（电机与电器专业论文）电动车用小功率开关磁阻电机及系统的设计与分析.pdfVIP

原刨性声明 l i i ii i ii i iii i iii ii ii il 17 9 0 8 6 7 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：独盈盐 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弛师签名趔日 期： 皇旦丝：玺：， r 山东大学硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t 、f i 第一章绪论1 1 1 课题来源及选题意义1 1 1 1s r d 的优点l 1 1 2 需要解决的问题3 1 1 3s r m 用于电动车的优点4 1 2 国内外研究发展现状4 1 3 论文的主要研究内容8 第二章s r m 的基本结构与工作原理9 2 1 引言9 2 2 开关磁阻电机基本结构及原理9 2 2 1 基本结构9 2 2 2s r m 的工作原理1 0 2 2 3s r m 的基本方程1 2 2 3s r d 系统1 4 2 3 1s r d 系统的组成1 4 2 3 2s r d 系统的工作过程1 4 2 3 3s r d 控制方式1 5 2 4 本章小结1 6 第三章s r m 稳态特性的m a t l a b 仿真1 7 3 1 引言1 7 3 2 s r m 的线性模型1 7 3 2 1 基本方程1 7 3 2 2m a t l a b s i m u l i n k 仿真2 1 山东大学硕士学位论文 3 3s r 准线性模型2 4 3 4s r m 的非线性模型2 7 3 4 1 四个特殊位置磁化曲线的模化2 7 3 4 2 v i o i 3 0 3 4 3 仿真模型的建立3 2 3 4 4 仿真结果3 3 3 5 本章小结3 5 第四章s r m 的时步有限元分析3 6 4 1 引言3 7 4 1 1 有限元方法概述3 7 4 1 2a n s o f tm a x w e l l2 9 3 d 软件简介3 8 4 1 3s r m 的有限元分析3 8 4 2 用a n s o f t r m x p r t 建立静态模型3 8 4 3s r m 的, m a x w e l l2 9 建模4 1 4 3 1m a x w e l l2 9 3 d 软件的建模步骤4 1 4 3 2s r m 不同控制方式对比4 4 4 3 3 不同开通角，关断角对电流波形的影响4 7 4 3 4s r m 起动特性4 8 4 4 本章小结5 9 第五章控制系统设计6 0 5 1 硬件电路设计6 1 山东大学硕士掌位论文 6 2 实验结果6 8 第七章全文总结7 l 参考文献7 3 致谢7 7 i l l i v 山东大学硕士学位论文 摘要 开关磁阻电机是随着电力电子技术和控制技术的发展而诞生的一种特种 电机，并以其结构简单、坚固、成本低廉、起动转矩大、效率高等优点，在 许多领域得到了广泛的应用。 本论文首先系统介绍了开关磁阻电机系统的拓扑结构、工作原理、运行 特点，计算了电机的性能，应用m a t l a b 语言编写了开关磁阻电机的设计程序； 根据开关磁阻电机的工作原理和特点，应用m a t l a b 建立线性、非线性仿真模 型，并且应用仿真模型仿真了电机的运行情况。 a n s o f t 软件是电机设计分析的常用软件之一，本文利用该软件中的 r m x p r t 软件进行电机的电磁设计，得到样机的稳态参数和性能，设计计算完 成后，生成二维模型，在b l a x w e l l 软件中对模型进行动态和静态分析，得到电 机的磁场分布情况和各种特性曲线，以验证电机设计的合理性。分析了电机 转矩随转子位置、绕组电流的变化情况等；绘制出了开关磁阻电机的非线性 磁化曲线族，应用时步有限元法验证了电机的运行性能。 在s r m 计算、仿真结果以及有限元验证的基础上，设计制作了一台样机和 相应配套的控制器。最后对样机的各项性能指标进行测试分析，验证了电机 整个设计过程的正确性，以及控制器的简单、可靠、实用性。 关键词：开关磁阻电机；电机设计；时步有限元；仿真模型 v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c eo fp o w e ra n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dp r o g r e s so fc o n t r o l t e c h n i q u er e c e n t l y ，s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) w a sp r e s e n t e di np l e n t yo f a r e a s i ti sw i d e l yu s e da si t sa d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e ，g r e