（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的开关磁阻电动机控制系统研究.pdf

堕玺堡堡丝堡圭茎堡圣鎏 a b s t r a c t a st h er e p r e s e n t a t i v eo fm o d e me l e c t r i c a lr o a c h i n e s s w i t c h e dt e l u c t a n c e m a c h i n ec o m b i n e st h ee l e c t r i c a lm a c h i n et h e o r i e sw i t h t h em o d e mp o w e r e l e c t r o n i ct e c h n i q u ea n dt h ea d r a n t e dm i c r o p r o c e s s o re o n t r o lt e c h n i q u e w h i c h n o to n l yh a sl o w c o s ts t r o n gs t r u c t u r e g o o df a u l t t o l e r a n ta n dh e a t r e s i s t a n t c a p a b i l i t yb u ta l s oh a se x c e l l e n tc o n t r o l l a b i l i t y i td e v e l o p sw i t ht h ep r o g r e s so f m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y c o n t r o lt e c h n o l o g y p o w e re l e c t r i ca n dm o d e m c o m p u t e rt e c h n o l o g y i th a st h et r a i t s o fs i m p l es t m c t u r e h i 曲d e p e n d a b i l i t y f l e x i b l ec o n t r o la n dh i g he f f i c i e n c y i th a sb e e nu s e di ns e v e r a li n d u s t r y d e p a r t m e n t sa n dh a san i c e rf u t u r e t h u s s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n ea sm o t o ri s w i d e l yu s e di nd r i v ea n ds p e e dr e g u l a t i o nf i e l d d i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e do nt h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rc o n t r o ls y s t e m w h i c ht a k e st id s pa st h ec o n t r o lc o r e d e s i g n i n gac o n t r o ls c h e m eb a s e do n p o s i t i o ns e n s o r 1 1 l ep a p e ro f f e r sas y s t e ms u r v e yo fs r d i n c l u d i n gd e v e l o p i n g p r o c e s sa n dt r e n d t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fs r m a r ea l s oc i t e d t h eh t y p ep o w e rc o n v e r t e ra n dn o v e ls w i t c hm o d ea r ea n a l y z e di n d e t a i l t 1 1 ep a p e ra l s oo f f e r ss r mc o n t r o ls y s t e md e s i g no fh a r d w a r eb a s e do n d s po ft i n l ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sd e t e c t o rc i r c u i t p r o t e c t i o nc i r c u i t c o n t r o l a n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i t w h i c hm a k e sf u l lu s eo f d s pr e s o u r c e sf o rh i g h r e l i a b i l i t ya n ds i m p l i f i e dt h ec o n s t r u c t i o no fs y s t e m i no r d e rt or e a da