（电机与电器专业论文）开关磁阻电机柔性神经网络控制策略研究.pdf

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 es y s t e m ( s r d ) h a sb e e nr e c e i v i n ga t t e n t i o n f o re l e c t r i c a ld r i v ea p p l i c a t i o n sd u et oi t sl o wc o s t i nm a s sp r o d u c t i o n r e d u c e d m a m t e n a n c er e q m r e m e n t s ，r u g g e db e h a v i o ra n dl a r g et o r q u eo u t p u to v e r v e r yw i d e s p e e dr a n g e h o w e v e lb e c a u s eo ft h ed o u b l es a l i e n tp o l es t r u c t u r eo fi t ss t a t o ra n d r o t o ra n ds p e c i a lp o w e r s u p p l yw a y , r o t o rp o s i t i o ns e n s o r sa n dt o r q u er i p p l ea r eo f t e n c i t e dd i s a d v a n t a g e so ft h es w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r ( s r m ) a st h em e c h a n i c a l p o s i t i o ns e n s o r sa d dt ot h ec o s t ，c o m p l e x i t ya n dp o t e n t i a lu n r e l i a b i l i t ya th i g hs p e e d a n do b v i o u st o r q u er i p p i eh a se x i s t e dw h e nt h em o t o r i ss u p p l i e db yt h ec o n v e n t i o n a i s q u a r ep u l s ep o w e r s op o s i t i o ns e n s o r l e s so p e r a t i o na n dt o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o n c o n t r o lb e c o m em a i nt o p i c si nt h er e s e a r c hf i e l do fs r m b e c a u s eo fi t sh i g hn o n l i n e a re l e c t r o m a g n e t i s mc h a r a c t e r i s t i c 。t h e a c c u r a t e m o d e lo fs r mi sh a r dt ob e a c c o m p l i s h e d a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n l t e c h n o l o g yh a sm a d eag r e a tp r o g r e s s ，w h i c hg i v e sa ne f f i c i e n tm e t h o df o rt h e m o d e l i n go fn o n l i n e a rs y s t e m h o w e v e r , t h em e t h o d sb a s e do nc o n v e n t i o n a la n n c a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m ec o n t r o li nc o m p l e xs y s t e m sb e c a u s e t h e vh a v e s o m ei n e f f i c i e n c i e s ，s u c ha s l a r g ea n dc o m p l e xs t r u c t u r e ，l o wl e a r n i n gs p e e da n d e a s i l yl a n d i n gi n t ol o c a lm i n i m u mp o i n t s f l e x i b l en e u r a ln e t w o r k ( f n n ) w h i c hh a s s i m p l en e ts t r u c t u r e ，q u i c kl e a r n i n gs p e e da n ds t r o n gg e n e r d l i z i n ga b i l i t yc o m p a r e d w i t ht h ec o n v e n t i o n a la n nc a nb eu s e di nt h e i