i p l e a n d r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs r da r eg i v e n s e v e r a lm a i nc i r c u i t s o f p o w e r c o n v e r t e ra r e a n a l y z e d a n dt h e i rc h a r a c t e r sa r e c 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 t a n d p r o t e c t i o n c i r c u i ta r e d e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fi 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 i2 4 ， i ss e l e c t e dt od e s i g n 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 d a r eg i v e n t h e d 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 e d e s i g n e d i no r d e rt o i m p r o v e t h e a 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 ti sd e s i g n a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n tw i t ht h es r d ，t h e r u n n i n gd a t aa n d c u r v e si sp r e s e n t e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs r di sg i v e no u t k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r ( s r m ) ，d s p ， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，s k h l 2 4 ，i g b t i v ! ! ! 竺里查兰竺主兰竺竺圭二二竺竺 1 1 选题背景 第一章绪论 电动汽车是以电池为动力的汽车，与燃油汽车有显著区别。电 动汽车是涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多种学科的高科 技产品。电动汽车具有低噪声、零排放、综合利用能源等突出的优 点，正是当今汽车工业解决能源环保的问题的重要途径。本课题作 为国家8 6 3 计划中的重大攻关项目，选用的是开关磁阻电机( s r m ) 作为电动汽车的驱动电机。 11 1 电动汽车的国内外发展情况 表1 - 1 为近年部分先进的电动汽车主要性能1 2 8 1 。 表1 - 1 近年来部分电动汽车一览表 t a b l e1 1s o m ee l e c t f i cv e h i c l ei n - e c e l l ty e a rs 。次充电打夥靛黼迷j 叟 掣蛩年型j _ 商蓄电浊蔷往 lk m lfk m 呐 b m w e l ，眦4 座( 德) 宝岛讷虢2 4 0 j2 0 康磁随流电动机3 2 k w 小赞_ 年f 美) 锅特钠琉 16 0i2 07 0 h p 康磁同步电动机 锵酸8 0 92 k w 审威赢流电动机p a n d a4 座r 蠡lf i a ti j3 n l c d1 0 4 4 5k w 感应电动机 t m p a e t 2 席( 夔) j 吐鲁皓酸 i2 0 19 9 0 年开始漪业生产 ( 羹) e p r i4 3 k w 随流i 毪莉机 0 - v n小赞坪饿跛9 6s 3 和堪l _ 土布10 0 辅在使j | l 罨 睦9 6税台阜 l j o i2 鹰( 夔) c ，at 雨j5 4 i9 9 3 年投入商业生产 m e e d e s 5 座( 德l 奔驰钠境j5 0 i2 0 两名l6 k w 外转z 予无吲盥 b 0 仳iq 0 e v流电动凯 带快速充电器( i5 分钟) 客车( 口l 阴产h l o aj2 0两赍2 0 k w 异步电动机前 轮驱动 2 庸( 法) 谱诺n i c d i5 0 坐轴距微藿l 轿车 z n o m t 1 ) 寐永 4 台电动轮，外转于无1 6 i | 随 4 感n j c d5 5 0 流电动机。峰镄功举 电力公司 2 5 k w j e 京交通大掌硕士掌位论文一绪论 以电池为能源的电动汽车( e v ) 在1 6 0 年前已提出，由于能源 和环保方面的原因，近年米，重新兴起电动汽车开发热潮。 