（电机与电器专业论文）基于支持向量机的开关磁阻电机无位置传感器控制.pdf

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 ) h a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l ec o n s t r u c t i o n ， h i g hr e l i a b i l i t y , h i g he f f i c i e n c ya n dl o w c o s t s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v es y s t e m ( s r d ) w h i c hi san e w s o r to fa cd r i v es y s t e m sp o s s e s s e se x c e l l e n ts p e e dr e g u l a t i o n p e r f o r m a n c ea n dh a sa r o u s e daw i d e s p r e a da t t e n t i o ni nt h ew o r l d s r di sap o s i t i o n c l o s e dl o o ps y s t e m t h er o t o rp o s i t i o ni n f o r m a t i o ni sn e e d e db yt h ec o n t r o l l e rt o e n s u r et h ec o r r e s p o n d i n gw i n d i n gi ss w i t c h e d o no ro f fa ta p p r o p r i a t et i m e c o n v e n t i o n a lw a yo fo b t a i n i n gr o t o rp o s i t i o ns i g n a li st od e t e c td i r e c t l yb yp o s i t i o n s e n s o r t h ee x i s t e n c eo fp o s i t i o ns e n s o rn o to n l yb r i n g so ns t r u c t u r ec o m p l i c a t i o n ，b u t a l s ow e a k e n st h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma th i g hs p e e d t h e n ，s e a r c h i n g f o rn e w m e t h o d sw i t h o u tp o s i t i o ns e n s o r st od e t e c t s r dr e s e a r c ha l lo v e rt h ew o r l d r o t o rp o s i t i o nh a sb e c o m et h ef o c u so f b a s e do nt h ea n a l y s i so fn o n l i n e a rm o d e lo fs r m ，ad y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l o ft h es r di se s t a b l i s h e di nm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t t h i sp a p e rp r e s e n t sa n o v e la p p r o a c ho fr o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o nf o rs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rb a s e do n s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) f o rt h en o n l i n e a rp r o p e r t yo fs r m ，t h i sa p p r o a c h t a k e sa d v a n t a g eo fs v mw i t hb e t t e rs o l u t i o nf o rs m a l l s a m p l el e a r n i n gp r o b l e ma n d w e l lg e n e r a l i z a t i o np r o p e r t y t h r o u g ht h eo f f - l i n el e a r n i n g ，ab e t t e rs u p p o r tv e c t o r m a c h i n es t 九j c t i j l ei sf o r m e dt or e a l i z ea ne f f i c i e n tn o n l i n e a rm