（电机与电器专业论文）开关磁阻电机的无位置传感器检测及神经网络控制.pdf

较强的抑制能力、精度高、鲁棒性强。实验结果证明本方案是一种较好的s r m 无位置传感器位置检测方法。 开关磁阻电机因磁路的饱和导致参数的非线性，又因在不同控制方式下 是变结构的。这使得开关磁阻电机的控制非常困难。经典的线性控制方法如 p i 、p i d 等方法用于开关磁阻电机的控制很难取得较好的控制效果。其它的控 制方法如滑模变结构控制、状态空间控制方法等可取得较好的控制效果但大 都比较复杂，实现起来比较困难。作为智能控制分支之一的神经网络控制， 因具有任意非线性逼近能力、自学习能力、自适应能力，故对非线性、不确 定、不确知、变结构、时变的被控对象可取得较好的控制效果且不需知道被 控对象的数学模型，这对于很难精确建模的开关磁阻电机来说尤其适用。本 文将神经网络与p i d 控制相结合充分发挥神经网络的自适应、非线性映射能 力和学习能力，提出了一种自适应能力很强的参数可调的神经网络p i d 控制 策略。同时采用r b f 神经网络建立系统的非线性预测模型，进行参数预测， 提高了系统的动态响应特性，既具有p i d 控制精度高、实现容易的特点，又 具有神经网络的自适应特性，对具有很强非线性特性的s r d 取得了较好的控 制效果，动态响应快、超调小、鲁棒性强。 关键词：开关磁阻电机电磁场有限元模糊神经网络建模无位置传感器 位置检测神经网络控制神经网络预测 a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ( s r d ) s y s t e mi san o v e la cd r i v i n gs y s t e m i t h a sac h a r a c t e r i s t i co fs i m p l es t r u c t u r e ，r o b u s t n e s s ，l o wc o s t ，r e l i a b i l i t ya n dc o n t r o l f l e x i b i l i t y i th a sm a n yc o n t r o lm e t h o da n dc a ng e tv a r i t ym a c h i n e r yc h a r a c t e r i s t i c a l s o ，i th a sah i g he f f i c i e n c yi naw i d es p e e dr a n g e t h i si ss u p e rt oo t h e r a d j u s t a b l es p e e dd r i v e rs y s t e m f o ri t sh i g hs a t u r a t i o no fm a g n e t i cc i r c u i ta n ds p e c i a ld o u b l es a l i e n ts t r u c t u r e a n dh i g hs a t u r a t i o no fl o c a lm a g n e t i cc i r c u i t ，t h et r a d i t i o n a lc i r c u i t a n a l y s i s m e t h o di sn ol o n g e rs u i t a b l et ob eu s e dt oc a l c u l a t et h ed i s t r i b u t i o no ff l u xo fs r m m a g n e z a t i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i sap o w e r f u lt o o lt oc a l c u l a t et h e d i s t r i b u t i o no ff l u x i nt h i sp a p e r , f e mi su s e dt oa n a l y s i st h ed i s t r i b u t i o no ff l u x o 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 ) t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cd e n s ea n dt h e e q u i p o t e n t i a ll i n e so ft h es r mu s e di nt h i sp a p e ra r eo b t a i n e d a l s o ，t h ef l u x l i n k a g e 】l ，( p ，i ) i sc a l c u l a t e da td i f f e r e n tc u r r e n ta n dd i f f e r e n tr o t o rp o s i t i o n t h i si s t h eb a s et oc a l c u l a t et h ep e r f o r m a n c eo fs r ma c c u r a t e l