（检测技术与自动化装置专业论文）开关磁阻电机调速系统的研究.pdf

摘要 摘要 开关磁阻电机调速系统融开关型磁阻电机、现代电力电子技术和控制技术 于一体，开关磁阻电机本身具有结构简单、坚固、可靠性高等优点，由其构成 的调速系统具有控制灵活、调速性能好、运行效率高等优点，在调速领域显示 了其独特的优越性，并已经在很多领域得到了广泛的应用。 本文以3 k w 四相8 6 极开关磁阻电机为研究对象，对其构成的调速系统进 行研究，主要完成了以下几个方面的工作： 首先，研究了开关磁阻电机的工作原理与数学模型，分析了常用的三种控 制方法：电流斩波控制、角度位置控制和电压斩波控制，在此基础上确定了本 系统的控制方案为：起动和低速运行时采用电流斩波与电压p w m 斩波相结合的 控制方式，高速运行时采用变角度与电压p w m 斩波相结合的控制方式。 其次，设计了基于d s p 5 6 f 8 0 3 的开关磁阻电机调速系统的硬件电路，包括 功率变换器主电路和控制器硬件电路。功率变换器以智能功率模块i p m 为主开 关器件，采用h 桥型主电路结构。控制器硬件电路实现了转子位置检测、相电 流和直流侧电压检测、电流上下限斩波、转速给定、控制信号输入、逻辑综合、 与上位机通讯和显示等功能。 最后，在控制器硬件的基础上，根据控制方案的要求，完成了控制软件的 设计和编写。控制软件采用模块化编程，提高了程序的通用性和可读性。联合 调试控制器的硬件和软件，d s p 综合相通断信号、电流斩波信号、电压p w m 信 号和角度控制信号，产生功率电路的驱动信号，实现了开关磁阻电机的换相逻 辑控制、电流斩波控制、变角度控制、转速闭环调节、转速计算及显示等功能； 并利用实验装置进行了开关磁阻电机的空载和负载实验，给出了实验波形，并 作了相应分析。实验结果表明，开关磁阻电机调速系统的动态性能和稳态性能 良好。 关键词：开关磁阻电机；调速系统；角度控制 a b s t r a c t a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ( s r d ) c o m b i n e ss w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) w i t l lm o d e mp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dm o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g y s r m p o s s e s s e sl o t so fm e r i t s ，s u c ha ss i m p l ec o n s t r u c t ，r u g g e d i z a t i o n ，h i 曲r e l i a b i l i t y s r d h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sf l e x i b l ec o n t r o l ，g o o ds p e e dc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n d l l i 曲r u n n i n ge f f i c i e n c y i tr e p r e s e n t su n i q u es u p e r i o r i t yi ns p e e d a d j u s t a b l ef i e l d ，a n d h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s t h i sp a p e rt a k e s3 k wf o u r - p h a s es r ma st h er e s e a r c ho b j e c t ，s t u d i e si t s s p e e d 一砌u s t a b l es y s t e m ，a n dh a sm a i n l yf i n i s h e dt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t so f w o r k ： f i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i cm o d e lo fs r m ， a n a l y z e st h r e ek i n d so fc o n t r o lm e t h o d ：c u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o l ，a n g u l a rp o s i t i o n c o n t r o la n dv o l t a g ec h o p p i n gc o n t r o l ，t h e nd e t e r m i n e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h i s s y s t e m t h a ti sc u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o lc o m b i n i n g 、析t