（电机与电器专业论文）基于迭代学习控制的开关磁阻电机转矩脉动最小化控制研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t s i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t , r e l i a b i l i t y , f l e x i b l ef o rc o n t r o l l i n g ，h i 曲e f f i c i e n c y , s u i t a b l ef o rh i g h - s p e e da n dh o s t i l ee n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o n ，e t c a r ea d v a n t a g e so f s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v i n gs y s t e m ( s r d ) h a s l o t so fu n i q u ea d v a n t a g e sc o m p a r e d 、析t l la ca n dd cd r i v i n gs y s t e m s b u td u et o d o u b l es a l i e n c yo fm o t o rw h i c hp r o d u c e sl a r g ea m o u n to ft o r q u er i p p l e s ，s r di ss t i l l p r e v e n t e df r o me n t e r i n gi n t o m o r ea p p l i c a t i o na r e r l s t h ep r o b l e mo fh o wt o e f f e c t i v e l yr e d u c ei t st o r q u er i p p l e sh a sg r a d u a l l yb e c o m er e s e a r c hh o t s p o t so fb o t h d o m e s t i ca n da b r o a ds c h o l a r s t h i sp a p e ri n t r o d u c e di t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l ( i l c ) i n t ot o r q u ec o n t r o l a p p l i c a t i o no fs r m i l ca l g o r i t h mi se a s yt ou a n di t d o e s n tn e e dt ok n o w a c c u r a t ep a r a m e t e r so fs r mm o d e l s oi l ch a so b v i o u sa d v a n t a g e so nr e d u c i n g t o r q u er i p p l e s t h i st o p i ch a sd e s i g n e dae x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft o r q u ec o n t r o l l e r w h i l ec h o o s i n gd s pt m s 3 2 0 f 2 812a st h ec o r em i c r o c o n t r o l l e ra n dh a sd o n es o m e f u r t h e rt h e o r e t i cr e s e a r c ha sw e l la se 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 dt h ed e v e l o p m e n to fs r m a n di t sm a i nf e a t u r e s ， t h e nd e s c r i b e dr e s e a r c hs t a t u so fs r mo nt o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o n s e c o n d l y , t h i sp a p e r d e s c r i b e ds t r u c t u r ea n dl i n e a r - m o d e lo fs r m ，s u m m a r i z e d b a s i cc o m p o s i t i o na n do p e r a t i o nm e c h a n i s mo fs r da n da n a l y z e dt h r e ec o n t r o l s t r a t e g yn o w i ng e n e r a lu s e t h i r d l y , i l