n t e l l i g e n tc o n t r o la p p r o a c hi ns r m a tt h eb e g i n n i n g ，w i t ht h es t u d yo nb a s i ct h e o r ya n dn o n l i n e a rm o d e lo fs r m t h ep a p e re s t a b l i s h e st h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo ft h e4 - p h a s e ( 8 6p o l e s ) s r m a n dl t sd r i v es y s t e mb a s e do 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 a n dt h e n t h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o n t r o la p p r o a c hb yu s i n gf n n i sp r o c e s s e do ni t i nt h e r e s e a r c ho fs e n s o r l e s sc o n t r o l ，af n ni sb u i l ta n dt r a i n e do f f i i n et oe s t i m a t et h er o t o r p o s i t i o nt h r o u g hm e a s u r e m e n to ft h ep h a s ef l u xl i n k a g e sa n dp h a s ec u r r e n t st h e r e b v f a c i l i t a t i n ge l i m i n a t i o nt h er o t o rp o s i t i o ns e n s o ei nt h er e s e a r c ho ft o r q u er i p p l e m i n i m i z a t i o nc o n t r o l ，a n o t h e rf n ni sb u i l tf o rt h ee s t i m a t i o no ft h er e f e r e n c ec u r r e n t s w i t had e s i r e dt o r q u ea n dr o t o rp o s i t i o n ，t h e nt h er e a lc u r r e n t si nt h ea 咖a n i r e s 硼e a d j u s t e da c c o r d i n gt ot h er e f e r e n c ev a l u e s ，t h e r e f o r et h et o r q u er i p p l eg e n e r a t e d b yt h e n o n i d e a lc u r r e n tw a v e f o r m si sm i n i m i z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h el e a r n i n gs p e e do ff n ni sm u c hq u i c k e r t h a nt h ec o n v e n t i o n a la n n ，t h es e n s o r l e s sc o n t r o li ns r mi sr e a l i z e db yt h ea c c u r a t e e s t i m a t i o no ft h er o t o rp o s i t i o na n dt h et o r q u er i p p l ei sr e d u c e de f f i c i e n t l yb a s e do n t h ef n nc o n t r o l a p p r o a c h t h ee x p e r i m e n ts y s t e mo fs r mb a s e do nd s p t m s 3 2 0 f 2 812c a n o p e r a t er e l i a b l ya n ds t a b l y 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 , f l e x i b l en e u r a ln e t w o r k ，s e n s o r l e s s c o n t r o l ，t o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o n 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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。 