y t h e a n a l y s i sa l s o p r o v i d e sar e f e r e n c et od e s i g nt h em a g n e t i cc i r c u i t t h eh i g h l ys a t u r a t i o no fm a g n e t i cc i r c u i ta n dt h ed o u b l ys a l i e n ts t r u c t u r eo f s r ml e a dt of l u xl i n k a g ei si nn o n l i n e a rf u n c t i o no fb o t hr o t o rp o s i t i o na n dp h a s e c u r r e n t b u i l d i n gu pt h i sn o n l i n e a rm a p p i n gi st h eb a s et oc a l c u l a t et h ep r o p e r t yo f s r ma c c u r a t e l y a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ( a n n ) u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o nc a n a p p r o x i m a t ea n yn o n l i n e a rf u n c t i o nw i t ha r b i t r a r yp r e c i s i o nw h i c ha l s oh a sa s t r o n gl e a r n i n ga b i l i t ya n da d a p t i v ea b i l i t y w h i l et a k a g i - s u g e n o ( t - s ) t y p ef u z z y l o g i cw h i c ha n t e c e d e n t sa r ef u z z ys e t sa n dc o n s e q u e n t sa r el i n e a rc o m b i n a t i o no f t h ei n p u tv a r i a b l e s ，t h eo u t p u to fw h i c ha r ec r i s pv a l u e s s ot h ei n f e r e n c ep r o c e s s o fi tc a nb es i m p l i f i e d a n di tc a nt a k ea d v a n t a g eo ft h en u m e r i c a li n f o r m a t i o na n d l a n g u a g ei n f o r m a t i o n s o ，i nt h i sp a p e r , o n ef o r mo ft - st y p ef u z z yl o g i c p i s i g m an e u r a ln e t w o r k si sa d o p t e dt od e v e l o pt h en o n l i n e a rm o d e lo fs r m b y 1 1 1 t a k i n ga d v a n t a g eo ft h eb e n e f i to fn e u r a ln e t w o r k a n df u z z yl o g i c ，ah i g hp r e c i s i o n m o d e lo fs r mw i t hac h a r a c t e r i s t i co fr o b u s t n e s s ，e r r o rt o l l e r a n c e ，a n dh i g h p r e c i s i o ni sd e v e l o p e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h i s t h ea c c u r a t ea n dr e a l - t i m er o t o rp o s i t i o ni n f o r m a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o r h i g hp e r f o r m a n c eo p e r a t i n go fs r m t r a d i t i o n a l l y , t h er o t o rp o s i t i o ni n f o r m a t i o n i sp r o v i d e db yam e c h a n i c a lr o t o rp o s i t i o ns e n s o r b u tt h i si n c r e a s e sc o s t ，s i z ea n d m a n u f a c t u r ec o m p l e x i t yo fs