（电力电子与电力传动专业论文）基于cpld的车用开关磁阻电机起动助力发电一体化系统设计.pdf

江苏大学碗学位论文 a b s t r c t s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ( s r m ) h a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c st h a ta r cs u p e r i o r t oo t h e rm o t o r sb e c a u s eo fi t ss p e c i a ls t r u c t u r e t h es t u d yo na p p l i c a t i o no fs r mt o i s a ds y s t e mo f t h ev d l i c ki ss t i l lo n eo f h o t s p o t sa th o m ea n da b r o a d t h em e t h o di m p l e m e n t i n gc o n t r o ls y s t e mo fs w i t c h e dr e l u c t a n c es t a r t e ra n d g e n e r a t o r ( s r ss g ) b yp u r eh a r d w a r ei sm a i n l ys t a t e m e n t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h e b a s i cs l a l l e t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo fs r ma r ei n t r o d u c e da n dt h eb a s i ct h e o r yo f s r ss gi ss y s t e m a t i c a l l ys t a t e m e n t e d ，i n c l u d i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u et h e o r y o fs r m ，t h el a wo fe l e c t r o m e c h a n i c a le n e r g yc o n v e r s i o na n dp h a s ec u r r e n ta n a l y s e s o fs r qt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs r ge t c a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s e so ft h e o r y 0 1 1s r ss ga n dt h ec h a r a e t e r i s t i c so fi s a ds y s t e mf o rv e h i c l e ，t h eb a s i cc o n t r o l m e t h o d sa n ds t r a t e g i e so fs r ss ga n dt h em e t h o di m p l e m e n t i n gp u r eh a r d w a r e c o n t r o l l e rb yu s eo fc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) a r es t a t e m e n t e di n d e t a i li nt h i sp a p e r o nt h i sb a s i s , p u r eh a r d w a r ec o n l r o l l e ro fs r ss ga n dp o w e r c o n v e r t o rh a v eb e e nd e s i g n e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gl o 百cc i r c u i ti nc p l d ，a n a l o gs p e e d m e a s u r i n gc i r c u i t ，p e r i p h e r a la n g l er e g u l a t i n gc i r c u i ta n ds i g n a lm e a s u r i n gc i r c u i te t e s u b s e q u e n t l yas e r i a lo fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eb a s e do nas a m p l em a c h i n eo f t h r e ep h a s e s6 4 s t r u c t u r e ，i n c l u d i n gz