（电力系统及其自动化专业论文）开关磁阻电动机振动分析及控制研究.pdf

a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt o ”r e s e a r c ho nt h e o r ya n dc o n t r o l s t r a t e g y o f n o n l i n e a rv i b r a t i o ni ns w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ”，w h i c hi ss u p p o r t e d b y t h en a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef u n d ( 5 9 9 7 7 0 0 5 ) an o n l i n e a rf u n c t i o no fi n d u c t a n c ea g a i n s tr o t o rp o s i t i o ni sc o n s t r u c t e d b a s e d o nt h em o d e l ，t h ee f f e c to fc o n t r o l l e dp a r a m e t e r so fs r mi na p ca n dv o l t a g e - p w m o nv i b r a t i o ni ss t u d i e di nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n r e s p e c t i v e l y r e s e a r c hi n t i m ed o m a i ni n d i c a t e st h a tt h ee f f e c to ft u r n - o na n g u l a ro np h a s ec u r r e n t ，s h e a r i n g f o r c ea n dr a d i a lf o r c ei sm o r es i g n i f i c a n tt h a nt h a to ft u r n - o f f a n g u l a ri na p c a n dt h a t i fc h o p p i n gf r e q u e n c ya n ds p e e di si n c r e a s e da n dd u t yi sr e d u c e di nv o l t a g e - p w m ， t h e n p h a s ec u r r e n t ，s h e a r i n g f o r c ea n dr a d i a lf o r c ea r e r e d u c e d ，r e s u l t i n g i nt h e r e d u c t i o no fv i b r a t i o na n da c o u s t i cn o i s e r e s e a r c hi nf r e q u e n c yd o m a i ni n d i c a t e st h a t i na p ca n dv o l t a g e - p w m ，l i t t l em o d u l a t i o no fc o n t r o l l e dp a r a m e t e rc a nm o d i f yt h e s p e c t r u mo fp h a s ec u r r e n t ，s h e a r i n gf o r c ea n dr a d i a lf o r c e s ot h es p e c t r u mc a nb e m o d i f i e dt oa v o i dt h eh a r m o n i cw i t hi n h e r e n tf r e q u e n c yo fs t a t o rc o n v e n i e n t l y t w o - s t e p sc o m m u t a t i o ni nc o u r s eo fv o l t a g e p w mi ss t u d i e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ec o n c l u s i o ni st h a tv i b r a t i o no f p h a s ec u r r e n t ，s h e a r i n gf o r c ea n dr a d i a lf o r c ea r e r e d u c e db yu s et h et w o - s t e p sc o m m u t a t i o n a s s o r t e dc o n t r o lo fc o n t r o l l e dp a r a m e t e r a r er e s e a r c h e d t h ec o n c l u s i o ni st h a ti fq u o t i