（电机与电器专业论文）基于dsp的开关磁阻电机调速系统实验平台设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h er e p r e s e n t a t i v eo fm o d e r ne l e c t r i c a lm a c h i n e s s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n ec o m b i n e st h e e l e c t r i c a lm a c h i n et h e o r i e sw i t ht h em o d e mp o w e re l e c t r o n i c s t e c h n i q u e a n dt h ea d v a n c e d m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lt e c h n i q u e ，w h i c hn o to n l yh a sl o w - c o s ts t r o n gs t r u c t u r e ，g o o df a u l t - t o l e r a n t a n dh e a t - r e s i s t a n t c a p a b i l i t y b u ta l s oh a se x c e l l e n tc o n t r o l l a b i l i t y t h u s 。s w i t c h e dr e l u c t a n c e m a c h i n ea sm o t o ri sw i d e l yu s e di nd r i v ea n ds p e e d r e g u l a t i o nf i e l d t h i sp a p e r m a i n l yf o c u s e so nt h ed e s i g no f t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rs w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e r b a s e do nd s p a n dh a sd o n es o m ef u r t h e rt h e o r e t i cr e s e a r c ha sw e l la se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e da n da n a l y z e dt h ea d v a n t a g e so fs r d ，f u r t h e rm a d e t h es i g n i f i c a n c e o fd e v e l o p i n gt h i sk n o w l e d g eo fs r d s y s t e mc l e a r s e c o n d l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e dh o ws w i t c h e dr e l u c t a n c eg e n e r a t o rw o r k sa n dh o w t oc o n t r o li t a n dt h ec o m p a r eb a s e do ne a c hc o n t r o lp r i n c i p l e t h i r d l y ，i n t h i sc h a p t e r ，t h el i n e a ra n dn o n l i n e a rm e t h e m 削cm o d e l so fs r mw e r ed i s c u s s e di n d e t a i l s s i m u l a t i o no fs r mu s i n gm a t l a bs o f l w a r aa n das e d e so fq u a l i t a t i v ea n a l y s i sw e r e c o n d u c t e d f o u r t h l y as e t o fp r a c t i c a ls r d s y s t e mf o re x p e r i m e n t a li sd e v e l o p e d ，w h i c hb a s e d o nd s pc o n t r o l t e c h n i q u ea n dp o w e re l e c t r o n i c sc o n v e r t i n gt e c h n i q u e t h er e a s o n a b l ed e s i g no ft h i ss y s t e mf u l l y d i s p l a y e dt h ef l e x i b i l i t yo fs r d c o n t r 0 1 f i n a l l y , e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo nt h i sp r a c t i c a ls