（电机与电器专业论文）中速开关磁阻电动机控制策略的研究.pdf

中速开关磁耻t 乜功机拄制案略研究 s t u d yo n t h ec o n t r o ls t r a t e g yf o r s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r d r i v ei nm i d s p e e d a b s t r a c t t h es 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 ( s r d ) i sas p e e d a d j u s t a b l em o t o rs y s t e m ，i nw h i c h ad o u b l e s a l i e n t p o l ere l u c t a n c em o t o r , p o w e rco n v e r t e ra n dac o n t r o lu n i ta r ei n t e g r a t e di na w h o l e w i t ht h ea d v a n t a g e so fs i m p l em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dh i g he f f i c i e n t ，s r dh a sa l r e a d y b e e nt h er e s e a r c hb o t s p o to f t h em o t o rd r i v e s lf a m i l y t h es t u d yb o t hi nt h e o r y 劬1 di np r a c t i c eo ns r dc o n t r o ls y s t e mi s w i d e l yc a r r i e do u ti n m i sd i s s e r t a t i o n t h el a t e s td e v e l o p m e n to ft h es a m er e s e a r c hf i e l db o t ha th o m ea n da ta b r o a d a r ew e l la n a l y z e da tt h eb e g i n n i n go ft h ed i s s e r t a t i o n m e a n w h i l e ，ad e s c r i p t i o no ft h eb a s i c p r i n c i p l e so fs r da n di t sc o n f i g u r a t i o n sa n df e a t u r e s 缸# p r e s e n t e d t h ec o n t r o lm o d e si n c l u d i n g c h o p p e dc u r r e n tc o n t r o la n da n g u l a r - p o s i t i o na r ea l s ow e l la n a l y z e d ，w h i c hm a k et h et h e o r e t i c a l b a s i so nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f m i d - s p e e dc o n t r o ls y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s e so f t h et o p o l o g ya n dp e r f o r m a n c eo fm a i nc i r c u i t s ，t h eo p t i m a ls c h e m eo fm a i nc i r c u i ti sd e s i g n e d b a s e do r lt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mu s i n gd s pt m s 3 2 0 c 2 4 0 ，g r ds y s t e mw i t ht h ep i dc o n t r o l s c h e m ei sc a r r i e do n t h ee m u l a t i o nm o d e l so ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mu s i n gm a t l a b 6 5a r e e s t a b l i s h e d w i t hw h i c hs e r i e so fe m u l a t i o nc a l c u l a t i o n si ss t u d i e d h lt h ee x p e r i m e n to f m i d - s p e e ds r d ，t h er e s u l t sa n da n a l y s e s a r eg i v e n ac o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e nt h e e m u l a t i o nw a v e sa n dt h e e x p e r i m e n t a lw a v e sv e r i f i e db a s i c a l l yt h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o l s t r a t e 譬v 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 rd r i v ei nm i d - s p e e d ，p i dc o n t r o l ，m a t l a b ，d s p 塑j ! 