a ts t a r t i n gt o r q u e ， a sw e l la sh i 曲e f f i c i e n c ya n ds oo n b e s i d e se v e rr e s e a r c h ，t h em a i ns t u d yw o r k s o ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t o p o l o g y ，p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro fo p e r a t i o no fs r m w a si n t r o d u c e d ， m o t o rp e r f o r m a n c ew a sc a l c u l a t e d s r md e s i g np r o g r a mw a sm a d ei nm a t l a b l a n g u a g e b a s e do nt h e o p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro fs r m ，an o n l i n e a r s i m u l a t i o nm o d ew a sm a d ei nm a t l a bt os i m u l a t em o t o r so p e r a t i o n a n s o f ti sac o m m o ns o f t w a r ei nt h ed e s i g n i n ga n da n a l y s i so fs r m ，t h i s p a p e r w i l lu s et h er m x p r tw h i c hi sap a r to fa n s o f tt od e s i g nm o t o r sa n dg a i n t h e s t e a d yp a r a m e t e r s a n d p e r f o r m a n c e t h e n t h i s p a p e r w i l lc r e a t t w o - d i m e n s i o n a lm o d e la n da n a l y z ei ti nm a x w e l lw h i c hi sa n o t h e rp a r to fa n s o f t a tl a s tw ec a ng e tm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n da l lk i n d so fp e r f o r m a n c ec u r v e s ， c o i lc u r r e n t at i m e - s t e p p i n gf i n i t ee l e m e n tb e h a v i o r a lm o d e lw a sd e v e l o p e dt o v e r i f ym o t o r sp e r f o r m a n c e ，w h i c hw i l ls h o wt h a tt h ee l e c t r i cm a c h i n ed e s i g ni s f e a s i b l e c o i lc u r r e n t a t i m e - s t e p p i n g f i n i t ee l e m e n tb e h a v i o r a lm o d e l w a s d e v e l o p e dt ov e r i f ym o t o rp e r f o r m a n c e u p o nd e s i g ne q u a t i o n s ，s i m u l a t i o nr e s u l ta n df i n i t ea n a l y s i s ，a ne x p e r i m e n t a l m o t o ra n dc o n t r o l l e rw a s m a d e f i n a l l y ，t e s tr e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t a lm o t o ra r e p r o v i d e dt ov e r i f yt h ed e s i g ne q u a t i o n sa n db e n e f i t so ft _ h ec o n t r o l l e r k e yw o r d s ：s r m ，m o t o rd e s i g n , t i m e - s t e p p i n gf i n i t ee l e m e n t , s i m u l a t i o n m o d e l v i 山东大学硕士学位论文 1 1 课题来源及选题意义 第一章绪论 电机作为一种机电能量的转换装置，在国民经济中的各个领域占有重要的地 位，而开关磁阻电机( 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 ) 作为一种新型 的调速电机，具有控制灵活、结构简单、可靠性高、电气性能优良的特点。