a p p i n ga m o n gp h a s e c u n e n t ，p h a s ef l u xl i n k a g ea n dt h ec o r r e s p o n d i n g r o t o rp o s i t i o n ，a n dt h e ni tf a c i l i t a t e s t h er o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o r r e c tr o t o rp o s l t l o n e s t i m a t i o nc a nb ea c h i e v e dw i t ht h i sm e t h o d o nt h eb a s eo fw o r km e n t i o n e da b o v e ，am e t h o do fp o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o l f o rs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rb a s e do ns u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea s s o c i a t e dw i t hr b f n e u r a ln e t w o r ki sp r o p o s e d a f t e rt h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s t r u c t u r ei so b t a i n e da n d a c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n c eo fs u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea n dn e u r a ln e t w o r k s ，t h e c o n f i g u r a t i o na n dt h ep a r a m e t e ro f r b fn e u r a ln e t w o r kc a nb eo b t a i n e de f f e c t i v e l yb y c o n v e r s i o n t h i sa p p r o a c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fs v m w i t hb e t t e rs o l u t i o nf o r s m a l l s a m p l el e a r n i n gp r o b l e ma n d r b fn e u r a ln e t w o r kt h a tc a nm o d i f yt h e p a r a m e t e ro n 1 i n e t h r o u g ht h eo f f - l i n el e a r n i n ga s s o c i a t e dw i t ho n - l i n el e a r n i n g ，t h e l e a m e dn e t w o r ki sp u r p o s e dt oa c h i e v et h es e n s o r l e s sc o n t r o lo fs r m t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a no b t a i nt h ec o r r e c tc o m m u t a t i o ns i g n a l ，a n dt h u st h e s e n s o r l e s sc o n t r o lo fs r mi sr e a l i z e d f i n a l l y , t h eh a r d w a r eo fs r me x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do nd s pt m s 3 2 0 f 2 812 a st h ec o r eo fc o n t r o l l e ri si n t r o d u c e d a n di tf a c i l i t a t e sf u r t h e rr e s e a r c h k e yw 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 r o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o n ，p o s i t i o n s e n s o r l e s sc o n t r o l ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，r b fn e u r a ln e t w o r k 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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：极弓哆 签字日期： z 刀7 年月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂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：农弓哆 签字日期：砂7 年7 月7 。