（电机与电器专业论文）双srm控制系统仿真与研究.pdf

a bs 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 ) i sc o m p o s e d ( s r m ) ，c o n t r o l l e r , p o w e rc o n v e r t e r ，p o s i t i o nd e t e c t o r o fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r a n dc u r r e n td e t e c t o r t h es r d h a sp o t e n t i a ld u et oi t sa d v a n t a g e s i nt h i sp a p e r , t h eo n ec o n t r o l l e rd r i v et w os r m s c o n t r o ls y s t e mw a sr e s e a r c h e dw h i c hu s e di ne l e c t r i ct r a c t i o nm o t o rs y s t e m b a s eo nf u n d a m e n t a le q u a t i o no fs r m ，w eg e tf l u xl i n k a g ec u r v eo fs r mb y t h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n dt h e n ，u s e dt h i sc u r v et ob u i l tm o d e lo fs r m b ym a t l a b s i m u l i n k t h em o d e lt h a t b u i l tb yt h i sm e t h o di sm o r ed i r e c ta n d m c i r ea c c u r a t et h a nw h i c hb u i l db yl i n e a r o rn o n l i n e a re q u a t i o n t h ee l e c t r i c a l m a c h i n e r ym o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i cw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h ep l a no f t h e n e wo n e d r i v e t w os r dc o n t r o ls y s t e m 。w a sp r o v e df e a s i b i l i t yt h r o u g h t h e r e s e a r c h i n go fs r ds y s t e mm o d e l a n da l s ot h ep e r i o do fd e v e l o p i n gs r d c o n t r o l s y s t e mw a sr e d u c e d 1 nt h ed e s i g n i n go fh a r d w a r ea b o u to n e d r i v e t w os r ds y s t e m ，w eu s e dd s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 7a st h ec o n t r o l l i n gc h i pa n dt w os r m s ( 5 0 0 w ) a sc o n t r o l l e do b j e c t s t h ed e s i g n i n go fc o n t r o ls y s t e mw a ss p e e d i n gu pb e c a u s et h a td s p h a sr i c hp e r i p h e r y c i r c u i ta n df o r m i d a b l ec o m p u t a t i o nf u n c t i o n t h e r e f o r e ，w e c a nu s eo n ed s pt o c o n t r o lt w os r m s t h ep o w e rc o n v e r t e ri sb a s e do i l l e s ts w i t c hs t r u c t u r e a n di s c o m p o s e do fi n t e l l i g e n t p o w e rm o d u l e ( i p m ) w h i c hh a sh i g h l yi n t e g r a t i o n ，g o o d p e r f o r m a n c ea n df l e x i b l ec o n t r 0 1 t h ei p mm a k e ss w i t c hc o m p o n e n t sa n d d r i v e c i r c u i t s i no n ec h i p ，a n di ta l s oh a sm a n yp r o t e c t i v ef u n c t i o n s s