随着 现代电力电子技术、计算机辅助设计的高速发展，以及d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r 数字信号处理器) 和a r ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 等高性能微 处理器的诞生和广泛应用，大大促进了开关磁阻电机调速控制系统的快速发展 t 】 o 开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v es y s t e m ，简称s r d ) 的 出现，不仅为工业、交通、国防及家用电器等部门提供了一种极其优越的调速系 统，而且也因其具有的典型机电一体化结果丰富了“机械电子学”的成功实例晗1 。 在国外推广应用较早较成熟的领域有：矿山机械( 采煤机、输送带等) 、航空发电 机、电梯、电动汽车、洗衣机、食品加工机、火车空调机、织布机等。国内近年 来已有一大批高校、研究所和工厂投入s r d 的研究、开发和制造工作。如北京中 纺锐力电机有限公司、华中科技大学、南京航空航天大学、浙江大学等；2 0 0 5 年山东科汇电气公司率先在全国实现s r m 的批量化生产，2 0 0 7 年成立了山东省开 关磁阻电机调速工程技术研究中心。自从某研究所于1 9 8 8 年将首台样机用于工业 现场以来，已有至少十余家单位推出不同性能、不同用途的几十个系列规格的产 品。其产品已应用于纺织、冶金、机械、运输等行业的数十种生产机械和交通工 具中，其发展速度十分迅猛。s r d 在一些机械中发挥出独有的优势，已难以为其 它类变速传动系统所代替。可以预言，该系统的异军突起，必将在我国乃至世界 的变速传动领域中占有重要的一席之地。 1 1 1s r d 的优点口棚 1 ) 电动机结构简单、成本低、适用于高速运行 s r m 的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点 是转子上没有任何型式的绕组，因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼条铸 山东大学硕士掌位论文 造不良和使用中的断条等问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转( 如 1 0 0 0 0 r m i n 以上，国外有报道的最高转速为1 0 0 0 0 0 r m i n ) 。在定子方面，它只有 几个集中绕组，因此制造简便，绝缘容易。 2 ) 功率电路简单可靠 因为s r m 转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电 路可以做到每相一个功率开关。对比感应电动机绕组需流过双向电流，向其供电 的p 1 j l m 变频器中功率电路每相需两个功率元件。因此s r d 较p w m 变频器功率电路中 所需的功率元件少，电路结构简单。另外，p v m 变频器功率电路中每桥臂两个功 率开关直接跨在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率元件。而s r d 中每个功率 开关元件均直接与电动机绕组相串联，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，既降低了成本，又具有更高的可靠性。 3 ) 各相独立工作，容错性好 从电动机的电磁结构上看，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 一个圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制器结构上看，各相电路各自给 一相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器 一相电路发生故障时，只须停止该相工作，s r m 除总输出功率能力有所减小外， 并无其它妨碍。由此本系统可构成可靠性极高的系统，可以适用于宇航等特殊场 厶 口o 4 ) 高起动转矩，低起动电流 控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧可得到较大的起动转矩是本系统 的一大特点。典型产品的数据是：起动电流为1 5 额定电流时，获得起动转矩为 1 0 0 的额定转矩；起动电流为额定值的3 0 时，起动转矩可达其额定值的1 5 0 。 对比其它调速系统的起动特性，如直流电动机为1 0 0 电流，获得1 0 0 转矩；鼠笼 感应电动机为3 0 0 的电流，获得1 0 0 的转矩。