开关磁阻调速电动机毕业设计.doc

湖南工业大学本科毕业设计（论文）开关磁阻调速电动机毕业设计I湖南工业大学本科毕业设计（论文）目 录第1章 绪论11.1 开关磁阻调速电动机发展简介11.2 开关磁阻电机的特点21.3 开关磁阻调速电动机的研究动向及应用3第2章 开关磁阻电机的基本机构及工作原理62.1 开关磁阻电机的基本组成环节62.1.1 功率主开关器件72.1.2 功率变换拓扑电路72.1.3 控制器102.1.4 位置检测112.1.5 电流检测122.2 SR电机的工作原理12第3章 开关磁阻电机控制策略153.1 角度位置控制153.2电流斩波控制153.3电压PWM控制163.4单相起动方式173.5双相起动方式17第4章 开关磁阻电机数学模型的建立194.1 开关磁阻电机的数学模型194.1.1建立模型常用的方法194.1.2 SR电机的方程204.2 SR电机系统的线性分析224.2.1电感与转子位置角的关系分析224.2.2基于线性模型的绕组电流分析244.3电磁转矩的分析284.4转速的控制284.5基于非线性电感特性的SR电机的数学模型294.5.1 绕组非线性电感特性研究294.5.2 SR电机的非线性数学模型30第5章 开关磁阻电机调速系统MATLAB/SIMULINK仿真345.1 SRD调速控制策略的研究345.1.1 SR电机的运行特性345.1.2 控制策略365.2 SRD的仿真研究375.2.1 逆变器模型385.2.2 SR电机模型385.2.3 SRD系统模型395.2.4 电流控制器模型405.2.5 角度控制模型405.2.6 仿真结果与分析41结 论43参考文献44致 谢45湖南工业大学本科毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 开关磁阻调速电动机发展简介 开关磁阻调速电动机(The Switched Reluctance Drive, 以下简称SRD)最早可以追溯到1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机雏形。到1972年进一步对带半导体开关的小功率电动机(10W1kW)进行了研究。1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kW的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司(SRD Ltd.)，专门进行SRD系统的研究、开发和设计。1983年英国(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。另外SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。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应用的一些变速传动系统。SRD作为一种新型调速系统，兼有直流传动和普通交流传动的优点，正逐步应用在家用电器、一般工业、伺服与调速、牵引电动机、高速电动机、航天器械及汽车辅助设备等领域。在发展初期，由于具有串励直流电动机的特性，SR电动机较多的是在电力机车上作牵引用，功率从几十千瓦到几百千瓦。SRD的应用范围当然不会仅仅局限于牵引运输。实际上，转速范围为15001800r/min的SRD是与由50H/60H电源逆变器供电的异步电动机市场相适应的，而7503000r/min的SRD则与传统直流电动机市场相适应。另外，SRD在低压、小功率的应用场合大大优于普通的异步电动机和直流电动机。比如，使用SRD驱动风扇，泵类、压缩机等，可在很大速度范围内实现高效率运行，可明显地节能，并在短期内收回成本。经济型小功率SRD也有着广阔的市场。我国大约在1985年才开始对SRD系统进行研究。SRD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SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD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SRD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。美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了SRD系统的研制工作。1.2 开关磁阻电机的特点SRD调速系统之所以被越来越多的人所关注，是因为其本身有许多自己的特点和优点：(1) SRM结构简单、优点较多SRM是将电能转化为机械能的装置，有其突出的优点：首先，电机无碳刷和换相器，转子上没有任何形式的绕组，制造成本低且转子的机械强度高，使得电动机可高速运转而不致变形；另外转子转动惯量小，易于加、减速。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，绝缘结构简单，并且发热大部分在定子，易于冷却；其次，电机转矩方向与相电流方向无关，在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率；再次，电机起动转矩大，可靠性高，能适用于危险的环境，且控制方式很灵活。