（电力电子与电力传动专业论文）基于cpld的高尔夫球车开关磁阻电机纯硬件控制.pdf

江苏大学硕士学位论文 理。通过g w 4 8 系列s o c s o p c 实验开发板系统与6 4 相的开关磁阻电 机进行实验。 实验结果表明，本文提出的高尔夫球车开关磁阻电机纯硬件控制 系统在实践上是可行的，基于c p l d 的纯硬件控制器可获得优良的控 制效果。 关键词：开关磁阻电机，起动机，发电机，c p l d 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r ) i san e w - t y p ed r i v e d e l e c t r o m o t o r s y s t e mw h i c hd e v e l o p sr a p i d l ys i n c e1 9 8 0 t h es t r u c t u r eo ft h es r di s s i m p l e i th a saw i d er a n g ea n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei ns p e e d i ta l s o h a sah i g he f f i c i e n c ya n dh i g hr e l i a b i l i t y s ot h es l l di so n eo ft h eh o t s p o t sw h i c hi ss t u d i e da n dd e s i g n e da l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e rt h e c o m p e t e n c eo fs l 瑚u s e da san o v e ld cg e n e r a t i o ns y s t e mc a nn o tb e n e g l e c t e d t h i sa r t i c l ep r i m a r i l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fs w i t c h e dr e l u c t a n c e d r i v e ( s r d ) s y s t e ma n di t sd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d t h e c h a r a c t e r i s t i co fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) a n di t s e l e c t r o - m a g n e t i cp r i n c i p l ew e r ed e s c r i b e di nd e t a i l s t h ev a r i a t i o no f s r mw i n d i n gc u r r e n ti nd i f f e r e n ts t a g ea n dt h ef o r m u l ao ft o q u ea n dp o w e r w e r ea l s oa n a l y z e di ni t i nt h i sp a p e r ，ap u r e h a r d w a r ec o n t r o l l e ds w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o i g e n e r a t o r ( s e , m g ) d r i v es y s t e ma p p l i e di ng o l fv e h i c l ei sp r e s e n t e d ai z wr a t e d6 4s 跚i sa p p l i e da sc o n v e r t o rb e t w e e nm e c h a n i s t i ce n e r g y a n de l e c t r i ce n e r g y t h ep u r e h a r d w a r ed i g i t a lc o n t r o l l e ri si m p l e m e n t e d b yu s i n ga ne p l k 3 0 t c l 4 4 3c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) a n d o t h e rc i r c u i t s ，w i t hw h i c ht h e i n t e g r a t i v em o t o r g e n e r a t o rc o u l db e i m p l e m e n t e di ng o l fv e h i c l e p a s sa b o v eb r i e fi n t r o d u c t i o no ft h es r ma n dt h ei n t r o d u c t i o no fi t s c h a r a c t e r i s t i c ，t a k et h