小波和神经网络模式识别技术及其在车牌识别中的应用(完整版)实用资料

小波和神经网络模式识别技术及其在车牌识别中的应用（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）

合肥工业大学小波和神经网络模式识别技术及其在车牌识别中的应用（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）硕士学位论文小波和神经网络模式识别技术及其在车牌识别中的应用姓名:王志红申请学位级别:硕士专业:检测技术与自动化装置指导教师:王建平豳23对加礤图像消噪效果圈f。-_O.012.3.2对实际含噪图像消噪最用MATLAB6。l对~副噪声级未知豹图像棚噪图像采取硬闽售、软阏值、中值滤波、wdencmp函数及本文提出的小波局部闽值方法(实验中选取k=3进行瀵噪处理。式(2-18计算复杂,本文取小波系数离/高郏分螅标准偏差作为噪声方差盯的估计假子。圈2.4实际含嗓翻像清嗓效果囤对于断裂字符的分割方法主要也有两种:一种是基于字符的宽度、字符间隙等信息的合并处翌U方法:另一种是以识别结果为指导的对字符元素的合并方法。对于牌照中的字符分割而言,其难点除了考虑字符之间的粘连、字符笔划断裂之外,还要考虑车牌倾斜、被污染及第二、六字符与铆钉相连等情况,因此,面向车牌的字符分割比一般意义上的文本字符分割更难,仅靠单一的垂直投影不能满足需求。文[20]提出了~种面向车牌字符的分割算法,该方法直接对图像进行垂直投影,根挢}车牌字符固定宽度、间距的固定比例关系等先验知识,首先确定牌照边框,然后采用Freeman码跟踪技术去除I'DJ隔符和独立铆钉等的干扰,最后结合牌照水平投影及垂直投影去掉残留边框及铆钉的影响,确定字符上下左右边界,提取出单一字符。该方法一般牌照字符分割效果不错,但是,它忽略了倾斜牌照的分割问题及第三字符为“1”的分割问题。此外,文本图像的二值化容易剥字符图像造成粘连、断裂的负面影响14“,进而影响识别效果,因而改进二值化算法及如何处理二值化图像事关正确选取分割点的问题。鉴于上述思路,我们首先利用经简化改进的霍夫变换对车牌进行倾斜度校『F,然后利用小波分析在信号处理中具有自动变焦、多尺度检索信号的特点,结合车牌的先验知识,通过对车牌的垂直投影进行滤波来搜索特定的波谷点作为候选分割点,并对易出现断裂、粘连的车牌候选分割点采用二直化闭值迭代法自适应搜索分割点,分割出孤立字符所在区域;最后对于字符区域,我们构造出字符的多线垂直投影,精确定位字符边界,提取出单个字符。3.2基于霍夫变换的车牌倾斜校正本节提出了一种改进的基于霍夫变换的倾斜校正方法。标准车牌为长方形,但由于摄像机角度或车牌斜挂等原因,汽车牌照在图像中是一个近似的长方形或平行四边形,车牌中各字符间距较小,根据实验论证,在车7剐顷斜角度>=20f1寸,车牌的倾斜程度就会影响后续字符分割率及字符识别率的提高,图3.1(a中车牌倾斜角度为5。,由图显见,其分割点难以判断,即使分割成功,其位置偏移也会对识别影响较大。因此,在进行分割前,需首先对车牌进行倾斜度校正。剀3.1图像操作牌照主要分为黑底自字、篮底白字、黄底黑字三种,文字与背景之间有明显灰度对比,二值化后,背景与文字做处理成黑、白象素,如图3.1(b.其中牌牟斑正方向,开始检测强标象素坐标瓴y。在疗=CO,~鸥(因车黪颓籍寝一般不鲻过士30。,根撵几何知谈,令娥;608,啦:=1206之间设置一组蠢线方裰x4cosO々y4sin0令∥为图像上任蕊隧标点P(x,y在该缓或线上的投影(如闺3,3饼示,刚眷:p。x￥COS0+Y+sin拶隧3.3蠢线瓣辍嫩标褒示设一累鸯珏鼗缀一≯记录共线点静个数,酃满是式上式豹瓣标象紊豹个数,计簿f。max{A(O,O∈b。挪:】}-箕对应的倾角都为觚瓣点翊车牌倾豁蠹线最近秘羹豹角凌O,国凡何知识郄可诗冀出幕簿旋转斑淡五=90“学。籁瓣矫歪嚣强橡魏隧3.4所示:隧3.{辑正蓐圈豫翔巢倾斜趋因为摄豫杌季囊摄角瘦学簸。霹文适当澜熬摄像头靛角凌和零平菠。3.3“变焦瑟”豹二避,j、渡在我稍的阂使自遥应选取中采用豹怒二避小波交换,它是离敬小滚交换酶一耱。需要强谲鲍麓这羹煞“离散”黎蔫镑对蔻续的足褒参数群嚣连续平移参数b酶,丽不是针对辩闻变量￡的。遮一蠡与筏稻通常习惯豹辩闻离散证不同。先褥上章中瀚连续小渡离敬德,臻饕逶遥鼹离散参数翡选淑虢可戳褥捌二遴小液交淡静数学表示。奁潼续夺波中,鸯滤函数:秽。j靠=时”妒(掣(3-I这里,b《霞,龉∈R+,鼹露≠0,y怒容许懿,在离散纯审,慈隈溺尊廷袈正餐,遮释稳雾往蘩俘簸交烫应用Mallat小波快速算法即可实现。垂直投影点出有限的样本组成,只需对其做有限级的小波变换。在候选分割点选取算法中应选择奇对称或偶对称的小波,以保证小波变换的特征点与垂直投影中波谷点的对应。本文选用sym2小波首先对垂直投影图进行二尺度一维小波分解.然后对小波系数进行信号低频重构。信号经小波变换后保持了信号的主要信息,并去除了大量影响计算速度的冗余信息。候选波谷点确定后,结合字符长宽比例特征.以字符高度的1/2为闽值,确定车牌的分割点。车牌的车牌中有七个字符,工F确分割点应该有8个,在实际分割中,车牌背景复杂导致它的灰度特征不同,二值化图像中可能存在字符相连或边框断裂较多.这样纹理特征就不明显,导致分割点不一定为8。本文采用迭代法,以小波垂直投影后切割的区域个数与字符个数之差为参照因素,对不符合要求的二值化闽值进行迭代选取,迭代流程如图3.6所示:图3.6二值化阈值迭代流程图若分割点N<8,则以5为步长减小二值化阈值thre,若分割点N>8,则以5为步长增大二值化阈值thre,直到分割点为8,实验中取得了理想的效果。二值化迭代效果如图3.6所示。本文借助牌照字符的固定比例关系,利用Hough变换及小波分析,采取如下步骤从复杂背景中去除干扰,确定字符边界,提取单一字符:Stepl:对原图像(图3.8(a用改进的Hough变换进行倾斜校正(图3.8(b(倾斜角度为一1。;Step2:对原进行二值化处理,得到二值化图像(图3.8(c;Step3:根据字符纹理特征确定字符的上下边界。得到字符区域图像(图3.8(d:Step4:对垂直投影图进行二尺度一维小波分解,然后对小波系数进行信号低频重构,辅以二值化闽值迭代法,对图3.8(d粗切割,切出单个字符区域。(图3.8(d.4(e;Step5:对多线垂直投影图进行小波滤波,选取精确切割点,对字符区域细切分,按边界切出单个字符并规一化为32×16大小的图像(图3.8(f。图3.8字符分割步骤不恿幽实验中,用本文方法对75幅牌照图像进行字符分割,除一幅图像牌照严重扭曲(中间扭曲外,均能成功切割,证明本文方法高效可行a本文首先应用经简化改进的Hough变换检测出车牌倾斜角度,对车牌进行倾斜矫正,然后根据车牌的先验知识.利用小波变换自动变焦、多尺度分析的特点,对传统的垂直投影法及多线垂直投影法进行滤波.并辅之以二值化闽值迭代,自适应闽值选择,精确选定分割点,高效地进行了车牌字符分割。并通过实验论证,得出以下结论:1本文是传统方法与新思想的综合运用,字符分割率较高:2本文方法对车牌的精确定位及倾斜度要求较低,因此适应性较强;3若车牌图像质量很差,如反光,严重扭曲等情况.还有待深入研究。图,(b、(c为分解1、2次得到的图像。为了看得清楚,(b、(c两个图,除了二i上角以外,数据均乘以4。(c二尺度分解图像幽d.1删止交小波对boy"幽像进行分解dl图4.4可以形象地看到:1在每尺度的分解图像中.