电气自动化毕业设计-基于简化磁链法的开关磁阻电机无位置传感器速度控制

1、.本科毕业设计（论文基于简化磁链法的开关磁阻电机无位置传感器速度控制：毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：电气工程及其自动化 学号0学生姓名专 业班 级题目题目名称基于简化磁链法的开关磁阻电机无位置传感器速度控制题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容开关磁阻电机（SRM）的定转子磁极都为凸极形状，且只在定子磁极上绕有集中线圈，而转子磁极既无缠绕线

2、圈，又不是永磁铁。因此与其它电机相比，具有结构简单、牢固、转矩惯性比高和调速范围宽等优点，现已广泛应用于航空、牵引和家用电器等领域。对于开关磁阻电机，实时而准确的转子位置信息是其可靠运行的必要前提。简化磁链法只需得到换相位置处的磁链电流曲线，因此所需内存小，算法简单。将利用MATLAB软件搭建基于简化磁链法的开关磁阻电机无位置传感器速度控制系统，并求取数据和分析。基本要求1.了解和掌握开关磁阻电机的结构、数学模型和控制原理。2.了解和掌握开关磁阻电机速度控制系统的构成和各个环节以及设计方法。3.了解和掌握通过简化磁链法实现无位置传感器速度控制的方法。4.利用MATLAB对开关磁阻电机控制系统进

3、行仿真，并取得数据。5.撰写论文1本（不少于2万字、字迹工整、语言流畅、图表规范），标准A0图纸一张。参考资料电机学开关磁阻电机相关书籍MATLAB编程手册电力电子技术周 次第 1 4 周第 5 8 周第 9 12 周第13 16周第17 18 周应完成的内容查阅资料，学习理论知识。了解题目概况、工作原理及系统组成了解和设计开关磁阻电机控制系统。了解和掌握简化磁链法。利用MATLAB软件对开关磁阻电机控制系统进行仿真和分析进行基于简化磁链法的开关磁阻电机无位置传感器速度控制系统仿真整理仿真数据，并撰写论文指导教师：孙孝峰职称：教授 2009 年3月 1 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要开关

4、磁阻电机作为一种电动调速系统具有很多优越与其他电机的特点，结构简单坚固，成本低，高容错性能及高速运行的能力，目前广泛应用于汽车和汗孔领域，作为电动机本身，起动性能是一个关键技术，另外位置传感器的存在是使得电机结构复杂和可靠性降低，因此本文主要对开关磁阻电机的运动性能及无位置间接检测的简化磁链法的一系列研究。首先：系统分析了开关磁阻电机的基本原理，分别从线性和非线性两方面对电机的电感、磁链、转矩、电流等数学模型进行了分析，并基于MATLAB，利用单脉冲控制（APC）方法对电机本体进行了稳态仿真。其次：对基于单脉冲控制电机本体仿真基础上加以电流斩波控制，形成电流环，并对处于稳态的运行进行动态仿真。

5、再则：通过计算输出的平均转矩以求得转速测定，从而形成转速外环，通过PI调节来实现电机的稳态运行，并对该调节运行过程进行了M文件的仿真。最后：加入磁链的计算和比较实现基于简化磁链法德电机的三相自动换相，并加入滤波环节，以使仿真波形输出平缓波形。关键词开关磁阻电机， 仿真， 电流斩波控制， 简化磁链，速度闭环无位置传感器AbstractSwitched reluctance motor as an electric speed control system has many advantages and other electrical characteristics, simple struct

6、ure, robust, low cost, high fault tolerance and high-speed operation capability, are widely used in the field of automotive and Aviation, as the motor itself, starting performance is a key technology, the existence of another position sensor makes the motor complex and reduces reliability, so this p

7、aper, the movement of the switched reluctance motor without position indirect detection performance and simplified method of a series of flux.First of all: systematically analyzed the basic principles of switched reluctance motor, respectively, from both linear and nonlinear inductance of the motor,

8、 flux, torque, current and other mathematical models are analyzed, and based on MATLAB, using single-pulse control (APC) method of the motor body to the steady-state simulation.Second: Ontology-based simulation based on the motor to be chopped current control, current loop formation, and the steady-

9、state operation in the dynamic simulation.Furthermore: by calculating the average torque output measured in order to achieve speed to form the outer ring speed, motor through the PI regulator to achieve steady-state operation, and the adjustment process of the M files to run the simulation.Finally:

10、Add the calculation of flux and control the motor three-phase automatic commutation, and add filter links, in order to smooth the waveform output simulation waveform.Keywords switched reluctance motor, simulation, chopped current control，simplified flux,closed loop speed,indirectposition sensor 目 录摘

