（电机与电器专业论文）轨道电车双开关磁阻电动机独立轮对驱动系统.pdf

a b s t r a c t d u et ot h es i m p l ec o n s t r u c t i o n ，l o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c yi nt h eb o a r dr a n g e o fs p e e d ，s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v e ( s r d ) h a sb e c a m et h ep o w e r f u lc o m p e t i t o r a g a i n s tt h et r a d i t i o n a la ca n dd cm o t o rd r i v es y s t e m s i nt h et u n n e lt r a n s p o r t a t i o nb yr a i l r o a dc a rs y s t e m ，t h ed r i v es y s t e ma l w a y su s e t w om o t o rt od r i v ear a i l r o a dc a ra tt h es a m et i m e ，f o rt h es a k eo fm i n i m i z i n gt h e t r a n s i t i o np e r i o d ，t h ee n e r g yd i s s i p a t i o ni nt h et r a n s i t i o np e r i o da n dt h er o t a r yi n e r t i a o ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n t i nt h ed o u b l em o t o rw i t ht h es a m es h a f td r i v es y s t e m ，d u et ot h ea t t r i t i o ni ns h a f t a n dg e a rb a c k l a s h ，t h ed r i v i n ge x t a n t ，d r i v i n ga c c u r a t ea n ds y n cp e r f o r m a n c ea r en o t g o o d ，i no r d e rt oi m p r o v et h i ss i t u a t i o n ，t h i sp a p e rb r i n gu pa n e wk i n do fd r i v i n gt y p e w h i c hi sd o u b l es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v i n gs y s t e mb a s e do ni n d e p e n d e n t l y r o t a t i n gw h e e l i ne s s e n c e ，t h i sd r i v i n gt y p ei n c l u d e sac o u p l eo fs i n g l em o t o r - s i n g l e w h e e ld r i v es y s t e m s ，i nt h es a m et i m et h e s et w od r i v es y s t e m sd on o th a v ea n y m e c h a n i c a lr e l a t i o n s h i p c o n s e q u e n t l y , w h e nm o v i n go nas t r a i g h tr a i l ，t h i sd r i v i n g s y s t e mr e q u i r et h et w om o t o r sw o r k i n ga tas a m es p e e dt oa v o i dt h ec r o s s e ds l i d i n g m o v e m e n t , m e a n w h i l e ，w h e nm o v i n go nac u r v e ，t h ed r i v i n gs y s t e ml e tt h et w o m o t o r sw o r ka td i f f e r e n ts p e e d s ，i no r d e rt om a k et h ei n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e l s w o r k i n ga td i f f e r e n t i a ls p e e ds i t u a t i o n t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h ee s t a b l i s h m e n to fs r ms i m u l a t i o ns t a g e o nt h eb a s i s o fs t u d yo ns r m sb a s i ct h