l lv o l t a g ep w m c o n t r o la ts t a r t a n dl o ws p e e d ，v a r y i n ga n g u l a rc o n t r o lc o m b i n i n gw i t hv o l t a g ep w mc o n t r o la th i 曲 s p e e d s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i to fs r db a s e do nd s p 5 6 f 8 0 3 ， w h i c hi n c l u d e sp o w e rc o n v e r t o rc i r c u i ta n dh a r d w a r ec i r c u i to fc o n t r o l l e r p o w e r c o n v e r t o ru s e si n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) a ss w i t c ha n dc h o o s e sh - b r i d g e c i r c u i ts t r u c t u r e t h eh a r d w a r ec i r c m to fc o n t r o l l e rc a na c h i e v er o t o rp o s i t i o n d e t e c t i o n , c u r r e n ta n dd cv o l t a g ed e t e c t i o n , d o u b l ea m p l i t u d ec u r r e n tc h o p p i n g ， s p e e dg i v e n ，c o n t r o ls i g n a li n p u t , l o g i cs y n t h e s i s ，p cc o m m u n i c a t i o na n dd i s p l a y l a s t l y , b a s e do nt h eh a r d w a r eo fc o n t r o l l e ra n dt h er e q u i r e m e n to fc o n t r o l s t r a t e g y , t h i sp a p e rf i n i s h e st h ed e s i g na n dc o m p i l i n go ft h ec o n t r o ls o f t w a r e i ti s i m p l e m e n t e db ym o d u l a rp r o g r a m m i n gw h i c hm a k e st h ep r o g r a mm o r eu n i v e r s a la n d r e a d a b l e d e b u g g i n gt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc o n t r o l l e r t o g e t h e r , d s p s y n t h e s i z e so n - o f fs i g n a lo fp h a s e ，c u r r e n tc h o p p i n gs i g n a l ，v o l t a g ep w ms i g n a la n d a n g u l a rs i g n a l ，t h e nf o r m st h ed r i v es i g n a lo fp o w e rc i r c u i t ，n l es y s t e mr e a l i z e sp h a s e i i a b s t r a c t l o g i cc o n t r o l ，c u r r e n tc h o p p i n gc o n t r o l ，v a 巧i 1 1 9a n g u l a rc o n t r o l ，s p e e dc l o s e dl o o p c o n t r o l ，s p e e dc a l c u l a t i o na n dd i s p l a y u s i n ge x p e r i m e n td e v i c e ，i te x p e r i m e n t i z e st h e n o n 1 0 a da n dl o a do fs r m ，g i v e sa n da n a l y z e st h ee x p e r i m e n t a lw a v e s e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a ts r dh a sf a v o r a b l ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n ds t e a d y s t a t e p e r f o r m a n c e 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 ；s p e e d