11、要IAbstractII第1章 绪论11.1 开关磁阻电机研究背景11.1.1 开关磁阻电机概述11.1.2 开关磁阻电机的发展21.1.3 选题依据和意义41.2 SRM国内外研究动态51.3研究内容5第2章 基于简化磁链法的SRM控制系统的理论分析72.1 SRM控制系统结构72.2 SRM的数学模型82.2.1 SRM线性模型82.2.2 SRM的基本运行方程132.3 简化磁链法理论152.3.1 磁链法的基本理论152.3.2 简化磁链法发展及理论思想172.4 基于简化磁链法的SRM系统总体结构18第3章Matlab仿真结果及分析233.1 SR电机的角度位置控制本体仿真233.2

12、 SRM电流斩波控制系统仿真243.2.1 SRM电流斩波控制及平均转矩计算仿真243.2.2 基于简化磁链法的SRM电流斩波控制开环仿真273.3 基于简化磁链法的速度电流双闭环仿真29结 论33参考文献34致 谢36附录137附录243附录348附录455附录569第1章 绪论1.1 开关磁阻电机研究背景1.1.1 开关磁阻电机概述开关磁阻电动机结构简单、可靠性高、恒转矩、恒功率而且调速性能好(覆盖功率范围10W5MW的各种高、低速驱动调速系统)、价格便宜、鲁棒性好等优点引起了各国电气传动界的广泛重视，由其构成的调速系统兼有直流传动和普通交流传动的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速

13、系统的最新一代无级调速系统。这种新型调速系统使开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用。【1】开关磁组电机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在：(1) 电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。(2)功率电路简单可靠。(3)系统可靠性高。(4)起动转矩大，起动电流低。典型产品的数据是：起动电流为额定电流的15时，获得起动转矩为100的额定转矩；起动电流为额定电流的30时，起动转矩叮达其额定转矩的250。(5)适用于频繁起停及正反向转换运行。(6)可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有

14、四种：相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。(7)效率高，损耗小。以3kw SRD为例，其系统效率在很宽范围内都是在87以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。(8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。【2】开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)一词来源于美国学者SANasarl969年撰写的论文，文中描述了这种电机的两个基本特征：开关性和磁阻性。1967年英国Leeds大学开始对SR电机进行深入研究，到了1970年左右，其研究表明：SR电机可在单相电流下四象限运行，功率变换器无论是用晶体管还是用普通晶闸管所需的开关数都是最少的，电动机成本

15、明显低于同容量的异步电动机。1975年英国Nottingham大学和Leeds大学的联合研究小组成功地研制出一套用于电动汽车地50kw的SRD装置，这充分表明SRD大有前途。1980年，Leeds大学的Lawrenson教授及其同事们总结了他们的研究成果，发表了著名论文“Variable speed switched reluctance motors”，标志着SRM正式得到了国际学术界的承认。1983年，英国TASCDrives公司将世界上第一台SR电动机Oulton传动装置(75KW，1500rmin)作为商品投入市场，1984年又推出了4-22kw四个规格的系列产品。作为一种性能价格比高

16、的新型调速系统，SRD问世不久，便引起各国电工界重视。我国于1984年左右以较高起点开始SRD的研究开发工作，已研制出50W50KW的20多个规格SRD，国内有关SRD研究的学术著作也相继出版。目前SRD的发展范围已经达到：转矩为0.0110N·m，功率为10W5MW，最高转速可达100000rmin，规格已从多相发展到单相、两相，电机形式亦从旋转型发展到了直线型。SRD的应用领域已从最初侧重于牵引运输发展到通用工业、航空工业和家用电器等多个领域。【3】我国于1984年左右也以较高的起点开始SRD的研究、开发工作，1992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

17、机学组，以推动开关磁阻电机研究工作的进一步发展。1.1.2 开关磁阻电机的发展从开关磁阻电机问世到现在，开关磁阻电机的研究工作取得了卓越的发展。(1)SRM设计方面的发展在SR电动机设汁方面，各国学者主要针对SR电动机内部磁场的非线性及由非线性开关电源供电、相电流波形难以解析等有别于传统电动机的特点，探索SR电动机电磁转矩的分析与计算方法。上世纪80年代初，趋于成熟的二维非线性有限元法，有力地支持了SR电动机内部饱和磁场的分析及电磁转矩的准确计算和动态仿真。(2)应用方面的发展经过数十年的发展，SRM已经在众多领域达到成功的开发应用。SRM产品的问世是以英国TASC公司推出的OULTON系列通

