（电机与电器专业论文）混合励磁双凸极电机调速系统控制策略研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t _ 2 s i n c et h es w i t c h o dr e l u c t a n c em a c h i n e , t h ed o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o d s p m ) a n dt h e e l e c t r i ce x c i t i n gd o u b l ys a l i e n tm o t o r ( e e d s m ) w e r ep u tf o r w a r d , t h eh y b r i de x c i t a t i o nd o u b l ys a l i e n t m o t o r ( h e d s m ) i sa f l e wt y p eo f s p e o dr e g u l a t i n go n e i tc o m b i n e st h em e r i t so f b o t hd s p ma n de e d s m , o v e f c , m n 部t h e i rd e f e c t sa n db o m e san e wr e s e a r c hf o c u si nt h ef i e l do fd o u b l ys a l i e n tm o t o r n o w , t h e r e s e a r c ho nh e d s mi sm a i n l yf o c u s e d i t sf o n d a m e n t a lt h e o r ya n dt i mr e s e a r c hm e t h o da th o m ea n d a b r o a d ，i n c l u d i n gt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h es t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c 2a n dt h es t a b i l i t ya n a l y s i s ，e t c h o w e v e r , t h es p e e dr e g u l a t i n gm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y8 r el e s sr e s e a r c h e d , t h e s em m a i n l y c o n c e n t r a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya b o u td o u b l ys a l i e n tm o t o ra n dt h er e s e a r c hs i t u a t i o no i lh y b r i d e x c i t a t i o nm o t o ra l er e v i e w e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 1 mb a s i cs t r u c t u r ea n dt h ef l u x - a d j u s t i n gp r i n c i p l ea r e p r e s e n t e d , a n dt h em a t h e m a t i c sm o d e li sc o n 懿n i c t e d f u r t h e r m o r e t h et o r q u em e c h a n i s ma n do p e r a t i o n p r i n e i p l ea r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h es p e e dr e g u l a t i o ns i m u l a t i o nm o d e lo fh e d s m , m a i nc o n t r o l l e ra n df i e i dc u r r e n t c o n t r o l l e ra r ee s t a b l i s h e dw i t ht h eh e l po f s i m u l i n ka n ds i m p o w e r s y s t e m st o o l b o xo f m a l l a bs o f t w a r e n m s i m u l 撕o n p l a t f o r m i s p r o v i d e d f o r t h er e s e a r c h o u t h e c o n