e o r i e sa n dn o n l i n e a rm o d e l ，t h es i m u l a t i o no f4 - p h a s e ( 8 6 p o l e s ) s r di sf i n i s h e di nt h ee n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n k ，f o r t h ep u r p o s e o ff a r t h e rs t u d yo nc o n t r o ls t r a t e g i e s i nt h es t r a i g h tm o v e m e n ts i t u a t i o n ，a f t e ra n a l y z i n gt h em a s t e rr e f e r e n c ec o n t r o l a n dm a s t e rs l a v ec o n t r o l ，t h i sp a p e rb r i n g su pa ni m p r o v e dm a s t e rs l a v ec o n t r o l s t r a t e g y , w h i c hc a nh e l pt h ec e n t r a lc o n t r o l l e rf i n do u tw h i c h m o t o rw a sd i s t u r b e da n d a l s oc o n f i r mt h em a s t e r - s l a v er e l a t i o n s h i po ft h et w om o t o r , b yd o i n gt h i st h ec o u p l e o fs i n g l em o t o r - s i n g l ew h e e ld r i v es y s t e m sc a nw o r ko nt h es a m es t a t u s i nt h ec u r v e m o v e m e n ts i t u a t i o n ，a f t e rc o m p a r i n gt h ef o u r - w h e e ld i f f e r e n t i ao fe l e c t r i c a lv e h i c l e a n di n d e p e n d e n t l yr o t a t i n gw h e e lc o n s t r u c t i o no fr a i l r o a de a r , t h i sp a p e rb r i n g su pa t u r n i n gd i f f e r e n t i as c h e m ew h i c hi sb a s e do nf u z z y c o n t r o l l e r b yf u z z yd e t e r m i n ew h e t h e rt h em o t o r s s p e e dc h a n g ew e r ed u et o t h e d i s t u r b a n c eo fc u r v em o v e m e n t ，t h ec e n t r a lc o n t r o l l e rr e c e i v et h es i g n a lf r o mt h e f u z z yc o n t r o l l e ra n ds e n do u tn e ws p e e dr e f e r e n c et ot h et w om o t o r b yv e i l f y i n gi n t h ee n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n k ，i nt h ei d e a lc o n d i t i o n s ，t h ei m p r o v e dm a s t e r s l a v ec o n t r o la n dt h et u r n i n gd i f f e r e n t i as c h e m ec a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s w i s h e dr e l u c t a n c em o t o r ；d o u b l em o t o rs y n cc o n t r o l ；f u z z y c o n t r o l ；t u r n i n gd i f f e r e n t i a l ；i n d e p e n d t l yr o t a t i n gw h e e l 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，也不包含为获得鑫聋叁茔：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7 明确的说明并表示了谢意。 