18、用调速电动机为起点的。既然是通用系列，就有广阔的适用性，例如在纺织、染整、食品机械、鼓风机、机床及自动生产线传动等行业应用。SRM的控制特性好，动态控制性能优良，转矩惯量比大，因此可以做成伺服电动机和智能驱动应用，如HP公司的绘图机。结构简单、性价比高是家用电器驱动得到优选的重要原因。如果洗衣机采用SRM直接驱动，可简化结构、提高性能。美国EMERSON公司以及纺织总会机电研究所、扬州巾凌电机技术公司都研制成功滚动式洗衣机的SR电机直驱系统。韩国LG公司生产的SR小型风机也可以在家电装置中应用。基于SRM的高速适应性，在吸尘器、地板磨光机等家电中应用的成果也有所见。SRM在发电工作时输出脉冲电

19、流，若配以储能元件如蓄电池或电容，可以作为直流电源应用，如小型风力发电机、汽车发电机及航空发电机应用。尤其足SR电动机起动性能好，电动发电双功能可控性好、实现容易，因此在直流电源体制下作汽车和飞机的起动发电机有独特的优越性，SUNDSTRAND公司（美国）的80KW SRM起动发电机将在笫四代战斗机中应用。(3)功率变换器设计方面的发展功率变换器设计的主要问题是功率器件的选择和电流定额的估算。上世纪80年代初，主开关器件选用的皆为普通晶闸管。鉴于SRD电流脉冲峰值较大，而普通晶闸管电流峰值平均电流的比值高，能承受很大的浪涌电流，一度被视为SRD中最理想的主开关器件。但是普通晶闸管无自关断能力，

20、开关频率低，强迫换相电路成本高、可靠性差，构成的SRD总体性能有局限性。后来，较多应用的大功率晶体管(GTR)。但GTR承受浪涌电流的能力差，存在二次击穿现象，不易保护。【4】上世纪80年代中期，结合了普通晶闸管、GTR两者优点的可关断晶闸管(GTO)受到重视，因为GTO兼有自关断和快速开关的能力，能承受较GTR高的电流、电压。近年来，考虑到GTO频繁关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，国外小功率SRD中常采用MOS场效应晶体管(MOSPET)，较大功率的则采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。(4)控制策略方面的发展角度位置控制(APC)和电流斩波控制(CCC)是在SRD中常见

21、的控制策略。这两种控制策略都没考虑电机的非线性特性和相间转矩的平滑过渡问题，电机的输出转矩存在较大脉动，使驱动系统无法适应性能要求较高的场合。为改善系统性能，国内外学者对SRD的控制策略进行了深入的研究，主要表现为非线性控制方法的引入、采用新的方法对转矩进行控制以及基于人工智能的运动控制技术的应用。1.1.3 选题依据和意义虽然开关磁阻电机所具有的特点也被人们所认同，但是由于现今的开关磁阻电动机系统都采用传感器获得转子位置从而实现各相的导通，这种方法当开关磁阻电机的相数增加的时候，所需的传感器也会随之增加，从而使系统的电路和机械结构复杂，增加了系统的调试和安装的难度，也增加了系统的体积和费用。

22、并且随着传感器的增加系统的整体精度和可靠性也会有相应的降低，最终导致其适用范围受限。相应而生的无位置传感器实现位置传感器的功能的同时也减小了开关磁阻电机的应用限制。也正由于无位置传感器是通过计算来实现位置的检测，所以很直接的在运行过程中需要很大的内存来实现位置的计算过程，这也限制了无位置传感器的应用。而基于简化磁链法开关磁阻电机无位置传感器的速度控制的研究，正是基于此而发展的必然方向，它通过磁链的计算与查二维表与参考磁链比较确定是否已到达换相点来代替转子位子的测定，所需内存小，计算快速，从而自然的解决了在相数增加时由于传感器增加引起的一系列问题以及无位置传感器所需内存大限制其应用的问题，这将大

23、大的扩大开关磁阻调速系统的适用范围以及很大程度上提高开关磁阻调速系统的工作性能，对开关磁阻的进一步的发展有至关重要的意义。1.2 SRM国内外研究动态对于开关磁阻电机驱动系统而言，实时而准确的转子位置信息是其可靠运行的必要前提。目前实际应用中，一般都采用轴位置传感器或者其它类型的探测式位置检测器来获得位置信息，这不仅会提高系统成本和复杂程度，更重要的是会降低SRD系统结构的坚固性，影晌整个系统的可靠运行，尤其是在某些应用环境比较恶劣的场合。因此如何让它去掉位置检测，直接利用电机的电压和电流信息间接确定转子位置，从而使系统结构更加坚固，运行更加可靠、高效，成本更加低廉，无疑成为一个很有潜力的研究