兰些叁兰丝：! 兰堡堕苎 第一章绪论 本章主要介绍开关磁阻电动机及其控制系统的发展历程，分析s r d 系统的特点和应用，总结已有的 开关磁阻电机控制方法及其意义，提出本文所做的研究工作。 卜1s r d 系统的研究历程 卜1 1 开关磁阻电机基本工作原理 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 ，简称为s r 电机或s r m ) 系统主要由s r 电机、功率 变换器、控制器和转于位置检测器四部分组成，是典型的机电一体化系统，基本框架如图1 1 所示。 图1 1s r d 系统结构原理 f i g 1 1 s c h e m eo f s r dc o n t r o ls y s t e m s r 电机的定、转子为双凸极结构，定子上有绕组，转子上无绕组 联，构成s r 电机的一相，本论文研究的s r 电机结构为四相( 8 6 极) 径向相对的一对极上的绕组串 其结构如图1 2 所示。 图1 2 四相( 8 6 极) 电机结构和定子绕组接线图 f i g 1 2 s t r u c t u r ea n dm a g n e t i cc i r c u i to f 4 。p h a s e ss r m ! 望丛叁蹩坠皇垫堑! 丝型茎堕竺丝 s r 电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁场总是要沿磁阻最小的路径闭合，困磁阻扭曲而 产生切向磁拉力。当定子的一相通以激励电流时，在定、转子气隙间产生磁拉力，距离该相定i 极最近 的一对转子极就被吸引而向着定子极中心线的方向转动。如果连续顺序地给备相定子绕组通电，就可以 产生持续恒定的电磁转矩，从而使转子以恒定的转速旋转。s r 电机的转矩具有磁阻性质和脉动性能， 在低速运行时，转矩和转速的脉动特性比较明显，四相( 8 6 极) s r 电机定子绕组接线如图12 所示。 卜1 2 国外研究概况 开关磁阻电动机基本结构和原理的提出可追溯到1 9 世纪4 0 年代，当时的电机研究人员已认识到利 用顺序磁拉力使电机旋转是简单易行的。对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 em o t o r d r i v e r ，简称s r d ) 的研究始于二十世纪七十年代，随着数字控制技术和电力电子技术的发展，s r d 系 统在二十世纪末有了较大发展，特别是在电机容量、转速和转子位置检测方法等方面发展很快。 _ = 十世纪末，国际上对s r d 的研究异常活跃，除英国外，美国、加拿火、前南斯拉夫、埃及和土耳 其等许多国家也都在积极开展s r 电机的研究工作。美国空军和g e 公司联合开发了航空发动机用s r d 起动发电机系统，有3 0 k w 电机( 工作电压2 7 0 v 、最高转速为5 2 0 0 0 r m i n ) 和2 5 0 k w 电机( 1 作电压 2 7 0 v 、最高转速为2 3 0 0 0 r m i n ) 两种规格，取得了良好的应用效果”+ 2 “。加拿大和前南斯拉夫在s r 电 机的运行理论和电磁场分析等方面做了大量研究工作。埃及对小功率的单相和两相s r 电机的结构与起 动性能等方面进行了许多研究。一些学者还研究了新型的s r 电机，如盘式电机、外转子式电机、直线 式电机和无位置传感器电机等。 有位置s r d 非常成熟，使s r d 的应用领域从最初侧重于牵引运输发展到一般工业、航空工业、家用 电器和电动汽车等各个领域，取得了越来越显著的经济效益。 目前，s r d 系统的产品水平是：转矩为0 o l 1 0 6 n m ，功率为i o w 5 m w ，转速可选l o o o o o r m i n 。 s r 电机已从多相发展到单相、两相，其型式亦从旋转型发展到直线型”。 s r d 作为一种结构简单、鲁棒性好和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 ，3 + 泛重视，现已形成理论研究与实际应用并重的发展势态。 根据h t t p ：w w w b r i v i t t o m 网站提供的资料，历年来s r 电机的论文发表情况、专利情况以及专 利权的分布情况见图1 3 、图1 4 和图1 5 。从表中可以看出，近几年来，世界各国对s r d 系统的研究 发展很快。 卜l 一3 国内研究概况 从1 9 8 4 年开始，我国许多单位先后开展了s r 电机的研究工作，如北京纺织机械研究所( 即中国纺 织总会纺织机电研究所) 、南京航空航天大学、华中理工大学、浙江人学、清华大学及华南理工大学等， s r 电机研究被列入中小型电机“七五”科研规划项目“。 