e n to f c h o p p i n gf r e q u e n c ya n ds p e e di s c o n f i r m e d ，t h es h a p eo fp h a s ec u r r e n t ，s h e a r i n gf o r c ea n d r a d i a lf o r c ea r ei d e n t i c a l s o i np r a c t i c a lu s e ，c h o p p i n gf r e q u e n c yc a nb em o d i f i e da c c o r d i n gw i t ht h es p e e d n o n l i n e a rm o d e lo fi n d u c t a n c e a g a i n s t r o t o r p o s i t i o n a n dp h a s ec u r r e n ti s c o n s t r u c t e d b a s e do nt h em o d e l ，f o r m u l a eo fn o n l i n e a rp h a s ec u r r e n t ，s h e a r i n gf o r c e a n dr a d i a lf o r c ea r ec a l c u l a t e d s i m p l i f yt h en o n l i n e a rp h a s ec u r r e n tf o r m u l ai sd o n e a n dt h ec o n d i t i o no fu s i n gt h es i m p l i f i e df o r m u l ai ss t u d i e da c c o r d i n gt ot h ee r r o r a n a l y s e s d y n a m i c n o n l i n e a rs i m u l a t i o nm o d e lo f s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e si sc o n s t r u c t e d b a s e do nt h em o d e l ，t o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o nb a s e do nt o r q u eo b s e r v a t i o n i s s t u d i e d a d a p t i v ef u z z y p i di sa d o p t e di nt h ec l o s e ds p e e dl o o pi nt h em o d e l t h e c o n c l u s i o ni st h a tt h ee f f e c to f t o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o ni ss i g n i f i c a n t k e y w o r d ： s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rn o n l i n e a rv i b r a t i o nr a d i a lf o r c e s p e c t r u m h u茜 开关磁阻电动机调速系统( s r d ) 是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的新型交 流调速系统，它融丌关磁阻电动机与现代电力电子技术、控制技术为一体，兼有 异步电动机变频调速系统和直流电动机润速系统的优点，已成为当代电气传动的 热门课题之一。 作为一种高性能的调速系统，丌关磁阻电动机调速系统可以方便地实现四象 限运行，即f 转、反转、电动和制动。当其电动运行时，作为调速电动机使用， 当制动运行时，可作为发电机使用。电动和制动的选择很方便，只要加大开通角， 使相电流主要在电感的下降区出现即可。 作为开关磁阻电动机调速系统主体的开关磁阻电动机系统效率高，且能在其 宽广的调速范围内，整体效率大于变频调速电动机系统3 以上，比其它调速系 统则高出更多，尤其在低转速下高效率的优势更加明显；丌关磁阻电动机具有良 好的起动性能和低速性能，特别适用于问隙工作和频繁起动：丌关磁阻电动机结 构简单、坚固，且容易制造成密封结构和防水、防尘、防爆等结构形式，适用于 环境恶劣的场合，且不需频繁维护；丌关磁阻电动机可以方便地实现四象限运行 可逆系统，电动与制动状态的转换可通过改变导通角实现；电机f 反转的控制只 需改变电机各相的导通顺序。因此在电力系统自动化技术中采用开关磁阻电动机 调速系统具有明显的优势。目前，s r d 的产品已应用在牵引运输、通用工业、 航空工业、家用电器等各个领域，显示出了强大的市场竞争力。 尽管开关磁阻电动机调速系统性能优越，但也有其缺点。