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a b s t r a c t a b s t r a c t :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 san e wf o r c es u d d e n l yr i s i n gi na c t i m i n gd o m a i n , h a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l ea n df i r m 袖r u c t i l r c ,h i 曲c r e d i b i l i t ya n d e f f i c i e n c y , a n da l s om a k e st h es r dr u n n i n ge x c e l l e n ta n de c o n o m i c a l s os r mi s d e v d o p i n gr a p i , u ya n db e c o m i n g 0 1 1 0o f t h em o s tp o pt o p i c si nt h ec o n t e m p o r a r ye r ao f t h ee l e c t r i ct r e n s m i s s i d o m a i n b u ts r mh a sm a n yp r o b l e m st ob es o l v e db e t hi n t h e o r ym a di np r a c t i c e t h a tm l l l st h a tf o y e rr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n ta r en e e d e d t h i sp a p e rh o l d st h ec o n t r o lo ft h ed s pc o r 包a i m sa tp r a c t i c a lp r o j e c t s , r e s e a r c h e se n d d e s i g n sat i m i n gs y s t e mw i t l lt h r e ep h a s e , 1 2 8 - p o l e , a n d5 5 k w b a s e do nt h ed e v e l o p m e n te n dr e s e a r c hs t a t u si nq u oo fs r m t i m i n gs y s t e m , t h e p a p e rd i s c u s s e st h ew o r kp r o c e s sa n dt h et o r q u e sp r o d u c i b l ee s s e n c eo fs r m a v i a b l e s w a t e g yo fc o n t r o li sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs r m t h ep a p e r a l s oe x p l a i n sw h ys r mh a s h i g h - p o w e r e dc h a r a c t e r i s t i c si nt h e o r y o nt h eb a s eo f t h et h e o r ya n a l y s i s a l l - d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mw i mt h ec o n t r o lo f t h e d s pc o r ei sd e s i g n e de n dt h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sb u i l t t h e r ea r ed e t a i l e d a n a l y s i so np o w e rc o n v e r t e r s ,d r i v ec i r c u i te n dp o w e rs u p p l yc i r c u i ti nt h ep a p e r h e r e t h ec o n t r o lc i r c u i tb a s e do nt h ec o r e :o f t m s 3 2 0 f 2 4 0i sd e s i g n e d , i n c l u d i n gt h ep o s i t i o n d e t e c t i v ec i r c u i t , c u r r e n td e t e c t i v ec i r c u i t , i oi n t e r f a c ec i r c u i t ,m e m o r i z e ri n t e r f a c e c i r c u i t , f a u