n dm a i n t a i n e a s y am i c r o p r o g r a m m i n gm o d u l a ri sa d o p t e di ns y s t e ms o i b w a r ed e s i g n an e w c o n t r o ls t r a t e g yo fv o l t a g ea n dc u r r e n tp w mi sr e a l i z e df o ri m p r o v i n gm o t o r s w o r k i n ge f f i c i e n c y s y s t e m s o f t w a r em o d u l e sa s s o c i a t i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i t m a k es y s t e mp e r f e c tp e r f o r m a n c e t h el a s ts e c t i o np r e s e n t ss y s t e me x p e r i m e n t r e s u l t su n d e rt h el o a dc o n d i t i o n t h er e s u l t sp r o v et h a tt h ec o n t r o lc o n c e p t i o na n d m e t h o da r ec o r r e c t t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e do nt h e e x c i t i n ga n dp r o t e c t i o no fi g bt c o n c l u d i n gau t i l i t ym e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e r so fp r o t e c t i o nn e to f i g b tt h r o u g ht h e o r yd e d u c i n g 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 w m d s p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献等的 引用已在文中指出 并与参考文献相对应 除文中已经注明 引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已公开发 表的作品成果 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 作者 签字 翌延鲴 一 日 期 胁千年 2 月3 0 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 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 电机 是2 0 世纪8 0 年 代发展起来的一种新型电机 它是最近十多年来出现的一种新型调速拖动装 置 与传统的直流和交流调速拖动装置相比较 开关磁阻电机 s r 不仅保持 了感应电动机的绝大部分优点 而且其控制器简单 鲁棒性好 可靠性高 控制灵活 价格便宜 在交流调速领域异军突起 成为当代电气传动领域的 热门课题之 1 2 开关磁阻电动机的基本结构 原理与特点 s r 电动机与反应式步进电动机相似 都属于双凸极可变磁阻电动机 其 定 转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成 转子既无绕组也无永磁体 定子 极上绕有集中绕组 径向相对的两个绕组串联构成 个两极磁极 称为 一 相 s r 电动机可以设计成多种不同相数结构 且定 转子的极数有多种不 同的搭配 图1 1 示出四相 8 6 s r 电动机结构原理图 为简单起见 图中只画出 a 相绕组及其供电电路 图1 i 四相s r 电动机结构 结构上与步进电动机相似的s r 电动机的运行原理亦遵循 磁阻最小原 理 磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合 而具有一定形状的铁心在移动 到最小磁阻位置时 必使自己的主轴线与磁场的轴线重合 图1 1 中 当定 哈尔滨工程大学硕士学位论文 子d d 极励磁时 所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线与定子极 轴线d d 重合的位置 并使d 相励磁绕组的电感最大 若以图中定 转子 所处的相对位置作为起始位置 则依次给j 9 一a 一占一c 相绕组通电 转予 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 一爿 d c 相 绕组通电 则电动机即会沿顺时针方向连续旋转 可见 s r 电动机的转向与 相绕组的电流方向无关 而仅取决于相绕组通电的顺序 另外 从图1 1 中 可以看出 当主开关器件 导通时 a 相绕组从直流电源v 吸收电能 而当主开关器件s l s 2 关断时 绕组电流经续流二极管d l d 胡 续流通 并回馈给电源v 因此 s r 电动机传动的共性特点是具有再生作用 系统效 率高 综上所述 s r 电动机具有如下优点 