（电机与电器专业论文）基于196单片机的开关磁阻电机调速系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h er e p r e s e n t a t i v eo fm o d e r ne l e c t r i c a lm o t o r s ，s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rc o m b i n e st h e e l e c t r i c a lm o o rt h e o r i e sw i t h t h em o d e r np o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u ea n dt h ea d v a n c e d m i c r o p r o c e s s o r c o n t r o l t e c h n i q u e ，w h i c h n o t o n l y h a sl o w - c o s t s t r o n g s t r u c t u r e ，g o o d f a u l t t o l e r a n ta n dh e a t r e s i s t a n tc a p a b i l i t yb u ta l s oh a s e x c e l l e n tc o n t r o l l a b i l i t y t h u s ，s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o ri sw i d e l yr e g a r d e di nd r i v ea n ds p e e dr e g u l a t i o nf i e l d t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ed e s i g no ft h es y s t e m f o rs w i t c h e dr e l u c t a n c ed d v eb a s e do n m c s 9 6 一8 0 c 1 9 6 k c a n d h a sd o n es o m ef u r t h e r t h e o r e q c r e s e a r c ha sw e l la s e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f i r s t l y ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e d a n da n a l y z e dt h ea d v a n t a g e so fs w i t c h e d r e l u c t a n c ed r i v e , f u r f h e rm a d et h es i g n i f i c a n c eo fd e v e l o p i n gt h i sk n o w l e d g e o fs r d s y s t e m c l e a r s e c o n d l y t h i sp a p e r s u m m a r i z e dh o ws w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o r w o r k sa n dh o w t oc o n t r o | i ta n dt h ec o m p a r eb a s e do ne a c hc o n t r o lp d n c i p l e t h i r d l y ，i nt h i sc h a p t e r ，as e to fp r a c t i c a ls r d sh a r d w a r e s y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hi s b a s e d 0 n16b i t ss c m c o n t r o lt e c h n i q u ea n dp o w e r e l e c t r o n i c sc o n v e r t i n gt e c h n i q u e - f o u r t h l y as e to fp r a c t i c a ls r d s o f t w a r es y s t e mf o re x p e r i m e n t a li sd e v e l o p e d - w h i c hb a s e d 0 n a s s e m b l el a n g u a g ea n dcl a n g u a g e t h er e a s o n a b l ed e s i g no fs o f t w a r ef u l l y d i s p l a y 。