由于丌关磁阻电动 机是双凸极的结构形式，磁路的高度非线性使得其精确建模很困难；由于开关磁 阻电动机由脉冲供电，电机气隙小，有显著变化的径向磁吸力，且电机结构及各 相参数难免不对称，由此形成的转矩脉动、振动和噪声也是其较突出的问题和研 究的难点，目前有一批国内外的专家和学者从事该领域的研究工作，以使开关磁 阻电动机应用于更广泛的调速领域。现有开关磁阻电动机振动和噪声的研究主要 是基于简化的线性模型进行的，缺乏非线性振动和噪声理论和实际的研究工作， 线性化分析会丢失开关磁阻电动机振动系统中一些重要的力学特性，得不出s r d 实际存在的一些本质的振动现象。 本论文作为国家自然科学基金项目( 5 9 9 7 7 0 0 5 ) “开关磁阻电动机非线性振 动理论及控制策略研究”的组成部分，立足于丌关磁阻电动机的非线性模型，围 绕引起丌关磁阻电动机振动和噪声的径向磁吸力进行理论分析和计算，研究控制 参数和运行方式对其振动特性的影响。本论文所做的工作和取得的成果主要有： 建立了开关磁阻电动机的非线性模型，将抑制振动和噪声的两步换相法应用于电 压p w m 控制方式的电压斩波期问，对角度位置控制方式和电压p w m 控制方式 下，控制参数对振动的影响进行了时域和频域的仿真研究和实验验证，得出明确 的控制参数的选择依据，论文的研究工作对丌关磁阻电动机振动和噪声的控制策 略研究具有理论意义和实用价值。论文中基于非线性电感模型推导了丌关磁阻电 动机相电流、电磁转矩和径向磁吸力的表达式，研究了相电流的简化求解并根据 误差分析提出了简化公式的适用条件，对非线性振动理论的进一步研究具有理论 意义。论文中建立了丌关磁阻电动机调速系统的非线性动态仿真模型，研究了基 于转矩观测器的自适应模糊p i d 调速系统的性能，仿真结果表明浚系统具有良 好的转矩脉动抑制效果和动静态性能。 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工作的同事 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。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：专噍! 兰年月 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 喀既瞻年月日 第一章绪论 11 课题的目的和意义 第一章绪论 丌关型磁阻电动机调速系统t s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e s ，简称s r d ) 是一 种新型的机电体化交流调速系统，它融新的电动机结构一丌关型磁阻电动机 ( 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 电机) 与现代电力电子技术、控制技术 为一体，该系统主要由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器和检测器( 包括 位置检测器和电流检测器) 四部分组成，如图1 1 所示。 机械 输出 图1 1s r d 基本构成 图1 1 中，s r 电动机是双凸极可变磁阻电动机，它的定、转子凸极均由 具有高磁导率的硅钢片叠成，转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕 组，径向相对的两个绕组并联( 或串联) 构成“一相”。s r 电机是s r d 中实现 能量转换的部件，也是s r d 区别于其他电动机驱动系统的主要标志。s r 电机 可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同的相数结构，且有每极单齿 结构和每极多齿结构。s r 电动机的相数多，有利于减小转矩脉动，但会导致电 机结构复杂，主开关器件多、成本增加。目前应用较多的是三相( 6 4 极) 结构 和四相( 8 ，6 极) 结构。 功率变换器向s r 电机提供运转所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到 的直流电提供电源。s r 电机的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机 相数及主开关器件的种类有关。目前，应用较广泛的主电路主要有不对称半桥 电路、分裂式直流电源电路、带存储电容的功率变换器主电路、具有最小数量 开关磁阻f u 动机振动分析及挡制研究 l i 海凡学博卜论文2 0 0 4 年1 0 月 丌关器件的功率变换器主电路等形式，随着s r d 研究的深入，还会有许多新的 功率变换器主电路不断被开发出来。 控制器是系统的中枢，其综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、 位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主丌关器件的工作状念，实现对s r 电机运行状态的控制。 位置检测是丌关磁阻电机能够运行的必要条件，控制器的控制信号的产生 都是基于位置检测器的状态信息。由于不同转子位置处相电感l ( 8 ，i 1 及弛a 占 是不同的，控制相绕组通电时刻即可改变相电流的大小及波形，由此将产生不 同的电磁转矩、转速、转向及运行状态。因此，控制器必须借助从位置传感器 获得的转子位置信息，以保证在合适的时刻接通或断开相应的相绕组。