oi tm a k e st h ew h o l e d e s i g nm o r es t e a d ya n dm o r es u c c i n c t w ei m p l e m e n t e dt h em o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m i n gm e t h o dt od e s i g nt h ew h o l e s o f t w a r es y s t e mt h r o u g ha s s e m b l el a n g u a g e i tm a k e sp r o g r a mh a sb e t t e rv e r s a t i l i t y a n db e t t e rr e a d a b i l i t y w eu s e dp i dc o n t r o lp r i m a r i l ya n ds p e e dc l o s e d l o o pc o n t r o l w a yt o a c h i e v eo u rp u r p o s e sa b o u ts t a b l es t a r t i n g ，f a s tb r a k e ，c u r r e n tc h o p p i n g c o n t r o l ( c c c ) a n da n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o l ( a p c ) k e yw o r d s ls w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ( s r d ) ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ， i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) ，p i d 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，也不包含为获得天津大学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。 学位论文作者签名：叶、国鸟 签字日期：仉一 年 6 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学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：叩、q 匆 导师签名： 签字日期： 7 年易月莎日 签字吼习年6 卢矿日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 开关磁阻电动机( 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 ) 是继直流电动机和 交流电动机之后，又一种极具发展潜力的新型电机。s r m 不仅保持了交流异步电 机的结构简单、坚固可靠和直流电机可控性好的优点，同时还有价格低、效率高、 适应性强、机械特性硬等优点，显示了很大的应用前景，但是同时s r m 又有转矩 脉动和噪声相对过大，必须配合控制器才能运行等缺点，这些又限制了其得以迅 速广泛的应用。 以s r m 为控制对象的调速系统称为开关磁阻电机调速系统( s r d ) ，这是一 个涉及到电机、微电子、现代电力电子、机械以及控制技术等多学科的研究领域。 随着近年来电力电子技术的迅猛发展，给人们提供了更多的手段来改善s r d 系 统，使得s r d 系统又成为了电气传动领域的热门课题之一。 1 2 课题研究背景 本文研究双开关磁阻调速电动机并联传动系统，应用于电牵引采煤车。需要 保证两台磁阻电机的同步运行，并且保证两台电机功率分配平衡，防止单台负载 过重烧毁电机。 目前国内的电牵引系统多采用电磁调速电机和交流变频系统。前者电机体积 大、效率低、故障较多；后者多采用国外生产的通用变频器改造而成，其性能和 使用条件难以与采煤机完全适应，如起动转矩不够大、机械特性较软、不适合频 繁起、停等，尤其是国内的公司还未能完全掌握变频器的核心技术，故改装中一 旦出现故障，维修困难，费用极高。 本文研究采用开关磁阻电机调速系统实现采煤机的电牵引系统。其效率高， 不仅在额定输出状态下有比其它电机调速系统高的效率，而且在宽广的调速范围 内也能保持高效率运行；启动力矩大、启动电流小，对电网冲击小，启力矩平滑、 可控；制动性能好，能实现再生制动，节约电能；具有无刷结构，适合在高粉尘、 高速、易燃易爆等恶劣环境下运行；可工作于堵转状态下，而不烧电机。 此系统主要技术参数如下： 第一章绪论 系统电源电压：直流1 8 0 v ( 蓄电池供电) ； 牵引电动机额定功率：2 2 2 k w ； 牵引电动机额定电流：1 4 4 a ； 电机额定转速1 1 0 0 r m i n ； 电机最高转速2 3 0 0 r m i n ； 输出特征：额定转速下恒转矩，额定转速以上恒功率； 起动转矩1 5 0 ( 额定转矩) ； 两台电机输出转矩差1 0 。 1 3s r d 系统组成与特点 1 3 1s r d 系统组成 图1 1s l i d 系统框图 _ 回 如图1 - 1 所示，s r d 系统主要由四部分组成：s r 电机本体、功率变换器、控 制器及位置和电流检测器。 