在借鉴国外经验的基础上，我国对s r 电机的研究发展很快，在控制、仿真、设计理论和电磁场数 值分析等方面都做了许多工作，在国际、国内刊物和会议上发表了许多篇论文。1 9 8 8 年1 1 月在南京航 空航天火学召开了首届s r d 研讨会，1 9 9 1 年9 月，在华中理工火学召开了第二届s r d 研讨会，参加人 员来自全国高校、研究所和工厂等2 5 个单位。大会上的成果交流表明，我国s r d 的理论研究和应用研 究已经取得了较大的进展，参加研制的单位有了显著的增加。1 9 9 3 年1 2 月在北京开关磁阻电机调速系 统工业应用研讨会上，成立了中国电工技术学会中小型电机专业委员会的开关磁限电机学组。 2 中速什关磁阻电动机挖伟 策略l i 究 s r 电机的运行原理遵循“磁阻晟小原理”，即磁场总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁阻= | = l 曲而 产生切向磁拉力。当定予的一相通以激励电流时，在定、转予气隙间产生磁拉力，距离该年日定子极鹾近 的一对转子极就被吸引而向着定了极中心线的方向车亡动。如果连续顺序地给符相定子绕组通电，就可以 产生持续恒定的电磁转矩，从而使转子以恒定的转速旋转1 。s r 电机的转矩具有磁阻性质利脉动陆能， 在低速运行时，转矩和转速的脉动特性比较明显四相( 8 6 板) s r 电机定子绕组接线如图12 所示。 卜1 2 国外研究概况 开关磁阻电动机基本结构和原理的提出可追溯到1 9 世纪4 0 年代，当刚的电机研究人员已认u 剑利 用顺序磁拉力愤电机旋转是简单易行的。对扦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 e m o t o r d r i v e l ，简称8 r d ) 的研究始于二十世纪七十年代，随着数字控制技术和电力电子技术的笈展，s r d 系 统在。十世纪末有了较人发展，特别是在电机容量、转速和转子位置检测方法等方面发展很快。 一十世纪末，国际上对s r d 的研究异常活跃除英国外，美国、加拿人、前南斯拉夫、埃及和上耳 其等许多国家也部在积槛开展s r 电机的研究1 作。美国空军和g e 公司联合开发了航空发动机用s r ) 起动发电机系统，有3 0 k w 电机( 工作电压2 7 0 v 、最高转速为5 2 0 0 0 r m i n ) 和2 5 0 k w 电机( 1 ：作电压 2 7 0 v 、最高转速为2 3 0 0 0 r m i n ) 两种规格，取得了良好的鹿用效果”+ ”1 。加拿大和前南斯拉夫在s r 电 机的运行理论和电磁场分析等方面做了大量研究工作。埃及对小功率的单相和两相s r 电机的结构与起 动性能等方面进行了许多研究。一些学者还研究了新型的s r 电机，如盘式电机、外转子式电机、直线 式电机和无忙置传感器电机等。 有位置s r d 非常成熟，使8 r d 的应用领域从最初侧重于牵引运输发展到般工业、航空工业、家用 电器和电动汽车等各个领域，取得了越柬越显著的经济效益。 目前，s r d 系统纳产品水平是：转矩为00 1 1o b h m ，功率为1 0 w 5 耐，转速可达l o 0 0 0 0 r m i n ： s r 电机已从多相发展到单相、两相，其型式亦从旋转型发展到直线型。 s r d 作为一种结构简单、鲁棒性好和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 ，3 泛重视，现已形成理论研究与实际应用并重的发展势态。 根据h t t p ：z 幽! 虹i ! i ! ! 业网站提供的赍剁历年来s r 电机的论文发表情况、专利情况以及专 利权的分布情况见图13 、图1 4 和图1 5 。从表中可虬看出，近几年来，世界各国对s r d 系统的研究 发展很快。 卜1 3 国内研究概况 从1 9 8 4 年开始，我国许多单位先后开展了s r 电机的研究工作，如北京纺双机械研究所( 即中国纺 织总会纺织机电研究所) 、南京航空航天大学、华中理t 大学、浙江大学、清华大学及华南理工人学等， s r 电机研究被划人中小型电机“七五”科研规划项目”“。 庄借鉴国外经验的基础上。我国列s r 电机的研究发腥很快，在控制、仿真、设计理论和电磁场数 值分析等方面都做r 许多工作，在国际、国内刊物和会议上拄表了许多篇论文。1 9 8 8 年1 1 月在南京航 空航天火学召开了首届s r i 研讨会，1 9 9 1 年9 月，在华中理工大学召开了第二届s r d 研讨会，参加人 员来自全国高校、研究所和工厂等2 5 个单位。人会上的成果空流表明，我国8 r d 的理论研究和应 i 研 究已经取得了较大的进展，参加研制的单位南丁显著的增加。1 9 9 3 年1 2 月在北京开关磷阻电机调速系 统l 业应用研讨会上，成立了中国电工技术学会中小型电机 业委员会的开关磁阻电机学组。 统工业应用研讨会上，成立了中国屯工技术学会中小型电机专业委嗣会的开关越限电机学龋。 2 ! 望丛叁蹩坠皇垫堑! 丝型茎堕竺丝 s r 电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁场总是要沿磁阻最小的路径闭合，困磁阻扭曲而 产生切向磁拉力。当定子的一相通以激励电流时，在定、转子气隙间产生磁拉力，距离该相定i 极最近 的一对转子极就被吸引而向着定子极中心线的方向转动。