学位论支作者签名弛呱芋字魄却年歹月圬自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂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) 学位诌文作者签名：煅 导师签名： 签字日期：司年岁月巧日 1 亟瑟专 签字日期：叩午踊节日 天津大学硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 开关磁阻电机驱动系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v e ，简写s r d ) ，是 八十年代中期发展起来的新型调速系统。它将开关磁阻电动机与现代电力电子技 术、控制技术融为一体，兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的 优点，成为当代电气传动的热门课题。开关磁阻电机由于结构简单、高效率、大 转矩的特点，在矿业轨道运输轨道电车系统中得到了大量的应用。本文将就矿业 轨道电车双开关磁阻电机的独立轮对驱动系统进行双机同步，转弯差速等方面的 研究探讨。 1 1 开关磁阻电机研究现状和应用前景 1 8 8 4 年，世界第一台直流电动机问世。并于十九世纪九十年代占据调速传 动领域的主导地位，直至二十世纪六十年代，直流调速以其易于解耦且具有优良 的调速性能而占据主导地位【1 1 。而后随着电力电子技术和控制技术的飞速发展， 变频技术日益完善，异步电动机具有优良的经济性及易向高压、大容量发展的固 有优势。因此二十世纪七十年代以来，交流调速逐渐取代直流调速而占据调速领 域的主导地位。但它也存在系统复杂、价格昂贵、力能指标有待进一步提高等问 题。二十世纪六十年代，先进的半导体技术的应用和高性能电子计算机的问世为 开关磁阻电动机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简写s r m ) 的研究和发展奠定了 重要的基础。 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。研究结果表明：s r m 可在单向电流下四象限运行，功率变换器所需的开关数少，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 t i n s 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。1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授发表 了著名的论文“变速开关磁阻电动机”。该论文系统阐述了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，被公认为s r m 研究的奠基之作。1 9 8 3 年，英国t a s cd r i v e s 公司将世界上的第一台7 5 k ws r m 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。其后，这一新型的调速系统引起了各国电 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 气传动界的广泛重视。 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，1 9 9 2 年 初成立了中国电工技术学会中小型电机专业委员会下设的开关磁阻电机学组，以 推动开关磁阻电机研究工作的进一步发展。现在，国内对开关磁阻电机接受和感 兴趣的程度逐年上升，形成理论研究与实际应用并重的发展态势。 在s r d 发展初期，各国学者将s r d 与其它各类调速系统，特别是己经得到 推广应用的异步机变频调速系统及成本、性能、应用领域诸方面作了大量的比较 分析，结论一致为：s r d 主要性能指标可与变频调速竞争。经过2 0 余年的努力， 目前s r d 应用领域己从最初侧重于牵引运输发展到广泛应用于纺织，造纸，交 通，煤矿，航空，机械等领域的造纸机，浆纱机，风机，水泵，家用电器和机器 人等负载上。目前，s r d 的开发范围：转矩为0 0 1 1 0 6 n m ，功率1 0 w - 5 m w ， 转速最高己达到1 0 0 0 0 0r m i n ，规格已从多相发展到单相、两相，电机形式亦从 旋转型发展为直线型。 作为近年来迅速崛起的一项新技术，它融合了电机学、微电子、电力电子、 控制理论等众多学科领域的知识。由于其发展时间尚短，无论在理论上还是应用 上都需要进一步的研究和完善。目前对s r d 的研究主要集中在以下几个方面【2 j ： ( 1 ) 电机参数的确定，主要是磁链曲线的测量和计算； ( 2 ) 系统性能的精确估算，包括整个系统稳态和动态性能的数字仿真； ( 3 ) s r d 的优化设计，包括从电机本体设计和控制器设计两方面来提高系 统效率，降低转矩脉动和噪声； ( 4 ) 对铁心损耗的理论研究，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 ) 无位置传感器的实时位置检测技术。 s r m 也着重应用在电动车方面，在世界汽车工业发达国家已掀起了一股研 制开发电动车的热潮，美国、日本和英国等己研制出一些性能优良的电动车。我 国在“八五”计划中也把电动车列为开发项目。电动车主要包括车体、蓄电池和 驱动系统三大部分，对驱动系统的要求是：结构简单、效率高、运行可靠、调速 性能良好和具有四象限运行特性。s r d 与一般交流、直流电机调速驱动系统相 比，具有明显的优点，可以满足电动车驱动系统的要求。