(2) SRD系统中功率电路结构简单可靠SR电动机的转矩方向与绕组电流的方向无关，只需单方向来对绕组供电，故功率电路结构简单，可以做到每相只需一个功率开关器件。只要控制主开关器件的开通、关断时间，即可改变电动机的工作状态。另外，系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通短路现象。因此开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护部分可以简化，既降低了成本，又具有较高的可靠性。(3) SRD系统效率高、起动转矩大SRD系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机转子不存在绕组铜耗，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。其系统效率在很宽的速度范围内都在87%以上，这是其它一些调速系统不易达到的。且电机起动时，只需从电源侧提供较少的电流，就能在电动机侧得到较大的起动转矩。(4) SRD系统可控参数多，控制方式简单控制开关磁阻电动机的主要常用方法有以下几种：控制相绕组电压，控制相电流幅值，控制开通角、关断角。可控参数多，意味着控制灵活方便，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，使之有效的运行。(5) SRD系统可靠性高、适用范围广SR电机不会发生感应电动机转子笼断裂或烧熔的故障，再加上SR电机采用简单而坚固的转子结构，由单极性功率变换器供单方向电流激励，可做到磁路上各相相互独立和电路上各相相互独立，因此，该系统具有较高的运行可靠性和容错能力。即使某相绕组或主开关管出现故障，电机依然能平稳运行，可适用在可靠性要求较高的场合，如适合在高粉尘、易燃、易爆等恶劣环境下和要求超高速等场合下运行，并可广泛地应用在纺织、造纸、煤矿、航空等领域。如：造纸机、浆纱机、采煤机、矿用运输机、电牵引采煤机、电机车牵引及局部风机和水泵等、家用电器和机器人上。当然，就目前的发展水平而言，SR电动机主要还存在如下缺点：(1) 采用的是磁阻式电动机，其能量转换密度低于电磁式电动机。 (2) 转矩波动较大，通常SR电动机转矩波动的典型值为15%。由转矩波动所导致的嗓声及特定频率下的谐振问题也较为突出。(3) 相数越多，主接线数越多，此外还有位置传感器的出线。(4) 需要根据定、转子相对位置投励。(5) 不能像笼型异步电动机那样直接接人电网作稳速运行，而必须与控制器一同使用。1.3 开关磁阻调速电动机的研究动向及应用目前，SRD系统的研究主要涉及以下几个方面：(1) SRD系统的优化SRD系统是由SR电机及其控制装置构成的不可分割的整体，因此，在设计时必须从系统的观点出发，对电机模型和控制系统综合考虑，进行全局优化。(2) 无位置传感器SRD系统的研制位置检测环节是SR电动机驱动系统的重要组成部分，检测到的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信息。到目前为止国内外实际应用中转子位置检测多数是直接利用诸如光电式、磁敏式或霍尔式位置传感器，所用传感元件的数目也因相数的增加而增加。既增加了系统结构的复杂性和成本，降低了可靠性，同时又给安装、调试带来了不便。因此，国内外许多学者开始研究无位置检测方案，如电流波形检测及由此变形而来的非通电相加瞬间脉冲激励的电感简化计算、状态观测器检测、利用相磁链、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、电容式位置检测技术、加测试线圈的检测等方案。位置传感器的取消将使SRD系统有更多的优势与直流及交流变频调速相竞争。(3) 新型控制技术的应用高性能DSP和专用集成电路(ASIC)的应用为SRD系统的高性能控制提供了可靠的硬件保证。因此，研究具有较高动态性能、算法简单、能抑制参数变化、挠动及各种不确定性干扰的SRD系统控制技术成为近期的重要任务，SRD系统的直接转矩控制、智能控制技术的研究成为热点。(4) 铁损耗分析与效率研究SRD系统堪称是高效率调速系统，但SR电机的铁损耗计算是难度较大的课题之一。SR电机的铁损耗计算难度较大，这是因为电机供电波形复杂、电机磁路局部饱和严重、电机的步进运行状态几双凸极结构等特点。SR电机的铁损耗常常是影响效率的主要方面，尤其在斩波工作状态及高速运行时，铁损耗是较为可观的。铁损耗分析的目的是建立准确、实用的铁损耗计算模型和分析、测试手段，以及从电机、电路结构和控制方案着手，研究减少损耗、提高效率的措施。(5)振动和噪声研究包括从电动机的设计和控制器软、硬件两方面来提高系统效率、降低噪音和转矩波动，加强对转矩波动及噪声的理论研究。由于SRD系统是脉冲供电工作方式，瞬时转矩波动大，低速时步进状态明显，振动噪声大，这些缺点限制了其在诸如伺服驱动这类要求低速运行平稳且有一定静态转矩保持能力场合下的应用。因此，研究抑制SR电动机的振动和噪声也是改善SRD性能的重要课题之一。