t r o ls t r a t e g y o f h e d s m d r i v es y s t e m f i n a l l y , t h e c o n t r o l i d e a o f d i v i d i n gs e c t i o n i s p r e s e n t e d f o r t h e d e m a n d o f t h e v a r i a b l es p e e d h e d s m d r i v e ss y s t e m u n d e rt h eb a s i cs p e e d , t h ec u r r e n tl i m i t i n gm o d u l er e l a t e st h ed y n a m i ct e l a t i o na m o n g s p e e dr e g u l a t i n g , v o l t a g er e g u l a t i n ga n de x c i t a t i o ne n h a n c i n g , w h i l ea b o v et h eo n et h er e l a t i o na m o n gt h e s p e e dr e g u l a t i n g , v o l t a g er e g u l a t i n ga n df i e l dw e a k e n i n gi sd e c i d e db yb a c ke m fp ia d j u s t o r t h e r e f o r e , t h ed y n a m i co p t i m i z a t i o nc o n t r o lo ft h es p e e d 。v o l t a g ea n de x c i t a t i o ni sa c h i e v e d m o r c o v t h ec o n t r o i s t r a t e g ya n dt h es i m u l a t i o nm o d e la r ev e r i f i o db yt h es i m u l 砒i o ns a m p l e s k e y w o r d s ：h y b r i de x c i t a t i o n ；d o u b l ys a l i e n tm o t o r ：c o n t r o ls t r a t e g y ：s i m u l a t i o n ：m o d e l i n g 2 p r o j e c t s u p p o r t e d b y n a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h i n a ( n s f c x s 0 3 3 7 0 3 0 ) i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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。 研究生签名；趱日期：巡罗，雳 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：荔薹垄导师签名： 日期 ；功 第一章绪论 1 1 双凸极电机的发展历史 第一章绪论 自十九世纪初世界上第一台电机诞生以来，电机作为社会生产中能量转换和动力的主要设备， 在人类文明的发展中起着越来越大的推动作用。为了扩大电机的适应范围，提高电机的使用效率， 国内外的科技工作者们一直在电机结构、材料、控制等方面做着持之以恒的研究工作。随着科技的 进步，新材料新技术不断涌现，特别是电子技术、电力电子技术的发展，新型永磁材料的出现，现 代控制理论的应用，电机技术得到了迅速发展，在传统的三种电机形式直流电机、异步电机、 同步电机的基础上，先后出现了无刷直流电机、永磁电机、双凸极电机等各种新型电机【l 司。 近二十年来双凸极电机有了长足的发展，成为人们研究的热点。该类电机包括开关磁阻电机、 双凸极永磁电机、电励磁双凸极电机和近来人们提出的混合励磁双凸极电机。 1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授等人发表了著名论文“变速开关磁阻电机”，标志着开关 磁阻电机正式得到国际社会的承认。目前，开关磁阻电机以其调速性能好。结构简单，效率高， 成本低等特点，在调速领域取得了迅猛的发展。 为了充分利用双凸极结构的特点，提高电机效率，9 0 年代初，人们将永磁材料嵌入转子( 或定 子) 体内，形成所谓的双凸极永磁电机( d s p m ) 。d s p m 电机作为一种应用前景看好的交流调速系统， 是由美国著名电机专家t a l i p o 等人于1 9 9 2 年首先提出的| 4 3 1 ，并进行了初步的理论和实验研究， 与之相适应的调速系统也相继得到开发与研制。 