24、方向。【5】目前关于SRM的间接位置检测，国内外专家学者提出了许多方案，大致可以分为两大类：有效电流定位法(Non-intrusive methods)和脉冲注入法(intrusive methods or Active Probing Methods)。【3】前者不需任何人为产生的电压电流信息，直接以电机运行时的电流电压信息为基础，根据电机的实际模型或特性曲线得到位置信息，例如磁链法、感应电势法、电流变化法和基于模型的观测器法。后者则充分利用空闲相，人为地注入低幅高频的模拟测试信号从而产生需要的电流等信息以得到位置信息，例如电流波形监视法、信号调制编码法和磁通传感技术都属于这一类。而本课题所

25、研究的基于简化磁链法的无位置传感器的速度控制则是属于有效电流定位法中的一种。1.3研究内容本文研究的内容主要有四个部分：第一部分：开关磁阻电机的基本理论。第二部分：开关磁阻电机的间接位置检测方法的研究。第三部分：对RSM的基于Matlab的仿真。第四部分：对仿真结果的分析。第一部分内容中具体有以下几方面研究：1. 分析开关磁阻电机运行的基本数学模型2. 开关磁阻电机线性分析3. 开关磁阻电机非线性电感磁链转矩等的分析 第二部分有以下几方面内容：1. 间接位置检测法的探讨：磁链法，简化磁链法2. 简化磁链法与位置传感器之间的差别，及优缺点第三部分有以下几方面：1. 基于电机本体的加电流环的非线性

26、稳态仿真2. 以上加求平均转矩的非线性稳态仿真3. 加速度闭环PI调节的非线性动态仿真4. 通过磁链控制自动换相的转速电流双闭环非线性动态仿真第四部分有以下几方面1. 仿真结果与理想波形之间差距如何，验证自己的研究结果2. 如有出入分析出现错误的原因第2章 基于简化磁链法的SRM控制系统的理论分析2.1 SRM控制系统结构上世纪70年代末80年代初，英国Leeds大学和Nottingham大学深入研究了开关磁阻电动机的基本原理、计算方法和运行特性，为开关磁阻电动机的迅速发展奠定了基础。SRM是双凸极可变磁阻电机，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

27、，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”。SRM可以设计成各种不同相数的结构，且定、转子的极数有各种不同的搭配，低于三相的SRM没有自起动能力。SRM相数多时，步距角就小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，主开关器件多，成本高。图2.1【6】所示为三相128极SR电机结构简图，图中SR电机定转子均由图2.1 12/8极电机结构图硅钢片叠压而成，转子无绕组也无永磁体，定子绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一组，由图中可以看出每相由四极绕组相串联构成。转子转动时各相导通次序为ACB(顺时针)或ABCA(逆时针)，不断循环，为转子提供转动方向的动力。SR电机的旋转方向与励磁电流的J

28、下负方向无关，只与相的导通次序有关。SRM的运行原理遵循“磁阻最小化原理”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。当定子的某相通以激励电流时，在定、转子气隙间产生磁拉力，距离该相定子极最近的一对转子极就被I吸引而向着定子极中心线的方向转动。如果连续顺序地给各相定子绕组通电，就可以产生持续恒定的电磁转矩，从而使转子以恒定的转速旋转。【7】2.2 SRM的数学模型SRM的数学模型，通常有以下三种方法：线性模型、准线性模型和非线性模型。线性模型忽略了电动机饱和及此产边缘扩散效应的影响，认为绕组电感与电流大小无关。准线性模型将磁化曲

29、线分段线性化，近似考虑定转子齿极重叠饱时的饱和。以上两种模型，电感参数、电流和转矩都有解析表达式，一般用于定性分析。事实上，由于电机双凸极结构和磁路饱和、涡流和磁滞效应所产生的非线性，很难用解析方法对其建立数学模型，即使是在线性区域这个最简单的情况下，电磁转矩也不是电流线性函数，所以要准确分析SR电机的性能，对稳态运行特性进行仿真，必须采用非线性的分析方法对SR电机的电感、磁链、转矩、平均转矩模型进行了分析，并就线性模型进行了动态仿真。2.2.1 SRM线性模型电感线性分析由于开关磁阻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