e r o - p e e d ，e l e c t r o m o f i o n , g e n e r a t i o n 、v i t i l o p e n e d l o o pa n dc l o s e d l o o pa n ds o o n a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dc u r r e n tw a v e s ，o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fc o n t r o ls y s t e mb a s e do np u r eh a r d w a r ea r es t a t e m e n t e di nd e t a i l i ts h o wt h a ti ti s f e a s i b l ea n dc o r r e c tt oi m p l e m e n tc o n t r o ls y s t e mo ns rs gb yp u r eh a r d w 盯e k e yw o r d s s r ss gi s a d ，p u r eh a r d w a r ec o n t r o l l e r , c p l d ， l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：罨逢乞 签字r 期：z 卯争年月7 , 2 1 1 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 年解密后适用本授权书。 铆签名：左一头 签字同期：。牛年占月，日 电话 邮编 独创- 陛声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：亏交荛， 日期：撕p 年 月钞日 江苏大学硬士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 开关磁阻电机的特点2 1 3 1 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ，简称s r m ) 是随着现代微 机控制技术、电力电子技术以及计算机辅助设计技术发展起来的一种新型电机， 它具有结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、适于高速 与恶劣环境运行等优点，已逐渐在迅猛发展的调速电动机领域内争得一席之地， 并在牵引运输、通用工业、航空工业、家用电器等领域得到了较广泛的应用。 开关磁阻电机能方便地实现机械能和电能之间的双向转换，因此在电子控制 器的作用下，既可作电动机( s r d ) 运行，也可作发电机( s r g ) 运行。它作为s r d 或s r g 运行具有不同于其它电机的独特的特点。 1 ) s r m 采用双凸极结构，只有定子上绕有集中绕组，转子上没有绕组及磁 钢，使得电机结构十分简单，成本低廉，工作可靠，易于维护；转子没有绕组， 一方面使转子基本没有涡流损耗，效率提高，另一方面，使得电机转速高低仅受 限于转子所用材料的结构强度，因而电机可以在很高转速下运行，可以提高能流 密度，同时，只在定予上绕有集中绕组，使冷却方便。 2 ) s r d 具有优良的起动性能：起动转距大，起动电流小，起动时间短。 3 ) s r g 无论从物理方面还是电磁方面来说，定子各相间都是相互独立的， 耦合较弱，因而在出现一相甚至两相故障的情况下，仍然有一定的电能输出，表 现出良好的容错能力。 4 ) s r d g 的可控参数较多，可以通过调节开通角和关断角实现角度位置控 制( a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o l ，简称a p c ) 或通过斩波方式调节励磁电流实现 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 ) ，还可以在他励情况下 进行励磁电压调节来控制输出功率( v o l t a g ec o n t r o l ，简称v c ) 。较多的可控 参数控制方式使s r d g 可在转速大幅度变化中调节输出以满足负载要求，表现出 良好的调节性能。 5 ) s r g 是一种可控电流源，可以高效转换机械能为脉冲电能输出。带有滤 江苏大学硕士学位论文 波元件( 如电容) 或贮能装置( 如蓄电池) 可作为直流电源应用，配备相应变换 器也可作为交流电源应用。 6 ) s r g 具有串励特性，过载能力强。 综上所述，s r m 具有许多优越于其他电机的性能特点，但是它同样也存在一 些有待解决的问题，主要集中在以下几个方面： 1 ) s r d g 都必须要位置闭环控制，因此通常要用转子位置检测器，这增加 了电机结构的复杂性，从而使工作可靠性受到影响。虽然已有若干无直接位置检 测方案，但有待进一步成熟化。 2 ) s r m 是一非线性系统，双凸极结构、非线性磁特性加上开关器件及控制 的非线性，使得分析、设计、研究都带来许多困难和模糊性，特别是优化的电机 及控制系统设计还待深入探讨。 