l tp r o t e c t i o nc i r c u i ta n dl u x u r i a n tc o m m u n i c a t i o nc i r c u i tw h i c hm a d ef u l lu s e o ft h ed s p sa b u n d a n to u t s i d er e s o u r c e s ,i no r d e rt os i m p l i f yt h ec i r c u i ts t r u c t u r ee n d i n c r e a s et h er u n n i n gr e l i a b i l i t y t h ed e s i g no f t h ec o n t r o ls o f t w a r ea d o p t e dt h em o d u l a r p r o g r a m m i n g , w i t hf l e x i b l ec o n t r o l ,e a s yt oo p e r a t ee n dr e a l i z ec o m p l e xc o n t r o l a l g o r i t h m t h ep a p e r a l s og i v e sf l o wc h a r t so f t h ec o n t r o la l g o r i t h mi nd e t a i l mt h ep a p e r , e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sw e 豫b u i l ti no r d e rt ov e r i l yt h ec o n t r o ls y s t e m p e r f o r m a n c e ,t h es t a r t i n gp e r f o r m a n c eo fs r me n dt h ep e f f i 肌a n c eo fs t e a d y - s t a t e o p e r a t i o ni nv a r i o u ss p e e d s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sm a k ei t c l e a rt h a tt h ee x p e c t e d g o a l sh a v e b e e na c h i e v e d i tg i v e sas i m p l ee n dp r a c t i c a lp r o j e c ts o l u t i o nt ot h ep r o b l e m o fs d r t o r q u ep u l s e i ti sa ne f f e c t i v em e t h o dt oi n c r e a s et h ep r e c i s i o no ft h et o r q u e c o n t r o l ,a n dt oi m p r o v et o r q u ep r e c i s i o n k e y w 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 :d s p ;h a r d w a r e ;s o f t w a r e ;i m p r o v e t o r q u ep r e c i s i o n c l a s s n o :t m 3 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留,使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: ,f 币勇 签字日期:2 叼年f 2 月2 p 日 导师签名: 彩彩岛 签字日期:五司年,2 ,月伽日 l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成粟,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果,也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:j 硒勇签字日期:研年溯仞日 致谢 本论文的工作是在我的导师张晓冬教授的悉心指导下完成的,张晓冬教授具 有很高的电路理论水平和实践指导能力。他严谨的治学态度和科学的工作方法给 了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢多年来张晓冬老师对我的关心和指导。 高超高级工程师多年来一直致力于开关磁阻电机的理论研究和实际开发工 作,对电机的结构、原理以及实践优化控制有着很深的造诣他为我的研究和学 习提供了很好的条件并倾注了大量精力。在此向高超先生表示衷心的谢意。 马良玉工程师理论基础扎实,是一个很有才华,乐于助人的人。在课题设计 的具体过程中我得到他的很多帮助和指点,使我能够少走很多弯路,顺利的将设 计完成。在此向马良玉先生表示衷心的感谢。 