低频系数图像均保持了原图像轮廓的主要信息,反映了boy的大致面貌;2高频图像反映了原图在不同方向的细节信息。其中,水平高频图像HL反映了图像在水平方向的信息,如boy的眉毛、嘴唇、衣服轮廓在原图中主要呈现为横向分量,这些部位在水平高频图像中就充分地表达出来;垂直高频图像LH反映了图像在垂直方向上的信息.对如鼻子、头发等这些竖向分量信息较敏感;斜向高频图像H}1反映了图像在斜向45。方向的信息.因此,boy的脸形轮廓在斜向高频子图反映较明显。第12卷第4期2021年7月电机与控制学报ELECTRICMACHINESANDCONTROLVol112No14July2021开关磁阻电机调速系统BP神经网络建模杨先有,易灵芝,段斌,彭寒梅(湘潭大学信息工程学院,湖南湘潭411105摘要:为了实现开关磁阻电机调速系统(SRD的准确动态仿真,在测取准确磁特性样本数据基础上,利用神经网络所具有的非线性映射能力,采用基于Levenberg2Marqvardt算法的BP神经网络,建立了开关磁阻电动机的非线性模型,并在MATLAB仿真平台上搭建SRD系统动态仿真模型。仿真实验表明,与常规线性SRD动态仿真模型相比,采用BP神经网络的SRD动态仿真模型转矩脉动小,具有稳定性好,鲁棒性强的特点。关键词:开关磁阻电动机;非线性模型;神经网络;建模中图分类号:TM352;TP183文献标识码:A文章编号:1007-449X(202104-0447-04ModelingswitchedreluctancedrivingwiththeBPneuralnetworkYANGXian2you,YILing2zhi,DUANBin,PENGHan2mei(CollegeofInformationEngineering,XiangtanUniversity,Xiangtan411105,ChinaAbstract:ToprovidetheaccuratedynamicsimulationoftheSwitchedReluctanceDriving(SRD,Aftermeasuringtheaccurateflux2linkagedata,thenonlinearmodelofSwitchedReluctanceMotor(SRMwasfounded,whichmadeuseofnonlinearmappingabilityofBPneuralnetworkbasedonLevenberg-Mar2quardtarithmetic.BasedontheBPneuralnetnonlinearmodel,acompletesimulationmodelofSRDonMATLABwasdeveloped.SimulationexperimentindicatedthattheSRDsimulationmodelbasedontheBPneuralnethassmallerfluctuationsoftorqueandperformsbetterthanthelinearmodelofSRDonthestabilityandrobustness.Keywords:switchedreluctancemotor;nonlinearmodel;neuralnetwork;modeling收稿日期:2007-12-29基金项目:国家自然科学基金(50677058;湘潭大学学科交叉课题(06IND06作者简介:杨先有(1984-,男,硕士研究生,研究方向为计算机控制技术与应用;易灵芝(1966-,女,硕士,教授,研究方向为交流调速与电力电子装置、电力线路通信;段斌(1966-,男,博士,教授,研究方向为电力系统自动化;彭寒梅1979-,女,硕士研究生,讲师,研究方向为开关磁阻电机及其控制。1引言虽然开关磁阻电动机(SwitchedReluctanceMo2tor,SRM结构简单,但由于SRM采用双凸极铁心结构,其电流及磁链随时间呈单向性脉冲变化,绕组电流的非正弦与电动机磁路饱和、涡流、磁滞效应等产生的非线性,使其电磁关系非常复杂,用传统的性能分析方法无法得到统一、实用的模型,因此,建立SRM准确的非线性模型是提高其调速系统性能的关键[1,2]。神经网络对非线性函数具有很强的逼近能力,对非线性系统有很好的建模能力,正适合于解决非线性系统建模问题。所以神经网络适合于对SRM进行建模。Elmas首先提出用BP网络分析SRM的模型,从而开拓了用神经网络建立SRM模型的思路[3]。基于MATLAB平台的Simulink是控制系统动态仿真的理想环境,虽然Simulink的模块库中不包括开关磁阻电机模块,但它的直观、便捷、准确的特点及其具有的专业模块库为具有各种先进控制理论应用的开关磁阻电机调速(SwitchedReluctanceDriving,SRD系统的整体仿真提供了适宜的平台[4]。本文基于BP神经网络建立SRM准确非线性模型的基础上,在MATLAB环境下构建了SRD系统的整体动态仿真模型,并与常规线性SRD动态仿真模型进行了对比。2SRM非线性模型要精确的计算SRM的性能,对稳态运行特性进行分析,或是要进行SRM的结构设计,就必须对SRM进行非线性建模。至今国内外已经提出了许多计算方法,其中以测量数据为基础利用神经网络等智能算法对SRM进行非线性建模。由于神经网络可以对任意的非线性函数进行逼近,所以它可以实现SRM的非线性建模。该方法的特点是计算简单、有较好的精度,并且有很好的鲁棒性。211SRM基本方程1电路方程根据电路基本定律,开关磁阻电动机的一相电路方程为U=Ri+dψdt,(1式中:U是加在该相绕组上的电压;R是该相绕组的电阻;i是流过该相绕组的电流;Ψ是该相绕组的磁链。2机械方程按照力学定律可得出开关磁阻电动机的电磁转矩Te和负载转矩TL作用下的转子机械运动方程为Te=Jd2θdt2+Ddθdt+TL,(2式中:J为转动惯量;D为粘性摩擦系数。3机电联系方程式(1和式(2分别从电端口和机械端口两个方面列出了开关磁阻电动机的系统方程,这两者是通过电磁转矩耦合在一起的,因此反映机电能量转换的转矩表达式就是开关磁阻电动机的机电联系方程:Ta=5W’5θi=const=-5W5θψ=const。(3式中:Ta为一相绕组所产生的电磁转矩;W′=∫iψdi=∫i0l(i,θidi,为绕组的磁共能,5W′即为耦合磁场在转子位移增量Δθ内的磁共能增量;W=∫ψi(ψ,θdψ,为绕组的储能。在ψ2i平面上,任一点处绕组储能的大小即为运行点所对应转子位置处的磁化曲线以左的区域面积[5]。212基于BP神经网络的SRM非线性模型样机为1台四相、8/6极、715kW的SRM。该样机1个电周期为60°转子机械角,0°转子位置角对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合位置,30°转子位置角对应于该相定子凸极、转子凸极中心完全对齐的位置。对本样机系统而言,磁特性关于30°对称,因此实测数据为半个电周期内转子位置角的测量结果。神经网络建模的主题思想是从算法和网络结构的角度通过训练速度、识别误差、预测效果对算法程序、网络结构进行多次调整,最终得到一个参数、结构优化的BP神经网络[6]。根据样本,令输入X为二维向量,开关磁阻电动机的转子位置角θ和电机磁链ψ,输出T为定子绕组电流i。采用Levenberg2Marquardt算法的BP神经网络离线训练i(ψ,θ模型,其训练速度快,克服了标准BP算法训练中存在的收敛缓慢问题;BP神经网络训练的参数:网络为一个2×4×6×1结构的BP网络。