位置闭 环是s r d 有别于步进驱动系统的重要标志之一。 理论与实践表明，与其它电动机调速系统比较，s r d 具有如下显著优点。 1 s r 电机转子无绕组，成本低；电动机可高速旋转而不致变形；转子转动 惯量小，易于加、减速。定子线圈嵌装容易，端部短丽牢固，热耗大部分在定 子，易于冷却；转子无永磁体，可有较高的最大允许温升，适用于高速、环境 恶劣场合。 2 具有再生作用。s r 电机的制动只有回馈制动( 也称再生制动) 方式。 作为一种高性能的调速系统，s r d 可方便地实现四象限运行。其中制动运行有 两重含义：一是利用制动转矩降速，使s r 电机尽快停转：二是发电工作。对 s r 电机来说，它的再生制动的实现非常方便，只需加大丌通角，使相电流主要 在电感曲线的下降段出现即可。由于s r 电机结构的对称性，它在发电状态下 的性能与电动状态下的性能一样优越。 3 起动转矩大，在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率。 4 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角度，即 可改变电动机的工作状态。即只要控制各蛔在不同电感区域内的瞬时电流，即 能四象限运行，无须辅助电力电子丌关器件，故可减少s r 电动机功率变换器 的开关器件数降低系统成本。相电流的单向流动，使得其功率主电路结构简 单，且具有普通交流电机系统及无刷直流电机系统所没有的优点，即相绕组与 主开关是串联的，从结构上排除了系统短路故障的可能。 第幸绪论 5 控制参数多，控制方式灵活。s r 电机的控制参数多，控制方式也多。 主要的控制参数有开通角、关断角。在不同的运行方式下，其控制参数又有所 不同，例如，在斩波控制中，斩波频率和占空比也是很重要的控制参数。 鉴于上述优点，s r d 已成为当代运动控制系统研究的热门课题之一，国内 外已有_ i _ f 式的s r d 产品，应用在电动车驱动系统、通用工业( 风机、泵、压缩 机等) 、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机( 用于纺织机、航空发动机、 电动工具、离心机传动等) 、家用电器( 沈衣机、食品加工机械等) 各个领域， 显示出强大的市场竞争力。 尽管上述优点使s r d 成为当代运动控制系统的热门课题之一，它尚存在以 下缺点”： l ，山于采用的是磁咀式电动机，其单位体积能量转换密度低于电磁式电动机； 2 瞬时转矩脉动大，电机振动、噪声问题突出鸭； 3 由于位置传感器的存在，不仅增加了系统成本和复杂程度，而且降低了s r d 系统的可靠性t 4 l 。 这些缺点，尤其是转矩脉动、振动和噪声问题已成为s r d 在更多范围内应 用发挥其特长的主要障碍。目前，国内外有不少文献论及电机的振动和噪声的 产生和抑制以及转矩脉动的抑制”。在s r 电机振动和噪声的研究中， c a m e r o nde 等基于频域的研究和w ucy 等 1 基于时域的研究颇具代表性。 c a m e r o nde 等通过对s r 电机各种可能的噪声源采取分命运转法逐一鉴别比较 届，得出结论：s r 电机噪声主要源于定转子问的径向磁吸力所导致的椭圆形变， 而且当相电流某一幅值充分大的谐波频率与定子共振频率接近或一致时，将激 发强烈的振动和噪声。因此，控制相电流波形，使之不舍激发定子共振的谐波 分量是降低振动和噪声的有效方法之一。频域分析的优点是能够显示振动和噪 声的频谱，找到最突出的振动分量，其局限是未能揭示出定子振动与相绕组外 施电压、相电流波形及对应时间的关系。w u c y 等基于时域分析得出的结论是： 相绕组外施电压的阶跃变化，导致相电流、径向力变化率跃变是引起s r 电机 振动大的主要原因，因为相电流关断时，相电压产生大幅度负跃变，加之关断 起始相电流又较大，故绕组关断激发的冲击振动是最主要的。 由于s r d 系统的严重非线性，使得s r d 振动和噪声的研究有很大困难， 开关磁阻l u 动机振动分析及控制研究 ”j 海人学博i 论义2 0 0 4 年1 0 月 有鉴于此，本课题作为国家自然科学基金项目5 9 9 7 7 0 0 5 号“开关磁阻电动机非 线性振动理论及控制策略研究”的组成部分，将围绕引起s r 电机振动和噪声 的径向磁吸力进行理论分析和计算，并研究控制参数和运行工况对其的影响。 本课题的研究成果有助于推进s r 电机振动和噪声控制研究的发展，有益于加 速我国s p , d 商品化工作的进程。 1 2 s r d 的发展简史 s r 皂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。但是直 到2 0 世纪6 0 年代，功率电子开关器件问世，人们才对此投入了很大的兴趣。 2 0 世纪6 0 年代术7 0 年代初，英国的l e e d s 大学和n o t t i n g h a m 大学首先对 s r 电机进行了深入研究，研究结果表明：s r 电机可在单向电流下四象限运行， 功率变换器无论是用晶体管还是用普通晶闸管，所需的丌关数都是最少的，电 动机成本办明显低于同容量的异步电动机。 