y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t e d a n dd e e p e n e dt h ec o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h e c o m p a r eb e t w e e nt h er e s u l t s f r o m e x p e r i m e n t s a n ds i m u l a t i o na l s ot e s t i f i e dt h e p r a c t i c a b i l i t y o ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l s p r e s e n t e di n t h i s p a p e r t h er e s u l t sf u l l ya p p r o v e dt h eu s a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yf o rt h es y s t e m i t h e l p sal o tt ot h ee f f i c i e n c yo fe x p e r i m e n t a t i o n k e y w o r d s ： s r ms r dm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n ds i m u l a t i o nd s p c o n t r o lt e c h n i q u e 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 开关磁阻电机，是一种通过电子电路轮流接通和断开各相绕组使电机旋转的磁阻电动机， 装有转子位置传感器，以类似于无刷宜流电动机的方法进行控制，可以调速因绕组为单方向 通电，其电子电路简单可靠。开关磁阻电动机调速传动系统是由双机磁阻电动机、控制器和轴 位置传感器三部分组成的机电一体化产品。系统采用自同步控制，可由控制器灵活地调节到合 适各种需要的机械特性。故可与各种负载进行最佳匹配，运行于高效率区。可推广应用于各类 需要正反转运行、无级调速、高效节能运行的工业领域。 第一节开关磁阻电机调速系统的历史及地位乜踟阻印 人类自从发明并掌握各种机械帮助自己劳动咀来，就需要有推动机械的原动力， 最初使用的是畜力、水力、风力，后来发明了蒸汽机、柴油机、汽油机，1 9 世纪才 发明了电动机。由于：电机的效率高，运转比较经济；电能的传输和分配比较方便； 电能容易控制，因此现在电气传动已经成为绝大部分机械的传动方式。 纵观电气传动的发展经过，由于历史上最早出现的是直流电动机，因此在1 9 世 纪8 0 年代以前，直流传动是唯一的电气传动方式。至1 | 1 9 世纪末叶，出现了交流电， 在解决了三相制交流电的输送和分配问题，并制造了经济实用的笼型异步电动机后， 这就使得交流电气传动在工业中逐步得到了应用。在2 0 世纪以来，生产已经发展到 一定高度，生产过程的进步对电气传动在起制动、正反转及调速精度、调速范围等 静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求，虽然直流电动机具有电刷和机械换 向器，存在着自身的弱点，但从电机本体来说直流电动机比交流电动机在技术上更 容易满足上述的要求，所以2 0 世纪6 0 年代以前，在需要可逆、可调速与高性能的电 气传动技术领域中，直流传动系统一直占领统治地位。自6 0 年代以后，随着电力电 子学、微电子学和现代控制理论的发展，交流电气传动技术发生了日新月异的变化， 特别是交流电机矢量控制和直接转矩控制理论的产生及应用技术的推广。使得交流 传动具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能， 其动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美，于是出现了交流传动取代直流传 浙江大学硕士学位论文 动的趋势。但是交流传动系统也尚有一些未尽如人意之处，存在着系统复杂、价格 昂贵、力矩指标有待进一步提高等问题。正是在电气传动技术得到迅猛发展的时代 背景下，国外于2 0 世纪8 0 年代推出了一种新型交流调速系统一一开关磁阻电机调速 系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ) 。开关磁阻电机调速系统作为磁阻电机动和电 力电子开关电路结合而产生的一种机电一体化无级交流调速电机，结构简单可靠， 调速性能优良，在宽广的调速范围内具有较高频率，可以在很小的电流下实现启动 和频繁正反转，可阻实现高精度、快响应、高频率和高输出的性能指标。开关磁阻 电机的( 转矩电流) 明显高于大多数电机，反而不需要永磁材料，优势非常明显。 其实早在1 6 0 年前就诞生了磁阻式电动机，但在此后漫长的时期内，它一直被看 成是一种性能( 效率、功率因数、利用系数等) 不高的电动机，故仅应用于少数小 功率场合。通过最近约2 0 年间的研究和改进设计工作，使磁阻式电动机的性能不断 提高，目前已内能在较大的功率范围内使其性能不低于其它型式的电动机。7 0 年代 初，美国福特电动机( f o r dm o t o r ) 公司研制出最早的歼关磁阻电动机调速系统。 