（电力电子与电力传动专业论文）开关磁阻电机控制策略研究及实现.pdf

a bs t r a 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 ) i san e ws t r u c t u r eo fe l e c t r o m o t o r c o m b i n i n gt h i sn e ws t r u c t u r ew i t ht h em o d e mp o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u e a n dm o d e mc o n t r o lt e c h n i q u e ，s w i t c h e dr e l u t r a n c ed r i v e ( s r d ) h a sb e e no n e o ft h ep o p i s s u e so ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e m e l e c t r i cd r i v e s r dh a st h e b o t ha d v a n t a g e st h a ta s y n c h r o n i s mm o t o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nd r i v ea n d d i r e c tc u r r e n tm o t o rd r i v eh a v e t h i sa r t i c l ep r i m a r i l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fs r ds y s t e ma n di t s d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，t h e ni n t r o d u c et h eb a s i cs t r u c t u r ea n d o p e r a t i n gp r i n c i p l e so fs r da n ds i 泓s p e c i f i c l y a n da l s oi n t r o d u c e st h e m a t h e m a t i cm o d e lo fs i 泓o fm 棚a b s i m u l i n ks o f t w a r e a c c o r d i n gt o t h ed e s c r i p t i o no ft h eb a s i cp r i n c i p l e so fs i m ，w ec h o o s et h ev o l t a g ep w m c o n t r o lm e t h o d a sc o n t r o ls t r a t e g y , w ep u tf o r w a r dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f s p e e d - c u r r e n td o u b l el o o p t h es p e e dl o o pi si n t r o d u c e da st h eo u tl o o pt o c o n t r o lt h es p e e d ，i no r d e rt od e c r e a s e st h eo v e rs h o o ta n dr e g u l a t i o nt i m eo f t h es y s t e m , a n de l i m i n a t ep h e n o m e n o no fi n t e g r a ls a t u r a t i o n ，w eu s ei n t e g r a l s e p a r a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y i nt h eo u tl o o p w h i l et h ec u r r e n tl o o pw a s i n t r o d u c e da st h ei n s i d el o o p u s i n gt h ef u z z y p ic o n t r o ls t r a t e g ya st h e r e g u l a t i n gm o d eo fs p e e dl o o p ，c l a s s i cr e g u l a t i n gm o d ew a sa p p l i e dt ot h e c u r r e n tl o o p ，b yt h ei n t e g r a l s a t u r a t i o nt ol i m i tt h ec u r r e n t a n dt h eo v e r a l l s y s t e ms i m u l a t i o n a n a l y s i st h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p a