例如：s l i dl t d 公司研 制的3 0 k w 开关磁阻电机驱动的市内有轨电车。 1 2 多电机同步控制的研究现状 在一些需要多电机同步工作的传动系统( 如起重门机系统) 中，需要2 台甚 天津大学硕士学位论文第一章绪论 至多台电机工作在同步转速或者转速成比例的运动状态，以满足传动系统的需 求。 在本文研究的矿业轨道电车双开关磁阻电机独立轮对的驱动系统中，两台开 关磁阻电机以类似电动汽车轮毂电机的形式安装于电车两侧。这种半轴的驱动结 构要求在直线运动时两台电机保持同步运行状态。 保持多电机的同步运转通常有两种途径【3 】：一种是机械传动方式；另一种是 电方式。采用机械传动方式时，各个运动单元机械传动轴耦合在起，任一单元 运动状态的变化都会通过机械扭矩的作用影响到其它单元的运行，这使得系统具 有固有的同步特性，但传动的范围和距离不可能很大。而且由于存在着齿轮的齿 隙、轴的磨损等，传动精度和同步性能不佳。机械同步控制方式是最早形成的一 种同步控制方式，控制策略相对其它控制方式而言较为简单。在范围较小，系统 功率不大的情况下能很好地满足同步控制的要求。 电方式的多电机的协调传动控制使用范围基本上不受限制，使用方式十分灵 活。因而，研究基于电方式的同步控制，有着更为重大的意义。基于电方式的同 步控制，又可分为主令同步、主从同步方式、交叉耦合同步等方式【4 】。 主令参考同步控制【5 】，在这种控制方式下，系统的输入信号( 主令参考信号) 直接作用到每个单元的电动机上，因此每个单元获得一致的输入信号。各单元的 输入信号不受除了参考信号以外的任何其它因素的影响，所以任一单元的扰动不 会影响任何其它单元的工作状态。如果仅仅是主令参考信号的波动，此时各单元 的同步主要靠各单元对主令信号的一致跟随；但当某一单元发生扰动时，系统的 同步就得不到保证。 主从同步控制【5 】，在这种控制方式下，设定一台电动机为主电动机，另一台 电动机为从属电动机。主电动机接收给定的速度输入信号，而从属电动机共享主 电动机的输出信号作为输入信号。在这种控制方式中，当主电动机的负载受到扰 动时，会影响其它所有从属电动机，从而达到同步运行；但是当任何一台从属电 动机负载受到扰动时，其它所有电动机不会受到任何影响。 k o r e n 针对机床中精密、高速的多轴加工作业，在运动平台上率先提出了交 叉耦合式控制( c r o s s c o u p l e dc o n t r 0 1 ) 思想【6 】，这是一种将同步误差进行反馈， 对受扰动电机和正常运行电机从两个方向进行补偿，从而达到对扰动失稳状态的 快速抑制效果的方法，是符合我们通常最基本的控制规律的。相对于主令同步方 式和主从同步方式，它能达到更加优越的同步性能。交叉耦合控制方法可以有效 提高多电机伺服系统同步运动性能，在高精度数控机床的多轴协调运动中，得到 了广泛的应用。针对特定的系统，如何设计合适的交叉耦合控制器，是提高同步 性能的关键所在，许多学者对此进行了进一步的研究。由于这种控制方式更多应 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 用于纺织等多电机多轴工业，故仅作介绍。 1 3 矿业轨道电车双开关磁阻电机控制系统的运行特点和要求 煤矿行业因其连续的生产方式及井下电源容量、冷却、防爆等条件限制，对 电气驱动系统具有很高的要求。而开关磁阻电机起动转矩大，起动电流小，可以 频繁重载起动；节能、维护简单方便，特别适用于煤矿输送机，电牵引采煤机及 中小型绞车。国外公司很早就将其用于采煤机、皮带机、刮板输送机及破碎机等 井下机械设备，例如，2 0 世纪9 0 年代英国已研制成功3 0 0 k w 的开关磁阻电机， 用于刮板输送机，效果很好。开关磁阻电机还应用于电机车运输，动力性强，调 速性能好，易控制，与直流电机驱动相比减少了变速机构【7 l 。 传统的矿业轨道电车根据开关磁阻电机的特点以及轨道机车轮对运行的工 况，大多采用一台电机做动力驱动装置，同轴驱动一组轮对，配以减速齿轮，转 向架。这种单电机驱动的结构具有技术成熟，结构稳定，便于维修等优点。随着 轨道机车独立车轮技术的成熟和电动汽车轮毂电机驱动的发展，越来越多的轨道 机车采用了独立轮对和多电机驱动，但也仅限于多电机同机械轴动力驱动。 在矿业轨道电车采煤运输中，经常采用两台电机同时驱动一台轨道运煤车。 如前文所述，两台电机同机械轴驱动轨道运煤车的技术已经有了应用，在这种驱 动系统中两台电机由机械轴耦合在一起，一台电机的运动状态的变化会通过机械 扭矩的作用影响到另一台电机的运行，这使得系统虽然具有固有的同步特性，但 传动的范围和距离不大，而且由于齿轮的齿隙、轴的磨损等原因会造成传动精度 和同步性能不佳。 为了更好的简化轨道电车驱动系统的结构，提高两台电动机的同步运行特 性，本文借鉴电动汽车的轮毂电机驱动技术，提出了类似于轮毂电机驱动方式的 双开关磁阻电机独立轮对驱动方式，并对机车直线运行时的抗扰动同步运行和曲 线转向时的电子差速系统进行了研究和探讨。 1 4 模糊算法的基本原理意义 模糊控制理论最早由美国加利福尼亚大学的扎德( z a d c hla ) 教授于1 9 6 5 年提出，他发表了两篇开创性的论文：模糊集( f u z z ys e t s ) 和模糊集与子系统 ( f u z z ys e t s a n ds y s t e m s ) ，阐述了了模糊集合论，并奠定了模糊集合理论和应用 研究的基础。 早期的控制系统中人是最重要的主体，人首先通过观测被控对象的输出，然 天津大学硕士学位论文第一章绪论 后再根据所得到的观测结果做出决策，最后对被控对象进行手动调型引。