隐含层的激活函数为tansig,输出层的激活函数为线性函数purelin。最大训练次数为1000次;训练目标(均方误差为0100016。利用MAT2LAB进行仿真实验,在经过57次训练后满足了实验的要求。仿真结果如图1所示。图1BPNNi(ψ,θ训练效果Fig.1SimulationeffectofBPNNi(ψ,θ844电机与控制学报第12卷在图1中,(a为BP神经网络仿真误差变化曲线,(b为训练后的BP神经网络i2ψ仿真曲线。神经网络的鲁棒性依赖于神经网络参数位置和它附近系统误差曲面的具体形态。神经网络参数设计在极值点附近而其附近的形态误差曲面又比较平缓时,网络的鲁棒性就好。使系统误差曲面在设计处平缓的主要方法是选用平滑的变换函数,而BP神经网络的变换函数都是平滑的。结合图1可知,该网络训练速度快,误差精确度高,鲁棒性强,有较好的泛化能力。同理,可建立转矩特性T(i,θ的非线性神经网络模型。3基于Simulink的SRD动态仿真模型开关磁阻电动机是一个时变、非线性系统,同时SRD是电动机、功率变换器与控制器的统一体,采用传统的控制方法难以达到优良的性能。要对SRD采用的控制策略进行研究,必须首先建立开关磁阻电动机调速系统整体的动态仿真模型[7-9]。在Simulink环境下建立开关磁阻电动机线性仿真模型和基于BP神经网络的非线性模型;构造电压PWM控制模块等,形成电压斩波控制方式下的SRD仿真模型。基于BP神经网络的SRD动态仿真模型中A相模块如图2所示。由于四相绕组对称、控制方式相同,每相依次滞后1/4电周期角度即15°,所以相B、C、D只需将相A进行移相处理即可。图2基于BP神经网络的SRD动态仿真中的A相仿真模型Fig.2PhaseAofSRDsimulationmodelbasedonBPneuralnetwork在图2中,Switch模块是逻辑换相及功率变换器模块,根据转子角度位置和开关磁阻电动机逻辑换相关系编程。Modulo.PI/3模块是将转子位置角归算为一个周期内对应参考零角度的值。磁特性关于30°对称,所以电流特性也是关于30°对称的,故转子位置角经过Modulo.PI/3模块后,在进入电流特性的非线性神经网络模型前,需要再一次进行角度转化,这一功能就是由AngleSwitch模块来实现的。Current模块为电流计算模块,Torque模块为转矩计算模块。4仿真结果分析及比较当给定转速n=800r/min,空载时,开关磁阻电动机的总转矩仿真波形如图3所示,输出转速仿真波形如图4所示。图3总转矩仿真波形Fig.3Simulationresultsoftotaltorque由图3、4中的仿真结果可知:总转矩波形中,基于BP神经网络的四相SRD的仿真模型的转矩峰值比基于线性电感模型的四相SRD的仿真模型的要小,转矩脉动也比较小;基于BP神经网络的四相SRD的仿真模型中的转速波形几乎没有超调,能够很好地跟随给定转速,而基于线性电感模型的四相SRD的仿真模型中的转速波形有一定的超调,转速波动比较大。基于BP算法在非线性建模和控制方面的快速收敛性和运行稳定性,通过训练速度、识别误差、预测效果的多次整定,建立了SRM准确的非线性模型。用这种方法建立的SRM非线性模型,稳定性好,鲁棒性强,而基于该非线性模型的SRD仿真模型在稳定性和鲁棒性方面也得到了相应地改善。总的来说,基于BP神经网络的SRD仿真模型有较强的优越性。944第4期开关磁阻电机调速系统BP神经网络建模图4转速仿真波形Fig.4Simulationresultsofspeed5结语本文在MATLAB/Simulink环境下对基于BP神经网络的SRD动态仿真模型进行了仿真,仿真结果表明了采用BP神经网络的SRD动态仿真模型运行平稳性好,鲁棒性强;相比于基于线性电感模型的SRD动态仿真模型,该方式的转矩脉动和转速超调量小,对于优化SRD系统能量转换、减小转矩脉动的深入研究有着重要意义。SRM非线性模型的准确性取决于样本数据的精确度,故样本数据的采集对系统的仿真建模有很大的影响。通过仿真,验证了基于BP神经网络的SRD动态仿真模型的可行性和优越性,为系统整体参数优化、控制策略研究提供了理论依据及必要的系统参数。参考文献:[1]汤小君,易灵芝,朱建林,等.非线性模型的开关磁阻电动机转矩脉动抑制[J].电机与控制学报,2007,11(2:120-124.TANGXiaojun,YILingzhi,ZHUJianlin,etal.Torqueripplere2ductioninswitchedreluctancemotorbasedonthenonlinearmodel[J].ElectricMachinesandControl,2007,11(2:120-124.[2]汤小君,易灵芝,彭寒梅.基于关断角补偿的开关磁阻电动机转矩脉动抑制仿真[J].电机技术,2006(4:17-20.TANGXiaojun,YILingzhi,PENGHanmei.Simulationonswitchedreluctancemotorunderafuzzy2logic2basedturn2offanglecompensationfortorqueripplereduction[J].ElectricalMachineryTechnology,2006(4:17-20.[3]ELMASC,SAGIROGLUS,COLAKI,etal.Modellingofanon2linearswitchedreluctancedrivebasedonartificialneuralnetworks[C]//FifthInternationalConferenceonPowerElectronicsandVar2iable2SpeedDrives,London,1994(26-28:7-12.[4]蔡燕,许镇琳,高超.基于神经网络非线性模型的开关磁阻电机调速系统动态仿真[J].电工技术学报,2006,26(8:25-30.CAIYan,XUZhenlin,GAOChao.SimulationofSRDbasedonneuralnetnonlinearmodel[J].TransactionsofChinaElectrotech2nicalSociety,2006,26(8:25-30.[5]王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术[M].北京:机械工业出版社,1999.[6]从爽.面向MATLAB工具箱的神经网络理论与应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1998.[7]彭寒梅,易灵芝,汤小君.基于电压斩波及关断角补偿的SRD仿真实现[J].计算机仿真,2007124(9:316-319,328.PENGHanmei,YILingzhi,TANGXiaojun.Simulationofswitchedreluctancemotordriveunderturn2offanglecompensationandchoppedvoltagecontrol[J].ComputerSimulation,2007,24(9:316-319,328.[8]丁文,周会军,鱼振民.基于MATLAB的开关磁阻电动机线性及非线性建模仿真[J].