国外电动汽车开发热早已引起我国科研、高校、国有企业以至 民营企、【k 的关注。国家计委“八五”计划中安排有电动车开发项目， 电动汽车产业化工程项目也早已列入“九五”国家科委计划，并组 织实施，包括开发概念车和若干关键技术研究，以及在广东省创办 电动汽车试验示范区两大部份。国家近年还安排了电动汽车标准化 工作，以推动我国电动汽车开发健康发展。 1 1 2 电动汽车的关键技术 电动汽车开发及其产业化，其关键技术如图1 - 1 所示 2 8 1 。 图1 - 1 电动汽车的关键技术 f i g 1 1k e yt e c h n i q u e so fe l e c t r i cv e h i c l e 可以归结为大致三方面内容： ( 1 ) 蓄电池技术及电池的智能化管理； ( 2 ) 车体技术； ( 3 ) 电动汽车对电动机及驱动系统的要求。 本课题是第三个方面的内容，驱动系统是电动汽车中十分关键 北京交通太掌硕士掌位论文绪论 的部分，电动汽车运行性髓主要取决予驱动系统的类型和性能。驱 动系统由牵引电动机、控制系统( 包括电动机驱动器、控制器及各 耱传感器) 构成。羟裁系统接收蕊速踏蔽、裁动秘转向纛输密酌信 号，经过信号处理，输入到电动机驱动器，控制功率电路的功率输 毫量，实臻控铡驱旗电动戳转速秘攘矩，褥遥过撬藏传动装嚣，驱 动车辆行驶。 1 2 电动汽车带各种电机比较 各种电动机各有长处，又各育不足。究竟什么是电动汽车爝电 机的最优类型到目前还没肖定论。但纵观电动汽车走过的道路，不 难褥囊这襻静结论：电动汽车霜毫韵撬在类鍪上有较大豹选择余遵， 直流、交流、同步、异步以及许多特种电机都曾应用于电动汽车。 下露缝合电动汽车憋要求黠疆蓠馒矮较多豹凡秘滚掘进行谖俭。 1 、直流电动机 由于以电池输出的直流电作为电源的供给，所以在电动汽车上 采瀚直流电韵杌较为简擎，也较为理想。整流电动枫的优点是机械 特性好，具有良好的调速性能，无需变速器( 或只需两档变速器) 。 缺点是工佟耩雩窀霜与换淘嚣之阕豹换向火花舔辊械磨损不仅使泡动 机经常需要维修和维护，而且还有能量损失，不利于向高速方向发 展，露对对惫魂汽车静电磁甄缓鸯不良影瞧，在蒺些转速范围肉效 率较低。电动机本身体积犬、质量大、价格高。 2 、交流感应电动机 随着电力电子技术的不断发餍，交流感应电机也被应用于电动 汽车，并逐步显示出优越瞧，最避开发的电动汽车就较多的采用了 这种邀动橇。这稀魄动机鹃突出优点在予结构简单牢固、经久耐用， 转遮极限高，成本低，体积小，效率超过赢流电动机，制动时还能 褥瑟叛魏戆_ 燕对电滚进行炎电。毽楚萁秘率霞数低，控捌装置复杂， 还需使用电源逆变器。这些不利因索仍较大的影响着交流感应电机 在毫动汽车上的应耀。 3 、永磁同步电机 这是一荦申高性熊的电动机。其蠢高转矩质爨比和功率质餐 j e 京交通大学硕士掌位论文一一绪论 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 效率和功率凶数。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，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 、开关磁阻电机 开关磁阻电机( s r m ) 是本世纪七十年代以后才逐渐发展起来 的种新型驱动装嚣，是磁阻同步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新产品。它可以实现高精度、快相应、 高效率以及高输出的性能指标。 作为种驱动装置，s r m 综合了交流感应电动机和直流电动机 的许多优点，被广泛认为是极具潜力的电动汽车驱动方式，s r m 的 主要优点包括： 结构简单，转子仅由叠片构成，没有任何形式的绕组、滑环、 换向器等；定子上只有简单的集中绕组，端部连接短，没有相间跨 接线。具有制作工序少、成本低、工作可靠、成本小等优点。 转矩与电流的极性无关，只需要单向的电流激励。从理论上 讲，s r m 的功率变换电路中每相可以只用一个开关元件。而且每个 开关元件都与电机绕组串联，不存在p w m 逆变器中电源有直通两 个开关的危险。所以，s r m 系统简单，可靠性高，成本低于p w m 交流调速系统。 由于明显的双凸极结构，转子上没有导体和永磁体，以及开 关频率相对较低，因此s r m 只考虑叠片的压装质量和轴承质量就可 以容易地获得高速运行。s r m 低速应用下优点也很多，可以提供高 而连续的转矩，机械设备中取消变速箱成为可能。 s r m 系统可以通过电流幅值、开通角及关断角等的控制，得 到满足不同负载要求的机械特性，易于实现系统的软启动和四象限 运行等功能，控制灵活。 由于采用了独特的结构和设计方法以及相应控制策略，s r m 控制系统的效率和出力在宽广的速度和负载范围内都可维持较高水 平，单位出力完全可以与交流感应电机相媲美。 s r m 的主要不足之处在于： 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 4 j e 京交通大学司士学位论文一熊r 论 矩是会有一定避波分量的脉动转矩，谐波戆存在对s r m 熬低速运行 性能有影响。 