此外，s r 电机双凸极结构的运行原理决定了其合成转矩具有脉动的特点， 这种脉动会引起电机振动，而振动又会引起噪音过大。 1 1 2i s a d 系统特点 i s a d 系统( i n t e r g r a t e ds t a r t e da l t e r n a t o rd a m p e rs y s t e m ) ，又名i s a ( i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o r ) 或i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) ， 是近些年来应用于汽车架构中的一种新技术。i s a d 系统主要由电机、电子器件、 功率器件、高容量电容器及高功率密度蓄电池组成，它将电机的起动和发电功能 融合于一身，直接替代了传统汽车内起动机和发电机两套机组，省去了原系统中 飞轮、皮带、滑轮和动力传动系统中的振荡阻尼器、皮带张力等部件，能够明显 减轻汽车重量、节省空间、降低制造成本。系统除了使再生制动成为可能外，还 能提供附加的起动停止功能、并在需要的时候对发动机扭矩进行助力，这使得 系统效率更高，输出( 电能) 更大，明显地减少了汽车能量的消耗、尾气排放和 噪音的生成。实际上，也是混合动力汽车( h v h e v ) 的一种形式，它迎合了未来 对环保汽车标准的需要，正以其优越的性能受到人们重视“州删。 根据汽车的行驶特点，i s a d 的基本功能有： 1 ) 起动：汽车发动机启动加速时，电机以无接触方式起动，并以最大扭 矩输出，带动发动机高功率的起动，起动时间可缩短到约0 1 o 2 秒，而且电 磁转矩的直接传动可实现无噪音起动。 扛苏大学硕士学位论文 2 ) 助力：汽车处于超车加速或匀速爬坡状态时，电机以电动方式运行，为 发动机提供辅助动力，以弥补发动机功率上的不足 3 ) 发电：汽车处于匀速行驶或减速制动状态时，电机在发动机的拖动下以 发电方式运行，它能够同时向不同的电气和电子器件供应电能。由于其独特的结 构，产生的电能是普通电机的三倍多，甚至在低速时也能产生大量的电能。由于 智能电子器件的使用和电机的优化设计使发电机的效率在全速范围内能达到将 近8 0 。 4 ) 阻尼、减振：由于构成i s a d 系统的电机转子直接安装在发动机曲柄机 构的飞轮上，因此可大大补偿气压和惯性所引起的转矩扭曲( 周期性不均匀) 。 当曲柄转速过快时，可由发电机实现其停刹，这时能量暂时储存在电容器上，在 下一个周期中当曲柄转速过低时这部分能量又用来加速曲柄。这个过程就是曲柄 和电容器间能量交换的过程。结果不仅使周期性不均匀大大减少，也对整个驱动 过程起稳定作用( 消除齿轮振动等) 。 经过不断地研究和改进，汽车i s a d 系统还具有其它的一些功能，如动力增 压器( p o w e rb o o s t e r ) 、电动掌舵、电磁刹车等等诸多功能。随着i s a d 系统的 不断改进和完善，必将成为未来汽车中的重要装置。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究状况 。 开关磁阻电机的雏形可以追溯到1 6 0 余年前，但是受各方面技术的限制，发 展比较缓慢。在2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管的研制投产为s r m 的研究发展提 供了重要的物质条件，英国l e e d s 大学和n o t t i n g h a m 大学组成了开关磁阻电机 研究小组，开始对s 蹦进行深入研究，并于7 0 年代末8 0 年代初成功研制了一些 样机和相继发表了一系列论文，系统地阐述了开关磁阻电动机的基本原理、计算 方法和运行特性。其后，他们又联合组成了t a s c 公司来专门生产开关磁阻电机 调速驱动装置，并于1 9 8 3 年正式推出了商业系列的s r d 产品，该产品闯世不久 便引起各国电气传动界的广泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫等国竟相发展，并 在系统一体化设计、电动机电磁分析、微机应用、功率元件应用、新型结构开发 等方面取得进展 8 0 年代以来，s r d 的发展同样也促进了对开关磁阻发电机( s w i t c h e d 江苏大学硕士学位论文 r e l u c t a n c eg e n e r a t o r ，简称s r g ) 的研究。1 9 8 6 年，n n f u l t o n 等一批科学 家首先将s r g 用于风力发电，并相继发表了数篇论文介绍他们的研究成果眦脚“” 8 0 年代末期，随着s r d 系统的成熟和s r g 研究的进展以及飞机对发电系统 的更高要求，开关磁阻起动发电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c es t a r t e r g e n e r a t o r ， 简称s rs g ) 技术得以诞生并迅速发展。以美国g e 公司为代表的航空电气界首 先开始对s rs g 系统的研究。