（电力电子与电力传动专业论文）小功率开关磁阻电机驱动控制系统的研究.pdf

北京交通大学硕七学位论文 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 gs t a t u so ft h es r d s y s t e mb o t h i 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 ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fs r ds y s t e m t h ee l e c t r o m a g n e t i s mp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i cm o d e lo f s r m ：e s t a b l i s h e st h es i m u l a t i o nm o d e lo fs r mc o n t r o l d r i v es y s t e mb a s e do nl i n e a g i n d u c t a n c em o d e l t h e nd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs r dj ss t u d i e di nm k r ia bs i m u l i n k m o d e l s e c o n d l y , t h 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 g eo ft h es r ds y s t e mb a s e d o n2 2 k w , 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 ea n d p 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 - - m o s f e t ；d r i v ec i r c u i t d e s i g nw i t hi r 2 1 1 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 yw h i c hp r o v i d e s t 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 5 1 & m o t o ri n t e l l i g e n tm o d u l ei sd e s i g n e d a i s ot h ep o s i t i o n s e n s o rt e s t i n gc i r c u i t ，v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i ta n dc u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i ta r e d e s i g n e d t h ef u n c t i o no fm o t o ri n t e l l i g e n tc i r c u i ti st or e a l i z ed u a lp ia d j u s t e ro fs p e e d a 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 ec o m p a r i s o n w h i l et h e f u n c t i o no fa r 8 9 c 5 1i st oi 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 s p r o t e c t i o ns i g n a la n dc 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 ，t h e n 百v et h ep h a g e o 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 ea tl o ws p e e d t l l l ep w m s i g n a l p h a g e o n - o f fs i g n a l ，t h e c h o p w a v es i g n a l a n dc u r r e n t p r o t e c t i o ns i g n a l a r el o g i c a l l y s y n t h e s i z e dt 0p r o d u c es w i t c hs i g n a lt oc e n t r e it h ep o w e rc o m p o n e n t 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 1 飞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 st 