噪声和振动比一般的电机大，出线较多。 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 的优化设计和采取更为合理的控制方案，是可以得到改进 韵。同时，英、美等国一些机构应用s r m 开发电动汽车的成采，也 缀好缝落明了s r m 能够强优琵的经能翊予牵弓i 驱动。 1 3 开关磁阻电搋调速系统概述 开关磁阻电机调速系统( s r d ) 主舞由s r m 、功率变换器、擦 制器、位置检测、电流检测等构成。如图1 2 所示。 l 壹蓑ii 巷曦浊缎卜 叫功萄由器卜叫$ r m 势部缝霆l 一一控涮嚣e l 图1 - 2s r d 系统构成框图 f i g 1 2s t r b g t u r eo fs r d 1 、开关磁嫩遣搬( s r m ) s r m 是s r d 中实现机瞧黢量转换灼都传，其主要谯点蓠瑟已 经有所论述。s r m 可以设计成多张不同棚数缝梅，且定、转子的 极数有多种不同的搭配。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。 2 、功率变换器 功率交按器的作甭建将电源提供的能艇经适当转换后提供给 s r m ，鸯蓄魄池的直流电供电。由予s r m 绕缀电流蔻单向的，使 彳导其功率变撩器圭迄路不仅络梅较麓单，蔼置耩绕组弩主开关器件 j e 京交通大学硕士学位论文一一绪论 是串联的，因而可预防短路故障。s r m 的功率变换器主电路的结构 形式与供电电压、电机相数以及主开关器件的种类等有关。 3 、控制器 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，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。 4 、s r d 系统的结构与性能特点 电机结构简单、成本低、适于高速； 功率电路简单可靠； 因为电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，电路结构简单。另外， 系统中每个功率开关器件均直接与电机绕组相串联，避免了直通短 路现象。因此开关磁阻电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。 效率高、功耗小； s r d 系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机 转子不存在绕组铜耗，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。 高起动转矩、低起动电流； 从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧得到较大的起动转矩是 本系统的一大特点。 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至少有四种： ( 1 ) 控制开通角； ( 2 ) 控制关断角； ( 3 ) 控制相电流幅值； ( 4 ) 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。 s r d 系统也存在着一些不足。例如振动噪声较大、低速转矩脉 j 匕京交髓大掌硕士掌位 堞之一一绪 鲁 动较大，势旦毒曩数越多，主接线数越多；霞要根据定、转予戆稠对 位置投励，不能像异步电动机那样可以直接接入电网l 謦稳速运行， 而必须j ；孑控制器一同使用等。随着有关研究工作的深入，这些缺点 正被逐步克服。 开关磁阻电机调速系统是由电机、位置传感器、功率电路和控 制电路所组减的视电统一体，备部分密切配合，缺一不可。电气传 动系统的传统设计方法都是涮弼已有的电税，然后在诧基础上作系 绞设计。设计电掇时辑俸的优化仅涉及龟辍本努，对系统丽言只髓 稼为“局部优化”，恧，f 关磁燃电枧调速系统因各部分不憩单独使用， 只能是从系统总体性能优化的角度出发，藤不是只考虑每一部分本 身的优化，这种设计方法同传统设计方法相比是一个质的飞跃，实 际已经步入新兴学科“机械电子学”的范畴，在这种思想指导下设 计出的产品怒典型的机电一体化产品。 1 4 本文主要研究方向 因为s r m 的可控参数多、效率毫、起动电滚，l 、起动转矩大， 结构简单，转子无绕组，完全由硅钢片整成，坚固耐熙，这些优点 决定了s r m 具有广阔的应用前景。商性能的开关磁阻电机控制系统 现在是研究人员的研究热点。本课题组融开发成功基于a t 8 9 c 5 1 的 3 0 k w 开关磁阻电视控制系统，采用模拟p i 控制。但其设定参数较 少，灵活往不高。并晨硬件稠对较复杂。由于先前蹙基于a t 8 9 c 5 1 ， 控制器受到主控芯片的逡算速度和肉部资源( 位数和i o 口等) 的 殿制，露无法采髑先进浆控铡算法( 躲搂鞍逻辑控铡算法) ，敲雨夜 控制的实时憋积对转矩波动蛇鳃决上显褥捉襟见黔。