ct h e o r yw a sd e s c r i b e da n da n a l y z e d t h ec o n c l u s i o nf o ra s t r i n g e n c y a n ds t a b i l i t yo fi l cw a sd e m o n s t r a t e d a l s o ，a nn o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo f s r mw a sb u i l t i l cb a s e dt o r q u ec o n t r o l l e rw a ss i m u l a t e du s i n gs i m u l i n k f o u r t h l y , t h i sp a p e rd e s i g n e d ae x p e r i m e n t a lt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo fa 0 3 7 5 k ws r mb a s e do ni l c ，d e s c r i b e di nd e t a i l sa b o u ti d e aa n dm e t h o d so fu s i n g i l ci nt h er e a ls r d ，a n ds u m m a r i z e dh a r d w a r ea n ds o f h v a r ed e s i g ns e p a r a t e l y f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fc u r r e n tc o n t r o l l e ra n dt o r q u ec o n t r o l l e ru s i n g i l c w a sg i v e nt h o u g he x p e r i m e n t so nt h i sp r a c t i c a lt o r q u ec o n t r o l l e rb a s e do ni l c 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 ( s r m ) ，s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v i n g ( s r d ) ，i t e r a t i v e l e a r n i n gc o n t r o l ( i l c ) ，t o r q u er i p p l e i l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字同期：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逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎姿盘堂 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和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 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 日 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 开关磁阻电机( s r m ) 相对于传统交直流电机，具有结构简单坚固，制造成本低，工作 可靠，效率高，控制灵活，调速范围宽等诸多优点，一直都是国内外研究的热点。但是由其 本身双凸级结构所造成的转矩脉动和噪声，极犬限制了其在工业应用中的普遍推广【l i ，如 何抑制开关磁阻电机转矩脉动并减小运行噪声，对扩展其应用领域有重要的意义。 1 1 开关磁阻电机发展概述 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 ) 是2 0 世纪8 0 年代发展起 来的一种新型电机。1 9 8 3 年，英国t a s cd r i v e s 有限公司将世界上第一台 s r m ( 7 5 k w 。1 5 0 0 r m i n ) 商品投放市场：1 9 8 4 年，又推出4 - 2 2 k w 的4 个规格的系 列产品：原联邦德国在1 9 8 4 年至1 9 8 6 年期间也先后完成了样机的研制。s r m 调速 系统( s r d ) 作为一种结构简单、鲁棒性好、价格便宜的新型调速系统，具有交、 直流传动系统所没有的独特优点。因此，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、埃及、新加坡等国也都竞相发展，我国于1 9 8 4 年左右也开始电机的研究、开发工作。9 0 年代以后，对s r m 的研究，逐步形成了 理论研究与实际应用并重的发展态势。 