（电机与电器专业论文）4kw开关磁阻电机控制与驱动系统设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：f i r s t l y ，t h et h e s i sn o to n l yp r e s e n t st h ed e v e l o p i n g s t a t u so ft h es r d s v s t e i t lb o t hi nd o m e s t i ca n da b r o a d ，b u ta l s oi n t r o d u c e st h ec o n f i g u r a t i o na p p l i c a t i o n a r e aa n dr e s e a r c hh o t s p o to fs r ds y s t e m ，a n dt h e ne x p a t i a t et h ee l e c t r o m a g n e t i s m p n n c i p l ea n dm a t h e m a t i cm o d e lo fs r m ，e s t a b l i s h e sl i n e r i n d u c t a n c em o d e lo fs r m ， t h e na n a l y s i se l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u ea n dw i n d i n gc u r r e n to fs r ds y s t e mb a s e do n l i n e a ri n d u c t a n c em o d e l ，g e tt h ec o n t r o lm e t h o do fs r ds y s t e mf i n a l l y s e c o n d l y , t h et h e s i si n t r o d u c e sa l lp a r t so fs r d s y s t e mi nd e t a i l ，a n di n t r o d u c e st h e c o n t r o lm e m o d sn o wu s e d ，g i v eo u tt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a n go fa n ym e t h o d a n dt h e l l 1 et h e s i sd e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es r ds y s t e mb a s e do n 4 k w 5 13 v , 1 2 8s r m h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni n c l u d i n go fc h o o s i n gt h es t r u c t u r e a n dp a r a m e t e ro fp o w e rc o n v e r t e rw i t hi t sp o w e rc o m p o n e n t j p o w e rm o s f e t ； “v ec i r c u i td e s i g nw i t ht i p 2 5 0 ；d e s i g n i n gt h ea c c e s s o r i a ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l y w h i c hp r o v i d e st h ep o w e rf o rd r i v e & c o n t r o lc i r c u i t t h ec o n t r o lc i r c u i tw i t ht h ec o r e c o m p o n e n t s - - - - a t 8 9 c 51 m o t o ri n t e l l i g e n tm o d u l ei s d e s i g n e d a l s o t h ep o s i t i o n s e 】【l j ；o rt e s t i n gc i r c u i t ，c u r r e n ts e n s o rt e s t i n gc i r c u i t ，l o g i cs y n t h e s i sc u r r e n ta n dd i s p l a y d i s p l a yc i r c u i ta r ed e s i g n e d t h ef u n c t i o no f m o t o ri n t e l l i g e n tc i r c u i ti st o - r e a l i z ed u a lp i a d j u s t e r o fs p e e da n dc u r r e n t ，p w mg e n e r a t i o n ， c u r r e n tp r o t e c t i o n ,c h o p w