（电机与电器专业论文）基于开关磁阻电机的阀门智能控制.pdf

基于开关磁阻电机的阀门智能控制 i n t e l l i g e n tc o n t r o lo fv a l v eb a s e do ns w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y ，i n t e l l i g e n tv a l v ea c t u a t o rh a sg a i n e dm o r ea n d m o r ep o p u l a r i t yi nt h ef i e l d so f c h e m i c a le n g i n e e r i n g 、m e t a l l u r g ya n de l e c t r i cp o w e r s oi ti s s i g n i f i c a n tt od e v e l o pi n t e l l i g e n ta n dd i g i t a lv a l v ec o n t r o ls y s t e mw h i c hi ss u i t a b l ef o r p r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t b e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，f l e x i b l ec o n t r o l ，h i g hr e l i a b i l i t y ，g o o db r a k i n g p e r f o r m a n c e ，s t u r d ya n dd u r a b l ec h a r a c t e r i s t i c ，s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r w h i c hc a l l e f f i c i e n t l yo p e r a t ei nt h eq u i t ew i d er a n g eo fs p e e d ，i ss u i t a b l et ob et h ea c t u a t o ro f 此, c a l v e o p e n i n gd e g r e ec o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fp o s i t i o ns e r v os y s t e mw h i c hi sb a s e do n 4 - p h a s e8 6p o l e ss w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ri nt h ef i e l do fv a l v eo p e n i n gd e g r e ec o n t r o l s y s t e m a tt h es a m et i m e ，a p p e n dh o s tc o m p m e rc o n t r o lf u n c t i o n ，r e m o t ec o n t r o lf u n c t i o n , h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nf u n c t i o nt ot 1 1 i 5s y s t e m ，d e s i g nc o n t r o l l e rh a r d w a r ec i r c u i tw h i c h h a st w oa v rm c ua si t sc o r e f i r s t l y ，a c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fs r m ，e s t a b l i s hi t s m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n a l y z ea n dc o n f i r mt h ep o s i t i o ns i g n a ld e t e c t i v em e t h o do fs r m m a k e t h eo p e n i n gd e g r e es t r a t e g yf o rt h i ss y s t e m ：b s ec l o s e dl o o pc o n t r o lw h i c hi n c l u d e sp o s i t i o n l o o p ，s p e e dl o o p ，c u r r e n tl o o p ，a c c o m m o d a t et h ep h a s ev o l t a g et h o u g ht c 2 sp w mc h o p p e r o u t p u t ，t h e nr e g u l a t ec u r r e n ti n d i r e c