d t h e f l e x i b i t i t yo fs r d c o n t r 0 1 f o u r t h l y ，t h ea p p l i c a t i o no ff u z z y c o n t r o lt e c h n i q u eo ns r d i sa n a l y z e dt h ee x p e 帆n a l r e s u t t sm a n i r e s tt h a tf u z z yc o n t r o lt e c h n i q u eh a s m o r ea d v a n t a g et h a np i d c o n t r o lt e c h n i q u e f i n a l l y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sv a l i d a t e d a n d d e e p e n e d l h ec o n c l u s i o n sd r a w nf 0 m t h e o r e t i c a ir e s e a r c h t h er e s u l t sf u l l ya p p r o v e dt h eu s a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yf o rt h es y s t e m 1 t h e l p sal o tt ot h ee f f i c i e n c yo fe x p e r i m e n t a t i o n k e y w o r d s ：s r m s r ds c m c 。n t r o lt e c h n i q u e f u z z yc o n t r o lt e 。h n i q u 。 i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 - 1 引言 自从入类发明并掌握了各种机械帮助自己劳动以来，就需要有推动机械的原 动力，最初使用的是畜力、水力、风力，后来发明了蒸汽机、柴油机、汽油机， 1 9 世纪才发明了电动机。由于电机的效率高，运转比较经济，电能的传输和分 配比较方便，电能容易控制，因此现在电气传动已经成为绝大部分机械的传动方 式，成为工业化的重要基础。随着科学技术的迅猛发展，在工业、农业、交通、 国防军事设施及人类日常生活中，对电气传动的需求从数量到质量都呈现出空前 的增长渊。 纵观电气传动的发展经过，历史上最早出现的是直流电动机，在1 9 世纪8 0 年代以前，直流传动仍然是唯一的电气传动方式。到1 9 世纪末叶，出现了交流 电，随着三相制交流电的输送和分配问题得以解决和经济实用的笼型异步电动机 的问世，交流电气传动技术在工业中也就逐步得到了应用。在2 0 世纪以来， 生产已经发展到一定高度，生产过程的进步对电气传动在起制动、正反转及调速 精度、调速范围等静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求，虽然直流电动 机具有电刷和机械换向器，存在着自身的弱点，但从电机本体来说直流电动机比 交流电动机在技术上更容易满足上述的要求，所以2 0 世纪6 0 年代以前，在需要 可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域中，直流传动系统一直占领统治地位。 自6 0 年代以后，随着电力电子学、微电子学和现代控制理论的发展，交流电气 传动技术发生了日新月异的变化，特别是交流电机矢量控制和直接转矩控制理论 的产生及应用技术的推广，使得交流传动具备了宽调速范围、高稳态精度、快速 动态响应及四象限运行等良好技术性能，其动、静态特性完全可以和直流传动系 统相媲美，于是出现了交流传动取代直流传动的趋势。但是交流传动系统也尚有 一些未尽如人意之处，存在着系统复杂、价格昂贵、力矩指标有待进一步提高等 问题3 0 1 。正是在电气传动技术得到迅猛发展的时代背景下，国外于2 0 世纪8 0 年代推出了一种新型交流调速系统一一开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e d r e l u c t a n c ed r i v e ) 。开关磁阻电机调速系统作为磁阻电动机和电力电子开关电路 j 燮兰堡主堂篁堡苎 笺二童堕笙 相结合而产生的一种机电一体化无级交流调速电机，结构简单可靠，调速性能优 良，在宽广1 的调速范围内具有较高效率，可以在较小的电流下实现启动和频繁正 反转，可以实现高精度、快响应、高效率和高输出的性能指标。开关磁阻电机的 转矩电流明显高于大多数电机，它不需要永磁材料，优势非常明显。 至于开关磁阻电动机的前身磁阻式电动机，其基本机构和原理的提出可 追溯到1 6 0 年前。但在当时，它一直被认为是种性能( 包括效率，功率因数， 利用系数等) 不高的电动机，仅应用于少数小功率场合。在此后的漫长时间内， s r 电机都没有得到重视与发展。直到近年来，s r d 才在电气传动领域中异军突 起，发展颇为迅速，受到了各国电工界的重视，成为当代电气传动领域的热门课 题之一。目前，s r 电机已处于如何全面商品化的阶段。 1 2s i m 的国内外发展概况 现代s r 电机的发展始于2 0 世纪6 0 年代，电子工业的发展为电气传动领域 提供了强有力的功率电子器件和可靠、低廉、多功能的控制器件。6 0 年代术， j j a r r e t 提出了增加饱和度有利于提高磁阻电动机出力的观点 3 0 1 ，爿使得s r 电 机得到迅速的发展。但在相当长的一段时期内，对磁阻电机的研究基本处于对其 运行原理和性能特性的探索和论证。 