a d j u s t a b l es y s t e m ；a n g u l a rc o n t r o l i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：陋露乌 泖8 年 月印日 ( 注：非保密论文无需签字) - - - _ - - 一- - - - - - - - 一- - - - - - - - - - _ - - - - - - - - 一- 一- 一- - - - - - - - - - - 一- - 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：陋褥 签名： f 阪黟j 溯年2 月刁日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题背景及研究意义 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 电机) 具有结构简单、 坚固，可靠性高和效率高等优点，由其构成的调速系统开关磁阻电机调速 系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ，简称s r d ) 融现代电力电子技术、微电子技 术和控制技术于一体，是典型的机电一体化产品，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【l 】。随着电力电子技术和控制技术的快速发展， s r d 在性能上日益完善，在调速领域显示出了其独特的优越性，有着广泛的发 展前景。 目前，开关磁阻电机调速系统已经在许多电力传动领域得到了广泛的应用， 比如城市电动汽车、矿山井下电动机车、油田抽油机、家电领域等，但是同时 因为s r 电机的转矩脉动和噪音相对较大和必须配合控制器才能运行等缺点，叉 限制了其在一些特定场合的应用。因此，开关磁阻电机调速系统的理论研究和 应用研究都有着重要的意义。 1 2 开关磁阻电机的发展概况 4 开关磁阻电机的基本结构和基本原理的提出可追溯到1 9 世纪4 0 年代，但 是直到2 0 世纪6 0 年代，随着大功率晶闸管投入使用，开关磁阻电机的理论砌 究和实际应用才得到了迅速发展。 7 0 年代初，美国福特公司研制出最早的开关磁阻电动机调速系统，其结核 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。 7 0 年代中期，英国l e e d s 大学和n o t t i n g h a m 大学共同研制以电动车辆为目 标的开关磁阻电机调速系统。他们研制的样机容量从1 0 w 至5 0 k w ，转速从 7 5 0 r m i n 至1 0 0 0 0 r m i n ，其系统效率和电动机利用系数等主要指标达到或超过了 传统的传动系统，随后成立了开关磁阻电动机调速系统公司，以经营其研究威 第1 章引言 果。1 9 8 1 年，英国t a s c 公司获准制造该系统，于1 9 8 3 年推出了商品名为o u l t o n 的通用调速系列产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视，美国、加 拿大、南斯拉夫等国竞相发展，并在系统的一体化设计、电动机的电磁分析、 微机的应用、功率元件的应用、新型结构型式的开发等方面取得进展l l j 。 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。近年来，国内已有一大批高校、 研究所和工厂投入到s r d 的研究、开发和制造工作中，研制目标基本都集中在 较为成熟的三相或四相电机的控制方案上，至今已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、运输等行业中【2 j 。 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 际应用并重的发展势态。 目前，开关磁阻电机已经得到了很大的发展，产品已经广泛地应用于电动 车驱动系统、牵引电机和高转速电机、伺服与调速系统、家用电器和通用工业 等领域。随着对s r 电机认识的深入、电力电子技术和控制技术的发展，开关磁 阻电机及其调速控制系统将具有更广泛的发展和应用前景。 1 3 开关磁阻电机调速系统概述 1 3 1 开关磁阻电机调速系统的组成 开关磁阻电机调速系统主要由s r 电机、功率变换器、控制器和位置检测器 四部分组成，如图1 1 所示【3 1 。 电源 i i i i 外部给定： 微机控制器 电流检测l i 位置检测 i l _ j i 图1 1 开关磁阻电机调速系统的组成 2 负载 第1 章引言 l 、s r 电机1 】 s r 电机是s r d 系统中实现机电能量转换的部件，也是s r d 系统有别于其 它电机驱动系统的主要标志。s r 电机系双凸极可变磁阻电机，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两极磁极，称为“一相”。s r 电机可以设 计成多相结构，且定、转子的级数有多种不同的搭配。目前应用较多的是三相 ( 6 4 ) 结构和四相( 8 6 ) 结构。图1 2 给出了四相8 6 结构的s r 电机定转子 的截面图，电机的工作原理将在第2 章的2 i 节中详细分析。 