t l yt oc o n t r o lt h es p e e d a tt h es i t r l l et i m e ，1 】s es r m s e x c e l l e n tb r a k i n gp e r f o r m a n c e ，t u r nt h ev e r a c i o u st r a c ko fd e s i r ep o s i t i o ni n t or e a l i t y s e c o n d l y ，t a k et w oa v r m c ua si t sc o r e ，m a k ef u l lu s eo fi t sh a r d w a r er e s o u r c e ，d e s i g n t h eh a r d w a r ec i r c u i to fc o n t r o l l e r ，u s ect od e s i g nm o d u l a r i z a t i o ns o f t w a r ep r o g r a mo nt h e b a s eo fh a r d w a r e ，u s ev bt oc o m p i l eh o s tc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e f i n a l l y ，m a k et h es y s t e md e b u g g i n g ，t h es p e e d c u r v eg a i n e df r o me x p e r i m e n tp r o v e sl h e f e a s i b i l i t yo ft h i sc o n t r o ls y s t e m 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 ；p o s i t i o ns e r v os y s t e m ；v a l v eo p e n i n gd e g n e c o n t r o l ；c o m m u m c m i o n 1 1 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究戍果。尽我所知，除了丈中特蹦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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意， 作者签名： 叠晔一日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 仟者签名翌塞 导师签名：。：盗壶墨 塑年月笪日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 随着工业的发展，阀门电动执行器在工业现场中的地位越来越重要，尤其是在化工、 冶金、电力等领域，阀门电动执行器更是得到了广泛应用【2 0 】。在危险场所或者需要远程 控制的场合，电动执行器的应用有效地保障了生产的安全性，提高了生产效率和系统的 可靠性。因为电动执行器比传统的机械式执行机构响应速度快，工作效率高，调速性能 好，所以成为控制和驱动阀门的重要装置。同时，在对阀门实现远程控制、集中控制和 自动控制的过程中，阀门电动执行器更是一种必不可少的执行部件。 执行部分 么j 图1 1阀门电动执行器的组成 f i g 1 1c o n f i g u r a t i o no fe l e c t r i cv a l v ea c t u a t o r 目前，阀门电动执行器已经朝着智能化、数字化、微型化、集成化、总线化的趋势 发展，智能型电动执行器应运而生【2 2 】。根据中华人民共和国电力行业标准( 电站阀门 电动执行机构) 中的定义，智能型电动执行器是配有功率控制部分、微处理器及可加 装数字通信接口，具有闭环控制功能，并能够进行故障诊断的电动执行机构【3 引。它由控 制部分和执行部分组成。其中，控制部分是以高档单片机或d s p 芯片为核心，兼具电机 伺服控制、保护、远程控制、人机交互、多机通讯等功能的智能控制模块；执行部分是 由执行电机、减速器以及各种机械传动轴组成的机电一体化装置，如图1 1 所示。本文 研究的对象由控制部分和开关磁阻电机( 执行电机) 组成，在文中称之为阀门智能控制 器，它是阀门电动执行器的核心部分。本文主要研究的重点就是阀门智能控制器的设计 和开发。 1 2 阀门电动执行器的国内外发展情况 基于开关磁阻电机的阀门智能控制 本文在开展设计开发工作之前，阅读了大量的典型文献以及国内外各类相关产品的 使用手册和说明书，对当前国内外阀门电动执行器的发展状况作了深入的调查，下面就 理论研究现状和实际应用中的典型产品两部分分别加以分析。 1 2 1阀门电动执行器理论研究概况 阀门电动执行器的理论研究主要体现在阀门开度控制策略研究、智能化及总线化研 究、软硬件优化研究等几个方面。其中，开度控制策略的研究主要是基于某种执行电机 的位置控制系统的研究，在这方面，韩国岭南大学的d o n g h e ek i m 教授提出了使用开 关磁阻电机作为执行电机的一种位置控制系统【l 。