（电机与电器专业论文）开关磁阻电机控制策略和控制参数的优化.pdf

北京交通大学硕e 学位论文第2 贞共9 3 负 噪声、转矩噪声随开通关断角变化曲线的相应的变化过程等实验，结果 表明优化过程的结果确实有效的抑制了转矩脉动。 本系统选用关圈t i 公司生产的专门面向电机控制的d s p 控制器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为主控芯片，绝大多数功能均由软件实现，d s p 的内部 资源和高速运算能力都得到了充分利用，同时也大大减小了c p u 外罔电 路的复杂度。 关键词：开关磁阻电机，离散滑模变结构控制，p i 控制，丌通关断角 优化，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 北京交通大学硕上学位论文 c o n t r o ls t r a t e g ya n dp a r a m e t e r s o p t imiz a tio n o fd s p b a s e ds r mc o n t r o l l e r a b s ，r r a c t s r m ( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r lc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n t h ef o c u so fi n t e n s i v er e s e a r c he f f o r t sb e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so f f l e x i b l ec o n t r o ls t r a t e g y , s i m p l es t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t y ，e x c e l l e n t e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c s t h i st h e s i sd e s c r i b e st h er e s e a r c hp r o c e s s o fs r m sc o n t r o l s t r a t e g ya n dc o n t r o lp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n a n d d e s i g n t h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e so ft h es r mc o n t r o la r e f i r s t l y s t u d i e do nt h eb a s i so f a n a l y z i n g s r m s a d j u s t a b l e s p e e d c h a r a c t e r i s t i c s s r mi sas t r o n gn o n l i n e a rs y s t e m ，i ti sh a r dt o b u i l dap r e c i s em o d e lt os i m u l a t ei i sf u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c t o o s i m p l em o d e l o rt o oc o m p l e xm o d e la r ea l ln o tf i tt ob ea p p l i e d i n t op r a c t i c a lp r o j e c t st h i st h e s i sp r e s e n t saa p p r o x i m a t e l yl i n e a r m o d e lo nt h eb a s i so fs r m sb a s i ct h e o r i e sa n dt h ea c t u a l m a g n e t i z a t i o nc h i v e sf o rt h es r m s i m u l a t i o n i nt h e p r o c e s s o ft h ec l o s e l o o p c o n t r o l s t r a t e g i e s o p t i m i z a t i o n ad i g i t a lp 1r e g u l a t o r f o rs r mi sd e s i g n e df i r s t l y , b u t p 1c o n t r o lc a n td ow e l l i nt h ea s p e c to fd y n a m i c r e s p o n s e b e c a u s e o ft h e s t r o n g