a v e c o m p a r i s o n w h i l et h ef u n c t i o no fa t 8 9 c 5 1i st oj u d g er o t a t o rl o c a t i o ni n f o r m a t i o n ， s y n t h e s i z ev a r i o u sp r o t e c t i o ns i g n a la n d c o m m a n d e di n f o r m a t i o n ，a n ds p e e dc o n d i t i o n ， m e n 西v et h ep h a s eo n o f fs i g n a la n dc h o p p e dc u r r e n tl i m i t e dv a l u e t h es o f t w a r eo f s y s t e mi sp r o g r a m m e d t h em o d u l a rs t r u c t u r e dp r o g r a m m i n gm a k e s t h ep r o g r a m r e a d a b l ea n dm o d i f i a b l e f i n a l l y , e x p e r i m e n t so ft h ed e s i g n e ds r ds y s t e mi sm a d ea f t e rd e b u g g i n gt h e h a r d w a r ec i r c u i tb o a r da n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ep r o g r a ms u c c e s s f u l l y , a n du s m g i nm i l lm a c h i n e ，a n a l y s et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t e r a t i o n a l i t yo ft h es y s t e md e s i g n e d k e y w o r d s ：s r m ，c o n t r o l ，t l p 2 5 0 ，p o w e r m o s f e t c l a s s n o ： v 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 究成果，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 撰写过的砑究成果，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：签字日期：年月日 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： 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月 e t 致谢 两年半的硕士研究生学习生活即将结束，在此向所有关心和帮助我的良师益 友和亲人们致以最由衷的感谢! 本论文的研究工作是在我的导师王艳老师和殷天明老师的悉心指导下完成 的，两位老师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。他们 不仅悉心指导我完成了科研工作，而且在学习上和生活上都给予了我很大的关心 和帮助，在此衷心感谢两年半来王艳老师和殷天明老师对我的关心和指导。 在实验室的学习和科研过程中，得到了吕海臣、郭淳、柴智渊、梁晓峰等师 兄和李彩虹、冯华等师姐的许多帮助和指导，在此向他们表示衷心的感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，王贵刚、张巍、张靖娴等同学以及师弟、师 妹们对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在公司做实验期间，公司员工计海 超、杜红磊也给了我很大的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后向这么多年一直关心、支持我的家人致以最真诚的感激与谢意，我的所 有成绩和进步都离不开他们无微不至的关心和鼓励，他们的理解和支持使我能够 在学校专心完成我的学业。 1 绪论 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 ) 是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的新型调速系统，它融开关型磁阻电动机( s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r , 简称s r m ) 与现代电力电子技术、控制技术为一体，兼有异步电动机变频调 速系统和直流电动机调速系统的优点，己经成为当代电气传动发展的热门课题之 1 1开关磁阻电机的发展 开关磁阻电机的基本结构及基本原理的提出可以追溯到1 9 世纪4 0 年代，那 时的电机研究人员已经认识到利用顺序磁拉力使电动机旋转是简单易行的。