ec p l ds p a r ep a r te p lk 3 0t c l 4 4 3a sf o u n d a t i o n ， d e s i g n e da n g l ep o s i t i o nt or e g u l a t ee l e c t r i cc i r c u i t ，w i t ho u t e rc i r c l e ， i tc a nc a r r yo u tt h ec o n t r o lt ot h es 跚 ac o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e db ys e l e c t i n gc h o p p i n gc u r r e n t c o n t r o l ( c c c ) m o d ew h e nm o t o r i n gu n d e rl o ws p e e d ，a n g l ep o s i t i o n c o n t r o l ( a p c ) m o d ew h e nm o t o r i n ga th i g hs p e e d 。a n df i x e d a n g l ec c cm o d e h i 江苏大学硕士学位论文 w h e nb r a k i n ga sg e n e r a t o r ，r e s p e c t i v e l y p r i n c i p l e so fe a c hm o d ea r e d e s c r i b e di nd e t a i l p a s st h eg w 4 8s e r i e se x p e r i m e n td e v e l o p m e n to ft h e s o c s o p cp l a n ks y s t e mw i t h6 4m u t u a ll yo ft h es r ms t a r te x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mp r o p o s e di sf e a s i b l e a n di t sp e r f o r m a n c ei sw e l lb yu s i n gt h ep u r e h a r d w a r ec o n t r o l l e rb a s e d o nc p i d 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 ，s t a r t e r ，g e n e r a t o r 、c p l d i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密一。 学位论文作者签名：鼎乎爻 签字日期：j 痂年月芦e t 一名：叁c 鲁妥 签字日期：户一7 年多月e 1 独创性声明 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 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：韩寥又 日期：聊年# 月少日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 开关磁阻电机发展简介 s r 电动机的基本结构及基本原理的提出可追溯到1 9 世纪4 0 年代，那时的电 机研究人员已认识到利用顺序磁拉力使电动机旋转是简单易行的。1 8 4 2 年，英 国的a b e r d e e n 和d a v i d s o n 用两个u 型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动 机。两个u 型电磁铁轮流通电以吸引按在木质转鼓圆周面上的铁条。因电路断开 时没有释放能量的续流二极管电路，因此电动机运行时，随着电路的断开件有周 期性电火花；另外，因木质转子无法承受太大的径向磁力，需要加大气隙，加之 使用机械开关，其控制精度不够，故电动机的运行特性很差，这就是为什么从这 种电动机雏型的诞生壹到功率电子开关器件问世前的1 0 0 多年间，人们一直没有 太大的兴趣研究这类电动机的重要原因“1 。 2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管投入实用，为s r 电动机的研究和发展奠定了 重要的物质基础。1 9 6 7 年，英国l e e d s ( 里兹) 大学开始对s r 电动机进行深人研 究，到了1 9 7 0 年左右，其研究结果表明：s r 电动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 本亦明显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 ( 诺丁汉) 大学亦开始对s r 电动机攻关。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 at 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。上述研究小组为什么能够获得与传统观念和经验相悖的研究成果呢? 