r ma n dr e d u c e st h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m s ot h e s e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o do fs r mb r c o m eah o tr e s e a r c hr e g i o n a d a p t i v e n e t w o r kb a s e df u z z yi n f e r e n c es y s t e m ( a n f is ) i su s e di nt h i sp a p e rt om a pt h e n o n l i n e a rf u n c t i o no fr o t o rp o s i t i o nw i t hr e s p e c tt of l u xl i n k a g ea n dp h a s ec u r r e n t a f t e rt h ef l u xa n dc u r r e n ta r em e a s u r e d ，t h er o t o rp o s i t i o ni sc o m p u t e db yt h e a n f i s t h ea d v a n t a g eo ft h i sm e t h o di st h a ti th a ss t r o n ge r r o rt o l e r a n c ea b i l i t y , h i g hn o i s e sr e s t r a i na b i l i t y , h i g ha c c u r a c ya n dr o b u s t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d t h eh i g hs a t u r a t i o no fm a g n e t i cc i r c u i tl e a d st ot h en o n l i n e a ro fp a r a m e t e ro f s r ma n du n d e rd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o di ti sv a r i a b l es t r u c t u r e t h i sm a k e si th a r d t og e tag o o dp e r f o r m a n c eb yu s i n gt h ec o n v e n t i o n a lp i ，p i dc o n t r o l l e rt ot h e s p e e dc o n t r o lo fs r m o t h e rc o n t r o lm e t h o ds u c ha ss l i d i n gm o d e lc o n t r o l ， s t a t e - s p a c ec o n t r o lm e t h o dc a ng e tag o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e b u tt h e ya r et o o c o m p l e x i t y a n nc o n t r o l - o n eo fi n t e l l i g e n tc o n t r o l ，u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n ，c a n a p p r o x i m a t ea n yn o n l i n e a rf u n c t i o nw i t ha r b i t r a r yp r e c i s i o n i ta l s oh a sas t r o n g a b i l i t yo fs e l f - l e a r n i n ga n da d a p t i v e s o i tc a nb eu s e dt oc o n t r o ln o n l i n e a r , u n c e r t a i n ，u n k n o w n ，v a r i a b l es t r u c t u r e ，t i m ev a r i n ga n dm e t h m a t i c a lm o d e l u n k n o w np l a n t b yc o m b i n i n gi tw i t ht h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r , a na d a p t i v e p i dc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r m e a n w h i l en o n l i n e a rp r e d i c t i o nm o d e l b a s e do nar a d i a lb a s i sf