图1 2 四相8 6 极s r 电机定转子截面图 2 、功率变换器1 4 1 5 】 功率变换器是向电机直接提供能量的部件，它以功率开关管为主要功能器 件，在控制电路的控制下起到开关作用，使绕组与电源接通或断开，同时还为 绕组的储能提供回馈路径。由于s r 电机绕组电流是单向的，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直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，因而可预防短路故障。在整个s r d 成本中，功率 变换器占有主要的比重，因此合理设计功率变换器是提高s r d 的性能价格比的 关键之一。性能优良的功率变换器应具备以下特点： ( 1 ) 最少数量的主开关器件； ( 2 ) 可将电源电压全部施加于相绕组； ( 3 ) 主开关器件的电压额定值接近于电机额定电压； ( 4 ) 主开关器件的调制可以有效地控制相电流的通断； ( 5 ) 具备使相绕组电流迅速增加的能力； 3 第1 章引言 ( 6 ) 在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源。 功率变换器有多种形式，与供电电压、电机相数和开关器件的种类等有关。 目前常用的功率变换器主电路形式有以下几种：不对称半桥电路、双绕组电路、 裂相式电路和h 桥型电路，其原理图如图1 3 所示。 不对称半桥电路 裂相式电路 双绕组电路 图1 3 常用功率变换器主电路 h 桥型电路 不对称半桥电路每相有两个主开关，可用于任何相数、任何功率等级的情 况，在高压、大功率场合下有明显的优势，其唯一不足是所用开关管较多。双 绕组电路要求s r 电机每相有一个二次绕组与一次绕组完全耦合( 一般采用双股 并绕，匝数比为1 ：1 ) ，其优点是开关器件数量少、能量回馈迅速和效率高，缺 点是电机与功率变换器的接线多、关断尖脉冲高以及电机中铜线利用率低。裂 相式电路的外电源被两个裂相电容一分为二，两相绕组的一端共同接至双极性 直流电源的中点，其主要优点是每相只用一个主开关，缺点是电源电压利用率 低、相间独立性差和仅适用于偶数相电机。h 桥型电路就是比裂相式电路少了两 个串联的分压电容，开关器件数少，可以实现零电压续流，提高系统的控制性 能，但是因为任一相绕组电路必须以其它绕组为通路，所以必须两相同时导通， 4 第1 章引言 而且也只能适用于相数是舷( 七为整数) 的s r 电机。h 桥型主电路是四相s r 电机广泛采用的一种功率变换器主电路形式。 3 、控制器和位置检测器【3 】 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，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对s r 电机运行状态的控制，是s r d 的指挥中枢。控制器一般由单片机或d s p 及外围接 口电路等组成。在s r d 中，要求控制器具有下述功能： ( 1 ) 电流斩波控制或电压斩波控制。 ( 2 ) 角度位置控制。 ( 3 ) 起动、制动、停车及四象限运行。 ( 4 ) 速度调节。 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相绕 组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈等方法来进行位置 检测。采用无位置传感器的位置检测方法是s r d 的发展动向，对降低系统成本、提 高系统可靠性有重要的意义。 1 。3 2 开关磁阻电机调速系统的主要技术特点【6 】 l 、电机结构简单、成本低、适用于高速和恶劣环境下运行 开关磁阻电机的突出优点是转子上没有任何形式的绕组，制造成本低且转 子机械强度极高，可以用于超高速运转( 如1 0 0 0 0 r m i n ) 。在定子方面，它只有 几个集中绕组，线圈嵌装容易，端部短而牢固，因此制造简便，绝缘容易，并 且热耗大部分在定子，易于冷却，适用于各种恶劣和高温环境。 2 、功率电路简单可靠、系统可靠性高 因为电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。而且，开关磁阻电动机调速系统中每个功率 开关元件均直接与绕组相串联，从根本上避免了直通短路现象，从而简化了功 率电路的保护电路，既降低了成本，又具有高的工作可靠性。从控制器结构上 看，各相绕组相互独立工作，系统可以缺相运行，容错能力强，可靠性高，适 宜在如航天飞机、电动汽车等特殊场合作为起动机或驱动系统使用。 3 、高起动转矩，低起动电流 5 第1 章引言 控制器从电源侧吸收较少的电流，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，起动转矩可达其额定值的1 5 0 。 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，如电动车辆等。 4 、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至少有四种：相开通角，相关断角，相 电流幅值和相绕组电压。可控参数多，意昧着控制灵活方便。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，即可使其运行于 最佳状态( 如出力最大、效率最高等) ，还可使其实现各种不同的功能和特定的 运行曲线，如使电动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有高起动转矩和 串励电动机的负载能力曲线。 