起动电流小、起动转矩大的优点还 可以延伸到低速运行段，因此本系统十分适合那些需要重载起动和较长时低速重 - 载运行的机械，如电动车辆等。 5 ) 适用于频繁起停及正反向转换运行 s r d 具有高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小， 2 山东大掌硕士学位论文 电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。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。二者综合作用的结果必然使之 适用于频繁起停及正反向转换运行，起停次数可达1 0 0 0 次d , 时。频繁起停的生 产机械有冲床、龙1 t n 床、铣床、可逆轧机、飞锯、飞剪等。 6 ) 可控参数多，调速性能好 控焦i l j s r m 的主要运行参数和常用的控制方法至少有四种：相开通角，相关断 角，相电流幅值，相绕组电压。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，使之运行于最佳 状态( 如出力最大、效率最高等) ，还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲 线。如使电动机具有完全相同的四象限运行( 即正转、反转、电动、制动) 能力， 并具有高起动转矩和串激电动机的负载能力曲线。 7 ) 损耗小，效率高 s r d 系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机转子不存在绕 组铜损，另一方面电动机可控参数多，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。将本系统同p i d d 变频器带鼠笼感应电动机的系统进行比较， s r d 的综合效率一般要高5 个百分点左右。 1 1 2 需要解决的问题氓1 4 “胡 1 ) 转矩波动问题 为了提高电机的输出功率密度，s r m 通常运行于深度磁饱和状态，导致s r m 相电感是电机转子位置和绕组电流的非线性函数。在采用传统的矩形脉冲供电模 式下，电机转矩脉动比较明显。在s r m 低速运行时，转矩脉动问题尤为突出。 2 ) 噪音和振动问题 s r m 由转矩脉动所导致的噪声及特定频率下的谐振问题也较为突出。 3 ) 建模问题 由于s r m 具有双凸极结构和磁路饱和的特点，导致其磁路的严重非线性，难 以建立准确的数学模型，对其静态、动态等性能进行精确的分析，这一直是困扰 国内外学者的关键问题。 3 山东大学硕士学位 v e 文 1 1 3s r m 用于电动车的优点u 0 。1 3 1 电动车以电池为电源，但是电动车可选用的驱动电机有多种类型，如直流电 机、交流感应电机、永磁无刷电机、s r m 等多种电机。早期电动车驱动电机多采 用直流电机，而且当前仍在一些电动车上使用，但目前应用最广泛的为交流感应 电机和永磁无刷电机，s r m 作为7 0 年代兴起的新型电机在电动汽车应用方面也有 着非常巨大的潜力。 相比直流电机、交流感应电机和永磁无刷电机，s r m 构造最简单，定、转子 均为凸极齿槽结构。其转子上无任何绕组，因此转子上没有铜耗，且转子非常坚 固，所以特别适合高速运行，最高转速可达1 0 0 0 0 0 r m i n 以上。其定子上只有集 中绕组，制造工艺简单，易于冷却，所以可以适当地提高电机的能量密度。 s r m 起动转矩大，低速时为恒转矩输出，而且低速时采用电流斩波控制，起 动电流小，高速时为恒功率输出，与车辆负载的特性相一致。 s r m 在广泛的转速范围内效率均较高，这个特性非常适合电动车辆在各种工 况条件下保持高效率以增加行程。由于s r m 可达到很高转速，因此可通过设计使 恒功率范围很宽，这样在满足电动车动力性能要求的同时可以降低电机的额定功 率。 由于s r m 可控参数多，控制非常灵活，采用角度控制开关损耗较小，而且在 不增加开关数量的前提下可方便地进行四象限运行。s r m 的变换器结构简单，绕 组与主开关是串联的，不会产生直通现象，因此可靠性较高。s r m 也有较高的能 量转换密度，可以做到与交流感应电机同机座同出力。s r m 的振动和噪声相对比 较大，但可望通过优化机械设计和采用先进的控制方法加以解决。 综上所述，s r m 在成本、体积、可靠性方面均优于交流感应电机和永磁无刷 电机，在效率和单位体积提供的转矩方面至少与后两者相当或略优，在未来的电 动汽车研制过程中，开关磁阻电机一定会得到广泛的重视和应用。 1 2 国内外研究发展现状 s r m 一词来源于美国学者s a n a s a r l 9 6 9 年所撰写的论文，文中描述了这种电 机的两个基本特征【1 6 】：( 1 ) 开关性：电机必须工作在一种连续的开关模式，这就 是这种电机只有在出现各种新型半导体器件后才能发展的原因所在；( 2 ) 磁阻性： 4 山东大学硕士学位论文 它是一种双凸极电机，定、转子具有可变磁阻回路。其实，s r m 电动机的雏形最 早可追溯到1 9 世纪4 0 年代，即所谓“电磁发电机。