电励磁双凸极电机是在双凸极永磁电机基础上将励磁绕组取代永久磁体，形成的另一种新型电 机州，这种电机可作为发电机运行，也可作为电动机用。电励磁双凸极电机调节励磁绕组电流，可 实现调压；断开励磁电路灭磁，可实现电机系统故障保护。 d s p m 电机在高速运行时，将产生过高的永磁感应电势，因此为了维持恒定的功率输出，获得 更宽广的调速范围，应设法减小气隙中的磁场。1 9 9 5 年t a l i p o 等人在d s p m 电机内加入了励磁 绕组，提出了混合励磁双凸极电机( h y b r i de x c i t a t i o nd o u b l ys a l i e n tm a c h i n e ，简称h e d s m ) 形 成了又一种新型交流调速系统1 7 j 。 1 2 混合励磁电机研究概况 混合励磁电机存在2 个磁势源，电机气隙磁场的主要部分由永磁磁铁建立，而磁场调节靠辅助 的电励磁绕组来实现。与p m 电机比较，它具有调整气隙磁密的能力；与同步电机相比，它的电枢 反应电抗较小。因此。混合励磁电机综合了永磁电机和电励磁电机的优点，同时又克服了各自的缺 陷，得到了人们越来越多的重视，成为新的研究熟点之一。 前苏联学者首先提出了磁势并联式的混合励磁发电机p i ，其结构如图i - i 所示，定子和普通同 步电机相同，转子分为两部分，一部分为永磁励磁；另一部分为电励磁。该电机既具有永磁发电机 的优点。且又依靠附加的电励磁绕组，通过调节电励磁绕组的电流的大小和方向，可以在一定范围 内调节发电机的电压。该电机电励磁部分为爪极结构，附加气隙长，电励磁和永磁磁路耦合较强， 控制复杂。而且漏磁大 东南大学硕士学位论文 图卜l 爪极电励磁永磁同步电机 美国威斯康星一麦迪逊大学的l i p o 教授等也对混合励磁电机进行了研究，并提出了一种轴向 磁场中间磁极的混合励磁电机结构【9 j ，如图1 - 2 所示，该电机由2 个环形定子铁芯( 其中嵌有多相电 枢绕组) 、2 个盘式转子和1 个直流励磁绕组构成，直流励磁绕组放置在内外环形定子之间。这种电 机由于采用了中间级，加上定、转子铁芯均被分为两段，功率密度和材料利用率难以提高。 图1 - 2 轴向磁场混合励磁同步电机 r o t o r 他 i r o np o l e d cf i e 坩 w i n d i n g a cw i n d i n g 图1 - 3b 4 极混合励磁双凸极电机结构 图卜4 混合励磁双凸极电机调速系统框图 2 第一章绪论 1 9 9 5 年，l i p o 等学者在d s p m 电机内加入了励磁绕组，提出了混合励磁双凸极电机结构【l o l ， 如图l - 3 所示。它的p m 和直流励磁控制绕组在定子上，转子是1 个简单的叠片形状直流线圈产 生的磁通与永磁磁通有相同的路径，2 个磁势源为串联磁势方式，因此控制直流电流的大小和方向 可以产生增磁或弱磁效应。推导了电机的数学模型，分析了该电机的电磁特性及工作原理，基于有 限元法仿真得到了电机的静态特性及稳态特性，给出了电机调速控制框图，如图l _ 4 所示。 东南大学的程明教授等在国内最早开展d s p m 电机的研究，取得了多方面的成果，并在此基础 上研究了又一种新型混合励磁双凸极电机i ”j ，试制了1 2 8 极的实验样机，如图l 一5 所示。在双凸 极电机定子上与定子永磁体产生的磁场轴线相垂直的位置放置一个专门的绕组( 直流励磁绕组) 。当 该励磁绕组中通入直流电流所产生的磁场方向与永磁磁场方向相反时，即可实现双凸极永磁电机的 弱磁控制。在电机的永磁体与该励磁绕组之间特别设置了一定尺寸的导磁桥，一方面使电机定子铁 心保持一个整体，另一方面为直流励磁磁通提供一个通路，正是由于创造性地引入导磁桥，为直流 励磁绕组提供了额外的磁路。有效地增强了直流励磁绕组的弱磁功能，即用较小的直流励磁磁势可 以获得较大的弱磁能力。文献l l ”给出了电机结构设计方法，进行了有限元分析，得出磁链、电感、 静态转矩随转子位置、电枢电流、励磁电流变化的特征曲线，并建立了非线性模型。 图卜51 2 8 极混合励磁双凸极电机截面图 南京航空航天大学的严仰光教授等在双凸极电机方面作了很多研究工作。在文献1 ”j 中提出了一 种新型的1 2 8 极磁路独立式的混合励磁双凸极电机结构，如图l _ 6 所示，它由两部分组成，左边为 普通永磁双凸极电机( d s p m ) ，右边为定子上装有励磁绕组的电励磁双凸极电机( d s e m ) 。永磁部 分电机与电励磁部分电机间用气隙或非磁性金属材料隔开一段距离，这样可以减少永磁体作为磁势 与励磁绕组电流作为磁势产生的沿着轴向的磁通间的交链，减少两部分电机的耦合，从而使两部分 电机磁势建立的磁通互不关联，经各自的磁路闭合。通过控制励磁绕组电流的大小和方向，可以调 节合成气隙磁场，从而实现电压或转速的宽范围调节。采用有限元法分析了该电机的静态特性，指 出该电机具有调速范围宽、结构简单、出力大、响应快等优点，具有广阔的应用前景。 