u n c t i o n ( r b f ) a n ni sb u i l du pt op r e d i c tt h ep a r a m e t e r o ft h es y s t e m t h i si m p r o v e st h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h es y s t e m t h i sc o n t r o l m e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo fp i dc o n t r o l l e r sh i g hp r e c i s i o na n di m p l e m e n te a s i l y i ta l s oh a st h ea d v a n t a g eo fa n n sc h a r a c t e r i s t i co fa d a p t i v e a p p l i n gi tt ot h e s p e e dc o n t r o lo fs r m ，ag o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ei sg o t 。t h es y s t e mr e s p o n d s i v q u i c k l yw i t hl i t t l eo v e r s h o ta n di sr o b u s t 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 , e l e c t r i c a lm a g n i t e ，f i n i te l e m e n t m e t h o d ，f u z z yn e u r a ln e t w o r km o d e l i n g ，s e n s o r l e s sr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n ，n e u r a l n e t w o r kc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o n v 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，也不包含为获得墨盗盘鲎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：膨丧。签字日期：细。年1 月f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗态芏有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞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l - j 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： 影乒 签字日期：加7 年f 月j d 日 导师签名： 签字日期：击 ， 彩 ， 第一章绪论 第一章绪论 运动控制系统在工业及国民经济各行业中得到广泛的应用并起着十分重 要的作用。广为应用的运动控制系统是直流调速驱动系统和交流调速驱动系 统。开关磁阻电机驱动系统( s r d ) 作为一种新型的交流调速系统，兼有交 流调速系统和直流调速系统的优点。其结构简单、坚固耐用、成本低廉、可 控参数多、控制方式灵活多样、可得到各种所需的机械特性，且在宽广的调 速范围内均具有较高的效率。开关磁阻电机驱动系统因此而备受瞩目，应用 日益广泛。 1 1 运动控制的发展 自1 9 世纪电机被发明以来，电机被广泛应用于工业生产、农业生产、家 用电器、车辆驱动、航空航天等领域。电机在机械能与电能的转换方面起着 重要的作用。电能的7 0 是被电机所利用，因此加强对电机能量转换的研究具 有重要意义。现代工业生产对驱动系统提出了越来越高的要求。不仅要求输 出功率大、效率高而且要求响应快、超调小。这对电机及其控制系统的要求 较高。自1 9 世纪以来在运动控制领域应用最为广泛的电机驱动系统为两种一 直流电机驱动系统、交流电机驱动系统。直流电机因其励磁磁场与电枢磁场 相互正交且可独立控制，在保持励磁磁场恒定的条件下，无论在动态或稳态 情况下转矩均与电枢电流或电枢电压成正比，通过控制电枢电压即可方便地 无级调速，直流电机表现出优良的调速特性和控制特性，因此直流电机驱动 系统在调速应用领域得到了广泛的应用。但直流电机因存在电刷换向装置， 故导致存在环火、电磁干扰严重、体积大、维护工作量大且很难高速化、大 容量化等问题。交流电机因其励磁磁场与产生转矩的转子磁场互不正交且转 子磁场是由定子电流产生的磁场感应而得到，定、转子电流相互影响难于解 耦，气隙磁场为定子电流与转子电流共同建立且随转速及负载的变化而变化 使得交流电机的瞬时转矩难以精确控制，这影响了动态响应特性。故在2 0 世 第一章绪论 纪7 0 年代以前，形成了直流电机驱动系统用于调速领域而交流电机驱动系统 用于不调速领域的格局。