学位论文作者虢l 司丑铆p 签字日期加_ 7 年m 7 勺日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕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) 学位论文作者签名： 阎亚拥p 导师签名： 签字日期：如o - 1 年月肠日 丢名 揖醐：吵月印日 第一章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 第一章绪论 本章首先介绍了开关磁阻电机驱动系统的发展状况、研究方向及应用领域， 然后概述了人工神经网络的发展历程，进而阐述了本课题的选题背景及意义，最 后列出了本文所研究的内容和所做的工作。 1 1 开关磁阻电机驱动系统简介 1 1 1 开关磁阻电机驱动系统的发展简史 开关磁阻电机驱动系统的发展简史可以追溯到1 9 世纪4 0 年代，当时的研究 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嵌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，随着电路的断开伴有周期性 电火花；另外因木质转子无法承受太大的径向磁力而需加大气隙，加之使用机械 开关的控制精度不够，故电动机的运行特性很差，因此从这种电动机雏型诞生直 到功率电子开关器件问世前的1 0 0 多年间，人们对其一直没有太大的研究兴趣。 而为开关磁阻电机的研究和发展奠定了重要物质基础的是2 0 世纪6 0 年代大 功率晶闸管的投入使用。英国里兹大学于1 9 6 7 年开始对开关磁阻电机进行深入 研究，其三年的研究结果表明开关磁阻电机可在单向电流下四象限运行，功率变 换器无论使用晶体管还是普通晶闸管，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。英国诺丁汉大学于1 9 7 3 年也开始了对开关磁阻 电机的研究工作。上述两所英国大学于1 9 7 5 年联合进行了c h l o r i d at e c h n i c a l 有 限公司发起的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 开关磁阻电机驱动系统装置，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，这充分表明开关磁阻电机驱动系统大有前途。 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。上述研究小组之所以能够获得与传统观念和经验相悖的研究成果，关键在于 采用了先进的半导体技术。高性能电子计算机的问世，也为开关磁阻电机的优化 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 开关磁阻电机驱动系统的经济性。另外，j j a r r e l 在6 0 年代末提出的增加饱和度 第一章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 有利于提高磁阻电动机出力的观点，则从理论上对开关磁阻电机的发展起到了积 极的推动作用。 里兹大学的l a w r e n s o n 教授及其同事总结其研究成果，于1 9 8 0 年发表著名论 文“变速开关型磁阻电动机，【，成为开关磁阻电机驱动系统正式得到国际社会承 认的标志。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，系统阐述了开关磁阻电机的原理及设计理论，研究了电机特性及控 制方式，被视为开关磁阻电机研究的奠基之作。 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 ) 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l 、1 2 、5 k w 样机的试制。开关磁阻电机驱动系统作为一种结构简单、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开始有关研究。我国于1 9 8 4 年左右也以较 高的起点开始开关磁阻电机驱动系统的研究开发工作，开关磁阻电机成为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【2 1 。 1 1 2 开关磁阻电机驱动系统存在的问题与发展方向 开关磁阻电机驱动系统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、微机、控制、机械及工程应用等众多学科领域。从目前发展水平看， 无论理论还是应用上都存在不少问题，有待进一步的研究与完善【4 】。 ( 1 ) 进一步完善开关磁阻电机设计理论：开关磁阻电机的非线性使其性能 的精确分析和计算较为困难。目前普遍采用二维非线性有限元法分析电动机内部 的饱和磁场，其局限性主要表现在两方面：一是对以路为基础的设计方法研究欠 缺；二是由于现有场的方法精度不足，应开展电机三维场的研究。 ( 2 ) 加强对铁心损耗的理论研究：开关磁阻电机非线性的磁场特性导致相 绕组供电电压和电流波形较为复杂，一般为单向脉动的非正弦波，同时定转子各 部分铁心中存在不同的磁通密度变化规律，计算和测量定、转子铁心损耗颇为困 难，因此如何建立准确实用的铁心损耗计算模型和分析测试手段成为当前的主要 问题【5 1 。 ( 3 ) 加强对转矩脉动及噪声的理论研究：开关磁阻电机的转矩脉动及其引 起的噪声是其驱动系统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，研究抑制开关磁阻 电动机的振动和噪声也是改善其驱动系统性能的重要课题之一。