（控制理论与控制工程专业论文）开关磁阻电动机的动态电感研究.pdf

1学位论文的主要创新点一、提出了一种新的针对开关磁阻电动机的动态电感检测方法，推导了工程实用电感计算方程，并由此提出了一种新的电感测试方法，利用此法可以实时测试电感随电流的变化。二、设计了一种提高电流放大倍数的硬件电路，可以提高对大电流的采样分辨率。三、开发了针对开关磁阻电机的电机测试系统，此系统集动态电感测试、绕组电流、电压检测、电机温度检测等功能于一体，国内首个针对开关磁阻电机的测试系统。开关简单、坚传动领域构，使得特性是实能测试空动态转矩课题之一本文了各自的提出了一定转子角以直接用别。最后要求很高本文处的电感同位置，关键词：a b s t r a c ts w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ss y s t e m ( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e s ，r e f e r r e dt os r d ) ，a si t ss t r u c t u r ei ss i m p l e ，r o b u s t ，l o wc o s t ，f a u l t - t o l e r a n tc a p a b i l i t y , a sw e l la saw i d er a n g eo fr e g u l a t i n gs p e e da n dh i g he f f i c i e n c ya d v a n t a g e si nt h ef i e l do fe l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o nh a sb r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t a st h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o t s ( r e f e r r e dt os r m ) o ft h ep a i r so fr a i s e dp o l a rs t r u c t u r e ，d e t e r m i n e di t su n i q u en o n 1 i n e a ri n d u c t a n c ec u r v e a n dh o wa c c u r a t e l ya n dc o n v e n i e n t l yt om e a s u r es r mi n d u c t a n c ec h a r a c t e r i s t i ci si m p o r t a n t l yb a s e do na c h i e v i n gs r mm o d e l i n gs i m u l a t i o na n dh i g h p e r f o r m a n c ec o n t r 0 1 t r a d i t i o n a li n d u c t a n c et e s t i n gt o o l sc a no n l yt e s tn o - 1 0 a dc h a r a c t e r i s t i c so fi n d u c t a n c ew h i c hw ec a l l e ds t a t i ci n d u c t a n c ea n df u n c t i o ni ss i n g l e ，a ni tc a nn o tm e e tt h eh i g h p r e c i s i o nd y n a m i ct o r q u ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s s od y n a m i ci n d u c t a n c et e s ts y s t e mh a sb e c o m eo n eo fa ni m p o r t a n tr e s e a r c h e so fs r mf e a t u r e s t h ep a p e ra tf i r s te s t a b l i s h e di d e a ll i n e a rs r mm o d e l ，q u a s i - l i n e a rm o d e la n dn o n l i n e a rm o d e l ，a n dd e s c r i b e se a c hc h a r a c t e r i s t i c i td e r i v e dt h ep r a c t i c a lo fi n d u c t a n c ee n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o ne q u a t i o n ，a n da c c o r d i n gt ot h ed e r i v e dc o m p u t a t i o n a lf o r m u l a ，w h i c hp r o p o s e dan e wm e t h o d so ft e s t i n gi n d u c t a n c e t h a ti sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fi n d u c t o ri nb e f o r es a t u r a t i o na n da f t e rs a t l l r a t i o n a n di nt h ec a s eo faf i x e da n g l er o t o r , c a l c u l a t e di n d u c t a n c ev a l u ea c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fc u r r e n tr a t e u s i n gt h em e t h o dd e t e c t st h ei n d u c t a n c ev a l u ec a nb ed i r e c t l yu s e df o rs r mi n d u c t a n c em o d e la n da l s oc a nb ea p p l i e dt ot h ed i 仃e r e n tl e v e l so fe l e c t r i c a lp o w e rt oi d e n t i f y f i n a l l y , t h ep a p e rd e s i g nas w i t c h e dt e l u c t a n c em o t o rt e s ts y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h et e s tm e t h o dr e q u i r e sh i g hp r e c i s ec u r r e n t ，s ot h ed e s i g np r o c e s sh a sd e v e l o p e dah a r d w a r ec i r c u i t r yt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fc u r r e n td e t e c t i o n t h ep a p e rt e s t e ds e v e r a ld i f f e r e n tp o w e rl e v e l so fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ra tl o c a t i o n so fm a x i m u ma n dm i n i m u mi n d u c t a n c ed e p a r t m e n ta n ds p e c i f i c a l l yt e s t e dallk w , 15 0 0 r p m ，12 8t h r e e p h a s eo ft h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ri nd i f f e r e n tl o c a t i o n sa n dd i f f e r e n tc u r r e n t so ft h ei n d u c t a n c e k e y w 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 ，i n d u c t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i ci n d u c t a n c et e s t ，s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rt e s ts y s t e m目录第一章绪论11 1 课题的目的和意义11 2 开关磁阻电机发展概述11 3 开关磁阻电机调速系统发展概述31 3 1 应用方面31 3 2s r m 设计方面41 3 3 功率变换器设计方面41 3 4 控制器的设计51 4 开关磁阻特性研究现状51 4 1 现阶段s r m 主要特性检测方法51 4 2 当前电感测试的主要方法61 4 3 本文的主要研究工作1 0第二章开关磁阻电动机的基本结构及工作原理1 l2 1 引言1 l2 2 开关磁阻电机的结构及驱动原理1 12 3 开关磁阻电动机数学模型1 22 3 1 电路方程1 32 3 2 运动方程1 42 3 3 机电方程1 42 4 本章小结1 6第三章s r m 的数学模型一173 1 引言173 2s r m 的简化线性模型173 2 1 简化线性模型的电感特性1 73 2 2 简化线性模型的磁链特性1 83 2 3 简化线性模型的转矩特性1 93 3s r m 的准线性模型2 03 3 1 准线性模型的电感特性一2 13 3 2 准线性模型的磁链特性2 l3 3 3 准线性模型的转矩特性2 13 4 非线性模型的电感特性2 23 5 本章小结2 4第四章电感测试原理及方法2 54 1 引言2 54 2 动态电感与静态电感的关系2 54 3 动态电感的计算2 64 4 由动态电感计算磁链特性的方法2 64 5 转矩特性的计算方法2 84 6 开关磁阻电机动态电感检测方法2 94 6 1 不同位置下瞬时电感的测试3 04 6 2 饱和电感的测试3 04 6 ：3 最大电流下的电感值j 3 04 7 