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，其原理与现在的s r m 非常相似。但 是，由于当时科学技术水平的限制，根本无法解决s r m 在设计、控制等方面的一 系列关键问题，这一科学发现在当时并没有引起人们的足够重视，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 得了一个又一个的成就，为s r m 重新提上研究日程奠定了物质基础。1 9 6 7 年，英 国l e e d s 大学开始对s r m 进行深入研究，到了1 9 7 0 年左右，其研究结果表明：s r m 可在单相电流下四象限运行，功率变换器无论是用晶体管还是用普通晶闸管所需 开关数都是最少的，电动机成本明显低于同容量的异步电动机。1 9 7 5 年英国 n o t i n g h a m 大学和l e e d s 大学的联合研究小组成功地研制出一套用于电动汽车的 5 0 k ws r d 装置，其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置，这充 分表明s r d 大有前途。众所周知，传统观念中的磁阻式同步电动机功率因数、效 率均低于异步电动机，但为什么上述研究小组得出了与此相反的研究成果呢? 关 键在于高性能计算机的问世，为s r m 的优化设计提供了有效的计算、分析工具； 而电力电子学、微电子学的发展，则为s r m 的高性能、高效率控制提供了保证。 另外，j j a r r e l 在6 0 年代末提出的增加饱和度有利于提高s r m 出力的观点，则从 理论上对s r m 的发展起到了积极的推动作用。1 9 8 0 年，英国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“v a r i a b l es p e e d s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r s ”，标志着s r d 正式得到了国际上学术界的承认。该 文系统的阐述了s r m 的原理及设计理论，研究了s r m 的特性及控制方式，这些工作 被公认为s r m 研究的奠基之作n 文甜别。 1 9 8 3 年，英国t a s cd r i v e s 公司将世界上第一台s r m 一一o u l t o n 传动装置 ( 7 5 k w ，1 5 0 0 r m i n ) 作为商品投入市场，1 9 8 4 年又推出了4 2 2 k w 四个规格的系列 产品。作为一种性能价格比高的新型调速系统，s r d 问世不久，便引起各国电工 界重视。我国于1 9 8 4 年左右，也以较高的起点开始s r d 的研究、开发工作，已研 制出了5 0 w - 5 0 k w ，2 0 多个规格的s r d ，国内有关s r d 研究的学术著作也相继出版。 目前，s r d 的开发范围已经达到：转矩为0 0 l 一1 0 6 n m ，功率为i o w - 5 m w ，最高转 速可达1 0 0 0 0 0 r m i n ，规格己从多相发展到单相、两相，电机形式亦从旋转型发 山东大学硕士学位论文 展到直线。虽然s r d 在我国出现较晚，它的特点没有被广大用户很好的了解，但 是由于s r d 系统具有十分优良的性能，近年来，s r m 的应用和发展取得了明显的进 步，现已成功地应用于机床、电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各 个领域。目前，转矩脉动和噪声这两个问题制约了s r d 系统的进一步推广和应用。 随着研究的深入，降低s r m 的噪声和减d 、s r d 的转矩脉动成了研究的热点n 螂1 。 应当指出的是，s r m 作为一种新型调速系统，兼有交、直流调速系统的优点， 无疑具有广阔的市场前景，但是由于异步电动机和无刷直流电动机等经过多年的 发展，已经有了极广泛的应用，占有了市场，加之s r d 本身也存在着诸如转矩脉 动、噪声等问题，s r d 要进入调速市场并占据较大份额，还尚需时日。 近十几年来，s r d 的研究在国内外取得了很大的发展，但是作为一种新型调 速系统，研究的历史还比较短，其内容涉及到电动机、电力电子、微电子、微机、 控制、机械及工程应用等众多学科领域，加上s r m 本身有很强的非线性特性，决 定了s r d 研究的复杂性和困难性，目前还有大量的工作需要做。在应用上，s r d 有着广阔的市场前景，s r m 具有多种优点，这就给了人们继续研究的动力。从目 前发展水平看，无论是理论上还是应用上，都存在不少问题，有待迸一步的研究 与完善。到目前为止，对s r d 的研究主要集中在以下几个方面幢3 2 7 2 8 】。 1 ) s r m 建模的研究 s r m 数学模型的精确建立与描述直接决定与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沙、定转子位 置角秒、相电流f 三者之间关系表示，用磁化曲线y ( p ，f ) 来描述。