其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽 范围调速的能力，特别适合用于蓄电池供电的电动车辆传动。7 0 年代中期，在工业 部门的促进下，利兹( l e e d s ) 大学和诺丁汉( n o t t i n g h a m ) 大学组成研究小组，共 同研制以传动电动车辆为目标的开关磁阻电动机调速系统。他们在对该系统的理论 研究和实践方面做了大量工作后，研制的样机容量从l o w 到5 0 k w ，转速从7 5 0 r p m 至u 1 0 0 0 0 r p m ，其系统效率和电动机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。 随后以研究小组为基础成立了开关磁阻电动机调速系统公司( s w i t c h e dr e l u c t a n c e d r i v e sl t d ) 经营其研究成果。1 9 8 1 年英国t a s c 公司获准制造该系统，并于1 9 8 3 年推出商品名为o u l t o n 的通用调速系列产品，其容量范围为4 2 2 k w 。该产品的出现 在电气传动界引起不小的反响。因为其确实在很多性能指标上达到出人意料的高水 品，接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变速传 动系统。 开关磁阻电动机调速系统的出现不仅为工业、交通、国防及家用电器等部门提 供了一种优越的调速系统，而且也因为其具有的典型机电一体化结果丰富了“机械 电子学”的成功实例。因此1 9 8 3 年以后在国际范围内迅速掀起了开关磁阻电机研究 浙江大学硕士学位论文 开发热，并持续至今不断发展，其产品推广领域不断扩大。在国外推广较早较成熟 的有：矿山机械( 采煤机、输送带等) 、航空发动机、电梯、电动汽车、洗衣机、 食品加工机、火车空调机、织布机等。国内近年已有一大批高校、研究所和工厂投 入开关磁阻电动机调速系统的研究、开发和制造工作。其产品已应用于纺织、冶金、 机械、运输等行业的数十种生产机械和交通工具中，其发展速度十分迅猛。开关磁 阻电动机调速系统在一些机械中发挥出独有的优势，已难以为其他变速传动系统所 代替。可以预言，该系统的异军突起，必将在我国乃至世界的变速传动领域中占有 重要的一席之地。 开关磁阻电动机调速系统是一种高可靠性，高效率的全新交流调速系统。本系 统在可靠性方面大大优于变频调速系统，而在可控性方面，又可与直流调速相媲美。 s r 系列开关磁阻电动机调速系统是国际上最先采用计算机控制的同类产品，是具有 国际先进水平的机电一体化产品。其启动转矩为额定值的1 5 0 ，而启动电流仅为额 定值的3 0 ，允许频繁起停，起停次数可达1 0 0 0 次4 , 时，转速不受负载大小变化的 影响，具有很高的效率。 第二节开关磁阻电动机调速系统的组成 图1 1 开关磁阻电动机调速系统组成 开关磁阻电动机调速系统，从功能部件上分，主要由开关磁阻电机、功率变换 器、控制器和检测器四部分组成，如图l l 所示。 从样机和产品结构来看，系统通常由电动机和控制器两部分组成，其电动机部 浙江大学硕士学位论文 分包含角度位移传感器，控制器部分包含功率变换器和控制电路。 第三节系统的结构与性能特点 开关磁阻电动机调速系统主要的性能特点有以下几个方面： 1 电动机结构简单、成本低、适用于高速 开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。其突 出的优点是转子上没有任何的绕组，因此不会有鼠笼式感应电动机制造过程中鼠笼 铸造不良和使用中的断条等问题。其转子机械弹度很高，可以用于超高速运转( 如 每分钟1 万转) 。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简单，绝缘容易。 2 各相独立工作，可构成高可靠性系统 从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内 产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生圆形 旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制器结构上看，各相电路各自给一相绕组供 电，一般也是相互独立工作。可见，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障 时，只须停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所下降外，其它并无妨碍。因 此本系统可以构成可靠性很高的系统，可以适用于航天等特殊场合。 3 功率电路简单可靠 因为电动机转矩方向和绕组电流无关，即只需要单方向绕组电流，故功率电路 可以做到每相一个功率开关。对比感应电动机绕组需流过双向电流，向其供电的p w m 变频器中功率电路每相需两个功率元件。因此开关磁阻电动机调速系统较p w m 变频器 功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。另外，p w m 变频器功率电路中每桥臂 两个功率开关直接跨接在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率元件。而开关磁阻 电动机调速系统中每个功率元件均直接与电动机绕组相串连，根本上避免了直通短 路现象，因此开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，即降低了 成本，又具有高的工作可靠性。 