他指出使用开关磁阻电机的角度控制 方式，利用位置控制系统转速较低的特点，在低速时可获得较高的控制精度和功率因数。 同样，名古屋工业大学的n o b u y u k im a t s u i 教授也提出了使用开关磁阻电机作为执行电 机的一种位置控制系统，不同的是著名的安川电机公司为其设计了气隙为o 1 m m 的精 密电机，这使得开关磁阻电机的转矩脉动大为减小，同时增大了转矩密度，加大了电机 的出力【l o l ，使其十分适合位置控制。在我国，中国科学技术大学提出的基于前馈补偿的 p i d 控制算法在计算机仿真阶段可以得到误差全补偿，即e ( s ) = o ，但是在实际应用中只 能得到近似的全补偿【l 引。哈尔滨工业大学引入了智能与比例相结合的仿人智能比例控制 算法，在控制精度方面做了一定的工作【2 0 】。在智能化及总线化研究方面，武汉大学对 c a n 总线在智能执行器中的运用做了详细的论证，具有较强的借鉴性1 2 0 l 。重庆大学在 上位机检测和远程控制方面入了较为深入的研究【8 】。另外，大连理工大学多年来一直致 力于智能执行器软、硬件的开发研究，并且在远程控制和控制网络构建上做了一定的研 究工作h 5 1 。 1 2 2 阀门电动执行器典型产品分析 在实际生产领域中，我国的电动执行器生产开始于5 0 年代初，主要产品有d d z - i 型、d d z i i 型、d d z i i i 型电动执行器。9 0 年代初，上海工业自动化仪表研究所、上海 自动化仪表股份有限公司自动化仪表十一厂、四川仪表十厂、武汉热工仪表厂和西安仪 表二厂等单位，组成联合设计组，合作开发了d d z s 系列电动执行机构产品1 4 2 】。目前 我国仪器仪表行业整体综合技术水平达到国际上世纪八十年代中期水平。但随着数字 化、智能化、网络化、微型化的产品在国际上逐渐成为主流，我国同国外差距将进一步 加大。目前，国内在执行器领域以引进为主，进行了一定程度的消化吸收。国内正在使 用的各种电动装置普遍存在设备庞大，结构匹配不合理，控制精度较低，安全性不好， 缺乏完善的故障处理和报警装置，不z 月匕v _ , ，t t k e t 好的实现人机对话，难于现场标定和维修等缺 陷，不利于阀门产品的更新换代，已不能跟上工业发展的需要。 大连理工大学硕士学位论文 国外生产阀门电动执行器的厂家很多，其中比较有影响的有英国的罗托克 ( r o t o r k ) 公司、法国的伯纳德( b e r n a r d ) 公司、德国的西门子( s i m e n s ) 公 司、美国的福斯( f l o w s e r v e ) 公司等。以上几家国外著名公司生产的智能化阀门电 动执行器功能强大，性能可靠，技术先进，代表着该领域的世界先进水平，它们的产品 主要有以下几个特点： ( 1 ) 开度智能控制 在控制过程中，主要的控制量为阀门开度，通过调节开度进而控制流量和压力。例 如，在美国福斯公司的s t a r p a ci i 系列智能控制阀用户手册中可以看到：s t a r p a c 智 能化阀门电动执行器能够响应外部4 - 2 0 m a 模拟信号、r s 4 8 5 通讯口发来的数字信号以 及自身程序设定的信号进行p i d 调节1 3 9 。先进的阀门电动执行器具有完善的开度控制功 能，可按给定值自动进行开度的p i d 调节，继而控制流量和压力等过程变量。 ( 2 ) 安全措施 智能化阀门电动执行器具有高度的自身保护及系统保护功能，如装有三相电机的执 行机构有可能因为相线接错而导致电机应该正转时却反转，导致执行机构和阀门损坏， 而智能型的电动执行器则可以通过监视电源的相序以及输入控制信号的情况确保电机 正确起动。此外，在阀门卡死的情况下，保护功能还可以避免电动机被损坏。在电动机 通电期间不断的检测阀门的动作，若发现在一定的时间内没动作，就认为是卡住，控制 器就发出命令，切断电动机电源并发出警报。罗托克公司生产的i q 型智能化阀门电动 装置具有上述两种功能【4 0 】。它装有相同步器( 自动相旋转调整装置) ，可确保i q 的三相 电动机始终具有正确的相旋转电源；其次如果阀门卡死，当启动信号发出7 1 5 秒后无 任何的动作，i q 的执行器内部逻辑电路可将相应的触点断开。除了有自身保护功能外， 智能化阀门电动装置还具有系统保护功能，即当某些部件出现故障或系统出现其它问题 时，会自动采取应急措施以免发生事故。 ( 3 ) 通讯功能 智能化阀门电动执行器采用数字通讯的方法与主控制室相连，主控制室送出的可寻 址数字信号通过电缆被电动执行器接收，其微处理器根据收到的信号对执行器进行相应 的控制。美国福斯公司的c o n t r o l i n c 系统就是采用数字通讯技术将各种设备连接成一个 局部网络( l a n ) ，一个典型的系统可以包括执行机构、智能控制器、网络连线、网络接 口部件烈肼以及主计算机【4 l 】。n i u 与主计算机之间采用标准的a s c i i 字符码通过串行 口进行通讯。此外，智能阀门电动执行器允许工程师在远地对其进行监测、整定和修改 参数或算法等。