因此，建立准 确而简单的反映s r m 非线性电磁特性的磁链模型是建立s r m 数学模型的关键之一， 目前己有多种s r m 磁链建模方法，如线性法、准线性法、函数解析法、表格法、 有限元分析法和神经网络法等。 2 ) s r m 设计理论 s r m 的非线性，使其性能的精确分析和计算较为困难。目前普遍采用的二维 非线性有限元方法分析s r m 内部的饱和磁场，其局限性主要表现在两个方面：一 是以对磁路为基础的设计方法研究不够；二是现有的方法精度亦有待提高，应计 6 山东大学硕士学位论文 及端部效应，开展s r m = 维场的研究。可喜的是现在有一些软件已经能够较准确 的对电机的三维磁场进行仿真，女i a n s o f t 软件。 3 ) 对转矩脉动及振动噪声的研究 s r m 的转矩脉动及其引起的噪声是s r d 驱动系统一个颇为突出的缺点，这限制 了其在调速驱动领域的广泛应用。因此，研究抑n s r 电动机的转矩脉动是改善s r d 性能的重要课题之一。s r m 转矩脉动的产生即受到电机本身的相数和结构尺寸的 影响，又与所采用的控制策略和控制参数有关。在s r m 转矩脉动削弱方面的研究 主要围绕电机设计和电机控制两个方面展开。以下仅从控制的角度，叙述国内外 在s r m 转矩脉动抑制领域中研究的概况。 s r m 转矩控制可分为三级控制子任务：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) ，通过其求出期望转矩下的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。 4 ) 无位置传感器的研究 对于s r d 系统而言，实时而准确的转子位置信息是其可靠运行和高性能控制 的必要前提。目前实际应用中，一般都采用轴位置传感器或者其它类型的探测式 位置检测器来获得位置信息，这不仅会提高系统成本和复杂程度，更重要的是会 降低s r d 系统结构的坚固性，影响整个系统的可靠运行，尤其是在某些应用环境 比较恶劣的场合。因此如何让它去掉位置检测器，直接利用电机的电压和电流信 息间接确定转子位置，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。 5 ) s r d 的控制策略研究h 删 从总体上讲，s r d 性能的改善必须考虑s r m 的非线性及参数时变特性，研究具 有较高动态性能，算法简单，能抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的s r m 新型控制策略。传统的控制策略主要是基于s r m 线性模型的p i 或p i d 控制，如电流 控制、反馈转速控制等。在性能要求不高的情况下通过整定p i d 参数往往能够得 到可以接受的性能和较好的经济性，但是由于s r m 的强非线性和绕组电流的非正 弦，基于线性模型的控制策略其输出特性、动态和静态特性以及鲁棒性无法与直 流传动相媲美。为改善系统性能，国内外发表了一些基于现代控制理论和智能控 7 山东大学硕士学位论文 制技术建立s r d 动态模型和系统设计的文献。自适应控制、神经网络理论、模糊 控制以及带状态观测器的无位置传感器s r d ，在理论和实践应用上都有了可喜突 破。 1 3 论文的主要研究内容 本文在前人研究的基础上，对s r m 模型的建立、磁场的分析、电机的设计、 控制器的设计、控制策略等做了迸一步的研究探讨，主要研究内容如下： 1 ) 介绍分析了s r m 的工作原理，阐述了s r m 的性能分析方法。 2 ) 建立了s r m 的数学模型，并应用m a t l a b s i m l i n k 建立了其仿真模型，可以 对电机的启动过程、稳态运行性能等进行仿真研究。 3 ) 应用a n s o f t 建立了电机的有限元静态分析模型，进行电感、转矩等的计 算；建立了电机的有限元瞬态分析模型，可以应用此模型分析电机整个系统的运 行性能，观测电机绕组的反电势等。 4 ) 在上述工作的基础上，设计、制造了样机和控制器，对电机的各项参数 进行测试，与理论分析结果进行了对比，理论分析结果与实际测试结果吻合较好。 8 山东大学硕士学位论文 2 1 引言 - 第二章s r m 的基本结构与工作原理 开关磁阻电机调速系统是国外在八十年代推出的一种性能价格比很高的无 级调速系统，在结构和性能上它有许多优点。本章介绍了开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，因而磁路高度非线性，电磁关系非常复杂，绕组电感不仅是电流 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 此很难建立精确可解的数学模型。本章将从最基本的电磁关系出发，给出开关磁 阻电机的求解方法，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、 转速和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 2 2 1 基本结构 开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。