2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子技术、微处理器、 控制理论的发展这一格局被打破。采用矢量控制、直接转矩控制技术的交流 驱动系统表现出与直流驱动系统相媲美的动态响应特性，且交流电机具有结 构简单、坚固耐用、维护工作量小、可高速大容量化等优点，交流驱动系统 取代直流驱动系统成为调速领域应用的热门。 在运动控制系统研究领域，2 0 世纪7 0 年代在国外出现了一种新型交流驱 动系统一开关磁阻电机驱动系统。这一新型驱动系统兼具直流调速系统及交 流调速系统的优点，同时还具有许多独特的优点，一经问世就引起广泛关注。 1 2 开关磁阻电机国内外发展概况 磁阻电机己具有一百余年的历史了，其中应用较广泛的三相同步反应式 磁阻电机因其转子上没有绕组，是由定子侧激磁，因此功率因数较低，效率 也较低。开关磁阻电机( s r m ) 是经过变革的一种很有生命力的新型电机， 是开关磁阻电机与电力电子开关电路、现代控制系统相结合而产生的一种机 电一体化的新型驱动系统，并将随着电机理论、电力电子技术、控制理论的 发展而不断发展。 2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管的投入实用，为开关磁阻电机的研究和 发展奠定了重要的物质基础。f o r d 公司于1 9 6 0 年研制了轴向气隙的开关磁阻 电机，用于飞机启动。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，其所研制的开关磁阻电机可在单向电流下四象限运行，功率变换器 无论用晶体管还是用普通晶闸管所需的开关数都是最少的，电动机成本亦低 于同容量的异步电动机。1 9 7 3 年，英国n o t t i n g h a m 大学亦开始对开关磁阻电 机进行研究。1 9 7 5 年，上述两所英国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5 0 k w s r d 装置，其单位输出功率和效率都高于同类的 异步电机驱动装置，表明s r d 有很好的发展前途【1 2 j 。 1 9 8 0 年，l e e d s 大学的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，发表了著名论文“变速开关磁阻电动机”【3 j ，这标志着s r d 正式得到国 第一章绪论 际社会的承认。 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开关磁阻电动机一 一o u l t o n 传动装置( 7 5 k w ，1 5 0 0 d m i n ) 商品投放市场；1 9 8 4 年，该公司又 推出4 - - 一2 2 k w 四个规格的系列产品。前联邦德国在1 9 8 4 年至1 9 8 6 年期间也 先后完成了l k w 、1 2 k w 、5 k w 样机的试制。作为一种结构简单、鲁棒性好、 价格便宜的新型调速系统，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开发，从而成为8 0 年代 电工界热门研究课题，研究成果也逐年增加。目前开关磁阻电机调速系统的 产品，已经遍及家用电器、纺织机械、医疗器械、牵引机械、各种电动车辆 的驱动、航空发动机起动与伺服系统，其功率范围从1 0 w 到5 0 k w ，转速也 从每分钟几百转到每分钟1 0 万转。 开关磁阻电机成为八十年代热门的调速电机，进入9 0 年代后，对其接受 和感兴趣的程度呈逐年上升趋势，形成理论与实际应用并重的发展事态。国 内对于开关磁阻电机的研究与开发起步也较早，七十年代末合肥工业大学研 制了盘形磁阻式电动机，因其结构复杂而没有得到推广。此后又有多家院校 和企业参与研制和开发径向气隙式开关磁阻电机，并逐步从实验室走向生产 和工业推广应用。我国分别于1 9 8 8 年、1 9 9 1 年、1 9 9 3 年召开了三次开关磁 阻电机研讨会，并于1 9 9 3 年成立了开关磁阻电机学组，标志着我国的开关磁 阻电机研究工作已初具规模。其间以南京航空航天大学和华中科技大学为代 表，对我国的开关磁阻电机研究和推广应用作出了卓越的贡献。目前我国的 开关磁阻电机如k c 系列已经批量上市，并应用于2 0 多种生产机械。另外在 机床传动、抽油机、电动汽车、家用电器、泵类、煤矿生产、纺织机械等领 域开关磁阻电机也逐步走上应用阶段【4 1 7 1 。 1 3 开关磁阻电机研究方向 由于s r m 是一项正在发展的新技术，故在许多方面还有待完善。因为 它的发展历史短，s r d 涉及的范围很广，包括电机、电子、微机、控制、机 械等多方面。目前还存在很多课题和研究方向：如优化设计、系列产品开发、 相数的研究与选择、驱动电源研制、高速电机的开发、振动噪声的研究、铁 第一章绪论 耗与效率研究、无位置传感器方案研究、转矩脉动抑制、智能控制、电磁场 分析等。 】振动噪声的研究 影响开关磁阻电机广泛应用的一个原因是其振动与噪声较大。