（电机与电器专业论文）数字化开关磁阻电机非线性控制策略的研究.pdf

a bs t r a c t 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 r ( s r d ) i sa l la d v 锄c e de l e c t r o m e c h a n i c a l d e v i c e i ta t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sf o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n dg r e a t p o t e n t i a lc o m m e r c i a lv a l u e t h ep a p e rm a i n l ys i m u l a t e st h es r dm o d e l ，i m p r o v e st h e h a r d w a r eo fd i g i t a ls y s t e ma n dp r o g r a m m e st h ec o n t r o ls o f t w a r e a tf i r s t ，t h ep a p e rd o e st w o d i m e n s i o n a lf i n i t ed e m e n ts i m u l a t i o nf o r3 0 k w12 8 s r m t h es t a t i c e l e c t r o m a g n e t i c d a t ai so b t a i n e dt o d e s c r i b et h em o t o r s e l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c b a s e d 0 1 1t h e c h a r a c t e r i s t i c ，n o n l i n e a rm o d e li s e s t a b l i s h e d m o r e o v e r p h a s e - c u r r e n ta n ds u m t o r q u ea r es i m u l a t e di nc o n t r o lo f c u r r e n tp w m a n d “v o l t a g ep w m i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs r m a n dm i n i m i z et i p p l eo ft o r q u e ，t h e t w oc o n t r o ls t r a t e g i e s ，f u z z yl o g i cc u r r e n tc o m p o s i t i n gc o n t r o la n di n s t a n t a n e o u s t o r q u e c o n t r o l ，a r es t u d i e d m o r e o v e r , t h ep a p e rc o m b i n e st h et w oc o n t r o ls t r a t e g i e sw i t ht h e e s t a b l i s h e ds r dn o n l i n e a rm o d e l ，a n ds i m u l a t e st h ew h o l e s y s t e m p o i n t i n gt ot h ep r o j e c t “d r i v i n gs y s t e mo fs r mf o re l e c t r i cv e h i c l e ，t h ep a p e r i m p r o v e st h ec o n t r o lb o a r do fs r d ，d e s i g n sn e c e s s a r yh a r d w a r ea n dm a n - m a c h i n e i n t e r f a c ec i r c u i t , p r o g r a m m e sc o n t r o ls o f t - w a r et or e a l i z et h eb a s i cf u n c t i o ns u c ha s c o n t r o l l i n g , d i s p l a y i n ga n dc o m m u n i c a t i n g f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n t s ，w h i c hi n c l u d em o t o rd r i v i n ge x p e r i m e n tw h e nw i t ha n d w i t h o u tl o a d ，c o m m u n i c a t i n ge x p e r i m e n tf o