黪以农本课题 中，设计了以t i 公司d s p 芯片t m s 3 2 0 l 晨2 4 0 7 为c p u 的控制系统， 实现了s r m 的数字化控制。 本文设计了2 0 k w 开关磁阻电机的控制器，具体内容如下： ( 1 ) 研制了驱动电路，保护电路和控制电路； ( 2 ) 根据电动汽车特性及电机结构选择功率变换器主电路和主 开关元箨，势进行裁俸与调试； ( 3 ) 透过实验，测蘩榉桃魏实舔输出功率，效率麓线，验证控 j e 京交通大学硕士掌位论文一一绪论 制器设计的合理性：实测了不同负载、不同转速时的电压、电 流波形，分析了控制器的控制方式对电动机性能的影响。 j t 京交通大学硕士学位论文一一开关磁阻电机的基本原理 第二章开关磁阻电机的基本原理 2 1 开关磁阻电机的基本结构及原理 2 1 1 基本结构 开关磁阻电机是开关磁阻电机调速系统的执行元件，它的结构和工 作原理与传统的交直流电机有着根本的区别。它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磁阻性质的电磁转 矩。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。 所以开关磁阻电动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。 二十多年来，研究人员提出了各种电机结构方案，按相数分有单相、 两相、三相和四相，其中对三相和四相开关磁阻电机研究最为广泛。按 照每极齿数分有单齿和多齿结构，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行和效率，因此，一般不使用多齿结构。按气 隙磁场分有轴向和径向结构，单相开关磁阻电机大多采用轴向结构。 图2 - 1 电机结构示意图 f i g 2 - 1s k c t c hm a do fs r m 1 前端盖2 机壳3 吊环4 定子铁芯5 轴 6 后端盖 7 固定环8 光电传感元件9 光电盘10 风扇1 1 风扇罩 12 绕组13 槽楔 1 4 转子铁芯15 接线盒 j e 京交通大掌硕士掌位论文一一开关磁阻电机的基本原理 图2 - 1 给出了所研究的开关磁阻电机结构，叮见，该电机结构总体 布局与密封式笼型感应电动机结构基本致，只是在后端盖和风扇之间 增加了角位移传感器。为了方便制造和增强零件的互换性，它的机壳前 端盖、接线盒以及轴伸的形状和尺、j 与后者完全一致。定子铁芯由硅钢 片迭成，迭装后压入定予机壳，这也与y 系列电动机相同。但是二者 定子冲片的形状却大不相同，这里定子冲片上只有1 2 个齿槽。转子铁 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。 2 1 2 工作原理 以所研究的1 2 8 极三相开关磁阻电机为例。图2 2 表示该电机的 横切面和一相电路的原理示意图，s 1 、s 2 是电子开关，d 1 、d 2 是二 极管，e 是直流电源。它的定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转 子由叠片构成，无绕组，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联 结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转 子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电 机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感 与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大， 当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 e 图2 - 2 开关磁阻电机的工作原理 f ig 2 - 2 p r i n c i p l eo fs r mo p e r a t i o n 当定子a 相磁极轴线o a 与转子磁极轴线o a 不重合时，开关s 1 、 s 2 合上，a 相绕组通电，电动机内建立起以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，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁 导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作 1 0 j e 京交通大掌硕士学位论文一开关磁阻电机的基本原理 用，使转子逆时针方向转动，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，转子已达到甲衡位置，即当a 相 定、转予极对极时，切向磁拉力消失，转子不再转动。此时打丌a 柏 开关s 1 、s 2 ，合上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针方向转过3 0 。