阎志平、毕伟、祝文鹏等工程师从事开关磁阻电机研究工作多年,十分熟悉 电机控制器的设计和优化,对于我的科研工作提供了无私的帮助,对我的论文提 供了很多宝贵意见,在此表示衷心的感谢。 在研究工作及撰写论文期间,许扬、彭国民、张宇星等同学对我的研究工作 给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。 感谢我的父母和我的爱人,他们的理解和支持使我能够专心进行我的研究工 作,他们对我生活上的悉心照顾使我能够安心的学习 最后,再次感谢所有给予我关心和帮助的老师、同事和朋友们,并预祝开关 磁阻电机拥有更美好的明天! 1 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 m ,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 em o t o rd r i v e ) ,简称s r d ,是一种新型的调速系统, 由于它结构简单、性能优良,目前已成为国际传动界的研究热点之一。 s r d 是在八十年代兴起的一种新型交流调速系统,s r m 的结构坚固,制造成 本较低,性能优越,它只在定子上有绕组,转子上没有绕组和永久磁铁。电动机 转矩和通入电流的流向无关,这使得它的功率变换器结构也较简单。开关磁阻电 动机调速系统运行性能和经济效益优于普通的交流调速系统,甚至比晶闸管一直流 电动机系统的性能还要好开关磁阻电动机的这些优点使得它可以在调速领域得 到广泛应用。 1 1 研究背景与研究现况 早在1 8 3 8 年,苏格兰学者d a v i d s o n 就制造了第一台用以推进蓄电池机车的驱 动系统,因为当时采用的是机械开关,其运行特性、可靠性和机电能量转换效率 都是很低的,从而难以引起人们的关注。直到2 0 世纪6 0 年代大功率晶闸管的发 明和应用,才为开关磁阻电机传动技术的研究和发展奠定了重要的物质基础。随 着电力电子器件和电磁场计算技术的发展,开关磁阻电机逐渐吸引了人们的注意。 英国诺丁汉大学和里兹大学分别于1 9 7 3 年和1 9 7 6 年开始对开关磁阻电动机的原 理和控制技术进行了深入的研究,并予1 9 7 5 年联合参加了蓄电池车辆的研究工作, 并成功的研制了一套用于电动汽车的开关磁阻电动机驱动系统。其单位输出功率 高于同类设备中异步电动机传动装置,充分展现了开关磁阻电动机的光明前途, 引起了世界传动界的广泛重视。自此各国都对开关磁阻电动机展开研究。1 9 8 9 年, h a r r i s 教授将s r m 与异步电动机做了详细的比较,结论表明,s r 电机在效率、单 位体积出力等方面均是优胜者。i l l s r d 的可控因素多,既可以通过改变相绕组的外加电压,又可以通过改变相 绕组电流的开通角和关断角来改变电机的运行状态,如何合理利用这些可控因素, 以获得性能好、易实施的控制策略是s r d 研究的一个主要方面。 目前,开关磁阻电动机研究较领先的国家有美国、加拿大、埃及、新加坡等。 英国s r 公司已有洗衣机用s r d 系统,功率7 0 0 w ,还生产了食品加工机械、电动 工具、吸尘器用的s r d 系统。我们国内开展研究工作较晚,但起点较高,目前我 国对开关磁阻电动机的研究主要集中在各高等院校和有关厂所,有的已经取得实 质性进展并应用到生产中去。如纺织部机械研究所于1 9 8 8 年开始将开关磁阻电动 机驱动系统运用于毛巾印花机、卷布机、浆纱机等十几种电动机容量和性能要求 差异很大的纺织设备改造中,取得显著的经济效益。在我国,s l i d 目前已有系列 产品,如上海中达一斯米克公司生产的k c 系列s r d 系统;南京调速电机厂生产 的通用型s r d 系统上述产品以及一些专门用途的s i l l ) 系统,近年来在我国工业 部门的初步应用,取得了良好的效果【2 】 s l i d 具有起动和低速转矩大、起动电流小,小时起动次数无限制、可控参数 多、调速性能好,宽转速范围内效率高,功率电路简单可靠、s r 电机结构简单且 维修方便等诸多特点。它的最大特点是起动性能好,运行费用低,节能效果显著, 特别适合用于煤矿生产的各种设备的电机驱动。中纺机电研究所于1 9 9 9 年l o 月 开始研制矿用一般和矿用防爆s r d 系列产品,在技术水平上相当于国外r e i i 卜一 s p e e d h 和d i a m o n d 产品,其电压等级1 0 0 - - 3 3 0 0 v a c ,实用电压为3 8 0 1 1 4 0 v a c ,功率范围为4 - - 4 0 0 k w ,s r 电机转速0 - - 3 0 0 0 r m i n 任意可调,s r 电机结构 采用四相8 6 极和三相1 2 8 极型式,电机和功率元件冷却采用风冷和水冷两种方 式。 1 2 s r m 与其它电机的比较及其发展方向 电气传动应用最多的还是交流电动机传动系统和直流电动机传动系统。由于 直流电动机的电磁关系简单,易于控制,具有优良的控制特性,长期以来在变速 控制、转矩控制、位置控制等速度变化大和转矩变化大的电气调速传动领域中普 遍使用直流电动机。但是直流电动机存在着严重的缺点:它需要电刷和换相器进 行换相,在换相过程中会产生换相火花;不适合做成高速、大容量的机组;不适 合工作在多尘、潮湿、易燃气体的环境中使用;而且它的价格是同容量的交流电 动机的几倍。