rb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，a r ed o n et o v a l i d a t ei fc o n t r o lh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ea p p r o p r i a t e f u r t h e r m o r e ，a n a l y z i n ga n d c o n c l u s i o na r ed o n ef o rt h ew a v e so fm o t o ri ne x p e r i m e n t s t h ep a p e rp o i n t st h e s h o r t a g eo ft h ew o r ka n dw h a tw i l lb ed o n en e x ti nt h ee n d 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 ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；n o n l i n e a rm o d e l ； f u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g y ；d i g i t a lc o n t r o l ；e l e c t r i cv e h i c l e ；l c dd i s p l a y c i a s s n o ：t m 3 2 0 0 8 年6 月学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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：导师签名： 签字日期：年月日 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，论文中不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其它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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 两年的研究生学习在忙碌中一晃而过，回首这段在北京交通大学的学习生活， 感触很多。借此机会，我想向所有关心帮助过我的良师益友和亲朋好友们表示最 真挚的感谢! 首先，我要向我的导师王艳教授表示我最由衷的敬意和感谢! 从接触王教授 的第一天起，我就从她身上感受到了一种严谨、勤勉、踏实的作风和平易近人、 爱憎分明的人格魅力。在我从事实验室项目工作期间，王教授常常和我们一起做 实验、分析和讨论问题，从各个方面给与我们莫大的支持和帮助。同时，王教授 还在生活上时常关心我，帮助我，并以其丰富的人生阅历以及宽容的胸襟对我的 人生规划、为人处事等方面给以重要的指导。同时，本论文的研究工作得到了殷 天明老师的指导，殷老师科学的工作方法给了我极大的启发与指引。我为可以师 从这样的导师而感到庆幸。 其次，林飞老师，王保华老师对于我的科研工作提出了许多的宝贵意见，李 国国老师，连会仁老师，张兰老师对我的学习生活给与很多帮助，在此表示衷心 的感谢。 这里我还要特别感谢已经毕业的吕海臣、焦洋、梁洁、柴志渊、郭淳和梁晓 锋师兄、师姐以及一同工作的王贵刚同学，正是他们的无私帮助与合作才使我可 以迅速加入项目小组、负担起项目开发工作。在此，我还要向实验室的计海超、 杜宏磊师傅表示感谢，感谢他俩在项目开发过程中给与我的无私帮助。 最后，我要深深感谢我的母亲、大姨，她们是我生命的支柱，有了她们的包 容、理解和支持，我就有勇气克服一切困难。 再次向帮助过我的所有人表示我最诚恳地敬意! 1 绪论 本章首先介绍了开关磁阻电机的发展概况及研究方向；然后对开关磁阻电机 的转矩控制，模糊控制等智能控制技术进行了概述；最后介绍了本文的主要研究 内容。 1 1 开关磁阻电机的发展概况及研究方向 1 1 1发展概况 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e 简称s r 电机) 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 电动机( 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 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l k w ，1 2 k w ， 5 k w 样机的试制。s r 电动机调速系统( 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，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 年左右也以较高 的起点开始s r 电机的研究、开发工作。