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 ws r d 装置，其单位输出功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。 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 r a i n ) 商品投放市场；1 9 8 4 年，又推出4 2 2 k w 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 k w 、 12 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，s r d 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、新加坡等国也都竟相发展。 我国于1 9 8 4 年开始s r 电机的研究工作1 6 2 1 ，如中纺机电研究所、华中理 工大学、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华南理工大学、浙江大学 及河海大学等，且s r 电机被列入中小型电机“七五”科研规划项目。在借鉴 国外经验的基础上，我国s r 电机的研究进展很快，对s r 电机的控制、仿真、 设计理论和电磁场数值分析等都作了许多工作。1 9 8 8 年1 1 月在南京航空航天 大学召开了首届s r d 研讨会，这次研讨会有9 个单位4 2 名代表参加，研讨会 一笙二兰竺堡 组织了九个专场报告、参观和讨论。与会代表一致认为，丌关磁阻电动机作为 8 0 年代的性能优良的调速电动机系统，将在现代调速系统中占有一席之地。这 次研讨会，丌创了我国玎关磁阻电动机研究的横向联系和协作，推进了这新 产品的开发过程。1 9 9 1 年9 月，由华中理工大学组织在武汉召丌了第二届丌关 磁阻电动机学术研讨会，这次研讨会有2 5 个单位4 6 名代表参加，会议肯定了 第一届研讨会后，国内在丌关磁阻电动机研究方面的进展，同时建议中国电工 技术学会中小型电机专业委员会下设丌关磁阻电机学组，统一组织和领导国内 开关磁阻电机的学术研究和推广应用工作。1 9 9 3 年元月，在中国电工技术学会 中小型电机专业委员会领导下，f 式成立了丌关磁阻电机学组，同年1 2 月，在 北京召开开关磁阻电动机调速系统l q k 应用研讨会，与会代表一致认为，开关 磁阻电动机具有起动性能好。低速和制动转矩大，调速范围宽，适用于频繁起 动、制动的优点，且功率电路简单可靠、电动机坚固耐用，是一种非常优良的 调速系统。l o 多年来，我国已研制了5 0 w 3 0 k w 、2 0 多个规格的工业产品样 机，在纺织机械、毛巾印花机、泽尔浆纱机、多功能蒸煮联合机以及轻型龙门 刨床和食品加工机械等方面的应用中取得良好的效果。但目前我国s r 电机的 理论研究和实际应用都存在较大的不足和差距。 1 3 s r d 应用方面的发展 在s r d 发展初期，各国学者将s r d 与各类调速系统，特别是已得到推广 应用的异步电动机变频调速系统就成本、性能、应用领域等方面做了大量的比 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。作为一种新型调速系统，s r d 兼有直流传动和普通交流传动的优 点，以向各种传统调速系统挑战的势头f 逐步应用在家用电器、一般工业、伺 服与调速系统、牵引电动机、高速电动机、航天器械及汽车辅助设备等领域， 显示出强大的市场竞争力。 在发展初期，由于具有串励直流电动机的特性，s r 电动机较多的是应用在 电力机车上作牵引用，功率从几十千瓦到几百千瓦。从电力机车的试验结果看， s r d 的效率及其输出功率均比通常的交、直流电动机调速系统高，价格介于交、 直流电动机调速系统之间；另外，s r 电动机在蓄电池电动运输车辆，例如电瓶 开关磁mj b 功机振动分析及拎制 i ) f 究 l 】海人学博l j 论文2 0 0 4 年1 0 月 车、电动汽车上的成功应用，亦表明s r d 司以优良的性能用作牵引驱动。 s r d 的应用范围当然不会仅仅局限于牵引运输。实际上，转速范围为1 5 0 0 1 8 0 0 r m i n 的s r d 是由与5 0 h z 6 0 h z 电源逆变器供电的异步电动机市场相适应 的：而7 5 0 3 0 0 0 r m i n 的s r d 则与传统直流电动机市场相适应。因此，s r d 中 多数仍作为需要四象限运行的通用调速系统。 另外，s r d 在低压、小功率的应用场合大大优于普通的异步电动机和直流 电动机。比如，使用s r d 驱动风扇、泵类、压缩机等，可在宽广的调速范围内 实现高效率运行，可明显地节能，并在短期内收回成本。经济型小功率s r d 有 着广阔的市场，包括在有着广大用户的家用电器中的应用。据报道，英国l e e d s 大学研制出一种用于洗衣机的s r 电动机及其驱动装置，该电动机重量为 3 i k g ，最高转速达1 0 0 0 0 r m i n ，直径为i o o m m ，长度为1 1 8 r a m ，在不使洗涤性 能降低的情况下，比标准的洗衣机电动机尺寸减小一半。 