日 翩躲丧名刷磁辄住雩记 磐醐：引刖湘 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了开关磁阻电机的发展概况和国内外研究现状，然后阐述了本 课题的选题背景和意义，最后列出了本文研究的主要内容。 1 1 引言 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 ) 具有结构简单、工 作可靠、运行效率高等诸多优点。由它组成的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 em o t o r d r i v e ，简称s r d ) 因具有优良的调速性能而引起了国内外学者 的普遍关注。开关磁阻电机调速系统融电力电子技术、微电子技术和电机控制技 术于一体，是一种典型的机电一体化产品。它集传统交流调速系统结构简单、坚 固可靠和直流调速系统可控性好的优点于一身，而且还具有价格低、适应力强等 突出优点，表现出良好的运行性能和经济指标，显示出广阔的应用前景。开关磁 阻电机调速系统已经成为极具潜力的新一代无级调速系统，应用日益广泛l l 刮。 1 2 开关磁阻电机的发展概况及研究现状 1 2 1 开关磁阻电机的发展概况 “开关磁阻电机”一词最早见于美国学者s a n a s a r l 9 6 9 年所撰写的论文， 但开关磁阻电机的雏形却早在一百多年前就已出现。当时，人们利用顺序通电的 两个u 形电磁铁带动镶嵌有铁条的木制转鼓，并将其尝试性地用在机车驱动中。 但是，由于当时科学技术水平的限制，根本无法解决开关磁阻电机在设计、控制 等方面的一系列关键问题，这一发现在当时并没有引起人们足够的重视，这种状 况一直持续到2 0 世纪中叶。2 0 世纪6 0 年代，人们在电力电子、计算机、微电 子等领域取得了个又一个的成就，为开关磁阻电机重新提上研究日程奠定了重 要的物质基础。正是从那时候开始，国外开始对开关磁阻电机进行深入的研究和 论证。1 9 6 7 年，英国l e e d s 大学开始对开关磁阻电机进行深入研究，到1 9 7 0 年 左右，已取得了一系列卓有成效的研究成果。6 0 年代末，j j a r r e i 提出增加饱和 度有利于提高磁阻电机出力的观点，从理论上对开关磁阻电机的发展起到了积极 第一章绪论 的推动作用。1 9 7 3 年，英国的n o a i n g h a m 大学也开始了对开关磁阻电机的研究 工作。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 大学的研究小组联合参加了c h l o r i d a t 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，成功地研制出一 套用于电动汽车的s r d 系统，其单位输出功率和效率都高于同类的感应电机驱 动装置。1 9 8 0 年，l e e d s 大学的e j l a w r e n s o n 教授及其同事们总结了他们的研 究成果，在i c e m 会议上发表了题为“v a r i a b l es p e e ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r s ” 的著名论文，标志着s r d 正式得到国际社会的承认。该文系统阐述了开关磁阻 电机的原理及设计理论，研究了开关磁阻电机的特性及控制方式，成为研究开关 磁阻电机的经典文献，被认为是开关磁阻电机研究的奠基之作。同年，在英国成 立了世界上第一家开关磁阻电机驱动装置有限公司( s r dl t d ) ，专门进行s r d 系统的研究、开发和设计。1 9 8 3 年，s r dl t d 首先推出了s r d 系列产品，该产 品命名为o u l t o n 。另外，s r dl t d 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统， 到1 9 8 6 年已运行5 0 0 k m 。该产品的出现，在电气传动界引起了不小的反响。其 在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能指标达到或超 过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。1 9 9 1 年，英国又研制成功了电 压为9 k v ，功率为5 m w 的s r d 系统。到目前为止，在s r d 系统的开发研制方 面，英国一直处于国际领先地位。 除英国外，德国、美国等国家也都开展了s r d 系统的研究工作，并在电机 的运行理论、系统的一体化设计、电机的电磁场分析等方面取得了进展。在国外 的应用中，s r d 一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。高速的s r d 也成为 一个研究方向。