例如福斯公司的s t a r p a c 在出厂时就被配有p c 软件，仪表工程师利用这 基于开关磁阻电机的阀门智能控制 些软件可以对阀门电动执行器进行编程，p c 与系统之间通过r s 4 8 5 串行口按照经过修 改的h a r t 协议相连p 圳。 ( 4 ) 智能诊断 在阀门电动装置上装有一些附加的传感器，专门用于故障诊断，如电源相序和后备 电池的电压检测。而在电路方面也设定微处理器在运行中连续对整个系统进行监测，一 旦发现问题立即执行预定的程序，自动采取应急措施并报警。微处理器和传感器本身的 运行也同时受到监测。当出现故障需要专家协助解决时，有的智能化阀门电动装置还可 以通过调制解调器与专家实时联网，以便及时地诊断和排除故障。 ( 5 ) 一体化的结构 一体化的结构把整个控制回路装在一个现场仪表之中，使控制系统的设计、安装、 操作和维护等工作大为简化，且减少因信号的传输中的泄漏和干扰等因素对系统的影 响，提高可靠性。此外，智能化阀门电动装置在结构设计上充分考虑到抗恶劣工作环境 的因素，其组件多带有保护涂层以防腐蚀，外壳采用密封式，经得起温度、湿度的大范 围变化和振动冲击的考验，保证工作可靠。例如罗托克公司生产的0 3 0 0 系列电动执行 器就带有防水保护和双层密封外壳，工作温度在- 3 0 。c + 7 0 之间m j 。 从上述产品的特点中可以看出：先进的电动执行器正朝着机电一体化结构取代组合 式结构，智能化控制技术取代电子控制技术，红外遥控非接触式调试逐步取代接触式手 动调试技术，带通信功能取代不带通信功能，数字控制取代模拟控制的趋势发展。与此 同时，具备微机测控技术和现场通信技术、实现双向通信、p i d 调节加智能调节、在线 自动标定、自校正与自诊断等多种新功能，是现代智能电动执行器的发展方向。 1 3 本文的设计特点 在分析了国内外阀门电动执行器的发展情况后，本文采用开关磁阻电机作为执行电 机，以a v r 单片机中的a t m e g a 系列处理器作为控制器的核心部件，充分利用开关磁阻 电机的特点，以及a t m e g a 系列处理器的软、硬件资源，吸收了目前国外先进的技术特 点，改善了国内传统电动执行器定位不准确、通讯功能欠缺等缺点，开发设计了一套智 能阀门控制器。其性能分析主要就以下两点展开。 1 3 1采用开关磁阻电机带来的优点 1 开关磁阻电机结构简单、可靠性高 开关磁阻电机的结构比异步电动机简单，定子为集中式绕组结构，转子则由硅钢片 叠成，转子上不存在任何形式的绕组。开关磁阻电机结构简单带来的优点就是电机的可 靠性高，这使得电动执行器的可靠性也相应得到提高。对于工业控制而言，可靠性是非 大连理工大学硕士学位论文 常重要的参数，例如在核电站，放射性区域的电动执行器是不可能经常维护和检修的， 此时可靠性成了最重要的性能指标。 2 开关磁阻电机具有步进特性 以8 6 极开关磁阻电机为例，可以实现1 5 度的步进，利用步进特性可以将位置控 制精度大大提高，同时由于开关磁阻电机采用闭环控制，可以有效地避免类似于步进电 机的失步现象。 3 开关磁阻电机转速调节灵活 通过调节开关磁阻电机的速度可以使执行器输出轴的速度以事先预定的速度曲线 运行，从而达到最优控制。在离开或到达极限位置时降低电机速度，可以有效地减小对 阀门的冲击，延长阀门寿命。 4 开关磁阻电机具有优良的制动能力 当给单相绕组持续通电时即可实现制动，由此可以取消机械抱闸，大大降低系统的 维护量。采用电子制动具有机械抱闸难以比拟的优越性，电子制动的准确性加上开关磁 阻电动机的步进特性，大大提高了定位精度。 1 3 2 采用a v r 单片机带来的优点 系统采用a v r 单片机中的a t m e g a 系列处理器作为控制器的核心控制芯片。该处理器 集成度高，外设硬件资源丰富，大大降低了控制器的元件数量，并可使用c 语言进行模 块化编程，因而又调高了软件编制的效率，缩短了调试周期。本文主要使用的a t m e g a 系列芯片的硬件资源有以下几个方面： 1 通讯模块 充分利用a t m e g a 8 8 芯片和a t m e g a 4 8 芯片的硬件通讯资源，即u s a r t 、t w i 、s p i ， 使得上位机与单片机之间、单片机与单片机之间、单片机与人机对话部分之间的通讯变 得十分简便。 2 捕获单元 a t m e g a 8 8 芯片上集成的捕获单元i c p 不但为开关磁阻电动机的速度测算提供了必要 的硬件基础；而且因为使用了捕获单元对位置脉冲信号进行计数，所以可以省去传统系 统中的模拟位置反馈环节，简化了系统设计，并为准确定位提供了条件。 3 p w m 模块 该模块输出的脉冲宽度调制信号可以起到调节电机绕组电压平均值，进而间接调节 转速的作用，使用单片机的这一功能简化了控制电路的设计。 4 a d 转换模块 基于开关磁阻电机的阀门智能控制 由于目前很多工业现场信号使用的是4 2 0 m a 标准，所以单片机内部集成的a d 转 换模块为模拟信号输入单片机提供了准确且简便的途径，本文中所用的远程开度给定信 号就是这样处理的。 1 4 本文所做主要工作 本文的主要工作如下： 1 分析了传统的位置随动系统，提出了适合在阀门控制系统中使用的、简单实用 的、基于开关磁阻电机的位置随动系统模型； 2 结合系统的具体控制策略，设计了控制器的硬件系统； 3 结合a v r 单片机的特性和阀门控制的具体要求，编写了控制器的软件程序； 4 通过实验调试完善系统的软硬件，验证系统的运行效果。 