本章小结31第五章基于d s p 2 8 1 2 的s r m 检测系统硬件设计3 35 1 引言3 35 2t m s 2 8 1 2 的结构与特点3 35 3 电流检测方法3 55 3 1 电流传感器的选择3 65 3 2 电流信号的放大处理3 75 4 电压检测电路4 55 5 功率电路设计4 65 5 1 驱动电路设计4 65 5 2 保护电路设计4 75 6 温度检测电路4 95 7 通讯电路4 95 7 1 串口通信5 05 7 2c a n 通讯5 05 7 3s d 卡存储515 8 本章小结5 2第六章系统软件设计5 36 1 引言5 36 2 初始化程序5 36 3 指令管理子程序5 46 4 中断流程5 56 4 1a d 中断子程序5 66 4 2 电流控制子程序5 76 5 电机检验子程序6 06 6 固定电流子程序6 06 7 电感的计算6 16 8 故障判断6 26 9 通讯子程序6 36 9 1 串口通讯子程序6 36 9 2c a n 总线通讯子函数6 76 9 3s d 卡通讯6 76 1 0 本章小结6 8第七章实验结果6 97 1 实验环境及准备6 97 2 测试实验7 07 2 1 电流检测装置的测试7 07 2 2 动态电感的测试7 17 3 本章小结7 4第八章总结与展望7 58 1 总结7 58 2 展望7 5参考文献7 7l l攻读硕士学位期间发表论文和参加科研情况8致谢8l l l第一章绪论第一章绪论1 1 课题的目的和意义开关磁阻电机( 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 m ) 是在交流调速技术得到迅猛发展的8 0 年代，国外推出的一种交流调速电动机新品种。与其它类型的电动机相比，s r m 具有许多独特的优点，如s r m 具有简单的双凸极机构，只有定子极上有绕组，而转子上无任何绕组，绕组电流的极性对电磁转矩无影响，且具有起动转矩和转矩惯量比较大等优点。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 ed r i v e ，简称s r d ) 是一种新型的调速系统，由s r m 、功率变换器、控制器及传感器组成，其中s r m 是s r d 系统的执行元件。该系统结构简单、维护方便，启动及低速时转矩大、电流小，高速恒功率区范围宽、性能好，调速范围宽，在很宽的转速及功率范围内均有高效率而且有很好的容错能力。其运行性能和经济指标比普通的交流调速系统，甚至比晶闸管一直流电动机系统都优良，具有很大的应用潜力。因而近些年来，它在交流调速领域异军突起，发展颇为迅速，成为当代电气传动领域的热门课题之一。s r d 是一个多变量、强耦合的非线性系统，在不同的控制方式下，其电感量都是变化的，而这些是由于s r m 独有的特性所决定的，因此要想获得对s r m更好的控制，就要对s r m 的特性有所了解。而在s r m 的各种特性中电感特性对其它特性有着重要的影响，但是由于其电感曲线是角度和电流的函数，具有严重的非线性，很难用解析式表达，因此若能准确的获得s r m 的电感特性，对其调速性能的改善和电机性能的提高有着重要的实际意义。在s r m 电感特性中，动态电感更能实时地反应转矩大小，能够更加精准地控制s r m 转矩，减少转矩的脉动，但是目前缺少对动态电感特性的精确测试方法，为此本测试系统针对这一要求设计了专用于开关磁阻电机的测试系统。1 2 开关磁阻电机发展概述开关磁阻电机基本原理最早提出在1 9 世纪4 0 年代，当时的研究人员认为，利用顺序磁拉力使电动机旋转是简单可行的。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 制造出了最初的s r m 模型，但是因为当时的科技条件落后，电动机的天津：业人学硕十学何论文运行特性很差。在以后的1 0 0 多年间，开关磁阻电机的发展缓慢。2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管的研制投产，为s r m 的研究和发展奠定了重要的物质基础。1 9 6 7 年，英国的l e e d s 大学开始对s r m 进行深入研究。到1 9 7 0 年左右，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，电动机成本也明显低于同容量的异步电动机。七十年代初，美国福特公司也研制出最早的开关磁阻电动机调速系统，其结构为轴向气隙电动机，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。1 9 7 3 年英国的n o t t i n g h a m 大学也开始对s r m 攻关。1 9 7 5 年，上述两所大学的研究小组联合参加了c h f 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，成功研制出用于电动汽车5 0 k w 的s r m 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，这充分说明了s r m 大有前途。1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授及其同事总结了自己的研究成果，发表了题为变速开关型磁阻电动机的论文，标志着s r m 得到国际社会的承认。该论文系统阐述了s r m 的基本原理及基本设计理论，研究了s r m 的特性及其控制方式。