5 、适用于频繁起停及正反向转换运行 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。可控参数多使其能在制动运 行阶段同电动运行阶段一样具有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s r d 适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1 0 0 0 次4 , 时。 6 、效率高，损耗小 该系统是一种比较高效的调速系统，一方面是因为电机转子不存在绕组铜 损，另一方面是电机的可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载 下实现高效优化的控制。 当然，开关磁阻电机调速系统也存在着明显不足，即转矩脉动大和由转矩 脉动所导致的噪音问题。但是，随着研究工作的深入，采用合适的设计、制造 和控制技术，能将电机的转矩脉动和噪音控制在可以接受的水平之内。 1 3 3 开关磁阻电机调速系统的研究方向与现状 l 、s r 电机数学模型的研究1 7 】 s r 电机数学模型的精确建立与描述直接决定和影响电机的优化设计、电机 动态性能分析和电机效率评估等。已经发展起来的磁链模型和直接建立起来的 6 第1 章引言 机电联系模型有多种形式，可将它们分为线性模型、准线性模型和非线性模型 三类。由于s r 电机的非线性程度很高，因此非线性模型更能接近s r 电机的实 际特性。s p o n g 等提出了一种连续的非线性模型，该模型能够精确地反映s r 电 机实际的电磁特性。b o r t o f f 和m i l m a n 等在他们的研究中提出了一种非线性机电 联系模型，并成功应用于自适应控制器的设计中。 2 、各种控制理论的应用 由于s r 电机的非线性特性，基于简化的线性模型，采用线性控制理论设计 的s r 电机控制系统难以产生良好的系统性能。因此，非线性控制理论被引入 s r 电机控制系统的分析和设计中。模糊控制、模糊控制与p i 控制结合在一起的 混合式调节、滑模控制，自适应控制、线性回馈控制以及人工神经网络控制等 现代控制技术也已经在s r 电机的控制中得到了应用8 1 1 9 1 1 0 1 。 3 、无位置传感器技术的研究 位置闭环控制是s r 电机的基本特征之一，但是位置传感器的存在增加了系 统结构的复杂性和成本，还降低了可靠性。近年来，不少学者提出了许多新颖 的无位置传感器转子位置检测方案i l l j 【1 2 1 。目前，无位置传感器检测方法大致可 以分为以下4 类：导通相检测法，如电流波形检测法、磁链法、状态观测器 检测法和相间互感检测法等；非导通相检测法，如单相脉冲激励法、两相脉 冲激励法等；基于智能控制的检测方法，如模糊控制法、神经网络法等； 附加元件检测法，如附加电容检测法、附加线圈检测法等。 4 、转矩脉动抑制的研究 s r 电机的转矩脉动及其引起的振动和噪声是s r d 一个颇为突出的缺点，研 究抑制s r 电机的振动和噪声是改善s r d 性能的重要课题之一【1 3 】。在s r 电机 转矩脉动消除方面的研究主要围绕电机设计和电机控制两个方面展开。在s r 电 机自身结构的设计上，主要是要合理设计双凸极的形状、定子磁轭强度和电动 机刚度，合理选择气隙、极弧参数等【1 4 j ：在控制方面，w ucy 等提出了“两步 换相法 ，还有混合激励法等其他方法，近年来，许多学者还纷纷将人工智能的 方法引入转矩脉动的研究中【1 5 】【l6 j 。 5 、微处理器和专用集成电路的应用 由于早期采用的模拟电路控制实时性相对较差，因此采用微机实现部分或 全部数字实时控制能提高系统的可靠性。在微机控制中，已由8 位单片机发展 为1 6 位单片机，双1 6 位或3 2 位的单片微机的应用亦正在研究开发之中。s r 7 第1 章引言 电机控制电路的集成化对简化硬件电路、产品系列化等非常有效，也是研究方 向之一。 1 4 课题研究内容 本课题旨在设计3 k w 四相8 6 极开关磁阻电机调速控制系统，该系统能够 实现电机正反转和平滑调速。具体研究内容如下： 1 、结合开关磁阻电机的基本结构和运行原理，对电机的运行与控制特性以 及现有的控制方法进行分析研究，选择适合的控制方案。 2 、学习d s p 5 6 f 8 0 3 的使用，设计以该芯片为核心的s r d 系统控制器的硬 件电路，以及以i p m 为主开关器件的功率变换器电路，实现控制信号输 入、转速的实时显示和电机的平滑调速。 3 、根据控制方案的要求设计系统的控制软件，通过软件的调试实现电机的 正反转、换相逻辑控制、电流斩波控制、变角度控制、转速计算与调节 等功能。 4 、在现有的实验条件下设计实验方案，对本课题设计的系统进行测试，通 过对电机的相绕组电流波形和转速曲线的记录和分析来验证系统的调速 性能。 1 5 本章小结 本章主要进行了课题的综合性概述，分析了课题的研究背景及意义，简单 介绍了开关磁阻电机的发展历史，概括性地分析了开关磁阻电机调速系统的组 成、主要技术特点及其研究方向与现状，最后给出了课题的具体研究内容。 