n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fs r ma n dt h es r m m o d e l sp r e c i s i o nl i m i t a t i o n s ot h i st h e s i si n t r o d u c e ss l i d i n gm o d e c o n t r o ls t r a t e g yw h i c hc a na c h i e v eg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c ei n s p i t eo f t h em o d e l s p r e c i s i o n l i m i t a t i o nw h i l ei t ss t a t i cp r e c i s i o ni s u n s a t i s f a c t o r yd u e t oc h a t t e r p r o b l e m t o c o m b i n et h ea d v a n t a g e s o ft h i st w os t r a t e g i e s t h i st h e s i sa d o p t sd i s c r e t cs l i d i n gm o d e p i 北京交通犬学硕上学位论文第4 页共9 3 页 c o n t r o li n t ot h eo u t e r l o o pa n dp ic o n t r o li n t ot h ei n n e rl o o p e x p e r i m e n t sp r o v e t h a tt h ew h o l e s y s t e m a c h i e v e s p r e f e r a b l es t a t i c a n d d y n a m i cp e r f o r m a n c e s a i m i n gt o m i n i m i z et h es r m s t o r q u er i p p l e ，t h ea n g l e c o n t r o lp a r a m e t e r s ，t h a ti s ，t h eo p e n a n g l e a n dt h ec l o s ea n g l ea r e r e s p e c t i v e l yo p t i m i z e db yd i g i t a l s i m u l a t i o no nt h eb a s i so ft h e a n a l y t i c a lm o d e l b u i l tb e f o r e as e r i e so f e x p e r i m e n t si n c l u d i n gt h e m o t o rn o i s et e s ta n d t o r q u er i p p l et e s ta c c o r d i n gt ot h eo p e na n g l e a n dc l o s ea n g l e sc h a n g i n g p r o c e s sw e r e f i n i s h e d t h ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h eo p t i m i z i n gr e s u l tr e s t r a i n st h et o r q u er i p p l ea n dt h e m o t o r sn o i s e e f f e c t i v e l y t h es r mc o n t r o l s y s t e m i s i m p l e m e n t e db a s e do nd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d e v e l o p e db yt ie s p e c i a l l yf o rm o t o rc o n t r 0 1 m o s tf u n c t i o n sa r ef u l f i l l e db ys o f t w a r e t h ei n n e rr e s o u r c ea n d h i g ho p e r a t i o na b i l i t yo fd s p a r ef u l l yu t i l i z e d ，t h eo u t e rc i r c u i ti s g r e a t l yp r e d i g e s t e d t o o 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 l i d i n gm o d ec o n t r o l ，p i c o n t r o l ，o p e na n g l e a n dc l o s e a n g l eo p t i m i z a t i o n ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 北京交通人学硕士学位论文第9 贝j t9 3 页 第一章绪论 1 1 选题背景 1 8 8 4 年，世界上第一台直流电动机问世，山于其特殊的结构，使得 直流电动机的电磁转矩具有十分优良的控制特性，只要调节电动机的输 入r 乜压或励磁电流，就可以在宽j 1 j 的范围内实现无极调速。