定子 d s p md s e m 1 图l - 6 混合励磁双凸极电机结构示意图 3 东南大学硕士学位论文 综上所述，混合励磁双凸极电机为双凸极电机领域的又一新的研究方向，目前的研究尚属起步 试验阶段，且主要集中在电机结构、电机基本参数计算、静态分析方法等方面，在电机理论、控制 方法、控制策略等方面仍有大量工作有待进一步深入，特别是在控制系统设计、控制方式方面基本 上还是空白，文献极少。因此本课题具有重要的理论意义和实际应用价值。 1 3 本论文研究内容 本论文以1 2 8 极混合励磁双凸极电机为例，在基于a n s y s 二维电磁场有限元分析得到的磁链、 电感曲线基础上，对混合励磁双凸极电机调速系统进行控制策略研究。由于该课题的研究刚刚起步 以及个人时间限制，根据课题组安排，本人主要采用软件仿真和理论分析等方法来探讨混合励磁双 凸极电机调速系统的一些基本问题，主要研究内容包括： 1 分析混合励磁双凸极电机的结构、调磁机理，建立其数学模型，以双拍导通运行为例，分析 转矩形成机理和电机工作原理； 2 基于m a t l a b 软件下的s i m u l i n k 、s i m p o w e r s y s t e m s 工具箱，建立电机本体、主控制器及励 磁电流控制器一体化仿真模型，研究各模块建模方法及技巧，为混合励磁双凸极电机调速系统控制 策略及控制规律研究提供仿真平台； 3 研究混合励磁双凸极电机调速系统的调速控制策略，设计主控制器和励磁电流控制器，使系 统能实现调压，调速、调磁之间的动态协调控制：仿真分析混合励磁双凸极电机调速系统的调速， 稳速性能，并与双凸极永磁电机作对比验证混合励磁t ) 吸凸极电机调速系统的优越性。 4 第二章混合励磁双凸极电机调速系统的基本理论 第二章混合励磁双凸极电机调速系统的基本理论 双凸极永磁电机是上世纪九十年代初出现的一种新型电机，这种电机具有结构简单、免维护、 效率和功率密度高、控制灵活、调速性能好、转矩电流比大等优点，可实现各种特殊要求的转矩 转速特性l j ”。混合励磁双凸极电机是在双凸极永磁电机的基础上演变而来的。混合励磁双凸极电机 存在2 个磁势源，同时具有双凸极永磁电机和电励磁双凸极电机的特点，其中，电机气隙磁场的主 要部分由永磁磁铁建立，而磁场调节所需的励磁部分由电励磁绕组提供。因此，混合励磁双凸极电 机继承了双凸极永磁电机的优点，又增加了励磁可调的特点。结构简单，控制灵活，可高速运行 2 1 双凸极电机的基本结构 图2 - l 所示为1 2 8 极双凸极永磁电机，其基本结构与开关磁阻电机类似，定、转子均为凸极齿 槽结构，定、转子铁心均由硅钢片叠压而成，定子上装有集中电枢绕组和永磁磁钢，转子上没有绕 组，空间相对的定子槽内的绕组依次串联构成一相。形成三相电枢绕组，星形连接。定转子极数不 相等，为避免单边磁拉力，径向是对称的，所以定转子齿数为偶数。它们极数组合可以是6 4 极、 8 ，6 极1 或1 2 8 极、1 6 1 2 极等重复形式i l 。由于永磁材料的固有特性，双凸极永磁电机存在励 磁无法调节的问题，限制了其在某些场合的应用。 图2 一l 双凸极永磁电机基本结构图2 - 2 电励磁双凸极电机基本结构 图2 - 2 为1 2 8 极电励磁双凸极电机的截面结构，它与双凸极永磁电机的主要区别是在电机定子 上安装了一套电励磁绕组作为磁势源，以此来代替永磁体。励磁绕组在电机定子空间内对称排列， 以保证励磁绕组所产生的磁场在电机内部较为均匀，励磁绕组与三相电枢绕组每相之间的互感基本 相同。由于励磁线圈的引入，可对励磁绕组单独施加励磁电压，实现对电机磁场的控制。可以通过 改变励磁电压的大小，来改变电机的电磁转矩，在电机过载或过压时，可通过断开励磁保护电机i ”j 。 但由于这种电机所需的励磁安匝数较大，故存在较大的励磁损耗州。 为了克服永磁电机磁场调节困难和电励磁电机励磁损耗大的问题，混合励磁电机应运而生。其 结构如图2 - 3 所示。该电机综合了永磁电机和电励磁电机的结构特点，在双凸极电机定子上与定子 永磁体产生的磁场轴线相垂直的位置再放置一个直流励磁绕组，在励磁绕组中施加正向或反向的可 调节的直流电流，就可产生不同方向与大小的励磁磁势。另一方面，由于永磁材料的磁阻很大，该 励磁磁势穿过永磁体形成励磁磁通时，将产生很大的磁压降即为得到一定的励磁磁通需要较大的 励磁磁势，调磁效果不理想。为此在电机的永磁体与该励磁绕组之间特别设置了一定尺寸的导磁桥。 为直流励磁磁通提供一个通路，用较小的直流励磁磁势获得较大的励磁磁通。因此，电机的气隙磁 场就是由永磁体产生的固定磁场和可变的励磁磁场综合作用的结果，称之为混合励磁。 5 东南大学硕士学位论文 图2 3 混合励磁双凸极电机基本结构 设计中，转子齿顶宽略大于定子齿顶宽，以保证电流换向。定子齿顶宽为定子齿距的l ，2 ，这 样可保证所有极下的转子齿和定子齿的重叠角之和恒等于转子齿项宽，而与转子位置无关【。i 2 8 极的双凸极电机定子齿项宽表达式为： 尼：- 3 6 0 ( 2 - - 1 ) z p l 式中，见为定子极数，屈为定子齿顶宽( 机械角) 。针对本课题的1 2 8 极混合励磁双凸极电机，定 子齿顶宽为1 5 。( 机械角度，如无特殊说明，本文出现的角度均指机械角度) ，转子齿顶宽为2 0 。， 即转子齿顶宽大于定子齿顶宽5 。