8 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 2 1 开关磁阻电机的工作原理 开关磁阻电机的工作原理与传统的交、直流电动机存在着根本的区别，它 不像传统电机那样依靠定、转子绕组电流产生磁场间的相互作用形成转矩和转 速，而是遵循“磁阻最小原理 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磁阻最小位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线 重合。当转子磁极轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有作用力作用在转子上 并产生转矩，从而使转子向定子磁极的轴线方向运动或产生同方向的运动趋势， 直到定、转子磁极轴线重合为止。 以本系统中采用的四相8 6 极开关磁阻电机为例，如图2 1 所示【1 7 】。图2 1 中只画出了a 相绕组及其供电电路，s l 、s 2 是电子开关，v d l 、v d 2 是二极管， u s 为直流电源。 i 图2 1 开关磁阻电机的工作原理 u s 以图2 1 中定、转子所处相对位置为起始位置，当a 相绕组的控制开关s l 、 s 2 闭合时，a 相绕组通电，电机内建立起以o a 为轴线的径向磁场，磁通通过定 子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的， 此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙 9 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针转动i l 引。当转子 旋转到转子极轴线2 2 与定子极轴线州7 重合的位置时，切向磁拉力消失，此时 断开a 相开关s l 、s 2 ，同时合上b 相开关，建立以b 相定子磁极为轴线的磁场。 若依次给a b c d 相通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续转动；反 之，若依次给a - d c b 相通电，则电机沿着顺时针方向转动。可见，s r 电机的 转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组通电的顺序。 2 2 开关磁阻电机的数学模型 ，为了简化分析，忽略铁芯损耗部分，并设开关磁阻电机的相数为m ，各相结 构和参数对称。设k = 1 ，m 相的电感、电压、磁链、电阻、电流及转矩分别 为厶、u k 、心、t 、疋，转子位置角为0 ，转速为q 。 1 、电路方程 根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻 压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，则第k 相绕组电压方程为： 以：r k i + 孥 ( 2 1 ) 一般说来，吮= 帆( ，0 ) = l k ( i ko ) i k ，则式( 2 1 ) 可以表示为： 吣酗+ ( l k + t 争鲁+ t 面a l k 百d o ( 2 2 ) 2 、机械方程 按照力学定律可列出在电动机电磁转矩疋和负载转矩瓦作用下的转子机械 运动方程： r 。- - j 窘+ 。警+ 瓦 ( 2 3 ) 式中： d 分别为转动惯量和粘滞系数。 3 、机电联系方程 电路方程和机械方程通过电磁转矩耦合在一起，故反映机电能量转换的转 矩表达式为机电联系方程，且考虑到m 相绕组的对称性，则s r 电动机输出平均 转矩为： 1 0 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 t ：盟f 州mr 塑口 ( 2 4 ) 2 z c 田 山 a6 。 式中：孝为相电流的中间变量，为电动机转子极数，l ( a ，孝) 为电感随位置与 电流变化的函数。 式( 2 2 ) 式( 2 4 ) 一并构成开关磁阻电机的数学模型【l 】【1 9 1 。 然而，上述数学模型尽管从理论上完整准确地描述了开关磁阻电机的电磁 及力学关系，但由于l ( a ，f ) 及f ( 印难以解析，所以使用起来很麻烦，实际中往往 必须根据具体电动机的结构及所要求的精确程度加以适当的简化。 2 3 基于理想线性模型的开关磁阻电机的分析 由于开关磁阻电机的磁路是非线性的，加上运行时的开关性和可控性，使 得电机内部的电磁关系十分复杂。为了弄清电机内部的基本电磁关系，有必要 从理想线性模型入手进行分析。理想线性模型是指不计电动机磁路饱和的影响， 假定相绕组的电感与电流的大小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，忽略所有 的功率损耗和假设功率管开关动作瞬时完成。 2 3 1 相电感与转子位置角的关系分析 基于理想线性模型的相绕组电感随转子位置角周期性变化的规律可用图 2 2 说明【l 】。图中横坐标为转子位置角p ，它的基准点即坐标原点口= 0 的位置， 对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小值三血。 在舅幺( 易为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置) 区域内，定转 子磁极不相重叠，电感保持最小值三曲不变，这是由于s r 电机的转子槽宽通常 大于定子极弧，所以当定子凸极对着转子槽时，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；转子转过幺后，相电 感便开始线性地上升直到只为止，仗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，相电感变为最大值三哪。