操作人 员不断进行观测一决策一调整，来实现对被控对象的控制，而这三步分别是由人 的眼一脑一手来完成的。随着科技的进步，各种测量装置( 如测量仪表、传感器 等) 开始取代人眼的功能，各种控制器( 如p i d 控制器) 开始取代人脑的功能， 各种执行机构则取代了人手，这样常规的反馈控制系统应运而生。这种经典的控 制理论对解决线性定常系统是比较有效的，控制理论继续发展出现了基于状态空 间的现代控制理论，它在解决线性或非线性、定常或非定常问题上得到了广泛的 应用。不论经典控制理论还是现代控制理论的应用前提都是基于被控对象的精确 数学模型的，通过该数学模型才能进行控制系统的设计。而在许多情况下被控对 象的数学模型很难建立，这时，利用前述的方法就很难实现理想的控制。对于有 经验的操作人员来说这种被控对象进行手动控制却能达到较好的效果。这样，一 些学者就把模糊集的思想引入系统控制，提出了模糊控制的概念，并开展了理论 及应用方面的研究。 近几十年来，人们越来越重视模糊控制在控制领域的应用。1 9 7 1 年，英国 的m a m d a n ieh 首先在控制蒸汽发动机的系统中应用了模糊控制语言组成的模 糊控制器；1 9 7 7 年，英国的p a p p i s 等采用模糊控制，对十字路1 2 1 的交通管理进 行试验，使得平均等待时间减少7 。1 9 8 3 年，日本学者s h u t am u r a k a m i 研制成 功一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，成功地用于汽车速度的自动控制。 近十五年来，国内在工业过程控制中，尤其是在工业炉、窑的控制中应用模糊控 制取得了不少成果。河北省科学院自动化研究所的安建民等设计的可锻铸铁退火 炉温度模糊自寻优控制系统于1 9 8 5 年1 2 月通过鉴定。从以上介绍的部分有代表 性的研究情况来看，模糊控制的理论研究和推广应用工作在我国不仅有了良好的 开端，而且逐步成为引人瞩目的一个热点技术，具有广阔的应用前景。 1 5 本文要做的工作 开关磁阻电机由于在结构、能效等方面的优良性能有着巨大的发展潜力，而 它的非线性和变参数的特点决定了它在驱动系统调速控制中的难度要大于直流 机。在矿业轨道运输车的应用中，越来越多的驱动系统采用了s r m 。针对轨道 运煤电车的驱动系统，机械纵轴同步运行方式技术成熟，但也有固有的传动精度 和同步性能不佳，能效较低等特点，为了提高控制精度和电机能效利用率，本文 提出了轨道电车双开关磁阻电机独立轮对驱动方式，主要进行了下述工作： ( 1 ) 在对s r m 的工作原理及其非线性数学模型进行充分研究的基础上，利 用优秀的仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 建立s r m 及其驱动系统的非线性动态仿 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 真模型，为进一步研究新型控制策略奠定基础。 ( 2 ) 比较了传统的多电机同步控制理论，分析了主令参考同步控制、主从 同步控制等控制方式的优缺点，提出了改进的主从同步控制方式，并且进行了仿 真研究。 ( 3 ) 比较了城市交通有轨电车和电动汽车的轮对机械结构，分析它们直线 和转向系统的运行特性，并提出了类似于轮毂电机驱动方式的轨道电车双开关磁 阻电机独立轮对驱动方式。 ( 4 ) 根据机车转向时的动力和几何学分析，设计了基于模糊算法的具有抗 扰动特性的机车转向识别方法，并与理论分析值进行比较。 天津大学硕士学位论文第二章开关磁阻电机的基本原理 第二章开关磁阻电机的基本原理 2 1 开关磁阻电机的结构、原理和特点 与反应式步进电动机相似，s r m 是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，有利于减小涡流损耗。转子上既无绕组也无永磁 体：定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为 “一相”。s r m 可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不周 的搭配。相数越多，步矩角越小，越有利于减小转矩脉动，但同时电机结构及控 制也会越复杂，成本也就越高。由于三相以下的s r m 没有自启动能力，所以目 前应用较多的是四相( 8 6 ) 结构及三相( 6 4 ) 结构。 图2 一l 给出了一台四相( 8 6 ) s 枷的结构原理图。为简单起见，图中只画 出a 相绕组及其供电电路 9 1 。 图2 1 四相开关磁阻电机结构原理图 结构上与步进电动机相似的s r m 的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”一磁 通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置 时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合，图2 1 中，当定子d d ，极励磁时，所 产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线1 1 与定子极轴线d d 重合的位置， 并使d 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，则依次给d a _ b c 相绕组通电，转子会逆着励磁顺序以逆时针方向连 天津大学硕士学位论文第二章开关磁阻电机的基本原理 续旋转；反之，若依次给b a d _ c 相通电，则电动机会沿顺时针方向转动。 