大连理工人学硕士学位论文 2 基于开关磁阻电机的阀门智能控制策略 本章将首先介绍整个控制系统的结构，然后讨论基于开关磁阻电机的两种系统：开 关磁阻电机传动系统( 即调速系统) 和基于开关磁阻电机的位置随动系统。在分别考虑 了各自的特点之后，结合实际的阀门控制需要，提出了- t e e 新型的位置随动系统控制策 略。 2 1控制系统结构 本文设计的控制系统由上位机、控制器( 可扩展为多个互联) 以及远程控制部分组 成，如图2 1 所示。本文的研究内容为虚线框内的部分，其中重点是控制器的设计和控制 策略的研究。 毋脚 阀门n阀 图2 1 控制系统结构 f i g 2 1 c o n f i g u r a t i o no fc o n t r o ls y s t e m 嬲戚 焉搿i 控制器需要处理的任务包括最基本的开度跟随模块、与上位机通讯模块、与远程控 制台通讯模块、人机交互模块、电机驱动与保护模块等。其中开度跟随基本模块就是涉 及控制策略的部分，为了确定控制策略，首先要清楚开关磁阻电机的内部结构和运行原 基于开关磁阻电机的阀门智能控制 理，然后要分析在传动系统基础上提出的位置随动系统的特点，根据实际需要来确定阀 门开度控制策略。 2 2 开关磁阻电机传动系统 本节将首先介绍开关磁阻电机的基本结构、工作原理、数学模型以及控制方式，然 后就开关磁阻电机传动系统( 即调速系统) 进行分析。 2 2 1 s r m 的基本结构 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 m 或s r 电动机) 的定子和转子铁 心是由硅钢片叠装而成的，在定子铁心内圆周和转子铁心外圆周均分布齿和槽，齿又称 凸极，即所谓双凸极结构1 1 1 。转子上既无绕组也无永磁体，定子铁心每个齿上安装像直 流电机主磁极绕组一样的集中绕组，定予内圆周上相对的两个绕组可串联或并联在一 起，构成“一相”，如图2 2 所示，即为四相8 6 极s r 电动机，其中a a 、b b 、c c 、 d d 为四相绕组。 图2 2 四相8 6 极s r 电动机 f i g 2 2 f o u rp h a s e8 6p o l e ss rm o t o r 对于m 相s r m ，如定予齿极数为n s ，转于齿檄数为n r , 则转于檄距角0 ( 伺称为 转子极距) 为 。2 瓦 ( 2 1 ) 我们将每相绕组通电、断电一次转子转过的角度定义为步距角，则其值为 驴鲁2 薏 亿2 ， 大连理工大学硕士学位论文 转子旋转一周转过3 6 0 。( 或2 7 c 弧度) ，故每转步数尸为 n ，：堡：m nr 口p 由于转子旋转一周，定子1 7 相绕组需要轮流通电胁次， n ( r m i n ) 与每相绕组的通电频率无之间的关系为 力：盟 n t 而功率变换器的开关频率z 为 ( 2 3 ) 因此，s r 电动机的转速 ( 2 4 ) c2 彬矿2 掣r 丽 ( 2 5 ) 电动机的极数和相数与电机的性能和成本密切相关，一般地说，增加极数和相数， 能减小电动机的转矩脉动，运行平稳，但这也增加了电动机的复杂性和功率电路的成本； 减少相数，有利于降低成本，但转矩脉动会增大，且两相以下的s r 电动机没有自起动 能力( 指电机转子在任意位置下，绕组通电起动的能力) 。所以，最常用的是三相和四相 s r 电动机，特别是四相8 6 极结构电机其极数、相数适中，转矩脉动不大，起动较平稳， 经济性也较好，本文选用的就是四相8 6 极的开关磁阻电机。 2 2 2s r m 的工作原理 s r m 的运行遵循“磁阻最小原理”磁通总是沿磁阻最小的路径闭合l l j 。当定子 某相绕组通电时，所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力，试图使相近的转子 极旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。 下面以四相8 6 极s r 电动机为例，如图2 3 所示，说明s r 电动机的工作原理。 一9 一 基于开关磁阻电机的阀门智能控制 图2 3开关磁阻电机运行原理图 f i g 2 3o p e r a t i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo fs rm o t o r 当a 相绕组单独供电时，在电动机内就会建立以a - a 为轴线的磁场，该磁场作用于 转子，转子受到的磁力就会使与其临近的转子极1 - 1 与定子极轴线a - a 重合，从而使转 子转动，并使a 相励磁绕组的电感最大。若在上述二者重合时改为b 相绕组通电，则磁 场产生的磁拉力使转子极2 2 与定子极轴线b - b 7 重合，从而使电动机逆时针转动。由此 可见，如果以图中的相对位置为起始位置，依次给a b - c - d 相绕组通电，转子就会按与 励磁顺序相反的方向以逆时针方向连续旋转。反过来，如果依次给b - a - d - c 通电，转子 就会按照顺时针的反向转动。若改变相电流的大小，则可改变电动机转矩的大小，进而 可改变电动机转速。