为减小振 动与噪声，文献【1 8 使用人- r - = , 经网络来控制不同工作情况下的电流波形，从 而降低s r m 的振动与噪声；文献【1 9 通过改变s r m 的控制参数来改善其振动 与噪声；文献【2 0 】采用控制功率管的开通与关断来使幅值相等而方向相反的定 子振动相互抵消而减小开关磁阻电机的振动与噪声；文献 2 1 】通过调整开关 角、关断角及开关控制频率的方式来减小系统的振动与噪声；文献【2 2 】与文献 2 3 】中控制方式在一定的工作条件下有效而在有些工作情况下效果不明显；文 献【2 4 采用降压控制来改善相电流波形，从而降低开关磁阻电机低速运行的振 动与噪声；文献【2 5 进行了齿极结构方面的研究，但其方案对静态转矩及电机 的效率影响较大；文献 2 6 2 7 也提出了各自的减小噪声的方法。 2 无位置传感器控制方案研究 机械式位置传感器的存在增大了电机的体积、增加了制造复杂性和成本、 降低了系统运行的可靠性。而无位置传感器控制方式可减小体积、降低成本、 简化生产制造、提高运行的可靠性。故s r m 无位置传感器控制方式成为研究 的热点。各国学者提出了多种位置检测方法如：文献 2 8 】提出的电压脉冲注入 检测法，此方法注入的检测脉冲会产生制动转矩，降低系统的效率。同时， 易受到相邻相导通电流的影响，故适用的转速有一定范围：文献 2 9 3 0 提出 改进的电压脉冲注入法，在一定程度上提高了检测的精度；文献 3 1 3 2 基于 模糊逻辑的转子位置推算方法，此方法可避免存储大量的表格数据，节约了 存储器使用，但为提高精度需要使用大量的模糊规则，随着规则数的增加， 推理运算速度变慢，在一定程度上影响实时性；文献 3 3 3 8 提出基于神经网 络的转子位置推算方法，存在神经网络结构较复杂、计算量较大、训练时易 陷入局部极值等问题。 3 模糊智能控制 开关磁阻电机的磁路高度饱和使得其存在参数非线性特性。同时，s r d 具有多种控制方式，在不同的控制方式下是变结构的。以及双凸极结构和开 关控制方式导致了其高度的非线性及变结构、变参数特性。对于这样一个非 第一章绪论 线性严重的被控对象，采用传统的线性控制方法如p i 、p i d 控制策略很难取 得较好的控制效果。 模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规 则与模糊推理的控制理论，具有拟人思维的特点，为一种非线性控制策略， 鲁棒性强。对于非线性、变结构、时变的控制对象非常适合，因此，将其应 用于开关磁阻电机的控制可取得较好的控制效果。文献 3 9 1 将模糊控制理论应 用于s r d 控制；文献 4 0 1 将比例因子自调整模糊控制器应用于s r m 的控制器 设计，能够根据速度偏差及偏差变化在线调整比例因子；文献 4 1 采用模糊 p i d 的方法对s r d 进行控制；文献 4 2 5 4 1 对模糊逻辑应用于s r d 的控制进 行了多方面的研究。 1 4 开关磁阻电机驱动系统的构成、工作原理及特点 1 4 1 开关磁阻电机驱动系统的基本构成 开关磁阻电机驱动系统主要由四部分组成：开关磁阻电机、功率转换器、 控制器及检测器，如图1 1 所示。 图1 - 1s r d 驱动系统框图 1 开关磁阻电机 开关磁阻电机是开关磁阻电机驱动系统的执行元件，其与反应式步进电 机一样，遵循磁通沿磁导最大的路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩，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。因此，开关磁阻 电机常采用凸极定子和凸极转子形式，即所谓双凸极型结构，并且定、转子 极数不同。定子侧装有集中绕组，直径方向相对的两个绕组串联成为“一相”： 而转子仅由叠片构成，没有任何形式的绕组、换向器、滑环等。开关磁阻电 第一章绪论 机按相数分为单相、两相、三相、四相及多相；按气隙方向分为轴向式、径 向式和混合式结构。圈1 2 所示为径向式结构四相8 6 极开关磁阻电机。图1 3 所示为径向式结构三相6 1 4 极开关磁阻电机。 图1 - 2 径向式结构四相8 6 极开关磁阻电机闰1 3 径向式结构三相6 4 极开关磁阻电机 开关磁阻电机相数的选择对于其成本、结构、复杂程度、性能均有较大 的影响。一般来说，单相及两相的开关磁阻电机无自起动能力，三相及以上 具有自起动能力。随着相数的增加，转矩脉动减小并降低了电磁噪声，但控 制电路结构的复杂性却大大增加，并增加了成本。s r m 常见的结构类型如表 1 】所示。 表1 1 开关磁阻电机常见结构类型 2 功率变换器 功率变换器是开关磁阻电机运行时所需能量的提供者，是连接电源和电 机绕组的开关部件，包括直流电源和开关元件等。功率转换器的线路有多种 形式，并且与开关磁阻电机的相数、绕组形式( 单绕组或双绕组) 等有密切 关系。 从功率变换器与电机结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成本低 等基本要求出发，一个理想的功率变换器主电路结构形式应同时具备如下条 件： 夺最少数量的主开关器件； 夺即适用于偶数相的s r m ，也适用于奇数相的s r m ； 6 第一章绪论 令可将全部电源电压加给电机相绕组； 夺主开关器件的电压额定值与电动机接近； 令具备迅速增加相绕组电流的能力； 夺可通过主开关器件调制，有效地控制相电流； 在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源。 常用的一些功率开关电路如下所述。 