可见s r m 的转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 。1 中可以看出，当主开关器件s l 、s 2 导通时，a 相绕组从直流电源 以吸收电能，而当s l 、s 2 关断时，绕组电流经续流二极管v d l 、v d 2 继续流通， 并回馈给电源阢。因此，$ r m 传动的共性特点就是具有再生作用，系统效率高。 s r m 的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势而产生的。适当的饱和有利 于提高s r d 的总体性能，因此，电动机磁路的饱和是s r m 的又一个重要特征。 由于电动机磁路非线性，通常s r m 的转矩应跟据磁共能计算，即 r ( o ，i ) ：a w f ( o , 0 ( 2 1 ) 口 式中秒为转子位置角，f 为绕组电流。在忽略磁路饱和及边缘效应并假定电感同 电流无关的简化条件下，转矩可表示为 r ( 只f ) ：三f ：丝：三产堕 ( 2 2 ) 2a 伊2d o 由此可知s r m 的转矩方向不受电流方向影响，仅取决于电感随转角的变化，图 2 2 为转子位置变化对相电感和相转矩的影响。若a l l d 0 0 ，相绕组有电流流过， 产生电动转矩；若a l l d 0 0 ，相绕组有电流流过，则产生制动转矩。 岛岛 岛q e 苕 图2 2 转子位置变化对相电感和相转矩的影响 ( a ) 相电感随转子位置变化；( b ) 相转矩随转子位置变化 综上所述：s r m 具有如下优点： ( i ) 电动机转子无绕组，成本低；电动机可高速旋转而不致变形；转子转 天津大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机的基本原理 动惯量小，易于加、减速。 ( 2 ) 定子线圈嵌装容易，端部短而牢固，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。 ( 3 ) 具有再生作用。 ( 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，即只要控制各相在不同电感区域内的瞬时电流，即 能四象限运行，无须辅助电力电子开关器件，故可减少s r m 功率变换器的开关 器件数，降低系统成本。 ( 5 ) 在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率。 ( 6 ) 起动转矩大，适用于危险环境，控制灵活。 2 2 开关磁阻电机驱动系统的结构原理和特点 开关磁阻电机驱动系统( s r d ) 主要由s r m 、功率变换器、控制器、位置 检测器四大部分组成，如图2 3 所示。 ， 图2 - 3 开关磁阻电机驱动系统基本构成 s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，也是s r d 有别于其他电动机驱 动系统的主要标志，其工作原理已经在2 1 节中阐述。 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 直流电供电。由于s r m 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅简单， 而且具有普通交流及无刷电流驱动系统所没有的优点，即相绕组与主开关器件是 串联的，因而可预防断路故障。s r m 的功率变换器主电路的结构形式与供电电 压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。本文将在第三章介绍广泛使用的功 率变换器结构和本文采用的变换器结构。 控制器是系统的中枢。它综合处理速度指令、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开关器件的工作状态，实现对s r m 运行状态的控制。例如图2 1 所示四相开关磁阻电动机，当采用图3 - 2 所示的功 天津大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机的基本原理 率变换器主电路时，若控制器发出一系列控制信号，使电动机各相主开关器件按 图2 4 所示规律循序导通，电动机则连续按逆时针旋转，并输出机械能；若输出 相反顺序的触发信号，则电动机将反转。显然，图2 - 4 中各相起始导通角氏和 关断角e o 厅均可控制，藉此控制输出转矩的大小及方向。 d b c 口口， 图2 - 4 主开关触发逻辑信号 由于不同转子位置的相绕组电感及a l o o 是不同的，所以控制相绕组通电时 刻即可改变电流的大小及波形，由此将产生不同的电磁转矩、转速、转向及运行 状态。因此，为了以最有效的方式产生所需的转矩，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。 2 3 开关磁阻电机的调速方式 s r m 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进行控制， 使电动机达到规定的运行工况( 如规定的速度、转矩等) ，并使其保持较高的性 能指标( 如效率、温升等) 。