国外，7 0 年代初，美国f o r dm o t o r 公司研制出了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 ) 。其机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，特别适合于作蓄电 池供电的电动车辆传动。1 9 7 5 年，英国l e e d s 大学和n o t t i n g h a m 大学联合研制 了目前广泛应用的径向磁路s r 电机，他们研制的样机容量从t 0 w 到5 0 k w ，转速 从7 5 0 r p m 到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甚至超过 了传统的传动系统。随后成立了开关磁阻电动机调速系统公司( s w i t c h e d r e l u c t a n c ed r i v e sl t d ) 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 iy e s l t d ) 获准制造该系统，于1 9 8 3 年推出开关磁阻电机驱动系统( s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o rd r i v es y s t e m ，简称s r d 系统) 的系列产品，取名为o u l t o n ， 调速范围为3 0 3 0 0 0 r m i n ，容量范围为4 2 2 k w 。该产品的出现在电气传动界 引起了不小的反响。因为它在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系 2 - 塑坚查堂堕主堂堡笙苎 笙二童堑堡 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。 1 9 8 5 年研制成2 0 0 k w 的样机，最大转速为1 0 0 0 0 r m i n ：美国丌发了用于航空航 天方面的s r d 系统，转速可达2 5 0 0 0 r m i n ；加拿大，意大利在s r 电机的运行原 理、电磁场的分析计算方面有较多的研究；埃及主要探讨了小功率的单相、两相 s r 电机的结构和起动性能。 国内，1 9 8 5 年华中理工大学研制以s c r 为功率开关器件的7 5 k w 的s r d 系统； 1 9 8 7 年，北京纺织机械研究所与南京调速电机厂合作开发了3 k w8 6 极、以b j t 为功率丌关器件和以单片机8 7 5 1 为核心芯片的控制器的s r d 系统产品；1 9 9 3 年， 3 0 k ws r 电机在山东淄博电机二厂通过鉴定；2 0 0 0 年，国内1 0 0 k w 以上的s r 电 机已应用于煤矿的采煤机，并开始进行1 8 0 k w 的s r 电机在地铁机车上的应用研 制。 由于s r 电机磁路高度饱和和双凸极的结构特点，使其性能分析与传统电机 的很不相同，直至9 0 年代初，大量的研究工作集中在s r d 系统电机设计理论、 控制器设计方法和控制策略上，取得了一些显著成果。然而，随着研究的深入， 尤其是工程应用的深入，s r 电机特有的噪声问题越来越引起人们的关注，较大 的噪声一定程度的掩盖了s r 电机优良的运行性能特性，甚至阻碍了s r 电机在一 些领域的推广与应用，给其应用前景产生了不利的影响，因此研制和抑制s r 电 机的噪声已成为当前这一研究领域的紧迫任务。 s r 电机尽管结构和性能都具有很强的竞争能力，但其潜力远未能充分发挥。 从s r 电机的运行原理看出：每相绕组允许励磁时间只有半个工作周期，并且关 断角必须提前在远离最大绕组电感的位置，以避免制动转矩的产生，形成s r 电 机特有的换流问题和相对材料利用率低的问题。一旦克服了这两方面的问题，那 么可以预料的是s r 电机的单位体积出力将大大提高，电机效率也会得到进一步 的提升。近期关于永磁式s r 电机的研究虽然损失了传统的s r 电机原有的变换器 不会出现直通故障的优点，但它能有效的解决换流慢以及相对材料利用率低的问 题。永磁式s r 电机研究和应用的成功将对s r 电机的发展产生很大的促进作用， 也是s r 电机发展的趋势。 1 3 s r 电机调速系统的组成与性能特点 塑! 三i 壁堡主堂焦鲨奎 茎二兰堕堡 1 3 1 s r 电机调速系统的组成 s r 电机调速系统从功能部件上分，主要由：s r 电机本体、功率变换器、控 制器和检测器四部分组成，如图1 1 所示。 从产品结构来看，系统通常由s r 电机和驱动器两部分组成，其电动机部分 包含位置传感器，驱动器部分包含功率变换器和控制电路等。 给 图1 一ls r 电机调速系统组成 1 3 2 系统的性能特点 理论研究和实践证明，s r d 系统具有十分突出的性能优点1 2 】i i l j t 2 硇1 3 。】： 1 结构简单固定、成本低、适用于高速场合 s r 电机的结构甚至比通常被认为是最简单的鼠笼式感应电机还要简单。其 显著的优点是转予上没有任何形式的绕组，只有定子边有集中绕组，因此制造简 单，维护起来方便，绝缘容易。同时其转子机械强度很高，可用于超高速运转 ( 1 0 0 0 0 r m i n ) 。一般来说，中小s r d ，其成本可以低于同功率和类似性能的其他 现代调速系统。 2 各相独立工作，有很高的运行可靠性 s r 电机的运转不同于传统的电机运转机理。