(6) 控制参数方面的优化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、转矩波动系数最小等。由于SRD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，SRD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SRD系统中的应用也逐渐增多。如采用传统的PI调节器，以斩波电流限为控制变量，实现了SR电机的转速和转矩控制。一些现代的控制理论和方法在SR电机的控制中也得到了应用，如模糊控制、模糊控制与PI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SRD系统的非线性多变量强耦合问题，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SR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SRD系统中得到切实应用。(7) 功率变换器拓扑结构的研究由于SRD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。SRD系统功率变换器是由一定数量的电力电子器件按照一定的拓扑结构组合而成。SRD系统功率变换器研究初期，最少量主开关器件的拓扑结构曾是研究的热点，这是因为主开关器件的减少，意味者相应的驱动电路、缓冲电路以及功率损耗等相应减少，因此系统的体积以及成本会全面降低。随着研究深入，这种观点不再特别突出，主要原因是各种以减少主开关器件数目的拓扑结构在减少主开关器件数目的同时，又引进了其他诸如电容、电感等无源储能元件以及辅助开关器件，系统的体积与成本并未显著降低，其实质只是通过增加单个主开关器件的容量来减少主开关器件的数目。因此更理想的功率变换器拓扑结构应该为： 能够独立、快速又精确地对SR电机各相相电流进行控制。 磁场储能尽可能地转换为机械能输出，当向电源回馈时应高效、快速。 驱动同等功率等级的SR电机，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驱动更高功率等级的SR电机。 每相主开关器件数目最少。4第2章 开关磁阻电机的基本结构及工作原理2.1 开关磁阻电机的基本组成环节开关磁阻电动机调速系统主要是由SRM、主电路、控制器和检测器四部分组成，基本框图如图 2.1 所示。电源主电路SRM给定指令控制器电流检测速度检测位置检测驱动电路图2.1 SRD系统框图SRM是SRD中实现机电能量转换的部件，也是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志。它遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，由磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁转矩。采用双凸极结构就是要使转子旋转时磁路的磁阻要尽可能大地变化。功率变换器向SRM提供运转所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于SRM绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路非常简单，其结构形式与SR电动机的相数、绕组形式有关，功率变换器的结构和开关器件的选择直接影响到 SRD 系统的性能和成本。其主要作用有：（1） 向SR电动机传输电能，满足机电能量转换的需要；（2） 起开关作用，使SR电动机的各相绕组适时通断；（3） 为SR电动机各相绕组的储能提供回馈路径。控制器是系统的中枢，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SRM运行状态的控制。其性能好坏直接影响到电机的运行性能。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从而确定各相绕组的开通和关断，提供电流信息来完成电流跟踪控制或采取相应的保护措施以防止过电流。2.1.1 功率主开关器件SR 电机的绕组只需要单方向电流，但应能迅速从电源接受电能，又能迅速向电源回馈能量。由于 SRD 功率变换器只需要给电动机提供单方向电流，故它比异步电动机 PWM 变频器简单、可靠。然而，SR 电机的工作电流、电压波形系统的运行条件及电动机设计参数的制约，很难准确预料。这就使得其主开关器件的定额计算较为复杂，主开关器件的选择与电动机功率、供电电压、峰值电流、成本等有关，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、耐用性等有关。当前电力电子经过多年的发展，可供选择的功率器件主要有普通晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率 MOS 场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）。