美国在将s r d 应用于航空产品这一领域的研究中进行了积极而 有成效的探索，开发了不同规格的产品，如航空燃气涡轮发动机用3 0 k w 开关磁 阻起动发电机系统、驱动航空燃气涡轮发动机油泵的9 0 k w 开关磁阻电机等。 从1 9 8 4 年开始，我国也开始了对开关磁阻电机的研究开发工作，并被列为 中小型电机“七五”科研规划项目。尽管国内对开关磁阻电机调速系统的研究起 步较晚，但通过借鉴国外丰富的研究经验，研究起点较高。南京调速电机厂与北 京纺织机械研究所合作首先研制成功了3 k w 的开关磁阻电机。上世纪9 0 年代后， 对开关磁阻电机的研究不断升温，有大批高等院校、科研院所、生产企业开始从 事开关磁阻电机调速系统的开发研究工作。现在，已有一批中小功率的s r d 研 究成果，并开始由实验室阶段发展到工业试用和推广应用阶段，取得了很好的效 果和显著的经济效益。华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制 出s r d 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。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。目前，s r d 的开发范围己达到：转矩为0 0 1 1 0 6 n m ， 第一章绪论 功率为1 0 w 5 m w ，最高转速可达1 0 0 0 0 0r m i n 。规格已从多相发展到单相、 两相，电机型式亦从旋转型发展到直线型。s r d 的应用领域己从最初侧重于牵 引运输发展到通用工业、航空工业和家用电器等多个领域，取得了日益显著的经 济效益。 1 2 2 开关磁阻电机的研究现状 开关磁阻电机调速系统作为一种新型调速系统，其技术涉及电机学、微电子、 电力电子、控制理论等众多学科领域，研究的历史还比较短。近二十年来，国内 外的众多学者都从不同方面对其进行了一系列卓有成效的研究工作，取得了很多 有益的成果，大大推动了开关磁阻电机调速系统研究的发展。但是，由于开关磁 阻电机本身的非线性特性，导致其研究上的困难和复杂，仍然存在着大量的工作 要做。在应用领域，开关磁阻电机具有结构简单、工作可靠、控制灵活、成本低、 效率高、适合高速及恶劣环境运行等优点，这使得开关磁阻电机调速系统有着广 阔的市场前景，研究人员对其产品进行研究、开发的热情依然很高。主要的研究 方向集中在以下几个方面【5 j ： ( 1 ) 开关磁阻电机设计理论的进一步完善 目前，在开关磁阻电机结构形式、电磁场分析、电磁设计、性能计算及参数 优化等方面虽已取得了大量的研究成果，但仍然存在诸多急需解决的问题。在开 关磁阻电机设计方面，主要是针对开关磁阻电机内部磁场的非线性以及由非线性 开关电源供电，相电流波形难以解析等有别于传统电机的特点，探索开关磁阻电 机电磁转矩的分析和计算方法，建立一套效率高、适用于工程设计要求的优化设 计方法。通常采用的二维非线性有限元方法分析开关磁阻电机内部的饱和磁场存 在局限性，如对以路为基础的设计方法研究不够、现有场的方法的精度有待提高 等。应计及端部效应，开展开关磁阻电机三维场的研究。 ( 2 ) 开关磁阻电机的建模问题 开关磁阻电机的非线性使其性能的精确分析和计算较为困难。如何建立比较 精确的开关磁阻电机的数学模型，是国内外广大学者一直研究的问题。近年来， 国内外关于开关磁阻电机调速系统研究的一个主要方面就是开关磁阻电机调速 系统数学模型的建立及其稳态性能和动态性能的仿真计算。 ( 3 ) 加强对铁心损耗的理论研究 开关磁阻电机磁场特性的非线性导致相绕组的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；定、转子各部分铁心中的磁通密度的变化规律 也不相同。因此，对定、转子铁心损耗的计算与测晕颇为困难。其主要问题在于 如何建立准确、实用的铁心损耗计算模型和分析、测试手段。 第一章绪论 ( 4 ) 加强对转矩脉动及噪声的理论研究 减小开关磁阻电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。虽然现有研究成果已经针对开关磁阻电机的转矩脉动及噪声大的问题提出了 许多改进方案，但仍有待进一步研究。从开关磁阻电机自身的结构设计上，主要 是合理设计极的结构、定子磁轭强度和电机的刚度，合理选择气隙、极弧参数， 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控制方案， 使转矩脉动和噪声尽可能减小。 ( 5 ) 探索实用无位置传感器转子位置检测方案 开关磁阻电机调速系统是位置闭环系统，但位置传感器的存在不仅削弱了开 关磁阻电机结构简单的优势，而且降低了系统高速运行的可靠性。现有的无位置 传感器转子位置检测方案在精度和应用范围上都十分有限，实际应用时需根据转 速的范围选择合适的检测技术。随着电力电子器件及微处理器的发展，无位置传 感器检测的实现技术必将得到进一步的发展。 ( 6 ) 微处理器和专用集成电路的应用 开关磁阻电机能够正常工作的关键是每相开关导通、关断的实时控制，对起 动、运行、故障保护也要实时控制。高性能的单片机和d s p 芯片的出现为这一 方案的解决提供了很好的保证。控制电路的集成化对简化硬件电路、实现产品系 列化、提高可靠性等非常有效，是研究的方向。 ( 7 ) 高转速开关磁阻电机产品的开发 很多场合需要高速传动，而开关磁阻电机具有转子结构简单、高速适应性好 和调速范围宽的特点。因此，开发高速产品是充分发挥其特色的一个方向。 ( 8 ) 完善开关磁阻电机调速系统中开关磁阻电机、功率变换器及控制器三 者之间的协调设计，使系统整体性能最优化。 1 3 本课题的选题背景和研究意义 开关磁阻电机具有结构简单、转子转动惯量小、成本低、动态响应快等优点。 系统的调速范围比较宽，既可以在低速下运行，也适合在高速场合下运行。其容 量亦可设计成儿瓦到几兆瓦。另外，开关磁阻电机在运行效率、可靠性等方面均 优于感应电机和同步电机，且可在散热条件差、存在化学污染等恶劣环境下运行。 鉴于此，开关磁阻电机有望在通用工业传动领域、家电领域、高性能伺服驱动领 域、汽车电气传动系统以及航空、航天等领域占有席之地。 开关磁阻电机调速系统是位置闭环系统，控制器必须借助从位置传感器获得 的转子位置信息，以保证在合适的时刻接通或断开相应的相绕组。获得转子位置 4 第一章绪论 信号的传统方式是采用位置传感器直接检测，但位置传感器的存在不仅削弱了开 关磁阻电机结构简单的优势，而且降低了系统高速运行的可靠性，增加了成本。 因此，探索实用的无位置传感器检测转子位置的方案已经成为世界范围内开关磁 阻电机研究领域的热点之一，各国学者对这一问题从各个角度进行了大量的研究 工作，提出了多种可行的无位置传感器检测方案。 随着智能控制技术的不断成熟，电力电子技术、数字信号处理技术的飞速发 展，无位置传感器技术的研究进入了一个崭新的时期。开关磁阻电机定、转子为 双凸极结构，采用定子侧单边励磁，为了提高输出功率密度，电机通常运行于深 度磁饱和状态，这导致了开关磁阻电机的电磁特性呈高度非线性，在精确的数学 模型基础上实现转子位置的准确估计十分困难。神经网络具有很强的非线性映射 能力，将它应用于开关磁阻电机转子位置估计的研究已经展开。文献【9 1 0 中， b p 神经网络被用来对开关磁阻电机的动态状态进行辨识，网络以转速和转子位 置作为输出。但是b p 神经网络在函数逼近方面存在学习收敛速度慢、易陷入局 部极小等缺点。文献【1 1 】采用径向基函数( r b f ) 神经网络来实现开关磁阻电机 的无位置传感器控制。r b f 神经网络是一种映射能力极强的前向型神经网络， 具有收敛速度快、全局逼近能力强等优点。只要训练样本的数量足够，经过训练 的网络就能映射出输入、输出之问的联系，取得理想的控制效果 1 2 - 1 4 。 在对开关磁阻电机调速系统的仿真研究和实验研究中，获得样本是至关重要 的环节，但由于测量上的困难，不可能或不能够得到理想情况下的无限大容量的 样本集，即样本数量总是有限的。对于解决这类小样本情况下的学习问题，支持 向量机提供了一个很好的解决方案。支持向量机是v a p n i k 在统计学习理论基础 上提出的一种新型机器学习方法，与基于经验风险最小化的神经网络不同，支持 向量机基于结构风险最小化准则，具有更强的理论依据和泛化能力，在小样本学 习、全局最优等方面具有独特的优势，已经成功应用到了模式识别、函数逼近等 多个领域1 1 5 - 1 8 j 。 支持向量机与r b f 神经网络在结构上具有相似性，且神经网络与支持向量 机具有等价性，在函数逼近时可以相瓦转化i 四】。因而可以利用这种相似性由已知 的支持向量机结构来等价得到一个具有优化初始结构的r b f 神经网络，使其能 够结合支持向量机小样本学习、算法简便、全局最优以及r b f 神经网络在线修 改网络参数的特点。 鉴于此，本文以支持向量机在开关磁阻电机无位置传感器控制中的应用为丰 题开展研究，以期对开关磁阻电机无位置传感器控制技术的发展起到积极作用。 第一章绪论 1 4 本文的研究内容 本文以研究支持向量机在开关磁阻电机无位置传感器控制中的应用为出发 点，主要进行了下述几个方面的工作： ( 1 ) 对开关磁阻电机调速系统的基本构成以及各部分的工作原理进行了深 入地分析和研究。 ( 2 ) 利用m a t l a b 仿真环境分别建立开关磁阻电机本体的非线性模型、功 率电路的模型以及控制器的模型，并最终得到开关磁阻电机调速系统的整体动态 仿真模型，为后续的研究工作奠定了基础。 ( 3 ) 提出一种基于支持向量机的开关磁阻电机转子位置估计的方法。该方 法通过离线学习形成一个理想的支持向量机结构来实现电机电流、磁链与转子位 置之间的非线性映射，实现开关磁阻电机的转子位置估计，并通过仿真研究对所 述方法进行了验证。 ( 4 ) 提出一种基于支持向量机与r b f 神经网络相结合的开关磁阻电机无位 置传感器控制方法。该方法在获得支持向量机结构的基础上，利用支持向量机与 r b f 神经网络的等价性以及在结构上的相似性，通过相互转化的方法，得到等 价的r b f 神经网络的结构和初始参数，通过在线学习的方法调节网络连接权值， 使其综合支持向量机和r b f 神经网络两方面的优势。通过离线和在线相结合的 方法，实现开关磁阻电机的无位置传感器控制，并对此方法进行了仿真研究。 ( 5 ) 设计了以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制器核心的开关磁阻电机实验 系统，并对实验系统进行了实验验证。 6 第二章开关磁阻电机调速系统 第二章开关磁阻电机调速系统 本章介绍开关磁阻电机调速系统的基本构成，详细阐述了开关磁阻电机的基 本原理，并对其基本控制方式进行了比较。 