，转子槽宽为2 5 。 2 2 混合励磁双凸极电机的调磁机理 当励磁电流i f t o o 时，励磁绕组不产生励磁磁势， 气隙中只有永磁体产生的永磁磁通巾。，这时相当于 双凸极永磁电机，图2 - 4c a ) 所示为将转子与定子 沿圆周方向拉直后从轴向观测的电机结构示意图。根 据磁路磁阻最小的原则，永磁体产生的磁通从n 极出 发，经定子轭部、定子齿部、气隙、转子齿部、转子 轭部，再到转子齿部、气隙、定子齿部、定子轭部， 回到s 极而构成完整的通路。 定子 转子 ( b ) 励磁电流i f o 定子 转子 ( a ) 励磁电流f = o 定子 图2 一磁通组成示意图 6 转予 ( c ) 励磁电流i f 0 ( 励磁磁通由f 的方向与永磁磁通由。相同) 时，产生的励磁磁势经定子轭部一 定子齿部一气隙一转子齿部一转子轭部一转子齿部一气隙一定子齿部一定子轭这样一条通路形成磁 通，如图2 4 ( b ) 所示。当导磁桥磁阻远远小于永磁磁阻时，巾f 主要通过导磁桥形成回路，气隙磁 通4 3 可认为是永磁磁通与励磁磁通的叠加，即由= 巾。+ 巾f ，从而达到增磁的效果。 当励磁电流露 o ，反之为负，即0 0 。转子极距角可表示为 易= 百3 6 0 ( 2 - - 2 ) 式( 2 2 ) 中，易为转子极距角，b 为转子极数，在1 2 8 极双凸极电机中，吃= 4 5 。 由于双凸极电机的结构和磁路饱和效应等影响，电机的主要参数如磁链、电感、转矩等是转子 位置角和电流的非线性函数，一般没有明确的表达式，只能用一组曲线来表示i l ”，如图2 - 5 所示 图( a ) 为空载、励磁电流为零时的永磁磁链曲线，图( b ) 为励磁电流为零，a 相分别通以- - 3 a 、 - - 2 a 、一i a 、i a 、2 a 、3 a 不同电流时的自感( 相绕组自感，以f 同) 变化曲线，图( c ) 为空载， 励磁电流分别为- - 3 a 、一2 a 、一1 a 、l a 、2 a 、3 a 时的互感( 励磁绕组与相绕组之间的互感，以 下同) 变化曲线。由图中可以看出，它们受转子位置的影响十分明显，为寻求混合励磁电机的基本 控制规律，作一些适当的简化，采用线性模型。所谓线性模型即假设电机磁路不饱和，认为电机的 永磁磁链、相绕组自感、相绕组与励磁绕组之问的互感只和转子位置角有关，而和电枢电流、励磁 电流无关，由此简化得到的分段线性永磁磁链、电感曲线如图2 - 6 所示。在转子位置角0 = o 。时， 定予极中心线与转子槽中心线相重合，定、转子之间的气隙最大，使定子凸极与转子槽之间的磁阻 最大。磁通最小，由于转子槽宽大于定子极弧，只要0 5 4 ，定子凸极与转子凹槽就完全重合， 磁阻恒为最小，于是形成一段不随转子位置变化的最小永磁磁链、相电感常数区。在5 。! 口 2 0 。区间内，定子凸极与转子凸极开始重叠，随着口的增大，定子凸极与转子凸极之间的气隙不断减 小，磁阻也在不断减小，气隙磁通却在不断的增加，于是永磁磁链、相电感也随着线性上升当口 = 2 0 。时，定子凸极与转子凸极完全重合，永磁磁链、相电感达到最大值。由于转子极弧大于定子 极弧，因而在2 0 。5 口 2 5 。的定子凸极与转子凸极完全重合区间内，存在一段磁阻恒为最小，不 随转子位置变化的最大永磁磁链、相电感常数区。之后，永磁磁链、相电感又开始线性下降，直到 最小值。于是就有了图2 _ 6 所示的永磁磁链、相电感的变化规律。如无特别说明，以下分析都是基 于该线性模型进行的 7 东南大学硕士学位论文 星 v 置 星 v l 转子位置角0 ( 。) ( a ) 永磁磁链变化曲线 转子位置角0 ( ) ( ”自感变化曲线 金 v 转子位置角0 ( 。) ( c ) 互感变化曲线 图2 - 5 混合励磁双凸极电机的永磁磁链、电感非线性特性曲线 转子位置角0 ( 。) ( a ) 永磁磁链变化曲线 转子位置角0 ( 。) ( b ) 自感变化曲线 转子位置角0 ( ) ( c ) 互感变化曲线 图2 6 混合励磁双凸极电机的永磁磁链、电感分段线性特性曲线 由图2 - 6 知，永磁磁链、自感、互感随转子位置具有相同的变化规律，很容易得到各自的特性 方程。不失一般性，以永磁磁链为例，按图2 - 7 所示的永磁磁链随转子位置角变化的示意图，得到 其特性方程为： f 甲晌0 s 0 岛或幺s e o ，绕组中通入正电流，产生正的励磁 转矩乙；在互感下降区。型鲁竽 。，绕组中通入负电流，仍将产生正的励磁转矩兄有效转 矩为正的永磁转矩叠加上正的励磁转矩，如图2 - 8 ( b ) 所示。因此，励磁电流为正值时，可增加有 静转镇的输m 。 捻口 - h 矿 5 0 。4 5 。勺 l d 。5 。2 0 。4 5 。 旷4 5 。可 3 、f ， 0 一凝蕊 甲腮； 辎 f f o o ： 5 0 。 o o4 5 。r 0 f! iii p o 5 。2 0 。：5 。矿4 5 。勺 ( c ) l o ，绕组中通入正电流，产生负的励磁转d 6 矩乙；在互感下降区，兰专笋 。，绕组中通入负电流，仍将产生负的励磁转矩乙。有效转矩 为正的永磁转矩叠加上负的励磁转矩。