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 to 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 , t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t ea n dd e e p e nt h ec o n c l u s i o n sd r a w nf r o mr e s e a r c ha n d a p p r o v et h eu s a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yf o rt h es y s t e m k e y w o r d s ：s r m ；i r 2 1 1 0 ；s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；a t 8 9 c 5 1 c l a s s n o ： 致谢 在此论文即将完成之际，我谨向所有关心过我和帮助过我的老师和同学们表 示最诚挚的谢意! 本论文的工作是在我的导师王艳副教授的悉心指导下完成的。王老师严谨的 治学态度和严肃认真的工作作风给了我极大的帮助和影响。两年半来，王老师在 繁忙的生活和工作中给予本论文工作全面耐心指导，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此衷心感谢对我的关怀和谆谆教诲。 殷天明老师对于我的科研工作和论文撰写等方面都提出了许多的宝贵意见， 殷老师丰富的实践经验，一语中的的细致指导使我受益匪浅，在此同样表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，吕海臣、焦洋同学对我论文中的硬件实验部 分给与热心帮助；冯华、梁洁等同学在课题组的整个研究工作中给予了热情帮助 和合理建议，在此向他们表达我的感激之情。已毕业师兄褚军舰、郭传伟、师姐 贺颖丽、张申君在整个研究生生活中给于帮助、给与鼓励，在此一并表示感谢! 读研期间，认识你们，并一道风雨兼程，是我人生的一笔宝贵财富，我将永远珍 惜。 另外也感谢我的父母，感谢他们二十多年来的辛苦养育，感谢他们给与的物 质生活的无私帮助和精神生活的鼓励支持，他们的理解和强有力的后盾力量使我 能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 开关磁阻电机调速系统( s r d ) 是8 0 年代初随着电力电子、微电脑和控制技 术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，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( s r m ) 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，成为交流 电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者， 引起各国学者和企业界的广泛关注。近年来，s r d 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，是当代电气传动领域的热门课题之一。 跨国电机公司e m e r s o n 电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新 的技术、经济增长点。目前开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和家 用电器等各个领域，s r d 已处于全面商品化的阶段。在小功率应用中由于丌关磁 阻电机自身结构的优点开关磁阻电机在效率上的优势不管与比前广泛应用的变频 调速感应电动机还是和变频调速的另一类电机永磁无刷直流电动机相比优势都更 加明显。 1 1 小功率s r d 的发展概况与应用 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 发展又取得了明显的进步，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 。 1 电动车应用 开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动摩托车和电动自行车的 驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种。 开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适于高速运行，并且驱动电路简 单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现 四象限控制。这些特点使s r d 开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况 下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。