减少开关磁阻电 2 第一章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 机的振动、噪声的关键在于减小作用在定子上的径向力大小。从开关磁阻电机自 身的结构设计上，主要是合理设计极的形状、定子磁轭强度和电动机刚度，合理 选择气隙、极弧参数；从控制角度看，主要是优选导通角和关断角及调节方案， 尽可能调节好各相工作参数的对称性。 ( 4 ) 完善开关磁阻电机驱动系统中电动机、功率变换器及控制器三者之间 的协调设计：开关磁阻电机驱动系统是典型的机电一体化装置，它的各部分间的 联系非常密切，为使系统整体最优，不应将各部分的设计割裂开来，而应借助计 算机辅助设计( c a d ) 将电动机、功率变换器及控制器三者作为一个整体进行优 化设计。目前研究尚停留在仅对待定类型的开关磁阻电机驱动系统分析核算程序 的水平上，只能完成局部的综合设计和个别参数的优化。此外，对实用无位置检 测器方案的研究，也是开关磁阻电机驱动系统研究中值得关注的课题。 1 1 3 开关磁阻电机驱动系统的应用领域 开关磁阻电机驱动系统作为一种新型调速系统，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【纠】。 由于具有串励直流电动机的特性，开关磁阻电机在发展初期较多在电力机车 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，开关磁阻 电机驱动系统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，开关磁阻电机在蓄电池电动运输车辆 例如电瓶车、电动汽车上的成功应用，亦表明开关磁阻电机驱动系统可以其优良 的性能用作牵引驱动。 开关磁阻电机驱动系统的应用范围不仅仅局限于牵引运输。转速范围为 1 5 0 0 - 1 8 0 0 d m i n 的开关磁阻电机驱动系统是与由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 的开关磁阻电机驱动系统则与传 统直流电动机市场相适应。因此开关磁阻电机驱动系统中多数仍作为需要四象 限运行的通用调速系统。 另外，开关磁阻电机驱动系统在低压、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，使用开关磁阻电机驱动系统驱动风扇、泵类、压 缩机等，可在宽广的速度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。经济型小功率开关磁阻电机驱动系统有着广阔的市场，包括在家用电器 中的应用。 很多应用场合需要高速传动，因为开关磁阻电机的坚固性及相对低的开关频 第一章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 率需求，在叠片性能和轴承满足要求的条件下可高速运行，因此，开发高速开关 磁阻电机驱动系统是充分发挥其特长的一个方向。 在我国，开关磁阻电机驱动系统的推广应用工作亦己起步。自1 9 8 8 年以来， 纺织部纺织机械研究所将开关磁阻电机驱动系统应用于毛巾印花机、卷布机、浆 纱机等十几种对电动机容量及性能要求差异很大的纺织机械设备改造，取得了显 著的经济效益。 应指出，开关磁阻电机驱动系统具有十分优良的控制性能，容易通过改变电 动机的工作方式和控制参数实现不同的性能特点，满足特殊的性能指标，尤其当 控制电路采用单片机或数字信号处理芯片( d s p ) 为控制核心时，往往只需通过 修改软件，便能满足用户许多不同的性能要求。事实上，开发特殊结构、特殊用 途、各种容量的开关磁阻电机驱动系统己成为当前及今后的一个研究方向。 1 2 人工神经网络理论简介 1 2 1 人工神经网络发展简史 有关人工神经网络最早的研究是2 0 世纪4 0 年代心理学家m c c u l l o c h 和数学 家p i t t s 合作提出的m p 模型。神经网络的发展大致经过三个阶段：1 9 4 7 - - - 1 9 6 9 年 为初期，在这期间科学家们提出了许多神经元模型和学习规则，如m p 模型、h e b b 学习规则和感知器等；1 9 7 0 1 9 8 6 年为过渡期，在此期间，科学家们做了大量 的工作，如h o p f i e l d 教授对网络引入能量函数的概念，给出了网络的稳定性判据， 提出了用于联想记忆和优化计算的途径。19 8 4 年，h i t o n 教授提出b o l t z m a n 机模 型。1 9 8 6 年k u m e l h a r t 等人提出误差反向传播神经网络，简称b p ( b a c k p r o p a g a t i o n ) 网络。目前，b p 网络已成为广泛使用的网络：1 9 8 7 年至今为发展 期，在此期间，神经网络受到国际重视，各个国家都展开研究，形成神经网络发 展的另一个高潮。神经网络具有以下优点【s j ： ( 1 ) 可以充分逼近任意复杂的非线性关系： ( 2 ) 具有很强的鲁棒性和容错性，因为信息分布贮于网络内的神经元中； ( 3 ) 采用并行处理方法，使得计算快速； ( 4 ) 可处理不确定或未知的系统，因为神经网络具有自学习和白适应能力； ( 5 ) 具有很强的信息综合能力，能同时处理定量和定性的信息，能很好地 协调多种输入信息关系，适用于多信息融合和多媒体技术。 