若在转子转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相 反，为制动转矩。在s r m 中，转子的转向与相绕组的通电方向无关，仅取决于相绕组的 通电顺序。由此可见，通过简单地改变控制方式就可以改变电动机的转矩、转速、转向 和工作状态，因而开关磁阻电机有多种控制方式。同时要使开关磁阻电机持续转起来， 必须有可靠的开关元件和控制电路以根据转子位置控制各相导通关断。 综上所述，我们可以得出以下结论：s r 电动机的转动方向总是逆着磁场轴线的移动 方向，改变s r 电动机定子绕组的通电顺序，就可改变电机的转向：而改变通电相电流 的方向，并不影响转子转动的方向。 2 2 3 s r m 数学模型的建立 s r m 的工作原理和结构都比较简单，但由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、涡流 与磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性和可控性，使得电机的各个物 理量随转子位置周期性变化，定子绕组的电流和磁通波形极不规则，难以简单地用传统 电机的分析方法解析计算。 大连理工大学硕士学位论文 不过，s r m 内部的电磁过程仍然建立在电磁感应定律、全电流定律等基本的电磁定 律之上，由此可以写出s r 电动机的基本方程式。但基本方程式的求解是一项比较困难 的工作。为了弄清s r 电动机内部的基本电磁关系和基本特性，我们从理想的简化模型 入手进行研究。为此，我们作如下假设： 1 不计磁路的饱和影响，绕组的电感与电流大小无关： 2 忽略磁通的边缘效应； 3 忽略所有的功率损耗； 4 功率管的开关动作是瞬时完成的； 5 电机以恒转速运行。 在上述假设条件下的电机模型就是理想线性模型。这是，相绕组电感随转子位置 角p 的变化关系如图2 4 所示。图中横坐标为转子位置角( 机械角) ，它的基准点即坐标 原点( 口= 0 ) 位置对应于定子磁极轴线( 也是相绕组的中心) 与转子凹槽中心重合的位置 ( 把这个位置叫做不对齐位置) ，这时相电感为最小值l m i n ；当转子转过半个极距 ( 1 8 0 0 j v r ) 时，定子磁极轴线与转子凸极中心对齐( 对齐位置) ，相电感为最大值锄z 。 随着定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在l m a x 和l m i n 之间线性地上升和下降， 阳夕的变化频率正比与转子极数，变化周期为转子极距仃。 工倒 三m 7 _ _ t _ 。j i i i l m ；一 l l 定子ttt t tt 转子uu-l | 叶 图2 4 定、转子相对位置与相绕组电感曲线 f i g 2 4 r e l a t i v ep o s i t i o no fs t a t o ra n dr o t o ra n di n d u c t a n c ec u r v eo fp h a s ew i n d i n g 图2 4 中，既为不对齐位置；易为定子磁极与转子凸极开始发生重叠位置；岛为定 子磁极刚好与转子凸极完全重叠位置( 一般转子磁极宽度大于等于定子磁极的宽度) 临界 重叠位置；纪为对齐位置或最大电感位置；0 4 为定子磁极与转子凸极即将脱离完全重叠 的位置：1 9 l 和易为定子磁极刚刚与转子凸极完全脱离的位置。由此，我们可以得到理想 线性s r 电动机模型中相绕组电感与转子位置角的关系： 基于开关磁阻电机的阀门智能控制 b 口 0 2 0 2 乡 0 3 0 3 0 只 幺秒 幺 式中 舴( 乙，一厶t 。) ( 0 3 一岛) = ( z 聃，一厶t 。) p ： 厂定子磁极极弧。 s r 电动机一相绕组的主电路如图2 5 所示， 相电路的电压方程为 u 。：坎+ 坐 6 出 ( 2 6 ) 当电机由恒定直流电源纵供电时，一 式中，“+ ”号对应于绕组与电源接通时，矗”对应于电源关断后绕组续流期间。 图2 5s r 电动机一相绕组主电路 f i g 2 5 m a i nc i r c u i to fo n ep h a s ew i n d i n go fs rm o t o r ( 2 7 ) 根据“忽略所有功率损耗”的假设，则上式可以简化为 u ：坐：业宰堕+ 业宰塑 m8 id t8 8d t ：ld i + f 丝q( 2 8 ) d ta 目 在转速、电压一定的条件下，绕组电流仅与转子位置角和初始条件有关。由于绕组 电感lf ，口，的表达式是一个分段解析式，分段求解结果如下： ( 1 ) 在0 1 、 0 ( 0 2 区域内，l = l m i n ，式2 7 前取“+ ”，将初始条件i ( o o n ) = 0 代入， 解得 大连理工大学硕士学位论文 徊) = 琶警 ( 2 9 ) k i n s 2 ( 2 ) 在0 2 - 0 8 0 ，区域内，仁厶。+ 麒0 一岛) ，以前取“+ ，得 妒) = 面j u s ( o 厕- o o o ) ( 2 1 0 ) ( 3 ) 在倪，口 岛区域内，主开关关断，绕组进入续流阶段。此时，l - - l 。