其优点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 开关磁阻电机不仅效率高，而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效 率，这是其它类型驱动系统难以达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合， 有利于提高电动车的续驶里程。 ( 2 ) 开关磁阻电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象 1 北京交通丈学硕士学位论文 限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。 ( 3 ) 开关磁阻电机有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率， 减小电机体积和重量。 ( 4 ) 通过调整开通角和关断角，开关磁阻电机完全可以达到它激直流电机驱动 系统良好的控制特性，而且这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，从而能 通过重新编程或替换电路元件，方便地满足不同运行特性的要求。 ( 5 ) 丌关磁阻电机无论电机还是功率变换器都十分峰固可靠，无需或很少需要 维护，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。 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s r d 的纯电 动轿车，在“十五”项目中将s r d 应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的 运行效果。 目前中纺锐力已经开发了1 0 0 w s r d 系统用于电动自行车、2 2 k w s r d 系统用 于电动微型三轮车。广卅l 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s r d 系统得应用要求。 2 纺织工业应用 近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高，在新型 纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理 和控制技术，即以计算机为核心，有p l c 、工控机、单片机、现场总线等组成的 控制系统；先进的驱动技术，有变频调速，交流伺服。步进电机等；检测传感技 术和执行机构：精密机械技术等。棉纺织设备是较有代表性的机电一体化产品， 其中，无梭织机的主传动技术也有了新的突破：采用开关磁阻电机作为无梭织机 的主传动带来许多好处，减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘，不用电磁离合器和 刹车盘，不用寻纬电机，节能1 0 等优点。中纺织机械研究所将s r d 应用于毛巾 印花机、卷布机等，取得了显著的经济效益。 3 家电行业应用 随着人们生活水平的提高，洗衣机已逐渐深入于家力j 户，洗衣机也经历了手 动机械洗衣机、半自动洗衣机、全自动洗衣机的发展过程，并不断智能化。洗衣 机电机也由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。开关磁阻电机由于低成本、 高性能、智能化己开始应用干洗衣机，在美国高档洗衣机中己小批量采用，并取 得明显的优点： ( 1 ) 很低的洗涤速度。 ( 2 ) 滚筒平衡性好。 ( 3 ) 快速安全停机。 ( 4 ) 软起动。 2 绪论 ( 5 ) 电流限幅。 ( 6 ) 最大速度高，低速转矩大。 ( 7 ) 机械特性易调整。 ( 8 ) 对水温、水流等易于智能控制。 近2 0 年来，s r m 的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型调速 驱动系统，研究的历史还比较短，其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控 制理论等众多学科领域，加之其复杂的非线性特性，导致研究的困难性，在电机 理论、性能分析和设计等方面都还不够成熟、完善，如铁心损耗、转矩波动和噪 声的理论研究，s r m 磁场的有限元分析，电机优化设计及控制参数的优化，s r m 的测试，无位置传感器s r m ，新结构s r m 的开发等”1 。 1 2 小功率s r d 的研究开发热点 小功率丌关磁阻电机的研究方向除了在功率变换器拓扑设计，高性能控制规 则研究，转矩脉动控制及低噪声研究，无位置传感器技术等传统方向继续发展之 外，随着功率电子和电子技术的发展，小功率开关磁阻电机开始在主电路中使用 i p m ，m o s f e t 等新型功率器件，在低电压小功率开关磁阻电机中开始使用i r 2 1 1 0 等更加方便可靠的驱动元件，在控制系统中丌始从模拟或模数混合控制系统向全 数字控制系统方向发展，全数字控制系统使s r d 的控制方式变得更加灵活，控制 性能的提高空自j 更大。 1 2 1 传统研究热点啪 l 功率变换器拓扑设计 由于s r d 系统的性能和成本很大程度上取决于功率变换器的性能和成本，因 此功率变换器的研究意义重大，目前研究主要集中在功率变换器拓扑结构设计、 主开关器件的选择和使用等方面。