微电机,2005,38(4:6-10.DINGWen,ZHOUHuijun,YUZhenmin.LinearandnonlinearmodelingandsimulationforSRMbasedonmatlab[J].Micromo2tors,2005,38(4:6-10.[9]齐剑玲.基于神经网络的开关磁阻电动机建模[J].北京工业大学学报,2006,32(5:410-415.QIJianling.Modelofswitchedreluctancemotorbasedonneuralnetworks[J].JournalofBeijingUniversityofTechnology,2006,32(5:410-415.(编辑:于智龙054电机与控制学报第12卷太原理工大学硕士学位论文开关磁阻电动机调速系统仿真分析与设计研究姓名：李书杰申请学位级别：硕士专业：@指导教师：卜庆华20210517开关磁阻电动机调速系统仿真分析与设计研究摘要开关磁阻电动机调速系统（简称SRD，SwitchedReluctanceMotorDrive）是继直流调速、交流变频调速之后，于上世纪80年代中期发展起来的一种开关磁阻电动机与电力电子技术、微电子技术、控制技术于一体的新型调速系统。兼有直流调速、交流调速的优点，以其宽广的调速范围、良好的机械特性、高效节能、卓越的起动和制动性能等优点成为传动领域的热门。本论文基于山西防爆电机（集团）承担的“十一五”国家科技支撑计划课题“矿用电机系统节能技术研究”中子课题“矿用隔爆开关磁阻电动机SRD技术研究”（项目编号：2021BAF34B00）对开关磁阻电动机调速系统进行研究。本文在基于研究开关磁阻电动机调速系统的意义的基础上，介绍了其发展状况、基本组成、性能特点及过去和现阶段研究热点。在了解上述内容的前提下，介绍了本文的研究内容。在本文的第二部分介绍了开关磁阻电动机及其调速系统的基本结构和工作原理；在数学模型介绍中分别叙述了三种数学模型的优缺点，并对线性化模型做了较详细的分析。通过对开关磁阻电动机调速系统的电流斩波控制方式（CCC）、角度位置控制方式（APC）、电压PWM控制方式、组合控制方式的介绍，对比上述几种控制方式的特点，提出本文的控制方式：低速电流斩波控制、高速角度位置控制相结合的组合控制方式，采用电流内环和PI调制的速度外环双闭环的控制策略。在上述控制方式和控制策略提出的基础上，在matlab/simulink仿真环境下、采用模块化的思想建立了开关磁阻电动机调速系统的仿真模型，并进行了仿真实验，从仿真曲线验证了理论的电流斩波和角度位置控制方式下电流、电压波形。在硬件设计部分，介绍了TI公司的电机专用控制芯片TMS320LF2407的功能特点，以其为控制单元设计系统的硬件电路。通过对各种功率电路的比较分析以及SRD系统应用方面的发展，确定本系统的功率电路采用不对称半桥型功率电路，选择了主开关器件。并设计了位置信号检测电路、倍频电路、速度检测电路、电流检测电路和输入与显示电路。在软件设计部分，为了便于软件的调试、修改和发展亦采用了模块化的编程思想，增强了程序的通用性和可读性。最后，在实验系统调试部分，做了开关磁阻电动机在不同转速下的驱动信号和电流调试。并对本文做了总结，提出本系统存在的问题和今后发展的方向。关键词：开关磁阻电动机，开关磁阻电动机调速系统，电流斩波控制，角度位置控制，功率变换电路TheSimulationandDesignofSwitchedReluctanceMotorDrivesABSTRACTSwitchedReluctanceMotorDrives(SRDisanewtypespeedregulationsystemdevelopedinlastcentury,followeddirectcurrentmotordriveandasynchronismmotorfrequencyconversiondrive,whichcombinespowerelectronicstechnology,microelectronicstechnology,moderncontroltechnique.SRDhasbothadvantagesofdirectcurrentmotordriveandasynchronismmotorfrequencyconversiondrive.Becauseoftheadvantagesofvastspeedregulatingrange,goodmechanicalpropertiesexcellentstartingandbrakingperformanceandhighefficient,ithasbecomeoneofthemostpopulartopicsinthecurrentfieldsofelectricdrive.ThisthesiscarriedoutstudyofSwitchedRelucanceMotorDrivessystem,basedon“Thestudyonminingflameproofswitchedreluctancemotordrives”，onepartof“Energyconservationtechnologyofminingmotor”(Serialnumber:2021BAF34B00.WhichissupportedbyNationalTechnologyR&Dprogramduringthe11thFive-Yearplan,takenbyShanXiExplosion-proofmotor(GroupCO.,LTD.Inthispaper,thedevelopmentofSwitchedReluctanceMotorDrive(SRD,thebasicstructureandcharacteristicofSRDareintroduced.Followedup,whatstudyisprovidedinthispaper.Thesecondsection,SwitchedReluctanceMotor,basicstructureofSRDandworkingprincipleareintroduced.ThelinearmathematicalmodelofSRDisestablished,followedthethreemathematicalmodelofSRDwasintroduced.AnalyzedthecontrolmethodsofCCC,APC,VoltagePwmcontrolonSRM,andchoosingtwokindofcontrolmethodsfitforthesystem:lowspeedchoppedcurrentwavecontrolandhighspeedAngularPositionControl.Ascontrolstrategy,weputforwardthecontrolstrategyofspeed-currentdoubleloop.Thecurrentloopastheinsideloop,thespeedloopastheoutloopinPIcontrolstrategy.Followthecontrolmethodandstrategy,madethemathematicalmodelofSRDusedindependentblocksundermatlab/simulink,andsimulation.Thecurrentandvoltagewaveformhasbeentestedbythewaveformofsimulation.Inthehardwaresection,thecharacteristicofTMS320LF2407(DSPformotorcontrol,madeinTICO,asthemaincontrol-coreforhardwaredesign.KindsofpowerconvertercircuitofSRDandtheiradvantages/disadvantagesarediscussedandcomparedinthisthesis,thinkaboutthedevelopmentofSRD.AsymmetricBridgeconverterasthesystemconverter,powertransistorisselected.Atthesametime,thecircuitofcurrentdetection,voltagedetection,speeddetection,doublingfrequency,interface/displayaredesigned.Insoftwaresection,themodularprogramcanmaketheprogramuniversalandreadable,usefulfortestanddevelopment.Finally,thedriveandcurrentofSRMaretestedindifferentspeed.Thedebuggingwaveformsametotheanalys.Givetheconclusion.KEYWORDS:switchedreluctancemotor,switchedreluctancemotordrive,choppedcurrentcontrol,angularpositioncontrol,powerconverter第一章绪论开关磁阻电动机调速系统（简称SRD，SwitchedReluctanceMotorDrive），它是继直流调速、交流变频调速之后，于上世纪80年代中期发展起来的一种新型交流调速系统[1]。它融新型电机结构（双凸极）和电子技术（电力电子技术、微电子技术）于一体，兼有直流电动机调速和异步电动机变频调速系统的优点[1]。以其结构简单、运行可靠、高效节能等优良性能异军突起，成为交流调速系统的一支生力军，应用前景广阔。1.1研究开关磁阻电动机调速系统的意义目前世界各国科学技术都向绿色化、高效化、智能化方向发展。其中电机系统节能是二十一世纪经济和社会发展的必然趋势。国家已把高效节能电动机列入十一五重点节能推广项目。而本课题正是国家推广“高效节能电动机——开关磁阻电动机”的重点节能工程。煤矿井下是高煤尘、易燃、易爆的危险环境，而SR电动机适合高粉尘、易燃、易爆等恶劣环境，因此在矿井下应用前景广阔，为提高煤矿井下电气传动设备的运行可靠性和延长电动机使用寿命开辟了一条新途径，对提高煤矿企业的经济效益、减少不安全因素、降低事故率具有重要意义。由于SR电动机的过载能力、起动性能，适合煤矿设备的频繁起动。可实现完美的传输功能和优异的节能效果。为本项目多台开关磁阻电动机驱动装置的矿用传输带综合节能控制系统的提出提供了可能性。开关磁阻电动机（SRM/SR电动机）在调速领域以其结构简单、成本低、效率高、调速性能良好及控制灵活等优点占据了一席之地，可在牵引运输、航空航天、电动汽车、家用电器等领域中应用[1]。但是在开关磁阻电动机调速系统的应用过程中也暴露出它的不足，体现在以下几方面：1、低速转矩脉动问题开关磁阻电动机起动时，为了增大转矩输出能力，SR电动机通常运行在磁场深度饱和的状态下，导致SR电动机相电感和磁链是转子位置角和绕组电流的非线性函数，在采用传统的脉冲供电方式下，低速时转矩脉动明显。2、噪声和振动问题（由于开关磁阻电机采用各相轮流通电，则在某相通电时容易形成径向磁拉力，从而导致电机机座和定子轭部发生变形，由变形引起振动和噪声。3、温升问题开关磁阻电动机铁心各部分的磁场变化复杂、都是非正弦变化，又因为铁心磁场的频率随转速变化，因而温升是一个难题。然而这些在小功率SRM中不太明显，但随着功率等级的加大，其在小功率等级没有完全体现出来的转子温升现象逐步显现出来，如何解决转子温升问题成为一大难关。4、建模问题SR电动机由于其结构和磁路高度饱和，导致磁路的严重非线性，进而难以建立准确、可靠的数学模型，不能精确分析其动、静态性能。现今数学模型的建立以理想线性模型、准线性模型、非线性模型三类方法为主，线性模型、准线性模型难以准确可靠的描述SR电动机磁场特性；非线性模型虽然较以上两种有所改善，但其数据的采取由于并非是时刻采集，因此造成模型建立的不准确性。为了使开关磁阻电动机在实际应用中不受上述问题的影响，本文在建立非线性数学模型的基础上，从SR电动机控制策略出发解决上述问题。的论文，文中描述了SR电动机的两个特性：1）开关性——SR电动机必须工作在一种连续的开、关模式，这就是SR电动机只有在各种新型半导体器件（如：晶闸管、GTO、IGBT）出现后才能发展的原因所在；（2）磁阻性——它是一种双凸极电机，定、转子具有可变磁阻回路[1][4][5]。其实，19世纪40年代SR电动机的基本结构及基本原理已经提出，即所谓的“电磁发电机”。由于当时科学技术水平的限制，无法解决SR电动机在设计、控制等方面的一系列关键问题，这一科学发现在当时并没有引起人们的足够重视，这种状况一直持续到20世纪中叶。上世纪60年代，SR电动机随着电力电子器件的发展，又被重新提上研究日程。1967年，英国Leeds(里兹大学开始对SR电动机进行深入研究，其研究成果表明：SR电动机可在单向电流下四象限运行，功率变换器主开关器件无论采用晶体管还是用普通晶闸管所需开关器件在数量上都是最少的，与同容量的异步电动机相比其成本显著减少。1975年英国Nottingham（诺丁汉）大学和Leeds（里兹）大学的联合研究小组成功的研制出一套用于电动汽车的50KW的SRD装置，其单位输出功率和效率都高于同类的异步电机驱动装置，表明SR电动机大有可用之途[1]。1980年，英国Leeds大学的Lawrenson教授及其同事总结多年的研究成果，发表了著名论文《变速开关磁阻电动机》(Variable-SpeedSwitchedReluctanceMotors，这标志着国际学术界对SRD的公认，为SR电动机原理的研究、发展设计理论、研究理论特性及控制方式奠定了基础。1983年，英国TASCDrives公司将世界上第一台功率7.5KW、转速1500r/min的SR电动机——Oulton传动装置市场化，次年又推出功率为4~22KW四个规格的系列产品。1991年英国的BJD公司应用Leeds大学的专利技术为考文垂煤矿研制Supermatic型以35KWSR电动机作为驱动的电牵引采煤机，同时BJD还为煤矿研制了150KW和300KW的SR电动机驱动的皮带运输机及由两台3KWSR电机驱动的四轮蓄电池电机车[7]。由于开关磁阻电动机调速系统结构简单、成本低、鲁棒性好、调速性能好，成为继直流电动机调速系统、异步电动机变频调速系统之后的一种新型调速系统。问世不久便引起世界各国电气传动界的广泛关注：1984~1986年原联邦德国先后试制了1、1.2、5KW的样机；美国、南斯拉夫、加拿大、埃及、新加坡等国相继展开对SRD的研究及开发工作，在SR电动机的运行理论、电磁场分析、电机结构、起动性能等方面取得了较大成果。