关键乃 是当时应用了先进的半导体技术。高性能电子计算机的闯世，为s r 电动机的优 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，则保证 了s r d 的经济性。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磁 阻电动机出力的观点，则从理论上对s r 电动机的发展起到了积极的推动作用。 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， 发表著名论文变速开关型磁阻电动机标志着s r d 正式得到国际社会的承认。 江苏大擘硕士学位论文 该文率先将“开关型磁阻( s w i t c h e dr e l u c t a n c e ) ”这一术语用于径向气隙电动 机，系统阐述了s r 电动机的原理及设计理论，研究了s r 电动机的持性及控制方 式，这些工作被公认为s r 电动机研究的奠基之作。 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型磁阻电动机 o u l t o n 传动装置( 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 h 四个规格的系列产品。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1 、1 2 、 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 加坡等国也都竞相发展，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，s r 电动机成为8 0 年代热门的调速电动机，而且进入9 0 年代后，对 其接受和感兴趣的程度呈逐年直线上升趋势，形成理论研究与实际应用并重的发 展势态。 1 应用方面的发展在应用方面，各国学者将s r d 与各类调速系统，持别 是与已得到推广应用的异步电动机变频调速系统就成本、性能、应用领域诸方面 做了大量的比较分析，得出的结论是一致的，即s r d 主要性能指标可与异步电动 机变频调速系统竞争。 2 s r 电动机设计方面的发展在s r 电动机设计方面、各国学者主要针对 s r 电动机内部磁场的非线性及由非线性开关电源供电、相电流波形难以解析等 有别于传统电动机的特点，探索s r 电动机电磁转矩的分析与计算方法。 3 功率变换器设计方面的发展功率变换器设计的主要问题是功率器件的 选择和电流定额的估算。 4 控制器设计方面的发展1 9 8 2 年，c o r d a 借助s r 电动机线性模型，导出 用标称参数表示的转矩、电流有效值公式，研究了调压下的恒转矩控制和调开关 角下的恒功率控制两种s r 电动机的基本控制策略。由于s r 电动机在起动及低速 运行时，旋转电动势较小，为限制主开关器件的电流不超过规定的幅值，亦常用 电流斩波控制方法控制相电流的幅值。简单地运用上述s r 电动机的控制方法难 以获得理想的输出特性，起始导通角8 0 n 、关断角钝矿是s r d 的重要控制参数， 对系统的性能影响很大。 1 2 开关磁阻电机系统的结构与性能特点 2 江苏大学硕士学位论文 开关磁阻电机具有如下的特点“1 ： 1 电动机结构简单、成本低、适用于高速 开关磁阻电动机的结构比通常最简单的笼型异步电动机还要简单。转子上没 有绕组是其突出的优点，因此不会有笼型异步电动机制造过程中笼条铸造不良等 问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转( 如每分钟上万转) 。在定子方 面，它只有几个集中绕组，医此制造简便，绝缘结构简单。 2 功率电路简单可靠 开关磁阻电动机的转矩大小和方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组 流，故功率电路每相只要一个功率开关。异步电动机绕组需流过双向电流，向其 供电的p 删变频器中功率电路每相需两个功率器件。因此开关磁阻电动机调速系 统较p 咖变频器功率电路中所需的功率器件少，电路简单可靠。 另外，p 删变频器功率电路中每相桥臂两个功率开关直接跨在直流电源侧， 易发生电源侧直通短路烧毁功率器件。而开关磁阻电动机调速系统中每个功率开 关器件均直接与电动机绕组相串联，从根本上避免了直通短路现象。医此开关磁 阻电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，既降低了成本，又具有较高 的工作可靠性。 3 系统可靠性高 从开关磁阻电动机的电磁结构上看，各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的。由此可知，当开关磁阻电动机 一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电动机除了总功率 有所减小外，并无其他妨碍。因此开关磁阻电动机系统具有极高的可靠性。可以 应用于宇航等特殊场合。 4 效率高，损耗小 开关磁阻电动机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 子不存在绕组铜损耗，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。 