1 成本较低 与同样性能的异步或同步电机交流调速系统相比 开关 磁阻电动机转子无绕组 电动机可高速旋转而不致变形 转子转动惯量小 易于加 减速 不仅电机本身比较简单 其功率变换器的结构出较简单 开 关元件的数目较少 而开关元件的成本占功率变换器成本的很大一部分 在 批量生产的条件下 开关磁阻电机调速系统的成本与同样性能的交流变频调 速系统相比 有很强的竞争力 2 定子线圈嵌装容易 端部短而牢固 热耗大部分在定子 易于冷却 转子无永磁体 可有较高的最大允许温升 与变频调速的三相异步电机不同 由于各相绕组之间的独立性较高 所以开关磁阻电机的功率变换器不会出现 直通故障 避免产生持续的短路电流损坏主开关元件 同时 开关磁阻电机 无需换向装置 可以长时问工作在恶劣的环境下而不需维护 3 具有再生作用 4 转矩方向与相电流方向无关 只要控制主开关器件的导通关断角度 即可改变电动机的工作状态 即只要控制各相在不同电感区域内的瞬时电流 即能四象限运行 无须辅助电力电子开关器件 故可减少s r 电动机功率变 换器的开关器件数 同时降低成本 5 在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率 与其它电机不 同 开关磁阻电机在宽广的转速和功率范围内都具有很高的效率 特别是在 不满载的工况时 而其它种类的电机多是在某个很小的转速和功率范围内具 有较高的效率 而在其它工况下效率则较低 因此 开关磁阻电机特别适于 转速和功率经常变化的场合 6 起动转矩大 适用于危险环境 控制灵活 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3s r d 与其它调速系统的比较 1 3 1s r d 与步进电机驱动系统的比较 从结构和原理上看 s r 电动机与具有大步距角的反应式步进电动机十分 相似 因此有人误以为s r 电动机即是步进电动机 并由此推断s r 电动机有 相当大的转矩脉动 其实不然 因为步进电动机的设计要求是输出较高的位 置精度和高的转矩与位置变化率 而s r 电动机的设计要求则为变速驱动 有平滑的转矩变化 显然两者的设计目标及方法均存在差异 另外 s r 电动 机的控制方式和运行特点与步进电动机亦有较大区别 这表现在以下两个方 面 1 步进电动机一般用作定位 它将数字脉冲输入转换成模拟运动输出 对步进电动机系统而言 轴的运动服从电源的换相 转子在定子磁极轴线间 步进旋转 而s r 电动机则用于调速传动场合 始终运行在自同步状态 电 源的换相取决于轴的位置 这就与通常的位置开环步进电动机系统不同 s r d 均有检测转予位置的环节实现位置闭环的控制 控制器根据转予位置向功率 变换器提供对应的励磁触发信号 保证电动机连续运转 从而可避免步进电 动机可能出现的失步现象 2 s r d 可控因素较多 既可调节每相主开关器件的起始导通角0 关断角0 咿 也可采用调压或限流斩波控制 调速方法灵活 易于构成性能 优良的调速系统 并可运行在发电状态 而步进电动机只作电动状态运行 一般只是通过调节电源步迸脉冲的频率来调节转速 1 3 2s r d 与异步电动机变频调速系统的比较 1 电动机方面的比较 s r 电动机较异步电动机坚固 简单 其突出的 优点是转子上没有任何绕组 因此不会有异步电动机由于笼型转予所引起的 铸造不良 疲劳故障及最高转速的限制等问题 在定子方面 s r 电动机亦特 别简单 坚固 只有集中绕组 虽然 s r 电动机通常装有位置检测器 但总 的说来 s r 电动机较笼型异步电动机的制造成本低 制造难度小 2 逆变器方面的比较 就简单而言 s r 电动机功率变换器总体上较异 步电动机p w m 变频器略占优势 如前所述 s r d 一个极为有利的特点是相 电流单相流动 与转矩方向无关 这样每相可做到只用一个主开关器件即可 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 控制系统实现四象限运行 而异步电动机p w m 变频器每相则必须有两个 另外 异步电动机电压型p w m 变频器的主开关器件因逐个跨接在电源上 存在因误触发而使上 下桥臂直通 使主电路短路的故障隐患 而s r 电动 机功率变换器主电路中 始终有一相绕组与主开关器件串联 这就从结构上 排除了短路击穿的可能 事实上 异步电动机p w m 变频器电路中要附加预 防低阻抗击穿的支路 这无疑增加了成本和结构的复杂性 而且主开关器件 的电流额定值也因此而提高 还有 个对s r 电动机功率变换器成本有利的 事实是 其换相开关的开关频率要较异步电动机p w m 变频器中的主开关器 件的工作频率低得多 因此 在同样工作状态下 s r d 可选开关频率较低的 器件 3 系统性能方面的比较 传统观念上 一直作为交流电动机家族中 员的磁阻电动机是按正弦旋转磁场设计的同步磁阻电动机 其定子是隐极的 并装有分布绕组 同步磁阻电动机在效率 功率因数 出力等性能指标上明 显低于异步电动机 一般只能在低速 同步运行且不考虑成本因素的情况下 使用 容量一般限制在1 0 0 0 w 以下 1 4s r d 研究的热点问题 1 4 1 无位置传感器技术研究 为了更有效精确地控制s r 电机 控制器必须从转子位置检测环节获得 必要的瞬时位置信息 但位置传感器的引入使得结构简单的s r 电机结构变 得复杂逊色 降低了运转的可靠性 同时 位置传感器的存在限制了s r d 应 用领域 如以尺寸和重量做主要约束条件的航空应用和成本为重要指标的消 费产品领域 光电式位置传感器的存在严重削弱了g