如果连续顺序地给备相定子绕组通电，就可以 产生持续恒定的电磁转矩，从而使转子以恒定的转速旋转。s r 电机的转矩具有磁阻性质和脉动性能， 在低速运行时，转矩和转速的脉动特性比较明显，四相( 8 6 极) s r 电机定子绕组接线如图12 所示。 卜1 2 国外研究概况 开关磁阻电动机基本结构和原理的提出可追溯到1 9 世纪4 0 年代，当时的电机研究人员已认识到利 用顺序磁拉力使电机旋转是简单易行的。对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 em o t o r d r i v e r ，简称s r d ) 的研究始于二十世纪七十年代，随着数字控制技术和电力电子技术的发展，s r d 系 统在二十世纪末有了较大发展，特别是在电机容量、转速和转子位置检测方法等方面发展很快。 _ = 十世纪末，国际上对s r d 的研究异常活跃，除英国外，美国、加拿火、前南斯拉夫、埃及和土耳 其等许多国家也都在积极开展s r 电机的研究工作。美国空军和g e 公司联合开发了航空发动机用s r d 起动发电机系统，有3 0 k w 电机( 工作电压2 7 0 v 、最高转速为5 2 0 0 0 r m i n ) 和2 5 0 k w 电机( 1 作电压 2 7 0 v 、最高转速为2 3 0 0 0 r m i n ) 两种规格，取得了良好的应用效果”+ 2 “。加拿大和前南斯拉夫在s r 电 机的运行理论和电磁场分析等方面做了大量研究工作。埃及对小功率的单相和两相s r 电机的结构与起 动性能等方面进行了许多研究。一些学者还研究了新型的s r 电机，如盘式电机、外转子式电机、直线 式电机和无位置传感器电机等。 有位置s r d 非常成熟，使s r d 的应用领域从最初侧重于牵引运输发展到一般工业、航空工业、家用 电器和电动汽车等各个领域，取得了越来越显著的经济效益。 目前，s r d 系统的产品水平是：转矩为0 o l 1 0 6 n m ，功率为i o w 5 m w ，转速可选l o o o o o r m i n 。 s r 电机已从多相发展到单相、两相，其型式亦从旋转型发展到直线型”。 s r d 作为一种结构简单、鲁棒性好和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 ，3 + 泛重视，现已形成理论研究与实际应用并重的发展势态。 根据h t t p ：w w w b r i v i t t o m 网站提供的资料，历年来s r 电机的论文发表情况、专利情况以及专 利权的分布情况见图1 3 、图1 4 和图1 5 。从表中可以看出，近几年来，世界各国对s r d 系统的研究 发展很快。 卜l 一3 国内研究概况 从1 9 8 4 年开始，我国许多单位先后开展了s r 电机的研究工作，如北京纺织机械研究所( 即中国纺 织总会纺织机电研究所) 、南京航空航天大学、华中理工大学、浙江人学、清华大学及华南理工大学等， s r 电机研究被列入中小型电机“七五”科研规划项目“。 在借鉴国外经验的基础上，我国对s r 电机的研究发展很快，在控制、仿真、设计理论和电磁场数 值分析等方面都做了许多工作，在国际、国内刊物和会议上发表了许多篇论文。1 9 8 8 年1 1 月在南京航 空航天火学召开了首届s r d 研讨会，1 9 9 1 年9 月，在华中理工火学召开了第二届s r d 研讨会，参加人 员来自全国高校、研究所和工厂等2 5 个单位。大会上的成果交流表明，我国s r d 的理论研究和应用研 究已经取得了较大的进展，参加研制的单位有了显著的增加。1 9 9 3 年1 2 月在北京开关磁阻电机调速系 统工业应用研讨会上，成立了中国电工技术学会中小型电机专业委员会的开关磁限电机学组。 2 河北工业大学j r 0 - - k 学位论文 目前，我国已研制了5 0 w - - 3 0 k w 、2 0 多个规格的 _ 业产品样机，在纺织机械、毛巾印花机、泽尔浆 纱机、多功能蒸煮联台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，在电动车 领域的研发也有较人成果“。 但戍该看剑，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。 图1 3 历年来s r 电机的论文发表情况 f i g 1 , 3r e c o r d e dn u m b e ro f s rp a p e r s 臻耩捌鲢g 啦型笾垫蛾窑酗瞧翱曲缝g 盥翻酝照 图1 4 历年来s r 电机的专利情况 f i g ，1 4 r e c o r d e dn u m b e ro f s rp a t e n t s 中速开关嫩阻电动机控制策略研究 卜2 1s r d 系统的特点 图1 5 专利权的分布情况 f i g 1 5 p a t e n t so w n e r s h i p so f s r m 1 - 2s r d 系统的特点和应用 s r d 系统主要由控制器、s r 电机、功率变换器和转子位置检测器四部分组成。 控制器综合处理位置检测器提供的转子位置信号、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现 对s r 电机运行状态的控制，是s r d 的指挥中枢。