5 高启动转矩，低启动电流 江苏大学硕士学位论文 控制器从电源侧吸收较少的电流，在开关磁阻电动机侧得至0 较大的启动转矩 是该系统的一大特点。开关磁阻电动机系统启动电流小，转矩大的优点还可以延 伸到低速运行段，因此开关磁阻电动机系统十分适合那些需要重载启动和较长时 间低速重载运行的机械，如电动车辆。 6 可控参数多，调整性能好 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有以下四种： 1 开通角o o n ； 2 关断角和e o # ； 3 相电流幅值i ； 4 相绕组电压u s 。 可控参数多，意味着控制灵活方便。可以根据开关磁阻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，即可以使之运行于最佳状态( 如输 出功率最大、效率最高) ，也可以使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。 如使开关磁阻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，并具有启动转矩和串励电动机的负载能力曲线。 7 适用于频繁启停及正反向转换运 鉴于上述优点，s r 电机在交流调速领域发展颇为迅速。但是s r 电机同时也 存在着有待解决的问题，主要集中在以下几个方面： 1 转矩波动问题：为了提高电机输出功率密度，s r 电机通常运行于深度磁饱 和状态，导致s r 电机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 电机低速运行时， 转矩脉动尤为明显。 ， 2 噪音和振动问题：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 电机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。 1 3 课题研究背景与意义 从1 8 8 8 年在德国诞生第一辆汽车到现在1 0 0 多年的时间里，汽车以其广泛 4 江苏大学硕士学位论文 的用途为人类的生产和生活带来的极大的方便。同时，汽车的发展还带动与其相 关行业的同步发展，形成庞大的产业链，有效地促进了国民经济的发展。有统计 分析指出，汽车产业一个单位的产出，可以拉动整个国民经济总体实现1 0 个单 位的产出，由此可见汽车产业对社会、对人类的巨大贡献。我国2 0 0 4 年6 月颁 布实施的汽车产业发展政策中，明确提出在2 0 1 0 年前把我国的汽车产业发 展成为国民经济的支柱产业。百多年来，汽车发展速度惊人，到2 0 0 3 年，世界 汽车保有量已达到6 6 亿辆，我国汽车年产量业已超过5 0 0 万辆。然而，事物都 是一分为二的，当前汽车主要还是以汽油和柴油为燃料，不仅大量消耗了地球上 有限的石油资源，而且每年向大气排放有害气体7 亿多吨，严重污染了大气，危 害人们的身体健康。据统计，在世界各地的大、中城市，内燃机汽车排放的尾气 占大气中的污染物中的4 0 7 0 。 面临能源短缺和环境污染问题，环保呼声日益高涨，未来汽车技术将主要向 节能、无污染、高效、安全等方向发展。在这一方面，我国的情况异常严峻，从 1 9 9 4 年开始，已成为石油净进口国，2 0 0 0 年进口近7 0 0 0 吨，预计到2 0 0 5 年达 到一亿吨。更为值得关注的是：在统计的世界十大污染城市中，我国就占有7 个。针对现状，我国在2 0 0 4 年的汽车产业发展政策也明确提出“积极开展 电动汽车、车用动力电池等新型动力的研究和产业化。 电动汽车是2 1 世纪清洁高效和可持续的交通工具。高尔夫球场都建造在高 低起伏且范围开阔的坡地上，因此，近年来多配备高尔夫球车提供运送人员等服 务。为减少污染，高尔夫球车多采用电驱动。由于经常行驶在坡道上，对驱动系 统有以下几方面的基本要求： 1 能方便地控制速度； 2 上坡时能产生较大转矩； 3 下坡时能实现再生制动，将机械能转变为电能回馈蓄电池。 由于开关磁阻电机制造成本低、功率密度高、起动转矩大、容错能力强、无 级调速和四象限运行易于实现、以及适应恶劣工作环境等特殊优点，成为高尔夫 球车驱动电机的最佳选择之一。 随着微电子技术的迅猛发展，复杂可编程逻辑器件c p l d 以其自身速度快、 性能高、容量大、体积小、可重复编程和微功耗的独特优势，得到了日益广泛的 5 江苏大学硕士学位论文 应用。 针对高尔夫球车用开关磁阻电机工作环境恶劣( 高温、高湿、振动、多灰尘) 和软件控制抗干扰能力较低的特点，本文提出了以复杂可编程逻辑器件c p l o 为 基础的纯硬件电路实现开关磁阻电机的控制，由于纯硬件控制电路简单可靠，可 以适应复杂的工作环境，因此可以有效地简化车用开关磁阻电机控制系统的结构 并提高它的容错能力和工作可靠性。 1 4 本文主要研究内容 本文以开关磁阻电机用作高尔夫球车系统起动助力发电机的原理和设计 为主要研究内容，从理论和实践上高尔夫球车用开关磁阻起动助力发电机系统 进行了可行性探索。完成s r 电机的电动、发电运行的机理分析，设计s r 电机起 动助力发电状态控制方案，研制基于c p l d 控制器结构的s r 电机试验控制系 统，编制控制软件完成控制器设计。 