根据不同使用特点，s r 电机常用于以下方面”“： 1 高效调速传动 由于s r 电机系统效率高，且能在宽广调速范围内呈现高效特性，因此在 诸如风机、水泵的传动系统中，选用s r 电机作为调速电动机比其它常用的调 速电动机系统效率高。 2 ，起动和低速性能要求高的机械传动 s r 电机具有良好的起动性能和低速性能，特别适用于间隙工作和频繁起 动。因此在诸如卷绕机、电动车辆以及一些间隙工作频繁起动的工作机械中， 用s r 电机取代感应电动机可降低1 2 个功率等级，电机尺寸也明显减小。 3 频繁正反转生产机械 诸如龙门刨床、平网印花机等需要频繁正反转及电动、制动的生产机械， 选用s r 电机可以作不间断的连续起动、制动工作，因为s r 电机不仅起动性能 好而且制动性能也很好。 4 恶劣环境中工作的生产机械 诸如煤矿、冶金等高粉尘、高温的恶劣环境中，可以选择s r 电机。例如 英国b j d 公司将s r 电机用于煤矿井下，其中采用两台4 0 k w 产品作为一台 m 5 0 0 型联合采煤机的牵引电动机，该公司设计制造的1 5 0 k w 及3 0 0 k w 煤矿专 第一尊绪论 用s r 电机也已问世。s r 电机之所以适用于恶劣的工作环境是由于其电机结构 特别简单、峰固，且容易制造成密封结构和防水、防尘、防爆等结构型式。 5 要求高可靠性的应用 s r 电机的高可靠性可从两方面看，从功率变换器看，每个功率开关元件同 电动机绕组串联，避免了电源短路的可能性，提高了可靠性。从电机结构看， 各相绕组独立工作，任一相绕组发生故障，只要采用适当的故障诊断方式找出 故障相，并对该相绕组不再通电，则运转中的电动机只会适当降低出力而不致 停止运转，这一特点使s r 电机能适用于对工作可靠性要求极高的场合。 6 日用电器传动装置 s r 电机在结构设计上有极大的灵活性，以满足各种特殊需要，这在家用电 器中表现明显。例如，结构简单、制造成本低的单相s r 电机可作风扇电机； 两相高速s r 电机可用于吸尘器风泵电机：扁平结构的s r 电机可用于洗衣机等。 7 高速传动机构 采用s r 电机作成高速电动机是十分有利的。如k c d 系列的专用高速系列 产品，调速范围为1 0 0 0 0 。3 0 0 0 0 f f m i n ，主要用于吸尘泵、离心干燥机等装置。 s r 电机在工业应用中的丌发和产品研制有着广阔的天地。美国将s r 电动 机用作飞机涡轮发动机的起动电动机，考证了s r 电动机在恶劣环境下的工作 能力和可靠性。经过1 0 余年的努力，目前，s k l 9 的应用领域己从最初侧重于 牵引运输发展到工业、航空工业和家用电器等各个领域，取得越来越显著的经 济效益。 目前，s r d 的丌发范围是转矩为o 0 1 1 0 6 n m ：功率为1 0 w - 5 m w ；转速 可达1 0 0 0 0 0 f f m i n 的s r 电机。s r 电机的规格己从多相发展到单相、两相。 1 4s r 电机设计和系统建模方面的发展 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。 显然，从s r 电动机线性模型出发，即忽略磁路饱和的非线性影响，假定 相电感与电流无关。可简化分析，突出s r 电机内部电磁关系的物理本质。 开关戳阳电动机振动分析技控制研究 l 】海人学博卜论文2 0 0 4 年1 0 门 l a w t e n s o r l 等在文献中以线性化方法讨论了s r 电动机的极数、相数、极弧的设 计准则等问题，为s r 电动机的设计奠定了初步的理论基础；c o r d a 借助s r 电 动机线性模型导出了“理想化”s r 电动机的转矩解析式，为优化电动机设计提 供了依据；k r i s h n a n 等基于“平顶波”电流推出s r 电机类似于传统电机的输 出方程，为应用传统方法设计s r 电机，确定其主要尺寸开辟了道路 7 4 1 。但实 际运行的s r 电机，“平顶波”电流形成的条件并不能保证，因此，其应用范围 有限：另外，磁路饱和对转矩、功率计算影响很大，而且一个设计得好的s r 电机，磁路应该是适当饱和的，因此线性分析的定量精度是不够的。2 0 世纪8 0 年代初，趋于成熟的二维非线性有限元法，有力地支持了s r 电动机内部饱和 磁场的分析及电磁转矩的准确计算。杨玉岗等盯“设计的s r 电机有限元辅助设 计软件考虑了s r 电机的磁路饱和、非线性及磁场疏密分布的情况，适用于任 意相数、转予极形状相绕组电流值及转子位置角的s r 电机磁场的二维有限元 分析，由此可求得电机的参数和性能，并实现电机的优化设计。吴建华n 7 1 丌 发了s r 电机综合设计软件s r d c a d ，利用该软件，设计者不仅可以完成s r 电机的工程设计，还可以对已有的电机进行性能核算和仿真，此外还能对铁耗、 转矩波动和控制策略等问题进行专题研究。 神经网络对信息的处理具有自组织、自学习的特点，在许多方面更接近人 对信息的处理方法，具有模拟人的形象思维的能力。因此，c e l m a s 等”基于 人工神经网络建立了s r d 系统的非线性模型；n j n a g e l 等“4 建立了考虑磁路 饱和状态的s r 电机模型；j a m e s 等哺5 1 建立了互相耦合的s r 电机的磁路模型； y i f a nt a n g 等1 通过对边界元的分析和仿真设计优化s r 电机模型。