然而，直流 电动机利用电刷利换向器进行换相时会产生换相火花，使之无法做成高 速、大容量的机组；而且，直流电动机的价格往往是同功率交流电动机 的2 - 3 倍，且体积大，需要更多的维护，不易在潮湿、多尘条件下运行。 1 9 7 3 年，席卷全球的能源危机推动了异步电动机调速技术的发展，为充 分利用异步电动机优良的经济性及易向高压、高速、大容量方向发展的 固有优势，义获得良好的调速性能，电气传动领域依托多变量解耦控制、 变结构控制、模型参考自适应控制等现代控制理论和性能优良的大功率 全控型开关器件及 _ 1 新月异的微机技术，使得进入9 0 年代后，交流电动 机及其控制系统f 在取代直流调速而r 寺据调速领域的主导地位。但这些 交流调速系统也存在系统复杂、价格昂贵、力能指标有待进一步提高等 问题。i f 是在交流调速技术得到迅速发展的8 0 年代，圜外推出一种交流 j 脚童屯动机新品种，f ：关型磁阻电动机( 8 r 电动机) ，因s r 电动机结构简 单、峰固、工作可靠、效率高，由其构成的调速系统一开关型磁阻电动 机调速系统( s r d ) 运行性能和经济指标比普通的交流调速系统要好，具有 很大的应用潜力，i 訇而近1 0 年来，它在交流调速领域异军突起，发展颇 为迅速，成为当代电气传动领域的热门之一。 各圈学者在本领域的辛勤研究，促进了开关磁阻电机调速系统的发 展和完善，但是，由于开关磁阻电机调速系统的结构特殊，控制参数较 多，电机结构及功率变换器拓扑型式较多，至今仍末形成完整、成熟的 丌关磁阻电机控制及发讣理论，特别在控制级实现方面存在如下不足： ( 1 ) 如何协调控制参数以获得最佳的稳态性能。 j e 京交通人学硕十学位论立第1 0 贞共9 3 页 ( 2 ) 针对开关磁阻电机的非线性、数学模型不精确、离散控制等特 点，设计何种性质的调节器以满意地实现速度闭环控制，如何刘其动态 性能进行全面系统研究。 ( 3 ) 抑制振动和噪声的方法。 冈此，本文围绕丌关磁阻r 巳机的控制方式，改善稳态控制策略和算 法设计，针对抑制转矩脉动的最优控制参数选择等方面展开研究，对完 善开关磁阻电机的控制理论及系统整体性能，有熏要的意义。 1 _ 2 开关磁阻电机调速系统特点 与有逆变器供电的感应电机调速系统相比较，开关磁阻电机调速系 统有如下特点：电机转子上没有任何绕组，因而不会有鼠笼铸造不良、 疲劳故障和转速限制等问题；定子特别简单，端部较短，没有相间跨接 线，因此制造方便：效率、单位总内部体积的转矩和转矩惯量比均优于 感应电机；丌关磁阻电机绕组电流单向，凶此功率开关器件的数量可较 少；各相可独立控制，绕组与功率开关串联，避免了感应电机逆变器中 常见的直通现象；开关磁阻电机是自同步运行，不会出现逆变器供电的 感应电机在低频时出现的不稳定和振荡现象。 开关磁阻电机具有与直流电机专h 近的固有特性，但没有换相火花、 维修困难等缺点；其四象# 良运行实现也比较简单，可以提供灵活的转矩 转速特性，以适合于加速运行、稳定运行以及制动运行：直流调速系统 中电机本身占系统成本的大部分，且今后还会增加，但在丌关磁阻电机 调速系统中，功率变换电路和控制电路占成本的大部分，随着电力电子 和计算机技术的发展，价格必然下降，有利于开关磁阻电机调速系统进 一步降低成本。 开关磁阻电机结构与大步距角步进电机较为相似，两者的运行原理 基本相同，但在控制和应用方面有根本的差别，开关磁阻电机根据反馈 的位置信号在适当的转子位置通断绕组电流产生可控的电磁转矩，不会 出现步进电机中的失步现象，而在步进电机控制中一般根据脉冲分配器 轮流导通各相，没有转子位置反馈；步进电机多用于小功率位置控制系 统中，而开关磁阻电机调速系统可用于功率驱动系统中，因此对电机的 北京交通人学硕士学位论文第n 页共9 3 页 出力、效率等指标要求较高。 开关磁阻电机与无换向器( 无刷直流) 电机均需要借助于转子位置检 测信号触发相应相，四象限运行较为简单，但两者在结构上有根本区别， 日开关磁阻电机可控参数更多，启动性能也优于无换向器电机。 可见，丌关磁阻电机调速系统综合了交直流调速系统的许多优点， 可以归纳如下： ( 1 ) 电机结构简单，制造工序少，成本低，维修量小。 ( 2 ) 电机转子结构形式对转速限制小，可以制造成高转速电机；转 动惯量小，动态响应迅速。 ( 3 ) 转矩方向与电流方向无关，功率变换电路简单可靠，对不同的 控制要求有多种拓扑形式可供选择。 ( 4 ) 控制灵活，可以通过控制电压、绕阻电流丌天角、电流幅值等 参数，得到满足不同负载要求的机械特性。 ( 5 ) 可方便地实现四象限运行，起动转矩大，并能有效控制起动电 流，能频繁正反转、起帝j 动，且可实现软起动。 ( 6 ) 转子无励磁和转差损耗，效率和输出转矩在宽广的速度和负载 范围内川保持较高水平。 ( 7 ) 开关磁阻电机调速系统一般为转速闭环系统，稳态精度较高， 调速范围宽广，在电流每次换相时可以方便地控制转矩的大小和方向， 因而系统具有良好的动态响应。 ( 8 ) 电机和功率变换电路各相独立，在局部相发生故障时财其它相 影响不大，因而具有良好的容错性能。 但是，由于电机的特殊结构，开关磁阻电机调速系统也具有一些明 鼹缺点： ( 1 ) 由于绕组电流是周期性脉冲电流，电感曲线也比较复杂，因此 合成转矩脉动较大，对低速运行性能有一定的影响。 ( 2 ) 定转了问的径向磁吸力、转矩脉动等使电机的振动和噪声较大， 这也限制了开关磁阻电机在精密伺服领域的应用，通过合理的电机设计 及有针对性的控制策略等措旌可以降低这些不利因素。 北京交通人学硕上学位论史 总之，通过进一步的磷究，开关磁阻电机调速系统将会成为现有调 速系统有力的竞争者。 1 3 开关磁阻电机调速方法 丌关磁陋电机主要用于可变速驱动，因此研究其速度澍节方法非常 重要。 1 开环控制 在有关开关磁阻电机控制的早期文献中，丰要研究的是功率变换器 及控制器的设计，控制策略方而主要采取的是歼环控制策略。丌芙磁阻 电机最简单和应用最普遍的控制策略是绕组外加电压以及开关角恒定， 即根据其自然特性调节转速，改变电压或开关角可得到不同的自然特性 曲线，以满足负载要求。 以上控制参数恒定的控制策略只是使电机转速随负载自然改变，要 实现真正意义的调速可以有以下方法：电压脉宽调制( 电压p w m ) 和电流脉 宽调制( 电流p w m ) 。电压p 叭方法是值开关角恒定，采用恒频电压脉宽调 制，改变脉冲占空比即可改变施加于绕组上的有效电压，从而调节转速， 这种方法类似于直流电机通过控制电枢电压调节转速。电流p w m 方法一 般通过引入电流反馈，与给定信号比较，调节绕组电流的有效值即可改 变电磁转矩，从而调节转速。由线性分析可知，开关磁阻电机的电磁转 矩与电流有效值平方近似成正比。因此，这种方法类似于直流串励电机 通过控制励磁绕组电流调节转速，其中电流反馈还可以用来进行过流检 测。用以上简单的开环控制方法可以满足许多应用场合调速的要求，如 驱动风机一类负载。但是，由于是开环控制，淡不上具有较好的转速稳 态精度和动态响应，为了改善性能只有通过更好地设计电机本身和控制 器。因此要获得较好的动静态性能，必须采用闭环控制。 2 闭环控制 开关磁阻电机的转矩惯量比较大，转矩控制范围宽，控制参数多， 通过改变控制参数可以方便的调节转矩大小，因此从理论上说，转速闭 环的开关磁阻电机调速系统可以具有很好的动态性能，但是开关磁阻电 机转矩与电流及控制参数并没有明确的解析关系。因此，对转速闭环的 北京交通人学硕十学位论文第1 3 页共9 3 页 开关磁阻电机调速系统，根据转速偏差设计何种性质的调节器、如何快 速精确地调节电机转矩决定了系统动态性8 鼬q 优劣。 开关磁阻电机调速系统是一个强耦合的非线性多变量控制系统，采 用的传递函数等小信号描述方法很难分析整个系统的性能。对这种数学 模型不完全确定的系统，用传统的反馈控制方法很难找到一个合适的调 节器，使系统的运行在整个工作范围内满足给定的性能指标。迄今，有 关文献分别研究了p i d 控制、模糊控制、滑模控制、线性反馈控制等方 法在开关磁阻电机调速系统中的应用。 ( 1 ) pt d 控制 对一般要求，p i ( 或p i d ) 控制不失为一种简嗥可行的方法，p i 参数 可以通过仿真优化并结合实际调试经验得出，在开关磁阻电机调速系统 中应用最多的是p i 或p 1 d 控制。根据调节器输出变量的不同又可分为： ( a ) 以控制参数为调节器输 “变量。 ( h ) 以电磁转矩为调节器输出变量。 如以控制参数为调节器输 变量，实现较为简单，但在某些范围， 山丁开关角的微小变化会导致电磁转矩较大的变化，因此调节时间较长， 稳态精度不高；如以电磁转矩为调节器输出变量，直接对转矩进行控制， 动态响应及时，但需预先确定或仿真计算出稳态控制模型，另外模型误 差将影响控制性能。 ( 2 ) 滑模变结构控制 变结构控制的控制规律简单，对系统的数学模型精确性要求不高， 对于系统不确定参数及外界环境的扰动具有很强的自适应性，近年来已 被应用于直流、交流伺服系统。目自口变结构控制在丌关磁阻电机调速系 统中的应用也已有了初步的研究。g s b u j a 等较早将变结构控制理论引 入开关磁阻电机的控制中，但其研究假设电机运行于磁特性的线性区， 且认为只适用于斩波方式；s b ol o g n a n i 等将变结构控制应用于s r 电机 调速系统的电容存储电路中能量回馈斩波器的控制，控制斩波器输出电 流连续，同时使丌笑器件电流峰值及电容电压波动较小，没有应用于速 度控制。 北京变通大学硕十学位论文 ( 3 ) 其它控制方法 大功率电力屯子开关器件、快速微处理器和现代控制理论的发展进 涉促进了高性能s r 电机调速系统的控制方法。m i l i c7 等根据实验结 果建立考虑饱和的非线性模型，设计了一个状态反馈控制算法以补偿非 线性。c r o c h f o r d 等研究了基于自学习技术减小转矩脉动的自适应控制 系统。c e l m a s 等根据实测的电机磁特性应用人工神经网络建模，为了增 强系统的实时性，必须提高网络的训练速度。