在世界各国对开关磁阻电动机调速系统产生浓厚兴趣的时候，我国对开关磁阻电动机调速系统的研究工作也于上世纪80年代中期以较高的起点开始，如北京中纺锐利机电、华中理工大学（现华中科技大学）、南京航空航天大学、东南大学、华南理工大学、浙江大学、西安微电机研究所等院校和研究所，并把SR电动机的研究列为国家“七五”中小型电机科研规划项目。1992年，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下成立了开关磁阻电动机学习小组。在借鉴国外对SR电动机研究的经验基础上，我国在SR电动机理论上取得了一定研究成果并研制出不同功率和等级的SRD产品，如北京中纺锐利机电研制的2.2~400KW系列产品，这些产品已被应用到纺织机械、电动车辆、煤矿皮带机、吸尘器、洗衣机、风机水泵等。总之，经过国内外学者的不断探索和努力，对SRD系统的研究已经在理论分析、性能仿真、转矩波动及电机噪声、电机优化设计、有限元分析、能耗计算、功率变换器设计、电流位置检测、控制策略取得了丰硕成果，并且将随着SR电动机理论和电子器件的发展而完善。1.3开关磁阻电动机调速系统的组成及其性能特点开关磁阻电动机调速系统（SRD）主要由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器、电流检测器、位置检测器等几部分组成，如图1-1所示，图1-1开关磁阻电动机调速系统Figure1-1SRDSystem1、开关磁阻电动机SR电动机是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志、是SRD中实现机电能量转换的部件[2]、是SRD的执行元件，与传统的交、直流电动机相比，它的结构和具体工作原理有着根本的区别，它不像电磁式电机那样转矩和转速的形成依靠定、转子绕组电流产生磁场相互作用。开关磁阻电动机与反应式步进电动机相类似，遵循“最小磁阻原理”，产生磁拉力形成转矩——磁阻性质的电磁转矩[3]。因此，它的结构原理是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以，SR电动机采用双凸极结构，其定、转子均由普通硅钢片叠压而成且极数不同。定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”，转子既无绕组也无永磁体[1]，定、转子及SR电动机如图1-2所示。SR电动机定、转子的极数有多种不同的搭配，因此可以设计成多种不同相数结构，低于三相的SR电动机没有自起动能力，对于有自起动、四象限运行要求的驱动，其系统价格和性能与功率变换器的选场合，应优选相数为三相或大于三相的定转子组合方案。相数多、步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且开关器件多、成本高。所以，SR电动机在设计和选用时，应考虑应用场合及使用要求。图1-2SR电动机及其定、转子Figure1-2SRM、statorandrotor2、功率变换器功率变换器是SR电动机运行时所需能量的供给者[3]，由交流电整流后得到的直流电或蓄电池供电。由于SR电动机绕组电流是单向流动的，使得其功率变换器主电路不仅简单，而且具有普通交流及无刷直流驱动系统所没有的优点，即相绕组与主开关器件是串联在一起的，这样可以避免由于电流过大烧毁器件造成电路短路故障。在整个SRD系统中，功率变换器的成本占有很大比重，其供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等决定了主电路的结构形式[1]择和设计有重大关系，因此最佳方案的设计应根据具体性能、适用场所等因素结合。3、控制器[1]控制器是SRD系统的中枢，起决策和指挥作用。它综合处理速度指令、电流检测器、位置检测器的反馈信息，控制功率变换器主电路中主开关器件的开通与关断，实现运行状态的控制。SR电动机各相主开关器件的导通与断开决定于控制器发出的信号，以此控制电机的正转或反转。SR电动机输出转矩的大小及状态（驱动/制动）取决于功率器件的导通角。4、位置检测器位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者[3]，实现同步运行的条件。它及时向控制器提供定、转子极间实际相对位置的信号和转子运行的速度信号，以确定相应相绕组的通断。为了满足SRD系统对SR电动机的实时控制，位置检测器应具备以下条件：首先检测的精度在运行的速度范围内满足要求；其次要求检测电路简单、工作可靠、抗干扰能力强；为了满足特殊环境的应用还要求能在恶劣环境下工作[1]，如煤矿装置。5、电流检测器SRD相电流检测是SR电动机过电流保护、电流斩波控制方式运行的需要。SR电动机相电流的基本特点是单向、脉动以及波形随运行方式、运行条件不同而变化很大[1]。由此，SRD中电流检测器应具备快速性能好、抗干扰能力强、灵敏度高及在特定范围内良好的线性度。电流检测的一般方法有：电阻采样、直流电流互感器、霍尔元件采样、磁敏电阻采样。从结构和运行原理上看，SR电动机可以认为是反应式步进电机的一员，只不过其具备高速、大步距的特点。两者的差别在于：步进电机作为一种信息传输、实现角位移精密传动的执行机构，电源的换相决定转子轴转动，而转子位置与电源的换相没有关联，属于开环控制；然而SR电动机却不然，转子位置决定相绕组的通电，定子绕组通电与否通过转子位置检测器传输的信息判断，属于转子位置闭环控制[4]。从运行状态上看，可以将SRD系统可视为无刷直流电动机调速的发展，均运行在自同步状态。然而无刷直流电机的转子有励磁，逆变器为定子多相绕组提供交流电；SR电动机的转子则为反应式，没有励磁，由直流脉冲电源为绕组供电，仅由简单的开关即能实现，基于以上所述，使得SR电动机的结构和功率变换器结构简单化。实践与理论证明，SR电动机调速系统具有以下基本性能特点：1、电动机结构简单、成本低开关磁阻电动机和鼠笼式异步电动机相比结构还要简单，转子上没有绕组只由硅钢片叠压而成，因此鼠笼式异步电动机的断条现象在此不会出现；定子侧只有几个集中绕组，端部短而牢固，制造简单。电机易于冷却，无高温退磁之忧，适宜在恶劣、高温环境下运行2、功率变换电路简单可靠开关磁阻电动机的正反转与定子绕组电流的流向无关，只与各相的通电顺序有关。相绕组电流为单向流动；而感应式电动机绕组流过双向电流，因此向其供电的PWM变频器中功率电路每相需要两个功率元件，相比SR电动机可以做到每相一个主开关。因此，开关磁阻电动机调速系统可以做到较PWM变频器功率电路简单、每相中更少的元件数。开关磁阻电动机调速系统中每个功率元件直接与电机绕组串联，不会发生感应电动机PWM变频器因功率元件跨接在直流电源侧产生的直通短路，因此SRD系统中功率电路的保护电路可以简单化，既降低了成本，又提高了系统的工作可靠性。3、各相独立工作，可靠性高SR电动机的各相绕组和磁路从电磁结构上看相互独立，各自供电产生电磁转矩。当电动机一相绕组发生故障时，只需停止此相的工作状态，SR电动机仍可以运转，只不过是输出总功率有所降低。4、起动转矩大、电流小开关磁阻电动机起动时只需较小的起动电流，就可以获得较大的起动转矩，并无感应电动机起动时所出现的冲击电流现象，可以从以下数据中得出此结论。SR电动机当起动电流仅为15%的额定电流时，相应的起动转矩却是额定转矩。直流电动机起动电流为额定电流时，起动转矩为额定转矩；三相鼠笼式异步电动机起动电流为额定电流的3倍时，其转矩才为额定转矩。