1 、s r 电机本体 s r 电机本体是s r d 的执行元件，图1 - 2 所示为开关磁阻电机的电机结构原 理图，电机为了增加出力而设计成双凸极结构，转子仅由硅钢叠片叠压而成，既 无绕组也无永磁体。定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一 相。其工作原理遵循“磁阻最小原理 ，即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合。 所以当铁芯与磁场的轴线不重合时，便会有作用力将铁芯拉到磁场的轴线上来， 这个作用力就是磁阻电机运行的原动力。这方面s r 电机与步进电机有相似之处。 但s r 电机与步进电机也有很大的区别。其一，一般步进电机是开环控制， s r 2 第一章绪论 电机则是位置闭环控制。避免了丢步。其二，一般步进电机作为信息传输，需要 实现角位移精密传动，而s r 电机是典型的功率型电气传动装置。二者具有不同 的设计思路，s r 电机更注重提过系统的效率以及良好速度控制性能。 s r 电机可以设计成不同的相数，相数多有利于减小转矩脉动，但是导致结 构复杂，成本增高。因此目前最常用的是三相或四相s r 电机。图1 2 为四相 s r 电机( 图中仅画出a 相绕组及其供电电路) 。当定子b b 极受到励磁时，转 子受到的磁力就会使转子a a 的轴线与定子极轴线b b 重合，并使b 相励磁绕 组的电感最大。如果以图中的相对位置为起始位置，依次给b a d c 相绕组通 电，则转子便按顺时针方向连续转动起来。并且当主开关管s 1 、s 2 导通时，a 相 绕组从直流电源v 吸收电能；当s l 、s 2 关断时，绕组电流通过续流二级管d l 、 d 2 将剩余的能量回馈给电源。因此，s r 电机传动具有再生作用，有利于系统效 率的提高f i 】。 图1 - 2s r 电机典型结构原理图 2 、功率变换器 功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动 机绕组的功率开关部件。功率变换器成本的比重很大，因此合理设计功率变换器 是提高s r d 的性价比的关键之一：功率变换器的设计一般考虑两方面问题，其 一，功率变换器拓扑结构的设计；其二，功率变换器开关器件的选择和器件定额 的估算。以下我们将分别讨论。 功率变换器的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式，并且与开 关磁阻电动机的相数、绕组连接形式有密切的关系。其中，常见的拓扑结构有： 不对称半桥结构、直流电源分裂结构，最少主开关器件结构等。 s r 电动机功率变换器的主开关器件选择不仅需要考虑到电动机的功率等 级、供电电压、峰值电流、成本等问题，而且需要考虑主开关器件本身的开关速 度、触发难易、开关损耗及市场普及性等等。目前市场常见可选择的电力电子技 器件有普通晶闸管( s c r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率m o s 3 第一章绪论 场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b x ) 以及智能功率模块( i p m ) 。 8 0 年代初，主开关器件皆用s c r 。鉴于s r d 电流脉冲峰值较大，而s c r 电流 峰值平均电流比值高，能承受很大的浪涌冲击，一度被视为s r d 中最理想的主 开关器件。但s c r 无自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高，可靠性 差，构成的s r d 总体性能有局限。后来较多应用g t r ，但g t r 承受浪涌电流 能力差，存在二次击穿问题，不易保护，限制了其在高压、大功率场合下的应用。 8 0 年代中期，结合了s c r 、g t r 两者优点的g t o 受到重视。因g t o 兼有 自关断、快速开关能力，能承受较g t r 高的电流、电压。所以t a s cd r i v e s 公司 的o u l t o ns r d 产品中均用g t o 作为主开关器件。 m o s f e t 是一种单极型的电压控制器件，具有驱动功率小、驱动电路简单、 开关速度快( 开关时间为1 0 l o o n s ) 、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著优点。 但由于种种原因，m o s f e t 单管功率难以做的很大。i g b t 兼有m o s f e t 和g t r 的优点，因而性能更为优异。本文将采用驱动与主开关器件i g b t 集成的智能功 率模块( i p m ) ，简化了驱动电路的设计。 3 、控制器 s r 电机的运行离不开控制器，它是实现s r 电机自同步运行和发挥优良性能 的关键。它综合位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反 馈信息，以及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向s k i ) 系 统的功率变换器发出一系列开关信号，进而控制s r 电动机的运行。 伴随着微电子器件的飞速发展，s r 电机的控制系统也从早期的分立模拟器 件组成的简单控制系统逐渐发展成为以高性能微控制器为核心的数字化控制系 统，相应地专为电机控制设计的高性能数字信号处理器( d s p ) 给各种高级复杂控 制策略的实现提供了可能。数字控制器由具有较强的信息处理功能的c p u 和数 字逻辑电路及接口电路等部分组成。