4 第一章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 1 2 2 人工神经网络在控制领域中的应用 神经网络以其独特的非传统的表达方式和固有的学习能力，引起了控制界的 广泛关注。神经网络用于复杂控制主要有以下几个方面的优势【9 】： ( 1 ) 神经网络是本质的非线性系统。理论分析表明，多层前馈神经网络能 够以任意精度逼近任意非线性映射，这种能力使非线性控制系统的描述有了统一 的数学模型，给控制理论中面临挑战的非线性问题的解决带来了新的希望。 ( 2 ) 神经网络是本质的并行结构，在快速实现大量复杂的控制算法及处理 实时性要求高的控制系统时极具潜力。可以预料，只要并行机制的神经计算机取 得突破，目前许多航天、航空领域遇到的实时控制，机器人动力学实时控制等难 题都可迎刃而解。 ( 3 ) 神经网络的固有学习能力使它可以处理那些难以用模型或规则描述的 过程或系统，降低系统的不确定性，带来适应环境变化的泛化能力。 ( 4 ) 神经网络具有分布式信息存储与处理结构，可以从不完善的数据和图 形中进行联想，从而在已存储的信息中寻找与该输入最优匹配的存储信息为其 解，这种能力使其具有很强的鲁棒性和容错性。 ( 5 ) 神经网络具有很强的综合推理能力，能够同时融合定量与定性数据， 能很好地解决输入信息之间的互补性与冗余性问题，并能恰当地协调互相矛盾的 输入信息。由于神经网络这种“集思广益”的能力，使其在多变量、大系统与复 杂系统的控制方案设计上极具吸引力。 由于上述诸多优越性，可以肯定神经网络在解决高度非线性和严重不确定性 复杂系统的控制方面具有巨大的潜力，将神经网络引入控制系统已成为控制学科 的必然趋势。 1 3 选题的背景、意义及研究内容 开关磁阻电机自问世以来，以其优越于传统电机的结构、性能和经济指标， 受到学术界极大的关注。与各类调速系统相比，开关磁阻电机驱动系统以其结构 简单、工作可靠、效率高和成本低等优点具有相当的竞争力。 开关磁阻电机驱动系统是位置闭环系统，获得转子位置信号的传统方式是采 用位置传感器直接检测，但位置传感器的存在不仅削弱了开关磁阻电机结构简单 的优势，而且降低了系统高速运行的可靠性，增加了成本。因此，探索实用的无 位置传感器检测转子位置的方案成为开关磁阻电机驱动系统研究的热点1 1 0 - 1 2 。另 一方面，开关磁阻电机的转矩脉动直接影响其驱动系统的输h 特性，转矩脉动的 5 第一章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 增大将不可避免地加重电机本体的振动，增加电机运行时的噪声。因此，对开关 磁阻电机转矩波动抑制的研究一直得到高度重视【1 3 。5 1 。 近年来许多文献都对上述两个问题进行了讨论，提出了各种可行的方案。由 于开关磁阻电机定转子是双凸极结构，且为了获得较好的出力，常常需要将电机 设计得较为饱和，导致了开关磁阻电机的电磁特性呈高度非线性。在精确的数学 模型基础上实现其智能控制十分困难，而人工神经网络的出现为解决此问题提供 了新的思路【1 6 1 7 】。作为一种新型的人工神经网络，柔性神经网络采用了柔性的 s i g m o i d 型函数，对于一个确定的任务，网络中各个s 函数将适应于各自不同的形 状。学习、训练时不仅需要修改连接权，而且同时调整s 函数形状，以使其获得 高度柔性和强学习能力，可以更好地应用于开关磁阻电机控制中【1 8 。2 0 1 。 鉴于上述情况，本文主要展开了以下几个方面的工作： ( 1 ) 对开关磁阻电机的结构、工作原理及非线性数学模型进行深入的分析 和研究，并根据实验样机相关数据，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境中建立电 机的非线性动态仿真模型，作为实现柔性神经网络控制方法的基础。 ( 2 ) 提出一种利用柔性神经网络进行开关磁阻电机无位置传感器控制方法， 该方法采用柔性神经网络作为控制网络，建立开关磁阻电机绕组电流、磁链与转 子位置之间的非线性映射，进而在线估计转子位置，实现位置传感器的消去。 ( 3 ) 提出一种基于柔性神经网络的开关磁阻电机转矩波动抑制方法，以转 矩分配函数为基础，将柔性神经网络用于开关磁阻电机的转矩逆模型预测，从而 抑制因非理想电流波形引起的转矩波动，并在( 1 ) ( 2 ) 工作的基础上对无位置 传感器控制下的开关磁阻电机转矩波动抑制方法进行了研究。 ( 4 ) 在理论研究的基础上，设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为核心的开关磁 阻电机控制系统，进行了硬件电路设计和实验。 6 第二章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 第二章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 本章阐述了开关磁阻电机及其驱动系统的基本构成、各部分的工作原理以及 驱动系统的性能和特点。 2 1 开关磁阻电机驱动系统的结构 开关磁阻电机驱动系统主要由开关磁阻电动机，功率变换器，控制器和位置 检测器四大部分组成，如图2 1 所示。 2 1 1 开关磁阻电机 图2 1 开关磁阻电机驱动系统基本构成 出 开关磁阻电机是其驱动系统中实现机电能量转换的部件，它的结构和工作原 理与传统的交直流电机有着很大的差别【2 1 】。图2 2 为典型的开关磁阻电机结构原 理。其定转子均由普通硅钢片叠压而成，转子既无绕组也无永磁体，定子各极上 绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。 