并且开关磁阻电动机调速系统起动电流小、起动转矩大的特点可以延伸到低速运行阶段，因此SRD系统适用于重载起动和低速重载运行的机械设备。5、可控参数多、控制方式简单开关磁阻电动机正常运转，可以通过控制相绕组的开通角、关断角、电流、电压等，多控制参数，可以灵活方便的控制SR电机运转，通过改变参数值和控制方法，使之达到电机运转时的要求。6、效率高、损耗小开关磁阻电动机调速系统是一种高效的调速系统。原因有二：1）SR电动机转子没有绕组，那么也就不存在绕线式异步电动机的铜耗；2）SR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。综上所述，开关磁阻电动机调速系统是一种具有优良性能的新型的调速系统，这种调速系统综合了直流电动机调速系统和异步电动机变频调速系统的优点，可以与其他调速系统相媲美。广泛应用于煤矿设备、工业调速、电动车、家用电器及航空领域。当然，SR电动机调速系统也因为其转矩脉动、振动和噪声；数学模型的建立难以“与电机磁场相吻合；SR电动机、控制器、功率变换器三者的协调设计存在一些问题，还有待改进；限制了SRD的应用。1.4开关磁阻电动机调速系统研究热点SRD研究涉及电机学、电力电子、微电子、微机、控制理论、机械及工程应用等众多学科领域；加之SR电机的磁路具有复杂的非线性特性，导致研究的困难性。无论是在理论上还是在应用上都存在不少问题，有待进一步研究完善。1、SRM数学模型建立的研究SRM数学模型的精确建立与描述直接影响到电机的设计、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。极数、极弧设计原则，突出了SR电机内部电磁关系的物理本质，奠定了SR电机设计的基础；理想化”转矩解析式由CordaJ利用SR电机的线性模型导出[9]；Krishnan则基于“平顶波”电流在忽略磁路饱和的非线性影响、假定相电感与电流无关的前提下，推出了SR电动机类似于传统电机的输出方程[10]。由Millier等提出的准线性法[11]在一定程度上可以克服磁链线性模型因忽略非线性因素的计算误差缺陷。但是，同样存在计算误差较大的缺陷。为此，Torrey等在实验测得电机静态电磁特性数据的基础上，采用数值曲线拟合方法推导出⎭(i,⎝的解析函数表达式[12]，并对样机进行了仿真研究，结果与实测性能有较好的一致性；Spong等提出了一种能够较精确地反映SRM实际的电磁特性的非线性模型[13]。S.Wiiliamson等将三维有限元方法用于SR电机磁化曲线的计算，真正地涉及了电机的端部磁场[14]。Elmas等基于BP算法建立了开关磁阻电动机调速系统三层前传神经网络模型[15]。2、完善SR电动机设计理论和加强铁心损耗的理论研究在SR电动机的优化设计方面，国内外学者进行了大量研究。利用一种代表性单元双凸极结构方法，并以电机质量最小作为目标函数进行优化计算，同时用直接搜索法求取最佳磁路及驱动系统参数，以获得具有近似最优性能的设计结果。SR电动机磁场特性的非线性相绕组供电电压和电流波形的脉动、非正弦性；定、转子各部分铁心中不同的磁通密度变化规律，导致定、转子铁心损耗的测量与计算困难程度不言而喻，建立准确、实用的铁心损耗计算模型和测试、分析手段成为主要问题[7]。3、先进控制策略的研究及参数最优化设计[7]开关磁阻电动机调速系统性能的改善应考虑SR电动机磁场的非线性及参数的时变特性，研究算法简单，具有较高动态性能，能抑制扰动、参数变化及各种不确定性干扰的SR电动机新型控制策略。国内外发表了一些基于智能控制技术和现代控制理论建立SRD动态模型和系统设计的文献，在一些性能方面有所改善。神经网络理论、自适应控制、模糊控制[5]以及带状态观测器的无位置传感器，在理论和实践应用上都有了可喜突破。但是开关磁阻电动机调速系统控制策略仍不完善，仍有很多问题需要解决。4、SR电动机转矩脉动的抑制及噪声的研究SR电动机由于转矩脉动及因振动引起的噪声限制了其在诸如伺服驱动这类低速要求平稳且有一定静态转矩保持能力场合下的应用。因此，改善SRD性能的关键因素是抑制因径向力引起的转矩脉动和噪声[1]，SR电动机的转矩脉动和噪声的产生即受到电机本身的相数和结构尺寸的影响，又与所采用的控制策略和控制参数有关[5]。在SRM转矩脉动消除方面的研究应该围绕电机设计和电机控制两方面展开[1]。5、完善SRD中SR电动机、功率变换器及控制器三者的协调设计SR电动机、功率变换器、控制器三者之间设计联系的紧密程度直接影响SRD的整体性能，是提高系统整体性能的必要条件。因此，应该把这三者作为一个整体进行优化设计，不应把各部分的设计割裂开，可以借助CAD将三者作为一个整体进行优化设计。6、SRD无位置传感器的研究对于开关磁阻电动机调速系统而言，实时而准确的转子位置信息是其可靠运行和获得高性能控制的必要前提条件[5]。获取位置信号的通用方法是光电脉冲发生器或者其他类型的探测式位置检测器获得转子与定子的相对位置。采取这种方法的优点是简单、可靠，但这在提高系统成本和复杂程度的同时会降低SRD系统结构的坚固性，影响系统的可靠运行，不适合应用于诸如煤矿井下等恶劣环境。因此，如何去掉位置检测器，无疑是一个很有潜力的研究方向。1.5本文研究的主要内容开关磁阻电动机调速系统是我国在上世纪80年代调速领域中迅速发展起来的一种新型调速系统，其结构简单坚固、调速性能良好、调速范围宽、系统可靠性高，是各国电气传动领域研发的热点之一。但是由于自身的结构及其运行特点，使得SR电动机的运行特性和控制方式与传统电动机存在着区别，同时也存在上述章节所提到的一些问题亟待解决。本论文基于山西防爆电机（集团）“十一五”国家科技支撑计划课题“矿用电机系统节能技术研究”中子课题“矿用隔爆开关磁阻电动机SRD技术研究”（项目编号：2021BAF34B00）对开关磁阻电动机调速系统进行研究，在查阅大量国内外文献及对本课题了解的基础上，确定本文的研究内容如下：（1）了解开关磁阻电动机调速系统的发展概况及其结构特点、运行特性、存在问题以及当今的研究方向；（2）了解开关磁阻电动机调速系统的工作原理，对其数学模型进行分类对比，分析其控制策略，在matlab/simulink环境下、采用模块化的思想建立SR电动机的非线性数学模型及SRD数学模型；（3）以TI公司DSP芯片TMS320LF2407为核心设计SRD系统硬件电路，其中包含功率变换器主电路、位置检测电路、电流检测、速度信号检测等电路的设计；（4）软件设计：为了实现软件的通用性和可读性，采用模块化的思想编写SRD软件程序。（5）在条件允许的情况下，对开关磁阻电动机进行工程实际和现场调试。10第二章开关磁阻电动机基本原理本章将对SR电动机的结构及工作原理进行分析，在此基础之上对SR电动机的线性模型、准线性模型、非线性模型进行分类对比。2.1开关磁阻电动机结构及工作原理电动机根据转矩产生的原理大致可以分为电磁式和磁阻式两类电机；电磁式电动机的原理与两块磁铁的同名磁极相斥、异名磁极相吸的原理类似。交流电机和直流电机正是此类电动机的代表。而磁阻式电机的转动则是由于定、转子之间气隙磁阻的变化引起的。磁通总是沿着磁阻最小的路线闭合，也即我们常说的“磁阻最小原理”。因此，当转子轴线与通电定子磁极轴线不相重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其向磁阻最小的位置，也即向通电定子的位置转动直至定转子轴线相重合。