该公司从1 9 8 9 年起就对s r s g 系做了深入的研究， 并研制了一系列的产品，其研制的3 0 k ws rs g 系统的系统效率可达8 4 ，具有 褶当强的竞争力，从事这方面研究的s r m a c m i n n 、j 氍s e m b e r 、j o n e s i f d 等 代表人物于8 0 年代末9 0 年代初相继发表了一系列的论文，介绍了他们在飞机用 开关磁阻起动发电机方面取得的研究成果“帅”。 开关磁阻电机作为飞机上起动发电机的研究取得的丰硕成果，引起了汽车界 的关注。在2 0 世纪9 0 年代末期，以福特公司为代表的汽车工业界开始致力于把 开关磁阻电机作为汽车起动发电机( 即i s a d 系统) 的研究，并取得一定进展。 1 2 2 国内研究状况 国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于1 9 8 4 年，并被列为中小型 电机“七五科研规划项目”，现已有大批高等院校、科研院所、生产企业从事开 关磁阻电机调速系统的开发研究工作。在借鉴国外经验的基础上，国内开关磁阻 电机的研究进展很快，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相电机，目前 已有十余家单位推出不同性能、用途、功率( 1 k w 到5 5 k w ) 的多规格系列产品， 应用于纺织、冶金、机械、运输等多种行业、场所的数十种生产机械和运输车辆 中。 9 0 年代初期，在研究s r d 调速系统控制规律的同时，也进行了s r g 的分析 和设计，南京航空航天大学开关磁阻电机课题组自1 9 9 5 年开始正式对开关磁阻 电起动发电机的研究，目前已有一套成熟的起动发电系统仿真软件，可进行电 动、发电稳态分析以及动态分析和系统的优化设计；先后研制了以m c s 8 0 9 8 ， m c s 8 0 c 1 9 6 k c 为控制核心的起动发电实验系统，对发电的机理、起动特性、发 电运行时的电压品质及系统的可靠性等做了大量的实验与深入的研究，并成功研 制了6 k w 、2 7 0 v 的飞机用开关磁阻起动发电机样机哪1 9 9 6 年西北工业大 学根据未来飞机电源系统的发展趋势，进行了“开关磁阻高压直流与恒频交流混 - - 4 - - 江苏大学硕士学位论文 合起动发电系统”论证，并列入国家“九五研究计划”，从此，国内开始对s r s g 进行系统、深入的研究。从2 0 0 0 年开始，南京航空航天大学课题组申请了基金 资助，开始将开关磁阻电机应用于汽车起动发电机方面的研究“m 啊1 湖 1 3 课题研究的背景及意义 随着我国加入w t o 和国民经济的快速发展，汽车工业面临着前所未有的发展 机遇和严峻的挑战，国家“九五”和“十五”发展规划都将汽车工业列为我国国 民经济发展的支柱产业，开发拥有我国自主知识产权的汽车工业新技术具有十分 重要的意义。 将开关磁阻起动助力发电机系统在汽车i s a d 中的应用是近年来一个新的 研究方向，涉及到电机、电磁场、电力电子、微机应用、自动控制、电气测试、 机械结构设计制造和热力学热场分析等诸多种学科，目前还没有相关系统的具体 分析和设计方法的实质性材料可供参考，其中开关磁阻电机的分析、设计、检测 与控制等都是当前国际电气界的热门课题。 开关磁阻电机本身是非线性系统，且必须结合控制器、控制规律、功率变换 器、电动、发电以及稳态和动态性能等方面进行综合设计，因而系统各个环节的 设计、仿真计算和实验验证上均有较大难度。 1 3 ，1 课题背景 本课题组与南京航空航天大学开关磁阻电机课题组有着长期的合作，已在开 关磁阻电机起动发电系统理论和实践研究方面打下了良好的基础，并紧密跟踪国 际s rs g 系统的前沿技术。针对国际上最新研究动态，结合我国的实际情况， 江苏大学、南京航空航天大学、无锡柴油机厂于2 0 0 2 年8 月开始开展合作，联 合研制c a g i i o 柴油机起动助力发电一体化系统。针对无锡柴油机厂提出的 2 3 0 p s 发动机采用i s a d 所需输出的转矩和功率特性，以及柴油机起动要求，利 用开关磁阻电机进行汽车i s a d 系统的设计，并共同研究和开发新型s rs g 产品。 1 3 2 课题意义 本课题通过研究开关磁阻起动助力发电机，不仅可以解决汽车i s a d 系统 的设计，实现电动与发电的一体化，从根本上克服目前汽车上独立的起动、发电 两个系统的种种弊端，而且对于完善开关磁阻电机理论和学术研究具有重大的价 值。在实际应用的前景上，灵活、高效的车用i s a d 系统，不仅可以缓解我国燃 - - 5 - - 江苏大学硕士学位论文 油汽车的高排放、低燃油经济性的问题，而且为快速发展的汽车工业注入了发展 的动力。 1 4 课题的主要研究内容 本文以车用开关磁阻电机起动发电助力一体化系统设计为主要研究内容， 并从理论和实践方面对以纯硬件方式实现车用开关磁阻起动发电控制系统进行 了可行性探索和研究。在课题组所积累的研究基础上，初步研究了开关磁阻起动 发电运行机理及其控制方案，并研制了相应的功率变换装置及基于c p l d 的i s a d 系统纯硬件控制器，完成了相关v h d l 程序的编制。 