2.1.2 功率变换拓扑电路功率变换器应与电动机结构匹配，达到效率高、控制方便、结构简单、成本低等基本要求，一个理想的功率变换器主电路结构形式应同时具备如下条件：(1）最少数量的主开关元件；(2)可将全部电源电压加给电动机相绕组；(3)主开关器件的电压额定值与电动机接近；(4)具备迅速增加相绕组电流的能力；(5)可通过主开关器件调制，有效地控制相电流；(6)在绕组磁链减少的同时，能将能量迅速地回馈给电源。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，最常见的拓扑结构有：电机双绕组型、电容裂相型、H 桥型、不对称半桥式、具有最少数量主开关器件的功率变换器电路等。下面扼要介绍开关磁阻电机几种常见功率变换器的线路，进行对比分析。(1)电机双绕组型图 2.2电机双绕组型图 2.2所示是早期使用的双绕组结构，通常主副绕组采用双线并绕的形式，以得到最大的互感系数，主绕组开关元件 S 断开后，主绕组的能量通过互感传到副绕组，再通过二极管续流。该电路主开关元件的额定工作电压为2(1+D)，其中 是整流桥输出的峰值电压，D是开关元件关断时的过电压系数，功率变换器的伏安容量为 2m(1+D)，m为电动机的相数，为电动机的峰值电流。双绕组主电路十分简单，每相绕组只有一只主开关及一只续流二极管。缺点是主副绕组之间不可能完全耦合，主开关元件关断时会产生较高的冲击电压，对主开关元件的额定工作电压要求比较高，并需有良好的吸收网络；同时由于电动机采用双绕组结构，绕组利用率下降，铜耗增加、体积增大。这种主电路可适用于任意相数的开关磁阻电机，尤其适宜于低压直流电源。(2)电容裂相型图 2.2电路出现较早，在一个时期内应用比较广，是一种比较成熟的主电路结构。将整流桥输出的电压用双电容裂相(电容同时也起滤波、存储绕组回馈能量的作用)，采用这种电路，可对电动机的各相独立控制，每相只需一个主开关元件和一个续流二极管。因为两个裂相电容上的电压需要保持平衡，所以同两个电容并联的绕组数应相等，且上下桥的电容只能轮流或者同时给电动机的绕组供电，因而这种主电路结构只适用于偶数相的开关磁阻电机。主开关元件的额定工作电压为(1D) ，采用电容裂相以后，电源电压利用率降低，主开关元件的电流为图 2.3 中的两倍(同功率情况下)。图 2.3电容裂相型（资料来源：张全柱,郝荣泰,邓新华.开关磁阻电机的几种功率变换器拓扑的性能分析J电气传动自动化, 1995.）图 2.4 H 桥型功率变换主电路（资料来源：张全柱,郝荣泰,邓新华.开关磁阻电机的几种功率变换器拓扑的性能分析J电气传动自动化, 1995.）(3) H 桥型图 2.4 H 桥型功率变换主电路，这一电路可认为是上述电容裂相型电路取消了电容器分压构成的双电源，并将电动机四相绕组中点浮空而形成的。电机每相绕组的外施电压为电源电压的一半，因为任一相绕组电路必须以其它绕组为通路，换相相的磁能一部分回馈电源，另一部份注入导通相绕组，因此只能工作在两相同时通电方式，从而缺少一些控制灵活性。但这一变化也给本电路带来了特有的好处，即可以实现零压续流，提高系统控制性能。但它只适合于四相或者四的倍数相的 SR 电机。(4) 不对称半桥型图 2.5 为本系统所采用的不对称半桥型三相 SR 电机功率变换器主电路。以 A相为例，每相有两个主开关管 S1 和 S5 及续流二极管 D1和 D5。其中，上下两只主开关管是同时导通和关断的。当 S1、S5 导通时，D1 和 D5 截止，外加电源加至 A 相绕组的两端，产生相电流；当 S1、S5 关断时，A 相绕组产生的变压器电压势极性如图所示，则 D1、D5 正向导通，电流通过 D1、D5 及储能电容 C续流，C 将吸收 A 相绕组的部分磁场能量。图 2.5 不对称半桥功率变换主电路（资料来源：张全柱,郝荣泰,邓新华.开关磁阻电机的几种功率变换器拓扑的性能分析J电气传动自动化, 1995.）这种不对称半桥型线路具有如下的特点：(1)各主开关管的电压定额为Vs ；(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，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)由于每相绕组接至各自的不对称半桥，每相需要两个主开关管和两个二极管，相与相之间是完全独立的，故这种结构对绕组相数没有任何限制，适合任意相数电机，不存在上、下桥臂直通的故障隐患。2.1.3 控制器控制器是SRD系统的主要大脑，起决策和指挥作用。它综合位置检测器、电流检测器提供的电动机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制器策略，向SRD系统的功率转换器发出一系列执行命令，进而控制SR电动机运行，达到控制目的。控制器一般由单片机或者 DSP 芯片及外围接口电路组成，在其中实现电机参数的比较分析以及控制运行算法的实现，在 SRD 系统中，要求控制器实现下述性能：（1）电流斩波控制；（2） 角度位置控制；（3） 启动、控制、停车及四象限运行；（4） 速度调节。综合采用有效的电机控制策略，减少转矩脉动降低噪声，实现电机优良的调速性能。2.1.4 位置检测根据所用光电传感器个数的不同，位置检测的方法可分为全数检测和半数检测两种。