+ 双秒一岛) ， 纭前取“一，得 妒) = 币u , ( j 2 0 0 s 厕- o o - o ) ( 2 1 1 ) 、 q 三m i i i + k ( p 一幺) 】 ( 4 ) 在品乡 舅区域内，房z - i ，纭前取“一，同理可得 妒) = 型芝塑 ( 5 ) 在鼠p 2 包，厂如口s 区域内，仁厶x 一以口一矾) 妒，= 爰端 而 嚣在各阶段为常数。 推得 z = 丢z 2 嚣 个 u 2 l e 芘虿 ( 2 ，1 2 ) ，阻前取“一，同理可得 ( 2 。1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 由此可见，当相电压恒定时，乏与q 2 成反比，即电机呈串励的机械特性。当t 恒 定时，电机转速与相电压成正比。因此我们可以通过调节相电压改以实现对s r d 系统 的调速控制。根据以上原理，电压斩波p w m 控制方式采用的方法是：固定开、关角，在 原来主开关相控触发信号上加p w i d 调制，通过调节电压的p w l d 的占空比来调节施加在相 绕组上的两端电压以达到调速的目的。 基于开关磁阻电机的阀门智能控制 2 2 4s r m 控制方式 控制方式的研究是s r m 研究的关键问题。s r m 的控制方式是指电动机运行时控制哪些 参数及如何控制，使电动机按规定的工况运行，并保持较高的性能指标。开关磁阻电机 主要的几种控制方式： 1 角度控制 控制开通角o o 和关断角。由2 1 节中开关磁阻电机的工作原理可知，改变气和 ，即改变了电流波形与绕组电感波形的相对位置，当电流波形的主要部分置于电感 波形的上升段时，电动机处于电动运行状态，反之电流波形的主要部分置于电感波形的 下降段时，电动机处于制动运行状态，电流波形如图2 6 所示。 角度控制的特点：转矩调节范围大，不适用于低速。在角度控制方式中，电流峰值 主要由旋转电势限制。当转速较低时，旋转电势较小，使电流上升很快以至于超过最大 电流。因此角度控制一般适用于较高的转速。 图2 6 角度控制对应电流波形 f i g 2 6 t h ec u r r e n tw a v e f o r mo f a n g e lc o n t r o l 2 电流斩波控制 电流斩波的实现形式可以有两种。一种是设定上下限的电流斩波控制，将相电流与 设定的上下限值进行比较，超出上限则关断该相，低于下限则重新开通，如此反复，直 至f j e = o o , 时实行相关断，其斩波的波形如图2 7 ( a ) 所示。这种方式，斩波频率一般很 高，开关损耗大，好处是转距脉动小。 大连理工大学硕士学位论文 ( a )( b ) 图2 7 电流斩波波形 f i g 2 7c h o p p e dc u r r e n tw i t hh i g ha n dl o wr e s t r i c t i o n 另一种方法是设定电流上限以及关断时间的斩波控制方式如图2 7 ( b ) 所示。与上一 种方法的区别是，在关断功率开关之后，重新导通的触发条件不是电流的下限而是定时， 就是把关断的时间固定了。对于关断的时间的确定应该根据电机运行的不同状况来选 择，时间过长会导致电流脉动增大，过小又使斩波频率太高，系统损耗增大。 电流斩波特点：适用于低速和制动运行，转矩平稳，适合用做转矩调节系统，用做 调速系统时抗负载扰动的动态响应慢。 3 电压斩波控制 电压斩波控制如图2 8 所示，在包旷见。通电区间内，使功率开关器件按脉冲宽度 调制( p w m ) 方式工作。这里脉冲周期t 固定，占空比t 1 t 可调，在t 1 内绕组加正电 压，其余时间断电。其电压电流波形如图2 8 所示。改变占空比，则绕组电压的平均值 变化，绕组电流也相应变化，从而实现转速和转矩的调节。提高脉冲频率f = 1 t ，则电 流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但功率开关器件工作频率增大，功耗增加。 口 图2 8p w m 斩波调压控制的电流波形 f i g 2 8 c u r r e n tw a v ed u r i n gc h o p p e dv o l t a g ec o n t r o li np w m 基于开关磁阻电机的阀门智能控制 电压斩波控制特点：电压斩波控制方式通过p w m 方式调节绕组电压平均值，进而间 接地限制和调节过大的绕组电流，故既能用于高速运行，又适合低速运行。适合用做转 速调节系统，此时抗负载扰动的动态响应较快。 2 2 5 开关磁阻电机传动系统分析 开关磁阻电机传动系统( 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 ) 系统是2 0 世纪8 0 年 代中期发展起来的一种新型机电一体化交流调速系统【l 】，它主要由四部分组成：开关磁 阻电机、功率变换器、控制器和检测器，如图2 。9 所示： 电源 控制信号 负载 功率变换器是s r d 系统能量传输的关键部分，是影响系统性价比的主要因素，起控 制绕组开通与关断的作用。由于s r 电动机绕组电流是单向的，使得功率变换器主电路 不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，可以避免直通短路危险。s r d 系 统的功率变换器主电路结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类有关。 