1 5 本章小结 本章为绪论部分，主要介绍了本课题研究的意义、背景，并主要介绍了开关 磁阻电机的发展历史，对开关磁阻电机的优缺点进行了简单介绍，对本文所研究 的主要内容进行了简要概述。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机结构与数学模型 2 1 开关磁阻电动机的结构与工作原理图叼 开关磁阻电动机有很多不同的结构形式，各有其不同的性能特点。但它的定、 转子铁心均用硅钢片叠成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径 向相对的两个绕组串连构成一个两级磁极，称为“一相”。定、转子冲片上均有 一齿槽，构成双凸极结构。依定、转子片上齿槽的多少，形成不同极数的电动机。 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 的交直流电动机有着根本的区别。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一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。所以开关磁阻电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。 图2 - 1 开关磁阻电机的工作原理图 以三相开关磁阻电机为例。图2 - i 表示该电机的横切面和一相电路的原理示 意图，s 1 、s 2 是电子开关，d 1 、d 2 是二极管，e 是直流电源。它的定子和转子 呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，无绕组，定子绕组采用串联的形 式在相应的极上得到径向磁场，电机后端盖安装位置检测器以提供转子位置信 号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。 当定子a 相磁极轴线0 a 与转子磁极轴线0 a 不重合时，开关s 1 、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，磁通通过定子扼、定 7 江苏大学硕士擘位论文 子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。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0 a 轴线重合时，转子已达到平衡位置， 即当a 相定、转予极相对时，切向磁拉力消失，转子不再转动。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 。依此类推，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t r ( t r = 2 丌n r ) ，对于三相开关磁阻电机 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 * 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 叶的方向逆时针旋转。如果按 a - c 一8 _ 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a b - c a 方向顺时针旋转。可见，通断电顺序不同，电机的 旋转方向亦不同。因此，我们可以通过改变通电的次序来控制电机的转向，而控 翻通电电流的大小和通断时间，则可达到控制电机的转矩和速度的目的。 2 2 开关磁阻电机的基本方程式 开关磁阻电动机的电磁结构非常简单，但对其分析计算却比较复杂，这是因 为电动机内磁场分布较复杂，特别是在脉冲电流供电及转子步进运动中，无法用 传统电机的基本理论和方法来分析计算。通常用理想线性模式法，即不计电机磁 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，通过解析式了解电动机的基本特性和参数间的相互关系，并可作为深入探讨 各种控制方式的依据嘲。 为了弄清s r 电机的基本电磁关系和特性，以理想模型为例进行分析。通常， s r 电机的理想模型是指： 1 主电源的直流电压不变： 2 功率器件的开关动作是理想的； 3 忽略铁心的磁滞和涡流效应，即忽略铁耗； 4 电机各相参数对称，每相的两个线圈作正向串联，忽略相间互感： 8 江苏大学硕士学位论文 5 在一个电流脉动周期内认为转速恒定。 2 2 1 电动势平衡方程 s r 电机运行的理论与任何电磁式机电装置运行理论在本质上没有区别，都可 以看作一对电端口和一对机械端口的二端口装置。对于二相s r 电动机，若不计 磁滞、涡流、及绕组间互感时，系统示意图如图2 2 所示： ， u t , 图2 - 2m 相s r 电动机系统示意图 s r 电机第l 【( k = l ，m ) 相的电压平衡方程式为： 为加于第i 相绕组的电压： 墨为第七相绕组的电阻； 为第j 相绕组的电流； 为第后相绕组的磁链； 一般说来，电机各相绕组的磁链虮为关于绕组电流矗和转子位置角e 的函 数，即： 2 妒( ，机，：护) ( 2 _ 2 ) 由于s r 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 阻电机的计算中一般忽略相间互感，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，可以得到用电感和电流的乘积表示的磁链方程： 9 卜 盟出 + k = ， 中式 上 江苏大学硕士学位论文 2 ( ：皖) 2 厶( 幺，) ( 2 3 ) 将式( 2 - 3 ) 代入式( 2 - i ) 即可以得到t 珥嘣+ 等争等鲁 = 置+ 皈+ t 鲁嵋等鲁 ( z 叫) 式( 2 - 4 ) 表明，电源电压与电路中的三部分电压降相平衡。