交流电动机虽然控制复杂,且在动态过程中电动机的电磁转矩的准 确有效控制是一个难题,但是随着各种控制方法的发展和大功率全控型开关器件 及微机控制技术的发展,已经开发和研究了许多新型的控制方法如调频调压控制、 矢量控制、直接转矩控制等方法,这些方法充分利用了交流电动机的优良经济性 和容易做成高压、高速、大容量系统的优点,同时还可以获得良好的调速性能。 但是这些交流调速系统还有如下一些缺点:系统复杂、价格昂贵、性能指标还不 尽如人意。人们对交流调速系统还在不断地完善,同时人们也开始研究与传统异 步电动机结构和工作原理完全不同的s r m 。【3 】 s p d v i 作为一种制造、维修方便,调速性好,高效节能,可高速运行的新的机 电一体化的调速电动机系统,已经成为国际电工界的热门课题,每年都有大量的 2 学术论文发表,并且不断推出新的理论研究成果和可商品化的实用电动机。虽然 开关磁阻电动机具有上述优点但是就目前的发展水平来看还存在着一些明显的缺 点,如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;转矩脉动较 大,通常开关磁阻电动机转矩脉动的典型值为1 5 。由转矩脉动引起的噪声及特 定频率下的谐振问题比较突出;相数越多,主接线越复杂;需要根据定转子相对 位置投励;不能像笼型异步电动机那样可以直接投入电网作稳速运行,而且必须 和控制器一起使用。 早期的开关磁阻电动机调速系统的控制通常采用单片机作为控制器核心,这 些单片机运行速度较慢,功能也比较简单,不能实现对开关磁阻电动机的复杂控 制,以这些单片机为核心的控制器实现的控制性能不能令人满意。近年来以d s p 为核心的控制器的出现及应用,为提高开关磁阻电机的控制性能带来了一个飞跃。 如何将d s p 应用到开关磁阻电动机的控制上,对于开关磁阻电动机的应用和研究 具有积极的意义。 对于开关磁阻电动机的控制研究主要集中在如何消除和降低它的转矩脉动 上,在注重减小开关磁阻电动机转矩脉动的同时还要兼顾动态性能如响应时间的 研究为了减小开关磁阻电动机的转矩脉动和提高电动机的响应,研究人员采用 各种控制方法和控制理论,除了传统的电流控制方法,还把一些目前先进的控制 方法引入开关磁阻电动机的控制中。如基于无位置传感器带状态闭环观测器或滑 模观测器的控制器,基于滑模控制策略具有鲁棒性的速度闭环控制器以及利用模 糊逻辑设计的智能控制器。这些方法在速度的快速响应和转矩脉动的降低上都有 很大的提高,使系统具有较强的鲁棒性。但是这些控制方法各有优缺点,还有需 要完善和改进的地方。如传统的电流控制方法虽然简单但对电动机的模型要求较 高,计算量大滑模控制对电动机模型精度要求不高,但实现起来较复杂。模糊 控制对电动机的模型精度要求也不高,但它的响应速度慢。伴随着控制方法的改 进,对控制方法所需处理器也在一步一步的提高。 s r d 作为一项方兴未艾的新技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理 论等众多学科领域,从目前发展水平看,无论是理论上还是应用上都存在不少问 题,有待进一步的研究和完善。目前s r d 的研究和发展主要集中在以下几个方面: ( 1 ) s r m 设计方面的发展。s r m 的非线性使其性能的精确分析和计算较为 困难,目前普遍采用二维非线性有限元法分析s r m 内部的饱和磁场,同时也开展 了s r m 三维场的研究: ( 2 ) 加强对铁心损耗的理论的研究。s r 电动机磁场特征的非线性导致相绕 组供电电压和电流波形较为复杂,一般为单向脉动的非正弦波,面l 临的问题主要 是如何建立准确、适用的铁心损耗计算模型和分析、测试手段; ( 3 ) 功率变换器设计方面的发展。目前小功率s r d 常用m o s f e t 作为主开 关,较大功率则采用i g b t ,而主开关器件的电流定额必须根据电机、功率变换器 和控制器三者整体优化设计情况来确定。对于功率变换器主电路的结构研究,目 前提出了较多方案,可根据需要选用; ( 4 ) 控制系统设计方面的研究$ r m 基本控制策略为电压( 或电流) 斩波控 制下的恒转矩控制和角度位置控制下的恒功率控制两种。但简单地运用这两种控 制方法难以获得理想的输出特性,应根据电动机不同工作条件采用不同的组合控 制策略 由于s r d 具有严重非线性及变结构、变参数、数学模型难以精确建立的特点, 采用常规的线性系统控制方法难以取得理想的动、静态性能,现在一般采用的是 基于现代控制理论的模糊控制、神经网络控制等自适应控制手段; ( 5 ) 转矩脉动及其引起的噪声是s l m 一个颇为突出的缺点,研究抑制s r m 的振动和噪声也是改善s r d 性能的重要课题之一。减少s r m 的振动、噪声的关 键在于减小作用在定子上的径向力大小,应从s r m 自身的结构设计和控制手段两 方面加强研究。除了在理论方面加强研究外,还应结合实际给出了一种简单、实 用的工程解决方法; ( 6 ) 无位置传感器的s r d 系统的研制,位置闭环控制是开关磁阻电动机的 基本特征,但它的存在会使电机结构简单的优点变得逊色,降低了可靠性。