r a t i v e l y o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o n ，d e s i g na3 0k w , 1 2 8p o l es r mc o n t r o l l e r s y s t e m a n db r i e f l yi n t r o d u c et h ep a r to ft h ec o n t r o l l e rh a r d w a r ea n d s o f t w a r em o d u l ed e s i g n a m o n gt h e m , i no r d e rt oi m p r o v et h er e a l t i m ea n d e f f i c i e n c y , u s e sad u a l - c p ut e c h n o l o g yi nh a r d w a r ed e s i g n ：a t m e g a 12 8a s t ot h ec o n t r o lc h i p ，a t 8 9 s 5 2f o ra u x i l i a r yc o n t r o lc h i p ，t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h et w oc p uw i t hd u a l - p o r tr a mi d t 7lv 321 a c h i e v e f i n a l l y , w e d e b u ga n dp r o o ft h i sc o n t r o ls t r a t e g ys 剐ms p e e dc o n t r o ls y s t e mi nt h e a p p l i c a t i o no fs u p e r i o r i t y k e yw o r d s ：s r m ，c a s c a d es p e e d ，f u z z y p ic o n t r 0 1 原创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：秀生盛丝日期：丝旺月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：跹导蒜复磊兰兰竺日期：趁年j 丝日 中南大学硕士学位论文 第。章绪论 第一章绪论 开关磁阻电机调速系统简称s r d ( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v e ) ，它是 继交流调速、无换向器电动机调速系统之后，于8 0 年代中期发展起来的，又一 极具有发展潜力的新型交流调速系统。此系统是将新的电动机结构开关磁阻 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 ) 与现代电力电子技术，控制技 术结合为一体，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，而 且还具有价格低、效率高、适应力强等优点，显示出广阔的应用前景。 1 1 开关磁阻电机调速系统的历史及发展现状 开关磁阻电动机( s r m ) 的最早提出要追溯到1 9 世纪4 0 年代【l j ，当时的研 究人员认为利用顺序磁拉力使电动机旋转是最简单可行的。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 制造出了最初的开关磁阻电动机模型，但是因为当时的科 技条件落后，电动机的运行特性很差。以后的1 0 0 多年间，开关磁阻电动机的发 展比较缓慢。 二十世纪七十年代，各种高速、全控开关器件的先后问世，带来了电力电子 技术的蓬勃发展，这对开关磁阻电机调速系统( s r d ) 的研究也起了较大的推动 作用。1 9 6 7 年，英国l e e d s 大学开始对s r 电动机进行深入研究，得出了s r 电 动机可在单相电流下四象限运行的结论，而且电动机成本也明显低于同容量的异 步电动机；1 9 7 3 年，英国n o t t i n g h a l l 大学也开始了对s r 电动机攻关；1 9 7 5 年， 上述两所英国大学的研究小组联合成功的研制出套用于电动汽车的5 0 k w s r d 装置，且其单位输出功率和效率都高于同类型的异步电动机驱动装置。 1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e s o n 教授及其同事们，总结了他们的研究成果， 发表了著名论文变速开关磁阻电机( v a r i a b l e s p e e ds w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r ) ，这标志着s r d 正式得到国际社会的承认。该文率先将“s w i t c h e d r e l u c t a n c e 这一术语用于径向气隙电机，并系统的阐述了s r 电机的原理及设 计理论，研究了运行特性及控制方式，这些工作被公认为s r 电机研究的奠基之 作。