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。所以开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、 三相和四相等，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 有单齿和多齿结构，一般说来，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，这将限制开关磁阻电机的高速运行和效 率，因此，一般不使用多齿结构。按气隙磁场分有轴向结构和径向结构，单相开 关磁阻电机大多采用轴向结构。 图2 - 1 给出了一种典型的开关磁阻电机结构。 9 山东大学硕士学位论文 2 2 2s r m 的工作原理 图2 1s r m 结构示意图 与反应式步进电动机相似，s r m 为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，定子极上绕有集中绕组。 图2 - 2 为一台三相1 2 8 的s r m 的截面图，其定子上有1 2 个齿极，转子有8 个齿极， 每个定子齿极上设有一个线圈，空间上依次相差9 0 。的四个绕组线圈串联形成一 相。s r m 可以设计成多种不同的相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。 研究表明，低于三相的s r m 没有自起动能力。对于有自起动、四象限运行要求的 驱动场合，应优选表卜l 所示的定、转子组合方案。相数多，步距角小，有利于 减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。 l o 图2 - 2 常见1 2 s s p d v i 截面 毋_ o o彤w锄磋z缓锗兹渤1叠德盛骆遵、 苗、j。；一，刊飞乒o，o，、。 搋”鞔静硝荔锄爹彰矿嚣v” 山东大学硕士掌位论文 表1 - 1开关磁阻电机的定、转子极数组合 相数 3345678 定子极数m 61 281 01 21 41 6 转子极数m48681 01 21 4 步进角 3 0 。 1 5 。1 5 。9 。6 。4 2 8 03 2 1 。 图2 - 3 所示为四相1 2 8 极s r m 结构原理图。为简单计，图中只画出a 相绕组及 其驱动电路。 图2 - 31 2 8 s i 洲结构及驱动电路 结构上与步进电机相似的s r m ，其运行原理亦遵循“磁阻最小原理”磁通 总要沿着磁阻最小的路径闭合。图2 3 中，当定子a 相励磁时，所产生的磁力则力 图使转子旋转到转子极轴线l 一1 与定子a 相轴线重合位置，并使a 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a - b - c - a 相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次 b a c b 相通电，则电机即会沿着顺时针方向转动。可见，s r m 的旋转方向与相绕 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 3 可以看出， 山东大掌硕士掌位论文 当主开关器件s l 、s 2 导通时，a 相绕组从直流电源吸收电能，而当s l 、s 2 关断时， 绕组电流经续流二极管继续流通，并回馈给电源u 。 2 2 3s r m 的基本方程 s r m 的工作原理和结构都比较简单，但其双凸极的结构特点，磁路和电路的 非线性、开关性，使得电机的各个物理量随转子位置周期性变化，定子绕组电流 和磁通波形极不规则，传统电机的性能分析方法难以简单地用于s r m 的计算。但 是s r m p 勺部的电磁过程仍然建立在电磁感应定律、全电定律、能量守恒定律等基 本的电磁关系上，并可由此写出s r i 的基本平衡方程式。 1 ) 磁链方程 在s r m e e ，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，故磁链吵七为： = w ( i l ，如，0 ) ( 2 - 1 ) 2 ) 电动势方程 一台多相s r m ，假设各相结构和电磁参数对称，根据基尔霍夫电压定律和电 磁感应定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感 应电动势之和，可以写出s r 第七相的电动势平衡方程式： = 亿+ 警 ( 2 2 ) 式中，u k 一第k 相的端电压；丘一第k 的相电流：r 一第k 相的电阻：一第k 相的磁链。 如果忽略电阻压降，式( 2 - 2 ) 可写为： = 警= 厶鱼a r t + 咯力= 巴+ 巳 协3 ， 式中，力一机械角速度；e 一变压器电动势；乞一旋转电动势。r。 进一步考察s r m 的功率关系，有： 玑t = 北w 卜等q ( 2 4 ， 1 2 山东大掌硕士学位论文 式( 2 - 4 ) 表明，输入功率的一部分转为磁场储能增量，另一部分则是输出的机 械功率。