1 8 4 2 年，英国的a b e r d e e n 和d a v i d s o n 制造出了最初的开关磁阻电机模型，但是因为当 时的科技条件落后，电动机的运行特性很差。以后的1 0 0 多年间，开关磁阻电机 的发展缓慢。到了2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管的研制投产为开关磁阻电机的 研究发展提供了重要的物质条件。 1 9 6 7 年，英国的l e e d s 大学开始对开关磁阻电机进行深入研究。1 9 7 3 年英国 的n o t t i n g h a n l 大学也开始对开关磁阻电机进行研究。1 9 7 5 年，l e e d s 和n o t t i n g h a r n 两所大学的研究小组联合参加了c h l o r i d at e c h n i c a l 有限公司发起的制造蓄电池车 辆驱动装置的研究工作，成功研制了用于电动汽车的5 0 k w 的开关磁阻电机装置， 其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置，这充分说明了开关磁 阻电机大有前途。 1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授及其同事总结了自己的研究成果，发表 了题为变速开关型磁阻电动机的论文，标志着开关磁阻电机得到国际社会的 承认。该论文系统阐述了开关磁阻电机的基本原理及基本设计理论，研究了开关 磁阻电机的特性及其控制方式。1 9 8 1 年英国t a s c 公司获准制造开关磁阻电机系 统，并于1 9 8 3 年推出了商品名为o u l t o n 的通用调速系列产品，问世不久便引起各 国电气传动界的广泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫等国竞相发展，并在系统一 体化设计、电动机电磁分析、微机应用、功率元件应用、新型结构开发等方面取 得进展1 1 1 1 2 1 。 我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于1 9 8 4 年，并被列为中小型电 机“七五科研规划项目”。在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系 统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高。华中科技大学开关磁阻电机课题组 在“九五”项目中研制出使用开关磁阻电机的纯电动轿车，在“十五 项目中将 开关磁阻电机应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。广州思达 电子仪器有限公司的开关磁阻电机产品也涵盖了0 3 7 k w - 7 5 k w ，满足小功率开关 磁阻电机调速系统的应用要求。中纺纺织机械研究所将开关磁阻电机调速系统应 用于毛巾印花机、卷布机等，取得了显著的经济效益。近年来，随着控制技术和 电机设计制造技术的进步。开关磁阻电机的应用和发展取得明显的进步，中小功 率开关磁阻电机已成功地应用于电动车驱动、家用电器和纺织机械等各个领域。 1 2 开关磁阻电机调速系统的特点和应用领域 开关磁阻电动机调速系统主要的性能特点有以下几个方面1 盯2 1 3 3 1 ： ( 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鼠笼式感应电动机还要简单，其突出的优点是转子 上没有绕组，因此不会有鼠笼式感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的 断条等问题。开关磁阻电动机的转子机械弹性很好，可以用于超高速运转( 如 1 0 0 0 0 r m i n ) 。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简单，绝缘容易。 ( 2 ) 、各相工作独立，系统可靠性高 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 圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制器结构上看，各相电路各自给一相 绕组供电，一般也是相互独立工作。可见，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下降外，并无其 他影响。因此开关磁阻电动机调速系统可以构成可靠性很高的系统，可以适用于 一些特殊的场合，比如航天领域。 ( 3 ) 、功率电路简单可靠 开关磁阻电动机转矩方向只与各相通电顺序有关，而和绕组电流的方向无关， 即只需要单方向绕组电流，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，感应电动机p w m 变频器功率电路中每桥臂两个功率开关直 接跨接在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率元件。而开关磁阻电动机调速系 统中每个功率元件均直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，即降低了成本，又 具有较高的工作可靠性。 