等式右边第一项 是第k 相回路中的电阻压降，第二项是由电流变化引起磁链变化所感应的电动 势，叫做变压器电动势，第三项是由转子位置改变引起磁链变化所感应的电动势， 叫做运动电动势，它与电磁机械能量转换直接有关。 2 2 2 机械方程 按照力学定律可列出电机电磁转矩t e 和负载转矩t l 作用下的转子机械运动 方程： 霉= l ，警勘+ 瓦 ( 2 5 ) d o dt(2-6) 其中j 为传动系统转动惯量，d 为粘滞系数，为电机角速度。 2 2 3 机电联系方程 上面分别从电端口、机械端口列写了系统方程，两者是通过电磁转矩藕合在 一起的，因此反映机电能量转换的转矩表达式即为机电联系方程。 s r 电机一相绕组在一个工作周期中的机电能量转换过程可通过其在磁链一 电流( v i ) 坐标平面的轨迹加以完整描述，所以s r 电机的静态性能可以通过一 簇磁化曲线，即用随转子的位置和相电流周期性变化的磁链曲线来表征。 根据机电能量转换原理，电磁转矩表示为磁共能对转子位置增加的速率，对 于转矩为t 绕组磁共能为的机电联系方程为： 互2 善瓦2 善掣 ， 1 0 江苏大学硕士学位论文 式中，形1 = 【p ( i , e ) a i 为k 相供电时的绕组的磁共能。 2 3s r 电机的数学模型 2 3 1 电感特性 影响s r d 运行特性最主要因素是s r 电机相电流波形、电流的峰值和峰值出 现的位置。从简化的线性模型进行分析，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，相绕组电感随转子位置 角0 周期性变化的曲线如图2 - 3 所示。 q岛0 3 以幺岛只 口 图2 - 3 相绕组电感l 与转子位移角0 关系曲线 通常转子槽宽大于定子极弧，定子极弧大于转子极弧，所以存在b 一岛区域 和岛一只区域。在岛一岛区域，定子极和转子极没有重叠，定子极与转子槽之间 的磁阻恒为最大，相电感为最小值k 。，岛一0 2 区域中间处对应于转子极轴线和 定子槽中心线重合的位置，我们定义护为零。0 2 为转子磁极的前沿和定子磁极的 后沿相遇的位置，该位置为电感的转折点，电感从这点开始线性上升。当转子转 过岛后，相电感便开始线性地上升到岛位置，转子极的后沿转至定子的后沿相 遇，转子极和定子极完全重合，至只位置，转子极前沿和定子极前沿相遇处，整 个g 一幺区域定转子齿间磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值上虹；从只楣电 感便开始线性地下降，再次回到转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。如此周而 复始，往复循环。 线性模型下，s r 电机相电感与转子位置角之间的关系可用如下的函数表示： 江苏大擘硕士学位论文 工( p ) = 工m i - k ( 口一口2 ) + 三。h 工。 工。一k ( e e ) 舯肛争 2 。3 2 磁链特性 由式( 2 1 ) 可以得到一相的电压平衡方程： 士洳= 氓+ 等 式中：+ 伪励磁阶段相绕组两端的外加电压； 一孤开关关断后续流阶段相绕组两端所加的电压。 因为电阻压降诹相对于等很小，故可忽略绕组电阻压降，且这样造成的误 差不会超过线性模型假设带来的误差。这样上式可以简化如下： 以：孚：业塑：韭m 。 西d 8 西d 口 ( 2 勺) 由此得到：咖；坐e 式中：一为转子的角速度 主开关管开通瞬间( t = 0 ) 为电路的初始状态，此时岛= 气，= o ，式( 2 - 9 ) 左端取+ 。导通期闻，相绕组磁链以比率堕随导通角增加而增加，由初始条件 对缈求积分即得导通期间的磁链表达式： 缈( 口) 2 警( 口一既) ( 2 圳) 主开关管关断的时候，口= ，为式( 2 一l o ) 的最大值虮。一u m s 、- 8 矿一乞) ， 续流阶段期间，式( 2 9 ) 左端取一，磁链以比率竺下降，以关断时刻为初始时刻 可求得的磁链表达式为： 缈( 口) = 告( 一气) 一告( 口一) = 警( 2 一气一p ) ( 2 _ 1 1 ) 由式( 2 一】0 ) 和式( 2 1 i ) 可以得到一相绕组在通电，断电的一个变化周期内的 8卜 2 3 4 5 d 0 9 p v i v i v i v 1 0 p d p v i v i v i 一 t 2 3 4 p 口p p 江苏大学硕士学位论文 磁链表达式，从而可以得到磁链y 随转子位置角口的周期性变化曲线，如图2 4 所示，其表达式如( 2 - 1 2 ) 所示。 y ( 占) = 0 篡麓一薏 。2 - 1 2 ，o s 口屯，2 蛾谚一气s 口s () 等( 2 一如一护) 口s 2 一气 2 3 3 电流分析 由于s r 电机存在严重的饱和效应和边缘效应，y 作为电流f 和转子位置角目 的非线性函数，一般没有解析式，故为非线性模型。 