可以说，s r m 正是利用其不断的能量储存、转化而实现高效率的转换。 3 ) 转矩方程 当电动机电磁转矩t 与作用在电机轴上的负载转矩不相等时，转速就会发生 变化，产生角加速度a o d t 。根据力学原理，可以写出这时的转矩平衡方程式： t = 警岷百d o + 瓦 ( 2 _ 5 ) 式中，一系统转动惯量：r , o 一摩擦系数；瓦一负载转矩。 当s r m 稳态运行时，a o d t = 0 ，则 乙= 鲁+ 瓦 6 ) 电磁转矩可以表示为磁共能w 的函数： z = 翌竺皿：盔：尘7 ) a 秒 7 综上所述，s r m 的基本平衡方程组可以写为： 以= r t + 警 = 妙( ，之，乞，0 ) 州鲁+ k 鲁 治8 ) ，a 形。【，i 2 ，i q ，0 ) i ：= ：- - - - - 二- - - - - - - - - - - - - - - - 二 q = 塑 k = 1 ，2 。q 在上述模型中，由于s r m 中存在严重的饱和效应和边缘效应，磁链帆一般没有 解析式，是电流t 和转子位置角目的非线性函数，通常需根据具体运行状态和研 究目的进行必要的简化，因此可以采用线性模型、准线性和非线性模型进行分析。 山东大学硕士掌位论文 2 3s l i d 系统 2 3 1s r d 系统的组成 s r d 主要由s r m 、功率变换器、控制器和检测器四部分组成，如图2 4 所示。 图2 4s r d 系统结构原理图 s r m 是s r d 中能实现机电能量转换的部件，也是s r d 中的主要组成部分，其工， 作原理已在上节阐述。 功率变换器向s r m 提供运转所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到的直 流电源供电，也可以将s r m 内的磁场储能反馈回电源。其主电路的结构形式与供 电电压、s r m 内相数及主开关器件的种类等有关。 控制器是系统的中枢，它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的命令，控制功率变换器中主开关器件 的工作状态，从而控制绕组电流，达到控制s r m 的转矩和转速的目的。改变s r m 各相绕组的导通顺序，即可控制电机转向。将绕组电流延迟到电感下降区，s r m 即可实现制动或发电运行。可见，控制器可实现对s r m 运行状态的控制。 位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕 组的导通和关断时刻。 2 3 2s r d 系统的工作过程 控制电路接受起动命令信号，在检测系统状态一切正常的情况下，根据角位 移传感器提供的电动机转子位置信号，按起动逻辑给出相应的输出信号。该信号 控制功率电路向电动机绕组通电，使电动机转子开始转动。当转子转过一定角度 1 4 山东大学硕士学位论文 时，控制电路根据角位移传感器信号的变化通过功率电路使电动机通电相改变。 当电动机转速达到一定值时，控制电路从起动逻辑转换为低速运行逻辑，或再从 低速运行逻辑转换为高速运行逻辑。运行中，控制电路测试电动机运行中的转速 或转矩等，并对其进行连续调节。当操作命令改变时，如停车、制动等，控制电 路再次改变工作逻辑，通过功率电路使电动机实现操作要求。 2 3 3s r d 控制方式 s r d 的控制方式是指电动机运行时对哪些参数进行控制及如何控制，使电动 机达到规定的运行状况，并使其保持较高的力能指标。s r d 的主要的控制方式包 括： 1 ) 角度控制 控制开通角包珂和关断角。在包疗和之间，对绕组加正电压，在绕 组中建立和维持电流。在之后一段时间内，对绕组加反电压，电流续流并迅 速下降，直至消失。 角度位置控制的特点是： 转矩调节范围大。若定义电流存在区间f 占电流周期丁的比例t t 为电 流占空比，则角度控制下电流占空比的变化范围几乎从o 1 0 0 。 同时导通相数可变。同时导通相数多，电动机出力较大，转矩脉动较小。 当电机负载变化时，自动增加或减少同时导通的相数是角度控制方式的 特点。 电动机效率高。通过角度优化，能使电动机在不同负载下保持较高的效 率。 2 ) 电流斩波控制 在1 5 7 = 时，功率电路开关元件接通( 相导通) ，绕组电流f 从零开始上升， 当电流增长到一定峰值。时，使绕组断电( 斩波关断) 。绕组承受反压，电流快 速下降。经时间互后，对绕组重新通电( 斩波导通) 。如此反复通电断电，形成 斩波电流波形，直至目= 时实行相关断，电流衰减至零。 c c c 控制的特点是： 山东大学硕士学位论文 适用于低速和制动运行。电机低速运行时，绕组中旋转电动势小，电流 增长快。在制动运行时，旋转电动势的方向与绕组端电压方向相同，电 流比低速运行时增长更快。两种工况下，采用电流斩波控制方式正好能 够限制电流峰值超过允许值，起到良好有效的保护和调节效果。 转矩平稳。电流斩波时电流波形呈较宽的平顶状，产生的转矩也较平稳。 合成转矩脉动较小。 适合用于转矩调节系统。当斩波周期微小，并忽略相导通和相关断时电 流建立和消失的过程时，绕