开关磁阻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、径向气隙和轴向一径向混合气隙 结构，内转子和外转子结构。低于三相的开关磁阻电机一般没有自起动能力。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、成本增高。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 为常见的开关磁阻电机 定、转子极数组合方案。 7 第二章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 u s 图2 - 2四相8 6 极开关磁阻电机典型结构原理图 表2 1开关磁阻电机极数的各种组合方案 2 1 2 功率变换器 功率变换器是开关磁阻电机运行时所需能量的供给者，在整个开关磁阻电机 驱动系统成本中，功率变换器占有很大的比重，合理选择和设计功率变换器是提 高开关磁阻电机驱动系统性价比的关键之一，功率变换器主电路形式的选取对开 关磁阻电机的设计也直接产生影响，应根据具体性能、使用场所等方面综合考虑， 找出最佳组合方案1 2 2 - 2 3 】。 开关磁阻电机驱动系统常用的功率变换器主电路有许多种，应用最普遍的如 图2 3 所示的三种。 图2 3 ( a ) 所示的主电路为不对称半桥供电方式，每相有两个主开关，工作 原理简单。斩波时可以同时关断两个主开关，也可只关断一个。这种主电路中主 开关承受的额定电压为u 。它可用于任何相数、任何功率等级的情况，在高电压、 大功率场合下有明显的优势。 8 第二章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 ， ( a ) 。z 1v d ； ； d 2 广 zf 弋坞 ( b ) 图2 3 三种基本的功率变换器电路 ( c ) 图2 3 ( b ) 所示的主电路为双绕组功率变换器，特点是有一个初级绕组w l 与 一个次级绕组w 2 完全耦合( 通常采用双股并绕) 。工作时，电源通过开关管v 向 绕组w l 供电；v 关断后，磁场储能由w 2 通过续流二极管v d 向电源回馈。v 承受 的最大工作电压为2 u ，考虑到过电压因素的影响，v 的反向阻断电压定额通常 取4 u 。可以看出，这种主电路每相只有一个主开关，所用开关器件数少。其缺 点是电机与功率变换器的连线较多，电机的绕组利用率较低。 图2 3 ( c ) 所示的主电路为裂相式电路，以对称电源供电。每相只有一个主 开关，上桥臂从上电源吸收能量，并将剩余的能量回馈到下电源，或从下电源吸 取能量，将剩余的能量回馈到上电源。因此，为保证上、下桥臂电压的平衡，这 种主电路只能使用于偶数相电机。主开关正常工作时的最大反向电压为u 。由于 每相绕组导通时绕组两端电压仅为u 2 ，要做到开关磁阻电机出力相当，电机绕 组的工作电流须为图2 3 ( a ) 所示的主电路的两倍。 这三种主电路各有优、缺点。图2 3 ( a ) 所示的主电路控制起来灵活，流经 主开关的电流小，适配电机的范围大，图2 3 ( b ) ( c ) 所示的主电路所需主开关 的数目少。由于各主电路的主开关总伏安容量大抵相等，成本相差不大。 2 1 3 控制器及控制方式 控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流 等反馈信息及外部输入的指令，实现对开关磁阻电机运行状态的控制，是开关磁 阻电机驱动系统的指挥中枢。早期开发的开关磁阻电机驱动系统一般采用完全硬 件电路方案，优点是动态响应快，缺点是电路复杂，很难实现较复杂的控制策略， 且灵活性和稳定性较差。采用单片机作为控制核心的方案就非常灵活，但系统响 应速度受单片机速度影响比较大。随着单片机处理位数的提高，尤其是d s p 的 出现，使得控制的实时性大大提高，由于大部分功能由软件完成，使得许多复杂 9 第二章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 的控制方案得以实现。在开关磁阻电机驱动系统中，要求控制器具有下述性能： 电流斩波控制，角度位置控制，起动、制动、停车及四象限运行和速度调节【2 4 1 。 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。控制方式是研究开关磁阻电机驱动系统的一个重要问题，是关系 到系统优劣的决定因素。开关磁阻电机的可控量有加于绕组两端的电压职，开通 角和关断角以，等。电机的控制方式主要是针对以上三个可控变量的优化控制， 一般分为：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 ，c c c ) 、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 ，a p c ) 和电压斩波控制方式( 电压p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，p w m ) 三种【2 5 】。 电流斩波控制方式适用于低速和制动运行，可起到有效的保护和调节作用。 转矩比较平稳，合成转矩脉动小，适用于转矩调节系统( 如恒转矩系统) 。但该 控制方式在调速系统中抗负载扰动的动态响应比较缓慢。其原理是保持开通角 眈。和关断角眈i 不变，在萨眈。