4 高起动转矩，低启动电流 控制器从电源测吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是该系统的一 浙江大学硕士学位论文 大特点。典型产品的数据是：起动电流为1 5 额定电流时获得起动转矩为1 0 0 的额 定转矩：起动电流为额定值的3 0 时，起动转矩可达额定值的1 5 0 。对比其他调速 系统的起动特性，如直流电动机为1 0 0 电流，获得1 0 0 转矩；鼠笼感应电动机为 3 0 0 的电流，获得1 0 0 的转矩。起动电流小转矩大的优点还可以延伸到低速运行 段因此该系统十分适合那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械，如电 动车辆。 5 可控参数多，调速性能好 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法有：相开通角，相关断角，电 流p w m ，电压p w m 等。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，既可以使之运行于最佳状态 ( 如最大出力、效率最高等) 。还可以使之实现各种不同的功能和特性曲线。如使 电动机具有完全相同的四象限运行( 即正转、反转、电动、制动) 能力，并具有高 起动转矩和串激电动机的负载能力曲线。 6 适用于频繁起停及正反转换运行 本系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小， 电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。可控参数多使之能在制动运行同电动 运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用 于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1 0 0 0 次d , 时。这类生产机械有龙f - j s t j 床、 铣床、冶金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。 7 效率高，损耗小 该系统使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 损，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现 高效优化控制。其系统效率在很宽范围内都在8 7 0 a 以上，这是其他一些调速系统不 容易达到的。将该系统和p q , i 变频器带鼠笼感应电动机的系统进行比较。该系统在不 同转速和不同负载下效率均比变频器系统高，一般要高5 左右。 8 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求 浙江大学硕士学位论文 第四节当前s r d 的存在的主要问题及研究热点 开关磁阻电动机调速系统具有结构简单、坚固、成本低、调速性能好等优点。 然而，由于s r m 定、转于双凸极结构以及特殊的供电方式，此种调速系统也存在着一 些不足、主要表现在： l 、位置传感器的引入使电机结构复杂，安装调试因难。电机和控制器之间连线 增加，且由于传感器分辨率的限制，使得开关碰阻电机调速系统性能下降“”。 2 、 电机输出功率密度大，s r m 通常运行于深度磁饱和状态，导致s r m 转矩是转子 位置和绕组电流的非线性函数。在采用传统的矩形脉冲供电模式下，电机转矩有明 显脉动，这在转轴惯量小、转速低时尤为严重“”。 这些缺点限制了开关磁阻电动机调速系统的进一步推广和应用、也促使国内外 学者对它作进一步的研究。目前开关磁阻电动机研究领域热门的研究课题及发展方 向主要有町器儿肋1 3 1 1 3 2 h 劓3 5 1 聃1 ： l 、进一步完善s r 电机的设计理论，建立一套效率高、适用于工程设计要求的 优化设计法。电机的非线性使其性能分析和计算较为困难。目前，采用二维非线性 有限元方法分析电机内的饱和磁场具有局限性：第一，对以路为基础的设计方法研 究不够：第二，现有场的方法精度有待提高，应计及端部效应，开展s r 电机三维 场的研究。在此基础上，开展计算机辅助设计，向智能化方向发展。 2 、加强对铁心损耗理论的研究。s r 电机的供电电压及电流波形颇为复杂，一 般为单向脉动的非正弦波，定、转予各部分快铁心中磁密的变化规律也不相同，因 此，对定、转子铁心损耗的计算与测量颇为困难。 3 、加强对转矩脉动及噪声的理论研究，提高电机的功率因数。减小s r 电机的 振动和噪声的关键在于如何减小作用在定子上的径向力。从s r 电机自身的结构设 计上，主要是合理设计磁场结构、定子磁扼强度和电机刚度，合理选择气隙、极弧 参数及励磁方式，优化绕组的拓扑结构。从控制角度看，主要是优选导通角和关断 角及调节脉冲宽度，尽可能调节好各相工作参数的对称性。 4 、改善电机静态及动态性能仿真模型。s r 电机的性能分析方法还处于探讨阶 段，有持进一步完善。 浙江大学硕士学位论文 5 、改善s r 电机、功率变换器及控制器三者之间的协调设计，使整体性能最优。 目前的研究，尚停留在仅对特定类型的s r 电机系统分析核算的水平，只能完成局 部的综合设计和个别参数的优化。 6 、实用无位置传感器方案的研究。