s r m 作为磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化的 无级交流调速电机，它具有结构简单可靠，调速性能优良，在宽广的调速范围 内具有较高频率，可以在很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、高频率和高输出的性能指标等诸多优点。开关磁阻电机既可作电 动机运行。也可作发电机运行。电动机主要用于调速系统。目前系统已应用于 许多场合。国外生产的产品有通用型和特殊型。通用型产品供一般工业用，如 风机、泵、卷绕机、压缩机、食品加工及纺织工业等。特殊型产品主要用于牵 引机车、电动汽车及飞机的启动电动机、伺服系统以及日用家电等方面。我国 在系统的理论研究方面也已取得了长足发展，已研制出多个规格的样机。开关 磁阻发电机结构简单，容错能力强，调节性能好，运行可靠，可用于飞机的启动 发电机以及风力发电等 2 1 1 3 1 。 浙江大学硕上学位论文 1 2 开关磁阻电机调速系统 开关磁阻电机调速系统主要由4 部分组成：开关磁阻电机( s r m ) 、功率变 换器、控制系统、检测系统。s r m 是实现机电能量转换的部件，也是此系统区 别于其它电动机调速系统的主要标志。功率转换器负责提供能量，一般是由交 流电经整流后得到的直流供电。控制器是此系统的核心，处理反馈信号，计算 转速、转子位置，再输出相应控制信号来控制电机以实现需要的功能。检测系 统一般包括电流检测和位置检测，为控制系统提供必需的信号。系统结构如图 1 1 所示。 图1 1 开关磁阻电动机调速系统的组成 1 3s r m 的主要特点 s r m 的主要优势有以下几个方面： ( 1 ) s r m 结构简单、成本低、适用于高速 4 1 s r m 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。s r m 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 ) s r m 各相独立工作，系统可靠性高【5 j 从s r m 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。可见，当s r m 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，除总输出功率能力有所下降外，并无其 他影响。因此s r d 可以构成可靠性很高的驱动系统，可以适用于一些特殊的场 2 浙江大学硕士学位论文 合，比如航天领域。 ( 3 ) 功率主电路简单可靠 s r m 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，故功率主电路每相至少只需一个功率开关。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 开关。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s r d 中每个功率元件均直 接与s r m 绕组相串联，根本上避免了直通短路现象，因此s r d 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。 ( 4 ) s r m 起动转矩高，起动电流小 功率主回路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s r d 的一大特点。如表1 1 所示，s r m 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。 表1 1 各种电动机起动电流与起动转矩的比较 电机类型起动电流 起动转矩 1 5 额定电流 1 0 0 额定转矩 s i 洲 3 0 额定电流 15 0 额定转矩 直流电动机1 0 0 额定电流1 0 0 额定转矩 感应电动机3 0 0 额定电流1 0 0 额定转矩 ( 5 ) 可控参数多，调速性能好 s r d 的主要运行控制参数和常用方法有：起始导通角、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。 ( 6 ) 适用于频繁起动、停车以及正反转运行 s r d 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 3 浙江大学硕上学位论文 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 s r d 是一种非常高效的系统。这是因为一方面s r m 转子上无绕组，没有 铜耗；另一方面s r m 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。 ( 8 ) 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求 s 刚目前存在的不足： 与传统的直流调速系统和交流调速系统相比，目前s r d 还存在着一些劣 势，这主要表现在以下四个方面陆1 ： ( 1 ) s r m 运行时转矩脉动较大，转矩脉动在电机换向过程中十分严重。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。 ( 2 ) s r m 本体的相数越多，转矩脉动越小，但接线和控制器成本越高 ( 3 ) 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。电动机和控制器之问的连线增加，而且位置传感器的 分辨率有限，使系统的运行性能下降。 ( 4 ) 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 s r m 必须配合控制器才能稳定工作。 1 4s r m 的转矩脉动和噪声 在电气传动应用领域，虽然振动和噪声是机电设备中普遍存在的现象，但 是由于s r m 独特的双凸级结构，以及调速系统为了获得最大转矩体积比，通常 运行在深度磁饱和的状态下所带来的磁链非线性，使得与s r m 模型关联的基本 参数，都是转子位置和转子电流二者的高度非线性函数，因此s r m 运行中的转 矩脉动显得尤为严重，采用传统控制方法所产生的转矩脉动特征值一般在 y 2 0 甚至更高【6 】【饥，早期的s r d 由于很少考虑电机的噪声和转矩脉动，所有 样机和产品都具有相对较大的转矩脉动和噪声，以至于二者成为s r d 的两大缺 点。s r d 严重的转矩脉动和噪声问题，成为制约其大面积取代传统交流调速系 统，进入一些对转矩平稳性和运行质量要求较高应用领域的主要障碍。随着研 究的深入和s r m 应用的日益广泛，降低s r m 的转矩脉动和噪声成为了关键的 4 浙江大学硕上学位论文 研究课题。 对于引起s 蹦振动和噪声的原因，学者们通过大量实验研究，己达成共识， 认为s r m 的噪声主要是由s r m 较普通电机明显的转矩脉动和定子上的脉动径 向力所产生。在减小转矩脉动方面，主要可以通过两种途径来改善转矩输出： 一种是从电机本体的优化设计方面考虑，如文献【8 】通过调整s r m 的定转子极 弧来减小转矩脉动，但这种方法要以减小电机输出转矩作为代价，其他方法还 包括合理设计极弧的形状，增加定子磁轭强度和增加电动机刚性的办法【9 】f 10 1 。 但是，通过电机本体设计优化的办法来减小转矩脉动，增加了电机设计的复杂 程度，且多数会牺牲电机其他方面的性能指标，这种方法只能针对特殊设计后 的开关磁阻电机，没有广泛的推广作用。第二种方法则是通过更好的控制策略 来优化电机运行过程中的转矩输出，抑制转矩脉动。随着微电子技术的飞速发 展，微处理器性能的提高，以及各种智能控制理论的完善和实用化，更好的控 制策略将在s r d 中得到切实应用。 1 5 国内外研究现状 开关磁阻电机为高度非线性系统，具有双凸极集中绕组的几何结构，磁阻 转矩是定子电流与转子位置两者的非线性函数( 1 i 】。传统的控制方法难以适应 s r m 的非线性、变参数控制要求。由于在磁链饱和的条件下运行，普通线性控 制方法所得到的s r d 系统转矩脉动值通常较大【1 2 】【1 引。因此，用于抑制s r d 转 矩脉动的控制策略必须是非线性的，s c h r a m m 通过预先建模确定的最优电流波 形来减小转矩脉动【1 4 1 ，这种方法需要精确的系统参数来进行s r m 建模，因此 该控制方法对模型参数的变化和测量仪器的精度都很敏感。王旭东等采用电流 双幅值斩波控制，控制方法较简单，但是对转矩脉动的抑制效果有限【i5 1 。郑洪 涛等采用矢量控制来抑制转矩脉动，但是未给出明确的实验波形【l6 1 。文献 1 7 】 采用建立非线性表格补偿非线性转矩误差的办法。文献1 1 8 1 1 9 通过使用神经网 络控制来对系统非线性部分进行建模分析，减小了控制器所需存储空间的容量， 但却提高了控制器在线的计算量。s a y e e d 采用自适应模糊控制策略实现了转矩 脉动有效抑制1 2 0 】。i s l a m 在基于滑模位置和速度观测器的基础上，提出了基于电 流混合控制器的转矩脉动最小化策略【2 。h u s a i n 对于采用转矩分配方式的转矩 浙江大学硕十学位论文 脉动最小化控制器进行了一系列深入的分析，为了达到运行效率和实现宽范围 调速，混合控制器被采用 2 2 1 。g eb a o m i n g 使用类似的转矩分配法，提出了基于 内模控制策略的控制器【2 3 】，值得注意的是，通过选取固定的转子位置临界点作 为重叠区域的换向点，减少了需要跟随转速而动态确定换向点的计算量。但是， 以上提及的一类利用转矩分配函数( t o r q u es h a r i n gf u n c t i o n ，t s f ) 将转矩分配到 各相分别输出的控制策略中。由于s r m 高度非线性的结构，将转矩对应到电流 的过程中，都采用了通过反复测量建立相应表格，反查表的方式将指定转矩值 转化为指定电流波形，然后通过另外一个表格完成对输出转矩的观测。而使用 该种方法对电机本体的建模以及关键参数测量精度的依赖性很高，且不利于广 泛采用。s k s a h o o 使用迭代学习控制策略来减小转矩脉动【2 4 l ，该方法不需要 预知电机的精确模型参数，克服了对s r m 进行控制过程中普遍存在的困难，具 有较高的精度和较好的推广作用，但其控制器输出电流波形和选用普通s r m 作 为研究对象，输出恒定转矩所对应的微带缺口的电流波形略有不同。i n d e r k a 利 用直接转矩控制方法来抑制转矩脉动【2 5 1 。 