i l d 的实用价值 因此探 索实用的无位置检测器的检测方案是十分引人关注的 目前国内外研究较多 的是用定子绕组的瞬态电感信息来实现无位置检测器方案 但距实际应用还 待进一步深入研究开发 1 4 2 电机转矩波动与噪声最小化研究 由于s r 电机工作在脉冲供电方式下 瞬时转矩脉动大 转速很低时 步进状态明显 目前 国内外提出了多种降低转矩脉动的方法 诸如电流双 4 幅值斩波方法 开通关断角优化法和转矩分配法等 这些方法的本质是一样 的 只不过前两种方法是调节控制参数从而间接调节转矩 后一种方法是直 接调节转矩来减小转矩脉动 转矩脉动是s r m 调速系统的显著缺点 由此 而引起的振动和噪声严重影响了其性能 实现s r m 转矩波动最小化具有极 其重要的意义 要控制s r 电机的噪声 必须对其噪声的特点和根源有充分的了解 由 于s r 电机的转矩是波动性质的 一度认为转矩波动是导致s r 电机的噪声 振动的主要原因 不少文献从电机设计和控制策略研究了降低转矩波动的措 施 但在实际应用中发现 转矩波动大的电动机并不一定比转矩波动小的电 动机噪声大 与传统电动枫一样 s r 电动机的噪声同样由三大类组成 电磁 噪声 机械噪声和空气动力噪声 机械噪声主要是由轴承质量 零部件加工 精度 转予动平衡 装配质量等因素引起 与传统电动机没有区别 这部分 噪声是比较小的 可以通过提高制造质量予以控制 空气动力噪声由电动机 内的冷却风扇产生 主要由风扇的形式 风叶和通风道及进出口的结构设计 决定 这部分噪声在电机设计时已经考虑进去 实验证明 电磁噪声占s r 电动机噪声的9 5 因此 如果能够有效地抑制电磁噪声 也就能达到s r 电机降噪的目的 电磁噪声是由电机内部的电磁力引起的 磁吸力可分为两 个方向的分量 切向磁吸力和径向磁吸力 切向磁吸力正是所需要的使电机 运行的电磁转矩 由于转矩是波动的 使转子运转不平稳 产生振动 通过 转子轴和端盖发射噪声 但实验中发现 这两种噪声并不明显 一般不是主 要的噪声源 在引起负载系统的谐振时才会引起严重的嗓 径向磁吸力也是 一个脉动底力波 在齿对槽位置时最小 在齿对齿位置时最大 在脉动的磁 吸力作用下 转子由于可视为实心圆体 具有很好的刚性 因此基本不受影 响 而定子是壳体结构 不可避免地形成压缩 扩张振动 可等效为由阻尼 器 弹簧及质量组成的系统 振动通过机壳向外发射噪声 构成s r 电机噪 声的主要根源 一旦径向磁吸力的诣波频率与定子的固有频率重合 噪声将 会十分严重 通过理论分析和实验验证 s r 电机的噪声主要是电磁噪声 导 致电磁噪声的主要因素是径向力波和转矩波动 两种因素引起电磁噪声的控 制方法有所不同 高速重载时 振动和噪声大 与其它驱动装置相比存在着振动和噪声问 题 其主要表现在径向方向上定子的振动 原因在于被激励的定子极与转子 极相互作用 不仅产生切向方向的转矩力 而且还产生径向方向上的振动力 从而使s r 电机产生振动和噪声现象 特别在低速运行时这种现象尤为明 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 显 因此 严重影响了s r 电机的运行性能 阻碍了s r 电机的应用和发展 1 5 国内外s r d 发展现状与存在的问题 s r 电机系统涉及电机 微电子 电力电子 微机控制 机械及工程应用 等多方面 虽然理论研究及应用已取得了一些成果 但在许多方面还有待完 善 1 1 进一步完善s r 电机的设计理论 建立一套效率高 适用于工程设计 要求的优化设计方法 虽然目前在s r 电机结构形式 电磁场分析 电磁设 计 性能计算及参数优化等方面已取得了大量的研究成果 但仍然存在诸多 亟待解决的问题 s r 电机的非线性使其性能分析和计算较为困难 目前 采 用二维非线性有限元方法分析s r 电机内的饱和磁场具有局限性 第一 对 以路为基础的设计方法研究不够 第二 现有场的方法精度有待提高 应计 及端部效应 开展s r 电机三维场的研究 在此基础上 开展计算机辅助设 计 向智能化方向发展 2 加强对铁心损耗理论的研究 s r 电机的供电电压及电流波形颇为复 杂 一般为单向脉动的非正弦波 定 转予各部分铁心中磁密的变化规律也 不相同 因此 对定 转子铁心损耗的计算与测量颇为困难 目前 多是通 过实验数据将铁损 铜损及机械损耗进行分离的方法计算铁耗 所以 应寻 找建立准确 实用的铁 t 3 损耗计算模型和分析测试手段 3 加强对转矩脉动及噪声的理论研究 提高s r 电机的功率因数 虽然 针对s r 电机的转矩脉动及噪声大的问题提出了许多改进建议及方案 但仍 有待进一步解决 减小s r 电机的振动和噪声的关键在于如何减小作用在定 子上的径向力 从s r 电机自身的结构设计上 主要是合理设计磁场结构 定子磁轭强度和电机刚度 合理选择气隙 极弧参数及励磁方式 优化绕组 的拓扑结构 从控制角度看 主要是优选导通角和关断角及调节脉冲宽度 尽可能调节好各相工作参数的对称性 4 完善s r 电机静态及动态性能仿真模型 s r 电机的性能分析方法还处 于探讨阶段 有待进一步完善 5 完善s r 电机 功率变换器及控制器三者之间的协调设计 使整体性 能最优 目前的研究 尚停留在仅对特定类型的s r 电机系统分析核算的水 平 只能完成局部的综合设计和个别参数的优化 此外 对实用无位置传感器方案的研究 也是s r 电机系统研究中值得 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 关注的课题 随着现代科学技术水平的提高以及电力电子技术 