1 9 8 3 年，英国t a s cd r i v e 有限公司将世界第一台s r 电机o i l l t o n 装置 ( 7 5 k w ，1 5 0 0 r m i n ) 商品投放市场，1 9 8 4 年，又推出了4 - - 2 2 k w 四个规格的 系列产品，原联邦德国在1 9 8 4 年至1 9 8 6 年期间也先后完成了1 k w 、1 2 k w 、 5 k w 样机的试制。s r d 作为一种结构简单、鲁棒性好、价格便宜的新型调速系 统，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视。继英国之后，美国、加拿大、 南斯拉夫、埃及、新加坡等国家也都竞相发展。其中，加拿大和前南斯拉夫在 中南大学硕士学位论文第漳绪论 s r 电机的运行理论和电磁场分析方面做了大量研究工作；埃及对小功率的单相 和两相s r 电机的结构与起动性能等方面进行了许多研究。一些学者还研究了新 型的s r 电机，如盘式电机、外转子式电机、直线式电机和无位置传感器电机等。 我国于1 9 8 4 年左右也开始了s r d 的研究和开发工作【2 1 ，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习小组，以推动开 关磁阻电机研究工作的进一步发展。至此，我国许多单位先后开展了s r 电机的 研究工作，如北京纺织机械研究所( 即中国纺织总会纺织机电研究所) 、南京航 空航天大学、华中理工大学、浙江大学、清华大学及华南理工大学等。现在，已 有一批中小功率的s r d 系统成果，并开始由实验室阶段发展到工业试用和推广 应用阶段，如南京瑞鹏科技有限公司研制的功率为0 3 7 - 7 5 k w 的s r d 产品和 北京中纺锐力机电有限公司研制的2 2 - 4 0 0 k w 系列产品，这些产品已被用于纺 织机械、电动车辆、煤矿设备、吸尘器、洗衣机、风机水泵和通用调速系统等领 域。 总之，从七十年代至今，经过国内外学者的不断努力，对s r d 系统的研究 已经在理论分析、性能仿真、转矩波动及电气噪声、电机设计、有限元分析、功 率变换器设计、能耗计算、优化性能、控制策略、位置传感器等方面取得了丰硕 的成果，并且将随着基础理论、电子元器件等的发展而继续发展。 1 2 开关磁阻电动机调速系统的特点与应用 1 2 1 系统的特点 普遍情况下，s r d 系统主要由s r 电机、控制器、功率变换器和转子位置检 测器四部分组成。s r 电机是一种将电能转化为机械能的装置；控制器综合处理 位置检测装置提供的转子位置信号【l 】、速度和电流等反馈信息及外部输入的指 令，运用各种控制方式和控制策略实现对s r 电机转速的控制，是s r d 的指挥 中枢；功率变换器是s r d 的能量中转站，将电源侧能量经过一定的变换后向s r 电机提供运行所需的能量；转子位置传感器向控制器提供转子位置和电机速度等 信号，使控制器能正确地确定定子绕组的导通和关断时刻。 对开关磁阻电动机调速系统的理论研究和实践可以证明，该系统具有许多显 著的优点，具体表现在以下几个方面： ( 1 )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，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至振动 环境； ( 2 ) 损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的 2 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 温升； ( 3 ) 转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度的简化功率变换器，降低系 统成本； ( 4 ) 功率变换器不会出现直通故障，可靠性高； ( 5 ) 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； ( 6 )调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩速度特性； ( 7 ) 能在宽广的转速和功率范围内都有高效率； ( 8 ) 能四象限运行，具有较强的再生制动能力； ( 9 ) 容错能力强。开关磁阻电动机的容错体现在：若电机有一相损坏，电机 照样可以运行。 与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机调速系统在成 本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等方向都具有明显的优势 和竞争力【3 1 。与其他变速传动系统的性能比较如表1 1 所示。 表1 - 1 开关磁阻电动机调速系统同其他变速传动系统的性能比较 成本 效率( ) 额定转速时 1 2 额定转速时 电动机容量体积 控制能力 控制电路复杂性 可靠性 噪声d b 当然，s r d 也存在一些不足，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 存在转矩脉动。s r 电动机转子上产生的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而 成的，且由于双凸极结构和磁路饱和的影响，合成转矩不是一个恒定值，而是存 在一定的谐波分量，使电机低速运行时转矩脉动较大。 ( 2 ) 传动系统的振动和噪声都比一般电动机大。