本文主要分为六章： 第一章为绪论部分，主要论述了课题研究的目的、意义及国内外研究现状， 并简要介绍了开关磁阻电机及i s a d 系统的特点。 第二章和第三章为理论分析部分，主要论述了开关磁阻电机的结构及其工作 原理，并详细讨论了构成i s a d 系统的开关磁阻起动发电机的控制策略。 第四章和第五章为系统设计部分，主要论述了开关磁阻起动发电机纯硬件 控制器和功率变换器的设计，介绍了以复杂可编程逻辑器件c p l d 为基础的数模 混合控制器的实现方案，并给出了相关的仿真波形。 第六章为样机系统的实验部分，主要论述了开关磁阻电机样机的堵转、电动 及发电实验，并给出了相关的分析结果。 江苏大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机的基本理论 2 1 s r 电机的基本结构及工作原理 双凸极磁阻电机的定、转子均为凸极齿槽结构，定子设有集中绕组，转子无 图2 - - i 三相6 4 结构s r 电机截面图 图2 - - 2 开关磁阻电机结构图 绕组。以目前广泛应用的三相6 4 结构电机为例，其截面如图2 一l 所示。其定 子有6 个齿极，转子有4 个齿极，每个定予齿极上设有一个绕组，位于径向相对 的两个线圈串联构成一相绕组，可组成a 、b 、c 三相绕组。图2 2 为s r m 的结 构图，它综合了电机、电力电子、徽电子及自动控制等技术，是机电一体化的新 型调速电动机系统。 电磁转矩的形成及其理论是认识s r 电机工作原理的基础如当a 相供电时， 设相电流为，则建立磁场的能量 昭= r 甜 ( 2 一1 ) 式中，相磁链矿是相电流和转子位置的函数。如图2 3 简示了该磁特性，p 点( ，) 为该磁工作点。由电磁场基本理论可知，在这个磁系统中，当转子有 虚位移，图中虚线为下个位置的磁特性，则磁能与机械能之间发生转换，其电磁 转矩 乙= 一鲁i ， 2 ) 该式以磁链不变为约束条件，这正表示增减的磁能和机械能的变化相平 衡，式中的负号是表示产生的电磁转矩的方向将有趋于磁能的减少 用磁共能来表达 江苏大学硕士学位论文 乙：鲁i ( z - l j c 3 ) 删 a 口 叫 在线性化处理的磁系统中，s r 电机的电磁转矩为： 乙= 三；2 等 浯a ， 式中：i 为相电流，是相电感，曰是转子位置角。 图2 3 电磁转矩计算关系图2 4 绕组相电感曲线 由图2 1 可以看出，当转子位置变化时，各相磁路的磁阻及相绕组的电感 也随之改变，若忽略磁路饱和的影响，把相绕组轴线( 定子齿轴线) 与转予槽轴 线重合位置定义为口= o 。，该位置相电感为最小值k 。：再定义定子相绕组轴线 和转子齿轴线重合位置为岛= 4 5 。，其时电感具有最大值。如图2 - - 4 所示， 相电感三( 日) 将以转子齿距角口，为周期而变化。 根据式( 2 4 ) ，s r 电机电磁转矩的方向是由相电流所对应的相电感的变化率 a l l 0 8 决定的：若相电流处于a 正1 a o 0 区间时则产生正转矩，s r 电机工作在电 动状态；若相电流处于越，a 口 o 时，s r g 的工作状态为： 江苏大学硕士学位论文 d 彬。= 乙q 西= 圭“2 0 输出机械能； d w = e i d t 0 ”输入电能； ( 2 ) 等 o 时，s r g 的工作状态为： 硼0 。= i r 减= 去d 2 0 ”输出电能； ( 2 1 3 ) 式两边同乘i ，得出电机的功率平衡式为 螂= i l 堡d 宰f + i e a = i l 竺d - - t i + 、l l i e n - f 慧 5 ) 由式可见，s r g 在励磁阶段输入的电功率一部分增加绕组的储能，部分 转换为机械能。储存的磁能增量的功率又由两部分组成：一部分是运动电势引起 的与机械功率数值相等的功率：另一部分是由变压器电势引起的输入磁场功率。 同样进入发电状态，储存的磁能和机械能一起转化为电能输出。 s r g 的机电能量转换过程，大体如下：当外力使得转子发生位移时，磁链 发生变化，磁能的变化产生运动电势，通过运动电势使得部分磁能释放出来变为 电能这样耦合磁场依靠运动电势和电磁力分别作用于电和机械系统，使得机械 能转换为电能或反之。 2 2 2s r g 的能流关系 开关磁阻电机在自励发电状态运行时，其能量关系与电动状态时相比会有很 大区别。忽略空载运行时的定转子铁耗以及管耗和绕组铜耗等，且假设机械损耗 与转速无关，则发电运行时的能流关系如图2 - 8 示。 p o = p - 图2 - 8 发电运行时的能流关系图 图中：咒为定转子铁耗；最为输入机械功率；只。为管耗；圪，为绕组铜耗； 江苏丈学颂学位论文 只为机械损耗；昂= 只为空载损耗： 根据上图，电磁功率及输入功率为： 只。= 只一e o = b + 只+ 只u + 只， 异= + 只 由于铁耗( 气) 及机械损耗( 只) 的计算比较困难， 输入功率，即： 丑= ( 忍+ + ) 1 0 5 n 相应的效率为： 叩= i r 2 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 在此采用估算法计算 ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) s r 电机各相绕组由开关电路控制工作，其广， 中一相主电路图如图2 9 所示，假设电机磁路不 u s 到审t v d l 饱和，则相绕组电感( 刃与电流无关。