计算机控制 技术的飞速发展 高效率 高输出s r 电机的研究与应用也必将得到快速发 展 1 6 课题研究的内容及意义 开关磁阻电机本质上是 种大步距角的功率步进电机 其结构简单牢固 造价低 既可作电动机运行 也可作发电机运行 s r 电机定子激磁绕组不论 通以正向电流或通以反向电流 其转矩方向不变 因此开关磁阻电机驱动器 s r d 不要求电流周期性倒向 常见的四相s r d 只用四只功率开关管即组成 功率变换器 完成机电能量转换 而且与交流电机交频器不同 开关管始终 通过电机绕组串联起来与直流电源连接 不存在直通短路故障 可以通过改 变绕组通电顺序改变电机转动方向 通过与绕组反并联的二极管回路可供绕 组储存的磁能返回主电源 即电机可运行于发电状态 从而实现s r 电机的 四象限运行 7 0 年代初 美国福特电动机 f o r dm o t o r 公司研制出最早的开关 磁阻电动机及调速系统 8 0 年代以后 美国 加拿大 意大利 韩国等相继 开展对开关磁阻电机的研究工作 开关磁阻电机调速系统 简称s r d 的兴起 和发展 引起了国内外电工界的广泛关注 它由带有位置检测的开关磁阻电 机 s r 和电子馈电器组成 并将电力电子技术 微电子技术和电机控制技 术于 体 是典型的机电一体化的调速系统 它具有启动快 转矩调节范围 大等优良的调速性能 容易实现直接传动 直接传动可省去齿轮等连接机构 它不但降低了电机系统的成本和系统能量损失 而且减少了系统位置误差 无位置传感器技术的应用 使s r d 结构更简单 体积更小和运行性能更可靠 容易实现微型化 开关磁阻电动机的调速性能可与直流电动机相媲美 而且 结构比直流电机简单得多 无换向器和电刷 甚至比笼型异步电动机还简单 转子无绕组 且能实现高速 1 驴 m i n 运转 并以其结构简单 运行可靠及效 率高等突出特点 成为交 直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统有力 的竞争者 因此具有广阔的应用前景 随着工业电气传动 自动控制和家电领域对电机控制产品需求的不断增 加 现代电机控制技术也变得越来越重要 在以往的控制系统中 多采用单 7 片机及功率器件加以控制 这种控制系统性能较为稳定 但是 在这种控制 系统中 给定量要由直流量向交流量变换 而反馈量又要从交流量向直流量 变换 两次坐标变换 再加上转予磁链模型计算 转子参数的辩识与校正等 使系统变得十分复杂 数字信号处理器d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o o 的出现 为电机系统的数字化控制注入了新的生机 使全数字控制调速系统和实时控 制成为可能 尤其是德州仪器公司为满足复杂的电机数字控制的工业需求而 设计的t m s 3 2 0 c 2 4 0 d s p 芯片将d s p 的高速运算能力与面向电机的高效控制 能力集于一体 能较好地处理电机的控制问题 数字信号处理器d s p 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处 理器 自1 9 7 9 年诞生以来 短短二十年时间 d s p 显示了巨大的应用潜力 在信号处理 通信 语言 图形图像 军事 仪器仪表 自动控制 家用电 器等领域 得到广泛的应用 起着不可替代的作用 其主要应用特点是实时 快速地实现各种数字信号处理算法 在自动控制系统中 d s p 的高速计算能力显示了比一般微处理器更多的 优点 具有广阔的应用前景 利用d s p 的高速计算能力可以增加采样速度和 完成复杂的信号处理和控制算法 k a l m a n 滤波 自适应控制 矢量控制 状 态观测器等复杂算法利用d s p 芯片可以方便地实现 d s p 的信号处理能力还 可用来减少位置 速度 磁通等传感器 无传感器运行之所以成为可能 就 是因为由传感器提供的系统变量可以从电气变量中估算出来 在自适应系统 中 系统参数和状态变量通过状态观测器的计算可采用d s p 有效地实现 同 样由于高运算速度 d s p 也可有效地用于神经网络和模糊逻辑化地运动控制 系统 在实际工程应用中 d s p 的高速能力还可以消除噪声污染和不精确的 输入及反馈信号数据 应用于要求速度较快的p w m 控制算法和空间矢量算 法 用d s p 芯片可提高供电电压的利用率 减少电动机电流中的谐波分量 随着d s p 芯片内部功能组件集成度的提高 开发工具的完善以及价格和功耗 的进一步降低 d s p 越来越多的应用在实时控制系统中 现代控制系统的开 发实现越来越多地依赖于功能强大的d s p 鉴于上述情况 本文选择了基于d s p 技术的开关磁阻电机控制系统作为 研究方向 这些问题的深入研究 能够促进开关磁阻电机控制理论的进一步 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发展 拓宽开关磁阻电机在国民经济中的应用领域 对开关磁阻电机的发展 与应用有着重要意义 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章s r m 基本数学模型与运行分析 2 1 概述 完整的s r m 数学模型包括电压方程 磁链方程 机械方程和机电联 系方程 其中电压方程和机电联系方程均与磁链方程密切相关 因此 建 立准确而简单的反映s t l m 非线性电磁特性的磁链方程是建立s r m 数学模型 的关键之一 此外 机电联系方程还有另外一种建模方法 即直接利用实验 数据 