30、关系十分复杂。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，也就是理想线性模型开始进行分析研究，所得到的相绕组电感随转子位置角周期性变化的规律可用图2.2说明。其中，基准点即坐标原点=O的位置为不对齐位置或最小电感位置；为临界重叠位置； 为定子励磁刚好与转子磁极完全重叠位置(假设转子磁极宽度大于或等于定子磁极宽度)：此时电感达到最大Lmax；至之间是电感上升区间，为定子励磁极与转子磁极l临界脱离完全重叠的位置；和的区域正好是转子和定子极弧差，即-=-；定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子凸极间磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值Lmax；从相电感开始线性地下降，为定子励磁极后极边与转子极

31、后极边临界相离的位置，至为电感下降区，到电感降为最小值。接着是下一个周期，如此往返循环图2.2定转子相对位置展开图及绕组电感L与转子位移角的关系开关磁阻电机基于线性模型的绕组电感的分段线性解析式为： （2-1）电磁转矩分析根据能量守恒定律，在不考虑电路中电阻损耗、铁芯损耗和转予旋转产生机械损耗的情况下，绕组输入的电能应等于结构中磁储能与输出机械能之和，即为d=d+d （2-2）如果把电压U和感应电势e的参考方向选得一致，根据电磁感应定律，绕组电路的电压方程为 （2-3）绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为 (2-4)将式(2-3)代入式(2-4)，得 (2-5)机械能可由电磁转矩T和角

32、位移计算，即为 (2-6)将式(2-5)和式(2-6)代入式(2-2)，则得 (2-7)式(2-7)表明，对无损系统，磁储能是由独立变量和表示的状态变量，磁储能由和所决定。当为恒定值时，由式（2-7）得到一般转矩计算式为 （2-8）在考虑转子处于任意位置时的电磁转矩时，可以假设转子无机械转动，则有式（2-2）得 （2-9）将（2-5）代入到（2-9）得 （2-10）设磁路中无磁滞损耗，再假设磁路为线性磁路(这在气隙不太小，磁路不太饱和时近似成立)，则磁链可由电感L表示为 （2-11）将式（2-11）代入式（2-10）中得到磁储能计算式 （2-12）将式（2-12）代入式（2-8）中得 （2-1

33、3）由以上分析可得到如下结论(1)电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的，当磁导对转角的变化率大时，转矩也大。(2)电磁转矩的大小同绕组电流的平方成正比，即使考虑到电流增大后铁芯饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比，但仍随电流的增大而增大，因此可以通过增大电流有效地增大转矩，并且可以通过控制绕组电流得到恒转矩输出的特性。(3)转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感曲线的上升段通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段通入绕组电流则会产生反向的电磁转矩。绕组电流的分析当开关磁阻电机由恒压直流电源Us供电时，在绕组电感仅是转子位置的线性函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况下

34、，由式(2-1)得 （2-14）将式（2-11）代入上式得 （2-15）1）在0到区段，将i（为开始导通角代入式（2-14）中，解得 （2-16）式(216)表明，电流在最小电感恒值区域内是直线上升的，这是因为该区域内电感恒为最小值，且无旋转电动势，因此开关磁阻电动机相电流可在该区域内迅速建立。2)在到区段(为关断角)，将上述结果作为该区段的初值条件，把式(2-1)代入式(2-15)，得 （2-17）3)在到区段，绕组电流为 （2-18）4)在到区段，绕组电流为 （2-19）5)在到区段，绕组电流为 （2-20）显然，当时，相电流已衰减至零。这些分段电流函数可以用下面的通式统一描述，即 （2-

35、21）由上式可知，绕组电流与外加电源电压、角速度、开通角、关断角、最大电感、最小电感、定子极弧等有关。对结构一定的电动机，在和不变的情况下，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。2.2.2 SRM的基本运行方程SRM运行理论与其他电磁式机电装置运行理论没有本质的区别，也可以视为一对电端口和一对机械端口的二端口装置。这种机电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。电路方程由电路基本定律列写包括SRM各相回路在内的电气主回路电压平衡方程式，电动机的每一相需要一个方程式，电动机的第

36、七相电压平衡方程式为 （2-22）上式中，U为加于第k相绕组的电压；为第k相绕组的电阻；第k相绕组的电流；为第k相得绕组的磁链；一般来说，磁链为绕组电流和转子位置角的函数：=（，） （2-23）电机的磁链可用电感和电流的成绩表示： （2-24）上式中，每相相电感是相电流和转子位置角的函数，这是SR电机磁路非线性特性的缘故，而电感随转子位置角变化正是SR电机的特点，是产生磁力矩的先决条件。把(2-3)式代入(21)式中得： （2-25） （2-26）上式表明，电源电压和电路中三部分电压降相平衡。等式右端第一项为第k相回路中的电阻压降，第二项为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，