从控制器的组成方式来看，其发展经历了集成电路、 8 位单片机、1 6 位单片机和d s p 四个阶段。控制策略亦从简单的p i 速度调节器、电流斩波控制发展 日 全数字智能控制和转矩脉动抑制等。 s r 电机是一种将电能转化为机械能的装置，其结构设计方法和性能分析发展较快，磁场分析由线 性方法发展到非线性方法，其中二维非线性有限元法比较成熟，有利于电机的设计和电磁转矩的分析与 计算。 功率变换器向s r 电机提供运行所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到的赢流电供电。由于s r 电机相电流是单向的，故可采用单极性的功率主电路。功率变换器的器件选择由2 0 世纪8 0 年代的s c r 、 4 塑! ! 三些查兰堡! ! 耋堡兰兰 g t r 、g t o 发展到现在的m o s f e t 和i g b t ，其拓扑结构形式也日趋多样化，主要由：双绕组型、双极性r u 源型、能量回收型和基于主开关器件数量为最少型等。 转子位置传感器向控制器提供转子位置和电机速度等信号，使控制器能正确地决定定子绕组的导通 和关断时刻，根据电机的转速，采用不同的控制策略，控制电机的运行。通常转予位置检测采用光电器 什、霍耳元件或电磁线圈法进行1 1 | 7 ：置榆测。对s r d 的理论研究和实践证明，该系统具有许多明显的特点 ( 1 ) 电机结构与制造工艺简单、坚固、成本低。转子仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高转速； 定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至 强振动环境； ( 2 )电机的能量损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升； ( 3 ) 转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低系统成本； ( 4 ) 功率变换器不会出现直通故障，可靠性高： ( 5 ) 起动转矩大，低速性能好，无异步电机起动时所出现的电流冲击现象； ( 6 ) 调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性； ( 7 )在宽广的转速和功率范围内都具有高效率； ( 8 ) 能四象限运行，具有良好的再生制动能力。 卜2 2s r d 系统的应用 目前，s r 电机产品已经开始或广泛地应用于电动车驱动系统、家用电器( 洗衣机、食品加工机械 等) 、通用工业( 风机、泵、压缩机等) 、伺服与调速系统、牵引电机和高转速电机( 用于纺织机、航 空发动机、电动工具、离心机传动) 等。 由于s r 电机具有良好的调速性能和高速运行特性，故s r d 在航空航天和电动汽车领域的应用发展 较快，非常引人注目”“。 ( 1 ) 在航空航天应用方面： 美国在这一领域进行了积极的探索，g e 公司所属部门正在进行s r d 作为机载电机的研究和开发， 并已列为美国空军未来先进控带技术( f a c t s ) 项目中的部分内容a ( 2 ) 在电动车应用方面： 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、日本和英国等已研制出一些 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a 卜3 中速s r d 的研究现状及意义 s r d 作为一项方兴未艾的新技术涉及到电动机、微电子、电力电子、计算机、智能控制、机械及 工程应用等众多学科领域，是典型的机电一体化产品a 在国外，针对中、高速s r d 控制系统的研究已经非常成熟了，使s r d 的应用领域从最初侧重于牵 引运输发展到一般工业、航空工业、家用电器和电动汽车等各个领域，取得了越来越显著的经济效益c 目前s r d 的开发范围：转矩为0 0 1 一i 0 6 n m ，功率为1 0 w 一5 m w ，转速可达1 0 0 0 0 0 r m i n 。s r m 已从多相发 ： ! 兰堑茎壁坠皇塑! ! 丝型叁堕型丝 展到单相、两相t 其犁式亦从旋转型发展到直线型。在国外，s r d 系统已经虑用到航空领域就是一个很 好的证明。 但作为一种新型调速驱动系统，国内研究的历史还较短，其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、 控制理论等众多学科领域，加之其复杂的非线性特性，导致研究的困难性，还有许多工作要做，如铁心 损耗、转矩波动和噪声的理论研究，s r 电机磁场的三维有限元分析，电机优化设计及控制参数的优化， s r 电机的测试，无饨置传感器s r 电机，新结构s r 电机的开发等。尤其针对中速s r d 在电机理论、性 能分析和设计等方面都还不够成熟、完善，存在大量的工作要做。 中速s r d 控制理论研究方面还存在以下问题： ( 1 ) 中速开芙磁阻电机的控制策略仍不完善。国内外学者在这方面做了较多的研究工作，但在电机 中速运行过程中，要求控制器实时控制运行特性，所以对控制器的硬件性能和软件性能均提出 了较高要求，在中速运行区间的控制器研究仍是主要问题。 ( 2 ) 尚未建立中速s r d 精确的数学模型。由于s r d 具有严重的非线性、变结构、变参数和数学模型 难以精确建立的特点，采用常规的线性系统控制方法难以取得理想的动、静态性能。