采用非线性拟合或其它建模理论 建立相电流 转子位置以及电磁转 矩三者之间的函数关系式 目前 已经发展起来的磁链模型和直接建立的机 电联系模型有多种形式 可将它们分为线性模型 准线性模型和非线性模型 三类 线性和准线性模型均对s i n 的非线性电磁特性进行了一定程度的简化 线性模型是在忽略电磁饱和 涡流 磁滞 边缘效应 相闻互感等非线性因 素的基础上建立起来的 这些非线性因素简化的结果使得每一相的电感只与 转子的位置有关 而与相电流的大小无关 这为分析s r m 的运行特性带来了 极大的方便 通过这一模型 可以容易地求出s r m 速度恒定且相电压为矩形 脉冲时相电流和输出转矩的解析式 进而可以分析开通角 关断角等参数对 电机运行特性的影响规律 以及电流斩波 c h o p p e dc u r r e n tc o n t r 0 1 和角度 位置 a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r 0 1 两种控制策略的工作原理 从而为控制器 设计 调试提供了很有价值的结论 但是 线性模型完全忽略了非线性因素 与s r m 实际特性有较大的出入 不可避免地存在定量计算误差较大的缺陷 而准线性模型在一定程度上可以克服这一缺陷 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 与线性模型一样 准线性模型具有数学表达 式简单的特点 在分析电机特性和设计控制器时较为简便 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 非线性模型力图用简单的非线性的数学表达式来刻画s r m 中磁链关于 转子位置和电流之间的非线性关系 s p o n g 等提出了一种连续的非线性模型 该模型能够较精确地反映s r m 实际的电磁特性 利用这 模型 s p o n g 等针 对机械手关节驱动用s r m 设计了一个反馈线性化控制器 仿真结果证明了 该非线性模型的可行性 但是 该模型的表达式中包含了自然指数项 无非 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 增加了控制器运算的负担 要求控制器必须具有相当高的运算速度 s f i e b l e r 等将s r m 电磁特性表达成由基本的数学函数组成的数学式子 这一结果建 立在某些简化假设的基础上 即假设转子处于非对齐位置时 磁链与电流呈 线性关系 而转子处于对齐位置时 电流趋向无穷大 所对应的磁链 电流盐 线平行于转子处于非对齐位置时的磁链 电流曲线 此外 b o r t o f f 和m i l m a n 等在他们的研究中提出了一种非线性机电联系模型 他们利用b 样条曲线和 一系列的傅立叶基本函数建立了s r m 电磁转矩关于转予位置和相电流之间 的非线性关系 并将该模型成功地应用在自适应控制器的设计中 s r 电动机采用双凸极铁心结构 并且只在定子上安装各相励磁绕组 绕 阻电流的非正弦与铁心磁通密度的高度饱和是s r 电动机运行的两个特点 另外 s r 电动机控制参数多 控制方案灵活 相电流随着电动机工作状态的 不同而不断变化 无法得到简单 统一的数学模型及解析式 因此 传统电 动机的性能分析方法对s r 电动机不尽适用 建立s r 电动机数学模型的主要 困难在于 电机磁路饱和 涡流 磁滞效应等产生的非线性 这些非线性因 素影响着电动机的性能却很难进行数学模拟 考虑所有非线性因素 虽然可 以建立一个精确的数学模型但计算相当繁琐 而且并不适合工程上的需要 本章并不进行s r 复杂数学模型的推导 而是对s r 电动机的基本数学模 型进行分析 并且主要分析其线性模型的解析 在此基础上结合课题采用的 控制策略分析转速控制的基本方法及各种运行状态特性的分析 基本数学模 型在如下的假设条件下推导成立 1 主电路电源的直流电压 u 不变 2 半导体开关器件为理想开关 即导通时压降为零 关断时电流为零 3 忽略所有功率损耗 忽略铁心的磁滞和涡流效应 及忽略铁耗 4 电动机各项参数对称 每相的两个线圈作正向串联 忽略互感 5 在一个电流脉动周期内 认为转速恒定 2 2s r 电动机的基本数学模型 根据电路基本定理 开关磁阻电动机每一相的电压平衡方程式为 u r i d 讲r 2 1 在s r 电机中 各相绕组的磁链是转子位移角和各相绕组电流的函数 哈尔滨工程大学硕士学位论文 故磁链为y 妒 f 0 并将其代入 2 1 得 玩 三妥国 跃 2 2 由于绕组电压降氓与d d r 相比很小 否则电动机的效率就不会提高 故可忽略电阻压降 由此引起的误差不会超过线性化假设所带来的误差 如图1 1 所示 当s r 电动机由恒定直流电源供电时 并考虑到假设 3 相电路的电压方程可写为 u 面d v 2 3 式中 对应于绕组与电源接通期间 一 对应于绕组关断后续流期间 设主开关管昌 导通瞬问 0 时 为电路的初始状态 此时 o 岛 当0 时 主开关管蜀 s 2 关断 绕组进入续流阶段 因此 一相绕组在导通 续流的一个变化周期内 磁链可以表示为 p 警p 咆 豢 一 一目 0 0 0 口 p 秽 0 2 0 0 一 2 4 供他位置 式中 包 开通角 包圹 关断角 将 t o i i 代入得 2 2 并略去浓 啦鲁 三l i 2 f 2 考q 协s 式中 加于一相绕组的端电压 导通时取正值 关断时取负值 r 相绕组电阻 i 相绕组电流 三 绕组电感 缈 绕组磁链 曰 转子位移角 m 转子角速度 s r 电动机的电磁转矩并非恒定转矩 