从电磁结构上看，一般电机要 正常运转就必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆旋转磁场。而s r 电机 各相绕组和磁路相互独立，各自在一定转角范围内产生电磁转矩。从控制结构上 看，s r 电机各相电路各自给一相绕组供电，也是相互独立工作，由此可知，当 s r 电机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，在控制方 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 面并不需要对其他相做任何变动。因此本系统可以构成可靠性很高的系统。 3 转矩方向与相电流极性无关，只与通电顺序有关。从而可使每相绕组只 需一个主开关，降低成本。 4 变换器不会发生直通短路故障，可靠性高 传统的? 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， 容易发生直通短路烧毁功率元件。而s r 电机调速系统中每个功率开关元件均直 接与电机绕组相联，根本上避免了直通短路现象。 5 ，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s r d 的 一大特点。一般典型产品的数据是：起动电流为1 5 额定电流时，获得的起动 转矩为1 0 0 额定转矩；起动电流为额定值的3 0 时，起动转矩可达到其额定值 的1 5 0 。对比其它调速系统的起动特性，本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，如电动车辆等。 6 可控参数多，调速范围宽 由丁s r 电机控制参数多，所以控制器的控制方式电有多种，并不是仅仅依 靠控制开关管的开通，关断顺序来进行控制。目前，s r 电机转速的控制模式主 要有以下几种：( 1 ) 角度位置控制a p c 方式。电压保持不变，通过改变开通角 和关断角两个控制参数来调节电机转速。关键在于将角度量转化y , j 十h 应速度时的 时间可控量。适合于电机较高速运行区。( 2 ) 电流斩波控制。电压不变，电机低 速运行时，反电势较小，电流变化率大，为避免电流上升过快，超过允许的最大 电流，可采取斩波方式来限制电流。一般用于电机低速区。( 3 ) 电压斩波控制方 式。开关角固定不变，绕组不同的外施电压对应不同的转矩转速曲线，因此可以 通过调节加在绕组上的电压来控制电机转速。 7 效率高，损耗小 s r 电机的转子不存在励磁及转差损耗，功率变换器开关器件少，相应的损 耗也小。其次，可控参数多，控制灵活，易于在很宽的转速范围内实现高效优化 控制。 1 4 s r d 存在的问题与研究方向 塑些查堂堡主堂堡笙茎 箜二主堑堡 s r d 是典型的机电一体化系统，为使系统整体最优，s r 电动机、功率变换 器以及控制器三者之间必须协调设计，其研究涉及到电机学、微电子、电力电子、 控制理论、机械及工程应用等众多学科领域；加之s r 电机的磁路具有复杂的非 线性特性，导致了研究的困难，因此就国内外s r d 发展水平来看，无论在理论 上还是应用上都存在不少问题，有待进一步研究与完善。s r d 的不足主要表现 在： 1 位置传感器的引入使电机结构复杂，安装调试因难。电机和控制器之间 连线增加，且由于传感器分辨率的限制，使开关磁阻电机调速系统性能下降【2 9 】。 2 尽管电机输出功率密度大，但s r 电机通常运行于深度磁饱和状态，导致 s r 电机转矩是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，电机转矩有明显脉动，这在转轴惯量小、转速低时尤为严重【“i 。转矩 脉动及其引起的噪声是s r d 驱动系统一个颇为突出的缺点。 这些缺点限制了s r d 的进一步推广和应用，也促使国内外学者对它作进一 步的研究。目前s r 电机研究领域热门的研究方向主要利3 0 】【1 1 1 1 2 8 】： 1 ，s r 电机优化设计和c a d 进一步完善s r 电机的设讨理论，建立一套效率高、适用于工程设计要求的 优化设计法。电机的非线性使其性能和计算较为困难。目前，采用二维有限元方 法分析电机内的饱和磁场具有的局限性表现在两方面：一是对以路为基础的设计 方法研究不够；二是现有场的方法精度亦有待提高，应计及端部效应，开展s r 电机三维场的研究并进行计算机辅助设计，向智能化方向发展。 2 加强对铁心损耗理论的分析与研究 s r d 系统堪称是高效率调速系统，但s r 电机的铁心损耗计算是难度较大的 课题之一，这是由于s r 电机供电波形复杂( 一般为单向脉动的非正弦波) 、电 机局部磁路比较饱和以及电机的步进运动状态和双凸极结构造成的。这一部分的 研究课题主要是建立准确、实用的铁心损耗计算模型和分析、测试手段，以及从 电机、电路结构和控制方案着手，研究减少损耗、提高效率的措施。 3 加强对振动噪声的研究，提高电机的功率因数 由于s r d 系统是脉冲供电工作方式，瞬时转矩脉动大，低速时步进状态明 显、振动噪声大是普通s r d 系统的固有缺点。s r 电机产生噪声的主要原因是定 - 6 - 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 子径向振动，因此，减小电机振动和噪声的关键在于如何减小作用在定子，卜的径 向力大小。