e s o a r e s 等t 6 7 1 建立了s r 电机的动态仿真模型；孙丹等”9 1 建立了适于控制策略的s r 电机的非线性电感模型，在此基础上构建s r d 非线性系统：全力 建立了s r 电机的非线性分析模型；郑洪涛等”基于模糊神经网络建立了s r 电机的非线 性模型。 1 5 控制系统设计方面的发展 控制系统设计的问题是努力实现s r d 系统的参数最优化、结构最优化、功 能最优化。 第章绪论 s r 电机控制参数多，参数的优化控制是提高其性能的关键。j o n g - v u ns e o 等盯8 1 以一定电流约束下输出转矩最大，效率最高为优化目标，基于单片机控 制，采用自调整开关角的方法，找出丌关角的控制规律。实用中，为简化控制， 可把口。控制在最优范围内，调节开通角气达到调速目的。其局限性是未能将 起始开通角眈。对最优关断角吼# 的影响以公式的形式揭示出来，获得的只是臼。 的优化范围，并非臼。的优化控制规律。徐圈卿等t 7 9 1 t 8 0 i 呻”分别基于丌关磁阻 电机的线性和非线性模型，从s r 电机内部电磁特性出发，以转速为参量，对 线性和非线性特性进行了数值仿真计算，综合多台电机的数值仿真结果，分别 提出了基于线性和非线性特性的s r 电机普遍适用的最优丌关角控制规律，由 此可将s r 电机的控制中，s r d 的控制变量减少一个。 o r t h m a n n 等略2 1 基于s r 电机线性模型，通过确定最优关断比率值，导出 c c c 方式和a p c 方式下以输出转矩最大为优化目标的关断角最佳控制算法。 在常规的电压p w m 控制策略中，对应某一宽广的速域，起始丌通角曰。是固定 不调节的，仅通过调节占空比调节转矩，其局限性是显然的。因为在某一速度 下运行的s r 电机，产生相同的转矩，秽。，和占空比可以有多种不同的组合，因 而对应不同大小的电流有效值，所以臼。，固定，调节占空比的方法无法做到整个 运行速域内损耗最小、效率最优。针对这一问题，k j a e r 等聆”提出电压p i v i 方式下效率最优控制策略：电机运行速度对给定速度的跟踪仍通过占空比调节 实现；当系统稳态运行后，则通过不断地微调，使系统损耗最小。 由于s r d 具有显著非线性特性及变结构、变参数特点，近年来，国内外发 表了一些基于现代控制理论和智能控制技术建立s r d 动态模型和系统设计的 文献。由于人工神经网在数学本质上属于非线性动态系统，具有很强的自学习、 自适应能力，所以人工神经网络理论在s r d 中的应用大有可为。c e i _ ra s 等m 3 基于b p 算法建立了s r d 三层前传人工神经网络模型，网络的输入为磁链y 和 转子位罱口，输出为i ，训练集通过实测电机的磁化特性获得。应用人工神经网 建模的优点是降低了数学上的复杂性，而且训练好的网络运行速度快，缺点是 训练耗时太多，且建模精度和能否成功依赖于训练集取得是否恰当。s o a r s 等哺7 1 开关磁呲l u 动机振动分析段拄制研究 基于m a t l a b 的s i m u l i n k 环境建立了s r 电机的动态仿真模型，模型以实测的磁 化特性和电机的电路方程、机电联系方程为条件。该模型能动态地显示电机运 行时的参数波形，在此模型的基础上，可以施加控制策略。但该模型采用了两 个二维数据表，对对象的数据量要求大。陈新等”蚰基于非线性电感模型建立 的s r d 动态仿真模型可减少数据量，同时考虑了电磁饱和的影响，仿真结果反 映了s r 电机的实际工作状况。孙月等的非线性电感模型适用于控制策略的 研究。 模糊控制器是一一种语苦控制器，采用模糊集理论，无需被控对象的精确数 学模型，即能实现良好的控制；它是一种采用比例因子进行参数设定的控制器， 有利于自适应控制；模糊控制器本质上是一种非线性控制，具有较强的鲁棒性， 当对象参数变化时有较强的适应性t 8 5 1f 8 6 1 模糊控制器的这些特点，从原理上 保正了在非线性、变结构s r d 中引入模糊控制能够改善其调速性能，近年来， 应用模糊控制理论设计控制s r d 已受到重视h 9 “”1 。1 9 3 3 。但模糊控制与常规控 制一样，其动、静念特性之间存在一定的矛盾，采用固定的参数难以获得满意 的性能，为此，王宏华等讳引入比例因子自调整模糊控制器来保证s r d 系统 快速响应。且超调小，即比例因子的选择可以根据速度偏差和速度偏差微分的 变化在线调整，通过实验表明，s r 电机比例因子自调整模糊控制系统具有较强 的鲁棒性和良好的动态特性。 瞬时转矩脉动、振动、噪声是s r d 较突出的问题，也是研究的难点。有 学者提出在换相期间控制切换相的转矩以恒定速率变化的方法束削弱转矩脉 动。转矩的分布由相电流决定，因此关键是控制相电流使其按输出转矩脉动最 小分布。但困难在于s r 电机数学模型难以精确解析，而且s r d 的结构及其动 态特性在运行中常逐步改变或突变并且难以预知因此常规控制方法( 如固 定参数的p 1 d 调节) 根本不可能控制相电流按理想分布变化，只有引入自适应、 自学习控制技术及智能控制技术，才能使系统根据运行条件的改变，自动地调 整调节器的结构、参数，以保证系统持续处于输出转矩脉动最小状态。 