而是绕组电流和转子位移角的函 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数 当转子不处于对齐位置时 由于磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩 如果保持绕组中的电流值不变 将不同转子位置的静态转矩连成曲线则形成 s r 电动机的静态矩角特性 s r 电动机静态转矩的计算 可通过磁场储能或磁共能对转子位移角的偏 导数求取 忽略相间耦合 电磁转矩可写为吣j t 翌掣1 2 6 磁共能矿 为 形 f 0 目净 在机电联立的推导下可得相电流产生的电磁转矩为 r 三f 2 丝 令 k l m a x l m 0 2 一岛 l x l i 凤 展 定子磁极极弧 电感与转子位移角的解析式 l 厶 i 岛 臼 岛 刮嘲乏 妯答蓦 厶 一k e 一幺 0 4 占 岛 将 2 9 式代入 2 8 式 得 2 7 2 8 2 9 2 1 0 岛 0 岛 0 岛2 口0 吼0 3 2 1 1 幺 口 岛 因此 开关磁阻电机调速的可控参数有 绕组端电压u 开通角民 关断角9 j 改变其中一个或两个参数就可以调节电机转速a 对几何尺寸一定 1 3 么 嘭 o m o r i l 疋 的开关磁阻电机 一般定义在最高外施电压和允许的最大磁链及最大电流条 件下电机能获得最大转矩的最高转速为基速 在基速以上 由于电压不能 再增加 而开关角调节受到相周期限制 因此存在获得最大功率的最高转速 有的文献将此定义为第二临界转速 根据将开关磁阻电机的运行特性分为 三个区域 即轨以下为恒转矩区 优与国 之间的恒功率区 m 之上为电机 的自然特性 即串励特性 开关磁阻电机在宽范围的调速特性可以通过控制 模式的改变而得到 后续章节将就这一问题进一步展开论述 2 3s r 电动机简化线性模型 影响s r 电动机运行特性的最主要因素是s r 电动机相电流波形 电流的 峰值和峰值出现的位置 然而 s r 电动机运行时绕组电流既非恒定直流量 亦非交变的正弦量 而且其波形还随着电动机的运行状态而变化 这些都给 相电流的解析计算带来困难 为弄清s r 电动机内部的基本电磁关系和基本 特性 实用上 可以从简化的线性模型入手进行分析 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口周期性变 化的规律可用图2 1 说明 一 j 二 臼 蕊 一 工 k 图2 1 定转子相对位置展开图及相绕组电感曲线 图中横坐标为转予位置角 机械角 它的基准点即坐标原点臼 0 的位 置 对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置 这时相电感为最小值 n 当转子转过半个极距 r 2 石 时 该相定 转子凸极中 d 完 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 全对齐 电感为最大值三 随着定 转子磁极重叠的增加和减少 相电感 则在l 三 之间线性地上升和下降 三 目 变化的频率正比于转子极对 数 变化的周期即为r 图2 1 中 护 为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置 在岔 只 区域内 定转子磁极不相重叠 电感保持最小值三 不变 这是由于s r 电 动机的转子槽宽通常大于定子极弧 所以当定子凸极对着转子槽时 便有一 段定子极和转子槽之间的磁阻恒为最大并不随转子位置变化的最小电感常数 区 转予转过皖后 相电感便开始线性地上升直到只为止 取系转子磁极 的前沿和定予磁极的前沿重叠处 这时定 转子磁极全部重叠 相电感变为 最大值厶 基于电动机综合性能的考虑 转子极弧口通常要求大于定子极 弧f l 因此在岛 口 区域 0 一岛 芦 一声 内 定 转子磁极保持全部重 叠 相应地定 转子凸极间磁阻恒为最小值 相电感保持在最大值三 这 一区域习惯称为 死区 只为转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位 置 至此 相电感开始线性地下降 直到只处降为三晌 幺 日均为转子磁 极后沿与定子磁极前沿重合处 如此周而复始 往复循环 上节式f 2 5 表明 当s r 电动机绕组通电时 如不计绕组损耗 输入的 电功率一部分用于增加绕组的磁贮能犯f 2 2 一部分则转换为机械功率输出 f f 2 出 d l d o 而后者为绕组电流与定子绕组的旋转电动势 i r o d l l d o 之积 在图2 1 中 取转子凹槽与定子凸极中心线重合处为参考零角度 对应 定子绕组触发时刻 与其相邻近的转子凹槽逆者旋转方向转到参考位置处所 转过的机械角度定义为该绕组的起始开通角 并记为眈 按此定义 显然b 为代数量 若o o 的通解力 f p e f p o d 8b f g p k 州9 a a d o j 电流斩波大多在电感有效区域k 岛 内进行 在此区间内 有 p p x i x o 岛 三 i 1 7 2 一1 3 2 1 4 2 1 5 和q p u 砖医 一0 2 l 晌b 2 1 6 将此式代入式 2 1 4 解得 和 南 南j 篆端删 南 c 2 脚u s0 2 1 7 令每个斩波段的初始角眈 对应的电流为i e o 代入式 2 1 7 可定 出积分常数c 即为 f 慨 羽i i c 斗u s j c 三魄 i o o 千鲁以 2 1 8 则在院 毋 内绕组电流的通解为 f p 掣 矧铲 2 1 9 式中 u 前的 