理想的功率变换器拓扑结构应该使磁场储能尽 可能地转换为机械能输出，当向电源回馈时应高效、快速。驱动同等功率等级的 s r d ，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量可以驱动更高功率等级的s r d 。每 相主开关器件数目最少。 2 消除转矩脉动控制及低噪声控制 s r d 转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因素的影响，如电机结构、几何 尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等。由于s r m 的双凸极结构，电磁特性以及开 关的非线性影响，采用传统控制策略得到的合成转矩不是一恒定转矩，因而导致 3 北京交通大学硕士学位论文 了相当大的转矩脉动。这点限制了s r d 在很多直接驱动领域的应用。针对s r d 本体， 噪声是一个非常突出和有待解决的问题。早期的s r d 由于很少考虑电机的噪声， 所有的样机或产品都具有相对较大的噪声，随着研究的深入和s r d 应用的日益广 泛，降低s r d 的噪声提出有效减小转矩脉动的方法具有十分重要的意义。 3 无转子位置检测 位置检测是s r d 同步运行的基础，也是s r d 区别于步进电机的主要方面之一， s r d 的各种高级控制技术都是以高精度的位置检测为首要条件，为了得到良好的 性能，s r d 的控制器需要知道转子的位置信息。目自 普遍采用外装光电式或磁敏 式等位置检测器，这不仅增加了系统的体积和成本，而且降低了系统的可靠性。 为消除轴位置检测器这一不利因素，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，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：在定子两个凸极之间安装金属平板， 通过电容的变化束估算转子位置等“”。这些方案虽各有特点、但还没有进入实用 阶段。 1 。2 2 开发研究热点 2 0 0 6 年2 月至6 月，导师在英国曼彻斯特大学出国访问期间，和学校刀= 关磁 阻电机课题小组的研究人员一起成功开发研制了基于3 0 0 w 小功率歼关磁阻电机的 电动卡丁车驱动控制系统，使用m o s f e t 作为功率器件，并使用i r 2 1 1 0 作为驱动 电路，取得了良好的运行效果。 浙江大学的王宏华教授是国内开关磁阻电机方面的专家，在他的指导下浙江 大学的研究生们开发了以8 0 1 9 6 单片机为控制核心，i r 2 1 1 0 为驱动电路的小功率 s r i ) 驱动系统，使用的也是m o s f e t 功率开关器件。 在数字控制方面，国内外不少科研人员如北京交通大学和南京航空航天大学 将d s p ，a r m 等高速数字控制电路应用于中小功率s r d ，实现了全数字化s r d 驱动 系统和小功率s r d 启动发电系统等。 为了进一步发挥开关磁阻电机在性能和效率方面的优势，开关磁阻电机四象 限运行能量可回馈系统也是目前研究的方向之一，另外为减小转矩波动和提高开 关磁阻电机调速系统的控制性能，一些先进的控制策略如滑模变结构控制方式近 年来也得到了广泛的研究。 4 绪论 1 3 开关磁阻电机 s r m 是在磁阻电动机的基础上发展起 来的一种高性能机电一体化产品。s r m 可 以设计成多种不同相数结构，定转子极数有 多种不同的搭配。本文中的1 2 8 极s r m ， 结构图如图卜l 所示。在定子上有1 2 个极、 转子上有8 个极；绕在定子凸极上的集中线 圈组成三相绕组。其定、转子磁极通常由普 通硅钢片叠压而成，转予上装有位置传感 器，既没有绕组，也没有永久磁铁，更没有 换向器和滑环。 图卜11 2 8 极s r m 定转子剖面图 f i g 1 11 2 8p o l es r ms t a t o r r o t o rc u t a w a yv i e w 1 3 1 开关磁阻电机的基本工作原理“1 开关磁阻电机运行原理遵循“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 和磁场的轴线重合。如图卜2 所示为四相( 1 2 8 ) s r 电动机结构原理图。 s 1 f 图1 2 开关磁阻电动机的工作原理 f i g 1 - 2s i n g l ep h a s ec i r c u i to fs r m 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，定予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 5 北京交通大学硕士学位论文 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。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用，使转予逆 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 f f ，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 - b c 三相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距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。 