归纳来看，目前在抑制转矩脉动方面所采取的方法基本属于两大类：第一 类是利用转矩分配函数，将合成转矩分配到各相，然后对相电流或磁链波形进 行优化，使瞬时合成转矩恒定；第二类通过对转矩输出的估算和测量值，直接 控制输入信号，从而抑制转矩脉动，一般被称为“直接转矩控制”。 1 6 本课题研究的主要内容 随着开关磁阻电机的应用领域的不断扩大，s r m 转矩脉动严重的问题日益 成为限制其进入更多工业应用领域的障碍。伴随着微控制器性能的快速提高， 以及一系列先进控制理论的进一步完善，如何解决s r m 转矩脉动较大的问题， 逐渐成为众多学者的研究热点，且已经有了一些初步成果。在减小s r m 转矩脉 动方面，国外的研究成果较多，国内目前所能找到的研究成果较少，且较多研 究成果没有给出实际的实验结果分析。 本人在查阅了大量相关文献的同时，对迭代学习控制理论进行了学习和实 用化研究，选择基于迭代学习控制的s r m 转矩控制策略，作为课题的研究方向。 并做了以下工作：迭代学习算法理论的推导和收敛性分析；s i m u l i n k 对基于迭 6 浙江大学硕十学位论文 代学习控制的s r m 控制系统进行了仿真；以t i 公司高性能d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心搭建了一套实验系统，分别对基于i l c 的高性能电流控制器，以 及基于i l c 的转矩控制器进行了实验研究和结果分析。论文的情况大致如下： 第一章为概述，介绍了开关磁阻电机的发展情况，基本驱动系统构成；以 及在减小转矩脉动方面，国内外目前的研究现状。 第二章主要介绍了s r d 的运行机理：包括s r m 本体及其线性数学模型； s r d 的构成和目前通常采用的三种控制策略，简要给出了a p c 和c c c 两种基 本控制方式下转矩脉动的一般性情况。 第三章介绍了迭代学习控制理论并对其收敛性情况进行了论证和分析；建 立了s r m 非线性模型，采用s i m u l i n k 对基于i l c 的转矩控制器进行了仿真， 给出了仿真波形。 第四章详细介绍了基于i l c 的转矩控制器实际实验系统：包括将控制策略 运用于实际系统的具体思路和方法，系统的硬件结构和软件流程。 第五章分别给出了基于i l c 的电流控制器，转矩控制器的实验波形和结果， 并结合理论进行了分析。 第六章为实验总结和展望，提出不足，指出进一步研究的方向和设想。 7 浙江人学硕上学位论文 第二章开关磁阻电机调速系统构成和基本控制策略 开关磁阻电机调速系统是s r m 本体与现代电力电子技术、微机控制技术相结合的产 物，已逐渐在电动调速领域内获得一席之地，获得广泛的关注，且发展潜力巨大。本章将 对开关磁阻电机调速系统的结构和基本控制策略加以阐述。 2 1 开关磁阻电机调速系统 2 1 1s r m 的结构 s r m 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 。 s r m 属于磁阻式电机，这类电机基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原 理运行。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。 s r m 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，如图2 1 所示【2 6 】。相数多，步距角小，利于减小转矩 脉动，但其结构复杂，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。 两相吖壤溅 国) 兰捆6 4 极s 黔 四相8 6 极s 翳 啦j 图2 1 开关磁阻电动机结构图 8 五捆l o 8 梗s 黔 d 浙江大学硕士学位论文 2 1 2s r d 的基本工作原理 s r d 的基本工作原理与磁阻( 反应) 式步进电机一样，基于磁通总是沿磁阻 最小( 磁导最大) 的路径闭合的原理。当定、转子齿中心线不重合，即磁阻不为 最小时，磁场就会产生拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁阻最小的位置。如 图2 2 所示，当闭合开关时，定子a 相绕组流过电流，转子上某一齿和a 相齿 的中心线不重和，则a 相电流产生的磁场将产生电磁力，使转子沿着使定、转 子齿中心线对齐的方向旋转一个角度，最后使转子齿对准a 相中心线。因为转 子极数比定子极数少，转子极距比定子极距大，转子另一个齿又与定子b 相中 心线出现偏移。此时关断a 相开关，a 相电流可通过续流二极管反馈电源；闭 合b 相开关，b 相电流产生的磁场力又会使转子转过一个角度。如此类推，当 定子各相依次通电，电机转子将一步一步地沿着通电相序的方向转动。改变定 子各相通电次序，电机将改变转向，但相电流方向的改变不会影响转子的转向； 改变每相的通电时刻，可以使s r m 运行在电动机或发电机工作状态【2 7 】【2 剐。 2 2s r m 的数学模型 图2 2s r m ( 8 6 极) 的基本结构 s r m 在运行过程中，理论上与任何机电装置运行理论在本质上没有区别， 也可以看成是一对电端口和一对机械端口的二端口装置，对与m 相s r m ，在 不计磁滞，涡流以及绕组间互感时，系统的示意图如图2 3 。