37、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化有直接关系。机械运动方程按照力学定律可列出电动机转子在电磁转矩和负载转矩作用下的机械运动方程，如(2-6)式，其中，J、B、Tl分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩 （2-27）转速计算方程控制直流电机的转速需要调节其外施加电压或励磁电流，而控制感应电机的转速则需调节电源的频率。与其它电机一样，开关磁阻电机也有其自己的控制方法。这里仍然针对开关磁阻电机的线性模型来加以讨论，对其转速控制特性加以定性分析。将上面得到的式（2-21）表示的绕组电流代入式（2-16）中，得到 （2-28）由此进一步得到： （2-

38、29）其中 从式（2-29）中可以看出，有两种控制方法：1）改变外施电压；2）改变与开关角有关的参数F，F是代表电动机结构参数（如绕组电感和定子极弧等）和控制参数（如开通角、关断角）的函数。若与开关角有关的参数F不变，则正比于改变其外施电压就会改变电机转速。2.3 简化磁链法理论2.3.1 磁链法的基本理论利用位置传感器直接检测即增加了系统的复杂性又给安装调试带来不便，这也是SRM调速系统诸多性能优于直流电机的调速系统，变频调速系统之外的一点逊色之处，从而促使国内外许多学者开始研究无位置传感器检测方案。无位置传感器检测是指利用SRM的某些电气参数是转子位置的函数的函数关系来解算转子位置信息的方

39、法，它与基于位置传感器的检测技术相比有如下的一些特点：机械结构简单、抗环境干扰能力强、可靠性高；目前国内外主要有以下几种方法：一是利用电流-电感-位置之间关系检测；二是根据相磁链-转子位置关系和电流-转子位置关系；三是状态观测器法；四是频率调制法；五是改变电机的机构等方法。【8】这里限于篇幅没有就每种方法进行具体阐述。在本课题研究中对简化磁链法方法进行了初步的研究和仿真，该节先具体阐述了简化磁链法的基本原理，然后对基于此方法对简化磁链法的仿真。此方法的基本思想是利用磁链电流位置三者之间的关系来检测转子的位置，下面我们就具体分析其方法的基本原理。由本章开关磁阻电机的基本原理的分析知道开关磁阻电机

40、的一相电压方程为： （3.1） 由式（3.1）解出一相绕组磁链表达式为： （3.2）从以上数学模型可以看出如果已知从时刻零开始到时刻t间每一时刻的电压u和电流i以及时刻0的初始值(0)，就可以积分算出绕组当前时刻t的实际磁链，我们一般称为估算磁链。如果忽略绕组互感的影响，则一相绕组磁链与该相绕组的电流、转子位置的关系为： （3.3） （3.4）式（3.1）表明转子位置为绕组磁链和绕组电流i的函数，并且可以证明其为单值函数。如果已知当前时刻t的绕组磁链和绕组电流，则可以知道转子位置角。由于开关磁阻电机的凸极效应，不同的转子位置对应着不同的磁链电流曲线，如果能够测得如图2.3【9】转子位置的磁链电

41、流曲线簇，就能建立1个电流、磁链、位置的三维表并存储在内存中，那么计算每一时刻的绕组磁链，将计算得到的磁链值与当前的绕组采样电流一起查表可得到当前转子位置。图2.3 磁链电流曲线2.3.2 简化磁链法发展及理论思想最初简化磁链法前面在第一章绪论中已经提及最初的磁链法有以下几个不足：（1）由于要建立并查找一个电流、磁链、位置的三维表，因此算法复杂，计算时间长。（2）三维表的建立将局限在离线实验的基础上，故使获得三维表的工作量很大而且无法灵活的是实际运行工况的不同而进行修正。（3）三维表的存储将占用大量内存。为提高算法的实时性和适用的速度范围 ，并减少所需内存，一种电机单相轮流导通且在电流控制的条

42、件下提出了一种简化的磁链法。【10】简化磁链法的基本思想在电机单轮流相导通时，并不需要转子每一位置的信息，只要能够判断是否已达到换相位置，因此转子位置检测就可以简化为换相位置的检测。换言之，只需将对应当前电流的换相位置磁链（称之为参考磁链）与积分计算得到的估算磁链相比较，如果前者大于后者，则认为换相位置还未到达，继续导通当前相，反之则认为换相位置已到，关断当前相，导通下一相，这就是简化磁链法的基本思想。参考磁链的确定由于换相位置一般都靠近电感最大位置，而且磁链电流曲线形状类似，因此算法中只测试存储最大电感位置的磁链电流曲线，首先从当前电流查到对应电感位置的参考磁链，然后再乘以一个小于1的系数k