，转 了在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过1 5 。依此类推， 定子绕组a b c 三相轮流通电一次，转子逆时针转动了个转子极距 tr ( tr = 2 n r ) ，对于三相1 2 8 极开关磁阻电机，tr = 3 6 0 。8 = 4 5 。， 定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了3 3 0 。= 9 0 。空间角。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 b a 的方向转动，转子则沿着与之相反的a b c a 方向顺时针旋 转。 2 2 开关磁阻电机的数学模型 建立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不是常数，而是电流和转子位胃角 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， 因此很难建立一种精确可解的数学模型。 2 2 1 开关磁阻电机的数学模型 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并设开关磁阻电机的相 数为m ，各相结构和参数对称。设p = j ，m 相的电压、磁链、电 阻和电流及转矩分别为“p 、矿p 、却、咖、劢，转予位置角为0 ， j 匕棠羞：连夫攀磷鼍：掌位 争二一弹簧磁话l 龟，袄的整。奉蘼理 转速为1 2 3 1 。 1 、电压方程 根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端的屯 压等于电阻压降和因磁链变化而产生酌感应瞧势俸掰之和，第p 裰 绕组电压方程： 若譬 “，娟办+ 寻 ( 2 _ 1 ) 2 、越凌方程 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余备相电流与互感以及转 子位置角的函数： 掣，= 掣b l t 。；钟( 2 - 2 、 蠢予开关磁疆毫税各稳之阉翡互感稆对鑫感来说甚，j 、，为了便 于计算，在开关磁阻电机的计算中一般忽略相间互感，不考虑两相 戳上电滚导逶辩定、转子辍部途秘亵冬秘之润产生耱狸互影鹗，这 时磁链方程可近似成； 誓= 翠i ，固= 点，磅， ( 2 3 ) 3 、转矩方程 掖据梳电能量转换原理，开关磁隘电视静电磁转矩表示为磁共 能对转子位置增加的遴率 = 掣砘 池4 ， a 日 一r ，”， f ，一4 、 毫撬豹合残转矩囊各相转矩叠燕嚣戒 t = ? 0 ，0 ) “ ( 2 5 ) 4 、机械运动方程 了! 竺：t e 一宴甜一t 滋 ( 2 6 ) d 占 i 一 ( 2 7 ) 其中，3 - 、b 、t 分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩。 j e 京交通大学硕士学位论文一一开关磁阻电机的基本原理 2 2 2 数学模型的求解方法 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 、理想线性模型 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i f r p 近似为电流咖的线性函数，这种方法可了解电机 工作的基本特性和各参数问的相互关系，并可作为深入探讨各种控 制方式的依据，但求解的误差较大，精度较低。 2 、准线性模型 因为磁链矿p 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，同时不考虑相间耦合效应，这样可以用解析式来表 示每段磁化曲线。可将 f ，j 曲线分为两段( 线性区和饱和区) 或三段 偿e 性区、低饱和区和高饱和区) 。 3 、非线性函数拟合模型 将磁链矿p 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、等电流间隔电机磁特性 数据l f r ( f ，口) 反演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据f f 矿，0 ) ， 连同矩角特性数据“f ，0 ) 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，也可用于解瞬态问题。 2 3 开关磁阻电机的基本分析 2 3 1 电感与转子位置角的关系 由于开关磁阻电机的电磁转矩是磁阻性质的，又是双凸极结构， 其磁路是非线性的，加上运行时的开关性和可控性，使电动机内部 北京交通大学硕士学位论文一开关磁阻电机的基本原理 的电磁关系十分复杂。为弄清电机内部的基本电磁关系，有必要从 简化的线性模型，也就是上节所说的理想线性模型开始进行分析， 所得到的相绕组电感随转子位置角周期性变化的规律可用图2 3 说 明2 ”。 