数字控制器的信息处理功能大部分是由软件 完成。因此，软件也是控制器的一个重要组成部分。软、硬件的配合是否恰当， 对控制器的性能将产生重大影响。 4 、位置、电流检测器 位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者。它及时向控制器提供定、转 子极间相对位置的信号。常见的位置检测方案有光敏式、磁敏式及接近开关等含 机械的检测方案。 电流检测器向控制器提供s r 电机绕组的电流信息，常见的电流检测方案有： 电阻采样、霍尔元件采样和磁敏电阻采样等【2 】。 4 第一章绪论 1 3 2s r d 的特点 s r 电机系统具有一些很有特色的优点： l 、电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速：定子 线圈嵌放容易，端部尺寸短而牢固。工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强 振动环境； 2 、损耗主要产生在定子，电机易于冷却：转子无永磁体高温退磁现象：可允 许有较高的温度； 3 、转矩方向与电流方向无关，因而可简化功率变换器，降低系统成本。同 时功率变换器不会出现直通故障，可靠性高； 4 、起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现 象； 5 、调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性； 6 、在较广的转速和功率范围内具有较高的效率。能四象限运行，具有较强 的再生制动能力； 7 、有很好的容错能力，可以缺相运行。 这些优点使得s r 电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引 电机、高转速电机等方面的到广泛的应用。 s r d 系统的主要缺点有： 1 、转矩脉动。由于电机中的磁场是跳跃性旋转的，电动机的输出转矩是各 相绕组通电产生的脉冲转矩叠加而成的。由于电机的双凸极结构、磁路有饱和等 非线性以及绕组电流波形不是理想方波，使输出转矩不是恒定的转矩，而存在脉 动。转矩的脉动使得转速也有脉动。 2 、振动与噪声。开关磁阻电机中存在的转矩脉动以及单边磁拉力引起电机 的振动与噪声。另外，功率变换器的开关频率在人耳听觉范围内时也会产生噪声。 1 4s r d 系统发展概况及研究热点 1 4 1s r d 系统发展概况 开关磁阻电机最早可以追溯到1 9 7 0 年，英国l e e d s 大学步进电机研究小组 首创一个开关磁阻电机雏形。到19 7 2 年进一步对带半导体开关的小功率电动机 ( 1 0 w l k w ) 进行了研究。1 9 7 5 年有了实质性的进展，并一直发展到可以为5 0 k w 的电瓶汽车提供装置。1 9 8 0 年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司 ( s r dl t d ) ，专门进行s r d 系统的研究、开发和设计。1 9 8 3 年英国( s r dl t d ) 首 第一章绪论 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 年已运行5 0 0 k m 。该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。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变速传动系统。 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。在国外的应 用中，s r d 一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是s r d 的 一个特长的方向。据报道，美国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。我国大约在1 9 8 5 年才开始对s r d 系统进行研究。s r d 系统的研 究已被列入我国中、小型电机“八五 、“九五 和“十五”科研规划项目。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 d 的纯电动轿 车，在“十五”项目中将s r d 应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运 行效果。纺织机械研究所将s r d 应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动 车辆等，取得了显著的经济效益。 从上世纪9 0 年代国际会议的上有关s r d 系统的文章来看，对s r d 系统的 研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶 段。对s r 电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方 面进行了更加深入的研究。 1 4 2s r d 系统研究热点 针对s r d 系统的特点，国内外学者正在进行以下几个方面的深入研究： 一、功率变换器拓扑结构设计。由于s r d 系统的性能和成本很大程度上取 决于功率变换器的性能和成本，因此功率变换器的研究意义重大，目前研究主要 集中在功率变换器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用等方面。 