43、来得到对应换相位置的参考磁链值。因此该算法只需要检测并存储最大电感位置的磁链电流曲线，然后查寻二维表，所需内存小，算法简单快速，但测试结果不是分准确，有一定波动。磁链计算的基本算法磁链的计算采用离散化方式，由电流和电压传感器实时采样来的电流和电压通过A/D转换离散，分别计算个采样点的实时磁链值。式（3.2）中的（0）为常数，一般初始位置为0，相电流i和相电压u实时采样，为计算方便将式（3.2）离散化得： （3.5）有上式可得： （3.6）k为采样点（k=1.N），T为采样时间，（k-1）为上一次采样时刻计算得磁链，（k）为当前采样时刻的磁链，从而可以算出各点磁链。换相位置的确定可设较为理想的开

44、通角和关断角分别为和，则根据磁链的特性可设在相电流i处的对应磁链分别为： （3.7） （3.8）为平衡位置的磁链方程，其函数即为由参考电流及开通角和关断角的拟合函数，则为一个小于零的系数。因为本课题所研究的是基于简化磁链的速度控制，所以有在上一相关时也是下一相的开通时刻，所以每相的角度确定只需要计算关断角即可。在下一章中将对SRM系统各环节进行仿真，在仿真过程中其中得到在一定参数下，关断角选在36度处仿真结果较为理想，所以可取在该角度下的电流磁链以为表作为的取值范围，然后通过与之比较，则可以确定换相角的位置。2.4 基于简化磁链法的SRM系统总体结构SRM调速系统从功能上讲是由双凸极电机，功率

45、变换电路，位置检测器和控制调节单元组成。SRM的基本工作原理是：根据给定的转速和机械负载情况，控制器通过一定的算法给出相应的控制电流，根据位置检测器提供的转子位置信号实时地给出定子线圈的换相信号，使电机有序地运转，调速系统是一个闭环系统，需要实时根据时机转速进行电流大小的计算和调整，以保证电机转速的稳定。SRM是实现机电能量转换的部件，功率变换器向SRM提供运行所需要的能量，一般由蓄电池或者交流电整流得到的整流电供电。由前面所述，SRM电流是单相的，所以功率变换器主电路结构简单，而且不存在短路故障，SRM功率变换器主电路的结构类型与供电电压、电动机相数以及主开关器件的种类有关。如图2.4所示为

46、基于简化磁链法的SRM系统结构方框图，由图可知在基于简化磁链的SRM调速系统是通过从SRM中引回相电流相电压并通过积分计算得到估算磁链并与参考磁链比较得到控制信号，并通过对功率变换器中开关的控制来实现对系统的控制。本节在接下来的内容中将介绍SRM调速系统的各个功能块的组成和内容。图2.4基于简化磁链的RSD系统的结构框图功率变换器用于开关磁阻电机调速系统的功率变换电路主要有以下几种：（1）不对称半桥式；（2）双绕组功率变换器；（3）采用分列式直流电源的功率变换器；（4）再生式功率变换器；（5）电容转储式和（6）H桥式等。【11】如图2.5所示为为不对称半桥线路作为主电路结构的开关词组电动机调速

47、系统的功率变换器，每相有两个主开关器件，从图中可以看出，采用不对称半桥线路作为主电路的功率变换器具有以下特点：有效的全部电源电压可用来控制相绕组电流；相控独立性好，对开关磁阻电动机相数没有限制；并且适合在高压、大功率场合下。对于本课题研究的12/8极开关磁阻电机，与其他功率电路相比，不对称半桥式电路更适合于此应用，能够实现高的电源利用率和良好的相控独立性。图2.5不对称桥式线路（三相）SRM系统控制策略开关磁阻电机转子上没有绕组，只有定予绕组。SRM调速系统的控制参数主要有开通角、关断角、主电路电压以及相电流等，因此它的控制策略也就是针对这几个参数的调节以达到运行要求。根据改变控制参数的不同方

48、式，目前SRM主要有3种控制模式，即角度位置控制(Angular Position Control，简称APC)、电流靳波控制(Current Chopping Control，简称CCC)与电压PWM控制(Voltage PWM Control，简称VC PWM)。其中，APC是电压保持不变，通过改变开通角和关断角调节电机转速，适于电机较高速区，但是对于每一个由转速与转矩确定的运行点，开通角与关断角有多种组合，每一种组合对应不同的性能，具体操作较复杂，且很难得到满意的性能；CCC一般应用于电机低速区，是为限制电流超过功率开关元件和电机允许的最大电流而采取的方法，CCC实际上是调节电压的有效利