1 3 2s r m 的基本方程式 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，考虑三相1 2 8 极开关磁阻电机各相结 构和参数对称设p = 口、b 、c 、三相的电压、磁链、电阻和电流及转矩分别为。、 妒，、r ，、耳，转子位置角为口，转速为。 1 广 一 j ，“。a 妒。d t 妒。纯，口) 矿h 毫 山奄妒。d t 妒。纯，一) 里 妒。( t ，p ) 、l “。一d l f ，。d t 图卜3 三相s r m 系统示意图 f i g 1 3t h l r c ep h a s es r m s k e t c hm a p ，开关磁阻电机是一个电磁式机电系统，假设各相结构和参数相同或对称，且 6 绪论 忽略铁心损耗，一台m 相s r m 可将其视为有m 个电端对和一对机械端口的机电装 置如图卜3 所示。 为s r m 转子和负载的转动惯量，d 为电机轴上的粘性摩擦系数，死为负载 转矩。图卜3 所示s r d 系统可以用电路、运动和机电联系三个方程式描述。 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： u。o华pr(1-i) 。f ，+ 音 各楣绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转予位置角的函 数： 妒。= 妒( i o ，i b 。i c ，口) ( 卜2 ) 由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来晚甚小，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、转予轭部饱 和在各相之间产生的相互影响，这时磁链方程近似成： 妒p l ( i ，o ) i ， ( 卜3 ) 结合( 卜1 ) 式和0 - 3 ) 式得： 一即+ 等等+ 等警- r i + 如+ 鲁) 鲁+ 石o l p 石d o ( t 埘 f l t 式( 1 4 ) 可见电源电压与电路中三部分压降相平衡。式中尺，为p 相回路电 阻压降，仁，+ 考，鲁为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。0 石l 矿p 警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电流大小有关。 2 、运动方程 s r m 机械运动方程为： t 。- ，粤+ d 华+ k o + t l 。，掣+ d + t l ( 1 - 5 ) m z d ld l 3 、机电联系方程 7 北京交通大学硕+ 学位论文 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0 表示为磁共能对转子位置的偏导： a 吮( f p ，日) 。上砌 ( 1 6 ) 昂t 鼍竽一拖 ( 1 _ 7 ) t p ：，旦丝旦如。10 l ( i , o ) i 2( 1 8 ) j o 0 020 0 忽略磁饱和得： t p 。三丝盟f z ( i - 9 ) 2d f 由式( 卜9 ) 知： 1 、s r m 设计时旦生取值越大，电机输出转矩越大。 d f 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： l 一r ( 厶，口) ( 1 一l o ) s r m 电机的平均转矩可由对式( 1 - 8 ) 在一个转子极距角周期内积分求得： l 一上2 。i n 广似骗州口= 警广蚱r 警艄(1_11),jo 在本电机中转子极数一8 ，定子相数m ；3 。 1 3 3s r m 的调速特性嘲 s r 电机作为电动机运行时，机械特性分为3 部分：低于额定速吐，。恒转矩调 速区、高于额定速。且小于m 。恒功率调速区和高于。自然串励特性，如图1 - 4 所示，其中转速甜。和珊。分别称为第一和第二临界转速。 因为低于额定速。电源电压高于反电势，绕组电流会很快增长，固定位置角 的磁链与电流成比例增加，但磁链不允许超过最大值，通常以最大允许恒电流控 制。在控制过程中一个转子位置周期内磁化曲线包围的磁场能量变化恒定，因此 平均电磁转矩恒定最大，即恒转矩调速区。 8 绪论 r o 恒转矩区恒功率区串励特性区 c c c 方式、 p c 方式 驴专t 7 - - c o n s 吣砌一c o d 盯 埘= e o n s t 弋 缸哆 图1 - 4s r m 典型机械特性 f i g 1 - 4t y p i c a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fs r m 当转速高于额定速。且小于。时，电源电压不变，如果绕组电流仍然要达 到最大允许值，那么绕组反电势升高到接近甚至超过电源电压，因此转速超过额 定转速以后，最大磁链比恒转矩调速区要小，丌通角也会减小，实际绕组电流将 随转速升高反而下降，一个转子位置周期内磁化曲线包围的磁场能量变化也 随之下降，s r 电机最大磁链随转速上升而下降，电磁转矩相应减小，但电磁功率 可以保持恒定，也就是恒功率调速区。 