二、多目标优化控制。在控制参数的优化方面，根据不同的系统要求，可选 取不同的目标函数，如系统的效率最高、平均转矩最大、转矩脉动系数最小等。 由于s r d 控制参数多、电机模型复杂，使得优化过程计算量大，而且得到的只 是针对单个系统的优化结果。与传统的电机调速系统相比，s r d 系统实现优化 控制的难度要高一些。但是随着各种控制理论在传统电机调速系统中应用的研究 日益深入，它们在s r d 系统中的应用也逐渐增多。如采用传统的p i 调节器，以 斩波电流限为控制变量，实现了s r 电机的转速和转矩控制。一些现代的控制理 论和方法在s r 电机的控制中也得到了应用，如模糊控制、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。这些现代控制技术的使用部分解决了s r d 系统的非线性多变量强 6 第一章绪论 耦合问题，但离实用技术还有一定距离，主要表现在一些控制技术中为设计目的 提出的模型太过复杂而难以用于s r 电机实时控制，而有的为控制目的提出的模 型则过于简单而影响了控制的实际效果，或者因控制参数难于确定而失去实用的 价值。但随着微电子技术和高级控制技术的发展，这些控制技术必将在s r d 系 统中得到切实应用。 三、消除转矩脉动控制。s r 电机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因 素的影响，如电机结构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等。由于s r m 的双凸极结构，电磁特性以及开关的非线性影响，采用传统控制策略得到的合成 转矩不是一恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动。这点限制了s r d 在很多 直接驱动领域的应用。提出有效减小转矩脉动的方法具有十分重要的意义。目前 已有很多文献论及这个领域，取得了一定的效果。 四、低噪声控制针对s r 电机本体，噪声是一个非常突出和有待解决的问题。 早期的s r d 由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪 声，以至于成为s r d 的一大特点而为人们接受。随着研究的深入和s r 电机应用 的日益广泛，降低s r 电机的噪声成了一个关键的研究课题。 五、无转子位置检测。位置检测是s r 电机同步运行的基础，也是s r 电机 区别于步进电机的主要方面之一，s r 电机的各种高级控制技术都是以高精度的 位置检测为首要条件，为了得到良好的性能，s r 电机的控制器需要知道转子的 位置信息。目前普遍采用外装光电式或磁敏式等轴位置检测器，这不仅增加了系 统的体积和成本，而且降低了系统的可靠性。为了消除轴位置检测器这一不利因 素，无转子位置检测技术成为s r 电机研究的一大热剧”j 。 1 5m a t l a b 介绍 目前，电机控制系统变得越来越复杂、越来越庞大，并且不断地提出了新的 控制算法以及新的模型。对这些系统进行实际测试有时是不可能的，或者研究费 用很大，或者会导致现有工作系统的破坏。即使可以实际测试，如果运行情况不 尽人意，需要重新设计，则会耗费很大的精力和时间。由于不方便进行实际测试， 这是就需要按照实际系统建立系统模型进行研究，然后再利用模型试验研究的结 果来推断实际系统的工作情况。如果模型的仿真结果符合要求，就可以应用到实 际系统中；如果仿真结果不正确，可以简单地修改模型重新仿真直到符合要求为 止。系统建模后的仿真语言可以采用不同的语言，以前常用的语言是c ，p a s c a l 以 及f o r t r a n 。但是使用这些仿真语言时没有一个良好的开发环境，没有一个人性化 的操作界面。因而影响了系统建模仿真的速度和效果。而现在m a t w o r k s 公司开发 第一章绪论 的m a t l a b 开发环境是一个集成的开发环境，使用类似于c 语言的m 语言作为开 发语言。对复杂的电机控制系统进行建模和仿真时，还可以采用m a t l a b 自带 的强大的控制系统工具箱以及仿真软件s i m u l i n k i 具箱。 m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 仿真软件是一种面向科学和工程计算的高级开 发工具。它包含了科学计算，自动控制，信号处理，小波分析，神经网络以及图 象处理等等一系列常用的科学工具，具有很高的编程效率。它还提供了对c ，以 及c + + 编程的接口，对实时性能要求较高的应用系统提供了相应的措施。 m a t l a b 具有良好的可扩展性，m a t l a b 的函数大多为a s c i i 文件，可以直接编 辑、修改，m a t l a b 的工具箱可以任意增减，任何人可以自己生成m a t l a b 工 具箱。m a t l a b 是基于矩阵运算的工作平台，它的运算要素不是单个数据，而 是矩阵。比如求解线性方程a x = 6 ，a 为方阵，m a t l a b 直接用x = b a 耳j l 可以得到 结果，几乎不需要调试就可以运行，因此m a t l a b 比c ，f o r t r a n 等语言简洁的多。 同时为了配合对直观性要求较高的控制系统的仿真，m a t l a b 还提供了 s i m u l i n k 仿真软件。s i m u l i n k 仿真软件的最大特点就是直观，它直接操纵方 框图。