近年来，不少学者提出许多新颖的无位置传 感器转子位置检测方案，例如，通过测试电机非激磁相绕组电感来估算转子位置； 利用探测线圈的自感和互感估算转子位置；在定子2 个凸极之间安装金属平板，通过 电容的变化来估算转子位置等。这些方案虽然各有特点、但都还没有进入实用阶段。 7 、开关磁阻电机转矩波动最小化技术。即如何获取最佳的绕组电流波形以使开 关磁阻电机转短波动最小。目前，主要的研究成果如利用迭代学习控制和转矩分配 函数减小转矩波动。这种方法以绕组电流为g r m 的输入量，s r m 的转矩为输出量，利 用迭代学习控制方法不断调整绕组中的电流、以得到希望的输出转矩。这种方法完 全从控制工程的角度，实现转矩的波动的最小化。它不需测量电机磁特性，控制器 结构简单，计算工作量小，便于微机控制，是一种很有前途的控制方法。 第五节本文的主要工作 随着开关磁阻电机的应用领域不断扩大，对开关磁阻电机的研究也不断深入， 但是在一般的开关磁阻电机调速应用系统中。都已经在设计之初就优化并确定了各 应用参数，将其引入实际教学中，因为控制器整体“封装”，故无法对系统运行时的 各参数进行直观的观测，而且一般不能对其控制参数进行所需的改变，这就使得在 教学实验中，无法让学习者对开关磁阻电机调速系统进行各种参数以及控制方式的 选取，并对其在不同参数下的运行性能进行比较，从而无法对开关磁阻电机调速系 统有深入、直观地了解。为了提高教学实验水平，加深学习者对开关磁阻电机调速 系统的认识，开发高性能的开关磁阻电机调速系统实验平台就显得十分必要。本文 的主要工作就是基于d s p 芯片设计开关磁阻电机调速系统实验平台。 第二章介绍开关磁阻电机调速系统的组成，工作原理与运行特征：分析了开关 磁阻电机调速系统的结构和基本的控制策略。 第三章建立开关磁阻电机调速系统的数学模型，并基于数学模型对该系统进行 浙江大学硕士学位论文 仿真分析。 第四章在以上对开关磁阻电机调速系统的分析基础上，对开关磁阻电机调速系 统实验平台的系统进行设计。采用t m s 3 2 0 f 2 4 0 型号的d s p 作为核心控制器实现下 位机系统全数字控制，上位机使用v b 编程软件开发了具有虚拟仪器功能和控制平 台功能的界面。上位机通过串行通讯接口r s 2 3 2 和下位机系统通讯，控制下位机系 统运行并采集数据。 第五章对前文所设计的实际系统进行了实验研究，给出了实验结果，并对照理 论进行分析。 最后，总结了全文所做的工作，并在此基础上，对本文所设计的系统进行了进 一步的设想和展望。 本课题采用当前数字控制的新技术，设计了开关磁阻电机调速系统实验平台， 对提高实验效率和提高研究水平效果明显。 浙江大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机调速系统结构及运行机理 开关磁阻电机是磁阻电机与现代电力电子技术、微机控制技术相结合的产物，它既继承了 磁阻电机结构简单坚固的优点，又在高度发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得了良好 的可控性，并逐渐在电动调速领域内获得了一席之地，展现出了良好的发展势头。本章将针对 开关磁阻电机调速系统对其结构及基本原理加以概述。 第一节关磁阻电机调速系统的基本原理 一、开关磁阻电机调速系统的结构 开关磁阻电机调速系统是由开关磁阻电机( s r m ) 、功率变换器、控制器、位置 检测器、电流检测器五个主要部分构成，其关系如图2 - - l 所示。 v i l c a p 速度 调节 a d 电流 调节黜h 萎耋k 粤 d s p 电流检测 位置检测 图2 1 开关磁阻电机调速系统结构 开关磁阻电机是整个系统能量转换的核心部件，它具有双凸极结构，转子仅由 硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体；定予上一般绕有集中绕组，径向相对的两 个绕组串连构成一相绕组。 该种电机可设计成多种不同相数，通过定转子极数的不同搭配可获得多种性 能，如图2 2 。因此，s r m 电机的结构简单，造价低，坚固耐用，性能优良。 鬻 浙江大学硕士学位论文 乒弋 、 _， 7 1_ 兰相6 1 4 极s 珏 ( c ) 五相1 0 1 8 报s 瞄 f d j 图2 - - 2 开关磁阻量电机结构图 功率变换器是系统的通道，承担着电能功率输入的任务。控制器是整个系统的 大脑，它依据各种检测信号，起决策和指挥作用。位置传感器负责捕获位置信号， 是开关磁阻发电机自同步运行和系统控制的重要基础。电流传感器负责检测实时电 流，是开关磁阻电机安全运行的保障和系统双闭环控制的基础。以上各个部分相辅 相成，构成一个有机的整体。 二、开关磁阻电机的基本原理 电机可以根据转矩的产生机理可以粗略的分为两大类：一类是由电磁作用原理 产生转矩：另一类则是由磁阻变化原理产生转矩。 在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相互作用产 生使两个磁场趋于同向的电磁转矩。类似于两个磁铁的同极相斥、异极相吸的现象。 目前大部分电机都遵循这一原理，如一般的直流电机和交流电机( 包括永磁类电机) 。 而在第二类电机中，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定予绕组通电 时，产生个单相磁场，其分布要遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小 的路径闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在 转子上并产生转距使其趋向于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置。