前者所用的光电传感器的个数与开关磁阻电机的相数相同，后者所用个数为相数的一半。半数检测能节约成本，在本文位置检测采用光电位置传感器，它由装在轴上的转盘和装在定子上的光电传感器件和组成。转盘固定在转子轴上，具有与转子凸极和凹槽数相等的凸齿和凹槽，而且它们成均匀分布结构都为，即外弧的弧长相等；光电传感器件由光发生部件和光敏三极管接受电路组成，固定在定子或者机壳上转盘与电机同步旋转，通过转盘的遮光、透光使光敏元件产生导通和关断信号。对于四相8/6极电机，只须在定子极上安装两个相距1/4转子齿距角，即相距或的光电元件，见图2.6。图 2.6 8/6 四相开关磁阻电机位置检测图一般情况下，光电传感器件在夹角为时放置在A相轴线两侧处，夹角情况下则其中一个光电传感器件放在靠近A相轴线处与之成角处。A相是处于和转子极重合的位置，此时其相电感最大，可以看出其与光电传感器的齿盘是不重合的，而是由一个的夹角。位置感器的输出是由齿盘凸极遮挡光电器件的光线来实现的。当凸极遮住光线的时候，传感器输出低电平，没有遮挡的时候输出高电平，图2.7表示的就是由传感器产生的两路输出位置信号，并且给出它们与相绕组电感之间的对应关系。图2.7 一个转子周期内位置信号与相电感对应变化当电动机旋转时，根据被齿盘遮住与否，两个光电传感器通过外围电路输出两路相位分别相差的基本信号，经过整形、滤波可以获得比较好的方波信号。通过分析两路方波信号的位置状态以及对两路方波信号上升、下降沿的捕获，可以得到转子旋转的位置角度，可实现位置信号的反馈。同时，利用两路信号上升、下降沿的捕获，运用 T方法(测出相邻的两个捕获信号之间的间隔时间来计算转速的方法)，进行电动机转速的计算，可实现速度信号的反馈。2.1.5 电流检测为了实现过电流保护，使电机安全运行，必须对绕组中的电流进行检测，电流检测电路一定要符合以下的条件：（1） 被测主电路(强电部分)与控制电路(弱电部分)间应良好隔离，且有一定的抗干扰能力。（2） 灵敏度高，检测频带范围宽，可测含有多次谐波成分的直流电路。（3） 单相电流检测，在一定工作范围内具有良好的线性度。2.3 SR电机的工作原理 SRG通常采用双凸极结构，如图2.8所示，定、转子均是由普通硅钢片叠压而成。转子上既无绕组也无永磁体，定子上绕有集中绕组，由径向相对的两个绕组串联构成一相绕组。从本质上说 SRG与一般的交流电机系统不同，其运行原理遵循“磁阻最小原则”， 即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，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距，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；若连续给各相定子绕组通电，则产生连续的脉振磁场，转子将沿着与励磁顺序相反的方向连续转动。并且转子的转动方向与电流方向无关，仅取决于励磁顺序。对于开关磁阻发电机来说，其一个通电周期可分为两个阶段，即励磁阶段和发电阶段，且以发电阶段为主。当主开关 K1 和K2 导通时，定子绕组接受外电路的励磁，外部供给的电能和机械能均转化为磁场储能； 当主开关关断并通过二极管 D1、D2 续流时，磁场储能和机械能都转化成电能回馈电源或向负载供电。正是开关磁阻电机这种分时励磁的特性，使得其控制灵活，可控参数多，如开通角、关断角、励磁电压以及控制方式等均对发电效果有重大影响。下面就以常用的四相8/6极开关磁阻发电机为例进一步阐释其运行机理。图2.8 开关磁阻发电机工作原理示意图如图2.9，图中仅画出相绕组及其供电电路，其余各相与此相相同。设发电机在外力的驱动下，以逆时针方向旋转。在图示位置，定子相绕组与转子磁极轴线重合，此时给定子相绕组通电，即开关、闭合，该相通过直流电源U进行励磁。磁力线由定子轭经定子极、气隙、转子极1、铁心、转子极，再回经定子极，形成闭合回路。由于定子相绕组轴线与转子极不重合，根据 “磁路最短原则”，转子极将有向定子极运动趋势，并受到该方向的力矩作用，即顺时针方向，与驱动力矩相反，同时转子上的机械能将转化成磁能贮藏在磁场中。当开关、断开时，相电流通过二极管、续流，绕组内的电流方向不改变，电源E极性与原来相反，此时储存在磁场中的磁能将释放出来，并转化成电能，回馈至电源，从而完成了机械能和电能之间以磁场为媒介的机电能量转化过程。（）A相通电 （b）B相通电 （c）相通电 ）D相通电图2.9开关磁阻发电机各相顺序通电的磁场情况电机旋转至绕组轴线与转子极轴线重合时，将励磁切换至相，则相与转子极之间相互作用将和相与转子极之间相同。因此，连续不断地按照的顺序给电机各相励磁，作用在转子上的机械能将源源不断地转化成电能，实现发电运行。 值得一提的是，若作用在开关磁阻发电机转子上的外力方向改变时，只需改变各相的励磁顺序，即，即可维持其发电状态。因此，方便的实现正反转是开关磁阻发电机的一大特色。此外，在开关磁阻发电机中转子的受力方向与绕组通电的方向无关，仅取决于通电顺序，这也是开关磁阻发电机不同于一般交流电机之处。