图中j 为s r m 转 子及负载的转动惯量，d 代表粘性摩擦系数，t l 表示负载转矩。 9 浙江大学硕上学位论文 卜- = 卜 jd t u | d 毫 无损磁场系统 纯，国 卜_ 二卜 h 。d i ，b d r 纯，易 r n l 上 卜_ 二卜 。d t o , 一 d l 劬9 图2 3r n 相s r m 系统示意图 设s r m 的定子相数为m ，定予极数s = 2 m ，转子极数m 。s r m 定子每换 相一次，转子转过一个转子极距，即定子需要换相m 次转子转过一周。因此， 电机转速n ( r p m ) 与绕组电压开关频率厂的关系为： 力= 6 0 上 ( 2 一1 ) i v , 、 s r m 相绕组的电压瞬时值与磁通的关系遵循法拉第定律，可表示为： = 墨+ 百d o k ( 2 - 2 ) 磁通吼是相电流如和转子位置0 的函数，因此，式( 2 2 ) 可扩展为【1 】 = 盈+ 篑鲁+ 等警= r + ( 厶+ 簧 鲁+ 毒面o l k 面d o c 2 卸 按照力学定理可以列出在电动机电磁转矩和负载转矩作用下，转子的机械 运动方程： r , = j d 讲2 p 一+ 。百d o + 互 机电联系方程： s r m 在计算瞬时电磁转矩时， 一相瞬时转矩为： ( 2 - 4 ) 一般根据虚位移原理，由磁共能推导，任意 r = 万o w i ，一 式中，磁共能形= f q d i = f t ( o ，i ) i d i l o ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 浙江大学硕上学位论文 s r m 采用双凸极铁心结构，并且只在定子上安装各相励磁绕组，因而它的 运行和分析均有别于一般的传统电机。s r m 在运行过程中，为了得到较大的转 矩体积比，内部磁链一般都是高度饱和的。因此，s r m 的电感量，磁链，转矩 等主要运行参数都是转子角度位置和定子电流的高度非线性函数；电流和磁链 随时间和位置呈单向脉冲性变化，气隙磁场也是脉动性质的。开关磁阻电机内 部的电磁关系和运行特性都非常复杂，要建立精确的数学模型非常困难，在工 程和实际应用中，常常对电机模型进行一些简化分析【2 7 】【2 9 】【3 0 】。 ( 1 ) 主电路电源的直流电压( u ) ； ( 2 ) 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； ( 3 ) 半导体开关器件为理想开关，开关动作是瞬时完成的； ( 4 ) 忽略铁心的磁滞和涡流效应，即忽略所有的功率损耗； ( 5 ) 极尖的磁通边缘效应忽略不计； ( 6 ) 在一个电流脉动周期内，认为转子的转动角速度，是常数。 以下研究分析皆以上述假设为基础。 s r m 的线性电感模型如下，如图2 4 。 一 。r 。厂 一 定子 1 17 r 、 后沿 前沿 ；，lj r 上( 口) op 7 o 。 一 、- 地 1 、- - 一 0 l 0 0 20 3f 。0 4口5 l矿 图2 4 相绕组电感线性模型 随着转子位置的不同，电感周期性地发生变化，定转子重合时，电感最大； 分开时，电感逐渐变小，在每个具体区域，电感曲线都呈线性，这样可以极大 地方便计算和分析，同时也不会跟实际电感曲线相差太远。由图2 4 可以得出 “理想化 的线性开关磁阻电动机相绕组电感的分段线性解析式，即： 浙江人学硕士学位论文 ik i 。q 0 岛 砌，- 竺电卜k篙羞 陪7 ， l k - k ( o - o 。) 幺口 o ，电磁转矩性质为电动转矩，输出机械能； “【， 0 ( 吼，0 5 ) ，电磁转矩性质为制动转矩；0 ( q ，睦) u ( b ，良) ，电磁转矩为零。 因此，为使s r m 输出较大的有效驱动转矩，应该尽量提高电动转矩，即在绕组 电感上升时，使流过绕组的电流尽可能大；应该减少制动转矩，即在绕组电感 开始减少时，使绕组电流以最快的速度衰减到零。 对于开关磁阻电动机来说，为了得到较大的有效电动转矩，一方面应尽量 增加电动转矩，即在绕组电感随着转子位置变化而上升的区域内流过的较大电 流。通常在电感刚开始上升点如之前接通主电路电源，这时电路起始的有效电 感为三m i n ，从而使绕组电流迅速建立起来，当转子转到兜处时，电流上升到最 大值，随后因电感的上升以及旋转电动势的产生，一般电流不再上升。另应尽 量减少制动转矩，即在绕组电感开始随着转子位置变化而下降时应尽快使绕组 电流衰减到零，为此，关断角0 0 f f 应该设计到最大电感到达之前。某一相的主 开关器件关断后，反向电源电压加在绕组的两端，电流流向电源，绕组电流迅 速下降，以保证在电感下降区内流动的电流很小，并很快下降为零。 典型的相电流曲线如图2 5 所示，导通后迅速到达最高点，然后随着电感 的上升缓慢下降，关断后迅速下降。电流的波形与开通关断角有密切关系，改 1 3 浙江大学硕士学位论文 变开通角或者关断角，电流波形会有相应变化。 玎即 图2 5s r m 相电流波形与电感关系图 2 3s r m 调速系统( s r d ) 2 3 1s l i d 的构成 开关磁阻电机调速系统结构如图1 1 所示，主要由4 部分组成：开关磁阻 电机( s r m ) 、功率变换器、控制系统、检测系统。