近年来， 国际上发表了一些基于现代控制理论设计s r d 控制系统的文献，例如，基于自学习技术消除转 矩脉动的s r d 自适应控制系统；带状态观测器的无位置传感器s r d ：神经网络理论在消弱s r d 转矩脉动中的应用也见报道。 ( 3 ) g r m 的运行特性及功率变换器有待优化。s r m 的转矩脉动及其引起的噪声是s r d 一个颇为突出 的缺点，这限制了其在诸如伺服驱动这类低速要求平稳且有一定静态转矩保持能力场合下的应 用。因此，研究抑制中速s r 电动机的振动和噪声也是改善s r d 性能的重要课题之一，减少s 脚 的振动和噪声的关键在于减小作用在定子上的径向力大小。从控制角度看，主要是优选导 通角和关断角及调节方案一角度位置控制( a p c ) 方式，尽可能调节好各相工作参数的对称 性。同时，s r d 运行于中速时，其功率变换器也需要优化，如：拓扑结构设计、i g b t 的选型和 保护等1 。 总之，中速s r d 控制策略的研究拓宽了s r d 在中速的应用领域。具有重要的意义。 6 卜4 本文所做的研究工作 ( i ) 研究了s r 电机运行方式和控蒂特性，为中速s r d 控伟器设计和仿真研究提供理论依据。 ( 2 ) 设计中速3 k w 、四相( 8 6 极) 电机、功率变换器和s r d 系统，并进行实验研究。 ( 3 ) 设计采用p i d 控制规则的电机控制器，进行仿真和实验研究。 ( 4 ) 在s r d 控制系统硬件的基础上，对其进行了d s p 软件编程。实现控制器的p i d 功能、显示功能、 过流保护功能、低速斩波功能和中速角度位置控制功能等。 第二章s r 电机的运行控制特性 本章将分析s r 电机的结构和运行原理与s r 电机的运行方式和控制特性。 2 - 1s r 电机的基本结构和运行原理 s r 电机具有两个基本特征：1 ) 开关性s r 电机必须工作在一种连续的开关模式；2 ) 磁阻性一 一s r 电机是一种双凸极电机，定、转子问具有可变磁阻回路。新型功率半导体器件、控制芯片和控制 理论的发展促进了电机的发展。图1 2 示出了四相( 8 6 极) s r 电机的结构，其定子上有绕组，转子上既 无绕组又无永磁体，定子径向相对的对极上的绕组串联，构成s r 电机的一相”。 s r 电机的拓扑结构按其相数的奇偶性分为奇拓扑和偶拓扑两种形式，如图2 1 所示。三相( 6 4 极) 结构为奇拓扑，四相( 8 6 极) 结构为偶拓扑，这种相数为偶数的结构在选择与之对应的功率变换器时有 一定的优越性，这两种拓扑的差别使得在选择续流形式上存在区别“。 图2 1s r 电机的拓扑结构 f i g21t o p o l o g yo fs rm o t o r s r 电机可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同相数结构，且有每极单齿结构和每极多 齿结构，轴向气隙、径向气隙和轴向径向混合气隙结构，内转子和外转子结构。低于三相的s r 电机 般没有自启动能力。相数多，有利于减小转矩波动，但导致结构复杂、主开关器件多、成本高。目前 应用较多的是三相( 6 4 极) 结构和四相( 8 6 极) 结构”“。表2 。1 为常用s r 电机定、转子极数组合 方案。 表2 1 常用s r 电机定、转子极数组合方案 t a b l e21l i s to f n u m b e ro f d i f f e r e n tp o l es r m 相数( 1 1 1 ) 123456 l 定子极数( n s ) 24681 01 2 i 转子极数( ，) 224681 0 s r 电机的原理是根据磁通总要沿着磁阻最小的磁路闭合这一原理。转子铁心在相对于定子的不同 位置时与定子之间的磁阻是不同的。当定子与转子齿齿相对时磁阻虽小，转子齿中心和定子槽中心相对 时磁阻最人。如果定子绕组中某一相通电流时，转予铁心就有了要与通电相定子齿齿相对的趋势。 7 中速开关磁阻电动机控制策略研究 2 - 2s r 电机的运行特性及控制方式 2 - 21s r 电机的运行特性 s r 电机运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区和自然特性区( 串励特性区) ，如图2 2 所示。恒转矩区的转速范围为：0 v 玛，恒功率区转速范围为：啊n ：，自然特性区转速范围为：月， 鸭，一般的调速区间为：0 慢。 t 0 恒转矩区恒功率区串励特性区一 l 、 、， c c c 方式 a p c 方式 ： t = c o n s t ! t 4 c o ，= c o n s t t 2 c o n s t j 一 斗l刀2忍3 一 图2 2s r 电机典型运行特性 f i g 2 2o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f s r m 2 2 2s r 电机控制方式 在恒转矩区，由于电机转速较低，电机绕组反电势小，因此需对电流进行斩波限幅，称为电流斩波 控制( c u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o l ，简称c c c ) 方式，也可以采用调节相绕组外加电压有效值的电压p w m 控制方式；在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角得到恒功率特性，称为角度位置控gr ( k n g l e p o s i t i o nc o n t r o l ，简称a p c ) 方式；在自然特性区，电源电压开通角和关断角均固定，由于自然特性 和串励直流电机的特性相似，故亦称为串励特性区。