第3章 开关磁阻电机控制策略3.1 角度位置控制 在直流电压的斩波频率和占空比确定时，加于相绕组两端的电压大小不变的情况下，可通过调节SR电动机的主开关器件的开通角和关断角的值，来实现转矩和速度的调节，此种方法便称之为角度位置控制(APC)。尤其是当电机转速较高，旋转电动势较大，电机绕组电流相对较小时，最宜采用此种控制方式。角度位置控制是通过控制开通角和关断角来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置，这样就可以改变电动机的转矩，从而改变电动机的转速。在电动机正常运行时，应使电流波形的主要部分位于电感波形的上升段；在电动机制动运行时，应使电流波形位于电感波形的下降段。改变开通角，可以改变电流的波形宽度、电流波形的峰值和有效值大小以及电流波形与电感波形的相对位置；改变关断角一般不影响电流峰值，但可以影响电流波形宽度以及与电感曲线的相对位置，电流有效值也随之变化，因此同样对电动机的转矩和转速产生影响，只是其影响程度没有那么大。故一般采用固定关断角，改变开通角的控制方式。APC控制方式有其自身独特的优点：首先电机转矩调节范围大。假设定义电流存在区间t占电流周期T的比例为电流占空比，则在极端情况下，角度位置控制的电流占空比的变化范围几乎从0-100%，电流的大小直接影晌着转矩的大小，因此转矩调节的范围将很大。其次，电动机在角度位置控制方式下运行效率高。通过角度优化，能使电动机在不同负载下保持较高的效率，可实现效率最优控制或转矩最优控制。但是,角度位置控制不太适用于低速。因为转速降低时，旋转电动势减小，使电流峰值增大，必须进行限流，因此角度位置控制一般用于转速较高的应用场合。3.2电流斩波控制 低速工作时多采用斩波控制方式，用来限制电流峰值。低速时，绕组导通周期长，磁链及电流峰值大，靠加大导通角，减小导通区固然可以限流，但会降低有效利用率，因此，适合采用斩波限流。一般在低速运行时，将使电机的开通角和关断角保持不变，而主要靠控制斩波电流的大小来调节电流的峰值，从而起到调节电动机转矩和转速的目的，工作在CCC方式下的斩波电流波形如图3.1所示。图3.1 CCC方式下的斩波电流波形在 时，功率电路开关元件接通(称相导通)，绕组电流从零开始上升，当电流达到斩波电流上限值时，切断绕组电流(称斩波关断)，绕组承受反压，电流快速下降。经时间，或电流降至斩波电流下限值时，重新导通(称斩波导通)，重复上述过程，则形成斩波电流波形，直至时实行相关断，电流衰减至零。CCC控制方式又分为起动斩波模式、定角度斩波模式和变角度斩波模式。起动斩波模式是在SR电机起动时采用的，此时要求转矩要大，同时又要限制相电流峰值，故通常固定开通角和关断角，导通角值相对较大；定角度斩波模式通常在电机起动后，低速运行时采用，导通角值保持不变，但值限定在一定范围内，相对较小；而变角度斩波模式通常在电机中速运行时采用，此时通过电流斩波、开通角、关断角同时起作用来进行转矩的调节。3.3 电压PWM控制 在导通区间内，使功率开关按PWM方式工作，其脉冲周期T固定，占空比可调，在内，绕组加正电压，内加零电压或反电压。改变占空比，则绕组电压的平均值将会变化，进而间接改变相绕组电流的大小，从而实现转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制。与电流斩波控制方式类似，提高脉冲频率，则电流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但功率开关元件的工作频率增大，成本有所增加。电压PWM控制通过调节相绕组电压的平均值，进而能间接地限制和调节相电流，因此既能用于高速调速系统，又能用于低速调速系统。电压PWM控制法虽然简单，但调速范围较小。其它特点则与电流斩波控制方式相反，它适合于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。 在对SRM的机理和控制策略进行阐述后，针对设计样机，将采用PWM的控制方式，采用速度反馈闭环和电流反馈闭环的双闭环控制策略，并且能够运用DSP软件对系统进行控制。3.4 单相起动方式在电动机的起动过程中，任一瞬时，SR电机的绕组只有一相绕组通电产生转矩，这种起动方式便称之为单相起动方式。显然，转子处于不同的位置，并且给不同的相通电，所获得的起动转矩大小及方向都是不一样的。如图3.2所示，将各相转子的位置角的参考坐标统一取在A相最小电感处，将A, B, C, D四相绕组通电的矩角特性画在一起。图3.2 单相起动运行四相SR电动机合成转矩波形由上图不难看出，各相转矩曲线互相重叠，在任意转子位置上都有起动转矩。由于电机转子初始位置不同，起动转矩大小也不一样。假设A,D相中相绕组导通产生的起动转矩相同，且此时为正向转矩，电机为正转向，如要改变电机起动转向，应给B, C相中任一相绕组通电，产生反向转矩。由图可知这种单相起动方式的最小起动转矩为相邻两相矩角特性交点处的转矩，显然，加在SR电动机转轴上的总负载转矩必须小于最小起动转矩，电动机才可能在任意位置都能起动，否则便会出现“起动死区”。因此，最小起动转矩代表了SR电动机带负载起动能力的极限。电动机的最小起动转矩值不仅与起动电流、相邻相绕组矩角特性重叠有关，而且与矩角特性的波形有关。