2 1 开关磁阻电机调速系统的基本构成 开关磁阻电机调速系统是一种典型的机电一体化产品。它主要由开关磁阻电 机本体、功率变换器、控制器、位置检测器四部分组成。开关磁阻电机是开关磁 阻电机调速系统中实现机电能量转换的部件，也是开关磁阻电机调速系统有别于 其他调速系统的主要标志。功率变换器的作用是向开关磁阻电机提供运转所需的 能量，由蓄电池或整流电源提供直流供电。位置检测器是转子位置信号和速度信 息的直接或间接提供者。控制器则是调速系统的中枢，它综合处理速度指令、速 度反馈信号以及电流传感器、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，从而实现对电机运行状态的控制，使之满足预定的运行要求。 开关磁阻电机调速系统的结构框图如图2 1 所示。 n 订一仨弋 叫菇 巨一事 i 一 一控目 i 图2 1 开关磁阻电机调速系统结构框图 2 1 1 开关磁阻电机的结构与工作原理 开关磁阻电机本体采用定、转子双凸极结构，单边励磁，即仅定子凸极采用 集中绕组励磁，而转子凸极上无任何绕组亦无永磁体。其定、转子的凸极均由普 通硅钢片叠压而成，以减小涡流损耗。径向相对的两个绕组串联构成一相。图 2 2 是一台四相( 8 6 极) 开关磁阻电机的结构原理图。为简单表示，图中只画出 第二章开关磁阻电机调速系统 a 相绕组及其供电电路。 u s 图2 2 四相( 8 6 极) 开关磁阻电机结构 开关磁阻电机的工作原理与传统的交、直流电机存在着根本的区别。传统电 机依靠定、转子绕组电流或永磁体产生的磁场间的相互作用产生电磁转矩，而开 关磁阻电机依靠的则是磁阻转矩。 开关磁阻电机在结构上与步进电机相似，其运行原理遵循“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，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。图2 2 中，当定子d d 。极励 磁时，所产生的磁力力图使转子旋转到转子极轴线1 一l 与定子极轴线d d 重合 的位置，并使d 相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作 为起始位置，则依次给d 寸a b _ c 相绕组通电，转子便会逆着励磁顺序以 逆时针方向连续旋转；反之，若依次给b 寸a 寸d c 相绕组通电，则电机便 会沿顺时针方向旋转。可见，开关磁阻电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。另外，从图2 2 可以看出，当主开关器件s 1 、s 2 导通时，a 相绕组从直流电源玑吸收能量，而当s l 、s 2 关断时，绕组电流经续 流二极管v d l 、v d 2 继续流通，并回馈能量给电源玑。因此，开关磁阻电机调 速系统的共同特点是具有再生作用，系统效率高。 开关磁阻电机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。设电机的相数为m ，定子极数为，转子极数为，则它们之间一般 应满足以下关系： m n , = ：m 2 m k 2 k c 2 n r = ns 式中，k 为正整数。 8 第二章开关磁阻电机调速系统 研究表明，低于三相的开关磁阻电机没有自起动能力，故对于有自起动、要 求网象限运行的传动场合，应优选表2 1 所示的定、转子极数组合方案。 表2 1 开关磁阻电机极数组合方案 相数脚 3456789 定子极数m 6 8 l o1 21 4 1 6 1 8 转子极数， 468l o1 31 41 6 步进角 3 0 01 5 。9 06 04 2 8 03 2 l o2 5 0 若相数较多，则步距角较小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，使主开关 器件增多，控制电路相对复杂，成本高。因此，目前应用较多的是四相( 8 6 极) 结构。由于三相( 6 4 极) 结构性能并不比四相( 8 6 极) 逊色，但经济性明显提 高，故其也日益受到研究者的重视。 2 1 2 功率变换器 功率变换器提供开关磁阻电机运行时所需的能量，是连接电源和电机绕组的 开关部件，包括直流电源和功率开关器件等。开关磁阻电机的输出转矩与绕组电 流方向无关，绕组电流为单向流动，这使得其功率变换器主电路结构相当简单； 而且由于其相绕组与主开关器件是串联的，因而具有普通交流及无刷直流调速系 统所没有的优点可预防直通故障。功率变换器的主电路有多种形式，与开关 磁阻电机的相数、绕组形式、供电电压、主开关器件的种类等有密切关系，常见 的主要有不对称半桥电路、双电源电路、双绕组电路等几种基本形式1 2 u 。 图2 3 所示为不对称半桥电路结构。每一相有两个主开关器件和两个续流二 极管，两个主开关器件v a l 和v a 2 同时导通或关断。当两管导通时，电源加在相 绕组两端，产生相电流；当两管关断时，相绕组产生的反电势使二极管v d l 和 v d 2 正向导通，将电能回馈给电源。若在导通时只关断其中一个主开关器件，则 绕组通过二极管和另一个主开关器件继续导通，变成零电压续流。零电压续流在 电压斩波控制中具有相当重要的意义，它使电流波形更加平滑，并可降低斩波频 率，减小斩波噪声和电磁干扰。