s r m 是实现机电能量转换的 部件，也是此系统区别于其它电动机调速系统的主要标志。功率转换器负责提 供能量，一般是由交流电经整流后得到的直流供电。控制器是此系统的核心， 处理反馈信号，计算转速、转子位置，从而输出相应控制信号来控制电机，实 现需要的功能。检测系统一般包括电流检测和位置检测，为控制系统提供必需 的信号。s r m 己在2 1 中作了详细论述，下面简要介绍功率变换器、控制系统 以及检测系统。 2 3 1 1 功率变换器 目前可供选择的功率变换器主开关器件有普通晶闸管( s c r ) 、可关断晶闸管 ( g t o ) 、大功率晶闸管( g t r ) 、功率m o s 场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极性 晶体管( i g b t ) 等。开关器件的选择与电动机的功率等级、供电电压、峰值电流、 成本有关；与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关损耗、抗冲击性、 1 4 浙江大学硕士学位论文 耐用性、并联运行的难易性、峰值电流定额和有效值( 或者平均值) 电流定额的 比值大小以及市场普及性等也有关【3 1 1 。 功率变换器的主电路拓扑结构形式多样，常见的有： + u v d 6 图2 6 不对称半桥线路( 三相) ( 1 ) 不对称半桥式 图2 5 为采用不对称半桥线路作为主电路结构的开关磁阻电动机调速系统 的功率变换器【3 2 】【3 3 】【矧，每相有两个主开关器件，从图中可以看出，采用不对称 半桥线路作为主电路的功率变换器具有以下的特点：有效的全部电源电压可用 来控制相绕组电流；相控独立性较好，对开关磁阻电动机相数没有限制；线路 中每相需要两个主开关器件，开关管子需求太大。总之，不对称半桥线路适用 在高压、大功率以及开关磁阻电动机相数较少的场合下。 ( 2 ) 双绕组功率变换器 + u 图2 7 双绕组功率变换器( 三相) 图2 7 所示为双绕组功率变换器的主电路结构。双绕组功率变换器要求开 关磁阻电动机每相有一个二次绕组与一次绕组完全耦合( 一般采用双股并绕，匝 数比为1 ：1 ) 。如图所示，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名 端反接，其匝比为1 ：l 。主开关导通时，电源u s 对主绕组供电；当其关断时， 靠磁耦合将主绕组a 的电流转移到副绕组b ，通过二极管v d 续流，向电源迅 浙江人学硕+ 学位论文 速回馈电能，实现强迫换相。由于主、副绕组之间不可能完全耦合，在关断瞬 间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故需要有良好的吸收电 路。另外，由于采用主、副两个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。 ( 3 ) 采用分裂式直流电源( 电容分压) 的功率变换器 图2 8 所示为采用分裂式直流电源的功率变换器的主电路结构 2 9 1 。 图2 8 采用分裂式直流电源的功率变换器( 四相) 这种功率变换器的主电路结构的外加直流电源u 。被两个裂相电容c 。一分为 二，两相绕组的一端共同接至双极性直流电源的中点，因此，该功率变换器方案 只适用于偶数相的开关磁阻电动机。相绕组的额定工作电压仅为电源电压的一 半。该电路须限制中点电位u o 的漂移。 ( 4 ) 再生式功率变换器( 公共开关式) 图2 9 所示的是再生式功率变换器的主电路结构【6 】。 ，r 门 v f - ul 吼 ? 3 a 一 u 。+ 岫f _ 、c s 。 。 图2 9 再生式功率变换器( 三相) 这种功率变换器的电路中增加一个与所有相都成串联关系的附加开关v f m ， 附加的开关器件与某相的主开关器件同时开通，同时关断。公共开关对供电相实 施斩波控制，当开关同时导通时，电源u 。向相绕组a 供电；当v i 导通、v f m 关断 时，相电流经v d 续流。当开关都关断时，电源u s 通过v d 和v d l 反加于相绕组a 两端，实现强迫续流换相；若v f m 导通、v l 关断时，相电流将经v d 续流，因相 1 6 浙江大学硕上学位论文 绕组a 两端不存在与电源供电电压反极性的换相电压，这不利于实现强迫换相。 还有其他一些较特别的结构在此处就不做详细的介绍了。 2 3 1 2 控制系统 s r d 系统的控制问题包括：控制器的构成、系统控制的基本方法，运行性 能的优化以及系统作为速度闭环控制的分配与综合等【3 5 】【3 6 1 。 s r d 系统中，要求控制器具有以下功能：( 1 ) 实现电流斩波控n ( c c c 控制) ； ( 2 ) 实现角度位置控s w ( a p c 控制) ；( 3 ) 实现启动、制动、停车及四象限运行；( 4 ) 速度调节。 控制器还应配有电流和电流斩波电路。在进行速度调节时，可采用比例一 积分控制算法( p i 调节) 、比例微分控制算法( p i d 算法) 和锁相坏路控制算法( p l l 调节) 等。若采用这些算法，则还需要速度差和频率相位差检测电路等。此外， 控制器还应具备运行状态转换、控制信号输出逻辑、转速显示等电路。