同年英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司( s r d l t d ) ，专门进行s r d 系统的研究、开发和设计。1 9 8 3 年s r d l t d 首先推出了s r d 系列产品，该产品命名为o u l t o n 。1 9 8 4 年t a s c 驱动系统公司也推出了他们的产品。另外s r dl t d 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1 9 8 6 年已经运行5 0 0 k m 。开关磁阻电机驱动系统的出现，在电气传动界引起不小的反响。因为它在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些调速系统【l 】。美国、加拿大、埃及等国家也都开展了s r d 系统的研制工作。s r d 一般用于牵引，例如电瓶车和电动汽车。工业用的开关磁阻电机调速系统可以在取消变速箱的情况下，使传动比达到2 0 ：1 ，同时获得接近伺服系统性能的整体效益。研究表明s r m 的转矩范围为0 0 1 - 1 0 m n m ，功率范围从1 0 w ( 1 0 0 0 0 r m i n 时) 到5 m w ( 5 0 r m i n 时) ，美国已为空间技术研制了一个2 5 0 0 0 r m i n 、9 0 k w 的高速s r d样机【2 】。同时各国也展开了s r m 的理论研究，对s r m 的运行理论，电磁场的分析，电机结构，位置检测，控制策略，电机振动和噪声等理论方面进行了不少研究。2第一章绪论我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于1 9 8 4 年，新型电机车开关磁阻电机调速系统，1 9 9 8 年己完成工厂实验，并于1 9 9 9 年完成现场实验。此套电机车开关磁阻电机调速系统的研制成功，是我国首例开关磁阻电机在电机车调速系统中应用，并具有较大的经济效益。此套系统达到国内领先水平，一些关键技术达国际先进水平。s r m 系统的研究己被列入我国中小型电机“九五”和“十五”科研规划项目。在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上，华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用s r m 的纯电动轿车，在“十五”项目中将s r m 应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。北京纺织机械研究所( 现北京锐力机电有限公司)将s r m 应用于印花机、卷布机、煤矿牵引及电动车辆等方面，并取得了显著的经济效益，且在国内生产出了第一台4 0 0 k w 大功率丌关磁阻调速电机，不仅在国内，在国际上达到了领先水平。近年来，国内己有一大批高校、研究所和工厂投入丌关磁阻电动机调速系统的研究、开发和制造工作，至今己有十余家单位推出不同性能不同用途的几十个系列规格产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等行业。【2 】1 3 开关磁阻电机调速系统发展概述1 3 1 应用方面在应用方面，各国学者将s r d 与各类调系统，特别是与以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。表1 1 为开关磁阻电机与其它传动系统的比较 3 1 。表1 1 表明s r d 这种机电一体化调速系统显著优势，打破了长期以来双凸极磁阻电动机效率低、只能在小功率范围内应用的传统观点。目前，s r d 的应用领域己从最初侧重于牵引运输，发展到工业、航空和家用电器等各个领域。天津i ：业人学硕十学位论文表1 1开关磁阻电机与其它传动系统的性能比较电磁调速系直流系统p w m 变频开关磁阻系统比较项目统系统成本0 81 01 51 o效额定转速7 57 67 78 3率5 0 额定转3 86 56 58 0速电动机容量体积o 81 o0 9 1 0控制能力o 31 0o 50 9控制电路复杂0 21 01 81 2可靠性1 31 oo 91 1噪声d b6 96 57 47 4备注：1 各系统均为7 5 k w ，1 5 0 0 r m i n ，恒转矩负载。2 表中各参数均是对直流系统的相对值表示。1 3 2s r m 设计方面在s r m 设计方面，各国学者主要针对s r m 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 m 电磁转矩的分析与计算方法。显然，从s r m 线性模型出发，即忽略磁路饱和的影响，认为相电感与电流无关，有助于分析的简化和使概念清楚。l a w r e n s o n 以线性化方法为基础讨论了s r m 的级数、相数、极弧的设计准则等问题，为s r m 的设计奠定了初步的理论基础；c o r d a 借助s r m 线性模型导出了“理想化”，s r m 的转矩解析式，为优化电动机设计提出了依据。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 m 内部饱和磁场的分析及电磁转矩的准确计算和动态仿真。1 3 3 功率变换器设计方面8 0 年代初，主开关器件选用的皆为普通晶闸管。