1 ) 不对称半桥功率变换电路 不对称半桥电路结构如图1 4 所示，每相有两个功率开关管t 1 、t 2 和两 个续流二极管d 1 、d 2 。两个功率开关管可控制同时导通或控制只导通上桥臂 或下桥臂的功率开关，以构成不同的控制方式。在两功率开关管t 1 、t 2 同时 导通时，电源电压加至相绕组两端，产生相电流；在两功率开关管t 1 、t 2 同 时关断时，在相绕组变压器电动势的作用下，两续流二极管d 1 、d 2 正向导 通，相电流通过续流二极管d 1 、d 2 及储能电容c 续流，绕组中的部分磁能 将转储于电容c 中。 图1 4 不对称半桥电路 这种电路的优点是功率开关管的电压与绕组相电压接近，用足了开关管 的额定电压，有效的电压可用来控制相绕组电流。由于每相绕组独立接至不 对称半桥，在电路上，相与相之间完全独立，故这种结构电路可适用于各种 相数的开关磁阻电机。不对称半桥线路尤其适用于高压、大功率的开关磁阻 电机。 不对称半桥线路每相使用两个功率开关管未能体现开关磁阻电机转矩与 电流方向无关，每相仅需一个功率开关管的优点。同时，每相采用一个功率 开关管可简化驱动电路、降低成本、提高可靠性。 现已提出多种每相仅使用一个开关管的电路，双绕组功率变换器既是其 第一章绪论 中之一。 2 ) 双绕组功率变换电路 双绕组功率变换电路的电路图如图1 5 所示。 图1 - 5 双绕组结构功翠变换器 双绕组功率变换器的每相有两个紧密耦合的绕组，其中一个称为一次绕 组，另一个称为二次绕组。 当开关器件导通时，电源以供给一次绕组电流j l ：当开关器件关断时， 通过互感作用一次绕组中的电流转移n - - 次绕组中，通过续流二极管将能量 存储到电容上。由于存在漏电感等作用，开关器件的额定电压为2 ( 1 + d ) u ， 其中以为母线峰值电压，d 是过电压系数。这种电路的优点是每相仅使用一 个功率开关器件和一个续流二极管，成本上比较经济。缺点是开关器件的额 定电压是电机绕组电压的两倍以上，且在开关器件关断时会产生较高的冲击 电压；另外，因采用两个绕组耦合，绕组的利用率较低，占用槽空间较大， 会降低电机的效率。这种电路可适用于任意相数的开关磁阻电机，在电压较 低的应用场合，曾得到较广泛的应用。 3 ) 电容裂相式功率变换电路 电容裂相功率变换电路如图1 - 6 所示。 u 蚰 + =2 、s 1 jc s 2 h t + c s o ! v d i 、 、s a 、 攀 i v d 2 2 5 zi v d 】2s b 图1 - 6 电容裂相式功率变换器 在这种电路中，通过两个电容将电源电压分为上下两个部分，各绕组均 有一端接至双极性电源的中点。当开关器件开通时，绕组从上桥臂电容获得 第一章绪论 能量；当开关器件关断时，绕组剩余能量回馈给下桥臂电容。开关器件的额 定电压为( 1 + d ) 以，由于工作时只有一半电压加在绕组上，故电源电压利用率 低，而电流较大为全压时的两倍。这种电路每相只需要一个功率开关器件和 一个续流二极管，成本较低。但其只适用于偶数相的开关磁阻电机，且工作 时中点电压波动严重。 3 控制器 控制器是s r d 系统的大脑，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和关断信号，完成 对电机的电流斩波控制( c c c ) 、角度位置控制( a p c ) 、电压p w m 控制、四 象限运行、保护功能等控制以及状态显示，从而实现对开关磁阻电机的高性 能控制。控制器由具有较强的信息处理功能的微机或数字逻辑电路及接口电 路等部分构成。微机信息处理功能大部分是由软件完成，因此，软件也是控 制器的一个重要组成部分。软、硬件的配合是否恰当，对控制器的性能产生 巨大的影响。 现代微处理器8 位机以5 1 系列的单片机为代表，可用于电机控制 5 5 5 6 】； 1 6 位机以i n t e l 公司的8 0 9 8 、8 0 c 1 9 6 系列为代表，8 0 c 1 9 6 系列单片机具有高 速输入口h i s 、高速输出口h s o 、p w m 发生器等功能，适用于无刷直流电机、 交流电机变频调速、s r m 等的控制( 5 7 巧8 1 。而功能更为强大的数字信号处理器 ( d s p ) 则更适合于开关磁阻电机的控制 5 9 6 3 1 。 4 位置传感器 位置传感器是转子位置及速度等信号的提供者，它及时向控制器提供定、 转子极间实际相对位置的信号和转子运行的速度信号。准确而实时的转子位 置信息是开关磁阻电机换相和连续运行的必要条件。而转速信号则是构成转 速闭环控制的基础。位置传感器有光电式、磁电式、磁敏式等多种形式，是 开关磁阻电机的关键部件和特征部件。 第一章绪论 1 4 2 开关磁阻电机驱动系统的工作原理 开关磁阻电机为定、转子双凸极结构，在定子凸极上装有集中绕组。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，产 生磁拉力形成转矩磁阻性质的电磁转矩，使得转子旋转直至转子某一对 齿极中心线与定子通电相齿极的中心线相重合为止。当控制器接收到位置传 感器提供的电机内各相定子磁极与转子磁极相对位置信息时，即进行判断处 理，向功率转换器发出命令，决定定子绕组中哪一相绕组激磁。