设主开关 lh 在口：鸟时刻触发。在乎：岛时刻关断。即口在 iv d 2 奉里j 审 以= 一e + i r ( 2 2 1 ) 江苏大学硕士学位论文 式中：+ u ，适于激磁阶段，一以适于回馈发电阶段；e 为相绕组电势。 相绕组磁链方程为：y = l i ( 2 2 2 ) 相应的，相绕组电势 p ：一生：一三霉一f 篓塑 ( 2 2 3 ) d td fa 8d f 设电机匀速旋转，则上式改写为 岍纠笏m + ，) ( 2 - - 2 4 ， 如图3 5 所示为s r g 线性模式相电感曲线，一个周期为9 0 0 ，相电感最小处 对应0 0 位置，最大处对应4 5 0 位置。s r 电机电动发电状态的改变只需要简单地 把开关角改变即可。电动状态的工作电流主要作用在电感的上升区，即在0 0 4 5 0 范围；发电状态的工作电流主要作用在电感下降区，即4 5 0 9 0 0 范围。若不计漏 磁和边缘散磁，l ( o ) 的可简化为图2 1 0 所示梯形规律。一般而言，转子齿极 三一 三。蛔 宽略大于定子齿宽，出现了一个l _ 。的小平顶：而转子槽宽常大于定子齿宽，故 存在l _ ；的小平台。图中画出了一个齿距角0 ，周期。 2 3 2 相电流解析5 1 相绕组电阻影响很小，忽略电阻及管压降，以做进一步简化，那么 玑2 警 ( 2 _ 2 5 ) 据此，以主开关触发开通瞬间为时间坐标原点，则得图2 一i i 所示相绕组磁 链规律： 仁2 u , t 也f巩e i 啾e e 2 一只( 2 - - 2 6 2 0 2 ) 【矿= 2 一以f岛 口 一岛 江苏大学硕士学位论文 鼽= 玑警( 2 - - 2 7 ) 由甲和l 的变化规律，不难根据( 2 - - 2 2 ) 式获得相电流规律。在图2 - - 1 0 中，把一个相电感周期分为i 、i i 、i i i 、i v 四个区段，设在区段i i i 触发主开 关，在区段i v 关断主开关。本节主要讨论这种发电运行的导通模式。其具体过 程分以下三个阶段( 如图2 - - l i ) ： i x ij 铺。 0t lt 2t 3“ t s1 图2 - - i ls r g 相磁链、相电感及相电流分析 l 、开始段( o t ) 此时，电感位于最大值。，且彪a 口= 0 ，即无运动电动势据式( 2 - - 2 5 ) 有 ”警= 罢+ ，嚣警= 工等 c z 秘， 由于 眈：c o n s t a n t三= 故j ：当 上h “ 电流线性增长 2 、维持阶段( t t 。) t 。瞬间之后，电感三不断减少，且a l a g o 。因而存在运动电动势。根据式 ( 2 2 5 ) ，有 【，。：业：工堕+ f 丝q ( 2 2 9 ) 1 d ld la e 由于u 。：c o n s t a n t ，8 l s e = c o n s t a n t ，又假设工与电流i 无关，故可 得关于电流i 的微分方程 江苏大学硬士学位论文 初始条件 令 则原方程变形为 蠢扣盏 嚣q 出“丝c l o qa 口 o ，= i | i - ) - 芒 丝q ：a a p 三西一；一ui2 ad t ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 解微分方程可得 ，= 争一帆+ 严n = 鲁【1 - e - 0 - h ) r + e u j r i 州7 f = 鲁+ ( 一鲁+ e - ( f - 棚7 其中 r = 专 由式( 2 - - 3 4 ) 可以看出： ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 当f ： 时，仁，u , _ z t 。因为此时砚a 口= c o n s t a n t o ，所以爿- - c 。n s t a n t 1 ，电流f 按指数规律上升。同时 一嚣q h ) ( 2 - - 3 6 ) 从上式可以看出，电感随时间f 上升而减小，幅度为嚣q ( f 一，1 ) ，所以在 电流按指数规律上升时，其时间常数h 非恒定，而是不断减小，幅度为 | 叫= t 一，i 。 当r = f 时 式中 ，= 鲁叫+ i u s t i 出p 4 ( z 蝴) 铲小户掣。， 3 、续流发电阶段( f 2 一) 一1 5 一 缸苏丈学硕士学位论文 1 ) f 2 一，3 乞l i f t l 3 2 _ 后，a l a o o ，又开始存在运动电动势。但 这个运动电动势的方向将较上一阶段更促迸电流的下降。由式( 2 - - 2 5 ) 得 一以= 百d v = l 万d i + i 历a l q ( 2 - - 5 2 ) 显然，这里电流下降率孚较上一阶段又大了，这将促使电流更快地下降， 一直下降到零。这一阶段电流的解析式如下： 汪鲁o - e - r ) t r 】+ 博( 2 - - 5 3 ， 以上的线性模型分析是在开关管i i i 区开通，i v 区关断的典型开关模式下进 行的。实际上，开通角气和关断角经常需要调整，而这个调整将直接影响相 电流的波形例如：减小气，增大，将使电机励磁时间加长，电机储能提高， 有可能提高输出电流。