从电机奉体的结构设计上，主要是合理设计定子磁轭强度和电机刚度， 合理选择气隙、极弧参数及励磁方式，优化绕组的拓扑结构；从控制上，应优选 导通角和关断角及调节脉冲宽度，提高位置反馈及其调节精度，特别是尽可能调 好各相工作参数的对称性。 4 改善s r 电机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计，使整体性能 最优。目前的研究，尚停留在仅对特定类型的s r 电机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。 5 实用无位置传感器方案的研究 近年来，不少学者提出许多新颖的无位置传感器转子位置检测方案，例如， 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。这些方案虽然各有特点、但都还没有进入实用阶段。 6 开关磁阻电机转矩波动最小化技术( 即如何获取最佳的绕组电流波形以 使开关磁阻电机转短波动最小) 目前，主要的研究成果如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为s r m 的输入量，s r m 的转矩为输出量，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。这种方法宪全从控制工程的 角度，实现转矩的波动的最小化。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。 7改善电机静态及动态性能仿真模型。s r 电机的性能分析方法还处于探 讨阶段，有待进一步完善。 1 5 本文研究的主要内容 随着开关磁阻电机的应用领域不断扩大，对开关磁阻电机的研究也不断深 入。为了实现对开关磁阻电机调速系统在各种不同控制参数下的运行性能的比 较，开发高性能的开关磁阻电机调速系统就显得十分必要。本文研究了开关磁阻 电机的特有性能与运行机理，并在此基础上设计了一套基于i n t e l 公司生产的1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 芯片的开关磁阻电机调速系统。 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第二章介绍开关磁阻电机调速系统的组成，工作原理与运行特征；分析了开 关磁阻电机调速系统的结构和基本的控制策略。 第三章设计了一套了以i n t e l 公司的1 9 6 k c 单片机为核心控制器的s r 电机 直接数字控制系统的硬件系统，为了能够满足s r d 系统“电压p w m 斩波”控 制的条件，在功率变换器各器件的选择、驱动电路的实现以及单片机各端口的分 配等方矮进行了分析和设计。 第四章设计了s r d 系统的软件系统，对各功能模块进行了详细的设计与分 析，将“电压p w m 斩波”控制策略应用于系统当中，完成各个运行模块的设计。 并对前文所设计的实际系统进行了实验研究，提出了种利用计算开通、关断时 刻来确定非特殊转子位置角度的方法。给出了实验结果，并对照理论进行分析。 第五章对当前应用日益广泛的模糊控制策略在开关磁阻电机调速系统中的 应用做了阶段性的研究和分析。得出了在开关磁阻电机这种非线性系统中，应用 模糊控制算法有着比传统控制算法更具优越性的结论。 最后，总结全文所做的工作，并展望了后续研究方向。 浙江大学硕士学位论文 第二章s r 电机调速系统结构及运行机理 第二章s r 电机调速系统结构及运行机理 2 1 引言 s r 电机足上个世纪6 0 年代国外推出的一种交流调速电动机的新品种，大功率 晶闸管的投入使用，为开关磁阻电机的研究和发展奠定了重要的物质基础。从1 9 6 7 年开始，英国的l e e d s 大学和n o t t i n g h a m 大学相继对开关磁阻电机进行了深入的研 究，并合作研制了一些样机，其研究结果表明：电动机成本明显低于同容量的异步 电动机，而其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机。这一结果与传统观念 中的同步磁阻电机功率因数、效率低于异步电动机相驳，关键是现代功率电子技术、 微电子学科计算机的发展为开关磁阻电机的综合技术性能提供了有效的支持，同时 也保证了其经济性。1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授等人发表了著名论文变 速开关磁阻电机，标志着开关磁阻电机正式得到国际社会的承认。目前，开关磁阻 电机以其调速性能好，结构简单，效率高，成本低等特点，在迅猛发展的调速电机 领域争得一席之地，一扫长期以来双凸极磁阻电机效率低的传统观点，并在许多场 合得到应用。 与传统的交流电动机不同，s r 电机为双凸极结构，并且只在定子上安装有集中 励磁绕组，转子上既没有永久磁铁，也没有绕组。绕组电流的非正弦与铁心磁通密 度的高饱和是s r 电机运行的两个特点。此外，s r 电机控制参数多、控制方式灵活、 相电流波形随电机工作状态不同而变化。 本章将针对开关磁阻电机调速系统，对其结构及基本原理加以概述，并给出了 开关磁阻电机调速系统中与普通电机调速系统不同的特殊控制部分功率变换器 的拓扑结构，并分析了基于这个结构对开关磁阻电机实施的多种不同控制策略。 2 2 s r 电机调速系统基本原理 2 2 1 开关磁阻电机的结构与工作原理【肌1 1 j s r 电机在结构上与步进电机相似，运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总 是要沿着磁阻最小的路径闭合，当铁心与磁场的轴线不重合时，便会有作用力将铁 9 翌堡垒苎塑生生! 