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啊时，关断功率开关，绕组承受反压，电流快速下降； 当电流降至斩波电流下限l 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，重复上述过程，将电流限定在给定的电流上、下限之间，并借此达 到控制电机转矩的目的。 角度位置控制方式适用于电机运行的高速区，且转矩调节范围较大，通过角 度优化，可使电机在不同负载下保持较高的效率。但当转速较低时，该控制方式 容易造成电流峰值过大，具体的转速限制由电机绕组设计参数决定。其原理是在 加于相绕组两端电压不变的情况下，通过调整主开关器件的导通角以，即开通角 以。和关断角来获得不同波形和幅值的相电流，达到调节电机转矩的目的。 对相电流波形和电机运行性能影响很大：既。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； 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。眈厂般不影响电流的峰值，但影响电机的出力。o o 过, j 、，相电流过 早截止，电机出力小；以祉大，续流电流将产生过大的制动转矩。 电压斩波控制方式既能用于高速运行，又适合于低速运行，与电流斩波控制 方式相反，由于其抗负载扰动的动态响应快，适合于转速调节系统，但低速运行 时转矩脉动较大。其原理是在导通区间内，使功率开关驱动电压按p w m 方式工 作，其脉冲周期丁固定，占空比d 可调，改变占空比，则改变了绕组电压u 的 平均值，进而调节绕组电流，实现对转矩和转速的调节。提高脉冲频率户l l 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 l o 第二章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 将随之增大，从而导致元件寿命缩短。 综上所述，开关磁阻电机可采用多种控制方式，不同方式对应的电动机特性 差异很大，因此选择适当的控制方式是极其重要的。为了适应较宽的调速范围， 使电动机在各种不同工作条件下均有较好的性能指标，一般可选用几种控制方式 的组合，如低速电流斩波控制一高速角度位置控制，变角度电压斩波控制等。 2 1 4 位置检测器 位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕 组的导通和关断时刻。位置传感器的种类很多，如霍尔传感器、光电式传感器、 接近开关式传感器、谐振式传感器和高耦合式传感器等。其中，光电式位置传感 器因其简单、实用而得到广泛应用；它的缺点是检测精度不高，不适用于对电机 进行角度控制的场合。改进的措施是配上相应的倍频电路，以提高转子角度分辨 率，从而实现角度控制所需的角度精确定位。在调速范围较广，倍频电路的动态 响应时间不能满足要求时，还需在电动机轴上加上光电编码器，直接产生高分辨 率的角度位置脉冲信号。采用无位置传感器的位置检测方法是开关磁阻电机驱动 系统的发展方向，对降低系统成本、提高系统可靠性有重要的意义。 2 2 开关磁阻电机驱动系统工作原理及特点 2 2 1 开关磁阻电机基本工作原理 开关磁阻电机的转矩是磁阻性质，其运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁 通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力，如图2 2 所示， 具体过程如下： 当定子d d 极励磁时，所产生的磁力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，依次给d - a 叶b 叶c 相绕组通电，转子即会逆着励 磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给b _ a d c 相绕组通电，则转 子即会沿顺时针方向转动。可见，开关磁阻电机的转向与相绕组的电流方向无关， 而仪取决于相绕组通电的顺序。若改变相电流的大小，则可改变电动机转矩的大 小，进而改变电动机转速；若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩将 会与转子旋转方向相反，成为制动转矩。由此可知，通过简单地改变控制方式便 可改变电动机的转向、转矩、转速和工作状态。另外，从图2 2 还可以看出，当 主开关器件s l 、s 2 导通时，a 相绕组从直流电源u 。吸收能量；当s l 、s 2 关断时， 第_ 二章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 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u 。，因此，开关磁阻 电机具有能量回馈的特点，系统效率高。 磁路饱和非线性是开关磁阻电机的一个重要特征，因此电磁转矩必须根据磁 储能或磁共能来计算，即 聊) = 学i ，一 ( 2 - 1 ) 式中目为转子位置角；形为磁共能；i 为相绕组电流。 可见，磁共能形( 9 ，f ) 的变化取决于转子位置角和绕组电流的瞬时值。 由于磁路非线性的存在，式( 2 一1 ) 的求解是比较复杂的，难以推导表述为解析 形式。在对开关磁阻电机的性能作定性分析时，若忽略磁路的非线性，式( 2 1 ) 可简化为 聊，= 导等 ( 2 - 2 ) 式中三为任意转子位置角下的相电感。 图2 4 ( a ) 为理想线性假设下相电感随转子位移角的变化曲线，电机每旋转 一圈，相电感变化的周期数等于转子的极对数，周期长度等于转子极距。