由于s r 电机的双凸结构和开 关性的供电电源，振动和噪声问题比较严重，因此在一定程度上制约了s r 电机 3 m 昭 舳 堋 岫 地 弭 5 7 5 9 5 怎 9 4 l 7 6 c ； n l n 7 拍 酪 m m m 加 ：合 暑 5 8 名 3 2 3 9 瞄 饴 鲳 啦 们 眈 ” 矽 中南大学硕： ：学位论文 第章绪论 的应用领域和发展速度。 ( 3 ) s r 电机的出线较多。s r 电机不仪每一相都需要出线，且相数越多，丰 接线数越多，而且还存在位置传感器的接线问题。 1 2 2 系统的应用 目前，s r 电机产品已经开始广泛地应用于电动车驱动系统、家用电器( 洗 衣机、食品加工机械等) 、通用工业( 风机、泵、压缩机等) 、伺服与调速系统、 牵引电机和高转速电机( 用于纺织、航空发动机、电动工具、离心机传动) 等。 下文将从航空航天和电动车两个方面来具体介绍s r d 系统的应用情况。 ( 1 ) 在航空航天应用方面 美国在这一领域已进行了积极的探索，g e 公司所属部门正在进行将s r d 作 为机载电机的研究和开发，并已列为美国空军未来先进控制技术( f a c t s ) 项目 中的部分内容。 ( 2 ) 在电动车应用方面 在世界汽车工业发达国家已掀起了一股研制开发电动车的热潮，美国、日本 和英国等已研制出一些性能优良的电动车。我国在“八五计划中也把电动车列 为开发项目。 1 3s r m 数学模型及控制策略的研究现状 s r d 是典型的机电一体化系统，为使系统整体最优，s r m 、功率变换器及 控制器三者之间必须协调设计，其研究涉及到电机学、微电子、电力电子、控制 理论、机械及工程应用等众多科学领域；而且s r m 的磁路具有复杂的非线性特 性，导致s r m 数学模型研究的困难，因此就目前国内外s r d 发展水平看，无论 在理论上还是在应用上都存在不少问题，有待进一步研究与完善。下文将就s r 电机的数学模型和控制策略的研究现状进行简单介绍。 1 3 1s r m 数学模型的研究 s r m 数学模型的精确建立与描述直接决定和影响到电机的优化设计、电机 动态性能分析、电机效率的评估，也为电机的高性能控制提供了基础。s r m 数 学模型的基本方程包括电压方程、励磁方程、机械方程和机电联系方程，其中电 压方程和机电联系方程都与磁链方程密切相关。s r m 电磁特性可用电机相绕组 磁链中、定转子位置角0 、相电流i 三者之间关系表示f ( 0 ，i ) 来描述。因此， 建立准确而简单且能反映s r m 非线性电磁特性的磁链模型是建立s r m 数学模 型的关键之一，目前已有多种s r m 磁链建模方法，如线性法、准线性法、函数 4 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 解析法和神经网络法等。 1 9 8 3 年，l a w r e n s o npj 等提出了开关磁阻电动机线性数学模型【4 】，并以此 为基础分析了s r 电机的极数、相数、极弧的设计原则，突出了s r 电机内部电 磁关系的物理本质，奠定了s r 电机设计的基础；c o r d aj 利用s r 电机的线性模 型导出了“理想化 转矩解析式；k r i s h m a n 则基于“平项波 电流推出了s r 电机类似于传统电机的输出方程。s r m 磁链线性模型是在忽略电磁饱和、涡流、 磁滞、边缘效应、相间互感等非线性因素的基础上建立起来的。通过线性模型， 可以很容易的求出特定条件下的相电流和输出转矩的解析式，进而可以分析出开 通角、关断角等参数对电机运行特性的影响规律。但是线性模型忽略了s r m 磁 链饱和非线性因数，与实际情况有较大的出入。为此，m i l i i e 等提出了准线性法， 它是采用分段线性化的方法将非线性的电磁特性曲线简化。但是，就模型的精确 性而言，准线性模型同样存在计算误差较大的缺陷。 1 3 2s r d 控制策略的研究 控制策略的研究是s r 电机研究的主要方向，前人已作了大量的工作。传统 的控制策略主要是基于s r 电机线性模型的p i 或p i d 控制，如电流控制、转速 反馈控制等。在线性要求不高的情况下通过整定p i d 参数往往能够得到较好的 效果，但是由于s r 电机的强非线性绕组电流的非正弦与磁通密度的高饱和， 基于线性模型的电机系统，在常规控制策略下的输出特性、动态和静态特性以及 鲁棒性无法与直流传动相媲美。 jc o r d a 等基于s r 电机的线性模型，研究了起动及低速运行时电流斩波控 制方法，调压下的恒转矩控制和调开通、关断角度下的恒功率控制两种基本控制 策略，难以获得理想的输出特性。 r o r t h m a n n 等基于s r 电机线性模型，导出c c c 和a p c 控制方式下以输出 转矩最大为优化目标的关断角最佳控制算法。在常规的电压p w m 控制策略中， 对应某一宽广的速域，起始开通角0 是固定不调节的，仅通过调节占空比来控 制转矩。其局限性表现在无法做到整个运行速度范围内的损耗最小、效率最低。 近年来，国内外研究了一些基于现代控制理论的智能控制的新型控制策略， 如自适应控制、神经网络理论、模糊控制以及带状态观测器的无位置传感器技术。 总之s r d 在理论和实践应用中都有了可喜突破。但是仍存在许多问题需要解决， 而且尚未形成完善的s r m 控制理论。关于s r m 控制策略的研究主要是围绕以 下几个方面展开。 ( 1 ) 从控制角度继续加强研究，以减小转矩脉动、降低系统噪声； ( 2 ) 研究具有较高动态性能，算法简单，能抑制参数变化、扰动及各种不确 5 中南大学硕i ：学位论文第章绪论 定性干扰的s r m 新型控制策略； ( 3 ) 研究具有智能控制方法的s r m 新型控制策略及其分析、设计理论。 1 4 模糊控制与p i d 控制概述 工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简 称p i d 控制，又称p i d 调节。由于其算法简单、稳定性好、鲁棒性好、调整方 便、可靠性高等优点，已经成为工业控制的主要技术之一。然而，随着现代科学 技术的迅猛发展，各个领域对于控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性以及 适应能力等的要求越来越高，所研究的对象越来越复杂。被控对象或过程的非线 性、时变性以及各种不确定性等因素使得建立一个精确的数学模型变得越来越困 难，甚至是不可能。对于那种无法建立精确数学模型的控制对象或过程，传统的 控制理论的应用受到了限制。因此，模糊控制器在人们的强烈渴望下诞生了。模 糊控制器【5 】不要求精确掌握受控对象的数学模型，而是根据人工控制规则组织控 制决策表，然后由该表决定控制量的大小。但是模糊控制器也存在一些缺陷，比 如其系统稳态精度比较低。由前面所述可知，p i d 6 1 控制器能够很好地提高系统 的稳定性和快速性，能有效地消除静态误差。将模糊控制和p i d 控制两者结合 起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活，适应性强的优点，又具有p i d 控制精 度高的特点。在复杂控制系统和高精度伺服系统中，采用模糊p i d 控制器的复 合型控制器，可以达到更快的响应速度、更小的稳态误差、更高的稳定性，并且 对过程参数变化不敏感，有很强的抗干扰性，具有很强的鲁棒性。本次设计就采 用了这种模糊控制与p i 控制并存的控制策略。 1 5 本课题的研究意义及主要研究内容 s r d 作为一种新型调速系统，兼有直流传动和普通交流传动的特点。但是由 于s r 电机的双凸极结构和采用开关性的供电电源，使得s r 电机的特性和控制 方式与传统电机不同。尤其是非线性和磁路饱和现象，造成s r 电机的模型难以 解析，比较突出的问题就是转矩脉动和噪声。另一方面，s r d 作为典型的机电 一体化系统，融合了电机学，微电子，电力电子，控制理论等众多科学领域，所 以系统的优化设计还需从整体出发。 在本次设计中，通过查阅大量国内外相关资料，对开关磁阻电机调速系统有 了较系统的认识，并对现阶段用于s r d 系统的控制策略进行了分析研究，找出 存在的不足之处。在前人取得的成绩的基础上提出转速一电流双环s r d 控制器， 外环为转速环，内环为电流环，转速环采用模糊p i 控制策略，电流环采用普通 p i d 控制策略。本论文主要研究内容有以下几个方面。 6 中南大学硕：l 二学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 分析研究了s r 电机的数学模型，以及对控制系统的要求； ( 2 ) 转速一电流双环控制策略在s r 电机调速系统的应用； ( 3 ) 模糊p i 控制策略在s r 电机调速系统中的应用； ( 4 ) 传统p i d 控制策略在s r 电机调速系统电流环中的应用； ( 5 ) 研制了以a t m e g a l 2 8 单片机主，a t 8 9 s 5 2 为辅的双c p u 技术的s r 电 机调速系统控制器。 1 6 本章小结 本章首先介绍了s r 电机调速系统的国内外历史发展现状，并就其特点和应 用进行了简单说明；然后对s r 电机的数学模型及控制策略的研究现状进行了分 析，阐述了取得的一些进步，同时也指出了存在的缺点；另外还概括描述了模糊 p i d 控制理论以及其优点；最后通过查阅国内外相关资料，提出了采用双c p u 技术的s r 电机转速一电流双闭环调速系统，并对本论文研究的内容及所作工作 做了介绍。 7 中南大学硕士学位论文第二章s r 电机调速系统结构及其j l ：作原理 第二章s r 电机调速系统结构及其原理分析 2 1 基本结构及运行原理 s r 电机的结构与普通电机有很大的不同：其定、转子为双凸极结构，均由 硅钢片叠成，定子上绕有集中绕组，转子上没有绕组。s r 电机的运行原理也有 其特殊性，它是工作在一种连续的开关模式。下文将对s r 电机的基本结构及运 行原理进行详细介绍。 2 1 1 基本结构 开关磁阻电动机【7 】( s r m ) 是开关磁阻电动机调速系统( s r d ) 中实现机电 能量转换的部件，也是s r d 区别于其他电动机驱动系统的主要标志。它具有两 个基本特征：1 ) 开关性s r 电机必须工作在一种连续的开关模式；2 ) 磁阻 性s r 电机是一种双凸极电机，定、转子间具有可变磁阻回路。 图2 - 1 开关磁阻电机截面图 图2 1 为8 6 极开关磁阻电机的定、转子冲片的形状。为了避免单边磁拉力， 径向必须对称 8 】，所以双凸极的定子和转子齿槽数z s 和z ，应为偶数。当然，z 。 z r ，但应尽量接近。因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组 电感随转子角度的平均变化率，这是提高电机出力的重要因数。