3.5 双相起动方式 电动机的起动过程中，任一瞬时，SR电机的绕组会有两相同时通电，这种起动方式便称之为双相起动方式。如果起动时SR电机两相绕组同时导通，则起动转矩由两相绕组共同产生。忽略相间磁祸合和磁路饱和的影响，起动转矩可根据各相矩角特性线形相加，如图3.3。图3.3 双相起动运行四相SR电动机合成转矩波形显然 ，采用双相起动时转矩波动明显减小，平均转矩增大，两相起动时的最小转矩等于一相起动时的最大转矩。与单相起动方式相比，带负载起动能力明显增强了。而且，两相起动方式的最大起动转矩与最小起动转矩比值减小，所以起动过程较平稳。再者，若负载转矩一定，双相起动的电流幅值明显小于单相起动的电流幅值，降低了主开关管的电流容量要求，减少了系统成本。在任意转子位置，两相起动的转矩均比较一致，产生的电流冲击和机械冲击比较小，起动性能明显优于一相起动。通过以上对电机起动方式的分析可见，双相起动的优点非常明显，对于提高电机的容量，减小转矩波动有着重要意义。同时，对于单边磁拉力引起的噪声也有一定的降低，对于本设计的四相电机来说，若在运行中有两相绕组同时通电，则相当于一相绕组运行时产生的单边磁拉力分解成不同圆周角度上的两部分力，故而对径向磁拉力引起的噪声的降低也有一定的贡献。第4章 开关磁阻电机数学模型的建立4.1 开关磁阻电机的数学模型 建立SR电动机数学模型的主要困难在于电动机的磁路饱和、涡流和磁滞效应等产生的非线性，这些非线性影响着电动机的性能，但却很难进行数学模拟。考虑了非线性的所有因素，虽然可以建立一个精确的数学模型，但是计算相当的繁琐。因此，在性能分析和求解建立数学模型时不得不在实用与理想之间寻求一种折衷的处理方法。4.1.1建立模型常用的方法 目前人们针对电机磁链的变化，常采用以下几种方法来建立模型口： (a)理想线性模型 若不计电机磁路的饱以及边缘效应等影响，假定电机相绕组的电感与电流大小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，可用SR电动机的理想线性模型将磁链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之间的相互关系，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。 (b)准线性模型 因为磁链在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，同时不考虑相间祸合效应，可将曲线分为两段(线性区和饱和区)或三段(线性区、低饱和区和高饱和区)，这样可以用不同的解析式来表示每段磁化曲线。 以上两种模型，电感参数均有解析表达式；在用于分析电机性能时，电流和转矩也均有解析解，因此一般可用于定性分析。事实上，由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、涡流以及磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性，在电机运行期间，绕组电感为电流和转子位置角的函数。但是SR电动机定子绕组的电流、磁链等参数随着转子位置变化的规律很复杂，难以用简单的解析表达式来表示，因此很难建立精确可解的数学模型。 (c)非线性函数拟合模型 将磁链用一非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确度。显然，磁链随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，采用非线性函数来拟合磁链的变化规律将是一项很困难的工作。且针对一般拟合的函数，绕组的电流、电感等是也无法用简单的解析表达式来进行表示。 (d)查表法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反演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据，的连同矩角特性数据的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，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。4.1.2 SR电机的方程 SR电动机运行的理论与任何电磁式机电装置运行的理论在本质上没有什么区别，对于m相SR电动机，若不计磁滞、涡流及绕组间互感时，可列出如图4.1所示的一对电端口和一对机械端口的二端口装置系统示意图。图4.1 m相SR电动机系统示意图 图中，表示电动机电磁转矩，为SR电动机转子及负载的转动惯量，代表粘性摩擦系数，表示负载转矩。 建立SR电动机数学模型时，为了简化分析，特作如下假设： (1)忽略铁心的磁滞和涡流效应，且不计磁场边缘效应； (2)在一个电流脉冲周期，转速恒定不变； (3)主电路供给电源的直流电压恒定不变。 在建立各项方程前，设相SR电机各相结构和参数一样，且第相的磁链为、电压为、电阻为、电感为、电流为、转矩为，转子位置角为，电机的实时转速为。 下面分别针对这种“理想”的机电系统建立磁链方程、电压方程和机械联系方程。