鉴于s r d 电流脉冲峰值较大，而普通晶闸管电流峰值平均电流的比值高，能承受很大的浪涌电流，一度被视为s r d 理想的主开关器件。但是普通晶闸管无自关断能力，开关频率低使s r d 的性能受到影响。8 0 年代中期g t o 的出现，由于其结合了普通晶闸管、g t r 两者优点而受到重视。现阶段，国内外针对小功率s r d 多采用m o s 场效4第一章绪论应管( m o s f e t ) ，而在较大功率场合大都采用绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 。确定主开关器件电流定额的关键，是根据电流波形求其有效值或峰值，但困难在于电流波形与s r d 的功率，控制方法、电动特性有关，很难准确预知。n o t t i n g h a m 大学的r a y 等利用线性化方法，导出有解析解的相对电流波形简化方程，据此，可分析电感曲线变化对主开关器件定额的影响。1 9 8 5 年，m i l l e r应用两段直线的理想饱和磁化曲线代替实际磁化曲线的非线性代数分析方法，建立了一些影响功率变换器伏安要求和转矩转速特性的各种因素的概念，如“能量比率”这一与传统交流电动机功率因数类似的重要概念，并阐述电动机磁路饱和的主要效应有两个方面，即导致一定转矩所需的电动机尺寸增加和功率变换器伏安容量要求减小，从而可以选出所需的主开关器件。1 9 9 0 年，p o l l o c k 对s r 电动机功率变换器主电路的拓扑进行了研究，在原有不对称半桥电路的基础上，开发出一种新的功率变换器电路结构，其全部电源电压施加于相绕组，主开关器件的电压额定值与电源电压接近，而采用的主开关器件数每相平均分摊却少于两个，从而构成一种“主丌关器件数最少的s r 电动机功率变换器”。1 3 4 控制器的设计1 9 8 2 年，c o r d a 借助s r m 的线性模型，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 m的基本控制策略。由于s r m 起动及低速运行时，旋转电动势较小，为限制电流不超过限值，常采用电流斩波控制方式。就整个s r d 的研究发展看，对其控制系统的分析与研究，比起对s r 电动机及其功率变换器的研究、设计，相对地要不充分得多。由于s r d 具有严重非线性及变结构、变参数、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。综上所述，s r d 作为一项方兴未艾的新技术涉及电动机、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，无论是理论上还是应用上都存在不少问题，有待进一步的研究与完善。1 4 开关磁阻特性研究现状1 4 1 现阶段s r m 主要特性检测方法由于s r m 的双凸极结构及采用脉冲供电方式使得其电感曲线具有严重的非天津i ：业人学硕十学位论文线性，难以用解析式准确表达。若能获得s r m 的电感，磁链，转矩等基本特性，对其分析有着重要的影响，因此对s r m 电感特性的检测手段，直接影响对s r m分析准确性和是否可以真正反映其特性。通过获取磁链特性和转矩特性进行分析，常用的方法有两种，其一，通过实验测量s r m 电磁特性；其二，在已知电机结构参数条件下，采用有限元方法计算s r m 电磁特性。二维有限元分析在定、转子凸极不对齐位置因端部磁场作用误差很大，相对误差约为2 0 【3 1 。三维有限元法可提高精度，但计算非常烦琐、耗时。文献【1 采用分析方法估算s r m 相绕组电感特性，该方法相对容易，但误差较大。p r e s c o t 8 1 提出采用在电机内部加一探测绕组，通过磁链测量仪表测量电机绕组相电感，此法实现困难且误差很大。r a ) ，【9 1 等采用向s r m 一相绕组加电流脉冲，通过模拟积分电路积分该相电流衰减过程的绕组端电压来测磁链值，此法需针对每一转子位置和每一个电流值进行测量，工作量很大。k r i s h n a n 1 0 】比较了几种测量方法，其中的高频叠加法不适于s r m ，而采用硬件积分器的直接磁链测试法虽比高频叠加法有很大改进，但受运算放大器温漂、放大器增益阻值精度及硬件积分器精度的影响，测量误差大。r a m a n a r a y a n a n 1 1 1 采用数字示波器记录被测相绕组的电压衰减过程的瞬变电压、电流值计算磁链，以及采用转矩传感器测量转矩特性。s r m 电感的变化能真正反映其动态特性，以上方法都比较繁琐不能直接得到所需的电感值，或者就是检测方法比较复杂难于实现。基于s r m 电感特性对分析其性能的重要性，检测出其电感随角度和电流变化的特性参数是关键。1 4 2 当今电感测试的主要方法当今电感测试主要用的仪器是l c r 测试仪，其测试方法主要有以下几种：( 1 ) 桥路法( b r i d g em e t h o d )桥路法的应用比较普遍，其根据桥路平衡的原理，通过已知阻抗的值，求未知阻抗的值。其原理如下图1 1 所示，当没有电流流过检测元件d 时，那么z x的值为：6第一章绪论7 一z 17一x j 一3z ，其中变量z l 、z 2 、z 3 已知，它们可以是电感、电容或是电阻。根据变量的不同，所测的元件类型不同。桥路法具有很高的精度，测试频率所覆盖的元器件类型多样，很低的功耗的优点。但是每次检测前需要人工手动调整桥路平衡，使工作量增大，给检测带来不便，且不可避免的使误差也随之增大，对于单一测试元件，其测试频率很窄，对于电感量的测试，只能检测空载下的电感值。