为此 探索实用的无位置检测器方案是十分引人注目的课题; ( 7 ) 应用方面的发展。经过多年的努力,目前,s r d 的应用领域已从最初 侧重于牵引运输发展到家用电器、一般工业、伺服与调速系统、高速电动机、航 天器械及汽车辅助设备等领域,显示出强大的市场竞争力。目前,s r d 的开发范 围:转矩为o 0 1 1 0 6 n m ;功率为l o w 5 m w ;1 , 删1 0 0 0 0 0 r r a i n 。 s r m 的规格已从多相发展到单相、两相,电动机也从旋转型发展到直线型电机研 究应用。【4 l 1 3 开关磁阻电机调速系统组成 开关磁阻电机调速系统从结构上看,可以将其分为开关磁阻电机和控制系统 两部分。开关磁阻电机本身结构一般包括定、转子位置结构和位置传感器。开关 磁阻电机的定子一般具有集中绕阻,转子无绕组,而且定、转子极数不同;位置 传感器是用来进行转子位置检测的,通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈法 组成位置传感器。 控制系统主要包括控制器和功率变换器两部分。控制器一般以微电子芯片( 如 4 单片机和d s p ) 为核心,辅助以必要的电路和元器件,通过程序算法产生控制电机 的弱电信号;而功率电路的作用是将电源的能量转化后送到电机各相,其对直流 电的斩波就是受控制器产生的信号控制的。开关磁阻电机调速系统组成的结构如 图1 1 所示: 图1 1 开关磁阻调速电动机系统组成 f i g1 1t h es y s t e mo f s r d 1 4 课题的提出和研究意义 开关磁阻电机的研究起步虽然晚,但已经在电气传动领域占有了重要的位置, 在各个应用领域的需求不断增加的背景下,对开关磁阻电机控制系统的研究和设 计是当前研究s r d 的当务之急。 我们知道单片机在开关磁阻电机控制中存在运行速度慢、需要外围器件多、 控制不灵活、控制方式简单等问题。在开关磁阻电机调速系统要求不断提高,控 制技术越来越复杂的情况下,单片机的劣势也越来越明显。这种情况下,专用于 电机控制的d s p 的推出,为开关磁阻电机控制提供了一种新的解决方案,使控制 系统向数字化方向阔步前进。 由于开关磁阻电机其转矩与电流有非线性的特点,采用传统的控制方式,即 把检测到的反馈电流当作反馈转矩,会造成转矩精度不高,难以适应各种应用场 合。这种情况下,结合s r m 的特点研究设计出一种新的控制方式,为提高转矩精 度提供了一种有效可行的解决方案,使开关磁阻电机能够适应更多的应用场合。 本文就是以t m s 3 2 0 f 2 4 0 型d s p 为设计核心,探索开关磁阻电机控制系统的 设计,并基于一台5 5 k w 三相1 2 8 极开关磁阻电机,设计出一套开关磁阻电机调 5 速装置,以用于控制技术的研究和实践。本文首先主要集中在开关磁阻电机基本 理论和控制系统的分析和研究,然后在此基础上主要介绍了基于1 m s 3 2 0 f 2 4 0 的 开关磁阻电机控制系统的具体软硬件设计,并结合s i t m 的特点加入一个转矩电 流计算模块,采用试验测试的方法,把给定转矩换算成给定电流来提高转矩精度。 最后用该设计进行了开关磁阻电机控制的初步试验,有了一定的实验数据和成果, 在软硬件两方面对开关磁阻电机控制系统研究这一课题的进行了有益的探索和实 践。 6 2 开关磁阻电机的原理与特点 2 1 开关磁阻电机的工作原理 开关磁阻电动机( s r m ) 是s r d 有别于其他电动机驱动系统的主要标志,也 是系统中实现机电能量转换的部件。s r m 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,转子上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 m 可以设 计成多种不同相数结构,且定、转子的极数有多种不同的搭配低于三相的s r m 没有自起动能力,对于有自起动、四象限运行要求的驱动场合,应优先选如下所 示的定、转子极数组合方案:三相1 2 ,8 、四相8 6 、五相1 0 8 、六相1 2 1 0 、七相 1 4 1 2 、八相1 6 1 4 等,随着相数增多,步距角变小,这有利于减小转矩脉动,但 是结构复杂,需要的主开关器件多,成本高。本系统采用的是三相1 2 8 结构开关 磁阻电动机。例 在图2 1 中给出了三相1 2 8 结构s r 电动机的结构。开关磁阻电机主要由转子、 定子、转速传感器等部件组成。该电机结构总体布局与密封式笼型感应电动机结 构基本一致,只是在后端盖和风扇之间增加了位置监测装置。定子铁芯由硅钢片 迭成,迭装后压入定子机壳。电机定子冲片上开有1 2 个齿槽。转子铁芯也是由硅 钢片迭成,压装在转轴上。转子片上开有8 个齿和槽。 1 前端盖2 机壳3 吊环4 定子铁芯5 轴6 后墙盖7 密封罩8 ,弹性连接墨9 传感 器转接扳l o 旋转编码器1 1 风詹1 2 风扇罩1 3 绕组1 4 槽楔1 5 转子铁芯1 6 接线金 图2 1 三相1 2 8 结构电机结构示意图 f i g2 1t h es k e t c hm a po f 3p h a s e1 2 8s r m 在图2 2 中给出了三相1 2 8 结构s r m 控制原理图,为简单起见,图中只画出 a 相绕组及其供电电路,其它两相与a 相接法类似。 