（1）磁链方程一般来说，SR电动机的各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流以及转子位置角的函数，即： （4.1）由于SR电动机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，一般忽略相间互感，因此，磁链方程也可简写成该相电流和电感的乘积，即： （4.2）其中，每相的电感是相电流和转子位置角的函数，它随着转子角位置而变化，这正是SR电动机的特点。（2）电压方程由基尔霍夫定律可列写出第相回路电压平衡方程。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，故第k相绕组电压方程： （4.3）将4.2代入上式可得： （4.4）上式表明，电源电压与电路中三部分电压降之和相平衡。其中，等式右端第一项为第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，所以称为变压器电动势；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，所以称为运动电动势，它与电磁机械能量转换直接有关。（3）机械方程 按照力学定律可得出在电动机电磁转矩和负载转矩作用下的转子机械运动方程： （4.5） 以上分别从电端口、机械端口列写了系统方程，两者是通过电磁转矩耦合在一起的，转矩表达式反映出了机电能量的转换。应该指出，上述SR电动机的数学模型尽管从理论上完整、准确地描述了SR电动机中的电磁及力学关系，但由于及难以解析，实用起来却很麻烦，因此，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。4.2 SR电机系统的线性分析4.2.1电感与转子位置角的关系分析 影响SRD运行特性最主要因素是SR电动机的相电流波形、电流的峰值以及电流峰值出现的位置。由于SR电动机的电磁转矩是磁阻性质的，又是双凸极结构，其磁路是非线性的，加上运行时的开关性和可控性，使电动机内部的电磁关系十分复杂。虽然求解上节导出的非线性偏微分方程式(4.4)可得的精确解，但式(4.4)没有解析解，只有数值解，很难计算。为弄清电机内部的基本电磁关系，有必要从简化的线性模型，也就是上节所说的理想线性模型开始进行分析研究，若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，这时，相绕组的电感随转子位置角周期性变化的规律可用图4.2说明。图4.2电感与转子位置角的关系 图中横坐标为转子位置角(机械角)，它的基准点为坐标原点的位置，对应于定子槽中心线与转子凹槽中心线对齐的位置，这时相电感为最小值；当转子转过半个极距时，该相定、转子凸极中心完全对齐，这时相电感为最大值。随着定、转子磁极重叠部分的增加和减少，相电感则在和之间线性地上升和下降，的变化的频率正比于转子极对数，变化的周期即为极距的大小，其中，为转子相邻两极之间的机械角度，对于本系统所研究的8/6极SR电机极距的大小为。由图中，可以得到“理想化”的线性SR电动机电感的分段线性方程，其绕组电感与转子位置角的关系如下： = （4.6） 其中。4.2.2基于线性模型的绕组电流分析SR电动机各相绕组通过功率电路供电，当功率电路的开关器件导通时，绕组电压为电源电压。假设绕组电感仅是转子位置的线性函数，且在式(4.3)中，绕组的电阻压降和相比起来很小，可以忽略掉，故(4.3)式可化简成： （4.7） 又 ，故有 （4.8） 方程的两边同乘绕组电流，可得功率平衡方程： （4.9） 该式表明，当SR电动机绕组通电时，若不计相绕组的损耗，输入的电功率一部分用于增加绕组的贮能一部分则转换为机械功率输出。该机械功率输出为绕组电流与定子电路的旋转电动势之积。若在电感上升区域内绕组通电，旋转电动势为正，产生电动转矩，电源提供的电能一部分转换为机械能输出，一部分则以磁能的形式贮存在绕组中；若通电绕组在内断电，贮存的磁能一部分转化为机械能，一部分则回馈给电源，这时转轴上获得的仍是电动转矩。在最大电感为常数的区域内，旋转电动势为0，如果电流继续流动，绕组磁能则仅回馈给电源，转轴上没有电磁转矩；最后，若电流在电感下降区域内流动，因旋转电动势为负，产生制动转矩，这时回馈给电源的能量既有绕组释放的磁能，也有制动转矩产生的机械能，即SR电动机运行在再生发电状态。图4.3 角度位置控制方式典型相电流波形显然，为了得到较大的有效转矩，一方面，应尽量减小制动转矩，即在绕组电感开始随转子位置减小时应尽快使绕组电流衰减到,为此，关断角通常设计在最大电感达到之前。主开关器件关断后，反极性的电压加至绕组两端，电流流向电源，所以绕组电流迅速下降，以保证在电感下降区域内流动的电流很小；另一方面，应尽量提高电动转矩，即在绕组电感随转子位置上升区域应尽量流过较大的电流。因此，SR电动机电动运行时，应在内触发导通主开关器件，即有；应在内关断主开关器件，即有；这时一个电感变化周期内的电流波形如图4.3所示。由于绕组电感的表达式(4.6)是分段线性解析式，故需分段给出初始条件求解关于绕组电流的微分方程式。（1）如图4.2所示，在到区域，将作为初值条件结合式（4.8）解得： （4.10）式(4.10)表明，电流在最小电感恒值区域内