它是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理 的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统：；单任务、多任务离散 事件系统。s i m u l i n k 提供了使用方框图进行仿真的平台，使用s i m u l i n k 进行 仿真和分析可以像在纸上绘图一样简单。它比传统的仿真软件包更直观、方便。 它是m a t l a b 的进一步扩展，它不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与 m a t l a b ，c 或者f o r t r a n 甚至和硬件之间的相互数据传递，大大的扩展了它的功 能。s i m u l i n k 不但可以进行仿真，也可以进行模型分析、控制系统设计等功能 【6 】【8 j 。 1 6 本论文研究内容 s r d 系统是一种典型的机电一体化的产品，融合了电机学、微电子、电力 电子、控制理论等众多高科技学科领域。s r d 系统中，功率变换器、控制器及 位置传感器等缺一不可，因此需要对s r d 整体进行合理设计。吸收了当前最新 的电力电子技术和微机控制技术的成果，优化了系统的控制策略和结构等等，只 有对各方面的综合考虑，使s r d 系统达到最优的调速性能。 为了能将开关磁阻电机应用于两台电机同步运行的采煤机电牵引系统去，本 文对单控制器控制两台电机的控制系统进行了研究。 主要完成了以下几方面工作： 第一章绪论 1 、以s r 电机基本方程为基础，采用有限元分析得出的s r m 磁链特征数 据，通过m a t l a b s i m u l i n k 建立四相( 8 6 极) s r 电机模型。同时建立了控制 器模型以及应用s i m u l i n k 电力电子模块库建立了功率变换器电力电子模型， 从而完成了s r d 系统的整体建模； 2 、通过s r d 系统模型，对电机的两种起动方式( 单相起动和两相起动) 、电 流斩波控制方式( c c c ) 和角度位置控制方式( h p c ) 进行了仿真，并且通过仿真结 果分析了电机的运行特性； 3 、对两台电机同步运行的功率平衡问题进行了分析，并且建立了双电机控 制系统的模型，通过s i m u l i n k 仿真波形验证了功率平衡问题的解决方案的可 行性； 4 、以数字电机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 为基础，以两台5 0 0 w 的 s r m 为研究对象，对双s r m 控制系统的硬件电路进行研究与设计。功率变换器 采用最少数量主开关器件的实现形式，主开关器件采用6 单元的智能功率模块 ( i p m ) ； 5 、以硬件电路为基础，对控制系统进行合理的软件设计，使两台电机能够 按照要求稳定运行。 9 第二章基于m a t l a b 的s r d 系统建模与仿真分析 第二章基于m a t l a b 的s r d 系统建模与仿真分析 为了对s r d 采用的控制策略，调速效果以及双s r m 控制等进行研究，需要 建立s r 电机调速系统的整体仿真模型。开关磁阻电动机很难用传统电机的基本 理论和方法来分析和计算。这一方面因为该电机本身很特殊，它的磁场分布和电 路参数比较复杂，特别是在脉冲性电流供电及转子步进运行中无法像其他电机那 样建立简单和规范的数学模型。另一方面他由可控开关电路供电，必须将非线性 的电机参数，非常规的开关变换器供电电路以及特殊的控制方案进行一体化分析 和研究。 m a t l a b s i m u u n k 是建立仿真模型的理想环境，它不但直观、便捷、准 确，而且具有丰富的模块库，其中包含电力系统模块库( s i m p o w e r s y s t e m s ) ，用该 模块库中的模块可以方便的进行电力电子电路和电机控制系统仿真。另外， m a t l a b 中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化，使研究更 有效率。 本章利用m a t l a b s i m u l l n k 对s r d 调速系统进行了详细的仿真和分析， 为实际s r d 硬件电路与软件程序设计奠定了理论基础，缩短了整体系统的开发 时间。本章主要完成了以下工作： 1 、阐述s r 电机的基本方程，这是建立s r d 仿真模型的理论基础； 2 、通过m a t l a b s i m u l i n k 建立基于非线性磁链曲线的四相( 8 6 极) s r 电 机模型、功率变换器电力电子模型以及控制器模型； 3 、对s r d 系统的起动运行、电流斩波控制( c c c ) 运行以及角度位置控制 ( a p c ) 运行等进行了仿真和分析； 4 、对两台s r m 功率平衡控制系统进行了仿真与研究。 2 1s r 电机基本方程 为了简化分析，忽略了铁芯损耗和绕组互感；设开关磁阻电动机的相数为m ， 各相结构和参数对称；主电源直流电压保持不变；功率开关器件理想。系统示意 图如图2 1 所示【1 1 。 1 0 第二章基于m i t l a b 的s l i d 系统建模与仿真分析 砚 砚 屹 无损耗磁场系统 厂 厂 厂1 一 乃, - - e 广k - k _ 唧j 岛 ( i 正，印 = 、 坼如，曰) r r i 熊，d f 撤 图2 1m i i 目s r m 系统示意图 图中，j 为s r m 转子及负载的转动惯量，d 为粘性摩擦系数，正为负载转 矩。图2 - 1 所示系统动态过程的微分方程由电路方程、机械方程、机电联系方程 三部分组成。 