再考虑到结构设 计的合理性，常用的定子和转子齿槽数关系为 乙= z r + 2 ( 2 1 ) 定子上有集中绕组，径向正对两齿极上的线圈串联成一相绕组。所以，开关 磁阻电机的相数为 z t m = - 二 2 ( 2 2 ) 中南大学硕士学位论文第二章s r 电机调速系统结构及其工作原理 从自起动能力及能否正反转考虑，应选择1 1 1 至3 。般来说，相数少则功率 开关主电路简单、成本低，但目前应用较多的是四相( 8 6 ) 结构及三相( 6 4 ) 结构。s r 电机按照每极齿数分为单齿和多齿结构【9 】。一般来说，多齿结构电机 的单位铁芯体积出力要大一些，但其铁芯和主开关元件的开关功率和损耗也会有 所增加，这将限制开关磁阻电机的高速运行和效率，因此，一般不用多齿结构。 按气隙磁场可以分为轴向和径向两种结构，单相开关磁阻电机大多采用轴向结 构。表2 1 为常用的s r 电机定【1 0 1 、转子极数组合方案。 表2 - 1 常用s r 电机定、转子极数组合方案 2 1 2 运行原理 根据电动机产生转矩的机理，电动机可以分为两大类【l l 】：一类是由电磁力作 用原理产生转矩；另一类则是由电磁变化原理产生转矩。在第一类电机中，运动 是定、转子两个磁场相互作用的结果，这种相互作用产生将两个磁场趋于同向的 电磁转矩。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。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，当定子绕组通电时， 产生一个单相磁场，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，开关磁阻电机就属于这一类型。当电机定子铁芯与磁场的轴线不重合 时，便会产生一个作用力将铁芯拉到磁场的轴线上来，从这点看，s r 电机与步 进电机具有相似性。但事实上，开关磁阻电机与步进电机又有很大不同：首先， 一般步进电机是开环控制，而s r 电机是闭环控制；其次，一般步进电机是作为 信息传输，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。所 以，s r 电机要突出速度控制和实现高效率，所以设计思路也大不相同。 图2 2 为s r 电机供电示意图，图中仅画出a 相绕组及其供电电路，其余各 相与此相同。在图示位置，当定子d d 相通电时，电机内建立以d d 为轴线的 磁场，其磁通经过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子扼闭合。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1 1 2 1 ，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，如果转子上无外部驱动转矩，则需要将a 相导 通，以维持转矩。如果依次给d a b c 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，则电机会沿 顺时针方向转动。 9 中南大学硕l 学位论文第二章s r 电机调速系统结构及其1 ：作原理 u s 图2 - 2 开关磁阻电机运行原理图 2 2 调速系统的基本结构 由前面所述可知，s r 电机调速系统主要由s r 电机、功率变换器、控制器、 转子位置检测器四部分组成，其基本结构框图如图2 3 所示。s r 电机是s r 电机 调速系统中实现机电能量转换的部件，也是s r 电机调速系统区别于其他电动机 系统的主要标志，其结构及运行原理在2 1 节中已阐述。 功率变换器是向电机直接提供能量的部件，由蓄电池或交流电整流后得到的 直流电供电。它以功率开关为主要器件，在控制器的控制下起到开、关的作用， 使绕组与电源接通或断开，同时还为绕组提供能量回馈路径。 i i 电能输入 功率变换器 - s r m l 负载 卜_ ji 隘ll 嚣l i l i l 输入命令 控制器 l 图2 - 3s r 电机调速系统结构框图 控制器是s r 电机调速系统的中枢，它综合处理速度指令，速度反馈信号及 电流传感器、位置传感器的反馈信息，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。 位置检测器的功能是正确地提供转子位置信息，这些信息经过相应的逻辑处 l o 中南大学硕士学位论文第二章s r 电机调速系统结构及其工作原理 理后形成变换器主开关器件的触发信号。因此位置检测器是开关磁阻电机调速系 统的关键部件和特征部件。 2 3 调速系统的功率变换器 功率变换器是s r 电机调速系统中的能量传递器件，它的性能和形式直接影 响s r 电机调速系统的效率、成本和可靠性，合理设计功率变换器是提高整个系 统性能价格比的关键之一。下文将先对功率变换器的不同类型进行介绍，并比 较其优劣性，然后具体介绍功率变换器的选用原则、功率变换器主开关管和续流 二极管的选型，最后以光电式位置传感器为例分析了位置检测原理。 2 3 1 功率变换器的主电路类型及性能比较 理想的功率变换器应满足以下要求：采用尽量少的丰开关元件【1 3 】，以降低 系统的成本，且能将能量回馈给电源，避免系统损耗；系统可通过开关器件进行 调制，有效控制相绕组电流的大小；功率电路要具备迅速增加相绕组电流的能力， 延迟尽可能小；系统尽可能的减少损耗，使电源电压尽可能的提供给电动机绕组。 