2 ( 4 ) 、起动转矩高，启动电流小 控制器从电源测吸收较少的起动电流，在电机侧得到较大的起动转矩是开关 磁阻电动机调速系统的一大特点。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 额定值的1 5 0 。对比其他调速系统的起动特性，如直流电动机为1 0 0 起动电流， 获得1 0 0 起动转矩；鼠笼感应电动机为3 0 0 的起动电流，获得1 0 0 的起动转矩。 起动电流小起动转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此该系统十分适合那 些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械，如电动车辆。 ( 5 ) 、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有：开通角，关断角，电流 p w m ，电压p w m 等。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，既可以使之运行于最佳 状态( 如最大出力、效率最高等) ，还可以使之实现各种不同的功能和特性曲线。 如使电动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有高起动转矩和串激电动机的 负载能力曲线。 ( 6 ) 、适用于频繁启动、停车以及正反转运行 开关磁阻电动机调速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与连续额定运行时相比很小。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动、停车以及正反转运行，次数可达1 0 0 0 次d , 时。 ( 7 ) 、效率高，损耗小 开关磁阻电动机调速系统是一种非常高效的系统。这是因为一方面电动机转 子上无绕组，没有铜耗，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。其系统效率在很宽范围内都在8 7 以上， 这是其他一些调速系统不容易达到的。将该系统和p w m 变频器带鼠笼感应电动机 的系统进行比较。该系统在不同转速和不同负载下效率均比变频器系统高，一般 要高5 左右。 开关磁阻电动机调速系统作为一种新型的调速系统，兼有直流传动和普通交 流传动的优点，以向各种传统调速系统挑战的势头正在逐步应用在家用电器、一 般工业、伺服与调速系统、牵引电动机、高速电动机、航天器械以及汽车辅助设 备等领域，显示出强大的市场竞争力。 开关磁阻电动机由于具有串励直流电动机的特性，因此在发展的初期主要应 用在电力机车的牵引上。随着进一步的发展，开关磁阻电动机调速系统将逐渐占 3 据电气传动市场。另外，对于低压、小功率的应用场合，开关磁阻电动机远优于 普通的异步电动机和直流电动机。例如使用开关磁阻电动机驱动风扇、泵类、压 缩机等，可以在宽广的速度范围内实现高效率的运行，且节能明显，可以在短期 内收回成本。经济型小功率开关磁阻电动机调速系统有广阔的市场，尤其是在家 用电器方面的应用。 据报导，英国利兹大学研制出一种用于洗衣机的开关磁阻电动机及其驱动装 置，该电动机重量为3 1 k g ，最高转速达1 0 0 0 0 r m i n ，直径为l o o m m ，长度为l1 8 m m ， 在不使洗涤性能降低的情况下，比标准的洗衣机电动机尺寸减少一半。在开发高 速传动领域，开关磁阻电动机调速系统也有其独特的优势，因为开关磁阻电动机 结构简单、坚固，控制开关频率低，在叠片性能和轴承满足要求的条件下可实现 高速运转。据报导，美国为空间技术应用研制了2 5 0 0 0 r m i n ，9 0 k w 的高速开关磁 阻电动机，该电动机有效材料重量仅为l o k g 。在我国，开关磁阻电动机调速系统 也得到了一定的开发和应用。自从1 9 8 8 年以来，纺织部纺织机械研究所将开关磁 阻电动机调速系统应用于毛巾印花机、卷布机、浆纱机等十几种对电动机容量及 性能要求差异很大的纺织机械设备改造，取得了显著的经济效益。 1 3 当前的主要研究热点和发展方向 开关磁阻电动机调速系统同样也存在着一些自身的不足和缺点，这主要表现 在以下几个方面n 8 1 3 3 1 ( 1 ) 、系统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。 ( 2 ) 、开关磁阻电动机运行时转矩脉动较大，通常转矩脉动的典型值为1 5 ， 由转矩脉动导致的噪声问题以及特定频率下的谐振问题也较为突出。 ( 3 ) 、开关磁阻电动机相数越多，主接线数越多。 ( 4 ) 、系统运行需要电动机位置信号的反馈，而位置传感器的引入使电动机结 构复杂，安装调试困难。电动机和控制器之间的连线增加，而且位置传感器的分 辨率有限，使系统的运行性能下降。 ( 5 ) 、笼型异步电动机可以直接接入电网稳定运行，可以没有控制环节，而开 关磁阻电动机必须配合控制器才能稳定工作。 针对上述缺点，国内外对开关磁阻电动机调速系统做了进一步的研究，目前 的研究热点主要有： ( 1 ) 、进一步完善开关磁阻电动机的设计理论，建立一套效率高、适用于工程 设计要求的优化设计法。开关磁阻电动机的非线性使其性能分析和计算较为困难。 