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，第k 相绕组的电压平衡方程式为： u = r a + d 帆d t ( 2 1 ) 式中 巩加在k 相绕组的电压； r 叫相绕组的电阻； f l k 相绕组的电流； y 。k 相绕组的磁链。 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转子位置角的函 数。由于开关磁阻电动机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在 开关磁阻电动机的计算中一般忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转 子轭部饱和在各相之间产生的相互影响，这时k 相磁链为绕组电流和转子位置 角0 的函数，磁链又可用k 相电感厶和电流的乘积表示，所以方程可近似成： i = 帆( & ，口) 亍l k ( ，吼) & 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 得： ( 2 2 ) 第二章基于m a t l a b 的s r d 系统建模与仿真分析 巩啦+ 玺孽d t + 普詈o l k d hm - n , 也静詈+ ，ka l k d e ， c 担 a fd fq f ( 2 - 3 ) 由式( 2 3 ) 可知，电源电压等于三部分压降。其中，等式右端的第一项为第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，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， 称为运动电动势，它与电磁机械能量转换直接有关。 2 、机械方程 根据力学定律得出电动机电磁转矩z 和负载转矩l 作用下的转子机械方程： j r i d f c o = d 一冕 d o = m 出 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中日为转子位置角，0 3 为转速。 3 、机电联系方程 上面分别从电端口、机械端口列写了系统方程，两者是通过电磁转矩藕合在 一起的，因此反映机电能量转换的转矩表达式即为机电联系方程。 s r 电机一相绕组在一个工作周期中的机电能量转换过程可通过其在磁链一 电流似一f ) 坐标平面的轨迹加以完整描述，所以s r 电动机的静态性能可以通过一 簇磁化曲线，即用随转子的位置和相电流周期变化的磁链曲线来表征。这一轨迹 必定介于两条极限磁化曲线内。两条极限磁化曲线分别对应于定转子凸极中心线 重合的最小磁阻位置钆。和定子凸极中心与转子凹槽中心线重合的最大磁阻位 置谚。 根据机电能量转换原理，开关磁阻电动机的电磁转矩表示为磁共能形对转 子位置增加的速率，即 互：掣：丁( ，日) ( 2 - 6 ) 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 卅 乃= r ( 蠢，9 ) 七= l 1 2 ( 2 7 ) 第二章基于m a t l a b 的s r d 系统建模与仿真分析 上述数学模型由于有严重的非线性，不可能得出解析解。因此，在性能分析 求解数学模型时需要在实用和理想之间寻求一种折衷的处理方法。到目前为止， 针对磁链的变化，采用了以下几种方法建立模型： 1 、理想线性模型 若不计电机磁路饱和的影响，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，可采用开关磁阻电动机的理想线性模型将磁链帆近似为 电流的线性函数，这种方法可了解电机工作的基本特性和各参数间的相互关 系，并可作为深入探讨各种控制方式的依据，但求解的误差较大，精度较低。 2 、准线性模型 因为磁链帆的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了近似地考虑磁 路的饱和效应、边缘效应，可将实际的非线性磁化曲线分段线性化，同时不考虑 相间耦合效应，这样可以用解析式来表示每段磁化曲线。可将帆曲线分为两段 ( 线性区和饱和区) 或三段( 线性区、低饱和区和高饱和区) 。 3 、非线性函数拟合模型 将磁链帆用非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确度。 4 、查表法建立模型 该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流间隔电机磁特性数据y ( f ，0 ) 反 演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据f ( y ，0 ) ，连同转矩特性数据r ( f ，口) 以表 格形式存入计算机中，然后用查表法数值求解非线性模型。 本文的电机模型建立采用查表法，通过有限元分析方法计算出电机的磁特性 曲线g ( i ，0 ) 以及转矩特性曲线r ( f ，0 ) ，然后通过m a t l a b 二维表格存储所得数据。 这种方法较为直接、也较为精确，既可用于稳态分析，也可用于解瞬态问题。 2 2m a t l a b s i m u l l n k 建模与仿真 图2 2s r d 系统总体结构图 1 3 第二章基于眦t l b 的$ r d 系统建模与仿真分析 按照图2 2 所示的系统总体结构，建立系统的仿真模型，仿真模型如图2 3 所 示。 