一甚叠芋舒三兰 图2 3 电感与转子位置角的关系 f ig 2 - 3r e l a t i o i lb e t w e e ni n d u c t a l i c ea n d r o t o rp os i t i o l l 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点0 = o 的位 置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感 为最小值l m i n 。在0 1 0 2 ( 0 2 为转子磁极的前沿与定子磁极的后 沿相遇的位置1 区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值l m i n 不变，这是因为开关磁阻电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以 当定子凸极对着转子槽时，便有一段定子极与转子槽之间的磁阻恒 为最大并不随转予位置变化的最小电感常数区；转子转过0 2 后， 相电感便开始线性地上升直到03 为止，03 系转子磁极的前沿与定 子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重叠，相电感变为最大 值l m a x ；基于电机综合性能的考虑，转子极弧鼻r 通常要求大于定 子极弧口s ，因此在0 3 0 4 ( 0 4 为转子磁极的后沿与定子磁极的后 沿相遇的位置) 区域内，定转予磁极保持全部重叠，相应的定转子凸 极问磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值l m a x ；从0 。相电感开 始线性地下降，直到0 5 处降为l m i n ，0 5 、0j 均为转子磁极后沿 与定子磁极前沿重合处。如此周而复始，往复循环。 开关磁阻电机基于线性模型的绕组电感的分段线性解析式为 1 4 北京交通大掌硕士掌位论文 开关磁阻电机的基本原理 厂矗 阱p 。一岛) 十k lk k x ( o - e , ) 礴0 岛 岛蔓0 茎色 b 茎d 兰吼 瓯s 0 兰岛( 2 - 8 ) 式忙旨= 学 2 3 2 电磁转矩的分析 根据能量守恒定律，在不考虑电路中电阻损耗、铁芯损耗和转 子旋转产生机械损耗的情况下，绕组输入的电能w e 应等于结构中 磁储能研与输出机械能w m 之和，即为 d w e = d w + d w m( 2 - 9 ) 如果把电压u 和感应电势e 的参考方向选得一致，根据电磁感 应定律，绕组电路的电压方程为 u - - 一e = d 叫d t ( 2 1 0 ) 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为 d i y e = u i d z ( 2 - 1 1 ) 将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 - 1 1 ) ，得 d w e = i d w f 2 1 2 ) 机械能可由电磁转矩r 和角位移0 计算，即为 d w m = 丁矗0 f 2 1 3 ) 将式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 代入式( 2 9 ) ，则得 d w f ( 呼印= i d l y t d 0 ( 2 1 4 ) 式f 2 1 4 ) 表明，对无损系统，磁储能是由独立变量卿嚷示的 状态变量，磁储能由卿晰决定。当、功恒定值时，由式( 2 1 4 ) 得到 一般转矩计算式，为 ，a 玛怛，印 # ；一一 a 曰 ( 2 1 5 ) 在考虑转子处于任意位置时的电磁转矩时，可以假设转子无机 械转动，则由式( 2 9 ) 得 d w e = d w f( 2 1 6 ) 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 6 ) ，得 j t 京交通大学硕士学位论文一一开关磁阻电机的基本原理 厂删 0 ( 2 一1 7 ) 设磁路中无磁滞损耗，再假设磁路为线性磁路( 这在气隙不太 小，磁路不太饱和时近似成立) ，则磁链啊由电感上表示为 t l s = l i ( 2 1 8 ) 将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 7 ) ，得到磁储能的计算式 玑= 二盈2 。 2 ( 2 1 9 ) 将式( 2 1 9 ) 代入式( 2 1 5 ) ，得 ? 。三j 2 兰 2a p ( 2 2 0 ) 由以上分析可得出如下结论： ( 1 ) 电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的， 当磁导对转角的变化率大时，转矩也大。 ( 2 ) 电磁转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电 流增大后铁芯饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随电 流的增大而增大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可 以通过控制绕组电流得到恒转矩输出的特性。 ( 3 ) 转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感曲线的上 升段通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段 通入绕组电流则会产生反向的电磁转矩。 2 3 3 绕组电流的分析 当开关磁阻电机由恒压直流电源孤供电时，在绕组电感仅是 转子位置的线性函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况下，由式 ( 2 1 ) 得 以= 警 阻2 1 ) 将式( 2 1 8 ) 代入上式，得 阢；工竺+ f 兰 。 a ta 8 ( 2 - 2 2 ) 1 ) 在日1 - 日2 区段，l = l m i n ，将i ( 0o n ) = o ( eo i l 为开始导通角) 1 6 j t 京交通大掌硬士尊啦论文开关磁阻电机的基本原理 代入式( 2 2 2 ) t 0 ，解得 = 兰华2 3 )灿m h w l o 0 0 ， 式f 2 2 3 ) 表明，电流在最小电感恒值区域内是直线上升的，这是 因为该区域内电感恒为最小值，且无旋转电动势，因此开关磁阻电 动机相电流可在该区域内迅速建立。 2 ) 在0 2 口o f f 区段( 0 0 f f 为关断角) ，将上述结果作为该区段 的初值条件，把式( 2 8 ) 代入式( 2 - 2 2 ) ，得 相，= 蠢。、 同理町得 3 ) 在0 d 肛0 3 区段，绕组电流为 巾) = 芒铩葛。；， 4 ) 在0 3 0 4 区段，绕组电流为 ：旧1 。塾嬖二垒= 篓 一。 ( 2 2 6 ) 5 ) 在0 4 0 5 区段，绕组电流为 巾，= 芝譬岛：， 显然，当0 = 20o f f - 0o n 时，相电流己衰减至零。 这些分段电流函数可以用下面的通式统一描述，即 l ( 目) 2 告加) ( 2 - 2 8 2 ) 出 lz h l 由上式可知，绕组电流与外加电源电压矾、角速度。、开通角 0 0 n 、关断角0o f f 最大电感l m a x 、最小电感l m i n 、定子极弧鼻5 等有关。对结构一定的电动机，在0o n 和0 0 f f 不变的情况下，绕组 电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开 关角和关断角也可以影响绕组电流。由此式以及式( 2 2 0 ) ，还可以发 j e 京交通大掌硕士掌位论文一一开关磁阻电机的基本原理 现通过增大外加电压来提高绕组电流，从而间接地使电动机的电磁 转矩增大。 2 3 4 转速的控制 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。 将上面得到的式( 2 2 8 ) 表示的绕组电流代入式( 2 2 0 ) 0 7 ，得到 r = ；芋巾喏 仁：，、 由此进一步得到， 一虬挥 筹中f = 秽i 辛等 协3 0 1 从式( 2 3 0 ) 中可以看出，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 是代表电动机结构参数( 如绕 组电感和定予极弧等) 和控制参数( 如开通角、关断角) 的函数。 若与开关角有关的参数f 不变，则。正比于孤，改变其外施电 压就会改变电机的转速。 北京交通大掌硕士掌位论文一- - s r d 功率变换器 第三章s r d 功率变换器 开关磁阻电动机的各相电流要保持一定的帽序、有一定通断时 刻，这就需要用功率半导体开关构成的变换器实现。这个变换器由 直流电源( 或交流整流) 供电，输出周期性的脉冲电流，供给开关 磁阻电机各相，以实现电机运行及实现各种控制。由于开关磁阻电 机的特殊工作方式，功率变换器也颇具有特殊性。 3 1 常见的几种功率变换器主电路及原理 s r m 的绕组只需要单方向电流，但应能迅速从电源接受电能， 又能迅速向电源回馈能量。由于s r m 功率变换器只需要给电动机提 供单方向电流，故比异步电动机p w m 变频器简单、可靠。然而， s r m 工作电流、电压波形并非正弦波，而且波形受系统的运行条件 及电动机设计参数的制约，很难准确预料。这就使得其主开关器件 的定额计算较为复杂。 从功率变换器应与电动机的结构匹配、效率高、控制方便、结 构简单、成本低等基本要求出发，一个理想的功率变换器主电路结 构形式应同时具备如下条件： ( 1 ) 较少数量的主开关元件： ( 2 ) 可将全部电源电压加给电动机相绕组； ( 3 ) 主开关器件的电压额定值与电动机接近； ( 4 ) 具备迅速增加相绕组电流的能力： ( 5 ) 可通过主开关器件调制，有效地控制相电流； ( 6 ) 能将能量回馈给电源。 下面扼要介绍s r m 功率变换器几种常见的线路，着重比较这些 不同线路中主开关器件的定额大小