不对称半桥电路各相完全独立，使用灵活方便， 适用于高性能和较大容量开关磁阻电机调速系统。 9 第二章开关磁阻电机调速系统 图2 - 3 不对称半桥电路 双电源功率电路结构如图2 - 4 所示。其借助两个电容器c 1 和c 2 实现分压， 绕组的一端共同接至电源的中点，各相主开关器件和续流二极管依次上下交替排 列。当a 、c 相导通时，消耗c l 中的能量，关断时，续流电流补充c 2 中的能量； 当b 、d 相导通时，消耗c 2 中的能量，关断时，续流电流补充c 1 中的能量。四 相轮流对称工作时，将使c l 、c 2 电压相等。长时间导通一相，本电路将无法正 常工作。在这个电路中，加到绕组的正向、反向电压均为电源电压的1 2 。双电 源电路结构简单，但仅适用于偶数相电机。此外，保持上、下桥臂的工作平衡使 控制方式的选择受到一些影响。 图2 - 4 双电源电路 对于图2 5 所示的双绕组电路，其每相由紧密耦合的一次绕组和二次绕组构 成。功率器件导通时，电流流过一次绕组，关断后，续流电流流过二次绕组。该 电路比上述两种功率电路简单，但以电机绕组的复杂为代价。同时，功率器件承 受的电压较高，因此只适用于低压供电系统。 l o 第二章开关磁阻电机调速系统 + = 2 1 3 控制器及位置传感器 图2 - 5 双绕组电路 w 0 4 位置传感器提供转子位置及速度等信号，是开关磁阻电机的重要组成部分， 也是开关磁阻电机的特征部件。它及时向控制器提供定、转子极间实际相对位置 信号和转子运行的速度信号。控制器必须借助从位置传感器获得的转子位置信 息，以保证在合适的时刻接通或断开相应的相绕组。位置传感器的种类很多，如 霍尔传感器、光电式传感器、接近开关式传感器、谐振式传感器和高耦合式传感 器等。 控制器是开关磁阻电机调速系统的中枢，起决策和指挥作用。它综合外部输 入给定、位置传感器、电流检测器检测到的电机转子位置、速度和电流等反馈信 号，通过分析和计算，按照控制策略，向功率变换器发出开通、关断信号，完成 对电机的控制及状态显示。控制器由具有较强信息处理能力的微机或数字逻辑电 路及接口电路等部分构成。早期一般采用完全硬件电路方案，其特点是动态响应 快，但电路复杂，很难实现较复杂的控制策略，且灵活性和稳定性较差。以单片 机作为控制核心的方案非常灵活，但系统响应速度受单片机速度影响比较大。随 着单片机处理位数的提高，尤其是d s p 的出现，使得控制的实时性大大提高。 由于其大部分功能由软件完成，使许多复杂的控制方案得以实现。 2 2 开关磁阻电机的控制方式 控制方式是研究开关磁阻电机调速系统的一个非常重要的问题。控制方式是 指电机运行时对哪些参数进行控制及如何进行控制，使电机达到规定的运行工况 ( 如规定的速度、转矩等) ，并使其保持较高的力能指标( 如效率、温升等) 。 影响开关磁阻电机运行特性的主要因素是其相电流波形、峰值及其出现的位 置。开关磁臣几电机的可控量是绕组两端的电压以、开通角岛。和关断角巩三个 参数。电机的控制方式主要是针对以上三个可控量进行优化控制，一般分为电流 第二章开关磁阻电机调速系统 斩波控制方式( c c c ) 、角度位置控制方式( a p c ) 和电压斩波控制方式( 电压 p w m ) 三种【2 1 1 。 电流斩波控制方式适用于低速和制动运行，可起到有效的保护和调节作用， 转矩比较平稳，合成转矩脉动小，适合用作转矩调节系统。 角度位置控制方式适用于电机的高速运行区，转矩调节范围较大。当电机负 载变化时，可自动增加或减少同时导通的相数。通过角度优化，可使电机在不同 负载下保持较高的效率。 电压斩波控制方式以p w m 方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大 的绕组电流，该方法容易实现，且成本较低。既适合于高速运行，又适合于低速 运行。其抗负载扰动的动态响应快，适合于转速调节系统，应用日益受到重视。 2 3 开关磁阻电机调速系统的特点 通过以上分析可以看出，与普通交、直流电机调速系统相比，开关磁阻电机 调速系统具有以下一些特点： ( 1 ) 电机结构简单、成本低 开关磁阻电机的突出优点是转子上没有任何型式的绕组，而定子上只有简单 的集中绕组，端部较短，没有相问跨接线，这使得电机具有制造简便、绝缘结构 简单、工作可靠、维修量小、成本低等优点。且发热大部分在定子，易于冷却。 ( 2 ) 适于高速运行、动态响应快 转子机械强度高，电机可高速运行而不致变形。转子转动惯量小，易于加、 减速，动态响应特性好。 ( 3 ) 功率电路简单、可靠 电机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单向绕组电流，故功率电路可以 做到每相一个功率开关器件，电路结构简单。另外，系统中每个功率开关器件都 直接与电机绕组相串连，避免了直通短路故障。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，又具有较高的可靠性。 ( 4 ) 效率高、功耗小 开关磁阻电机调速系统效率高，一方面是因为电机转子不存在绕组铜耗，另 一方面是由于电机可控参数多，控制灵活，易于在较宽转速范围和不同负载下实 现高效优化控制。高输出和高能量利用率使开关磁阻电机调速系统在宽广的应用 场合具备了与异步电机变频调速系统竞争的能力。 ( 5 ) 高起动转矩、低起动电流 从电源侧吸收较小的电流，在电机侧可得到较大的起动转矩是开关磁阻电机 1 2 第二章开关磁阻电机调速系统 调速系统的一大特点。