当开通角和关断角控制达到极限位置不能再改变时，s r 电机不能保持和恒功 率调速。如果转速继续升高，绕组电流将达不到最大允许电流，而且一个转子位 置周期内磁化曲线包围的磁场能量变化也迅速下降，因此电磁转矩下降的更快。 分析表明，这时的机械特性电磁转矩按照转速平方成反比快速下降，或者电磁功 率随转速成反比下降，类似串励直流电机的机械特性”1 。 运行时存在着第一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点， 采用不同的可控条件匹配可以得到两个临界点的不同配置，从而得到各种各样所 需的机械特性，这就是开关磁阻电机具有优良调速性能的原因之一。如图卜4 所 示的s r m 机械特性是最大包络线，特性盐线下面的任何点都能实现，因此，这类 电机驱动系统调速灵活，调速范围相当宽。 1 3 4 开关磁阻电机的控制方式。1 ( 一) 、角度控制 角度控制就是对决定s r 电机性能的两个主要控制参数开通角屯和关断角 进行最优控制。通过改变开通角和关断角只啊，可实现电磁转矩性质、大小和 相电流波形的最优控制，从而最佳地调节s r m 的效率、转子转速以及转向。在假 9 托京交通大学硕十学位论文 设转速、母线电压不变的情况下，固定9 。并调节日硝随着9 啊的增加，开通电流时 间增加；同理，当固定秽。，调节钆，随着的减小，开通电流时间增加。并且调 节p 。，相电流的改变更加显著。 ( 二) 、电流斩波控制 电流斩波控制就是保持开通角屯和关断角p 。不变，通过给定的允许电流上 限幅值f 一和下限幅值f 。来控制有效电压的导通时问。开通角位置功率电路开 关器件导通，绕组电流从o 开始上升，当电流超过指令值达到电流上限值时，开 关器件关断切断绕组电流，绕组承受反压，电流快速下降。经一段时间后，电流 低于指令值达到电流下限值时，重新使开关器件导通，绕组在正向电压作用下电 流又开始回升，不断重复这一过程，则形成斩波电流波形，直至关断角只。位置功 率开关器件关断，电流衰减至0 ，s r m 进行换向，对换向后的绕组仍然采用电流 斩波控制。 ( 三) 、电压斩波控制 电压斩波控制是s r m 在低速运行时，利用电压p w m 控制器对绕组采样电流 与指令电流进行跟踪控制。开通角屯位置功率电路开关器件按最大占空比导通， 绕组电流从0 开始上升，当电流超过指令值时，通过p i d 调解器或其他控制算法 减小开关器件导通的占空比，使绕组电流减小并接近指令电流；当绕组电流小于 指令电流时，再增大开关器件导通的占空比，使绕组电流又丌始增长并接近指令 电流，以后不断重复这一过程，形成电压斩波控制，直至关断角。位置功率丌关 器件完全关断，电流衰减至0 ，s r m 换向，对换向后的绕组仍采用电压斩波控制。 1 3 5 小功率开关磁阻电机的优点 如图卜5 是不同功率等级开关磁阻电机和变频调速感应电机的效率比较( 功率 均折算到1 5 0 0 r m i n ) ，如果说第一代开关磁阻电机( 1 9 8 3 年研制) 在小功率范围 的效率比高效变频调速感应电动机低，第二代开关磁阻电机( 1 9 8 8 年研制) 的效 率已全面超过了高效变频调速感应电动机。更难得的是，开关磁阻电机在宽广的 速度和功率范围内都能保持较高的效率，这是变频调速感应电动机难以比拟的。 感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开 关磁阻电机通过调整丌通角、关断角、电压和电流，可以得到不同负载要求的机 械特性，控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运行，而且由于这是一 种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，通过修改软件调整电机工作特性满足不同 应用要求。由于开关磁阻电机固有的转矩波动，可能导致较大的噪声和振动，事 实上这种情况的发生往往与电机设计和控制的不合理相关，通过优化电机设计和 l o 绪论 控制策略，转矩波动和噪声完全可以得到有效的抑制，正确认识到这一点对开关 磁阻电机的开发和应用是很重要的。s r dl t d 公司开发的伺服应用开关磁阻电机， 转矩波动仅为0 0 5 。 幂 爝 裂 幽1 - 5 不同功率等级开关磁阻电机和变频调速感应电机的效率比较 f i g 1 5c o m p a r i s i o no fd i f f e r e n tp o w e rd e g r e eo fs r m i n d u c t i nm o t o r 1 4 开关磁阻电机调速系统的组成 开关磁阻电动机调速系统是8 0 年代中期发展起来的新型交流调速系统，它融 新的电动机结构一开关磁阻电动机控制技术为一体，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，已成为当代电气传动的热门课题之一“。开关 磁阻电机调速系统作为一种新型的调速驱动系统，它综合了交流变频调速系统坚 固耐用、适用于恶劣环境和直流调速系统可控性好等优点，被专家视为电气传动 系统发展过程中的一个里程碑，具有广阔的市场应用前景。本文小功率开关磁阻 电机驱动系统将用于小型电动摩托车或者小功率电动车上。 s r d 系统从功能上主要有四个部分组成：开关磁阻电机、功率变换器、控制 器及传感器。