基于电机综合性能的 考虑，转子极弧，通常要求大于定子极弧。，因此在b 吼( 幺为转子磁极的 后沿与定子磁极的后沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应 的定转子凸极间磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值三一。从幺位置相电感 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 开始线性地下降，- 自na , 处降为三曲，岛、织均为转子磁极后沿与定子磁极前 沿重合处。如此周而复始，往复循环。 母后沿摩前沿出 三( 印i 三m “ ， 、 i - 一 r 卜- 厶m m 目l d臼2 口3 以口4p 5 勺 图2 2 相电感与转子位置角的关系 由图2 2 可以得到开关磁阻电机基于简化线性模型的相绕组电感的分段线 性解析式为： 式中：k = 刍善三净= 刍竖云生，屈为定子磁极极弧。 2 3 2 电磁转矩分析 忽略相间耦合，s r 电机的电磁转矩计算式为t 个o w ( f ，秒) i 1 一丽- j 扛一 磁共能形为： 形7 = j ( i ，力峦 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 在理想线性模型假设下，少可由电感三表示为妙= 三( p ) f ，代入式( 2 7 ) ， 得到磁共能的计算式为： 1 2 i - a互 如级以铱 一 一 一 一 d d p p 一 一 一 一尻以易防 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 形，：昙( 力f 2 将式( 2 8 ) 代入式( 2 6 ) 得： 丁：三f ：丝 2d 秒 将相绕组电感的分段线性解析式( 2 5 ) 代入式( 2 9 ) ，则得： t = o k i 2 2 o 一! 鼢j 2 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 由以上分析可得出如下结论 2 0 l ： ( 1 ) 电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的，当磁导对转 角的变化率大时，转矩也大。 ( 2 ) 电磁转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电流增大后铁 芯饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随电流的增大而增 大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕组 电流得到恒转矩输出的特性。 ( 3 ) 电磁转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感上升区域幺幺 内给绕组通电，就会产生正向电磁转矩，即电动转矩；而在电感下降 区域包一敬内给绕组通电，则会产生反向的电磁转矩，即制动转矩： 因而可以通过改变绕组通电时刻来改变转矩的方向。 2 3 3 相绕组电流分析 当开关磁阻电机由恒定直流电源u 。供电时，可写出一相电路方程为( 参见 图2 1 ) ： u 。：掣+ 跃 ( 2 1 1 ) 。 讲 式中：+ u 。绕组励磁阶段的外加电压； 一u 。开关关断后续流阶段所加的电压。 1 3 、j0，工乙，k 巩 夙 良 铱 v i 一 一 一 p 移 p p 一 一 一 一 尻 钝 耿 以 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 在绕组电感仅是转子位置的线性函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况 下，由式( 2 1 1 ) 得： u ：韭：d ( l ( o ) o ：三堕+ i o ) 一 (2r d l 1 2 ) 。 mmd td o 整理式( 2 1 2 ) 得： 坐：三堕+ f 堕( 2 1 3 ) 国，d o d o 要使电机工作在电动运行，应在幺岛内触发导通主开关器件，在岛岛内 关断主开关器件，因此，开通角锨应满足：b 岛，关断角锄应满足： 岛 勋 岛。由于绕组电感三( 臼) 的表达式( 2 5 ) 是分段线性解析式，需要分 段给出初始条件来求解微分方程( 2 1 3 ) ，求解得到【l 】： f ( p ) = 0 一气 三m i n 0 一既 【三。血+ k ( o 一岛) 】 ( 2 一如一0 ) 【三m 抽+ k ( o 一岛) 】 ( 2 9 够一氏一9 ) 三。 ( 2 9 万一o o , 一9 ) 【嘲一k ( t 9 一只) 】 幺0 岛 0 2 0 o o ： 0 岛 ( 2 1 4 ) 岛秒 幺 幺0 2 9 够一9 研岛 显然，当0 = 2 锄一0 0 时，电流衰减至零。 由式( 2 1 4 ) 可知，对结构一定的电动机，绕组电流与外加电源电压以、 角速度国一开通角如、关断角锄、最大电感三一、最小电感血、定子极弧。 等有关。