但钆提前过多，就进入电感上升区，即电动区，产生推 动转矩，减少输出功率。但是由于这个阶段电流很小，所以产生的推进转矩很小， 如适当允许这段电流的存在，将挟来增加第三阶段一续流发电的效果；所以在实 际工程上，往往采用i i 区开通，i v 区关断的开关方式。至于的调整也是至关 重要的。在上面的相电流解析中，f 一f 5 阶段电流的存在很显然是产生推进转矩 的，对发电当然不利，因此，实际工程中，应适当调整，除了可以调整励磁 强度外，还应使电流尽量在i 区续流完毕，从而减小不必要的损耗，提高效率。 2 3 3s r g 的有效发电条件 很显然，s r g 一相的输出功率为发电功率和励磁功率之差，因此为了实现较 大的输出功率，发电区电流必须足够大。由线性模式分析可知 三善：一以一f 罢q ( 2 5 4 ) 西 3 a 曰 s r g 进入发电区时，其相电流的变化取决于运动电势的大小，假设厶为口，时 江苏大学硕士学位论文 相电流值，它的大小反映了励磁的强度，即反映了储存磁场能量的大小，因此定 义为励磁电流。s r g 是通过控制励磁电流五来实现发电过程控制的目标。 当厶不变时，若转速q 较低则一u - i 舅q 0 ，发电 阶段相电流将上升因此为了进行有效的发电运行，最好在发电区的开始口2 处 满足下列条件： 一u - i 。o 孙l ，d 0 ( 2 - 5 5 ) 该式说明，励磁电流厶越大，转速越高，s r g 的出力越大，以致发电运行的 效率也越高。但是，由于在固定开关角度的情况下，励磁时间和转速成反比，所 以励磁电流五跟转速也就成了矛盾的一对诚然，在一定范围内转速提高，电 机的输出功率加大，这时运动电动势随转速的提高而加大，有利于机械能量的转 换。但转速进一步提高，励磁时间缩短由此会导致励磁电流五显著下降，使发 电功率反随转速的提高而减小。因此，在工程实践中，良好的设计应使电机最大 输出功率出现在额定转速附近，同时再配合转速变化合理调整开关角度，则能使 s r g 得以充分利用 2 3 4s r g 的工作特点 通过对s r g 的发电运行过程进行分析，得出s r g 发电运行具有以下的特色； 1 ) 由于s r g 的励磁绕组和电枢绕组只有一套绕组，其励磁和发电过程必须 采用周期性分时控制。其发电过程本身无法直接控制，只有调节励磁过程来控制 发电输出。 2 ) s r g 的每相绕组相对独立，耦合很小，可工作在缺相的故障状态，因此， s r g 发电运行的容错性好，可靠性高。 3 ) s r g 输出的是脉冲电能，欲使得其输出稳定的电压，其输出端必须并联 储能装置如电容、蓄电池等。 4 ) s r g 有较好的调节性能，控制参数多，有开通角口。、关断角口：、励磁电 压u 及相电流斩波限上限五等。 江苏丈学硕士学位论文 第三章s r 电机起动发电的控制策略 3 1i s a d 系统实施方案 3 1 1i s a d 系统构成 基于开关磁阻起动发电机的汽车i s a d 系统的典型原理框图如图3 - - i 所示 该系统主要由汽车发动机、开关磁阻电机、功率变换装置、控制器以及相应的直 流电源( 蓄电池组) 组成。由示意图可以看出，s r 电机可以根据需要，在控制 器和功率变换器的作用下，运行于不同的工作状态，实现i s a d 系统的各种功能。 发电运行 起动助力运行一 参致给定负载电流检测 图3 一ls r s g 系统原理框图 虽然s r 电机具有很高的可靠性和容错能力，但是s r 电机必须与配套的控制 器结合方能工作，因而整个s r 电机起动发电系统的可靠性与抗干扰能力主要决 定于它的驱动控制系统。对于由微处理器构成的控制器，当受到强干扰时程序有 可能发生混乱，微处理器便无法正常工作，这是微处理器的致命弱点。针对这一情 况，本课题采用了基于c p l d 的数模混合式驱动控制装置，该装置控制器结构简 单，成本低，调试方便，具有较强的抗干扰能力，可以有效地完成系统所需的各种 控制功能，实现起动助力发电功能的一体化。 值得注意的是，由于纯硬件控制的局限性( 即无法实现角度的任意调节) ， 为了保证s r 电机具有足够的起动转矩，在功率器件开通关断角的设定上可以适 当的牺牲一部分发电功率以换取发动机对起动转矩的要求。 3 1 2s r 电机的控制模式 开关磁阻电机起动发电系统的控制方式非常灵活，且可控参数较多，通过 茳苏大学硕士学位论文 对变量参数( 如开通角9 。、关断角、励磁电压及励磁电流上限等) 的灵活控 制，可以使开关磁阻电机有效地工作于不同的运行状态开关磁阻电机具有三种 基本的控制方式，即电流斩波控制、角度位置控制和脉宽调制控制。虽然这三种 控制方式的控制参数不同，但都是通过调节励磁电流五最终实现对电机运行状 态的有效控制。对于脉宽调制控制方式，由于车用开关磁阻电机起动发电系统 的直流电源为蓄电池组，而蓄电池在充放电过程中，极性影响使电压波动较大， 因此在该种控制方式下，励磁电压调节具有更多的不确定性，励磁电流的调节不 易实现，故本文未作讨论，读者可查阅相关的参考文献“”鲫 1 电流斩波控制( c c c ) 电流斩波控制是开关磁阻电机起动发电系统的基本控制模式。尤其是在转 速较低时，电流变化率较大。