由于在混合励磁电机中，永磁转矩是主要转矩，弱磁是在一 1 3 东南大学硕士学位论文 定范围内进行的，不会改变电机原来的运行方向，有效转矩仍为正值，如图2 - 8 ( c ) 所示。因此， 在输出功率不变的情况下，励磁电流为负值时，可减少有效转矩，提高电机转速。 由上面分析知，励磁电流的加入只会影响有效转矩的大小。但不会改变其方向，所以混合励磁 双凸极电机与双凸极永磁电机的工作原理是一样的。 2 4 2 双拍运行相绕组通电规律 以图2 _ 3 所示相绕组标号为例，按电机逆时针旋转为正。得到图2 9 所示线性模型下电机正， 反转三相绕组永磁磁链、互感的表现形式。根据上节一个电感周期内a 相绕组产生电动转矩的通电 规律和图2 - 9 的永磁磁链，互感波形。可得到双拍连续运行下电机备相绕组的通电规律及各开关管 的通断规律。例如，要使电机正转。必须按图2 一l o 所示的规律对相绕组进行通电控制( 开关管标号 参见图3 - 2 所示) ，换相过程为： c + b 一一a + b - a + c 一一b + c 一b + a 一c 十a 一- c + b 将相绕组通电规律按正负半周分解，使电机正转时，一个周期内，正半周相绕组导通顺序为c + 一a + 一b 十一c + ，对应的开关管导通顺序为t 5 一t l t 3 1 5 ；负半周相绕组导通顺序为b 一c 一 a 一b ，对应的开关管导通顺序为t 4 一t 6 一t 2 一t 4 。 按上述通电规律对相绕组连续控制，便得到持续的电动转矩，使电机转子按逆时针方向连续稳 定旋转 同理，可以得到使电机反转时相绕组的通电规律。 h ”髫n 一 。留 0 ”2 5 。 0 ”一 5 r b 甲抛厂卜 - 爿厂 、 一 5 0 ”4 5 0 。 5 弓 一一 = 迨s l ：! ：2 ，一 牙 ( a ) 正转 蓦除一 7 ，_ 、一1 ”f 5 一h r 1 年选j ! ! ! 蒯 一 一z o 。l5 。 一o 。5 一o ii i 拳绪孙一 ( b ) 反转 图2 呻电机永磁磁链、互感波形 l 广再 2 5 。 4 矿4 字 。 5 。 2 0 。i = 厶i1 l 旷广葡 4 护。 = 丘i 2 旷 3 5 。l = l r 。 习l 矿2 铲广_ 万 5 。l蔓l 3 5 ” r 0 5 。2 0 。3 5 。4 铲 t 掣1 】it 3 ，。i 骠k 图2 - 1 0 电机正转相绕组通电规律 1 4 第二章混合励磁双凸极电机调速系统的摹本理论 根据电机双拍通电规律及磁阻转矩的表达式可知，当一相绕组通j e 电产生正的磁阻转矩时，另 一相绕组通负电产生负的磁阻转矩，由于绕组的对称性。导通两相的磁阻转矩相互抵消，因此，得 到总的输出转矩( 合成转矩) 为 2 5 小结 r = 2 ( + & ) ( 2 一1 7 ) 本章介绍了混合励磁双凸极电机的基本结构，指出导磁桥的旁路作用，阐述了混合励磁双凸极 电机的调磁机理，并在描述静态特性的基础上，推导了混合励磁双凸极电机的数学模型，为后面仿 真模型的建立和控制策略的研究莫定了基础。最后基于转矩方程分析了混合励磁双凸极电机的基本 工作原理。 东南大学硕士学位论文 第三章混合励磁双凸极电机调速系统仿真建模 仿真是验证控制方法、控制策略正确与否的重要手段，是进行系统前期设计的有效途径。但由 于混合励磁双凸极电机电感、磁链的非线性，其建模和仿真难以直接采用传统的电机系统建模和仿 真方法。m a t l a b 软件下的s i m u l i n k 和s i m p o w e r s y s t e m s 工具箱可以实现电气系统和控制系统的混 合仿真，为混合励磁双凸极电机仿真模型的建立提供了可能 3 1 系统仿真软件简介 p s p i c e 和m a t l a b 是电气系统两种常用的仿真软件，它们有各自的特点和适用范围。p s p i c e 是一种传统的电路仿真软件，利用其模型库中的一些基本的电路元件，可以搭建系统模型，对系统 的工作过程进行直流、交流、暂态等仿真分析。但p s p i c e 对于直接建立电机模型比较困难，只能 用等效的电路模型来代替，而混合励磁双凸极电机的非线性特性使其难以找到合适的等效电路模型 来代替，并且p s p i c e 缺乏控制部分的分析手段。不能进行控制和电机系统的混合仿真 m a t l a b 是美国m a t h s w o r k 公司于1 9 8 4 年推出的一种使用简便的工程计算语言，到目前为止 的最新版本是m a t l a b 7 0 。s i m u l i n k 是m a t l a b 提供的动态建模和仿真工具，主要用于控制领域， 它的版本己经发展到6 1 ，功能更加强大，使用更加方便，尤其是从2 0 版本开始增加了电力系统模 型库p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ( 现已更名为s i m p o w e r s y s t e m s ，简称s p s ) 。模型库中提供了大量的电路、 电力电子和电气传动系统中常用的基本器件和电机模型，使s i m u l i n k 能够进行电气系统的仿真 2 0 , 2 1 1 ， 因此，在电力系统、电力电子和电气传动系统的混合系统仿真中显示了巨大的优越性。 