s r 电动机成为8 0 年代热门的调速电动机， 9 0 年代以后，形成了理论研究与实际应用并重的发展态势。 开关磁阻电机既可作电动机运行，也可作发电机运行。s r 电动机主要用于调 速系统。由于在运行可靠性、方便性及成本等方面可与其它调速系统竞争，所以， s r d 系统已应用于许多场合。国外生产的s r d 产品有通用型和特殊型，容量可达 5 m w ，转矩达l x l 0 6 n m ，转速高达1 0 6 r m i n 。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s r d 系统 的研究方面也已取得了长足发展，已研制出3 5 0 w 一- - 5 0 k w 多个规格的样机。 s r 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【i 2 】。目前，我国s r 发电机的研究也已起步。 应当指出的是，s r 电机作为一种新型调速系统，兼有交、直流调速的优点， 无疑具有广阔的市场前景，但是异步电动机和无刷直流电动机多年来的广泛应用， 及s r d 本身存在的转矩脉动、噪声等问题，使得s r 电机要进入调速市场并占据较 大的份额，还需花大力气宣传和开发它的应用。 1 1 2 s r d 存在的问题及研究方向 s r 电机系统涉及电机、微电子、电力电子、微机、控制、机械及工程应用等 众多学科领域。虽然理论研究及应用已取得了一些成果，但还存在不少问题，有 待进一步的研究与完善。 1 电机结构的进一步研究 s r 电机结构的优化可以改善电流的波形，产生稳定的电磁转矩，增大电机出 力，减轻功率变换器续流回路的负担，提高s r d 系统的功率因数。因此，从传统 结构发展出定子磁极分布不均匀的短磁路s r 电机【3 1 ，定子铁心中放有主副两套三 相绕组的双馈型电机【4 1 ，在定子轭部对称地嵌入两块磁钢的永磁式s r 电机【5 ， 带辅助绕组的s r 电机及两相同时励磁的s r 电机等新型结构的s r 电机。 2 电机设计理论的完善 s r 电机的非线性使其性能的精确分析和计算较为困难。从传统的“场路结合 的设计方法，逐渐演绎出以实测或数值计算所获得的沙( 秒，i ) 数据为基础的非线性磁 参数法【1 7 1 ，以单位体积出力的比功为s r 电机优化目标的遗传设计算法【8 1 ，引入异 步电机与磁阻电机折算系数的异步电机设计法【_ 7 1 ，以及步进电机结构静态转矩统一 计算法1 9 1 ，单元双凸极结构法1 7 ，等效磁路网络法【1 q 等许多方法。 3 电机智能控制策略的深入研究 s r d 发展初期，控制策略主要以线性控制理论为基础，采用前馈转矩( 电流) 控制、反馈速度控制【n 1 2 1 ，但是由于s r m 为高度非线性系统，非线性状态反馈线 性化控制【1 3 1 4 】被提出，但这些控制策略的共同缺点是无法获得控制对象的精确数 学模型。近年来主要研究的滑膜变结构【1 5 1 6 1 ，自适应控制【1 7 】较好的解决了这一缺 点，但实现起来仍然较复杂，需要进行更深入的研究。 4 加强对铁心损耗的理论研刭1 】 s r 电动机磁场特性的非线性导致相绕组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变化规律也不相同，因 此对定、转子铁心损耗的计算与测量颇为困难，面临的问题主要是如何建立准确、 实用的铁心损耗计算模型和分析、测试手段。 5 完善s r 电机静态及动态性能仿真模型 6 完善s r 电机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计，使整体性能最优。 此外，用状态观测器取代无位置检测器方案的研究，也是目前大量文献所关 注的焦点。去掉位置传感器，直接利用电机的电压和电流信息问接确定转子位置， 从而使系统结构更加坚固，运行更加可靠、高效，成本更加低廉，无疑是一个很 有潜力的研究方向。 2 1 2 选题背景及意义 首先，开关磁阻电机调速系统( s i ) 是机电一体化的交流调速系统，由s r 电机、功率变换器、控制器、位置检测器四大部分组成，为获得较高的性能，必 须对s r d 整体进行优化。建立s r d 整体动态仿真模型是优化设计s r d 系统性能 的基础。但是，由于s r 电机磁路的饱和，各相产生转矩的非线性特性及各相电流 的非线性耦合以及开关运行方式等因素，建立精确而实用的s r d 非线性动态仿真 模型成为s r d 研究的难点和重点之一。将s r 电机、功率变换器、控制器、位置 检测器以数字化的模型替代，便于在此基础上对s r d 系统的性能进行研究，便于 进行各种控制策略的前期仿真，是研究s r 电机的基础。 其次，众所周知，转矩脉动是磁阻电机性能的主要缺陷，传统的控制策略难 以较好的解决这个问题，研究者们把目光投向了智能控制领域。智能控制是自动 化控制学科发展过程中的一个崭新的阶段，目前已被应用到众多的领域和学科。 智能控制与传统控制相比，不拘泥于被控对象精确的数学模型，而是模仿人脑思 维，具有很强的非线性特性，符合了磁阻电机作为被控对象对控制策略的要求。 模糊控制是一种典型的智能控制方法。它在调速控制中应用时，不需要精确的数 学模型，而是将专家的知识和操作者的经验用模糊逻辑表达，对复杂非线性系统 有较强的适应性，且控制灵活，鲁棒性强。