电流斩波控制在确保功率变换器充分、可靠工作的 同时减小了相电流对开关管的冲击，实现了恒转矩起动或恒功率发电。在进行电 流斩波控制时，一般固定相电流的开通角气和关断角，通过开关管的多次开 通和关断来达到限流的目的。 电流斩波控制分为定电流上下限i 型斩波和定关断时间t 型两种方式。根 据开关管的斩断方式，又分为斩单管和斩双管方式。所谓斩双管就是开关管被斩 断时，同时关断主电路桥臂的两个功率管， 此时绕组电流的续流回路如图3 2 中的l 所示所谓的斩单管，即只关断主电路桥 臂的一个开关管，如图3 2 中的2 所示。 u 由于在斩单管方式下的续流回路有一部分 能量不经过负载，而是消耗在由绕组、开 关管和续流二极管组成的回路中，因此， 图3 2 主电路续流示意图 在使用如图3 2 所示的主电路时，一般采用斩双管的电流斩波控制模式。 定a i 型电流斩波控制需要分别给出相电流的控制上限i 。和控制下限i 。 当相绕组进入开通区间吒、，开关管开通且相电流上升至i 。时，控制器关 断开关管；当相电流下降至k 时，控制器又开通开关管，如此循环，直至该相 绕组导通区间结束。电流斩波控制的典型相电流波形如图3 3 所示 j 工苏大学硕士学位论文 ( 起动态) 豳3 3 定i 型c c 控制典型电流波形 ( 发屯态) 与定i 型电流斩波控制相比，定t 型电流斩波控制是给定电流上限i 。 并配合固定关断时间间隔t ，以实现相绕组的限流控制。当相绕组进入开通区 间吒、，开关管开通且相电流上升至i 。时，控制器关断开关管；关断t 时间间隔后，控制器又开通开关管，如此循环，直至该相绕组导通区间结束。图 3 4 给出了典型的起动状态矗t 型电 流斩波控制的相电流波形。图中的相电 流斩波上限与图3 3 中起动状态的定 i 型电流斩波控制一致，而下限则随 相电感l 而变化。该方法的优点是：在 限制相绕组电流的同时，定t 时间斩 波能够有效地控制开关管的斩波频率， 图3 4 定i 型c c 控制电流波形( 起动) 从而限制开关管的开关损耗，这对于功率器件能否安全工作以及控制的可靠性而 言，是相当重要的。同时，定at 型电流斩波控制也便于数字控制器实施。 2 角度位置控制( a p c ) 角度位置控制是开关磁阻电机起动发电系统的另种基本控制模式，它通 过调节开通关断角气、这两个控制参数来调节励磁电流厶的大小。以实现对 电机运行的有效控制。 当转速较高时。电枢反电势阻止了相电流的过快上升率，电流斩波控制的调 节性能降低( 甚至失效，如恒功率起动阶段及高速发电阶段) ，此时调节开关功率 管的开通角钆、关断角很有效尤其是气的超前控制，对起动状态，相绕组 江苏大学硕士学位论文 通电时间加长：对发电状态，励磁时间加长 由于s rs g 的磁路饱和及功率变换器导致的非线性，使得控制参数与控制 目标函数存在很复杂的关系，很难同时调节两个参数。由于相电流对关断角的变 化十分敏感，而开通角对相电流的影响则比较均匀。如图3 5 和图3 6 所示， i - 4 一一 一卜一毒牛善- + 一 李镳 t + 一= 够 专 7 i 弋_ 一 一 i 一r r r “t j 7 ，r 、。r t ，荨芳霉茅簪辩酸： 研一n 。谂 ：= = 劭i 孵j l 图3 - - 5 角厦控制电流波形( 燹开通角) 图3 6 角度控制电流波形( 变关断角) 因此在实际应用中，一般将关断角作为辅控参数，将开通角如作为主控参数， 即根据优化值固定关断角，然后调节开通角气，实现对系统控制的需要。 3 2 起动助力控制策略 3 2 1 起动控制策略 由于本课题所讨论的开关磁阻起动发电机是用于汽车i s a d 系统中的，其机 械负载是汽车发动机，故开关磁阻电机的起动运行必须与汽车发动机负载相配 t蕾毫t a ) 转矩特性b ) 功率特性 图3 72 3 0 p s 发动机的转矩及功率特性 合，起动时电机起动转矩必须大于发动机的静阻转矩。根据无锡柴油机厂提出的 mmm拍。 i l f 青 卅哪辩m啪mm晰跏枷 江苏大学硕士学位论文 2 3 0 p s 发动机采用i s a d 所需输出的转矩和功率特性( 如图3 7 所示) ，s r 电机 的输出扭矩曲线如图3 8 所示。 i 驰加婕悖t 、 t 气 i o5 埘碲 图3 8s r 电机起动扭矩输出特性 在起动状态下，由于开关磁阻电机起动发电系统的起动过程对转速、转矩的 控制没有过程要求，故可采用转速开环控制。在控制模式的选择上，由于起动阶 段，s r 电机处于低速运行区，反电势较小，电流变化率较大，为避免电流上升 过快，超过功率开关管和电机允许的最大电流，在起动过程中选择电流斩波控制 的方法以限制起动电流的幅值。为了保证电机起动时具有足够的转矩，可以通过 合理选择相绕组的开通角气，使相电流在进入有效工作区域( d l d # o ) 前即 达到一定的数值。 另外，由于s r 电机为双凸极结构，因此其起动时的合成转矩脉动较大。而 如何采取适宜的控制策略减小转矩的脉动，以提高i s a d 系统的性能，还有待于 深入的研究和探讨。 3 2 2 助力控制策略 当发动机的转速超过怠速( 8 0 0 r p m ) 以后，如果此时油门位置为最大，且蓄 电池剩余电量大于某一下限时，系统则要求s r 电机仍然工作于电动状态，为汽 车发动机提