塑堡苎一 整三童! 垦皇塑塑婆墨篁生塑墨垩i i 塑堡 心拉到磁场的轴线上来。这个作用力就是磁阻电机运行的原动力切向磁拉力。 这是s r 电机与步进电机的相似之处，但是在以下两方面s r 电机不同于步迸电 j lr m ： 一，步进电机是一般位置开环控制，而s r 电机是位置闭环控制。有位置闭环控制 就不会失步；二，一般步进电机是作为信息传输从而实现角位移精密传动，而s r 电机是典型的功率型电气传动装置。因此，s r 电机要突出速度控制和实现系统高效 率，故其设计思路大不相同。 s r 电机可以设计成单相、两相、三相、四相以及多相等不同的相数结构，相数 越多，则步进角越小，这样有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多， 成本高。通常转予的极数比定子极数少2 个，少于三相的s r 电机没有自起动能力， 因此，对于要求白起动、四象限运行的驱动场合，应优选表2 一l 所示的结构类型。 目前应用较多的是四相结构( 8 6 ) 。( 步进角：每相通断电一次，转子对应的转角 op = 3 6 0 。n r n s 2 、 表2 1s r 电机的结构类型 相数 3456789 定子极数n s 681 01 21 4 1 61 8 转子极数n r 4681 01 21 41 6 步进角( 度) 3 01 5964 2 83 2 12 5 电机可以根据转矩的产生机理粗略的分为两大类：一类是由电磁作用原理产生 转矩；另一类则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。类似于两个磁铁的同极相斥、异极相吸的现象。 目前大部分电机都遵循这一原理，如一般的直流电机和交流电机( 包括永磁类电机) 。 而在第二类电机中，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 转予上并产生转距使其趋向于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置。类似于磁铁吸 引铁质物体的现象。开关磁阻电机就属于这一类型的电机。下面就阱常用的四相8 6 极开关磁阻电机为例进一步阐释其运行机理。具体工作过程如下： 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章s r 电机调速系统结构及运行机理 幽2 1 开关磁阻电机的典型结构原理图 上图仅画出a 相绕组及其供电电路，其余各相与此相相同。结构上与步进电动 机相似的s r 电动机的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”一一磁通总要沿着磁阻最 小的路径闭合，而具有定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必须使自己的主 轴线与磁场的轴线重合。在图示位置，当定子d d 极受到励磁时，电机内建立以 d d 为轴线的磁场，其磁通经过定予轭、定子极、气隙、转子极、转子轭闭合。 此时穿过气隙的磁力线是弯曲的，磁阻大于定、转子轴线重合时的磁阻，凶此转子 将受到弯曲磁力线切向分力所产生的转矩的作用，而沿逆时针方向转动。当转子极 轴线1 1 与定子极轴线d d 重台时，d 相励磁绕组的电感达到最大值，转予达 到稳定平衡位置，切向磁力消失，如果转子上无外部驱动转矩，则需要将a 相导通， 以维持转距，如此逐相导通，电机将连续转动作电动机运行。当开关s 1 、s 2 断开时， a a7 相电流通过二极管d 1 、d 2 续流，绕组内的电流方向不改变，电源u 极性与 原来相反，此时储存在磁场中的磁能将释放出来，并转化成电能，回馈至电源。因 此，连续不断地按照d a b c 的顺序给各相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序 以逆时针方向连续旋转：反之，若依次给b a d c 相通电，则电动机会沿着顺 时针方向旋转。 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。其电动运行原理图，见图2 2 。 为了更加清楚地理解开关磁阻电机的基本原理，本文将开关磁阻电机与其它几 种类似的电机作了比较，见表2 - - 2 。由此可见，开关磁阻电机是现代电力电子技术、 控制技术综合发展的产物。 堂塑堇兰型堕兰丝望堑鳖一 笙三兰! 墨皇垫塑鎏墨篓堕塑墨堡堑垫垄 ( a ) d 相通电呻( b ) 时b 通电呻( c ) b 相道电斗( d ) c 相通电 酗2 2 开关磁阻电动机各相顺序通电的磁场情况 表2 2 开关磁阻电机与三种类似电机的对比 ( b ) 类比相同点不同点 第 开关磁阻电机结构相近，均为双凸极结位置闭环控制，不会蛋步或失步， 构，转予无励磁。是典型的功率型电气装备。 组反应式步进电机原理相同，各项依次脉冲供 开环控制，会丢步或失步，用于信 电，转子实现步进运动。 息传输，实现角度精密传动。 开关磁阻电机定子为凸极式，绕有集中绕组，各 相绕组采用直流励磁，产生步进的 定转子均为双凸极或等效单相脉振磁场，依赖磁阻转矩旋转， 第双凸极结构，无励磁。位置闭环控制，不失步，可控性好。 一 反应式同步电机用于功率传输。