转矩控制是目前针对减少转矩脉动而 提出的主要研究焦点，传统的平均转矩控制策略( 包括c c c 控制和a p c 控制策 略) 通过优化开通角、关断角，在一定程度上减小了转矩脉动，但其效果有限。 于是，有人提出了瞬时转矩控制策略，瞬时转矩是绕组电流和转子位置角的非线 性函数，充分揭示了转矩脉动的根源。对模糊转矩控制s r d 的研究正在发展中， 并且有一定的发展空间。 再次，随着能源危机和环境污染的日益严重，发展电动汽车已成为研究的热 点，电动汽车具有清洁无污染、能量来源多样化、能量效率高、操作简单可靠及 使用费用低等特点。电动汽车的研制也有利于促进高科技的发展，但目前以全数 字化控制的s r d 系统在电动汽车领域的研究和应用还处于探索阶段，具有较大的 发展空间。 总之，在对以上方面的研究中，希望能通过自己的努力，对s r d 控制技术的 发展以及其在电动车领域的应用起到积极的作用。 1 3 转矩控制技术 转矩控制策略分为两大类：一类是间接转矩控制，控制变量是电流或者磁链， 3 这种方法一般需要先通过转矩分配将合成转矩分配到各相，然后利用相转矩指令 求出相电流或者相磁链指令，最后进行相电流或者相磁链的跟踪控制；另一类是 直接转矩控制，控制变量是瞬时合成转矩，首先由各相电流或者磁链反馈信号以 及转子位置角计算出转矩反馈值，然后根据合成转矩指令与转矩反馈值的误差信 号，再结合适当的换相逻辑，直接产生各相的开关信号。 s r m 转矩控制可分为三级控制子任纠2 0 】：首先，设计s r m 换相策略，以保 证在满足某些性能指标的前提下，各相相间转矩平滑过渡；其次，设计脉动抑制 控制算法( 转矩控制器) ，通过其求取期望转矩下的s r m 优化相电流波形；最后， 设计电流控制器来调节s r m 相绕组中的实际相电流跟踪期望相电流波形。 1 4 模糊控制技术 模糊控制理论源于模糊数学的出现。模糊数学的概念是由美国加利福尼亚大 学著名教授查德于二十世纪六十年代首先提出的，从此开创了模糊逻辑的历史。 模糊逻辑虽然只有短短几十年的发展过程，但其理论和应用的研究已经取得了丰 硕的成果。尤其是随着模糊逻辑在自动控制领域的成功应用，模糊控制理论和方 法的研究引起了学术界和工业界的广泛关注。与传统控制方法相比，模糊控制是 将人类专家的控制经验和知识，以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为 基础的智能控制，其对非线性复杂对象的控制显示了鲁棒性好和控制性能高的优 点【1 9 1 。 模糊控制系统基本结构框图如图1 1 所示。 图1 1 模糊控制系统结构框图 f i g 1 1s t r u c t u r eo ff u z z yl o g i cc o n t r o ls y s t e m 由图可见，模糊控制器由以下四部分组成： 4 ( 1 ) 知识库 知识库包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据库和 规则库两部分组成。数据库主要包含各语言变量的隶属函数、量化因子、比例因 子以及模糊空间的等级数学，是关于模糊化、模糊推理和解模糊的一切知识；规 则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它反映了控制专家的经验和 知识。 ( 2 ) 模糊化接口 这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊化量，主要完成论域变换及模糊 化两项功能。其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等。较常使用 的二维模糊控制器采用输入偏差信号及其变化量作为输入量。 ( 3 ) 模糊推理 模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基本模糊概念的推理能力， 该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。 ( 4 ) 清晰化接口 这部分的作用是将模糊推理得到的模糊控制量变换成清晰量作为模糊控制器 的输出，可以看作是模糊化的反过程，主要完成解模糊及论域变换两项工作。 1 5 本文的主要研究内容 针对以上讨论的问题，本文主要进行了下述几个方面的工作： ( 1 ) 在对开关磁阻电机工作原理、系统组成和运行特点充分学习的基础上，利 用机械、电磁方程以及机电联系方程，构建开关磁阻电机驱动系统的非线性仿真 模型。模型中用到的磁链模块采用的数据是利用二维有限元仿真实际样机模型所 获得的，准确反映了磁阻电机磁路的非线性特性。 ( 2 ) 在对转矩控制，模糊控制以及模糊转矩控制的理论研究基础上，设计模糊 电流补偿控制策略和模糊电流补偿瞬时转矩控制策略。并在所建立的开关磁阻电 机非线性模型基础上，在m a t l a b s i m u l i n k 环境中，实现了对传统控制策略和以上 两种控制策略的仿真验证。 ( 3 ) 基于课题组在研的电动汽车项目，对已有的s r 电机控制板进行改进，设计 作为电动汽车控制板所需的硬件电路，并在硬件电路的基础上编写控制软件，实 现控制功能。