u a 图2 2 电机结构示意图 f i g2 2t h es k e t c hm a po f m o t o rs t n g t x t r e s r m 在结构上与步进电动机很相似,它的运行也遵循“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。电机定子齿上有集中绕组,每四个 齿的绕组相连接,构成a 、b 、c 三相绕组。当某相绕组通电时,将产生一个使邻 近转子齿与该相绕组轴线相重合的电磁转矩。顺序对各相绕组通电( 如a b c a ) ,则可使转子连续转动。改变通电次序,可改变电动机转向。控制绕组 电流的大小和通断电时刻,可以改变转矩和转速,还可以实现制动运行。可见, s r m 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。当主开关 器件墨、舅导通时,a 相绕组从直流电源u 吸收电能,而当墨、s :关断时,绕组 电流经续流二极管p d | 、v d 2 继续流通,并回馈给电源u 。因此,s r d 的一大特点 是具有再生作用,系统效率高,有利于s r m 的推广和应用。【6 】 2 2s r m 的数学模型及转矩分析 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,而是电流和转子位置角的函数。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。下面将简要介绍一 下s r m 的数学模型及转矩分析 2 2 1s r m 的数学模型 一台m 相s r m ,假设各相结构和参数相同或对称,当不计磁滞、涡流及绕组 间互感时,就可以看成是有m 个电端对的机电装置,描述这种机电系统动态过程 的微分方程由电路方程、机械方程、机电联系方程三部分组成。川 1 电路方程 由电路基本定律列写包括各相回路在内电气主回路的电压平衡方程式,电动 机的第k 相电压平衡方程式为 u t = r i “+ d u # t 出 ( 2 一1 ) 电机的磁链可用电感和电流的乘积表示,即 y t = l i ( 口t ,屯) “ ( 2 - 2 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ,得: 吣跗州”车a t “等掣d t ( 2 - 3 ) d l d 伊 式( 2 3 ) 表明,电源电压与电路中三部分电压降相平衡。其中,等式右端第 一项为第k 相回路中的电阻压降;第二项是由电流变化引起磁链变化而感应的电 动势,所以称为变压器电动势;第三项是由转子位置改变引起绕组中磁链变化而 感应的电动势,所以称为运动电动势,它与电磁机械能量转换直接有关。 2 机械运动方程 按照力学定律可列出在电动机电磁转矩z 和负载转矩互作用下的转子机械 运动方程: 疋= ,箬+ d 警+ 疋 c z 4 , 式中:j 为s r m 转子及负载的转动惯量,d 代表粘性摩擦系数,l 表示负载 转矩。 3 机电联系方程 系统中反映机电能量转换的转矩表达式即为机电联系方程。通常电机中的瞬 9 时转矩司由式( 2 - 5 ) 求出,即 疋= 百3 w l ,一= 一等k ( 2 - s , 式中:w = e 甲d i = ( a ,i ) i d i ,为绕组的磁共能,o w 即为耦合 磁场在转予位移增量a o 内的磁共能增量;w = f i ( v ,e ) d v ,为绕组的储能。 对式( 2 5 ) 在一个周期内积分并取平均,且考虑到m 相绕组的对称性,则s r m 输出平均转矩为 r :_ m n , j 0 2 咖l ( p ,i ( o ) ) d o :_ m n , _ i o - 2 圳,掣警妇髟秒 2 冗2 霄。亡 ( 2 - 6 ) 式中:善为相电流的中间变量,为电机转子齿数。 式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 和( 2 - 6 ) 一并构成s r m 的数学模型。该数学模型从理论上 完整、准确地描述了电机中的电磁及力学关系,但由于,( 口,f ) 及f ( 秒) 难以解析, 必须根据具体电动机的结构及所要求的精确程度加以简化。 2 2 2s 刚转矩分析 根据式( 2 - 6 ) ,转矩为转子位置角9 和绕组电流f 的函数,转矩的改变既取决 于转子位置,亦取决于绕组电流的瞬时值。本设计中,为制定合适的控制策略, 必须知道转矩与电流及电感之间的定性关系。为避免繁琐的数学推导,不妨忽略 磁路饱和及边缘效应,假定电感同电流无关。这时,一对定子极下电感随转子位 置角的变化曲线如图2 3 所示。电动机每转一圈,电感变化的周期数正比于转子的 极对数,该周期的长度为转予极距r ,。 基于图2 3 的简化线性模型,转矩可表示为式( 2 7 ) ,即 r p ,f ) :! f 2 丝:三f :堕( 2 - 7 ) 2a 口2d 口 由式( 2 - 7 ) ,相绕组在恒定电流作用下,产生的对应转矩亦如图2 3 所示。由 此可见,s r m 的转矩方向不受电流方向的影响,仅取决于电感随转角的变化。若 d l j 护 0 ,相绕组有电流流过,产生电动转矩;若d l j 目 0 ,流过电流,则 产生制动转矩。