功率变换器的电路结构种类很多，常用的有双开关型、双绕组型、电容分压 型、h 桥型，下文将对这四种功率变换器的工作原理和优缺点进行详细介绍。 图2 - 4 双开关型功率变换器图2 - 5 双绕组型功率变换电路 双开关型功率变换器，如图2 4 所示，每相分别有两只主开关管和两只续流 二极管。当两只主开关v t l 和v ，r 2 同时导通时，电源u s 向电机相绕组供电； 当v t l 和v t 2 同时关断时，相电流沿图2 4 中箭头方向经续流二极管v d l 和 v d 2 续流，将电机的磁场储能以电能形式迅速回馈给电源，实现强迫换相。这 种结构的功率变换器的开关器件的电压容量要求比较低，特别适合于高压、大容 量场合，且各相绕组可以独立控制，控制简单，但是所需开关器件数量较多。 双绕组型功率变换器，如图2 5 所示，每相均有主、副两个绕组。主开关 中南大学硕：j ：学位论文 第二萼s r 电机调速系统结构及其jj ：作原理 v t l 导通时，电源对主绕组供电，形成图2 5 中实线方向的电流；当v t l 关断 时，靠磁耦合将主绕组的电流转移到副绕组，通过二极管v d l 续流( 续流电流 方向为图2 5 中虚线箭头方向) ，向电源回馈电能，实现强迫换相。由于丰、副 绕组之间不可能完全耦合，在v t l 断开的瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形 成尖峰电压，固v t l 需要良好的吸收回路。此功率变换器电路简单，每相只有 一个开关管，开关元件少。但是主开关除了要承受电源电压外，还要承受副绕组 的互感电动势。另外，由于采用主、副两个绕组。电机槽及铜线利用率低，铜耗 增加、体积增大。这种电路可使用于任意相数的开关磁阻电机，尤其适宜于低压 直流电源供电的场合。 图2 - 6 电容分压型功率变换电路 电容分压型主电路，如图2 - 6 所示，也叫电容裂相型主电路或双电源型主电 路，是4 相s r 电机广泛采用的一种功率变换电路。这种结构的功率变换器每相 只需要一个功率开关器件和一个续流二极管，各相的主开关器件和续流二极管依 次上下交替排列，电源u s 被两个大电容c 1 和c 2 分压，每相只有一个主开关 v t l 和一只续流二极管v d l 。当v t l 导通时，上侧电容c 1 对a 相绕组放电， 电源对a 相供电，经下侧电容c 2 构成回路；当v t l 关断时，a 相电流经v d l 续流，向下侧电容c 2 充电。当v t 2 导通时，绕组b 从c 2 吸收电能，当v t 2 关断时，b 相绕组的剩余能量经v d 2 回馈给c 1 。因此，为了保证上、下两个电 容的工作电压对称，该电路仅适用于偶数相s r 电机。 h 桥型主电路，如图2 7 所示，比四相电容分压型功率变换器丰电路少了两 个串联的分压电容，换相的磁能以电能形式一部分回馈给电源，另一部分注入导 通相绕组，引起中点电位的较大浮动。它要求每一瞬间上、下桥臂必须各有一相 导通。本电路特有的优点是可以实现零电压续流，提高系统的控制性能。h 桥型 主电路只适用于4 相或4 的倍数相s r 电机，它也是四相s r 电机广泛采用的一 种功率变换器主电路形式。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章s r 电机调速系统结构及其工作原理 图2 - 7h 桥型功率变换电路 针对上述四种常用的s r 电机功率变换器主电路，表2 2 给出了其比较结果： 表2 - 2 四种常用功率开关磁阻电机功率变换器性能比较 2 3 2 主电路的选用依据和原则 针对上一节中介绍的各种功率变换器电路的性能及特点，为了达到满意的控 制效果，在实际应用中需要选择合适的功率电路类型。一般情况下，可以从以下 几个方面来选择功率变换器的类型。 l 、适用的相数 表2 2 中所示的四种常用的功率变换器主电路中，电容分压型只适用于相数 为偶数的开关磁阻电机，h 桥型仅适用于相数为4 k ( k _ 1 、2 、3 、4 ) 的开关磁 阻电机，其它2 种均适用于任意相数的开关磁阻电机。 2 、电源有效利用率 反映功率变换器主电路电源有效利用率的参数有两个： 中南大学硕十学位论文第二章s r 电机调速系统结构及其1 ：作原理 ( 1 ) u 。舢m ：即功率变换器丰电路的直流电源供电电压u 。与相绕组最大供电 电压u m 之比。该参数最好为l ，这样在同容量的条件下，开关磁阻电机的相电 流小、铜耗小、系统功率高。 ( 2 ) u 。舢m ：即相绕组的换相电压u 。与相绕组最大供电电压u m 之比。从主开 关和续流二极管额定工作电压的合理性和系统快速换相的要求出发，该参数最好 也取l 。 3 、相控独立性 多相开关磁阻电机每相均衡工作，使系统具有较强的容错能力，最好做到独 立控制各相的供电电压和换相电压，使之不受其它相的影响。在表2 2 中只有双 开关型和双绕组型功率变换器可以做到各相独立控制，且控制简单。 2 3 3 主开关器件和续流二极管的选型 s r 电动机功率变换器的主开关器件的选择与电动机的功率等级、供电电压、 峰值电流、成本等有关；另外还与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关 损耗、抗冲击性、耐用性、并联运行的难易性、峰值电流定额的比值大小及市场 普及性有关。