用软件程序替代了原系统的部分硬件电路，采用软件编写控制策略 使控制参数更易于修改。 ( 4 ) 基于课题组的电动汽车项目，为了实现电机和电池的信息随时在司机室的 液晶屏上显示，设计并编写了通信及相关的硬件电路和软件程序，来接收电池管 5 理系统控制芯片传送的电池信息，设计并编写了司机室液晶显示的相关硬件和软 件部分，保证驾驶员可以时时了解电机运行的状态和电池的能量状态。 6 2 开关磁阻电机及其驱动系统的基本原理 本章主要介绍开关磁阻电机及其驱动系统( s r d ) 的组成与原理，并阐述与 传统电机相比较，s r m 所具有的优越性能。 2 1 开关磁阻电机的基本结构及原理 2 1 1s r m 的结构、工作原理【1 】 开关磁阻电机是s r d 中实现机电能量转换的部件，也是s r d 区别于其它电机 驱动系统的主要标志。s r m 的定子、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。传统 的s r m 结构是定子上绕有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体，径向相对的两 个绕组串联构成一个两极磁体，称为“一相”。s r m 可以设计成多种相数结构，定、 转子极数有多种不同的搭配，本设计的控制对象是3 0 k w 三相1 2 8 极电机，绕组 为正向串联连接。电机结构截面如图2 1 所示。 图2 1 三相1 2 8 极开关磁阻电机截面图 r i g 2 1s e c t i o no f 3 - p h a s e1 2 8s r m s r m 的工作原理与传统的交、直流电动机存在着根本的区别。它不像传统电 机那样依靠定、转子绕组电流或永磁体产生的磁场间的相互作用产生转矩和转速， 而是遵循“磁阻最小原理一，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，使得转子齿在 移动到最小磁阻位置时，转子齿的主轴线与产生磁场的定子齿的主轴线重合。下面 以本系统研究的1 2 8 极三相开关磁阻电机为例，详细介绍s r m 的运行原理。 图2 2 表示该电机的一相电路的原理示意图，s 1 、s 2 是开关，d 1 、d 2 是二极管， e 是直流电源。电机磁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 7 极f b j o 心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 e 图2 2 开关磁阻电动机的工作原理 f i g 2 2w o r kp r i n c i p l eo fs r m 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 l 、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，使转子逆时针方向转动，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。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 0 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 0 。依次类推，定子绕组a b c 三相轮流通电一次，转子逆时针转动 了一个转子极距仃= 2 r dn r ) ，对御1 2 8 极开关磁阻帆t r = 3 6 0 0 8 = 4 5 0 ，定子 磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了3 x 3 0 0 = 9 0 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 cba 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。 2 1 2s r m 的特点 从结构上看，开关磁阻电动机的转子无绕组，成本低；电动机可高速旋转而 不致变形；转子转动惯性小，易于加、减速。定子端部短而牢固，热耗大部分在 定子，易于冷却。 从性能上看，开关磁阻电机的转矩方向与相电流方向无关。只要控制主开关 器件的导通关断顺序和角度，就可以改变电动机的工作状态；只要控制各相在不 同电感区域内的瞬时电流，就能四象限运行。无须辅助电力电子开关器件，降低 系统成本。 此外，开关磁阻电机也存在一些缺点，影响了它的发展与应用。由于s r 电机 的双凸极结构和磁路饱和的非线性影响，使其合成转矩是含有一定谐波分量的脉 动转矩，谐波的存在对s r 电机的低速运行性能有影响。同时由于功率变换器输出 的是不规则的电流脉冲，一般导致振动噪声较大、低速转矩脉动较大；因为需要 根据定、转子的相对位置来导通对应相，所以电机需要外加位置检测器；而且它 不能像异步电动机那样可以直接接入电网作稳速运行，而是必须与控制器一同使 用。 2 2 开关磁阻电机驱动系统的基本构成【2 1 】 开关磁阻电动机调速系统( s r d ) 主要由开关磁阻电机( s 1 w 或s r 电机) 、 功率变换器、控制器和检测器四部分组成，组成框图如图2 3 所示。 