由于只需要通过改变绕组的通电顺序,就可以使电机正转或反转, 所以很容易实现电机的四象限运行。 由以上分析可知,通过控制加到s r m 绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转 子的相对位置,即通过改变绕组上的外加电压以、开通角铊或关断角6 0 ,就可 1 0 控制s r m 转矩的大小和方向,这正是s r m 调速控制的基本原理。 l jl 。f ,。 7 _ 毗 【_ 、1 一 o il 以 以 ii 一 0 l岛 0 , 口 图2 3 相电感、转矩随转子位置的变化 f i g2 3t h em o v e m e n to f p h a s ei n d u c t a n c e a n dt o r q u ef o l l o wr o t o rp o s i t i o n 上面分析虽然是在一系列假设条件下得出的,但对了解s r m 的工作原理,定 性分析电机的工作状态和转矩产生是十分有益的。我们可以得出以下结论: ( 1 ) s r m 的电磁转矩是由于转子转动时气隙磁导变化产生的,电感对位置角 的变化率越大,转矩越大。选择s r m 的转子齿极数少于定子齿极数,有利于增大 电感对位置角的变化率,因此有利于增大电机的出力。 ( 2 ) 电磁转矩的大小与电流的平方成正比。考虑实际电机中磁路的饱和影响 后,虽然转矩不再与电流的平方成正比,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电磁转矩。 ( 3 ) 在电感曲线的上升阶段,绕组电流产生正向转矩;在电感曲线的下降阶 段,绕组电流产生反向转矩( 制动转矩) 。因此,我们可以通过改变绕组的通电时 刻,改变转矩的方向,而改变电流的方向不会改变转矩的方向。 ( 4 ) 在电感的下降阶段,绕组电流将产生制动转矩。因此,主开关的关断不 能太迟,但关断过早也会由于电流有效值不够而导致转矩减小,且在最大电感期 间,绕组也不产生转矩,因此取关断角统矿在电感上升区的中间位置,是比较好的 选择。 实际上这些理想条件并不存在,并且在铁心饱和、未饱和时转矩r 和电流f 的 关系式都不相同,这些都是造成传统控制方式中给定转矩与输出转矩误差大、系 统精度差的根本原因,这种控制方式只适用于调速范围窄、精度要求不高的场合, 不适合用于复杂的实际控制场合,见图2 4 。而这些条件在实际控制过程中又不能 忽略,所以要建立起一个有效的数学表达式来表示转矩r 和电流i 的关系很难,这 就需要设计一个新的控制方式来替代传统方式。通过研究我们认为可以加入一个 转矩电流计算模块,模块的输入为给定转矩z 、反馈转速。,输出为给定 电流t 。如转矩电流计算模块能够准确表示转矩与电流的关系,则可以大大减 小转矩误差,提高转矩精度,见图2 5 。 s l 图2 4 传统控制方式转矩控制框图 f i g2 at h et o r q u ec o n t r o ls y s t e mo f t r a d i t i o ns t y l e 在传统控制方式中将反馈电流当作转矩环的反馈值,再进行p i 调解。由于电 流检测值无法准确的表示出实际的输出转矩,故这种控制方式使s r m 的转矩控制 精度不高,限制了其在某些领域中的应用。 图2 5 增加t 行计算模块后转矩控制框图 f i 9 2 5 t h e t o r q u e c o n t r o l s y s t e m o f a d d t i m o d u l e s t y l e 转矩电流计算模块原理为:在转速撑。下,把给定转矩z 乙经过t i 计算 模块换算为给定电流0 ,。模块设计的目标为使给定电流。无限接近于所要输出 转矩对应的反馈电流f 。,这样就使系统很好地减小转矩误差,提高转矩精度。 由于r 与i 非线性的特点,要用准确的数学公式表达很困难,但通过定性分析 可以得出,电流i 是转矩r 与转速,l 的函数,表达式为: i = f ( l 刀) ( 2 - 8 ) 由于很难建立起数学表达式,所以我们采用试验数据法一查表法一线性插值计 算法来建立r f 模型,达到实现式( 2 8 ) 的目的。具体的实现方法将在本文的实 验章节介绍。 2 3 s r m 运行特性 根据s r m 工作原理,当外加电压【,给定、开通角0 0 和关断角臼0 固定时, 1 2 s r m 的固有机械特性为: 丁= 七c 0 2 及p = k 国, ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 由此可见,固定外加电压及开关角的s r m 转矩、功率与转速的变化关系类似 于直流电动机的串励特性。在电压以、开通角既和关断角眈矿三个条件中,任意 固定两个,改变另一个可得到一组串励特性曲线,因此有三组串励特性。 对几何尺寸一定的s r m ,在最高外施电压和允许的最大磁链y 。与最大电流 f i 一条件下,有一个临界转速国 ( 见图2 6 ) ,称为第一临界转速( 即基速) ,它是 s r m 能得到最大转矩的最高速度,对应的运行点为第一临界运行点。 在一定的导通角统条件下,随着国,的降低,甲和f 将增大,因此在s r m 运 行速度低于。