将s p s 模块和s i m u l i n k 模块结合可以实现电气系统和控制系统的混合仿真，本文正是基于 m a t l a b 软件平台，利用s i m u l i n k 模块和s p s 模块组建了混合励磁双凸极电机调速系统的仿真模 型。实现了电路一电机一控制的混合动态仿真，为混合励磁双凸极电机调速系统的研究提供了仿真 平台 3 1 1s i m u h n k 建模特点 s i m u l i n k 通过所见即所得的图形化用户界面，用鼠标点击和拖拉模块的图标建模。这是以前在 编程语言中用公式表达微分方程的仿真软件所不能相比的。s i m u l i n k 建模采用分级的形式，因此可 以通过自上而下或者自下而上的方法建立模型。使用s c o p e s 或者其它显示模块，可以在运行仿真时 实时观察仿真结果，另外，还可以在仿真过程中改变参数并立即可看到相应的变化，所有这些为使 用s i m u l i n k 建立模型提供了极大的方便。 s i m u l i n k 不仅提供了大量的不同种类的模型库，而且还提供了大量的系统分析工具模型，如用 于线性系统时域、频域分析的工具模型和用于非线性系统最优化设计的工具模型等等，这给系统设 计和参数优化提供了极大的方便，例如，可以采用响应优化( s i m u l i n kr e s p o n s eo p t i m i z a t i o n ) 模块 集中的信号约束( s i g n a lc o n s t r a i n t ) t 具模块进行参数优化设计。 3 1 2s i m u l i n k 与s p s 混合建模 虽然s p s 是在s i m u l i n k 的基础上发展起来的，但s p s 中的模块与s i m u l i n k 中的模块大多不能 直接连接，要通过s p s 提供的两类中间接口模块来实现这两种模块中信号的传递 2 7 2 8 ：一类是电压， 电流测量模块，将s p s 中的电压，电流等电路信号转换为s i m u l i n k 可接受的信号；另一类是受控电 苎三雯望鱼壁堡翌苎堂皇墼塑望墨竺堕塞堡堡 压源、受控电流源模块，将s i m u l i n k 信号转换为s p s 中的电路信号如图3 - i 所示这两类模块在 s i m u l i n k 和s p s 之间起到了桥梁的作用，通过它们就可以将s p s 与s i m u l i n k 连接到一起。 1电流源模块r 一 s i m u l i n k s p s 一案髫卜 3 2 系统建模 图3 - 1s i m u l i n k 和s p s 信号互联 混合励磁双凸极电机调速系统由电机本体、功率变换器、主控制器，励磁电流控制器构成，如 图3 2 所示其中a 、b 、c 为电机三相电枢绕组，f 为励磁绕组；功率变换器采用带分裂电容的三 相半桥电路；主控制器由速度p i 调节器、电流分配限幅器、三相电流滞环调节器、转子位置检测及 驱动电路等组成；励磁电流控制器由反电势p i 调节器、励磁电流p l 调节器、驱动电路及单相全桥 电路等组成。 功率变换器 图3 - 2 混合励磁双凸极电机调速系统框图 1 7 东南大学硕士学位论文 根据系统各部分的功能，采用模块化和功能化方法将图3 - 2 所示的调速系统框图变为仿真模型 中各功能独立的子系统，即电机子系统、功率变换器子系统、主控制器子系统和励磁电流控制器子 系统，应用s i m u l i n k 和s p s 模型库中的模块，自上而下搭建混合励磁双凸极电机调速系统仿真模型， 如图3 - 3 所示。 图3 - 3 混合励磁双凸极电机调速系统仿真模型整体框图 图3 3 中，常数为转速给定值。建模时，电机子系统采用s i m u l i n k 模块和s p s 模块构建； 功率变换器予系统采用s p s 模块构建；主控制器子系统采用s i m u l i n k 模块构建；励磁电流控制器子 系统采用s i m u l i n k 模块和s p s 模块构建。应用接口模块进行端口设计，将几个部分连接起来便构成 了混合励磁双凸极电机调速系统模型。下面分别给出各子系统建模方法。 3 2 1 电机子系统 双凸极电机本体的建模是系统建模的关键和难点，作为连接功率变换器和主控制器、励磁电流 控制器的中间环节，它即接受功率变换器的输出，以得到要求的电压值，同时又向主控制器和励磁 电流控制器提供控制信息，以使功率开关管得到正确的驱动信号。本文先根据电机的基本方程( 即电 机的数学模型) 建立电机的本体仿真模型：根据三相电压方程和三相输出转矩方程建立三相绕组子系 统，根据励磁电压方程建立励磁绕组子系统，根据机械运动方程建立运动子系统，此外，根据三相 绕组所需位置信号建立位置信号处理子系统，将这些子系统组合起来就是电机子系统的模型，如图 3 - 4 所示它包括转子位置信号处理( p o s i t i o n ) 、三相绕组( w i n d i n g a 、w i n d i n g b 、w i n d i n g c ) 、励 磁绕组( w i n d i n g u d 以及运动方程( s p o r te q u a t i o n ) 等下一级子系统。