图2 3s r d 基本组成框图 f i g 2 3b l o c kd i a g r a mo fs r ds y s t e m 当控制器接收到位置检测器提供的电动机内各相定、转子磁极的相对位置信 息时，向功率变换器发出指令，给某相绕组励磁，绕组中有电流流过即产生磁通， 由于磁拉力对转子的作用，使靠近励磁相的一对转子运动，直到转子齿与产生磁 通的定子的齿重合为止。此时，控制器通过功率变换器断开该激磁相。依次导通 其余相，以保证转子连续以一定速度运行。 功率变换器提供能量使开关磁阻电动机运行，它连接电源和电动机绕组。由 蓄电池或整流器所产生的直流电源和开关组件构成。功率变换器的线路有多种形 式，与开关磁阻电动机的相数、绕组形式( 单绕组或双绕组) 等有密切的关系。 下面介绍本文样机所使用的功率变换器结构。本系统所采用的s r m 功率变换器主 电路为不对称半桥型，如图2 4 所示。 9 图2 4 不对称半桥型功率变换电路 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f a s y m m e t r yh a l f - b r i d g ep o w e ri n v e r t e r 以a 相为例，每一相有两个主开关管v 1 和v 2 及续流二极管v d l 和v d 2 。 根据控制方式的不同，运行时可以分成单管斩波控制和双管斩波控制。 单管斩波控制即能量非回馈式斩波方式，是指在某一段时间内，v 1 、v 2 中的 一个开关管始终开通，对另一个开关管进行控制。当绕组通电励磁时，+ 【，。电源电 压加到相绕组上，而当续流时，只关断一个主开关器件，另一个主开关器件保持 开通( 例如v 2 关断，v 1 保持开通) ，这时电流在外施电压近似为零的情况下，绕 组相电流经v d l 和v 1 形成闭合回路，磁链缓慢衰减，无能量返还电源。 双管斩波控制即能量回馈式斩波方式，是指每一相两个主开关器件同时导通 和关断。当给a 相绕组励磁时，v 1 、v 2 同时导通，v d l 和v d 2 截止，外加电源 + u 。加至a 相绕组的两端，产生相电流；当续流时，v 1 、v 2 同时关断，绕组电流 在可。作用下经续流二极管v d l 、v d 2 和外电源续流，绕组所储磁能部分地回馈 给电源。 考虑到负电压续流电流谐波成分多，转矩脉动大的因素，本系统采用斩单管 方式。 控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流 等反馈信息及外部输入指令，实现对s r 电机运行状态的控制。本系统的控制器是 由d s p 2 4 0 7 a 及一些接口电路构成，信息的处理大部分是由软件完成的，因此， 软、硬件的配合是否恰当，对控制器的性能产生巨大的影响。 位置检测器向控制器提供定、转子极间相对位置的信号，使控制器能正确地 决定绕组的导通和关断时刻，并计算出电机的转速。 2 3 开关磁阻电机的控制方式及特点 分析s r 电机的机械特性可知，固定外加电源电压以及开关角的s r 电动机转 l o 矩、功率与转速的变化关系与直流电动机的串励特性相同。对于给定的s r 电动机， 在最高外施电压u 一和允许的最大磁链i f ，一与最大电流f 。条件下，存在一个临界 角速度纯，它是s r 电动机能得到最大转矩的最高角速度，从静止到基速，s r 电 机具有恒转矩特性；大于基速，s r 电机输出恒功率特性。依据此特性选择控制策 略。 基速魄以下，采用电流斩波控制( c h o p p e dc u r r e n tc o n t r o l ，以下简称为c c c ) 输出恒转矩特性。当s r 电动机在低于的速度范围内运行时，为限制妖眦、f 。不 超过允许值，通过固定开关角，斩波控制外加电压阢。按电机输入电流值的大小 分为“电压p w m 控制 和“电流p w m 控制 两个控制阶段。 在刚启动时电流值较低，采用“电压p w m 控制。原理是用速度设定值和实 际速度之差调制u 。加在导通相绕组上的有效时间宽度来改变外施电压的有效值， 进而改变转矩。 在电流值已经上升到接近设定的电流斩波值时采用“电流p w m 控制。即用 电流的限值来控制致加在导通相绕组上的有效时间，以实现和f 。值的限定和 得到恒转矩特性。 在c c c 控制中，固定的氏和o o 仃能使电流波形的主要部分置于电感的上升段， 使电机处于电动运行，通过控制参考电流的大小控制电动机转矩和转速。电流斩 波周期t 减小，有利于在一定电流峰值下提高电机出力，同时有利于降低噪声。 但要取得较小的t ，则要求功率电路开关组件工作频率提高，需选择高频开关组件， 成本较高，且开关损耗较大【2 2 1 。 当s r 电动机在高于基速魄范围内运行时，因旋转电动势较大，且各相主开 关器件导通时间较短，电流较小，要通过按比例地增大导通角来补偿因角速度上 升导致的转矩的下降。即采用角度位置控制( a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o l ，简称为a p c 控制) 。改变氏和o o 疗可以改变电流波形与绕组电感波形的相对位置，使该电流波 形的主要部分位于电感波形上升段，此时电机处于电动运行状态。