时,为了保证甲和f 不超过允许值,必须采用可控条件,即改变电 压、导通角见和开通角氏三者中任一个或任两个,以实现、王,。与f 。值的限定 和得到恒转矩特性。 图2 6s r m 典型运行特性 f i 9 2 6 t h e t y p e r u n c h a r a c t e r i s t i c o f s r m 当s r m 运行速度高于国。时,在外加电压、开通角和导通角都一定的条件下, 若为线性理想情况,随着国,的增加,、王,和f 将下降,转矩则随国,的平方下降。为 了得到恒功率特性( 砌,= c ) ,必须对电机加以控制。但外施电压最大值是由功 率变换器决定的,而导通角又不能无限增加( 一般不超过石,) 。因此,在 “= “一、以= 万,和最佳的开通角如条件下,能得到最大功率的最高转 速,也就是恒功率特性的速度上限,被称为第二i 临界转速国。( 见图2 6 ) ,对应的 运行点称为第二临界运行点。当转速再增加时,由于可控条件都已达到极限,转 矩不再随国,的平方下降,s r m 又呈串励特性运行。 9 1 运行时存在第一、第二两个临界运行点是s r m 的一个重要特点,采用不同的 可控条件匹配可得到两个临界点的不同配置,从而得到各种所需的机械特性,这 就是s r m 具有优良调速性能的原因之一。从设计的观点看,两个临界点的合理配 置是保证s r m 设计合理、满足给定技术指标要求的关键。 2 4 s r d 控制策略 s r d 的可控因数较多,既可调节每相主开关器件的开通和关断角,也可调节 绕组外加电压( ,。,对可控因素进行不同的组合可形成不同的s r d 控制策略。o j 1 电流斩波控制( c c c 方式) 和电压p w m 控制策略 根据s r m 的运行特性,v 和f 值随角速度国,的降低而增大,因此在s r m 运 行速度低于国6 时,可采用固定开关角如、曰0 ,通过斩波外加电压玑,实现、壬,。 和,值的限定并得到恒转矩特性。具体实现方法有两种。其一,用电流的限值来 控制【,。加在导通相绕组上的有效时间,改变限流幅值的大小,即可控制输出转矩 变化,这称为电流斩波控制;如用速度设定值和实际速度之差调制【,加在导通相 绕组上的有效时间宽度来改变外施电压的有效值,进而改变转矩的方法则称为电 压p w m 控制。 实际上,在负载转矩不变的条件下,国,将随u ,的变化而变化,但相电流波形 除频率变化外,其大小、形状并不变化。因此,s r m 在调压调速时的运行特性像 直流电动机一样,自然地给出了恒转矩的转速控制,同时磁通、电流保持不变。 2 角度位置控制策略( a p c 方式) a p c 方式是指固定绕组外加电压u 。,通过调节主开关管的开通角和关断角控 制电机的运行。当s r m 在高于国。的速度范围内运行时,从电机的运行特性可知, 在外加电压以和开关角眈。、一定的条件下,随着角速度,的增加,甲或f 将 以c 0 7 1 下降,瓦,则自然地以国产下降,但这种自然降落可通过按比例地增大导通 角来补偿,这样可控制导通时问不以t o t l 下降,若做到使磁通以c 0 r “2 下降,则转 矩将受控制地随t 9 ;- i 下降,即可在一个较宽的转速范围内得到恒功率输出特性。 a p c 方式控制时,对于给定的负载特性,其转速取决于开通角见。和关断角眈。 3 电流跟踪控制策略 电流跟踪控制的思想比较简单,即当前周期的控制信号总是要当前电流趋向 参考电流。如果当前周期的参考电流与采样电流的偏差小于零,则立即关断相应 相主开关,反之,则立即开通相应相主开关。电流跟踪控制的算法简单明了,易 于实现。从电流波形来看,在电流跟踪控制下,纹波较大,但电流从零上升到期 望值很快,意味着系统有更快的响应和更高的效率。 1 4 上述各控制策略是在基于系统性能优化的前提下,对各可控参数进行的优化 组合,其中电压斩波方式和a p e 方式为基本的控制策略。各方案在s r d 中都有实 际的应用,并取得相应的效果。在设计某一系统时,必须分析系统的具体需求, 采用合适的控制策略。 2 5s r d 基本过程分析 s r d 的基本控制策略为低速运行斩波控制( 电流斩波或电压斩波) 和高速运 行角度位置控制。但是在具体应用中,笼统地视运行速度切换这两种模式,系统 的工作性能很难达到最优。 例如,电动机起动时,要求转子在任何位置下都能以最大转矩起动,所以此 时需让绕组电流自然通断。对于三相( 1 2 8 ) s r m ,其以为0 0 ,o o 矿为2 2 5 。, 由于此时转速很低,反电动势作用很小,s r d 工作在斩波状态显然,这种全开 通起动斩波方式是能满足起动性能要求的。但电动机起动后,随着转速逐渐升高, 这种固定导通角的斩波方式就暴露出一个明显的不足,即受电流后沿的影响。由 于此时后沿处于电感值较大位置,续流会进入电感下降区,而在钇d 9 0 的区 域内,随着转速升高而增加的旋转电动势会进一步阻碍电流的衰减,故续流会形 成制动转矩,轻则延长电动机起动过程,重则使电动机卡在某一低速下而无法升 速。所以此时必须调节眈伊,使见,r 2 2 5 。而且在高速时,由于反电动势的建立, 使得电流的上升过程不能达到电流

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