类似于磁铁吸 引铁质物体的现象。开关磁阻囊电机就属于这一类型的电机。下面就以常用的四相 8 1 8 极开关磁阻麓电机为例进一步阐释其运行机理。 浙江大学硕士学位论文 v 图2 3 开关磁阻电机工作原理示意图 如图2 - 3 ，图中仅画出a 相绕组及其供电电路，其余各相与此相相同。结构上 与步进电动机相似的s r 电动机的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”一一磁通总要 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，必须 使自己的主轴线与磁场的轴线重合。在图示位置，当定子d d 极受到励磁时，电 机内建立以d d 为轴线的磁场，其磁通经过定子轭、定子极、气隙、转予极、转 子轭闭合。此时穿过气隙的磁力线是弯曲的，磁阻大于定、转子轴线重合时的磁阻， 因此转子将受到弯曲磁力线切向分力所产生的转矩的作用，而沿逆时针方向转动。 当转子极轴线1 1 与定子极轴线d d 重合时，d 相励磁绕组的电感达到最大值， 转子达到稳定平衡位置，切向磁力消失。如果转予上无外部驱动转矩，则需要将a 相导通，以维持转距，如此逐相导通，电机将连续转动作电动机运行。当开关s l 、 s 2 断开时，a a 相电流通过二极管d i 、d 2 续流，绕组内的电流方向不改变，电 源u 极性与原来相反，此时储存在磁场中的磁能将释放出来，并转化成电能，回馈 至电源。因此，连续不断地按照d a b c 的顺序给各相绕组通电，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 相通电，则电动 机会沿着顺时针方向旋转。 可见，s r 电动机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。其电动运行原理图，见图2 4 。 为了更加清楚地理解开关磁阻电机的基本原理，本文将开关磁阻电机与其它几 种类似的电机作了比较，见表2 一l 。由此可见，开关磁阻电机是现代电力电子技术、 控制技术综合发展的产物。 浙江大学硕士学位论文 c ) 嘲电ch 桶基电斗e ) 衅龌电+ ( d ) 礴日通电 图2 4 开关磁阻电动机各相顺序通电的磁场情况 ( b ) ( c ) 类比相同点不同点 第开关磁阻电机结构相同，均为双凸极位置闭环控制不会丢步或失步，是典型 结构转子无励磁。的功率型电气装备。 组反应式步进电机原理相同，各项依次脉 开环控制。会丢步或失步，用于信息传输 冲供电，转子实现步进实现角度精密传动。 运动。 开关磁阻电机转子均为双凸极结构，定子为凸极式，绕有集中绕组，各相绕组 第 无励磁。采用直流励磁，产生步进的单相脉振磁场， 用于功率传输。依赖磁阻转矩旋转，位置闭环控制，不失一 组 步，可控性好。 反应式同步电机定子与一般的交流电机相同，各相绕组采 用正弦交流励磁，产生圆形旋转磁场，依 赖凸极效应传递功率，控制困难。 第开关磁阻电机都采用转子位置闭环转子无需励磁，定子绕组采用直流脉冲供 = 控制的自控变频器供电。 一 组 自整步同步电机 电。 转予需要励磁，定子绕组多组交流电励磁。 2 p 09 浙江大学硕士学位论文 第二节开关磁阻电机的功率变换器 功率变换器是s r d 系统的重要组成部分，主要有两个作用：一是，连接直流电 源或整流电路和电机绕组，为电能到机械能的转化提供通道，同时通过开关控制实 现不同的控制目标；二是，连接电机绕组和负载或电网，为电机绕组提供储能回馈 电路。因此功率变换器对整个系统的运行性能起着至关重要的作用。而且在整个s r d 成本中，功率变换器占有很大的比重，因此合理的选择和设计功率变换器是提高s r d 性能价格比的关键之一。功率变换器主电路形式有很多种，应用最普遍的有以下两 种。当采用交流电源供电时，功率电路包括整流电路和逆变电路：当采用直流电源 供电时，功率电路仅包括逆变电路，如下列图2 5 ，2 6 所示。 图2 5 采用交流电源供电的功率电路框图 图2 6 采用直流电源供电的功率电路框图 一、功率变换器的拓扑结构 开关磁阻电机功率变换器形式多种多样，根据所采用的主开关器件数目，可分 为每相两个主开关、每相一个主开关以及经济型少主开关电路三大类结构形式“1 。 在每相具有两个主开关器件的功率变换器中，不对称半桥式电路是最常用的形 式，如图2 7 示。在这种电路中，同一桥臂上有两个主开关元件与绕组串联，因而 不存在上下桥臂直通的故障隐患。各主开关管的电压额定值为u 且相与相之间彼此 独立，对电机的相数没有限制，控制灵活，充分的体现了s r d 功率变换器相对于其 他交流调速系统逆变器的固有优势。 浙江大学硕士学位论文 图2 - 7 四相不对称半桥式电路 每相只有一个主开关器件的功率变换器形式比较多，其中主要有双绕组功率变 换器、分裂式直流电源功率变换器、带贮存电容的功率变换器( 其中又包含谐振能 量回收、阻尼能量回收、斩波器能量回收等形式) 、再生功率变换器等。具体电路形 式及其优缺点，见参考文献f 2 】。 每相经济少开关型电路则更灵活，图2 8 所示就是其中的两种。每相经济少开 关型电路则更为一个明显的优点就是节省主开关元件，降低成本。但由于两相、甚 至多相公用同一开关，这势必增加了开关损耗，对主开关器件容量要求也更高，同 时也使得控制策略变得更加复杂。