在电动状态下， 若开通角瓯提前，则在最小电感区段电流上升时间加长，电流波形加宽，而且电 流的峰值加大，因此可以通过改变氏来改变电机的转矩。改变钆一般不改变电 流峰值，但是可以改变电流宽度及电流和绕组的相对位型2 2 1 。若关断角不够靠前， 可能导致在电感的下降阶段续流还没结束，从而产生制动转矩，降低s r 电机的效 率。 3 基于s i m u l i n k 的开关磁阻电动机驱动系统仿真研究 由于构成s r d 系统的s r m 、功率变换器、控制器、检测器共同反映了s r d 工作的性能，所以在研究针对开关磁阻电机的各种控制策略前，需要建立完整的 s r d 动态系统模型。本章主要设计了s r d 非线性动态模型，并在此基础上，实现 了四种控制策略的仿真。 3 1 开关磁阻电动机静态磁链数据的采集与处理 s r m 数学模型的精确建立与描述直接影响到电机的优化设计、电机动态性能 分析、电机效率的评估，也为电机的高性能控制提供了基础。s r m 数学模型包括 电压方程、磁链方程、机械方程和机电联系方程，其中电压方程和机电联系方程 均与磁链方程密切相关。s r m 电磁特性可用电机相绕组磁链杪( 秒，i ) 来描述。因此， 建立准确而又简单的反映s r m 非线性电磁特性的磁链模型是建立s r m 数学模型 的关键。 虽然s r 电机的结构比较简单，其电磁关系却非常复杂。定、转子双凸极结构 使它运行过程中存在磁通周期性变化和严重的局部饱和现象，一般用角度和电流 的二元非线性函数来表示s r 的磁链变化特性。要研究s r 的磁链特性，必须计算 不同转子位置下的磁化曲线族沙= f ( o ，i ) 。有限元分析是目前普遍采用的求取磁化 曲线族最有效的方法之一。 3 1 1 静态磁链数据采集原理与方法 本文样机为3 相1 2 8 极开关磁阻电机，同一相四个极的绕组并联接入控制电 路，且相邻磁极的极性相反，定子极性示意图如3 1 所示。考虑用二维有限元软件 仿真计算不同转子位置下的磁化曲线族，但前提是假设磁场沿电机轴向不变化， 并将电机铁心长度以外的端部磁场忽略不计。参考文献【2 3 4 峙旨出，s r 电机的端部 磁场随转子位置的变化而变化，在某些转子位置，端部磁场效应是比较严重的。 对s r 电机来说，端部磁场对整个磁场的影响与电机结构以及定子绕组的连接方式 密切相关。 由于本文所研究的电机相邻定子极的极性相反，当相邻相绕组同时通入电流 时，在端部产生的磁场相互抵消，端部绕组匝链的磁链少，相应的端部电感值很 小，端部磁场的影响不十分明显。并且，样机的细长比( 铁心长度与定子外径比 1 2 值) 为0 6 8 ，由参考文献【2 5 】可知，随电机细长比的减小端部磁场的影响增大，当 细长比大于0 3 时，即可以忽略端部磁场的影响。故对本文所研究的样机来说，采 用二维有限元模型分析电机磁性能即可达到较高的精度。 图3 1s r 定子极性示意图 f i g 3 1s k e t c hm a po fs r m s t a t o rp o l e s 假设s r m 各相绕组参数对称，各相绕组具有相同的电磁特性，因此采用给一 相绕组通电，测量出该相绕组的磁链特性，来表征其余相的电磁特性。采集数据 流程如下： ( 1 ) 按实际尺寸绘出样机的平面模型并导入有限元软件中。 ( 2 ) 仅给一相绕组通电，经过有限元刨分，计算该相绕组磁链。 ( 3 )固定电流和转角的变化步距，按步距改变绕组电流值，改变定、转子 相对位置，求取不同相电流，转角所对应的磁链值。 仿真图及磁力线走向如图3 2 所示。 图3 2 有限元刨分及磁力线走向图 f i g 3 2f i n i t ee l e m e n ta n a l y z i n ga n df l u xd i a g r a m 注意两点：其一是电流和转角的变化步距的选取要保证磁链曲线的要求精度； 其二是对应不同的电流和转角有限元的剖分数要有所不同。 3 1 2 测量数据的处理 所获得二维有限元仿真的静态磁链数据在m a t l a b 下计算，绘制如图3 3 、图 3 4 所示。 一j 。 图3 3 静态磁链二维曲线图 f i g 3 3t w o d i m e n s i o n a lc u r v eo fs t a t i cl i n k a g e 一 “ 图3 4 静态磁链三维图 f i g 3 4t h r e e d i m e n s i o n a lc u r v eo fs t a t i cl i n k a g e 根据公式w m ( i ，o ) - - 1 0 1 v ( i ，0 ) d i l 0 r ，利用数值积分的方法可以由静态磁链值获得 磁共能值。采用复式辛普森公式，计算磁链曲线上每个离散点的磁共能w m ( i ，e ) 2 1 l 。 复式辛普森公式为 1 4 呒( f ，口) 2j ，( f ，o ) d ii 口：以 昙 少。( f 0 ，0 。) + 。( ，乡。) + 2 2 ( f 2 ，0 女) + 沙4 ( f 4 ，0 女) ( 1 ) + + 。一2 ( 一2 ，0 ) 】+ 4 g i ( ，目 ) + 吵3 ( i 3 ，0 女) + + j ；f ，。