l 1 3 a m o r 等将自适应线性 控制j 世用于丌关磁阻电机位置跟踪系统 1 7 。 但以上控制理论在s r 电机调速系统中的应用还不够完善，尤其很少 计及丌关磁阻电机的非线性影响以及如何获得令人满意的动静态性能。 1 4 本文研究的主要内容 本文以开关磁阻电机的调速控制理论及工程实践为主题，径自u 人研 究的基础上，进步研究丌关磁阻电机调速系统的调速特性、控制方式、 整体稳态性能比较，最优稳态控制绸略、最优控制参数的选择等方面， 主要研究工作如下： ( 1 ) 从基本电磁定律出发，由电机实际磁化曲线近似的分段线性化， 建立开关磁阻电机的准线性数学模型，兼顾了实际可应用性和理论数学 模型仿真的精确性，为后面转矩脉动抑制的进一步仿真及分析打下基础； 分析了电机调速特性，综述了开关磁阻电机的各种控制方式及实现。 ( 2 ) 研究丌关磁阻电机的p i 控制，设计数字p i 调节器结构，研究 丌关磁阻电机的离散滑模变结构控制，分析系统的滑模存在性和可达性、 控制律以及稳定性，定性的确定滑模控制器参数的取值范围，给出两种 控制策略的实验结果进行性能比较，最终从系统对数学模型的精度要求 不敏感性和稳态精度两个方面来考虑，选择二者结合的滑模变结构一p i 控制，系统已经初步实现。 ( 3 ) 从减小电机转矩脉动的目标考虑，采用所建立的牙关磁阻电机 准线性数学模型，在此基础上计算出不同开关角组合的条件下各相的瞬 时转矩，从而得出系统的合成转矩和转矩脉动系数，采用网格法筛选在 给定条件下最优的开通角关断角组合，在实验中，对于电机的总体噪声 北京交通大学硕上学位论文 第1 5 页共9 3 贞 进行频谱分析，从而得出转矩脉动部分随着开通角和关断角的变化而变 化的曲线，对于实验所得的结果与仿真的结果进行了比较。 本文所有的计算及控制均是基于5 k w ，1 2 8 极，r 关磁阻电机，参数仿 真结果实验大部分足在沈阳r 业大学稀土永磁电机实验室完成，系统控 制器设计过程的大部分实验是在北京交通大学电气工程学院完成的。 北京交通大学硕十学位论文第1 6 贞姓9 3 页 第二章开关磁阻电机控制理论基础 2 1 引言 开关磁阻电机调速系统是国外在八f 年代推出的一种性能价格比很 高的无级调速系统，在结构和性能上它兼有两者许多优点。本章介绍了 丌关磁阻电机的结构和系统运行原理。 建立开关磁阻电机的数学模型不仅可以揭示其物理本质，而且也是 性能分析，系统仿真的前提。由于在电机运行中定、转子极身存在显著 的边缘效应和高局部饱和效应，因丽磁路高度1 线性，电磁关系非常复 杂，绕组电感不仅只是电流的非线性函数，也是转子位置的非线性函数， 难以用简单的解析表达式表示，因此很难建立精确- 叮解的数学模型。本 章将从最基本的电磁关系出发，给m 开关磁阻电机的一般化模型及其求 解方法，分别针对理想化线性模型和准线性模型对电机的电感，电流和 转速转矩进行了细致的分析。 2 2 开关磁阻电机基本结构及原理 22 1 基本结构 丌关磁阻电机是开关磁阻电机调速系统的执行元件，它的结构和工 作原理与传统的交直流电机有着根本的区别。它遵循磁通总是要沿着磁 导最大的路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩磁阻性质的电磁转矩。 因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所 以丌关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子 极数不同。 二十多年来，研究人员提出了各种电机结构方案，按相数分有单相、 两相、三帽和四相，其中对三相和四相开关磁阻电机研究最为广泛。按 照每极齿数分有单齿和多齿结毒勾，般酿来，多齿结构单位铁芯体积出 力要大一些，但其铁芯和主开关元件的开关频率和损耗也增加，这将限 北京交通人学硕卜学位论文第j 7 页燕9 3 页 制r 关磁阻电机的商速运行和效率，因此，一般不使用多齿结构。按气 隙磁场分有轴向和径向结构，单相开关磁阻电机人多采用轴向结构。 瘳国 图2 - 1 电机结构示意图 f i g 2 - 1 s k e t c hm a po fs l i m l 前端盖2 机壳3 吊环4 定子铁芯5 轴6 后端盖7 固定环8 光电传感元件 9 光电盘1 0 风扇1 1 风扇罩1 2 绕组13 槽楔14 转子铁芯15 接线盒 图( 21 ) 给出了所研究的开关磁阻电机结构，可见，该电机结构总体 布局与密封式笼型感应电动机结构基本一敛，只是在后端盖和风扇之问 增加了角位移传感器。为了方便锘i 造和增强零件的互换性，它的机壳前 端盖、接线盒以及轴伸的形状和尺寸与后者完全一致。定子铁芯山硅钢 片叠成，叠装后压入定子机壳，这也与y 系列电动机相同。但是：者定 子冲片的形状却大不相同，这里定子冲片e 只有1 2 个齿槽。转子铁芯也 足山硅钢片叠成，压装在转轴上。转子片上只有8 个齿和槽，该开关磁 阻电动机为三树1 2 8 极结构。 2 2 2 工作原理 以所研究的t 2 8 极三相丌关磁阻电机为例，图( 2 2 ) 表示浚电机的 横切面和- - n 电路的原理示意图，s l 、s 2 足电子开关，d i 、d 2 是二 极管，e 是直流电源。