当s r 电机由恒定直流电源u s 供电时，由于绕组电阻压降彤与咖西相比很 小，否则电机的效率就不会很高，故可忽略电阻压降，并且由此引起的误差不会 超过线性化假设带来的误差。电路方程可化为： u , = d v d t = l 磊d i + i a 廨l = 三罢+ 研器 。， 2 3 4 转矩特性 若不考虑电路中电阻损耗、铁芯损耗和转子旋转产生机械损耗，根据能量守 恒定律，绕组输入的电能耽应等于结构中磁储能玎丁与输出机械能w m 之和，即 为： d w e = d w + d w = ( 2 _ 一1 4 ) 江苏大学硕士学位论文 如果把电压u 和感应电势e 的参考方向选为一致，根据电磁感应定律，绕组电路 的电压方程为： 甜：一口：坐 毋 ( 2 1 5 ) 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为： d w e = u i d t ( 2 1 6 ) 将式( 2 一1 5 ) 代入式( 2 1 6 ) ，得： d w e2 i d o l ( 2 1 7 ) 机械能可由电磁转矩t 和角位移0 计算，即为 d w m = t d o ( 2 一1 8 ) 将式( 2 - 1 7 ) 和式( 2 一1 8 ) 代入式( 2 一1 5 ) ，则得 d ( 矿，力= 却一t d o ( 2 _ 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 表明，对于无损系统，磁储能是由独立变量和0 表示的状态变量， 磁储能由和0 所决定。假设为恒定值时，由式( 2 1 9 ) 得到一般转矩计算式： r ：一堡竺：竺 0 0 ( 2 - 2 0 ) 在考虑转子处于任意位置时的电磁转矩时，可以假设转子无机械转动，则由式 ( 2 1 4 ) 得 d w e = d w f ( 2 2 1 ) 将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 2 1 ) ，得 w f 2f i d f ( 2 2 2 ) 设磁路中没有磁滞损耗，再假设磁路为线性磁路( 这在气隙不太小，磁路不太饱 和时近似成立) ，则磁链缈可由电感l 表示为 2 l i ( 2 2 3 ) 将式( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 2 ) ，得到磁储能的计算式 江苏大学硕士学位论文 聍= 三2 d 2 ( 2 2 4 ) 将式( 2 - 2 4 ) 代入式( 2 2 0 ) ，得 r ：三i z 丝 2a 6 ( 2 2 5 ) 2 4 本章小结 s r 电机的磁路饱和、涡流、磁滞效应等产生的非线性影响着电机的性能， 但却很难进行数学模拟，考虑了非线性的所有因素，虽然可以列出一个精确的数 学模型，但计算相当繁琐。因此，在建立s r 电机数学模型时，应当在实用和理 论之间折衷处理。 本章首先介绍了开关磁阻电机的结构与原理，其次介绍了开关磁阻电机的 基本方程式和数学模型。 江苏大学硕士学住论文 第三章开关磁阻电机的控制方式 s r 电动机的控制方式指电机运行时对哪些参数进行控制及如何进行控制，使 电机达到期望的运行状况( 如期望的转速、转向、转矩等) ，并使其保持较高的动 态性能和运行效率。 通过以上所描述的开关磁阻电机的线性模型和结论，我们可知：改变外施电 压u s ，或者改变开关角均能有效的改变转速的值。若与开关焦有关的参数无 关，则d 正比于u s ，改变其外施电压就会改变电机的转速。因此，s r 电动机转 速的可控变量一般有加于相绕组两端的电压u s 、开通角8 0 n 和关断角如矿三个 参数。s r 电动机的控制方式主要针对以上几个可控变量来进行控制“。1 ，一般分 为：角度位置控制方式( a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o l ，简称a p c 控制) 、电流斩波 控制方式( ( c h o p p e dc u r r e n tc o n t r o l ，简称c c c 控制) 和电压p w m 控制方式。s r 电动机的各种控制方式的区别是对以上几个参数的控制方法不同，下面将进行详 细的讨论和分析。 3 1 角度位置控制方式嘲 在直流电压的斩波频率和占空比确定时，加于相绕组两端的电压大小不变的 情况下，可通过调节s r 电动机的主开关器件的开通角o o n 和关断角s o f t 的值， 来实现转矩和速度的调节，此种方法便称之为角度位置控制( a p c ) 。尤其是当电 机转速较高，旋转电动势较大，电机绕组电流相对较小时，最宜采用此种控制方 式。 来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置，这样就可以改变 电动机的转矩，从而改变电动机的转速。在电动机正常运行时，应使电流波形的 主要部分位于电感波形的上升段：在电动机制动运行时，应使电流波形位于电感 波形的下降段。改变关断角o o f f 一般不影响电流峰值，但可以影响电流波形宽 度以及与电感曲线的相对位置，电流有效值也随之变化，因此o o f f 同样对电 动机的转矩和转速产生影响，只是其影响程度没有8 0 n 那么大。故一般采用固定 关断角o o f f ，改变开通角o o n 的控制方式。 a p c 控制方式有其自身独特的优点： 江苏大学硕士学位论文 首先，电机转矩调节范围大。