就当前电力电子技术的发展现状而言1 1 4 1 ，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 场效应管( m o s f e t ) 、 绝缘双极型晶体管( i g b t ) 可供选择。 s c r t ”】具有成本低、容量大，电流峰值和平均电流定额比值高，电流、电压 过载能力强，能承受很大的浪涌电流，但无自关断能力，需要设置专门的换相电 路，造成整机线路复杂、效率低、体积大，因此在s r 电机调速系统中很少使用 s c r 。 g t o 具有s c r 的全部优点，如耐压高、电流大、浪涌能力强和造价低等； 同时又具有g t r 的一些优点，如具有自关断能力，工作频率高，尤其在大功率 场合具有明显优势。但g t o 也有很多缺点，如管压降比s c r 高、工作频率比 g t r 低，缓冲电路的损耗较大、门极控制较复杂等，因此在小功率高性能的s r 电机调速系统中，与g t r 、m o s f e t 、i g b t 相比，g t o 并不占优势。 g t r 的开关频率较高，正向压降小，导通及关断方便，近年来g t r 实现了 高频化、模块化，因此在中、小容量的s r 电机调速系统中得到广泛的应用。但 是g t r 的电压、电流过载能力差，容易因二次击穿而损坏，保护较困难，且由 于g t r 和g t o 都属于电流控制器件，其驱动电路要求有较大的输出电流，因此 驱动电路功率消耗较大，限制了其在高压、大功率场合的应用。 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、无二次击穿、安全工作区宽等显著优点。但由于种种原因，m o s f e t 1 4 中南大学硕士学位论文第二章s r 电机调速系统结构及其工作原理 单管功率很难做到很大，因此一般只用于小功率场合。 i g b t 器件兼有g t r 和m o s f e t 的优点，i g b t 为电压驱动器件，开关频 率高及抗干扰能力强，因而损耗小，性能好且工作可靠。此外大功率i g b t 模块 本身绝缘，外壳不带电，冷却方便，系统结构简单。目前已取代了原来g t r 的 市场，成为s r 电机调速系统的主导功率器件。 对于s r 电机功率变换器的续流二极管，要求其反向恢复时间短，反向恢复 电流小、具有软恢复特性，这有助于减小功率变换器的开关损耗、限制主开关和 续流二极管上的电流、电压振荡和电压尖峰。 在选择功率变换器的开关器件时，电压定额和电流定额是两个很重要的参 数，下面将具体介绍这两个参数的意义。 1 电压定额 s r 电机的功率变换器工作时，考虑到主开关管和续流二极管开关过程中要 能承受一定的瞬间过电压，所选器件的电压定额应留有安全裕量。主开关和续流 二极管的电压定额一般取其额定工作电压的2 到3 倍。 2 电流定额 通过对s r 电机功率变换器主电路进行非线性仿真计算，得到系统额定输出 状态下主开关和续流二极管中电流平均值l a v 、有效值i d h 和峰值k ；再结合不 同类型器件对电流定额的不同定义，确定其电流定额的大小。 通态平均电流i t a v 标定的器件，电流定额取 矿r k = ( 1 5 2 ) - a f l a v - ( 2 3 ) 王) ， 其中，k f 为比例系数，与外界环境有关。 最大允许连续电流i m 标定的器件，电流定额取 厶= ( 1 5 2 ) k ( 2 - 4 ) 2 。4s r 电机调速系统的位置检测 位置和转速闭环是s r d 区别于其它电机驱动系统的关键部分，因此位置检 测环节是s r d 的重要组成部分。位置信号既是绕组开通与关断的依据，也为转 速闭环控制提供了转速反馈信息。一般情况下，位置检测可分为直接检测和间接 检测两种方法。直接检测是利用光电式、磁敏式或霍尔传感器来检测位置信息， 其优点是原理简单，但是所用传感元件的数目会因相数的增加而增加，因此成本 会有所增加；间接检测就是所谓的“无位置传感器检测”，主要方案包括电流波形 检测、非通电相加瞬时脉冲激励的电感简化计算、状态观测器检测、利用相磁链 及相电流与转子位置的关系解算转子位置、利用相间互感与转子位置关系检测、 1 5 中南大学硕- ：学位论文第二章s r 电机调速系统结构及其i ：作原理 电容位置检测技术、：d n n 试线圈的检测等。无位置传感器检测技术到目前为止还 不是很成熟，尚处于理论和实验研究阶段，因此，本文的系统设计使用的是位置 直接检测方法。 常用的直接检测装置由光电耦合器和转盘构成。下面以光电式转子位置检测 器为例，来具体分析有位置传感器的转子位置检测的原理和实现方法。 光电式转子位置【l6 】检测器由静止和转动两部分组成，前者包括红外发光二 极管、红外光敏接收管及辅助电路。遮光盘的转动部分与转子极数相同，齿槽与 转子切面结构相同，安装在电机转子轴上，并使其齿槽轴线与转子齿槽轴线完全 重合。遮光盘与电机同步旋转，通过遮光盘的遮光、透光使光敏元件产生导通和 关断信号。对于三相( 1 2 8 极) 电机，只须在定子极上安装两个相距1 4 转子齿 距角，即相距1 1 2 5 0 或5 6 2 5 0 的光电元件。经过两个光敏器件输出的两路表征电 机定、转子相对位置的信号。传感器输出信号相对电机三相绕组电感的变化关系 曲线如图2 8 所示。 l 图2 - 8 位置信号与绕组电感变化关系 线 2 5 本章小结 本章首先对