一l ( 一i ，0 女) ) 式中n = 2 k ，h = i 2 k ，i n = “+ a i ，a i = i n ，当角度为0 k 时，由间隔l a 的磁链值求出对 应电流为1 0 a ，2 0 a 1 2 0 a 的磁共能值。 得到磁共能对角度、电流的数据表后，利用五点插值求导，在磁共能的数据 表中求出任意离散点的瞬时转矩值【2 1 1 。五点插值求导公式如下： 地，0 0 ) 2 去 乏5 嘭q ，o o ) + 4 8 w “，0 0 3 6 w o ( i - ，0 2 ) + 1 6 w ：( a ，包) 一3 r v ( i l ，幺) 丁“，岛) 2 i 轰h - 3 w ( f l ，0 0 ) 一1 0 w q ，q ) + 1 8 呢( 】i ，0 2 ) 一6 ( ，b ) + 嘭( f i ，幺) 】 她，0 2 ) 2 去 形( ，o o ) 一8 咴g ，鸟) + 8 r v 。( f l ，岛) 一“，幺) 】 2 孤，鼋) 2 去 嘏“，0 0 ) + 孵( 一1 8 “，岛) + 1 0 w o ( i - ，毋) + 3 嘭“，f 2 i ) 】 孤，0 4 ) 2 志 3 嘭( ，o o ) - 1 6 咴( f l ，岛) + 3 6 吲( ，0 2 ) 一4 8 w ( i , ，8 ) + 2 5 w 2 ( j j ，只) 通过程序计算得到半周期的瞬时转钳曲线如下图： 图3 5 转矩三维图 f i g 3 5t h r e e d i m e n s i o n a lc u r v eo f t r o q u e 由图3 3 3 5 可见，在定、转子非对齐位置，磁链是电流的线性函数，随着 转子与定子相对位置的改变，越接近定、转子齿极轴线重合的位置，磁化曲线饱 和度越严重。转矩在定子齿和转子轭轴线重合位置较小，在定、转子齿轴线重合 1 5 位置也较小，是由于在这两个位置处电感的变化较小所导致的。可见，磁链，转 矩均是电流和转子位置角的非线性函数，这两个量的精确表示决定了s r m 模型的 准确性。下面所建立的s r d 非线性模型就是基于以上磁链和转矩的数据。 3 2 开关磁阻电机驱动系统非线性动态模型 建立开关磁阻电机及其驱动系统的整体模型便于研究s r m 的性能和进行各种 控制策略的仿真。在模型的建立过程中不能忽视实际系统的情况和要求，这样建 立的模型才更具有实际意义。 3 2 1电流p w m 控制模型 在低于基速，且电流值已经上升到接近设定的电流斩波值的时候采用“电流 p w m ”控制。即用电流的限值来控制u ，加在导通相绕组上的有效时间，以实现 一和f 。值的限定和得到恒转矩特性。 单相绕组模块仿真图如图3 6 所示。每一相的主要区别是a 、b 、c 三相相位 依次差1 5 0 ，且在每一相的模型中，都采用f u n c t i o n 模块把采集的电机位置信号转 化为o 4 5 0 的角度值。 图3 6 “电流p w m ”控制一相绕组模块仿真图 f i g 3 6s i m u l a t i n gm o d u l eo fs i n g l ep h a s ew i n d i n gi nc o n t r o lo f “c u r r e n tp w m 相绕组模块主要分为电流滞环、功率变换、电流查表、转矩查表四部分。 1 6 ( 1 ) 电流滞环模块( v o l t a g e ) 图3 7 电流斩波示意图 f i g 3 7s k e t c hm a po fc u r r e n tc h o p p i n g 电流滞环原理如图3 7 所示，斩波时施加到一相绕组上的电压是 u = u 去8 0 k 善8 8 o k 州 且i r e ，= 字( 3 ) 图3 8 功率变换模块仿真图 f i g 3 8p o w e ri n v e r t e rm o d u l e 功率变换模块实现当角度 9 且电流未降为0 之前，给绕组施加负电压，同时要 保证给绕组的通电时间最短。 ( 3 ) 电流查表模块( t a b l ec u r r e n t ) 采用3 1 2 节所获得的3 0 k w 样机的静态磁链数据，利用m a t l a b c a l i b r a t i o n 工 具箱将数据反演为江厂( 沙，日) 的数据，即电流查表所用数据。由图3 9 可见反演结 果在3 5 度之前都较精确。 1 7 ( 帅忱州协舱删咖叫叫n 响慨僻帅f i l e de r i e 图3 9 反演结果误差图 f i g 3 9i n v e r s i o ne r r o r ( 4 ) 转矩查表模块( t a b l et o r q u e ) 转矩查表所用的数据是3 1 2 节通过插值求导获得的。当输入某一电流值和转 子角度值时，查表输出相对应的瞬时转矩值，如果输入的电流值或角度值在表格 中没有直接对应的转矩值时，模型会利用二次插值的算法从最接近的两个转矩值 间求出输出。电流表的查询方法与此相同。 结合电机机械方程 建立“电流p w m ”控制的双闭环模型如图3 1 0 所示。转速外环采用p i d 控制。 f i g 3 1 0d o u b l el o o ps i m u l a t i o ni nc o n t r o lo f c u r r e n tp w m 4 o 冕 一 一 妙 矽 乙