：，卜l ：，ji 、，f ，coj，1p z 2 ，i 7 2 7 3 |；，7；、毒o s c；，二i 0 t“，( 2 ) 共振法( r e s o n a n tm e t h o d )该方法通过调节电路中的可调电容的大小，以使电路达到共振点，那么电路中未知量l x 、r x 可以通过测试频率和已知的电容值和q 值求得。测试框图如下图1 2 所示，其特点是具有q 值的精度较高，且由很高的q 值。但是，用此法测量需要调节共振点，给测量带来了难度，且测量精度不是很高，只能测量空载情况下的电感值。7大津i ：业人学硕十学位论文i o r 弋h 霉c ，；07 ；yr x ； ：( 3 ) 电流一电压法( i v m e t h o d )此法可以根据电路中测得的电压、电流值，即可获得z x 的值。测试原理图如下图1 3 所示，电流可以通过测量一个已知的具有很小阻值的电阻上的压降，计算获得。实际中电阻一般用低损耗的变压器代替，以防止在电阻上过多的损耗，造成的测量误差的增加。但是由于变压器的使用，使得测试频率的范围受到影响，其测试电感为空载情况下的电感值。图1 3i - v 法( 4 ) 频率电流一电压法( r fi vm e t h o d )该测试方法根据对所测物体通入的频率范围的不同，有两种类型。一种用于低频测试类型，一种用于高频测试类型，原理图如下所示。通过获得待测物体的压降和流过的电流值，并计算获得其阻抗值，并分析出其电感大小，在实际中电阻r 一般用变压器代替，以降低功耗。这样也限制了其在低频段的测量范围，其所测电感也为空载情况下的电感。一骗。r_一r一谬囊t一鬻电流与流过电阻r 的电流相等，通过检测待测物体的压降，即可获得待测物体的阻抗值，并可分析出电感值。原理框图如下图1 5 所示。这种方法可以由很宽的频率范围，可以从低频2 0 h z 到高频1 1 0 m h z ，精度也很高，但是高频范围很多没有用到，其检测的也只能是空载情况下的电感。0 5 矿一图1 5 自动平衡桥方法以上方法所测电感值均为空载情况下的电感，并不能检测出绕组通电流时的电感值，且对所通的检测电流值有所限制，检测电感受电流变化影响的范围不是很宽。且上述测试设备功能单一，只能检测电感值，不能对电机测温度、电流、电压、功率进行测试，在实际使用中并不方便。本文针对s r m 的特性提出了一种新的电感测试方法，针对此方法设计了一种高精度的电流检测装置，并研制了针对s r m 的集电感、温度、电流、电压、功率测试与一体的测试系统，且对s r m9天津f ：业人学硕十学位论文电感随电流角度变化的特性进行了测试。1 4 3 本文的主要研究工作在s r m 的研究中，s r m 的电感模型的建立对电机电流的控制有很大的意义。现在大多电感测试方法都是间接的，不能直接获得电感数据，且普通的电感测试设备并不能在绕组通大电流时检测绕组电感值，因此给s r m 模型的建立及仿真带来了众多不便。并且现有的电机测试设备并没有针对开关磁阻电机的，因此本文在广泛吸收前人经验的基础上，提出了电感检测方案，所检测的数据可为电机的建模提供必要的参数，并设计了针对开关磁阻电机实际应用的测试系统。具体工作包括以下方面：( 1 )首先分析了线性模型、准线性模型、非线性简化模型的磁链、电感、转矩特性。( 2 )分析了动态电感与静态电感的关系，推导出了适用于工程上的动态电感计算的方法。( 3 )提出了适用于开关磁阻电机的动态电感检测的方法及其它特性的检测手段。( 4 )设计并完成了基于d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 测试系统的硬件电路，并编写了系统软件。1 0第二章开关磁阻电动机的基本结构及i ：作原理第二章开关磁阻电动机的基本结构及工作原理2 1 引言开关型磁阻电动机调速系统是s r m 与现代电力电子技术、控制技术为一体，一种新型的机电一体化的交流调速系统。与得到广泛应用的交流变频调速系统相比，s r d 这一新型运动控制系统己显示出对传统调速系统强大的竞争力。然而，由于其定、转子双凸极结构和励磁方式的特殊性，使得s r m 调速系统还存在着不足。2 2 开关磁阻电机的结构及驱动原理与反应式步进电机相似，s r m 为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。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串联构成一个磁极，称为“一相”。如图2 1 所示，为1 2 8极丌关磁阻电机。其工作原理是对某相绕组激磁，绕组上就有电流流动，形成磁力线在空间中构成一封闭回路。转子往电感较大，磁阻较小的方向移动，即遵循“磁阻最小原理”。为防止转子、定子锁死，其结构上转子、定子极数必须不同，一般为6 4 、8 6 、1 2 8 等。大泮l ：业人学硕十学位论文a 2图2 11 2 8 级开关磁阻电动机开关磁阻电动机采用分相顺序励磁方式，可以视作为一台具有转子位置感测的步进电机。当某相定子绕组激磁时，此时转子会向最大电感、最小磁阻的位置移动。以图2 1 为例，对a 相定子通电时，此时离a 相最近的转子会向其移动，对b 相通电，离b 相最近的转子向其移动，如此对其以a b c a 顺序通电，则转子会按顺时针转动，反之，若按c b a c 顺序通电，转子会按逆时针方式转动。 1 2 1 【1 4 】2 3 开关磁阻电动机数学模型s r m 电动机运行理论与任何电磁式电机装置运行理论在本质上没有区别。