如果采 用微机构成控制器，其许多控制功能都是由软件完成的，根据具体开关磁阻电 动机的性能制定合理有效的算法，根据软件编程来实现各个缓解的控制，一般 来说，软件程序由一个主程序和若干个中断服务程序组成。主程序的功能是设 置参数初始值、外围接口芯片初始化、电动机启动、速度调节、查询运行情况、 要求改变状态及相应处理、转速计算及显示等。 2 3 1 3 检测系统 检测系统包括电流检测和位置检测两部分【3 7 1 。 ( 1 ) 电流检测 开关磁阻电动机调速系统需要进行相电流的检测，电流检测是开关磁阻电 动机调速系统电流斩波控制方式的需要，也是实现过流保护的需要。开关磁阻 电动机的相电流具有单向、脉动以及波形随运行方式、运行条件不同而发生很 大变化的特点。因此，开关磁阻电动机调速系统电流检测器需要具有以下的性 能特点： ( a ) 快速性能好，从电流检测到控制主开关器件动作的延时应该尽量小； ( b ) 被检测的主电路( 强电部分) 与控制电路( 弱电部分) 之间应该有良好的隔 离，并且具有一定的抗干扰能力； ( c ) 灵敏度高，检测频带范围宽，可测含有多次谐波成分的直流电流； 1 7 浙江大学硕士学位论文 ( d ) 单向电流检测，在一定的工作范围内具有良好的线性度。 目前，开关磁阻电动机调速系统的电流检测方法主要有：( i ) 电阻采样法； ( i i ) 直流电流互感器采样法；( i i i ) 霍尔电流传感器元件采样法；( i v ) 磁敏电阻采样 法。本课题所设计的系统选用的是霍尔电流传感器元件采样法来进行电流检测， 四相开关磁阻电动机使用四个霍尔电流传感器分别对四相相电流进行检测。具 体方法将在后面进行详细的介绍。 ( 2 ) 位置检测【3 6 】 位置检测是开关磁阻电动机调速系统实现自同步运行的前提条件，对于系 统的位置检测环节，目前主要分为两类，即直接位置检测和间接位置检测。直 接位置检测一般是指使用光电式、磁敏式位置传感器以及接近开关等器件进行 位置检测；而间接位置检测是指无位置传感器检测方法，比如定子绕组瞬念电 感信息的波形检测法、基于状态观测器的无位置传感器检测法以及反串线圈检 测法等技术。本课题设计系统运用迭代学习算法对电机实行转矩脉动最小化控 制，需要得到转子的精确位置信息，因此采用多摩川公司增量式编码器作为位 置检测装置，具体电路将在后续章节介绍。 2 3 2s r d 的基本控制策略和转矩脉动情况 2 3 2 1s r d 基本控制策略 开关磁阻电机转子上没有绕组，只有定子绕组。s r d 调速系统的控制参数 主要有开通角、关断角、主电路电压以及相电流等，因此它的控制策略也就是 针对这几个参数的调节以达到运行要求。根据改变控制参数的不同方式，目前 s r m 主要有3 种控制模式【3 3 。3 7 1 ，即角度位置控匍j ( a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o l ，简 称a p c ) 、电流斩波控n ( c u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o l ，简称c c c ) 与电压控铝t j ( v o l t a g e c o n t r o l ，简称v c ) 。其中，a p c 是电压保持不变，通过改变开通角和关断角调 节电机转速，适于电机较高速区，但是对于每一个由转速与转矩确定的运行点， 开通角与关断角有多种组合，每一种组合对应不同的性能，具体操作较复杂， 且很难得到满意的性能：c c c 一般应用于电机低速区，是为限制电流超过功率 开关元件和电机允许的最大电流而采取的方法，c c c 实际上是调节电压的有效 利用值，与a p c 类似，它也可以随转速、负载要求调节开关角；v c 是在固定 1 8 浙江大学硕士学位论文 的开关角条件下，通过调节绕组电压控制电机转速，它分直流侧p w m 斩波调 压、相开关斩波调压与无斩波调压，而无斩波调压是通过调节整流电压以响应 电机转速要求，在整个速度范围内只有一个运行模式，即单脉冲方式。 ( 1 ) 角度位置控s e j ( a p c ) 当电动机在高速段运行的时候，旋转电动势比较大，而且各相主开关器件 导通的时间比较短，因此相电流比较小，不适合用电流斩波控制方法( c c c ) 。 此时可以通过调节开通、关断角度的大小来实现转速和转矩调节。在2 1 中已 经提到，在电感上升区导通的话，电流可以产生正向转矩；反之若在电感下降 去导通，则会产生反向转矩，因此如何选择一个合适的开通、关断角变化范围 极为重要。 若假定转速和母线电压不变，固定关断角0o f f 而调节开通角0 蚰，随着开通 角0 的减小，开通电流时间增加，如图2 1 0 ( a ) 所示；同时固定开通角0o n 而 调节关断角oo f f 随着关断角eo f f 的增加，开通电流时问增加，如图2 1 0 ( b ) 所 示【1 1 0 “) 调节开通角 o ) 调节关断角 图2 1 0 角度位置控制方法( a p c ) 从图2 1 0 ( b ) 可以看出，调节关断角，相电流幅值改变明显。因此，实际采 用的角度位置控制方法( a p c ) ，都是先优化固定关断角0o 厅，然后闭环调节开通 角0 硼。对于调速范围较宽的情况，可以分段优化固定关断角0o f f ，然后再分别 对各段加以调节控制。