假设定义电流存在区间t 占电流周期t 的比例 t t 为电流占空比，则在极端情况下，角度位置控制的电流占空比的变化范围几 乎从0 - 1 0 0 ，电流的大小直接影响着转矩的大小，因此转矩调节的范围将很大。 其次，电动机在角度位置控制方式下运行效率高。通过角度优化，能使电动机在 不同负载下保持较高的效率，可实现效率最优控制或转矩最优控制。 但是，角度位置控制不太适用于低速。因为转速降低时，旋转电动势减小， 使电流峰值增大，必须进行限流，因此角度位置控制一般用于转速较高的应用场 合。 3 2 电流斩波控制( c c c ) 在s r 电动机起动、低、中速运行时，电压不变，旋转电动势引起的压降小， 电感上升期的时间长，而d i d t 的值却相当大。为避免过大的电流脉冲峰值超过 功率开关元件和电机允许的最大电流，通常会采用电流斩波的控制方式来限制电 流的大小。 一般在低速运行时，将使电机的开通角踟 和关断危o o f f 保持不变，而主要 靠控制斩波电流的大小来调节电流的峰值，从而起到调节电动机转矩和转速的 目的，工作在c c c 方式下的斩波电流波形如下图3 一l 所示。 80n如 图3 - 1c c c 方式下的斩波电流波形 在口= 气时，功率电路开关元件接通( 称相导通) ，绕组电流i 从零开始上升， 当电流达到斩波电流上限值i 。时，切断绕组电流( 称斩波关断) ，绕组承受反压， 电流快速下降。经时间t l ，或电流降至斩波电流下限值时，重新导通( 称斩波导 通) ，重复上述过程，则形成斩波电流波形，直至口= 时实行相关断，电流衰 减至零。 1 7 江苏大学硕士学位论文 c c c 控制方式又分为起动斩波模式、定角度斩波模式和变角度斩波模式。起 动斩波模式是在s r 电机起动时采用的，此时要求转矩要大，同时又要限制相电 流峰值，故通常固定开通角o o n 和关断角只，导通角& 值相对较大：定角度斩 波模式通常在电机起动后，低速运行时采用，导通角6 l c 值保持不变，但值限定 在一定范围内，相对较小：而变角度斩波模式通常在电机中速运行时采用，此时 通过电流斩波、开通角o o n 、关断角眈，的同时起作用来进行转矩的调节。 电流斩波控制特点： 电流斩波控制较适用于电动机运行在低速的情况下。电机在低速运行时，绕 组中旋转电动势小，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。两种情况下，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。 当斩波周期较小，并忽略相导通和相关断时电流建立和消失的过程( 转速低时近 似成立) 时，电流波形呈较宽的平顶波，故产生的转矩也比较平稳，合成转矩脉 动明显比其它控制方式小，因此较适合用于转矩调节系统。 但是该控制方式在用作调速系统时抗负载扰动性的动态响应慢是其一弱点， 因为提高调速系统在负载扰动下的快速响应，除转速检测调节环节动态响应快 外，系统自身的机械特性也十分重要。电流斩波控制方式中，由于电流峰值被限， 当电机转速在负载扰动的作用下发生突变时，电流峰值无法自动适应，使之成为 特性非常软的系统，因此，系统在负载扰动下的动态响应十分缓慢。 s r 电机在低速运行时，导通区间较大，相电流周期比较长，而反电动势小， 其结果导致电流和磁链的峰值很大，需加以限制。加大开通角虽可以限流，却降 低了有效利用率，达不到控制效果，因此有了电流斩波控制。电流斩波控制( c c c ) 是在0 0 n 6 ：。内对主开关元件进行多次导通和关断来限制电流的上升。该方法 在保证电机利用效率的基础上，限制了电流的峰值，被广泛采用。 3 3 电压p 洲控制即 在o o n e 。导通区间内，使功率开关按p 删方式工作，其脉冲周期t 固定， 占空比t 1 t 可调，在t 1 内，绕组加正电压，t 2 内加零电压或反电压。改变占 空比，则绕组电压的平均值u s 将会变化，进而间接改变相绕组电流的大小，从 江苏大学硕士学位论文 而实现转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制。与电流斩波控制方式类似，提 高脉冲频率f = l t ，则电流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但功率 开关元件的工作频率增大，成本有所增加。 8 图3 - 2 电压控制时的相电流波形 电压p 删控制通过调节相绕组电压的平均值，进而能间接地限制和调节相电 流，因此既能用于高速调速系统，又能用于低速调速系统。电压p w m 控制法虽然 简单，迫调速范围较小。其它特点则与电流斩波控制方式相反，它适合于转速调 节系统，抗负载扰动的动态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。 3 4 本章小结 本章对开关磁阻电机的角度位置控制方式( a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o l ，简 称a p c 控制) 、电流斩波控制方式( ( c h o p p e dc u r r e n tc o n t r o l ，简称c c c 控制) 和电压p w m 控制方式分别进行了介绍。 江苏大学硕士学位论文 第四章c p l d 简介以及仿真软件介绍 4