它的定子和转予呈凸极形状，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得到径向磁场，转子带育位置检测器以提供转子 位置信号，使定子绕组按定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机 磁阻随着转予磁极与定子磁极的中一c 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， 北京交通人学硕士学位论文第1 8 页共9 3 页 当转子极问中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最1 1 、。 e 图2 - 2 开关磁阻电机的5 - 作原理 f i g 2 - 2p r i r i g i p l eo fs j l mo p e r a t i o n 当定子a 相磁极轴线o a 与转子磁极轴线o a 不重台时，开关s 1 、s 2 合卜，爿相绕组通电，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 转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线o a 向定子爿相磁极轴线o a 趋近。 当o a 和m 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。此时打丌a 相丌关s 1 、s 2 ， 合上口相开关，即在a 相断电的尉时b 相通电，建立以口相定子磁极为 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，定予绕组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t tr = 2 n r ) ，对于 三相1 2 8 极丌关磁阻电机，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 。空问角。可见，连续不断地按 a b c a 的顺序分别给定予各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿 爿一b c a 的方向不断移动，转子沿爿一c 一丑一爿的方向逆时针旋转。 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彳一b c 一4 方向顺 时针旋转。 北京交通大学硕+ 学位论文第1 9 页共9 3 页 2 3 开关磁阻电机驱动系统的构成 开关磁阻电动机驱动系统，是由双凸极磁阻电机、功率变换器、位 置检测器和控制器组成的机电体化的机电能量转换系统。基本框图如 图( 2 3 ) 所示。 图2 3 开关磁阻电动机控制系统的g - k , 0 0 成 f i g 2 - 3 a r c h i tr a v eo fs r mc o n tr o l s y s t e m 其中，丌关磁阻电机是丌关磁阻电机驱动系统中的执行元件，定、 转了都是由硅铡片叠成的，且均为凸极齿槽结构，定、转子极的数量不 相同。每个定子磁极上装有个集中绕组，而转予上既无绕组，也无永 磁体。丌关磁阻电机f 叮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。因为低f 三相的s r 电动机没有白起动能力，s r 一般 为三相或四相，本文所采用的电机为三相8 6 极电机。 功率变换器用来为开关磁阻电机提供所需能量，可由蓄电池供电， 在丁业应用中则常用交流整流供电。功率变换器主要由功率半导体开关 及其驱动电路、续流二极管等组成。三相开关磁阻电机常用的驱动电路 为不对称半桥结构，如图( 2 - 4 ) 所示。可见，由于相绕组串接在电路中， 因此避免了卜if 桥臂同时导通而造成电源贯穿短路的危险。图中，s 1 s 6 为主开关管，v d l 、v d 6 为续流极管，标有a 、b 、c 的三个电感线圈代表 电机的三相绕组。由图可知，如果给a 相通电，应触发导通主丌关管s 1 、 趴，此时a 向绕组承受正电压，形成电流f 4 ；如果要对a 帽进行斩波， 则有两种方法：一种是将s 1 、s 4 都关断，a 相电流通过续流二极管v d l 、 北京交通大学颁卜学位论文第2 0 页共9 3 虹 v d 4 四馈电源，并在负电压的作用下迅速下降，这种方式叫斩双管方式； 另一种是只关断一个主丌关管如s l ，另一个开关管s 4 持续导通，a 相电 流通过s 4 、v d 4 零电压续流，此时能量消耗在续流回路里，不往电源回 馈，同时因为零电压续流，电流下降相对较慢，这种方式叫斩单管方式。 本文设计f 1 勺系统采用的也是三相不对称半桥电路，采用了斩单管的方式。 图2 4 三相开关磁阻电机功率变换器主电路 f i g 2 - 4p o w e rc ir c u i to f t h r e e p h a s e ds r m 控制器是移个开关磁阻电机驱动系统的指挥中心。它根据位置检测 器、电流检测器等提供的电机转子位置、转速和电流等反馈信息以及外 部输入的控制指令，按预先设定的控制策略，经过分析处理后，向功率 变换器发出控制信号以控制其中丌关器件的工作状态( 导通或关断) ，对 各相绕组按一定规律轮流导电，从而使电机向指定旋转方向连续运转， 并具有所需要的运j j ：方式和性能。