控制方式是研究s r m 调速系统的一个非常重要的问 题，影响s r m 运行特性的主要因素是其相电流波形、峰值及其出现的位置。下 面对各种控制方式及其特点进行介绍： 2 3 1 电流斩波控制 电机低速运转时，由于相电流周期长，因此磁链及电流峰值较大，必须采取 限流措施。保持开通角氏和关断角不变，在口= 氏时，功率开关器件导通， 绕组电流从零开始上升；当电流达到斩波电流上限时，关断功率开关，绕组承受 反向电压，电流下降；电流降至斩波电流下限时，重新导通开关器件，绕组电流 开始上升。在整个导通角期间，上述过程不断反复，就会形成斩波电流波形，直 天津大学硕士学位论文第二章开关磁阻电机的基本原理 至汐= 时关断该相，电流衰减直至零。低速工作特别是起动运行时，多采用斩 波控制，以限制电流峰值。电流斩波控制适用于低速和制动运行，可起到有效的 保护和调节作用；适用于转矩调节系统，如恒转矩系统；用在调速系统时，抗负 载扰动的动态响应比较缓慢【1 0 】。 2 3 2 电压p w m 斩波控制 在导通区间内，使功率开关按p w m 方式工作，其脉冲周期t 固定，占空比 d 可调。改变占空比，则绕组电压的平均值盯变化，绕组电流也相应变化，从而 实现对转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制。与电流斩波控制方式类似，提 高脉冲频率厂= 1 r ，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也增大，元件寿命会缩短。电压斩波控制是通过p w m 方式 调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流，适合于转速调节系统， 抗负载扰动的动态响应快。由于电压斩波控制容易实现，既适合于高速运行，又 适合于低速运行，且成本较低，因此其应用受到了重视。 2 3 3 角度控制 开通角气和关断角是开关磁阻电机的重要控制参数，通过改变气和e o 厅 可有效调节电机的转矩、转速及转向。保持电压不变，在不同的氐和绯控制下， 可获得不同波形和幅值的相电流，达到电机调控的目的。影响电机的出力。 过小，相电流过早截止，电机出力小；过大，续流电流产生的制动转矩大。氏 主要影响相电流的幅值，氏过小，电源供电时间加长，相电流幅值增大，容易 过电流，且电流脉动较大，电机噪声增加，系统稳定性变差；艮过大，则在进 入电感有效工作区域前相电流未能迅速建立，相电流幅值小，影响电机出力。角 度控制适用于高速区。转矩调节范围较大；当电机负载变化时，可自动增加或减 少同时导通的相数；通过角度优化，可使电机在不同负载下保持较高的效率。 图2 - 5 为开关磁阻电动机典型运行特性，由图中可以看出s r m 能得到最大转矩 的最高角速度为魄，这一临界角速度称为“基速 ，显然，基速魄亦即s r m 能 得到最大电磁功率的最低角速度。而前面所叙述的电流斩波控制( c c c ) 和角度 位置控制( a p c ) 的切换就是根据实际速度与基速的关系来确定。即，当电机的 实际速度低于基速魄时，采用电流斩波控制，当电机的实际速度高于基速魄时， 采用角度位置控制。图中，为最大功率下的最高转速，称为第二临界转速； t = = 竺为转子极距。 烈， 天津大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机的基本原理 0 图2 5 开关磁阻电动机典型运行特性 1 2 天津大学硕士学位论文第三章开关磁阻电机单机非线性仿真 第三章开关磁阻电机单机非线性仿真 3 1 开关磁阻电机基本方程 s r m 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，亦可 视为一对电端口和一对机械端口的二端口装置。因此描述开关磁阻电机系统的动 态微分方程同其他电机一样，由电路方程、机械方程和机电联系方程这三部分组 成。 3 1 1 开关磁阻电机的基本电路和方程 由电路基本定律列写包括各相回路在内电气主回路的电压平衡方程式，电动 机的每一相需要一个方程式。图3 1 表示了开关磁阻电动机的一相等效电路。图 中厶( p ，& ) 为动态电感，厶( 口，t ) = a 饨；e 为运动电动势。 图3 - 1s r m 一相等效电路 由图3 - 1 可得出电动机第k 相电压平衡方程式为 u t = r a + d y k 汹 ( 3 1 ) 式中阢加于第k 相绕组的电压，单位v ； 风七相绕组的电阻，单位q ； 丘j i 相绕组的电阻，单位a ； 阢七相绕组的磁链，单位w b ； 一般说来，为绕组电流和转子位移角最的函数，即 = ( ，皖) ( 3 - 2 ) 电机的磁链可用电感和电流的乘积表示，即 天津大学硕士学位论文 第三章开关磁阻电机单机非线性仿真 = 厶( 最，) ( 3 3 ) 每相电感厶是相电流和转子位置角最的函数。电感之所以与电流有关是因 为s r m 此路非线性特性的缘故，而电感随转子角位置变化正是s r m 的特点， 是产生电磁转矩的先决条件。 将式( 3 2 ) 、( 3 - 3 ) 代入式( 3 一1 ) ，得 + 等詈- 酱詈 嘶也+ 警+ 斋警 c 3 4 ， 式3 4 表明，电源电压与电路中三部分电压降相平衡，其中等式右端第一项为第 七相回路中的电阻压降；第二项是由电流变化7 1 起磁链变化而感应的电动势，所 以称为变压器电动势；第三项是由转子位置改变引起绕组中磁链变化而感应的电 动势，所以称为运动电动势，它与电磁机械能量转换直接有关。 