目前，采用二维非线性有限元方法分析电机内的饱和磁场具有局限性：第一，对 4 以路为基础的设计方法研究不够，由路的方法导出的设计公式能以清晰的物理概 念体现设计变量与结果之间的联系，而场的方法则显得比较抽象，就设计方法的 经济性和正确性综合考虑，用路的方法设计，而用场的方法来校核是一种比较理 想的方法。第二，现有场的方法精度有待提高，应计及端部效应，开展开关磁阻 电动机三维场的研究。在此基础上，开展计算机辅助设计，向智能化方向发展。 ( 2 ) 、加强对铁心损耗理论的研究。开关磁阻电动机磁场特性的非线性导致相 绕组供电电压和电流波形比较复杂，一般为单向脉动的非正弦波，定、转子各部 分铁心中的磁通密度变化规律也不相同，因此对定、转子铁心损耗的计算和测量 都很困难，目前面i 临的主要问题是如何建立准确、实用的铁心损耗计算模型和分 析、测试方法。 ( 3 ) 、加强对转矩脉动及噪声的理论研究，提高电机的功率因数。减小开关磁 阻电动机的振动和噪声的关键在于如何减小作用在定子上的径向力。从电机自身 的结构设计上，主要是合理设计磁场结构、定子磁扼强度和电机刚度，合理选择 气隙、极弧参数及励磁方式，优化绕组的拓扑结构。从控制角度看，主要是优选 导通角和关断角及调节脉冲宽度，尽可能调节好各相工作参数的对称性。 ( 4 ) 、改善电机静态及动态性能仿真模型。开关磁阻电动机的性能分析方法还 处于探讨阶段，有待进一步完善。 ( 5 ) 、完善开关磁阻电动机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计，应该 把这三者作为一个整体来进行优化设计，不应该将各部分的设计分裂开。目前的 研究，尚停留在仅对特定类型的开关磁阻电动机调速系统分析核算的水平，只能 完成局部的综合设计和个别参数的优化。 ( 6 ) 、实用无位置传感器方案的研究。目前，国内外提出许多无位置传感器转 子位置检测方案，比如，通过测试电机非激磁相绕组电感来估算转子位置；利用 探测线圈的自感和互感估算转子位置；在定子2 个凸极之间安装金属平板，通过 电容的变化来估算转子位置等。如果将这些无位置检测方案应用于开关磁阻电动 机调速系统，可以使系统更加简单。 ( 7 ) 、开关磁阻电机转矩波动最小化技术。开关磁阻电动机运行中的转矩脉动 较大是其一个主要的缺点，因此如何获取最佳的绕组电流波形以使开关磁阻电机 转矩波动最小就成为主要的研究方向。目前，主要的研究成果有利用迭代学习控 制和转矩分配函数减小转矩波动。这种方法以绕组电流作为开关磁阻电动机调速 系统的输入量，转矩作为系统的输出量，利用迭代学习控制方法不断调整绕组中 的电流、以得到希望的输出转矩。这种方法完全从控制工程的角度，实现转矩的 波动的摄小化，它不需测量电机磁特性，控制器结构简单，计算工作量小，便于 微机控制，是一种很有前途的控制方法。 5 1 4 本课题主要工作 本课题主要目的是在研究开关磁阻电机调速系统的基本理论的基础上，研制 开发一套4 k w 5 1 3 v 小功率开关磁阻电机控制与驱动系统，设计一个控制驱动一 体化的开关磁阻电机控制器，本设计中拟以a t 8 9 c 5 1 单片机和电机智能控制模块 为该控制系统的核心，采用功率m o s f e t 作为主开关器件，利用t l p 2 5 0 芯片来设 计驱动电路，利用光电编码器来检测位置，用电流传感器a c s 7 5 0 - 5 0 来设计电流 检测电路，设计出一套兼有控制、驱动及保护功能于一身的4 k w 5 1 3 v 小功率开 关磁阻电机控制与驱动系统。 论文的主要工作包括以下几个方面： 1 介绍开关磁阻电机调速系统的发展历史、基本特点和应用领域及发展方向； 2 从理论方面深入研究分析开关磁阻电机的机电原理； 3 研究开关磁阻电机调速系统的组成，控制方法和运行原理； 4 设计一体化控制驱动系统的硬件电路和功率器件散热设计； 5 编写控制系统的软件，实现控制策略： 6 系统调试与实验，并在碾磨机上实际应用。 6 2 开关磁阻电机的基本理论分析 与传统的交流电动机( 异步电动机和同步电动机) 不同，开关磁阻电动机采用双 凸极铁心结构，并且只在定子上安装各相励磁绕组。绕组电流的非正弦与铁心磁 通密度的高饱和是开关磁阻电动机运行的两个主要特点。另外，开关磁阻电动机 控制参数多，控制方案灵活，相电流波形随着电动机工作状态的不同而变化，无 法得到简单、统一的数学模型及解析式。因此，传统的电动机性能分析方法对开 关磁阻电动机来说不适用。为了降低难度，对开关磁阻电动机采用简化、线性化 或准线性化的分析方法，以便建立比较准确的开关磁阻电动机的数学模型。 2 1开关磁阻电机结构与运行原理 电机可以根据转矩产生的机理粗略的分为两大类：一类是由电磁作用原理产 生转矩；另一类是由磁阻变化原理产生转矩。在第一类电机中，运动是定、转子 两个磁场相互作用的结果。这种相互作用产生使两个磁场趋于同向的电磁转矩， 这类似于两个磁铁的同极性相排斥、异极性相吸引的现象。目前大部分电机都是 遵循这一原理，例如一般的直流电机和交流电机。第二类的电机，运动是由定、 转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子绕组通电时，产生一个单相磁场，其分布 要遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子轴 线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋于 磁阻最小的位置，即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。