因此，设计时应综合考虑，选取最佳方案。 二、主开关器件 ( b ， 图2 - 8 四相经济少开关型线路 主开关器件是构成功率变换器的重要部分，关系到功率变换器是否能够迅速、 准确、安全地开通与关断。因此主开关器件的选择至关重要。目前可供选择的功率 浙江大学硕士学位论文 器件有普通晶闸管( s c r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、大功率晶闸管( g t r ) 、功率m o s 场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 。这些器件的性能各不相同，适用 场合也不尽相同。一般，开关磁阻电机的功率变换器要求所选用的主开关器件具有 电压、电流的过载能力好，开关频率高，可方便的换流等特点。根据这些要求，在 中、小功率的开关磁阻调速系统中都倾向于选用m o s f e t 或i g b t 。 第三节开关磁阻电机调速系统的控制方式 与普通电机不同的是，开关磁阻电机本身具有一个特殊的控制部分功率变 换器，通过这个结构就可以对开关磁阻电机实施多种不同形式的控制。因此，可以 说该系统的控制具有两个层面：一是，电机控制层面，即通过调节电机自身的参数 改变电机的运行特性，这一层关系是直接的；二是，系统控制层面，这个层面是将 控制策略应用于开关磁阻电机及其外围的设备( 控制器、信号检测装置等) ，并使之 为达到某一控制目标协同运作，这种控制是通过功率变换器间接作用在电机之上的。 这个层面上的控制是种通用技术，能够应用在其它电机上的控制理论基本上都可以 应用在开关磁阻电机上，比如最常见的p i 或p i d 调节、模糊控制等；而电机层面 上的控制则是开关磁阻电机所特有的，下文将对其具体控制策略加以总结和讨论。 开关磁阻电机转子上没有绕组，只有定子绕组。s r i v l 电机的可控参数主要有开 通角、关断角、主电路电压和相电流上限等，开关磁阻电机的控制简单的说就是对 上述参数进行调节。目前，主要的控制方式有三种：角度控制( a p c ) 、电流斩波控 制( c c c ) 、p w m 控制。 ( 一) 角度控制方式( a p c ) 相电流的波形与开通角口。和关断角口。有着密切的关系，因此可以通对这两 个角度的调节来实现对电流的控制。在假设转速、母线电压不变的情况下，固定 口。，调节口。，随着口。的增加，开通电流时间增加；同理，当固定口。调节 口。，随着口。的减小，开通电流时间增加。并且调节口。相电流的改变更加显著， 参见图2 9 浙江大学硕士学位论文 ( ) 调节开通角 c b ) 滑节芙断角 、 图2 - - 9a p c 控制 根据以上原理，实际采用的a p c 调节法，一般都先优化固定占。然后通过闭 环调节口。对于调速范围较宽的，可以分段优化固定目。然后在对进行调节。 角度控制也称单脉冲控制，因为开通期间内开关元件始终是导通。这种方式比较简 便，但这种方式中相电流是不可控，其变化率很大，对于开通角和关断角的微小变 化都十分敏感，在调节上也存在一定的困难。因此，这种方式比较适合在短时间里 快速达到期望电流的场合，如较高机械转速下的控制。 显然，某相的口。口。值将决定该相电流在相临相的互感电动势大小，因此， 某一相的口。、口。的调节不仅影响该相电流波形，而且也影响相邻两相的电流波 形。就一对特定的口。、口。组合，也许对某相电流而言较优，但对其他相电流并 非最佳。因此，要实现s r 电动机a p c 方式的真正最优运行，必须对每一相的口鲫、 口。分别进行调节。 ( - - ) 电流斩波方式( c c c ) c c c 控制方式见图2 1 0 ，其控制方法是让相电流f 与电流斩波限匕。进行比 较，当转子位置角目处于电流导通区间，即口。口口。，期间时，若f 厶枷，主 开关开通，相电流上升并逐渐达到斩波限；若f 露枷，则主开关关断，电流下降； 如此反复相电流将维持在斩波限附近，并伴有较小的波动。显然。当固定开通、关 v一螭督苷聿 浙江大学硕士学位论文 断角时，调节斩波限就相当于调节关断角，或者说是电流开通区间的长度。但是它 们之间也有不同之处，a p c 方式下电流的不可控相比，c c c 方式是直接对电流实施 控制，通过适当误差带的设置可以获得较为精确的控制效果。因此，c c c 方式同样 具有简单直接，可控性好的特点，也避免了a p c 方式中的“敏感”问题，与后面的 p w m 方式相比，也具有较小的开关损耗，是比较常用的控制方式。只是这种控制 下，电流的斩波频率不固定，它随着电流误差变化而变化，不利于电磁噪声的消除。 圈2 1oc 控舫式 ( 三) p w m 控制方式 p w m 控制方式与前两种控制方式不同，它不是实时的调整开通角和关断角， 而是在主开关的控制信号中加入p w m 信号，通过调节占空比d 来调节加在主电路 上电压的有效值的大小。占空比越大，电压有效值越大，电路导通时间越长。 d r 图2 - 1 1p w m 单相斩波示意图 以四相不对称半桥式电路为例，从该电路结构本身而言可采取斩单管和斩双管 浙江大学硕士学位论文 两种不同的控制方式。所谓的斩双管即同时对每相上下开关管加p w m 调制信号，以 实现电路导通的控制。而斩单管则只对每相上的一个开关管施j j n p w m 控制信号，另 一个管子则始终导通。如图2 一l l 所示，两种方式主要区别在于的续流回路不同，斩 双管时电机绕组经由回路l 续流，而斩单管时则经由回路2 续流。采用斩单管控制时， 对控制电流脉动大、噪声、损耗都相对较好f 9 1 。 