电机子系统输入端为三相半 桥拓扑的输出a 、，b 、，c 、公共端g n d 及励磁电压u r 、u 广；输出端为三相电流f i j b ，屯及三 相反电势( 永磁感应电势和电励磁感应电势之和，以下同) 卧岛、，还有励磁电流矗、三相位置 信号p o s i 、三相输出转矩瓦、矗、瓦及总输出转矩l 1 8 第三章混合励磁双凸极电机调速系统仿真建模 3 2 1 1 转子位置信号处理子系统 图3 叫混合励磁双凸极电机模型子系统 转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的依据，同时也是求取仿真模型中各相绕组 自感、互感、永磁磁链主要参数的的关键。以a 相位置信号为参考基准，按逆时针方向旋转，则b 相和c 相位置信号分别滞后a 相1 5 。和3 0 。考虑到位置信号的一个周期长度为4 5 。，于是b 相 和c 相位置信号相当于分别超前a 相3 0 。和1 5 。，因此分别在a 相位置信号基础上顺延3 0 。和 1 5 。，即得到b 、c 相的位置信号。各相位置信号再通过余函数r 锄( u ，4 5 ) 模块便可求得一个周 期内的位置角，计算关系如图3 5 所示其中，t h e m 为以a 相位置信号为参考基准的角位移。t l i 龇、 l l l e t a b 、t h c t a c 分别为三相位置角。 3 2 1 2 相绕组子系统 图3 - 5 转子位置信号处理子系统 相绕组子系统是相绕组电压方程( 2 6 ) 、转矩方程( 2 1 1 ) 的具体实现。图3 6 ( a ) 以a 相 绕组子系统为例，给出了相绕组的仿真模型，其中转矩方程又是以下一级子系统的形式体现的，见 1 9 东南大学硕士学位论文 图3 - 6 ( b ) 。相绕组模型中除了采用s i m u l i n k 模块和s p s 模块外，还采用了信号转换模块( 电压测 量模块和受控电流源模块) ，实现了s i m u l i n k 和s p s 的混合建模。该模型输入端包括：电压正端( u + ) 、 位置角( t h e t a ) 、励磁电流( f f ) 、角速度( 国) ；输出端包括：电压负端( u 一) 、相电流( ) 、反电 势( 岛) 、互感( 工时) 、输出转矩( 瓦) 。同样可以得到其它两相绕组子系统。 模型中的l o o k - u pt a b l e 模块所采用的数据是基于a n s y s 仿真得到的电感、永磁磁链参数，通 过分段线性处理得到，即只考虑电感、永磁磁链随角度的分段线性变化。在这种情况下，也可应用 m a t l a b f c n 模块代替l o o k - u pt a b l e 模块，用m a t l a b 语言编写程序实现。另外，若同时考虑电感、永 磁磁链随角度、电枢电流和励磁电流的非线性变化，可采用三维查表模块l o o k - u pt a b l e 实现，或通 过曲线拟合的方式实现。 3 2 1 3 励磁绕组子系统 ( a ) a 相绕组模型 ( b ) a 相绕组转矩模型 图3 - 6 电机a 相绕组子系统 根据励磁绕组电压方程( 2 8 ) ，建立励磁绕组仿真模型，如图3 - 7 所示，该模型是图3 _ 4 中 励磁绕组( w i n d i n g u f ) 子系统的具体形式。模型输入端包括；电压正端( u 一) 、三相互感( 厶f 工价 2 0 墨三兰望垒墅堂翌苎堡皇塑塑望墨竺堕塞堡堡 d ) ，三相电流( o 瓦、乇) ；输出端包括：电压负端( u 广) 、励磁电流( 矗) 。通过相绕组和励磁绕 组之间的互感实现了相绕组子系统和励磁绕组的互连。模型中励磁绕组自感l f 取常数。该子系统的 功能就是檄据控制要求提供不同方向和大小的励磁电流，实现增磁或弱磁需要 3 2 1 4 运动方程子系统 图3 7 励磁绕组子系统模型 运动方程子系统模型是根据式( 2 - - 1 2 ) 、( 2 - - 1 3 ) 的机械运动方程搭建的，其中忽略了摩擦转 矩，如图3 - 8 所示。模型的输入端为三相输出转矩( 瓦、死、兀) ，叠加后即得到总的输出转矩( r ) ， 输出端为角速度( ) 、总输出转矩( r ) 。模型中的常数j 为系统的转动惯量。通过选择开关( s w i t c h ) 模块为电机加载不同性质的负载。 由激活子系统( e n a b l e ds u b s y s t e m ) 模块实现恒功率负载转矩的运算。激活子系统是当控制信 号为正值时的每一仿真步长都执行的子系统，可以避开转速作为分母等于零时的运算。 图3 - 8 运动方程子系统模型 2 l 东南大学硕士学位论文 3 2 2 功率变换器子系统 功率变换器子系统是直接利用s p s 工具箱建模的。图3 - 9 为功率变换器予系统的模型，其中，a 、 ，b 、，c 为主电路变换器与三相绕组的接口，以提供给电机子系统三相绕组电压输入；两个等值电容 将理想电