控制单元是s r d 系统的核心部分，其作用是综合处理速度指令、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通断，实现对s r 电动机运行状态的控制。 检测单元由位置检测和电流检测环节组成，提供转子的位置信息以决定各相绕组的 开通与关断，提供电流信息来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电流。 s r 电动机是s r d 系统中实现机电能量转换的部件，其结构和工作原理已在2 2 1 小节和2 2 2 小节介绍过，这里不再累述。 根据s r 电动机的控制原理以及s r d 主要控制方式，可以得到s r d 控制系统的原理 图。如图2 1 0 所示： 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 0s r d 系统控制原理图 f i g 2 10 p r i n c i p l ed i a g r a mo fs r ds y s t e mc o n t r o l s r d 系统采用转速外环、电流内环的双闭环控制，a s r ( 转速调节器) 根据转速误差 信号( 转速指令q 水与实际转速q 之差) 给出转矩指令信号僻，而转矩指令可直接作为电流 指令i 禾；a c r ( 电流调节器) 根据电流误差( 电流指令i 木与实际电流i 之差) 来控制功率开 关。控制模式选择框是s r d 系统控制策略的总体现，它根据实时转速信号确定控制模式 在低速运行时，固定开通角眈。和关断角皖矿，采用电流斩波控制；在高速运行时， 采用角度控制。在角度控制方式下，将电流指令i 对台高，使斩波不再出现，由转矩指令 t 水的增减来决定开通角以。和关断角只圹的大小。在电流斩波及电压斩波的控制方式下， 实际电流的控制是由p w m 斩波实现的。a c r ( 电流调节器) 根据电流误差来调节p w m 信号 的占空比，p w l d 信号与换相逻辑信号相与，并经放大后用于控制功率开关的导通和关断。 2 3 基于开关磁阻电机的位置随动系统 2 3 1 位置随动系统分析 位置随动系统是应用领域中使用广泛的一类系统，它的根本任务就是实现执行机构 对给定位置指令的准确跟踪1 2 。被控制量( 输出量) 一般是负载的空间位移，当给定量 随机变化时，系统能够使被控制量准确无误地跟随给定量。在工业自动化过程中，这样 的例子是很多的，其中，本文讨论的阀门智能控制器，就是一个典型位置随动系统的核 心控制器。 位置随动系统中的给定位置指令和被控制量都是位移，可以是角位移，也可以是直 线位移，所以位置随动系统是一个位移反馈控制系统。位置随动系统是狭义的随动系统， 从广义来说随动系统的输出量不一定是位置，也可以是其它的量，例如转速、电流双闭 环凋速系统中的电流环实际上可看成是一个电流随动系统，采用多电机拖动的多轴纺织 基于开关磁阻电机的阀门智能控制 机和造纸机可认为是速度的同步随动系统等等，随动系统一般也称为何服系统。系统结 构图如图2 1 1 所示： 图2 11 位置随动系统结构图 f i g 2 11 s t r u c t u r eo f p o s i t i o ns e i v os y s t e m 位置随动系统( 以下简称随动系统) 与调速系统一样都是反馈控制系统，随动系统可 以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是随动系统的主要结构特征。因此，随 动系统在结构上往往要比调速系统复杂一些。一般来说，人们对调速系统的要求是希望 有足够的调速范围、稳速精度和快且平稳的起动、制动性能，而对于随动系统，一般是 以足够的位置跟踪精度和足够快的跟踪速度作为它的主要控制目标。系统运行时要求以 一定的精度随时跟踪指令的变化，因而系统中执行电机的给定转速是不断变化的，所以 位置随动系统在跟踪性能方面的要求比一般的调速系统高且严格一些。 2 3 2 位置随动系统与调速系统区别 就转速给定值鲕言，在某一时刻，调速系统的雠恒值，不管外界扰动情况如 何希望输出量能够稳定，因此系统的抗扰性能显得十分重要：而位置随动系统中的位 置给定量p i d e s i r e d 是恒值，系统的跟随性能成了主要指标。也就是说，调速系统中 给定转速碾定值，而位置随动系统中雠与位置环的输出成比例的个变量，所以 在计算精度上要求更加严格。就整个系统算法复杂程度而言，调速系统较位置随动系统 简单，由于位置随动系统控制结构较调速系统多出一个位置环，在具体控制算法上就增 添了一个各个环节之间比例系数的确定问题，为设计带来了麻烦。 大连理工大学硕士学位论文 2 4 基于开关磁阻电机的阀门智能控制策略 2 4 1 速度曲线模型建立 本文研究的阀门智能控制器最主要的功能就是控制阀门开度，即实际位置对给定位 置的跟踪。给定值和电机位置反馈信号作比较，若有偏差，进行调节。在实际的阀门控 制中，经常出现的情况往往是：电机接到某次给定指令，按指令动作，然后在达到给 定位置后停下来，保持静止，直到有下一个开度信号到来时，再进行下一次动作。根据 阀门控制现场的实际要求，两次动作之