p w m 控制一个突出的优点就是可控性能好。这种控制中有两个可控参数：斩 波频率和占空比。一般斩波频率是固定的，通过选择适当地频率可以控制相电流的 变化率；占空比与相电流最大值之间有较好的线性关系，调节占空比就可以控制相 电流的大小，因此在这种控制中相电流的变化率和大小都是可控的，并呈现较好的 线性关系，有利于采用p i 或p i d 调节构成闭环系统，获得较好的动态性。只是这种 控制方式下，由于开关的频繁通断而使得开关损耗有所上升。 o 第四节开关磁阻电机转子位置的检测 j 。 ， i 豳t - i 2 田秣惰鬻啊嘲曩嘲脚刨瞄嘲 位置检测是开关磁阻电机正常自同步运的前提条件，国内外对这方面的研究也 比较多，总结起来，开关磁阻电机位置检测方式可分为两大类，即直接位置检沏f 和 间接位置检测。前者一般指光电式、磁敏式及接近开关等含有机械结构的检测方案； 后者则是指无位置传感器的检测方法。如采用定予绕组瞬态电感信息的波形检测法、 基于状态观测器的无位置传感器以及反串线圈法检测技术等。目前国内广泛采用的 是光电式位置检测器。图2 1 2 出典型的四相8 6 极开关磁阻电机的光电式位置检测 器。位置传感器的齿盘与电机转子同轴。并且极数相同，齿槽距相等：两只光电开 浙江大学硕士学位论文 关s q 和s p 相隔1 5 。固定在机壳上。因此，当电机旋转时，两个光电开关通过外围 电路输出p 、q 两路相差9 0 。的基本信号，经整流、滤波便可获得较好的方波信号。 捕捉这两路信号的上下沿即可获得开关磁阻电机各相触发的基准点，并可在此基础 上实现位置和速度的检测，具体方案本文将在后续章节中详细讨论。 第五节开关磁阻电机调速系统的工作过程 开关磁阻电动机调速系统的整体工作过程如下：控制电路接收启动命令信号， 在检测系统状态一切正常的情况下，根据位置传感器提供的位置信号，判断电动机 转予的角度位置，并按照启动逻辑给出相应的输出信号。该信号控制功率电路向电 动机绕组供电，使电动机转子开始转动。当转子转过一定位置时，控制电路根据计 算得出的转子位置，经过逻辑判断，通过功率电路改变电动机通电相。当电动机转 速达到一定值时，控制电路根据从启动逻辑转换到低速运行逻辑，或再从低速运行 逻辑转换到高速运行逻辑。运行中，控制电路根据计算所得到的转速和给定转速的 差值，对其进行连续调节。当操作命令改变时，控制电路再次改变工作逻辑，通过 功率电路使电动机实现操作要求。若运行中出现故障情况时，如电动机堵转、过流 时，控制电路通过功率电路采用故障停车，并封锁d s p 的输出信号等保护措施。 通过上述过程可知，开关磁阻电动机调速系统是由磁阻电动机、位置传感器、 功率电路和控制电路组成的机电统一体，各部分密切结合，缺一不可。 9 浙江大学硕士学位论文 第三章开关磁阻电机的数学建模与仿真分析 建立数学模型、进行仿真分析是掌握和了解电机特性的有效手段；同时也是实施准确的、 高效的控制策略的有力的辅助工具。从前面章节的研究可以看出，开关磁阻电机具有以下几个 特点：电机的双凸极结构及磁路饱和所造成的非线性使得其电感成为转子角度位置和定子电流 的复杂函数；各相的轮流导通，导致电流和磁链随时间和位置里单向脉冲性变化，气隙磁场也 是脉动性质的；可控量多控制方式灵活，工作状态复杂且不断变化。上述特点都给开关磁阻 电机的数学建模和仿真分析带来困难。本章将由浅入深出地对开关磁阻电机的建模与仿真进行 研究。 第一节开关磁阻电机线性数学模型m 7 3 开关磁阻电机内部的电磁关系和运行特性都非常复杂。为了不至于陷入繁琐的 数学推导，突出开关磁阻电机的基本物理特性，从简化模型开始研究是十分必要。 假设： ( 1 ) 绕组l 与绕组电流，无关，忽略相间互感； ( 2 ) 极尖的磁通边缘效应忽略不计； ( 3 ) 忽略铁心的磁滞和涡流效应，即忽略所有的功率损耗； ( 4 ) 半导体开关器件为理想开关，开关动作是瞬时完成的； ( 5 ) 在一个电流脉动周期内，认为转子的转动角速度，是常数。 在上述假设下建立的数学模型就称为理想线性模型。本节即以此为基础展开研究。 一、 电感与转子角度位置的关系 在开关磁阻电机中，定、转子铁心都是凸极结构的，转子磁极与定子通电相的 相对位置不同时，磁场分布也不同；因而绕组电感也随转子磁极与定子磁极之间的 相对位置变化而变化。当转子转动时，电机绕组的电感就在最大电感三。和最小电 感l m i 。两个特定电感值之间周期地变化。最大电感是指转子与定子磁极轴线重合位 置电感，此值最大：最小电感是指转子磁极轴线与定子磁极间中心线重合位置的电 浙江大学硕士学位论文 感，此值最小。电感变化频率与转子极对数成正比，波长等于转子极距t ，。的关系。 图3 l 示出了电感三( 0 ) 与转子位置角8 的关系。 u1 ，u 广厂厂 非对齐健置对齐位置非对齐桡置 图3 1s p , m 相绕组电感的线性模型 图中坐标原点8 = 0 是位置参考点，定义为转子凹槽中心与定子磁极轴线重台的 位置，即最小电感处；口3 和是定、转子极全部重合的起点，即定、转子前极边重 合的位置( 一般转子磁极宽度大于定予磁极宽度) ；一4 是定、转子后极边重合的位 置；一1 和疗5 是转子后极边与定子前极边重合的位置；口2 是转子前极边与定子后 极边重台的位置。 电感( 口) 和转子位置角的关系，可以用函数形式表示为： 吼) 0 4 ) 式中k - - - - ( l m a x - - l m i n ) ( 口3 一一2 ) 二、 电压方程和功率平衡方程 s r 电机由恒定直流电源u 供电时，可写出一相电路的方程为； ：胡+ 嬖 ( 3 2 ) d