3 1 2 开关磁阻电机机械方程 按照力学定律可列出在电动机电磁转矩乏和负载转矩乏作用下的转子机械 运动方程 乏= ，警+ d i d 0 + 毛 ( 3 - 5 ) 式中，d 为摩擦系数，单位n m s r a d 。 3 1 3 开关磁阻电机机电联系方程 前面分析了开关磁阻电机的电路方程和机械方程，这两者是通过电磁转矩耦 合在一起的，故反映机电能量转换的转矩表达式即为机电联系方程。 在分析中大多忽略相绕组之间的互感，所以可从一相入手考察s r m 的电磁 转矩，每相在一工作周期内输出的总机械能为哌= 4 t d 虮，。则在任意运行点处 的瞬时转矩可根据虚位移原理求出，即 瓦= 芬k = 一等i 帆；一 ( 3 - 6 ) 式中，形= d i = r 厶( 最，k 出，为绕组的磁共能，a 墩即为耦合磁场在转 子位移增量伊内的磁共能增量；= r ( 炸，只) d y 为绕组的贮能。在磁路饱 和的状态下运行的s r m ，是一种非线性严重的机电装置，表示磁贮能磁和磁共 天津大学硕士学位论文 第三章开关磁阻电机单机非线性仿真 能哌。的积分很难解析计算，且磁贮能哌和磁共能不可能相等。 一般情况下由于电动机及其负载的转动惯量始终存在，决定电动机出力及其 动态特性的往往是平均转矩，因此，平均转矩的计算比瞬时转矩的计算更具有意 义。对式( 3 6 ) 在一个周期内积分取平均，且考虑m 相绕组的对称性，s r m 输 出平均转矩为 丁= 粤r t o ( o “绷d 护 f = 警rr 学d c d o 协7 ， 式中 善相电流的中间变量； m s i 珊相数； ，s 蹦转子齿数。 3 2 开关磁阻电机非线性电感、磁链模型及简化方法 3 1 节从理论上完整地描述了s r m 的电磁及力学关系。但是，由于s r m 电 路、磁路的非线性和开关性，使得对上述非线性方程的求解变得十分困难。 在实际研究中，通常需要根据具体运行状态和研究目的进行必要地简化，因 此可采用线性模型、准线性模型和非线性模型的求解方法。线性模型有利于对 s r m 进行定性分析，了解其运行的物理状况、内部物理量的基本特点及相互关 系；准线性模型具有一定的计算精度，多用于分析和设计功率变换器和制定控制 策略；非线性模型考虑的因素最全面，用于电机的性能计算和仿真，是电机理论 研究的必要手段。 由于s r m 的双凸极结构，在磁路饱和状态下非线性严重，因此要精确搭建 仿真模型必须准确地描述s r m 的相电感转子位置一相电流关系。具有饱和非 线性磁路的相电感可由傅立叶级数近似逼近【n 】。即 上 厶( 幺，) = l o + 厶( ) c o s ( r o k + 石) + l ( ) c o s ( ，l j i ，r 皖+ 彤r ) ( 3 - 8 ) p 2 ，3 ，： 由于相电感的谐波分量远小于基波分量，可在建立模型时忽略，则相电感近 似表达为 ( 幺，) = 厶( ) + 上1 ( ) c o s ( ，哦+ 万) ( 3 - 9 ) 天津大学硕士学位论文第三章开关磁阻电机单机非线性仿真 她) = 垡弩幽 讹) = 垡掣趔 ( 3 1 0 ) 式中，m 为转子的齿数；k i 。( 丘) 为定子凸极中心与转子凹槽中心重合时相绕组 电感值，在本文的仿真过程中k ( t ) 可认为保持不变。k ( ) 为s r m 定转子 凸极中心对齐时相绕组的相电感值。 k 和k 由试验得到其随相电流变化的数据，经过有限的试验次数可以建 立s r m 的非线性模型。本文通过文献【l2 j 的分析，得出了本文研究样机的k 。电 感值，并通过拟合得到随电流变化曲线。 在本文的仿真过程中用多项式极数来拟合出k 。与相电流的函数关系，即 4 k = ” h - - 0 ( 3 i i ) 此时在非线性电感模型下，将式( 3 9 ) 、( 3 一l o ) 、( 3 1 1 ) 代e k e ( 3 6 ) ，得出s r m 相绕组产生的电磁转矩为 瓦= 一孚【- - 。台4 鬲2 a 矿一k ) s i n ( ，最圳 ( 3 - 1 2 ) 3 3 开关磁阻电机功率变换器的选型 功率变换器是s r d 系统中非常重要的组成部分，合理设计功率变换器是提 高s l m 性能价格比的关键之一。然而，必须指出，作为一个典型的机电一体化 系统，电机、功率变换器、控制器三者之间的设计是紧密相关的，在设计中要考 虑s r m 的相数、定转子极数、定转子极弧尺寸、直径、匝数、功率变换器的主 电路、运行方式、控制变量、s r m 的绕组形式等。以寻求最佳的设计组合方案。 从功率变换器应与电动机结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成本低 等基本要求出发，一个理想的功率变换器主电路结构形式应同时具备如下条件： ( i ) 最少数量的主开关器件； ( 2 ) 既适用于偶数相s r m ，亦适用于奇数相的s r m ； ( 3 ) 可将全部电源电压加给电动机相绕组； ( 4 ) 主开关器件的电压额定值与电动机接近； ( 5 ) 具备迅速增加相绕组电流的能力： ( 6 ) 可通过主开关器件调制，有效地控制相电流； ( 7 ) 在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源。 天津大学硕士学位论文第三章开关磁阻电机单机非线性仿真 不同线路结构的功率变换器的主要区别在于绕组释放磁场能量的方法不同。 目前应用的有不对称半桥线路功率变换器结构【h 】、双绕组功率变换器结构、分裂 式直流电源功率