本文设计的系统控制部分采用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为主控芯片，实现电流、温度反馈a d 转换，位置信号捕 获判断，数字信号处理，数字p i 、变结构控制等控制策略实现，控制信 号输入输出等功能，是控制器的核心，其主要功能如下： i 、基于高性能静态c m o s 技术，芯片的丁作电压为3 3 v ，功耗低： 2 、指令周期3 3 n s ，实时控制能力强； 3 、两个事件管理器模块e v a 和e v b ： 4 、1 6 个a d 转换通道，转换位数为l o 位，最小转换时间为5 0 0 n s ； 5 、有控制器局域网络( c a n ) 2 0 1 3 模块、串行通信接口( s c i ) 和1 6 位 的串行外设接口模块( s p i ) ； 啪 1f 1、-_f|【i 辩 w 啪 i上j1【 r i il叶 h玉ll i 、 北京交通人学硕士学位论文 6 、高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚； 系统控制资源利用如下： l 、位置传感器三路信号：i o p f l ，i o p f 2 ，i o p i ：3 端 j ； 2 、丽板给定4 路信号： o p e l ，l o p e 2 ，i o p e 3 ，i o p 4 端口； 3 、温度信号：d s p 的内部a d 模块： 4 、电压信号：d s p 的内部a d 模块； 5 、转速给定信号：d s p 的内部a d 模块； 6 、电流采样：i ) s p 的内部a d 模块； 7 、捕获中断信号：d s p 的c a p i 、c a p 2 、c a p 3 捕获f = 1 ： 8 、相开通关断信q - ：p w m l 6 端口； 9 、速度显示：s p i 模块； 1 0 、p l & l 调甘：定时器t i 和比较单元l 3 ； l l 、角度控制定时：定时器t 4 ： 1 2 、c a n 通信：d s p 的c a n t x ，c a n r x 端口； 控制器框图如图( 2 - 6 ) 所示。 位置检测器是开关磁阻电机驱动系统至关重要的组成部分，它向控制 器提供定、转了嵫极柏对位霄信息，实现电机的位置闭环。位置传感器多 为光电式结卡，本系统的转了位置信号传感器是由光电传感元件( 固定部分) 和光电盘( 旋转部分) 构成。图( 2 5 ) 为本系统的位置传感器摆放图。在定子 l 每隔1 5 0 放置一只光电传感元件，等价于每相( 剐每隔3 0 。) 放置一只光电 传感元件，也就是说图中光电传感器a 、b 、c 的输h 分别对应着a 、b 、c i 相的位置信号。 在系统中，光电传感元件由安装底座、红外发光二极管和红外光电三 极管组成。在发光二极管和光电三极管之间有一个槽，当槽中无遮挡物时， 光线能够照射到光电三极管上，光电三极管饱和导通：当光线被遮挡时， 光电二极管截【匕。通过适当的外接电路就可以把光电三极管电平高低的变 化转化为转子的位置信号。 光电盘是与电机转子同轴旋转，均匀歼有与转子同等数目齿槽的齿 槽盘。齿槽盘与固定的光电传感元件同轴，转子旋转时，齿槽盘的齿槽 北京交通大学颁十学位论义第2 2 页共9 3 贞 从光电传感元件的槽中顺序穿过，当它的齿进入槽中时便遮挡住发光二 极管的光线，使光电二极管处于截止状态，其集电极输出高电平给d s p ： 当光电盘的槽在这一位置时，发光二极管的光线能够照射到光电三极管， 使之饱和导通，集电极输出低电平给d s p 。所以电机旋转时，每只传感器 都可以经整形获得方波信号，对于1 2 8 极电机，方波周期为4 5 0 。 惫窀镡蠛彝撑 囤2 - 5l 主置辁制基捶敢嘤 f i g2 - 5 a r c h i t r a v eo fs p , mp o s i t i o ns e n s o r 图2 - 6d s p 控常】器框图 f i g 2 - 6h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f d s p - b a s e dc o n t r o ll e t 北京交通人学硕上学位论文第2 3 页共9 3 贞 2 4 开关磁阻电机的基本电磁关系 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并发开关磁阻电机的相数为 m ，各相结构和参数对称。设p 。1 ，m 相的电压、磁链、电阻和电流及 转矩分别为u ，、q ，、r ，、f ，、0 ，转子位置角为日，转速为c 【，。 l 、电压方程 根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定予绕绀端的电压等 于电阻压降和囡磁链变化而产牛的感应电势作用之和，第p 相绕组电压 方程： 圹 鲁( 2 _ 1 ) 2 、磁链方_ f 旱 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： 掣，= 霉k 。；r ， 。