n 、啦为各特性交接的临界转速，是s r 电机运行、 设计和控制时要考虑的重要参数。n 。是s r 电机开始运行于恒功率特性的临界转速，定义为s r 电机的 额定转速，对应功率即为额定功率；n ，是能得到额定功率的最高转速，恒功率特性的上限，可控条件 都达到了极限，当转速再增加时，输出功率将下降，”，亦称为第二临界转速”“。 s r 电机运行于自同步方式，它表明s r 电机始终工作在有位置反馈的状态，s r 电机各相绕组如何利 用转子位置信号来通电激磁的方法，反映了电机运行方式的本质特点。 2 - 2 3s r 电机的运行方式 s r d 系统是机电一体化系统，s r m 工作在自同步状态，它的各种运行状态与其控制方式都有特定的 对应关系，运行状态有以下几种方式： ( 1 ) 起动运行方式 s r m 具有优良的启动性能。起动转矩大，起动电流小，起动时间短。起动方法一般有一相起动 8 型! ! 三些查! ! ! ! ；兰堡篁塞 和二相起动两种，相起动是指起动时，只剥 相绕组激磁，两相起动是指起动时有两相绕组激磁。 两相起动增大了最小转矩，最小转矩反映了s r m 带负载起动的能力。在一定电流作用卜- ，最小转矩 越人，可带动的总负载转矩也越大。对于一定的负载转矩，两相起动时所需的起动电流幅值小于一 相起动时的电流幅值，它必将降低功率开关器件的电流容量，有利于降低成本。 总之，两相启动性能优于单相起动，本项目采用两相全开通起动方式。 ( 2 ) 稳定运行方式 稳定运行方式包括电流斩波运行方式( c c c 方式) 和角度位置运行方式( a p c 方式) 两种。 a c c c 运行方式 该方式在电机起动后较低速运行时采用，在c c c 方式时，各相绕组按照转子位置脉冲指定的 次序和起点相继通电和断电，绕组通电的结果与s c c 方式相同。c c c 方式保证了绕组激励状态与 转子严格同步，而与转子速度变化无关。该方式时系统可通过电流斩波来调节电机的转矩，并实 现转速闭环控制”“3 。 c c c 控制是将相电流检测值i 与给定值i 2 进行比较，当i i 镕定+ i 时，就关断相开关； 当i i m 一i 时，再重新使该相的开_ 芙导通。这样就使相电流维持在斩波电流给定值1 上1 - ： s r 电机低速运行时，旋转电动势小，电感上升期的时间长，而d i d t 的值相当大，为避免过火 的电流脉冲峰值，采用了c c c 方式，如图2 3 。 图2 3c c c 方式下的理想电流波形 f i g 2 3i d e a lc u r r e n tw a v eu n d e rc c cc o n t r o ls t r a t e g y b a p c 运行方式 根据文献 3 7 ，电机在中、高速运行时采用a p c 方式，通过调节开通角度阮和关断角度锄。 来调节电机转速和转矩。以实现恒功率方式运转。 当s r 电机在中、高速的速度范围内运行时，因旋转电动势较大，且各相主开关器件导通时 间较短，因此屯流较小。为了获得合适的调速特性，一方面应尽量提高电动转矩；即在绕组电感 随转子位置上升区域应尽量流过较大的电流；另外一方面应尽量减少制动转矩，即在绕组电感开 始随转子位置减少时应尽快使绕组电流衰减到零，所以，在s r d 中、高速运行区内，通常使用 a p c 方式控制s r 电机运行，其控制思想为：通过对开通角和关断角的合理选择，就可以 9 ! 垄茎塞壁坐塞垫垫丝型叁堕竺塾 l o 得到较大的有效转矩，关断角通常设计在最大电感达到之前。”1 。 电流在最小电感恒值区域是直线上升的，这是冈为该区域内电感恒为最小值l ，h 无旋 转电动势，因此s r 电机相电流可以在该区域内迅速建立。若减小o o 。，则电流幅值相应增加， 因此通过合理的选择绕组开通角既，即可使相电流在进入有效工作区域前即达到一定的数值， 以保证在电感上升段产生足够大的电动转矩，不同的开通角眈。可形成不同形状的相电流波形， 不同关断角也将形成不同的相电流波形，如图2 4 中曲线1 、2 和3 所示。图中，目、为转子磁极 的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置，b 为转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，包为转 子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置，跛为转子后沿与定子磁极前沿重台处。 上述各方式必须在其规定的速度范围内应用才能得到满意的效果，采用c c c 方式是电机低速 运行时的主要方式，中速时的电流斩波需要进行角度优化控制，所以c c c 方式允许的最高转速将 低于月，s r 电机各运行方式适用的速度是相互交叉的。 ( 3 ) 制动运行方式 作为一种高性能的调速系统，s r d 在一定程度上可以看作是全可控的无刷电动机调速系统，可 方便地实现四象限运行，即正、反转及制动、电动运行。其中制动运行包含两重意义，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。