号对应于斩波周期的电流上升段 一 号对应于斩波段 s r 电动机在基速至第二临界转速的高速区域运行时 采用a p c 方式控 制 通过导通角见的调节 来调节电动机的转矩 实现调速的目的 典型的 a p c 方式相电流波形如图2 3 所示 由于绕组电感三p 的表达式是分段线性解析的 故绕组电流的解也是分 段解析的 目l 目 0 a 2 一 虿一 r l m i n c o u 2 2 1 这表明 电流在最小电感恒值区域是直线上升的 若减小0 0 则电流 幅值相应增加 因此通过合理选择包 即可使相电流在进入有效工作区前 即达到一定数值 以保证在电感上升阶段产生足够大的电动转矩 岛 0 在此区域 l l 晌 k 一岛 代入式 2 1 2 得 鲁 陋 髟p 一0 等 滋 2 k 山一x o 一 等足p o o 苗 窿 i n 定他一 嘉 坐喀咝丝 两边对目积分 得 鲁口 c 陋嘶 足p 一岛冲 2 2 2 将初值条件f 魄 玑 岛一o o h i 代入式 2 2 2 定出积分常数 c u 眈 则 1 9 i 面i g o 丽 o 对应的电流变化率为 堕 堡 刍 丝丝二鱼卫 d o 厶 k o 一0 2 2 2 2 3 2 2 4 由式 2 2 4 可知当氏 岛一k i k 则d i l d o 0 2 一k j n k 则d i d 8 0 电流在电感上升区继续上升 原理与前者正好相反 若氏 0 2 一l m k 则d i l d o 0 电流保持恒定 此时电流波形为平顶波 电流峰值 有效值比值小 这种情况对获得电动机平 稳转矩和减少半导体开关器件损耗有利 但在脉冲角度控制方式下由于主要 通过调节p 来进行速度控制所以难以保证恒定的平顶波电流波形 0 岛在此区域 l l 胁 k e 一岛 步骤同 可求得电流解析式 舻 箍等踹 2 2 5 为避免产生较大制动转矩 应适当将以圹提前 使该段位置对应的绕组 电感值减小 使续流衰减的较快 岛 0 0 4 在此区域 l 三 初值条件为 i 0 3 罐粼 堂剑c o l m a x 则电流变化率为 警一芒 c o n s t 0 2 2 6 上式表明 续流电流在最大电感恒值区内线性衰减 0 4 0 2 0 0 y o o 以在此区域内 l l k o 一0 4 初值 条件为 瓶 业堑e r l 墨m a x 型 n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 解得电流解析式为 j p 研u 蒜 2 0 0 疗碉 o o o 2 2 7 以上是立足于s r 电动机理想线性模型 分析角度位置控制方式电动状 态下 典型相电流波形在不同相电感区域的解析式 这些分段电流函数可以 用下面的通式来描述 f 臼 u sf o 甜r 2 2 8 若外加电源电压u 角速度 为常数 电流波形与开通角0 0 关断角只 最大电感k 最小电感k 定子极弧等有关 对结构一定的电动机 电 流波形只取决于 的组合式 2 一1 1 表明 随着气减小 电流线性增长 时1 4 t 岛一铊 c o 增长 电流峰值增加 因此调节既是调整电流波形和峰 值的主要手段 电流波形的上升率及电流峰值对系统运行性能有相当大的影响 因此应 该适当选择 一般电流上升快 电流峰值高 可以提高电动机的出力 但这 可能导致增大电动机噪声 运行稳定性也会变差 由以上的分析知 调节关 断角 也可以改变电流波形 但相对于钆其调节作用较弱 一般s r 电动 机高速运行时的转速调节采用这种通过调节开关角度控制电流波形的方案 即角度位置控制 s r 电动机低速运行时 旋转电动势引起的压降小 电感上升期时间较长 而击 出很大 为了保护功率开关元件和电动机 使之不致因电流过大而损 坏 s r 电动机在低速运行时必须采用限流措施 即斩波运行 通过上面对s r 电机特性及线性数学模型的分析已经看到 s r 电机可 控参数多 控制灵活 针对某种期望的调速特性可以设计出多种控制方案 适当选取眈 有利于产生电动转矩的有效电流的提高 选取的一般原则是 1 t p 2 f l a s h c a n l c n r i o p e 7 v c c p 甜l 3 2 k 惭如 4 w j 2 k 1 2 m m 帅 一 p or ta 溽 7 il o p a e 7 1 a 1 5 p o r tb 肌f l 婚p e l f 0 7 i d 籼口1 5 0 j 埘埔i op or tc t o 1 婚p c f 0 7 1 p 3 醚碡 f 轴 件dw i t ho l h e r p or td i o p d o i 脚w p i n s i p o r t 尉o nl o p e i o 7 l dp o r tf f 0 瑚i o p f 悖纠 r e a d y e x t e r 一m 0 n 啊 8 t r 嚣i n t e 如怕t 0 0 碾t d l e 魄i t l s j t a g p o l t 璃黼 t c k e m u 0 抖 r k 炉c oe m u l p d p i n t b c a p i 一0 e p l7 1 0 p a 3 c a p 4 帕e p s d o p 甜 c a p 0 e p 2 l 敝i c a p 5 船e p j l i o p 釉 c a p 勘i p a 5 c a p 6 0 p f p w m w i of 9 喀 p w 聃7 n 0 p 1 p w m 蛰i o p a 7 tm a n 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