，乎j( 22 ) 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般忽略相问互感，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，这时磁链方程町 近似成： 掣，= 1 王r i ，= e 0 ，弗， ( n 一3 ) 3 、转矩方程 根据机电能量转换原理，丌关磁阻电机的电磁转矩表示为磁共能对 转子位置角增加的速率 。= 掣= 丁( 2 - 。) ， a 口 o ，。7 ( 2 4 ) 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 t 2 善t 6 v , 0 )( n _ 5 )，赳l t ) ， 北京交通人学硕士学位论文第2 4 贞共9 3 页 4 、机械运动方程 ，竿：乃一日一? 7，、 出 ( 2 6 j d o 一= 疵 ( 2 7 ) 其中，j 、b 、一分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩。 2 5 开关磁阻电机的数学模型 上述关系式由于其严重的非线性，不可能得出解析解。因此，在性 能分析求解数学模型时不得不在实用和理想之间寻求一种折衷的处理方 法。到目前为止，人什肼对磁链的变化，采用了以下几种方法建立模型： l 、理想线性模型 若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，可采用开关磁阻电机的理想线性模型将磁 链v ，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并叮作为深入探讨各种控制方式的依据，但求解 的误差较大，精度较低。 2 、准线性模型 因为磁链v 。的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了近似地 考虑磁路的饱和效应、边缘效应，可将实际的非线性磁化曲线分段线性 化，同时不考虑帽问耦合效应，这样可以用解析式束表示每段磁化曲线。 可将w 一，曲线分为两段( 线性区和饱和区) 或三段( 线性区、低饱和区和 高饱和区) 。准线性模型既克服了线性模型只能用于定性分析的缺点，又 能使问题解析计算，具有一定精度，因此准线性模型较多应用于分析和 设计功率变换器和制定控制策略。 3 、非线性函数拟合模型 将磁链v 。用一非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确 度。此种方法计算准确，但速度较慢，依赖于特定方案的磁化曲线数据 库，不适宜于要求计算大量方案的优化设计。 4 、查表法 北京交通人学硕士学位论史 第2 5 页共9 3 贞 该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流间隔电机磁特性数据 w ( i ，口) 反演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据f ( v ，口) ，连同矩角特 性数据丁( f ，疗) 以表格形式存入计算机中，然后片j 查表法数值求解非线性 模型，这种方法较为直接、也较为精确，既叮用于稳态分析，也可用于 嬲瞬态问题。 2 6 数学模型下s r 电机的基本分析 2 6 1 电感与转子位置角的关系 由于丌关磁阻电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，加上运行时的丌关性和u ，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，也就是上节所晚的理想线性模型，f 始进行分析，所得到的相绕组 电感随转子位置角周期性变化的规律可用图( 27 ) 说明。 一一 岛、， l j 基= 曼胆l j ，鼢， o 瞻 0 图2 7 电感与转子位置角的关系 f i g 2 - 7t h er e l a t i o n s h i po f r o t o rp o s i t i o na n di n d u c ta n c e 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点移= 0 的位置，对 应十定予凸极中心与转子凹槽中心熏台的位置，这时相电感为最小值 l 。在口。0 ，( 0 ：为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置) 区 域内，定转予磁极不相重叠，电感保持最小值l 。不变，这是因为开关 磁阻电机的转子槽宽通常大丁定子极弧，所以当定子凸极对着转子槽时， 便有段定子极与转子槽之间的磁阻恒为最人并不随转予位置变化的最 小电感常数区；转子转过口，后，相电感便丌始线性地上升直至0 0 3 为止， 北京变通大学坝十学位论文 第2 6 页共9 3 页 以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。；基于电机综合性能的考虑，转子极弧芦，通 常要求大于定子极弧反，因此在以吼( 以为转子磁极的后沿与定子磁 极的后沿相遇的位置) 区域内，定转予磁