与赢流电动机不同，s r 电机只有回馈制动( 或 称再生制动) 方式，而且再生制动的实现亦十分方便，只要加大开通角就可以了。 在制动状态，电磁转矩的方向与转速方向相反，从轴上输入的机械能转变为电能，并借助主电 路电力电子器件回馈给电源。如果没有位能负载拖动，在制动转矩的减速作用下，转子很快被制动 到转速为零“5 ”1 。 0 02 0304050 图2 4 不同开通和关断角度时的电流波形( o o 1 z a o 2 么a 0 0 3 ) f i g 2 一p h a s ec u r r e n ti nd i f f e r e n t 眈。a n d 河北工业人学顾士学位论文 2 - 3s r 电机的检测方法 2 - 3 一l 位置传感器控制原理 转子位置信号主要作用有两个：一是精确指示定子与转子相对位置关系；二是实时计算电机转述， 根据转速的不同，采用不同的控制策略，实现电机的转速和转矩特性控制，满足不同应用场合的要求。 由图24 可以看出，为了使绕组的激励电流产生最大电动转矩，应在o 鼠区域激励相绕组，在 电感开始增大以前使电流及时建立起来；在电感增大结束以前，即只以前电流应被关断，使电流在以 以前衰减为零，避免产生负转矩，可见转子位置信号是主开关器件正确进行逻辑切换的依据。 传统的s r d 的位置信号通过位置传感器测量一般的位置检测方法是由光电式、电磁式和磁敏式 等位置传感器来实现的，下面以光电式转子位置检测器为例，来分析有位置传感器转子位置检测的原理 与实现方法“4 。“。本论文研制的实际产品就是用光电式转子位置检测器来检测的口。 2 - 3 2 光电式位置传感器 光电式转子位置检测器由静止和转动两部分组成，前者包括红外发光二极管、红外光敏接收管及辅 助电路，如图2 5 所示。遮光盘转动部分与转子极数相同，具有六个齿，齿槽与转子切面结构相同，安 装在电机转子轴上，并使其齿槽轴线与转子齿槽轴线完全重合。遮光盘与电机同步旋转，通过遮光盘的 遮光、透光使光敏元件产生导通和关断信号。对于四相( 8 6 极) 电机，只须在定子极上安装两个相距 1 4 转子齿距角，即相距1 5 。或7 5 。的光电元件。经这两个光敏器件输出两路表征电机定、转子相对 位置的信号。传感器的输出信号相对电机四相绕组电感的变化关系曲线如图2 6 所示。根据测量的s 1 和s 2 信号，由控制器输出电机相绕组的通断信号。对于四相( 8 6 极) 电机，采用两相通电方式时的 正、反向控制逻辑见表2 2 所示。 a a c s 图2 5 光电传感器安装位置 f i g 2 5 i n s t a l l a t i o no f o p t i c a ls e n s o r s r 电机的转速是根据位置信号进行检测的，每相位置信号的周期为6 0 。，相邻两相位置信号相 中速开关磁阻电动机控制策略研究 位差为1 5 。，利j 村处理器的简频计数器对1 5 。脉冲间隔进行计数，就可以得到反映电机转述的数字 量，经过d s p 捕获计算便可得到实际转速。 从其原理可见，该方法检测精度主要是由光电器仲的机械安装角度精度、光电耦合器响应谜度、 输出电平与整形电路的性能指标等冈素决定。为保证检测精度，除应采用合理的安装丁艺保证光电耦 合器的机械安装角度精度外，远择响应时间短、窗口窄、暗电流小的光电传感器也非常重要。使用s r d 电参数高速数据采集与处理系统测量转子位置信号的波形，如图2 7 所示，s l 和s 2 是转子位置的检 测信号，a 、b 、c 和d 是定子绕组的控制信号。高电平有效“”3 。 s 1 s 2 0 图2 6 四相位置信号与绕组电感的变化关系 f i g 2 , 6c h a n g i n gr e l a t i o nb e t w e e n4p h a s e s w i n d i n gi n d u c t a n c ea n dp o s t i o ns i g n a l s 图2 7 转速高于15 0 0 r m i n 时转子位置检测信号 f i g 2 7 p o s i t i o ns i g n a l si nt h es p e e do f o v e r1 5 0 0 r m m 河北工业大学硕士学位论文 表2 2 电机顺时针方向和逆时针方向旋转时的触发逻辑 应激励的相 s ls 2 顺时针方向旋转逆时针方向旋转 oo ad bc oldc cd 1lcbda l0baab 2 - 3 3 转子位置检测精度分析 由于此检测方法完全由硬件实现的，所以在检测速度和准确性上，完全能够满足电机转速要求。在 这+ 点上比起无位置转子位置检测要好的多，理由是： ( i ) 实际的电机运行中无1 ：i 7 = 置转子位置估算要受到测量误差、计算误差、测量回路的非线性、电磁 耦合、控制器延迟、方程误差、相间干扰、绕组各个参数的波动、电机相绕组中感应的非同步 性、磁化曲线的多变性和涡流等因素影响，这些现实冈素都会影响转f 估算的准确性 ( 2 ) 无位置转子位置的估算是通过反馈同来的电压和电流计算出的，而且计算量很大，这会影响转 子位置检测的速度。 ( 3 ) 目前，无位置转子位置估算在某种程度上还处于理论方面的研究，要在现实中实现无位置转子 位置检测，不管在估算速度上还是在估算准确度上，难度还是很大的。 该检测方法选择普通的光电器件作为电机转子位置信号检测器，当电机转速大于2 0 0 0 r m i n 时，转 子位置信号的上升和下降沿陡度变小，影响了a p c 方式的控