图2 3s r 啄统总体仿真模型 模型利用了电力系统模块库，与实际电路具有更高的相似性，能够充分模拟 实际电路的控制方法以及主开关器件开关特性。总体模型中包含了电机模型 ( s w i t c hr e l 哪tn c em o t o r ) 、功率变换嚣模型( c o n v e r t e r ) 、控制器模型 ( c o n t r o e r ) 以及位置检测模型( p o s i t i o n s e n s o r ) ，下面将对它们做详细介绍。 22 l 电机模型建立 通过对2 2 k w 开关磁阻电机样机的有限元分析计算得出如图2 - 4 的一簇磁化 曲线y ( j ，日) 。 m 口1 1 n 1 j j ? 1 。u 圈2 42 2 k w 电机磁化曲线 一缓罐 昭吣啷昀临们吣1詈o 第二章基于h i a t l a b 的s r d 系统建模与仿真分析 如上图磁化曲线簇最下面一条磁化曲线所示，当定子凸极与转子凹槽重叠 时，具有最小电感厶咖，且为常数，所以磁链y 延斜率k 。直线上升。等角度变 化得到上图所示一簇磁链随电流变化曲线。 通过以上对数学模型以及模型的求解方法的分析，建立s r 电机仿真模型如图 2 5 所示： 图2 5s r 电机仿真模型 其中i t b l 是由磁特性数据y ( f ，0 ) 反演得到电流特性数据f 缈，p ) 建立的二维 表格；t t b l 是转矩特性数据t ( i ，p ) 建立的二维表格；m e c h a n i c 子系统为机械方 程( 2 4 ) 及( 2 5 ) 建立的仿真模型，子系统内部模块如图2 4 所示。根据式( 2 一1 ) ，将 一相输入电压减去该相绕组电阻上电压再进行时间积分得到磁链，图2 6 中表示 为f l u x ( v s ) ；其和转子角度通过电流特性数据表格i t b l 计算出该相电流值；电 流和转子角度通过转矩特性数据表格t t b l 计算出该相的电磁转矩，四相转矩相 加便得到合成转矩，图2 5 中表示为t e 州幸m ) ；再由机械方程就可得到电机转速及 转子位置角。 图2 6 机械方程仿真模型 第二章基于m a t l a b 的s r d 系统建模与仿真分析 2 2 2 功率变换器模型建立 功率变换器是控制器控制电机运转的中间环节，由控制器控制功率变换器中 主开关器件的通断，从而使蓄电池或交流电整流后得到的直流电按照一定顺序加 在电机的绕组上，使电机按照要求运转。 一般来讲，理想的功率变换器拓扑结构应该满足如下要求： l 、最少数量的开关器件； 2 、既适用于偶数相的s r 电机，亦适用于奇数相的s r 电机： 3 、可将全部电源电压加给电机的绕组； 4 、主开关器件的电压额定值与电机接近； 5 、具备迅速增加相绕组电流的能力； 6 、可通过主开关器件调制，有效地控制相电流； 7 、在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源。 常用的功率变换器拓扑结构有以下几种： 1 、不对称半桥结构功率变换器 这种线路的四相s r 电动机功率变换器结构电路图2 7 所示： 图2 7 不对称半桥结构 这种拓扑结构每一相有两个主开关器件q l 和q 2 ，两个续流二极管d l 和 d 2 ，两个主开关器件是同时导通的。以a 相为例介绍这种结构的工作原理，当 控制器使q l 、q 2 导通时，d l 、d 2 截止，直流电源u s 加在a 相绕组两端，产 生相电流；当q l 、q 2 关断时，d 1 、d 2 导通，相电流通过d l 、d 2 及储能电容 c s 续流，能量回馈到电源。 这种不对称半桥结构的特点如下： 优点： 1 ) 各主开关管的电压定额为u s 。若主开管选用g t 凡g t o ，i g b t 等器件， 则续流二极管的电压定额近似为u s ； 1 6 第二章基于m a t l a b 的s r d 系统建模与仿真分析 2 ) 由于主开关管的电压定额与电动机绕组的电压定额近似相等，所以这种 线路用足了主开关管的额定电压，有效的全部电源电压可用来控制相绕组电流； 3 ) 由于能量可以回馈，因此这种变换器效率很高。而且如果出现两相同时 工作的情况，由于是各相独立的结构，因而互不影响； 4 ) 不存在上、下桥臂直通的故障隐患。 缺点： 每相需要两个主开关管，未能充分体现出s r d 功率变换器较其他交流调速 系统逆变器固有的优势。因此所需元件数量多，因此成本较高。 综上所述，不对称半桥结构适宜在高压、大功率及s r 电动机相数较小的场 合下应用。 2 、双绕组功率变换器 7 双绕组功率变换器要求s r 电动机每相有个二次绕组与一次绕组完全藕 合，这种线路的四相s r 电动机功率变换器结构电路图2 8 所示： 图2 - 8 双绕组结构 4 如图，以a 相为例，当主开关器件q l 导通时，u s 供给一次绕组电流i ，二 次绕组感应电压极性为1 端“+ ”，2 端“一”，若匝比为l ，d i 承受的反相电压为 2 u s ，d i 截止；q i 关断时，二次绕组感应电压极性为l 端“一”，2 端+ ”，d l 导 通，一次绕组电流转换n - - - 次侧，形成续流电流给c s 充电，若不计一次，二次 间的不完全藕合，主开关器件s 承受的电压为2 u s 。事实上，由于漏电感的存在 和切换延时，在qi 关断瞬时会有电压尖脉冲，所以主开关器件的额定电压为2 u s 十u ( u 为考虑不完全藕合加上的电压裕量) 。 由此可见采用双绕组的功率变换器虽然使用开关器件少，降低了成本，但是 还存在着如下的缺点： 1 ) 主开关器件装置的电压定额值至少是电机绕组电压额定值的两倍，因此未 能用足主开关器件的额定电压； 第二章基于m a t