它们之自j 的关系如图卜6 所示。从产品结构来看，系统通常由s r d 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。 功率变换器是s r 电机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的 开关部件。其作用在于将电能经适当转换后转给开关磁阻电机。它处于直流电源 与电机的接口位冕，s r 电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相 数及主开关器件的种类有关。在整个s r m 控制系统成本中，功率变换器占有很大 北京交通大学硕士学位论文 的比重，合理选择和设计功率变换器是提高s r m 控制系统的性能价格比的关键之 一，功率变换器主电路形式的选取对s r m 的设计也直接产生影响。 图1 6s r m 驱动控制系统的基本组成 f i g 1 - 6c o n s t i t u t eo fs r dd r i v e a n dc o n t r o ls y s t e m 控制器是s r d 系统的大脑，起决策和指挥作用。综合处理速度指令、速度反 馈信号极电流传感器、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。此外控制器还兼有过压、欠压、过载、 堵装等保护功能和系统状态显示功能。 位置检测是一个很重要的环节，它及时向控制器提供定、转子极间实时相对 位置，以便控制器在指定位置开通或关断相应的相绕组，使各相的电流脉冲与相 应的转子位置同步，从而获得优良的运行性能。通过位置检测提供的转速信息， 使控制器能根据测到的速度实现控制方式的转换和速度调节，实现速度闭环控制。 开关磁阻电机调速系统相电流检测是控制开关磁阻电机运行的需要，同时起 到电流保护的作用。 1 5 课题研究的意义及论文的主要内容 开关磁阻电动机调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调 速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统。s r d 开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且 驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以 方便地实现四象限控制。这些特点使s l i d 开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆 的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。就s r d 系统理论来讲，通 过查阅分析国内外大量文献专利资料，认为在改进整体结构设计，优化控制方式， 绪论 提高系统性能方面，特别是对于小功率s r m ，仍有许多可探讨的地方“”。本论 文就是在这样的背景下，对小功率开关磁阻电机驱动控制系统进行进一步探索性 研究。所设计的小功率开关磁阻电机驱动控制系统，由于s r 电机结构简单，坚固 耐用，适用于恶劣环境，其转动惯量小，而输出转矩大，可以应用到电瓶车、电 动运砖车等设备，具有一定的实用价值和现实意义。 本课题，在消化吸收实验室研究大功率开关磁阻电机的已成熟技术的基础上， 建立了小功率开关磁阻电机仿真模型，并对其控制特性进行了仿真。设计了以 m o s f e t 为功率器件，a t 8 9 c 5 1 为主控制芯片的s r d 驱动控制系统，还设计了与 开关磁阻电机的接口相应的电路。功率变换器、驱动电路和控制电路p c b 均尽量 采用贴片形式完成设计，这样可以降低成本，减小体积，提高系统集成度，方便 使用，具有较大的经济价值。目i j 硬件电路的设计和相应软件调试成功。 本论文主要论述以下几方面： 1 论述了s r 电机运行原理、结构特点、控制方式和存在问题。 2 建立了小功率开关磁阻电机仿真模型，经过验证该动态模型能够较精确地反 映实际电机的特性，为控制策略的研究奠定基础。 3 详细论述了s r d 驱动控制系统的硬件设计，为控制软件的实现搭建了一个 较好的平台。 4 论述了s r 电机控制软件的编写过程，给出了控制流程图。 5 给出了实验波形，并且进行了分析，提出了系统存在的不足之处和将来继续 努力的方向。 1 3 开关磁阻电机动态建模与仿真研究 2 开关磁阻电机驱动系统动态建模与仿真研究 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司于1 9 8 4 年推出的一套高性能的数值计算和可视化 软件，可方便地应用于数学计算、系统建模和仿真、科学和工程绘图等方面。 s i m u l i n k 是m a t l a b 提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它是 m a t l a b 的一个重要组成部分，而且具有相对独立的功能和使用方法1 。s i m u l i n k 通过自带的模块库为用户提供多种多样的基本功能模块，用户可以直接选择合适 的模块并把他们按照自己的模型结构连接起来进行调试和仿真。但是，在目前最 新的m a t l a b 版本( v 7 o ) 的s i m u l i n k 模块库中，尚无开关磁阻电机的模型。