1 6 无位置传感器方面的发展 s r d 是位置闭环系统，实际应用中，一般采用轴位置传感器或其它类型的 第一章绪论 探测式位置监测器来获得位置信息，这不仅提高了系统成本和复杂程度，而且 削弱了s r 电机结构简单的优势，降低了系统高速运行的可靠性，尤其是影响 了s r 电机在环境恶劣场合的应用。因此，探索实用无位置传感器检测转子位 置方案是提高s r d 性能的途径之一。| 司时，这也是一个很有潜力的研究方向。 目前，国内外有一批学者致力于此方向的研究，提出了多种无位置检测方案， 这些方案大致可分为两类1 0 4 1 l 有效电流定位法：不需人为产生的电压电流信息，直接以电机运行时的电流 电压信息为基础，根据电机的实际模型或特性曲线得到位置信息。主要有磁 链法5 “1 0 8 1 、感应电势法1 0 3 1 基于模型的观测器法 0 5 1 o 2 脉冲注入定位法：利用空闲相，人为地注入低幅高频的模拟测试信号，产生 需要的电流等信息，以得到位置信息，如电流波形监视法、信号调制编 码法1 0 2 1 加测试线圈法“13 3 1 电容式位置检测法1 1 1 2 神经网络和模糊 逻辑技术9 8 ”1 0 4 川1 2 1 7 “1 2 0 1 1 3 0 1 0 理论上，有效电流定位法是没有速度限制的，但由于需要比较准确的电机 实际模型或某些特性曲线，算法比较复杂，所需的计算时间长，而为了获得准 确可靠的转子位置，对位置检测的实时性要求很高，算法的适用速度就受到了 复杂程度和c p u 的限制，因此实用中有速度的限制。脉冲注入法的算法相对简 单，但基于高频脉冲的输入使其有着内在固有的速度限制，而且测试电流可能 带来负转据，其对整个系统的出力和效率有不利的影响。可见，目前的无位置 传感器方法有一个共同的缺点，就是算法的准确应用是在一定的速度限制条件 下，目前主要应用于中低速领域，但位置传感器对系统结构孥固性、运行可靠 性的影响主要是在高速领域，因此要实现的应是s r 电机高速运行下的间接位 置检测。 1 7s r 电动机的控制方式 由于s r 电机控制参数多，所以控制器的控制方式也有多种，并不是仅仅 依靠控制开关管的开通、关断顺序来进行控制。目前，开关磁阻电机转速的控 制方式主要有低速运行斩波控制和高速运行角度位置控制方式i l l 。 ( 1 ) 角度位置控制( a p c 方式) 开关磁阻【乜动机振动分析及控制研究 河海j 、：博 论文2 0 0 4 年l0 门 s r 电机在基速以上至第二临界转速的高速区域运行时，常采用角度位置控 制( a p c ) 方式，即电路电压保持不变，通过改变开通角和关断角两个控制参 数来调节电机转速。采用a p c 方式运行，如果开通角占。小，则相电流上升过 程中峰值很大，要求功率变换电路采用大功率的s c r 晶体管，这种晶体管的导 通和关断电路复杂，同时对电流的有效值敏感。 s r m 在低于基速( 即s r 电动机能得到最大电磁功率的最低角速度) 以 下运行时，为了避免过大的电流和磁链峰值，取得恒转矩机械特性，常采用斩 波控制。低速运行的斩波控制分为电流斩波控制和电压斩波控制两种方式。 ( 2 ) 电流斩波控制( c c c 方式) 电流斩波控制方式是用电流的限值来控制u 。加在导通相上的有效时间来限 制最大磁链妒和最大电流i 。的幅值，这种控制方式下的相电流波形近似为“理 想平顶波”。 ( 3 ) 电压p w m 控制 电压p w m 控制是用速度设定值和实际速度之差调制u 。加在导通相上的有 效时间宽度来改变外施电压的有效值，进而改变转矩。电压p w m 控制可以降 低相电流的峰值，这对功率变换电路采用g t r 或i g b t 等对电流峰值敏感的开 关元件有利，但同时也降低了相电流的有效值，使得平均转矩降低。但s r 电 机电压p w m 控制的实现容易，可以利用线性p w m 集成电路s g 3 5 2 4 或t l 4 9 4 实现，因此s r 电机电压p w m 控制的应用受到了重视。根据主开关器件的通断， 电压p w m 控制又分为能量回馈式电压斩波方式( e r v c ) 和非能量回馈式电压 斩波方式( n e r v c ) 。 图1 2 画出了s r 电机一相绕组( a 相) 的 电路图。在这种拓扑结构中，每相有两个主开 关器件s l 、s 2 。在能量回馈斩波控制方式中， u s 主开关器件s 1 、s 2 同时通断。例如，当某一时 刻要求a 相导通励磁，我们同时闭合主开关器 件s 1 、s 2 ，相电流依次流经s l 、a 相绕组、 圈1 2a 相电路图 s 2 ，使a 相导通励磁。在续流阶段，s 1 、s 2 同时关断，相绕组电流不能突变， 第章绪论 在绕组两端感应出电压，绕组电流在一u 。作用下经续流二极管d l 、d 2 和外电 源续流，磁链迅速衰减，绕组所贮磁能部分地回馈给电流。考虑到在续流时， 绕组的一部分能量返回电源的特点，此斩波方式称为能量回馈斩波方式。而在 非能量回馈式斩波中，在续流阶段，只关断一个主丌关器件，而另一个主开关 器件保持开通。例如s 1 关断，s 2 保持导通，这时相绕组的外施电压近似为零， 绕组电流经二极管d 1 和主丌关s 2 续流，磁链缓慢衰减，无能量返还电源。因 此，相对于能量回馈式斩波，称这种续流方式下的斩波为非能量回馈式斩波。 1 8 现有9 r 电机振动和噪声的研究 定子的振动和噪声是s r d 突出的问题和研究难点。c a m e r o n d e 等基于 频域的研究表明：s r