定子与一般的交流电机相同，各相 组绕组采用正弦交流励磁，产生圆形 旋转磁场，依赖凸极效应传递功率， 控制困难。 第开关磁阻电机都采用转子位置闭环控制转子无需励磁，定子绕组采用寅流 =的白控变频器供电。脉冲供电。 组 自整步同步电机转子需要励磁定子绕组多组交流 电励磁。 1 2 固+ 浙江大学硕士学位论文 第二章s r 电机调速系统结构及运行机理 2 ，2 。2 开关磁阻电机调速系统的工作过程 开关磁阻电动机调速系统的整体工作过程如下：控制电路接收启动命令信号， 在检测系统状态一切正常的情况下，根据位置传感器提供的位置信号，判断电动机 转子的角度位置，并按照启动逻辑给出相应的输出信号。该信号控制功率电路向电 动机绕组供电，使电动机转子开始转动。当转子转过一定位置时，控制电路根据计 算得出的转子位置，经过逻辑判断，通过功率电路改变电动机通电相。当电动机转 速达到一定值时，控制电路根据从启动逻辑转换到低速运行逻辑，或再从低速运行 逻辑转换到高速运行逻辑。运行中，控制电路根据计算所得到的转速和给定转速的 差值，对其进行连续调节。当操作命令改变时，控制电路再次改变工作逻辑，通过 功率电路使电动机实现操作要求。若运行中出现故障情况时，如电动机堵转、过流 时，控制电路通过功率电路采用故障停车，并封锁单片机的输出信号等保护措施。 通过上述过程可知，开关磁阻电动机调速系统是由磁阻电动机、位置传感器、 功率电路和控制电路组成的机电统一体，各部分紧密结合，缺一不可。本节对磁阻 电动机本体已做了简要概述，下面将对调速系统的控制策略与系统的关键部件 功率变换器进行相关介绍。 2 3 开关磁阻电机调速系统的控制策略 开关磁阻电动机是一种典型的机电一体化装置。双凸极磁阻电动机的正常运行 离不开可控的开关电路控制器。而每个控制器功能的实现都离不开合理的控制策略， 本节着重研究开关磁阻电机的控制原理，介绍各种调速控制方案。该系统的控制具 有两个层面：一是，电机控制层面，即通过调节电机自身的参数改变电机的运行特 性，这一层关系是直接的；二是，系统控制层面，这个层面是将控制策略应用于开 关磁阻电机及其外围的设备( 控制器、信号检测装置等) ，并使之为达至某一控制目标 协同运作，这种控制是通过功率变换器间接作用在电机之上的。这个层面上的控制 是种通用技术，能够应用在其它电机上的控制理论基本上都可以应用在开关磁阻电 机上，比如最常见的p i 或p i d 调节、模糊控制等；而电机层面上的控制则是开关磁 阻电机所特有的，下文将对其具体控制策略加以总结和讨论。 2 3 1s r 电机调速系统基本控制策略分类 1 3 - 塑塑盔堂堡主堂! 燮 一 篁三童i 墨堕垫塑望墨竺笙塑墨垩堑垫堡 s r 电机的可控变量一般有施加于相绕组两端的电压u 、相电流i 、开通角口。 和口够等。开关磁阻电机的控制简单的说就是对上述参数进行调节，根据上述控制 参量的不同，主要可分为以下三种控制方式：角度位置控制( a p c ，又叫单脉冲控制) 、 电流斩波控制( c c c ，又叫电流p w m 控制) 、电压斩波控制( c v c ，又叫电压p w m 控制1 。 ( 一) 角度位置控制方式( a p c ) 相电流的波形与开通角目。和关断角9 有着密切的关系，因此可以通对这两个 角度的调节来实现对电流的控制。在假设转速、母线电压不变的情况下，固定目。 并调节目驴随着目酊的增加，开通电流时间增加；同理，当固定目卵调节目。 随着目。的减小，开通电流时间增加。并且调节8 驴相电流的改变更加显著，参见 图2 3 1 2 9 1 ! 蟾 删 ( a ) 调节开道角 c b ) 调耳关时角 图2 3a p c 控制时的相电流波形 实际采用的a p c 调节法，一般都先优化固定目驴然后通过闭环调节目。对 于调速范围较宽的，可以分段优化固定0 。舯然后再对其进行调节。角度控制也称 单脉冲控制，因为开通期间内开关元件始终导通。这种方式比较简便，但这种方式 中相电流是不可控，其变化率很大，对于开通角和关断角的微小变化都十分敏感， 在调节上也存在一定的困难。因此，这种方式比较适合在短时间里快速达到期望电 流的场合，如较高机械转速下的控制。 显然，某相的口。和口。值将决定该相电流在相临相的互感电动势大小，因此， - 1 4 塑坠堂堡主堂垡堡苎 塑三童坠皇塑塑望墨笙鱼盟墨堡堑垫翌 某一相的口。和口的调节不仅影响该相电流波形，而且也影响相邻两相的电流波 形。就、对特定的目。o o f f 组合，也许对某相电流而言较优，但对其他相电流并 非最佳。因此，要实现s r 电动机a p c 方式的真正最优运行，必须对每一相的护。 矽。矿分别进行调节。 ( 二) 电流斩波控制方式( c c c ) c c c 控制方式下的相电流波形见图2 4 f ，c c c 控制又叫电流p w m 控制。其控 制方法是让相电流i 与电流斩波限屯。进行比较，当转子位置角口处于电流导通区 间，即护。口臼够期间时，若i a h q p ，主开关开通，相电流上升并逐渐达到斩 波限；若j 如。，则主开关关断，电流下降；如此反复相电流将维持在斩波限附近， 并伴有较小的波动。显然，当固定开通、关断角时，调节斩波限就相当于调节关断 角，或者晚是电流开通区间的长度。但是它们之间也有不同之处，a p c 方式下电流 的不可控相比，c c c 方式是直接对电流实施控制，通过适当误差带的设置可以获得 较为精确的控制效果。因此，c c c 方式同样具有简单直接，可控性好的特点，也避 免了a p c 方式中的“敏感”问题，与后面的电压p w m 方式相比，也具有较小的开 关损耗，是比较常用的控制方式。