开关 磁阻电机就是属于这一类型的电机。 开关磁阻电动机是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”。开关磁阻电动机可以设计成多种不同 的相数结构，而且定、转子的极数也有多种不同的搭配，相数多，步距角小，利 于减小转矩脉动，但是其结构复杂，而且主开关器件增多，成本高。三相以下的 开关磁阻电动机无自起动能力，因此目前应用较多的是三相、四相开关磁阻电动 机。下面以三相1 2 8 极开关磁阻电动机为例，来说明开关磁阻电动机的运行机理。 如图2 1 所示是1 2 8 极开关磁阻电动机的结构和运行原理图，图中只画出了a 相绕组及供电线路，其他各相与之相同。其中s 1 、s 2 是功率电子开关，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 7 得到径向磁场，转子上带有和转子齿槽对应的位置检测器码盘，定子上安装了位置监 测器光电编码盘，用以提供转子和定子相对的位置信号，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。 图2 1开关磁阻电动机的工作原理 f i g 2 - 1p r i n c i p l eo fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 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 l 、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 转矩的作用，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，转子已达到平衡位置，即当a 相定、转子极对极时， 切向磁拉力消失，转子不再转动。此时打开a 相开关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 。，转子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 - 眦三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距f ( f ，：3 6 0 0 ，) ， 对于三相12 8 极开关磁阻电动机，l ：3 6 0 0 8 ：4 5 0 ，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 8 方向转动，转子则沿着与之相反的a b 弋吐方向顺时针旋转 i f 2 1 i s 。 从上述开关磁阻电动机的运行原理可得，开关磁阻电动机的转向与相绕组的 电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。另外，当主开关器件s l 、s 2 导通 时，a 相绕组从直流电源e 吸收电能，而当主开关器件s 1 、s 2 关断时，绕组电流 经过续流二极管d 1 、d 2 继续流通，并回馈给电源e ，因此开关磁阻电动机传动系 统的共性特点是具有再生作用，系统效率高。 2 2开关磁阻电机的基本方程 建立开关磁阻电动机数学模型的主要困难在于：电动机的磁路饱和、涡流、 磁滞效应等产生的非线性，这些非线性影响着电动机的性能，但是这些非线性很 难进行数学模拟，考虑了非线性的所有因素，虽然可以列出个很精确的数学模 型，但是计算复杂很难用于仿真分析。因此，在建立开关磁阻电动机数学模型的 时候，要在理论性和实用性上加以折中考虑。为了简化分析，做出如下的假设盯： ( 1 ) 主电路电源的直流电压阢不变； ( 2 ) 主开关器件为理想开关，即导通压降为零，关断时流过的电流为零； ( 3 ) 忽略铁心的磁滞和涡流效应，即忽略铁耗； ( 4 ) 电动机各相参数对称，每相的两个线圈作正向串联，忽略相间互感： ( 5 ) 在一个电流脉动周期内，认为转速恒定。 函号毫万( i 卫，印厂雨厂订山“4d 虬d t 、 l 南 如回 丽稚 乙u 虽 y 。以，印 o o _ 、l “，飞y 。d t 图2 - 2 三相s r m 系统示意图 f i g 2 - 2t h r e ep h a s es r m s k e t c hm a p 开关磁阻电动机的运行机理可以看作是一对电端口和一对机械端口的二端 口装置。按照上述假设，三相开关磁阻电动机系统的示意图如图2 2 所示。图中， j 为开关磁阻电动机转子及负载的转动惯量，d 代表粘性摩擦系数，t l 表示负载 转矩。开关磁阻电动机的基本方程由电路方程、机械方程、机电联系方程三部份 组成。 9 2 2 1电路方程 根据电磁感应定律，施加在各定子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p 相绕组电压方程： ：。i 。