当起动转矩达到1 5 0 额定转矩时，只需3 0 的额定电流。 ( 6 ) 可控参数多，控制灵活，可得到所需的各种特性 开关磁阻电机调速系统可对相绕组的开通角、关断角o o g 及电源电压等进 行控制，可控参数多，控制灵活方便，可以根据电机的情况和运行要求，采用不 同的控制方法和参数值，既可以使其运行于最佳状态，又可以实现各种不同的功 能，得到所需的各种特性。 ( 7 ) 工作稳定，无失步现象 由于开关磁阻电机是自同步运行，所以它不会出现像变频器供电的感应电机 在低频时存在的不稳定和振荡等问题。 ( 8 ) 振动与噪声较大，转矩脉动明显 开关磁阻电机的双凸极结构以及通入绕组的脉冲电流，导致电机的径向力随 转子的旋转而波动，其振动与噪声较大；同时，各相绕组的电流不对称以及各相 结构和参数的不对称也会导致振动与噪声的增大。通过采用各种控制策略、新型 结构以及提高机械加工精度，可大大降低开关磁阻电机的噪声。开关磁阻电机运 行时，定子绕组为单相顺序接通，转子上的转矩由各相脉冲转矩叠加而成，同时 由于磁路的高饱和特性，其合成转矩不是恒定转矩，有一定的脉动。 1 3 第三章基于m a t l a b 的开关磁阻电机调速系统动态仿真 第三章基于m a t l a b 的开关磁阻电机调速系统动态仿真 本章首先对开关磁阻电机的数学模型进行分析，在非线性电感模型的基础上 建立了开关磁阻电机本体的仿真模型：然后，建立了功率电路以及控制器的仿真 模型；最后，在m a t l a b 中对由四相( 8 6 极) 开关磁阻电机组成的开关磁阻 电机调速系统进行了动态仿真。 3 1 开关磁阻电机的非线性数学模型 为了简化分析，首先假设开关磁阻电机满足以下理想模型的条件，即 ( 1 ) 主电源的直流电压( u 。) 稳定不变； ( 2 ) 功率器件为理想开关器件； ( 3 ) 忽略铁心的磁滞损耗和涡流损耗，即忽略铁耗； ( 4 ) 电机各相参数对称，各相线圈正向串联，忽略相间互感； ( 5 ) 在一个电流脉动周期内，认为转速恒定。 描述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。 ( 一) 电路方程 根据电路基本定律可知开关磁阻电机第k 相的电压平衡方程式为 u = r + 警 ( 3 - 1 ) 式中，u 。为加于第k 相绕组上的电压；r 。为第k 相绕组的电阻；为第k 相绕 组的电流：为第k 相绕组的磁链，可用电感与电流的乘积来表示，即 ( ，乡) = 厶( ，口) ( 3 2 ) 由于磁路的非线性，且电感随转子位置变化，所以每相电感厶都是相电流 与转子位置角0 的函数。 将式( 3 - 2 ) 代入式( 3 1 ) ，得 1 4 第三章基于m a t l a b 的开关磁阻电机调速系统动态仿真 玑= 即t + 等警+ 等鲁= r + ( 厶+ 瓦a k ，百d k + 丽8 1 k 面d o ( 3 - 3 ) 式( 3 - 3 ) 表明，电源电压与电路中的三部分电压降相平衡。其中，等式右 边第一项为第七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，称为变压器电动势；第三项是由转子位置改变引起绕组磁链变化而感 应的电动势，称为旋转电动势，它只有在电感随转子位置变化时才存在，其方向 与电感随转子位置角目的变化率有关，当电感随口角的增大而增大时为正，电感 随p 角的增大而减小时为负。旋转电动势直接和机电能量转换相联系，旋转电动 势引起的压降为正表示吸收电功率，产生驱动转矩；旋转电动势引起的压降为负 表示发出电功率，产生制动转矩。 ( 二) 机械方程 按照力学定律可以得到在电机电磁转矩t 和负载转矩瓦作用下的转子机械 运动方程 r e d t 堡2 + 。警+ 瓦= ，百d o ) 砌+ 瓦 d 8 d t ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 式中，为转动惯量；d 为粘性摩擦系数；国为机械角速度；秒为机械角位移； 疋为电磁转矩；瓦为负载转矩。 ( 三) 机电联系方程 机电联系方程由反映机电能量转换的电磁转矩表达式给出。开关磁阻电机的 磁共能为 聊( ，口) = r ( ，e ) d i , = r 厶( ，口) , d , ( 3 - 6 由上式可得，开关磁阻电机一相的电磁转矩为 瓦( ，卯= 刍暇( 护) l i a = c o n ，l = 品r 厶( 护) 如 ( 3 - 7 ) 合成转矩为 丁( f ，p ) = 瓦( ，d ( 3 8 ) = 1 第三章基于m a t l a b 的开关磁阻电机调速系统动态仿真 式( 3 - 1 ) ( 3 - 8 ) 从理论上完整地描述了开关磁阻电机的电磁及力学关系。 但是，由于开关磁阻电机的开关性以及电路、磁路的非线性，使得对上述非线 性方程的求解变得十分困难。在实际研究中，通常需要根据具体运行状态和研 究目的进行必要的简化，因此可采用线性模型、准线性模型和非线性模型的求 解方法。线性模型有利于对开关磁阻电机进行定性分析，了解其运行的物理状 况、内部物理量的基本特点及相互关系；准线性模型具有一定的计算精度，多 用于分析和设计功率变换器和确定控制策略；非线性模型考虑的因素最全面， 用于电机的性能计算和仿真，是电机理论研究的必要手段。 ( 四) 非线性电感模型 电感模