由式 ( 2 2 ) 可知，恒定相绕组电流下，对应的转矩变化如图2 - 4 ( b ) 所示。式( 2 2 ) 和图2 _ 4 ( b ) 充分表明，转矩的方向与电流的方向无关，仅取决于电感随转角的 变化情况。如在电感上升期间 岛，易】，相绕组通以电流，则产生正转矩，处于 电动机状态：如在电感下降期间 易，岛 ，相绕组通以电流，则产生负转矩，处 于发电机状态。因此，通过控制相绕组电流导通的时刻、相电流脉冲的幅值和宽 度，即可控制开关磁阻电机转矩的大小和方向，实现开关磁阻电机的调速控制。 开关磁阻电机运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特性区 ( 串励特性区) ，如图2 5 所示。在恒转矩区，由于电机转速较低，电机反电动 势小，因此需对电流进行斩波限幅，即电流斩波控制方式，也可采用调节相绕组 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 角和关断角取得恒功率特性，即角度位置控制方式；在自然特性区，电源电压、 开通角和关断角均固定，由于自然特性与串励直流电机的特性相似，故亦称为串 励特性区。转速 ，、2 为各特性交接的临界转速，是开关磁阻电机运行和设计时 要考虑的重要参数。聍，是开关磁阻电机开始运行于恒功率特性的临界转速，定义 为开关磁阻电机的额定转速，亦称为第一临界转速，对应功率即为额定功率；m 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 1 2 第二章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 转速再增加时，输出功率将下降，地亦称为第二临界转速。 工_ 加 r a o 岛 岛马只 ( b ) 图2 4 相电感、转矩随转子位置角的变化 图2 - 5 开关磁阻电机的运行特性 2 2 2 开关磁阻电机驱动系统的优缺点 对开关磁阻电机驱动系统的理论研究和实践证明，与普通交、直流电动机驱 动系统相比，该系统具有许多明显的优点： ( 1 ) 电动机结构简单、成本低：开关磁阻电机的突出优点是转子上没有任 何形式的绕组，使得电机成本低；转子机械强度高，电机可高速运转而不致变形； 转子转动惯量小，易于加、减速。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造 1 3 第二章开关磁阻电机的结构、工作原理及特点 简便，绝缘结构简单。且发热大部分在定子，易于冷却。 ( 2 ) 效率高、功耗小：开关磁阻电机驱动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耗，另一方面电机可控参数多，控制灵 活，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。高输出和高能量利用率 使开关磁阻电机驱动系统在宽广的应用场合具备了与异步电动机变频调速系统 竞争的能力。 ( 3 ) 高起动转矩、低起动电流：从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧可 得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。典型产品的数据是：当起动转矩达到 1 0 0 额定转矩时，只需1 5 的额定电流【2 6 】。 ( 4 ) 功率电路简单、可靠：因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即 只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关器件，电路结构简 单。另外，系统中每个功率开关器件都直接与电动机绕组相串连，避免了直通短 路现象。因此开关磁阻电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，又具有高的工作可靠性。 ( 5 ) 可控参数多、调速性能好：控制开关磁阻电机的主要运行参数和常用 方法至少有四种：相开通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。可控参数多， 意味着控制灵活方便，可以根据对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，既可使之运行于最佳状态，如出力最大、效率最高等，又可 使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。 ( 6 ) 工作稳定、无失步现象：由于开关磁阻电机驱动系统是自同步运行，所 以它不会出现像变频器供电的感应电机在低频时出现的不稳定和振荡问题。 就目前的发展水平而言，开关磁阻电机存在的主要缺点是： ( 1 ) 采用的是磁阻式电动机，其能量转换密度低于电磁式电动机； ( 2 ) 转矩脉动较大，通常开关磁阻电机转矩脉动的典型值为1 5 ，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 ) 相数越多，主接线数越多； ( 4 ) 需要根据定、转子相对位置投励： ( 5 ) 不能像笼型异步电动机可直接接入电网作稳速运行，而必须与控制器一 同使用。 1 4 第三章开关磁阻电机驱动系统的数学模型及其m a t l a b 仿真 第三章开关磁阻电机驱动系统的数学模型及其m a t l