如果把s r m 看成是一对电端口和一对机械端口的二端口装置，如图2 2 所示，不计磁滞、涡流和相间的互感，则对于m 相的邻电机，整个系统的微分方程可由电路方程、机械方程和机电联系方程三部分组成。【1 】 【3 1 、【1 5 】1 2第二章开关磁阻l 乜动机的基本结构及i ：作原理丽一( 卜无缀| 磁场系统卜0 n ，目)帆o 船，印t一| f ，l d r万扯 f ，穗( ，a )善、图2 2m 相开关磁阻电机图中：j 一转动惯量；d 一粘滞系数；瓦一负载转矩；2 3 1 电路方程s r m 的k 相电压平衡方程为：u k = r , i k + 等式中：矾一k 相的端电压；t - k 相绕组电流；r k 相绕组阻值；肌一k 相绕组磁链；其中1 l ，。为关于绕组电流和转子位置角0 的函数【16 1 ，可表示为：虬= ( ，p )电机的磁链可由电感和电流的乘积表示：y t = l i k而电感是电流和转子位置角0 的函数，所以磁链可表示为：= t ( ，o ) i k( 2 _ 1 )( 2 - 2 )( 2 3 )( 2 4 )天津i ：业人学硕+ 学位论文将式( 2 4 ) 带入式( 2 1 ) 可得：吣砧t + 等7 d i - i 等鲁= r j k + ( 钳t 百a l k ，瓦d i + 等鲁5 ，式( 2 5 ) 表明，电源电压与电路中的三部分电压相平衡。其中，等式右端第一项为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，所以称为旋转电动势。2 3 2 运动方程按照力学定律可列出在电动机电磁转矩i r e 和负载转矩五作用下的转子机械运动方程：州害+ 。鲁峨( 2 - 6 )式中：j 一转动惯量；d 一粘滞系数；2 3 3 机电方程电端口和机械端口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方程。s r m 一相绕组在一个周期中的机电能量转换过程可通过其在磁链一电流( 沙一f ) 坐标平面轨迹加以描述。忽略相绕组间的互感，可以从一相入手观察s r m 的电磁转矩。如图2 3 所示，每相在一工作周期内输出的总机械能为既= ( 耐妙，即为运行轨迹所包围的面积( 图中由斜线的区域) 。在图2 3 上，任一点处的绕组的磁储能大小为运行点对应转子位置处的磁化曲线以左的面积，图中斜线以左区域为运行点c 的绕组磁储能的大小。c 点为换相点，此时主开关器件关断，绕组电流开始下降。1 4第一二章开关磁阻电动机的基本结构及i ：作原理0 0 52 55 07 21 0 0j ( 卿图2 3 磁链一电流( 一i ) 曲线那么在任一运行点处的瞬时转矩可根据虚位移原理按下式计算，即为：卜剖一矧( 2 7 )其中w 为绕组磁共能，w 为绕组磁储能，它们的表达式分别为：形= l 触= j t ( o ，f 矽( 2 - 8 )wr i ( w ，口) d 少( 2 9 )根据机电能量转换的基本原理，在图2 3 中，当d 相绕组通以电流i 时，在转子上产生的电磁转矩丁( f ，0 ) 可以由下式表示：为：w ，= 警= f 警击协由于磁链是电感和电流的函数，且由上式可见，电磁转矩疋( f ，0 ) 完全取决于电流f 的大小和电感l ( i ，0 ) 对于转子位置的变化率。由于s r m 的双凸极结构，目s r m 经常工作在饱和区，所以电感是电流、角度的非线性函数。因此获得1 5大津i ：业人学硕十学位论文s r m 电感的精确特性曲线，可以更好地分析s r m 。因电动机及其负载都有一定的转动惯量，决定电动机出力及动态特性的往往是平均转矩，因此计算平均转矩比计算瞬时转矩更有意义。对式( 2 1 0 ) 在一个周期内积分并取平均，且考虑到m 相绕组的对称性，则s r m 的输出平均转矩为：r ：竺生f 乃 t d o ：竺生f 乃，r 望曼盟舅彰口2 万由2 刀小国a 口77( 2 11 )式中：f 一相电流中间变量；m s r m 的相数；，一s r m 的转子数；，一动态电感；2 4 本章小结开关磁阻电动机为双凸级可变磁阻电动机，其具备了结构简单、坚固，工作可靠，效率高，成本低等优良特点，具有很大的应用潜力。本章对开关磁阻电机的基本结构及其工作原理进行了阐述，并且分析了s r m 运行的基本方程，s r m可看作一对电端口和一对机械端口的二端口装置，因此它的基本方程分为电路方程、机械方程和机电联系方程。1 6第二章s r m 的数学模型第三章s r m 的数学模型3 1 引言建立s r 电动机数学模型的主要困难在于电动机的磁路饱和、涡流、磁滞效应等产生的的非线性，这些非线性影响着电动机的性能，但很难进行数学模拟。因此，在建立s r m 数学模型时，常常做了适当的处理，并根据实际情况加以简化。3 2s r m 的简化线性模型影响s r d 运行的特性的最主要因素是s r m 相电流波形、电流峰值和峰值出现的位置。然而，s r m 运行时绕组电流既非恒定电流，亦非交流的正弦量，而且其波形随着电动机的运行状态而变化，给相电流的解析计算带来了困难。l a w r e n s o npj 【1 7 1 提出了采用线性化的s r m 模型。3 2 1 简化线性模型的电感特性在不计磁路饱和影响的情况下，假定相绕组的电感与电流的大小无关，且不考虑磁场的边缘扩散效应，此时相绕组电感随转子位置变化如图3 1 所示。当定子凸极与转子凹极重合时，为电感最小处，当定子凸极与转子凹极重合时，为电感最大处。定了2 坩乙厂i 一- - 1fl1l电感。