49、用值，与APC类似，它也可以随转速、负载要求调节开关角；VC是在固定的开关角条件下，通过调节绕组电压控制电机转速，它分直流侧PWM斩波调压、相开关斩波调压与无斩波调压，而无斩波调压是通过调节整流电压以响应电机转速要求，在整个速度范围内只有一个运行模式，即单脉冲方式。【12】（1）角度位置控制在电机高速运行的时候，旋转电动势比较大，而且各相主开关器件导通时间比较短，因此相电流比较小，不适合用电流斩波控制方法。此时便可通过调节开通角和关断角来实现转速和转矩的调节。由式2-13可以知道在电感上升阶段，电流就可以产生正向的转矩，所以只要选择适当的开通叫和关断角就可以很好的实现。图2.6所示分别为调节开

50、通角和调节关断角开通电流随时间的变化，左图为关断角固定，调节开通角的电流变化，右图为固定开通角，调节关断角的电流变化，其中纵坐标为电流，横坐标为转子位置角。由图2.6【13】可以知道，调节关断角相电流幅值改比较明显，所以在角度位置控制方法中应该优先确定关断角，然后闭环调节开通角，这样调节角度就不会出现很大的波动。 （a）调节开通角 (b)调节关断角图2.6角度位置控制在第三章中的电机本体仿真中，其仿真是电机在额定转速下的恒速仿真，所以是在告诉的环境下的系统控制，所以在这个仿真中应该采用角度位置控制（APC）（2）电流斩波控制（CCC）当电动机在启动或者是低速运行时，定子绕组中的反电势较小，可能

51、就会产生较大的冲击电流，造成过电流现象，所以此时需要有电流斩波的方式来限制电流的幅值（即给定一个参考电流）。在某相导通区间内当相电流大于参考电流一定值时使得开关关断，而当相电流小于参考电流一定值时，从新开通开关，从而使得电流在参考电流附近来回的波动（如图2.7所示，参考电流为1.2A），而不至于产生过大的冲击电流。 图3.5开关磁阻电机三相相电流斩波波形由上面所述电流斩波方式的特点，因为在下一章中的速度反馈的系统控制仿真中转速是从0开始往额定转速的调节过程，所以我选用电流斩波方式作为速度调节中的控制方式，这样可以避免在启动过程中出现较大的冲击电流，实现电机的平稳启动。在调速过程中较为理想的控制

52、方式应该是启动过程中采用电流斩波控制方式，当速度达到一定值时，转变为角度控制，应为在转速达到一定值后电流斩波控制下的相电流的值一般都较小，不利于电机的快速达到额定转速，影响电机整体运行效果。但是由于时间和知识上的局限性，在后面的速度反馈仿真中仅以照顾启动阶段，在整个仿真过程中只采用电流斩波控制一种控制方式，不采用在一定转速后转为角度位置控制的方式。第3章Matlab仿真结果及分析基于第二章对开关磁阻电机的线性数学模型的分析，以下由编程实现对RS电机在稳态转速下进行仿真，其样机仿真参数分别取如下表3-1所示：表3-1样机仿真参数设定定子齿极数12稳定转速1200n/min最大电感0.12H电阻3

53、0转子齿极数8给定电压310V最小电感0.03H参考电流1.2A负载转矩0.5转动惯量J0.001N·m·/rad以下的仿真中，所用到的固定开通角均为26°，固定关断角均为36°。3.1 SR电机的角度位置控制本体仿真基于前面理论知识的，在这用MATLAB对3相SRD线性动态模型进行编程，对电机在角度控制（APC）控制的方式下进行仿真，得出一些仿真波形：相电感、相电压、相电流、转矩等。由于给定转速为稳定转速，所以电机的输出为恒定的，仿真波形中相电流在开通角后快速上升和关断角后快减小为较为理想。并且由于该电机是工作在电动状态，所以电流应该在电感上升阶段流过，同时在关断角角后，需要保证电流在电感上升阶段结束前衰减到零，以产生正向的转矩。仿真结果如图3.1所示。 仿真分析在上图仿真波形中，仅此分析电流波形的变化（以a相为例），为了使a相开通后相电流能快速的到达所要求的值，所以需要在电感上升前一段时间开通，这样在电感最小值时是电流到最大值，而这段时间正是对应电流波形的第一段上升阶段，而接下来所对应的电感线性上升阶段，由于电感值的增加，而使电流从最大值开始下降，该段为电流略向下调整阶段。最后为了保证电流在电感下降区段到来前降至为零，所以需要在电感还在上升阶段而未到达最大值前关断该相得开关。关断之后