被激磁相绕 组的开关元件即导通，这时激磁相绕组中有电流流通，产生磁通，由于磁拉 力作用转子上，靠近定子激磁相的某对转子磁极就被吸引，使转子转动起来； 当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相磁极重合时，磁拉力消失，此时 控制器会根据位置传感器的信息，在定、转子即将到达平衡位置时，向功率 转换器发出命令，断开该激磁相绕组的主开关元件。依次按顺序导通和关断 各相，转子就会按一定方向连续旋转起来。如图1 7 所示。 图1 - 7 开关磁阻电机抉相过程 由以上分析可知，开关磁阻电机的转矩与电流方向无关，而仅取决于相 绕组的通电顺序。只要位置传感器能即时给出定、转子极间相对位置信息， 控制器能及时和准确地控制定子各绕组的通、断，开关磁阻电机就能产生要 求的转矩和转速，以达到最佳运行状态。 1 4 3 开关磁阻电机驱动系统的基本特点 开关磁阻电机驱动系统综合了交流异步电机驱动系统和直流电机驱动系 统的优点。具有以下一些特点： 1 0 第一章绪论 1 结构简单，坚固耐用，成本低 开关磁阻电机结构简单坚固，定子上只有简单的集中绕组，端部较短， 没有相间跨接线，转子上没有任何形式的绕组。因此具有制造工序少、成本 低、工作可靠、维修量小等特点。 2 适合高速运转，动态响应快 开关磁阻电机转子的结构形式对转速的限制小，可以制造成高转速电机。 又因转子转动惯量小，在电流每次换相时可以随时改变相应转矩的大小和方 向，因而系统有良好的动态响应。 3 功率器件少，工作可靠 开关磁阻电机的力矩与电流极性无关，只需要单向的电流激励。因此， 在理论上功率变换电路中每相可以只有一个开关元件，而且每个开关元件都 与电机绕组串联，不会出现像p w m 逆变器那样有两个开关元件直通的危险。 所以，s r d 系统线路简单，可靠性高，成本亦低于p w m 交流调速系统。 4 控制参数多，控制灵活，可得到所需的各种特性 s r d 系统可对电流的开通角、关断角o o f f 、电流幅值厶等进行控制， 并且还可以通过调节加到绕组的电压进行调速。控制方案多，控制灵活。通 过控制相应参数可实现四相限运行，可得到恒转矩特性、恒功率特性及串激 特性。 5 效率高，单位出力高 开关磁阻电机因转子不存在励磁及转差损耗、功率器件少且具有再生作 用，故系统效率高。s r d 系统在宽广的调速范围内均具有较高的效率，这一 点是其它调速系统所无法比拟的。开关磁阻电机因采用了独特的结构和设计 方法以及相应的控制技巧，使得其出力可与异步电机相媲美，甚至还略占优 势。 6 工作稳定，无失步现象 由于s r d 系统是自同步系统运行，所以它不会出现象变频供电的感应电 机在低频时出现的不稳定和振荡问题。 第一章绪论 7 优良的起动特性 开关磁阻电机具有较大的起动转矩，但起动电流却很小。与直流电机的 起动转矩起动电流为l ：1 、异步电机的起动转矩起动电流为1 ：6 相比，开关 磁阻电机的起动转矩起动电流为1 ：o 3 ，具有优良的起动特性。 8 振动与噪声较大，转矩脉动较大 由于开关磁阻电机的双凸极结构以及在高速时通入绕组的是脉冲电流， 导致开关磁阻电机的径向力随转子的旋转而波动，所以其振动与噪声较大。 同时因各相绕组电流的不对称、各相参数的不对称以及结构的不对称也会导 致振动与噪声的增大。通过采用各种控制策略、新型结构及提高加工精度， 可大大降低开关磁阻电机的噪声。因开关磁阻电机高速时为单相导通，所以 转子上的转矩为一系列脉冲转矩叠加而成，又因磁路的高饱和，其合成转矩 不是恒定转矩，有一定的波动。 1 5 本文主要研究内容 s r d 具有一系列的优点，但其双凸极结构、磁路的高度饱和及开关式控 制方式导致其变参数、变结构特性。传统的一些线性控制理论、控制方法应 用于开关磁阻电机很难取得较好的控制效果。而智能控制理论的应用、智能 控制方法却可取得较好的控制效果。智能控制方法之一的神经网络控制具有 可以任意精度逼近任意非线性函数、自学习能力强、自适应性强等特点，适 于非线性、不确定、不适定被控装置的控制。其应用于非线性、变结构的开 关磁阻电机的控制可取得较好的效果。准确而实时的位置信号是开关磁阻电 机正常运行的必须条件，但机械式位置传感器的存在降低了系统的可靠性、 增加了成本、增大了体积且不适合一些特殊环境的应用。无位置传感器的控 制方式具有许多优点，因此吸引了诸多研究人员的关注，成为研究的热点。 开关磁阻电机性能精确计算的困难在于磁链为绕组电流及转子位置角的非线 性函数，建立磁链与绕组电流和转子位置的非线性映射关系是解算开关磁阻 电机精确数学模型的基础。在诸多建模方法中，已提出的模型有线性模型、 准线性模型、非线性模型等，基于智能理论的建模方法成为最具希望的方法。 获得准确的磁特性数据是建模的基础。电磁场有限元( f e m ) 分析是获得磁 第一章绪论 特性数据有效方法。开关磁阻电机磁场分布复杂、存在饱和非线性特性且有 严重的局部饱和的现象，通过电磁场有限元分析可获得准确、详细韵磁密分 布为磁路的合理设计提供了参考。 本文主要进行了以下几个方面的工作： 1 ) 开关磁阻电机独特的双凸极结构，较高的磁路饱和程度，使得其磁场 分布复杂，存在严重的局部饱和现象、漏磁现象及端部效应。如要合理设计 磁路仅进行等效磁路的计算是不够的，采用电磁场有限元分析是准确计算磁 场分布的有力工具。同时，因磁路的高度饱和及双凸极结构，使得相绕组磁 链成为转子位置及绕组电流的