开通角秒彻减少，电流线性上升时间增加，电流峰值随之增加，电流波 形的宽度增大；调节秒孵可改变电流波形宽度，但较之0 硼的作用较弱。显然， 如果在电感下降区绕组电流不为零，则产生的电磁转矩为制动转矩，因此锄不 能关断过迟。但p 。矿关断过早也会e h 于电流有效值不够而使电磁转矩减小f 2 l 】。电 流的大小与供电电压成正比，与电机转速成反比，因此，在电机低速运行时， 可能形成很大的电流峰值，必须注意限流，常采用电流斩波控制方法来控制电 流保持在希望值。 1 4 虬一q玑一q玑一啡u一啡以一q 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 2 4 开关磁阻电机的控制策略 2 4 1 起动控制分析 为了实现电机的正常起动，必须保证电机在任何位置的转矩都大于总负载 转矩。而当转子处于不同位置并且给不同相通电时，所获得的起动转矩大小和 方向都是不同的。由于s r 电机的矩角特性对电机的起动转矩即带负载起动能力 有很大影响，所以通过矩角特性来分析起动性能【2 2 】，s r 电机的矩角特性如图2 3 所示。 d aa b b cc dd a x 一 冷刁 图2 3s r 电机的矩角特性 四相8 6 极s r 电机有两种起动方式：一相通电起动和两相同时通电起动。 若不计相绕组间的磁耦合，两相同时通电的合成起动转矩可近似由同时通电相 的各矩角特性线性相加求得，如图2 3 中虚线所示。显然，两相起动的最小转 矩为一相起动的最大转矩，两相起动方式的带负载能力明显强于一相起动方式： 而且，两相起动转矩的波动明显减小，起动过程平稳；再者，对于所要求的起 动转矩，采用两相起动比一相起动所需的电流小四j 。因此，在实际应用中一般 采用两相同时通电起动方式。 由于电机在起动瞬间旋转电动势为零，若加额定电压直接起动，相电流将 过大，由此产生的过大动态冲击转矩可能会损坏电机和传动机构，因此必须在 起动期间采用电流斩波控制限制起动电流。 2 4 2 换相控制分析 开关磁阻电机调速系统是位置闭环系统，因此其绕组的换相与转子所处的 1 5 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 位置密切相关。对于四相8 6 极s r 电机，通常采用两个光电传感器进行转子位 置信号检测，其具体电路及原理将在第3 章的3 3 2 节中详细介绍。图2 4 所 示为正转时转子位置信号与四相绕组电感及换相逻辑的对应关系。当电机电动 运行时，应在电感的上升区间给绕组通电，由此得出电机的换相逻辑关系，反 转情况也是同样分析。 l i ii i l i i i i fi i i _ l l l l i i i 1 11 010 00 1 1 i 、 小 i 少个 l ni i 、x ? i 【l i i i 心。 l 厂 j x 1 彤黝珍形黝 i i! i 诊钐黝：彭形黝 l i i 彭钐形勿黝 1 i 黝汐形黝 图2 4 转子位置信号与相绕组电感及换相逻辑的对应关系 2 4 3 控制方法分析 s r 电机的控制方法是指对电机的哪些参数进行控制以及如何控制，使电机 达到规定的工况，并使其保持较高的性能指标。s r d 系统的可控变量有：相绕 组电压u 、相电流，、开通角孙和关断角锄，根据控制变量的不同可将控制方 法【冽【2 5 1 分为：电流斩波控制( c u r r e n tc h o p p i n gc o n t r 0 1 ) 、角度位置控制( a n g u l r r 1 6 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 p o s i t i o nc o n t r 0 1 ) 和电压斩波控制( v o l t a g ec h o p p i n gc o n t r 0 1 ) 。 1 、电流斩波控制 电流斩波控制是指固定开关角，通过主开关器件的多次导通和关断来控制 电流保持在希望值。电流斩波有两种实现形式。一种是设定电流上限值以及关 断时间址。在臼= 时，功率电路主开关器件开通，相电流从零开始上升，当 相电流大于上限值时，主开关器件关断址时间，然后重新导通主开关，如此循 环直到秒= o o g 时实行相关断。这种方法对于关断时间的选择是很重要的，& 过大会导致相电流脉动增大，过小又会使开关频率过高，系统损耗增大【2 6 】。另 一种是电流上下限控制【2 7 1 ，当相电流上升到大于设定的电流上限值时关断开关 管，相电流下降；当相电流衰减到设定的电流下限值时，主开关重新开通，如 此反复直到秒= 锄，其斩波波形如图2 5 所示。 图2 5 电流上下限控制的斩波波形 电机低速运行时，绕组中旋转电动势小，电流增长快，所以需要电流斩波 控制来限制电流峰值。同时，电流斩波产生的转矩较平稳，适用于转矩调节系 统。但是，电流斩波控制在用作调速系统时抗负载扰动的动态响应慢，这是其 一大弱点。 2 、角度位置控制 角度位置控制是指控制开通角和关断角锄，以达到控制相电流波形以及 电流波形与绕组电感波形的相对位置，进而控制电机的转矩以实现调速的目的。 改变阮和锄使电流主要位于电感的上升段，这样能使电机处于电动运行。图 2 6 为角度位置控制下典型的相电流波形。 对于每一个由转速和转矩定义的运行点，孙和锄可以有多种不同组合，每 一种组合所对应的电机的性能都不同，因此需要对铉和锄进行优化设计【2 8 1 1 2 9 。 1 7 第2 章开关磁阻电机调速系统的控制原理 由电机相绕组电流的分析中可知，