厉l “t i a x )l ( m i n ) 一i，i，iil_ ，b岛bs o只岛角度7图3 1 相绕组l u 感l 与转子位移角秒关系曲线1 7大津一j ：业人学硕十学何论文令屈为定子磁极弧度，历为转予磁极弧度，f ，为转子极距，图中横坐标为转子位置角，纵坐标是相电感l ，o o = o 对应于定子齿和转子槽中心线重合的位嚣，这时相电感为最小值为l ( m i n ) 。0 2 = ( 厉一p , ) 2 ，是转子磁极的前沿和定子磁极的后沿相遇的位置。在鼠一0 2 区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值l ( m i n ) 不变，这是因为s r 电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以当定子齿对着转子槽时，便有一段定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并不随转子位置变化的最小电感常数区；转子转过b 后，相电感便开始线性地上升直到只为止，岛= ( 屏一p , ) z 是转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重叠，相电感变为最大值l ( m a x ) ，在岛一以这段区域内定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子齿间磁阻恒为最大值，相电感保持在最大值l ( m a x ) ，从见开始相电感线性地下降，直到敏降为最小值l ( m i n ) ，如此周而复始，往复循环。由此，可得电感与转子位置角之间的关系：( 9 ) =l m i k ( o 0 2 ) + 三。如三。一x ( o 一0 4 )岛s0 幺幺0 岛0 3 0 0 4眈0 0 5( 3 - 1 )其中：k = 刍善三老生= 刍唑方刍堕( 孱为定子磁极极弧)3 2 2 简化线性模型的磁链特性由式( 2 1 ) u t = r k + 坐磐可得一相电压方程为：口f【，：r i + d g d t( 3 - 2 )“ 号代表励磁阶段绕组两端承受正电压，当开关管关断后，绕组两端承受反压。由于绕组压降尺f 相对于掣很小，可以忽略不计。其误差不会超过线性模型假设带来的误差，所以上式可转换为：第二章s r m 的数学模穆u ：业：业塑：缈业d td 9d td od 沙：丝d 秒( 3 - 3 )( 3 4 )主开关管开通瞬i h j ( t 2 0 ) 为电路的初始状态，e 0 = 气，= 0 ，求积分并代入初始条件，可以得到导通期f f i j 的磁链表达式：5 c ，( p ) ：旦( 乳e o 。)叫( 3 - 5 )在主开关管关断岛= ，为上式的最大值：妙一= 兰( - e o 。) ，当主。09“开关关断时，磁链表达式为：阶詈咿一e o 卜( 训】= 等( 2 一吒棚( 3 - 6 )缈“缈“r1 一、所以可得一个周期的磁锛表汰式为：y ( 口) =等( 秒一气)气姚9 够o ，咆卯2 护圹气卯等等( 2 一气棚姚2 臼够一吒a7( 3 _ 7 )其中m 为转子齿数。3 2 3 简化线性模型的转矩特性根据能量守恒定律，在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的情况下，绕组输入的电能w e 应等于结构中磁储能w r 与输出机械能既之和，其表达式为：d 呒= d 陟，+ d 既0 - 8 )绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，所以可得下式：j 彬= u i d t( 3 9 )将“：华代入上式可得：口fd 形= 耐沙( 3 1 0 )1 9天津l ：业人学硕十学位论文机械能可由电磁转矩t 和角位移臼计算，即为：d r v o ，= t d o( 3 1 1 )所以由上面式子可得：d ( y ，p ) = 耐一t d o( 3 1 2 )对于无损系统，磁储能是由独立变量少和臼表示的状态变量，磁储能由缈和秒所决定。当沙为恒定值时，由式( 3 1 2 ) 得到一般转矩计算表达式：丁：一里竺! 笙：竺a 日( 3 1 3 )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( 3 - 8 ) 可得：d w , = d w ：( 3 1 4 )所以可得：= f i d g ( 3 1 5 )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) ，则磁链值可由电感l 表示为：少= l i( 3 1 6 )将( 3 1 6 ) 代入( 3 1 4 ) 可得：= 严12( 3 1 7 )所以可得：r ：! f ：丝2a t )( 3 - 1 8 )3 3s r m 的准线性模型由于s r m 磁路的非线性、磁通的复杂分布及相间的非线性耦合等因素，s r m的电磁转矩的解析计算并非易事。实用中常借助与“准线性模型“，即将实际非线性曲线分段线性化，同时不考虑相间耦合的影响。图3 2 是电机的实际饱和特第二章s r m 的数学模，斟性，图3 3 是常用的经过分段线性化的磁化曲线。图3 2电机的实际磁饱和特性图3 3 分段线性磁化特性3 3 1 准线性模型的电感特性基于图3 3 的模型可以写出s r m 的准线性绕组电感l ( i ，0 ) 分段解析式：l ( i ，0 ) =l 曲l m i n + k ( o