只是这种控制下，电流的斩波频率不固定，它随 着电流误差变化而变化，不利于电磁噪声的消除。 图2 4c c c 控制方式下的相电流波形 ( 三) 电压斩波控制方式( c v c ) 该控制方式又叫电压p w m 控制方式，与前两种控制方式不同，它不是实时的 1 5 - 浙江大学硕士学位论文 第二章s r 电机调速系统结构及运行机理 调整开通角和关断角，而是在主开关的控制信号中加入p w m 信号，通过调节占空 比d 来调节加在主电路i 二电压的有效值的大小。占空比越大，电驻有效值越大，电 路导通时间越长。 以四相不对称半桥式电路为例，从该电路结构本身而言可采取斩单管和斩双管 两种不同的控制方式。所谓的斩双管即同时对每相上下开关管加p w m 调制信号， 以实现电路导通的控制。而斩单管则只对每相上的一个开关管施加p w m 控制信号， 另一个管予则始终导通。如图2 - - 5 所示，两种方式主要区别在于的续流回路不同， 斩双管时电机绕组经由回路1 续流，而斩单管时则经由回路2 续流。采用斩单管控 制时，对控制电流脉动大、噪声、损耗都相对较好【1 2 1 。 d r 图2 5 电压p w m 单相斩波不意图 电压p w m 控制一个突出的优点就是可控性能好。这种控制中有两个可控参数： 斩波频率和占空比。一般斩波频率是固定的，通过选择适当地频率可以控制相电流 的变化率；占空比与相电流最大值之间有较好的线性关系，调节占空比就可以控制 相电流的大小，因此在这种控制中相电流的变化率和大小都是可控的，并呈现较好 的线性关系，有利于采用p i 或p i d 调节构成闭环系统，获得较好的动态性。只是这种 控制方式下，由于开关的频繁通断而使得开关损耗有所上升。 2 3 2 主要参数检测 开关磁阻电机调速系统是较为复杂的机电一体化装置，其运行控制器实际上是 一个十分典型的实时测控系统。所以，该系统首先要正确检测主要参数，如实时的 转子位置、转速及电流、电压等，然后综合这些信息而给出控制量，实现运行控制 及保护等功能，本小节将对这些基本参数的测量及处理方法做简要介绍。后面的章 1 6 - 塑坚盔兰堡兰型塞 塑三童! 垦皇墼塑垄墨笙笙塑墨堡堑垫堡 节将详细讨论这些控制参数的检测方法和过程。 ( 一) 转子位置检测。位置传感器是开关磁阻电机调速系统的关键部件和特征部 件，因此，正确的位置检测是实现开关磁阻电机正常自同步运行的前提条件。开关 磁阻电机位置检测方式可分为两大类，即直接位置检测和间接位置检测。前者一般 指光电式、磁敏式及接近开关等含有机械结构的检测方案i 后者则是指无位罨传感 器的检测方法，如采用定子绕组瞬态电感信息的波形检测法、基于状态观测器的无 位置传感器以及反串线圈法检测技术等。目前国内广泛采用的是光电式位置检测器。 图2 6 给出了典型的四相8 6 极开关磁阻电机的光电式位置检测器。 7 5 图2 6 光电式位置传感器的安装 该传感器由两个光电脉冲发生器和遮光盘组成。遮光盘有与转子凸极、凹槽数 相等的齿、槽，且齿、槽均匀分布，此系统的遮光盘有6 个均匀分布的齿槽。转子 固定在转轴上，光电脉冲发生和接收部分固定在机壳上。相距7 5 。的两个光电元件 p 、s 分别固定在定子极中心线左右两侧7 5 。2 上。因此，当电机旋转时，两个光电 开关通过外围电路输出p 、q 两路相差1 5 。的基本信号，经整流、滤波便可获得较 好的方波信号。捕捉这两路信号的上下沿即可获得开关磁阻电机各相触发的基准点， 并可在此基础上实现位置和速度的检测，具体方案本文将在后续章节中详细讨论。 f 二) 转速检测。不难理解，转子位置检测信号的频率与电机的转速成正比，测 出转子位置检测信号的频率即可间接获得转速。由于开关磁阻电机调速系统位雹检 测输出信号为数字信号，故其转速检测不需要采用测速发电机或脉冲发生器等附加 器件，十分简单易行，且便于与计算机接1 3 。常用方法有模拟式和数字式：前者基 于频率电压转换原理，把转速数字信号转换为电压量来控制电机，主要应用于模拟 1 7 - 塑塑丛! 兰! 生兰堡笙塞 塑三童! 垦皇垫塑建墨丝笙塑丝墨堑垫望 控制的开关磁阻电机调速系统中；后者直接利用位置脉冲的周期和频率来反应转速 的大小t 常用的估算方法如测周法，一般应用于数字控制的开关磁阻电机调速系统 中，本课题设计的系统就是数字控制系统。 ( 三) 电流检测。开关磁阻电机调速系统中的电流检测指的是相绕组电流的检测， 电流检测器应该具有以下特点：快速性好，从电流检测到控制主开关管动作的延时 应尽量小；被检测主电路( 强电部分) 与控制电路( 弱电部分) 之间应有良好的隔离，且 具有一定的抗干扰能力；单向电流检测，在一定工作范围内具有良好的线性度；灵 敏度高，检测频带范围宽等。鉴于开关磁阻电机调速系统的功率变换器中，输出的 相电流是单向脉动的。常用的相电流检测方法有电阻采样、直流电流互感器、霍尔 元件采样和磁敏电阻采样法等【1 1 。本系统中采用的是霍尔元件采样检测相电流法。 2 4 开关磁阻电机的功率变换器 开关磁阻电机的各相电流要保持一定相序、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来实现。这个变换器由直流( 或交流整流) 电源供电，输 出周期性的脉冲电流，供给开关磁阻电机各相，以驱动电机运行并实现各种控制。 由于开关磁阻电机调速系统的特殊工作方式，变换器也颇有特殊性。因为电机转子 是反应式结构，故电机只需单极性供电，又因为系统采用了位置闭环控制，因此， 需要适时换相。单极性输出变换器与大多数