开关磁 阻电动机与传统的交流电动机不同，s r m 采用双凸极铁心结构，绕组电流的非l 下弦 与铁心磁通密度的高饱和是s r m 运行的二个特点。因而，s r m 是一个时变、非线性 系统用简单的线性模型去描述其动静态特性时会带来较大的误差。但是，线性 模型对于分析电机内部的基本电磁关系和基本特性很有帮助。 本文在分析s r m 方程基础上，在利用s i m u l i n k 的仿真环境，基于s r d 线性电感 模型，对1 2 8 极结构的s r d 建立了单相动态模型和整体动态模型，并对电流斩波 方式( c c c ) 和角度位置控制( a p c ) 方式采用p i 控制策略进行系统仿真，得到了相 电流、相电感、一相转矩、合成转矩及角速度等波形，以进一步了解开关磁阻电 机控制特性，分析控制方法，调节控制参数。 2 1 开关磁阻电机线性化模型 求解s r m 数学模型的主要困难在于电机磁路高度饱和、涡流和磁滞效应等产 生的非线性因素。因此，在忽略涡流和磁滞效应，以及不计任意两相绕组问互感 的条件下，用线性化的电感位置准线性模型来分析s r 电机的电磁关系和运行方式 具有一定的意义。 2 1 1 线。陛化模型的电感特性 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，相绕组电感随转子位置角口周期性交化的曲线如图2 - 1 所示。 我们定义转子磁极轴线与定子一相磁极轴线重合时的位置称为该相绕组的对 齐位置，而转子磁极轴线超前或滞后定子一相磁极轴线半个转子极距( 1 8 0 。电角 度) 时的位置，即定子一相磁极轴线于转子槽中心线对齐的位置称为该相绕组的 北京交通大学硕士学位论文 不对齐位置。 k 三( 回 一 三m 。 l 匹磐_ 7 - - - - - - 一 - - - - - 幽2 - 1 相绕组电感与转于位置角的位置天系幽 f i 9 2 1p 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 令成为定予磁极弧度，屏为转子磁极弧度，f ，为转子极距。图中横坐标为转 子位置角( 机械角) ，坐标原点口一0 为基准点，对应于不对齐位置，此时相电感为 最小值l m ； p ：2 必 ( 2 - 1 ) 为转予磁极的i j i 沿与定子磁极的后沿相遇的位置。在只一以区域内电感保持 最小值l m ； 生必 ( 2 哪 在对齐位置，此时定、转子全部重叠，相电感变为最大值l ； 掣 浯。， 为转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置，在以以区域内是最大电 感l 一；岛、吼均为转子磁极后沿与定予磁极前沿重合处。 由此得到线性s r 电机绕组电感与转子位置角之间关系的函数形式： 陆岛 0 ：二、二、-一。 _ _ 00 。0 晤 2 0 甫一9 。0 图2 2 相绕组磁链与转子位置角关系图 f i g 2 - 2r e l a t i o nb e t w e e np h a s ew i n g d i n gf l u xa n dr o t o rp o s i t i o na n g l e 2 1 3 线性化模型电流特性 通过相绕组的电流司由式( 2 6 ) 得到： u s 一警- l p ) 掣+ r ( f ) 掣a 三p ) 掣m ( 2 - 1 1 ) 整理后得： 坐。三p ) 盟+ f 蔓幽( 2 - 1 2 ) n ， 以出 绕组通电期间，u 。前取“+ ”，断电期间取“一”。 由于绕组电感工( 的表达式( 2 4 ) 是分段线性解析式，因此需分段给初始条 件求解绕组电流。设定开通角在b 一0 2 内，关断角0 2 一以内。通过求解 式( 2 1 1 ) ，代入相应的电感值与电流初值可以得到相电流解析表达式： 1 8 开关磁阻电机动态建模与仿真研究 f ( 口) u ，归一j 正h u ，妒一屯j 砸= 忑i 而功 u s m 一8 。1 碓j 司翻 u ，1 2 吃f p 。一日j 也m u s ( 2 p 叮一一口) 砸= 夏瓦硼 bs 口s 0 2 如s 疗s 8 呵8 8 1 岛王疗s 吼 吼口主2 见一一p 哪s 以 ( 2 - 1 3 ) 分析以上公式可知，在电源电压u ，和转子角速度为常数的情况下，电流波 形与开通角、关断角、最大电感工一、最小电感三。、定子极弧以等有关。 2 1 4 线性化模型转矩特性 s r 电机的转矩公式如式( 2 1 4 ) 所示，在理想线性条件下，电感l 仅是转子 位置角口的函数，由此得到瞬时转矩的表达式为： r - 土2i2 箸0 ( 2 1 4 ) 。 a ( 一) 将电感表达式( 2 4 ) 代入上式得： t- 式中k 的含义同式( 2 4 ) 2 2s l m u l i 帐下的s r d 线性仿真模型 在分段线性模型中不考虑涡流和磁滞损耗；不考虑各相互感；不考虑电机磁 路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的无关孥；0 ；且不考虑磁场边缘扩散 班 效应，可采用开关磁阻电机的准线性模型将磁链妒，近似为电流f ，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间的相互关系汹1 。 s