+ 孥(2u 一1 ) p2r ，+ 寺 1 ) 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转子位置角的函 数： y 口= v ( i 口，i b ，i c ，0 ) ( 2 2 ) 由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在开 关磁阻电机的计算中忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转子轭部饱 和在各相之间产生的相互影响，这时磁链方程近似成： 少p = l ( i ，0 ) i ( 2 3 ) 结合( 2 - i ) 式和( 2 - 3 ) 式得： = r i + 鲁生+ 丝塑= 忍+ ( 厶+ f 卺) 堡+ i p8 叩l pdodt 8 0d t p a r t p a r t ( 2 - 4 ) p 茂 ”、p 茂。 u u 由式( 2 - 4 ) 可见电源电压与电路中三部分压降相平衡。式中r p i ，为p 相回路电 阻压降，( 三p + i ，瓦o l p ，百d i p 为p 相回路电流变化引起的磁链变化而感应的反电势， 称之为变压器电势。i p 钇8 0 “d d 旦t 为转子位置变化引起的磁链变化而感应的反电势， 称之为运动电势，与电机转速、电感对转子位置的变化率以及相中流大小有关。 2 2 2机械方程 根据力学定律可以得出开关磁阻电动机的电磁转矩死和负载转矩死作用下的 转子机械运动方程。 开关磁阻电机机械运动方程为： r , = s d 矿= o 州d o 出+ t l = ，鲁+ d 缈+ t l 5 ) d t d td t 。 2 2 3机电联系方程 电磁转矩的表达式反应了系统机电能量的转换关系。开关磁阻电机的瞬时电 磁转矩乃表示为磁共能对转子位置的偏导： l o a 吃( i p ，力= 【v d i ( 2 6 乃：掣：r ( i p ，乡) ( 2 - 7 ) a 9 ： t p ：p o l ( i , o ) i d f = 一1 0 l ( i , o ) f 2( 2 8 ) m 0 020 0 、 忽略磁饱和得： t p ：一i a l ( e ) f 2( 2 9 ) 2a 6 r 由式( 2 - 9 ) 知： 1 、 开关磁阻电机设计时等取值越大，电机输出转矩越大； 2 、 相绕组电流越大输出转矩越大，运动电势越大； 3 、 转矩方向与绕组电流方向无关，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，在电感曲线的下降段通入绕组电流会 产生反向电磁转矩。 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成： 足= t ( b ，秒) ( 2 1 0 ) p = l 开关磁阻电机的平均转矩可由式( 2 - 8 ) 在一个转子极距角周期内积分求得： 乙= 赤r 驰舢= 鲁f ”j v , r 乡 ( 2 - 1 1 ) 在本电机中转子极数，= 8 ，定子相数m = 3 。 ，以上的基本方程构成了开关磁阻电动机基本的数学模型，适合于基本理论分 析，但是其通用性和实用性较差，需要根据电动机的结构以及所要求的精度加以 适当的变化。 2 3开关磁阻电机的基本电磁分析 对开关磁阻电机的基本电磁分析包括开关磁阻电机的相电感与转子位置角的 关系分析，电磁转矩的分析，绕组电流的分析以及转速控制方法的分析。以下将 对开关磁阻电机进行理想的线性化，在此基础上利用数学推导来深入分析开关磁 阻电机的相电感、电磁转矩、绕组电流和影响转速的因素。 2 3 1开关磁阻电机相电感与转子位置角的关系 由于开关磁阻电动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进行分析研究，若不 计开关磁阻电动机磁路饱和的影响，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，则相绕组的电感随着转子位置角0 n 期性变化的规律如图 2 3 所示2 l 6 1 1 9 】1 8 j 。 r 一后邂竿鼻沿一乙 厂定子 _ - _ _ 一 厂l 库。i 一 厂转子 ( 回 一 k 三舶 j 衲 图2 3 相绕组电感与转子位置角的位置关系图 f i g 2 - 3p o s i t i o nr e l a t i o nb e t w e e nw i n d i n gi n d u c t a n c ea n dr o t o rp o s i t i o na n g l es c h e m a t i c 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点0 = 0 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 2 ( 呸为 转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置) 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 不随转子位置变化的最小电感常数区；转子转过后，相电感便开始线性地上升 直到巳为止( 呸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，转子极弧辟通常要 求大于定子极弧肛，因此在0 3 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，定转子磁极保持全部重叠，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d a a x ；从相电感开始线性地下降，直到0 5 处降为l m i n , 、 q 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。 由此得到线性开关磁阻电机绕组电感与转子位置角之间关系的函数形式： 1 2 陆一l l l l n 脚陵 式中：k = q 秒岛 岛9 q 岛秒幺 ( 2 _ 1 2 ) 只秒b 一m i n 0 3 一秒2p s 我们可以看到，经过分段线性化处理后，电感一位置曲线除了最低和最高水 平线段以外，存在电感随位置角上升与下降两部分直线段，它们对开关磁阻电机 的运行状态起主导作用。 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，绕组输入的电能形应等于结构中磁储能与输出机械z 日, 匕l a 既之 和，即为 d 形= d 盯+ d 既 ( 2 1 3 ) 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p = d d t( 2 - 1 4 ) 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为 a w e = u i d t ( 2 - 1 5 ) 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 - 1 5 ) ，得 d 彬= 耐y ( 2 1 6 ) 机械能可由电磁转矩丁和角位移目计算，即为 d 呢= t d 0( 2 - 1 7 ) 将式( 2 1 6 ) 和式( 2 17 ) 代入式( 2 1 3 ) ，则得 d 孵( y ，0 ) = 诏y t d o ( 2 - 1 8 ) 式( 2 一1 8 ) 表明，对无损系统，磁储能是由独立变量沙和秽表示的状态变量，磁 储能由沙和p 所决定。当y 为恒定值时，由式( 2 - 1 8 ) 得到一般转矩计算式为 丁：一墨警( 2 - 1 9 ) a 8 在考虑转子处于任意位黄时的电磁转矩时，可以假设转子无机械转动，则由 1 3 式( 2 1 3 ) 得 d w = d 将式( 2 - 1 6 ) 代入式( 2 - 2 0 ) ，得 f = 受t 却 ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 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l | f ，可由电感表示为 缈= l i 将式( 2 - 2 2 ) 代入式( 2 - 2 1 ) ，得到磁储能的计算式 = 扣 ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) 将式( 2 - 2 3 ) 代入式( 2 - 1 9 ) ，得 丁：昙f 2 罢 ( 2 _ 2 4 ) 2a 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f h 恒压直流电源玑供电时，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 1 4 珏羞磁阻虫扭啦基奎堡j 金盆圭丘 u 。：坐( 2 2 s ) 5 d t 将式( 2 - 2 2 ) 代入上式，得 q = 三妄砌嚣 - ( 2 - 2 6 ) 得 1 ) 在q 0 2 区段l = l m i n ，i ( o o 。) = 0 ( 气为开始导通角) ，代入式( 2 2 6 ) 中，解 咿，= 乏。华 ( 2 - 2 7 ) 式( 2 2 7 ) 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9 2 区段( 为关断角) ，将上述结果作为该区段的初值条件，把式 ( 2 - 1 2 ) 代入式( 2 - 2 6 ) ，得 妒) = 砸u 了, ( o 丽- e o ) 同理可得 3 ) 在0 3 区段，绕组电流为 徊) = 砸u , ( 2 了e o 矿而- e o - o ) 4 ) 在岛幺区段，绕组电流为 妒) ：竖攀 “，l h “ 5 ) 在幺- - - 0 5 区段，绕组电流为 妒，= 芝臻曷 显然，当秒= 2 一见。时，相电流已衰减至零。 这必分段电流函数可以用下面的通式统一描述，即 1 5 ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) ：堡厂( 秒) 国 ( 2 - 3 2 ) 由上式可知，绕组电流与外加电源电压以、角速度缈、开通角气、关断角、 最大电感l m a x 、最小电感助砌、定子极弧屈等有关。对结构一定的电动机，在氏 和不变的情况下，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 4 ) ，还可以发 现通过增大外加电压来提高绕组电流，从而就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。 这罩仍然针对开关磁阻电机的线性模型来加以讨