类似于磁体吸引磁性物质（未带磁性）的现象[8][16]。开关磁阻电动机即属于第二类电机。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻尽可能大的变化，故开关磁阻电动机采用定转子极数不同的双凸极结构。为了避免单边磁拉力，径向必须对称。因此SR电动机的定子极数（Ns）和转子齿数(Nr应为偶数，且Ns⎺Nr，但应接近。提高电机出力可以通过加大磁场变化率实现。当定子和转子齿槽数接近时，可以加大定子相绕组的平均变化率。从结构设计的合理性考虑，一般定转子极数的关系为：Ns=Nr+2。径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”，则SR电动机的相数一般为m=N2。开关磁阻电动机可以设计成多种结构形式，由于低于三相的SR电动机没有自起动能力，一般应选择mε3。相数多，有利于减小转矩波动，但导致结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是三相6/4极结构和四相8/6极结构。常见SR电动机定、转子极数组合方案一般为表2-1所示，11表2-1常见定、转子极数组合方案Tab.2-1TheusualpolescombinationsofstatorandrotorSR电动机的运行遵循“磁阻最小原理”，也即是磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，转子铁心在转动到磁阻最小位置时，其主轴线与通电相主轴线重合[1]。下面以8/6极开关磁阻电动机为例，说明其工作原理。如图2-1所示，图2-18/6极SR电动机工作原理图Fig.2-1Theoperationprincipleof8/6polesSRM如图2-1所示，当开关S1、S2闭合，SR电动机定子极D-D’相绕组通电时，SR电动机内部形成了以D-D’为主轴线的磁场，磁通经过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等处闭合，如图中虚线所示。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力的作用，使转子向逆时针方向旋转。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，此时转子磁极所受磁拉力的切向磁拉力为零全部为径12向磁拉力达到力矩平衡。若以此作为SR电动机起始位置，按D-A-B-C排序依次给各相绕组通电，则电机转子将会沿着逆时针的方向旋转；反之，按B-A-C-D排序通电，则转子将顺时针旋转。这说明，改变各相绕组轮流通电的顺序就可以改变电机转子的旋转方向，与相绕组电流的方向无关。2.2开关磁阻电动机数学模型SR电动机数学模型的精确建立与描述，影响到SR电机的优化设计、电机效率评估、电机动态性能分析，同时也为电机的高性能控制提供了基础[16]。完整的SR电动机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[17]。因此，建立准确而简单的反映SR电动机电磁特性的磁链方程是建立SR电动机数学模型的关键之一。就目前而言，已经发展起来的开关磁阻电动机的数学模型有多种形式。以模型的性质为分类点有线性模型、准线性模型、非线性模型三类；从模型的形式分，可以分为：参数模型、表格模型、神经网络模型和模糊逻辑模型等。SR电动机数学模型不管是以性质划分还是以形式分类都与其电压方程、磁链方程、机械方程和机电联系方程密不可分。由于开关磁阻电机磁链的非线性，决定了其数学模型建立的复杂性。为了能够分析其特性，在建立其数学模型时不可避免的要忽略掉次要因素，在理论研究和实用研究上采取一些折中考虑，以便简化问题的分析。如：SR电动机的相数为m，k=1,…,m,第k相的电压、电流、电阻、磁链和转矩分别为uk、ik、Rk、⎭k、Tk，转子位置角为⎝，转速为⎤，假设如下条件成立：1、主电路电源的直流电压（±US）不变；2、忽略铁耗，即忽略铁心的磁滞和涡流效应；3、半导体开关器件为理想开关元件，即导通时压降为零、关断时电流为零；4、在一个电流脉动周期内，认为转速恒定不变。5、忽略相间互感，即电动机各相参数对称，每相的两个线圈作正向串联；依据上述假设，介绍开关磁阻电动机的磁链方程、电压方程、机械方程和机电联系方程[1]。13Ldikdt1、磁链方程由于SR电动机定、转子的双凸极结构，以及旋转时磁路的非线性、开关特性的影响，使得SR电动机的参数和各个物理量变化复杂。但是，电机内所有的电磁过程仍然符合电工理论的基本定律，SR电动机各相绕组磁链是相电流与其自感、其余各相电流互感以及转子位置角的函数，相绕组磁链表达式为⎭k=⎭(i1,⊄ik⊄im,⎝（2-1）由于SR电动机各相电流之间的互感与相电流自感相比可以忽略，因此为了方便计算，在SR电动机磁链的计算中一般忽略各相间的互感，不考虑两相以上绕组导通时定、转子轭部饱和对各相产生的影响，此时的磁链方程可近似为⎭k=⎭(ik,⎝=L(ik,⎝ik（2-2）2、电压方程根据基尔霍夫电压定律和电磁感应定律，在忽略铁心损耗的情况下，电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和等于施加在SR电动机各定子绕组两端的电压，则第k相的电压方程为：uk=Rkik+d⎭k将式（2-2）代入式（2-3）可得（2-3）uk=Rkik+(Lk+ikd+ik⎝dt（2-4）由上式可知，相绕组上所加的电压uk与电路中电阻压降、变压器电动势、运动电动势三部分电压相平衡。3、机械方程当SR电动机的电磁转矩Te与作用在电机轴上的负载转矩TL不平衡也即不相等时，电机产生角加速度d⎤。按照力学定律可列出在电动机电磁转矩Te和负载转矩TL作用下的转子机械运动方程为：Te=Jd2⎝+Dd⎝+TL（2-5）式中J为SR电动机转子及负载的转动惯量，D代表粘性摩擦系数。4、机电联系方程上面几个方程分别描述了电的磁链方程、电压方程和机械的机械方程，而电和机14Te=TK(ik,⎝把式2-7代入式2-6得Te=械是通过电磁转矩耦合在一起的，故反映机电能量转换的转矩表达式即为机电联系方程，或者称为电磁转矩Te关于磁共能的方程：m1（2-6）开关磁阻电动机第K相的电磁转矩为磁共能对转子位置增加的速率，即Tk=⎤m(ik,⎝⎝ik=const（2-7）m1⎤m(ik,⎝⎝ik=const由于开关磁阻电动机的磁链特性存在着严重的非线性，就造成了不可能得出精确解。因此，在分析性能求解数学模型时一般在实用和理论之间采取折中的手段，即做到符合实际磁链特性，又考虑模型的实用性，综合前人所做的数学模型可以归结为以下几类[7][18][19]：1、理想线性模型SR电动机理想线性模型在提出时，对其做了如下假设：假定相绕组的电感与电流的大小无关，不计电机磁路饱和的影响、不考虑磁场边缘扩散效应、且不考虑转子位置角对电感的影响，则即磁链近似为电流的线性函数。此种磁链建模方法的求解误差较大、精度较低，但是可以用来了解SR电动机各参数间的相互关系、基本工作特性，并可作为深入探讨各种控制方式的依据和定性分析的手段。理想线性模型下的磁链曲线如图2-2所示，2、准线性模型由于SR电动机磁链的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了近似的考虑磁路的边缘效应、饱和效应，忽略各相绕组之间的耦合效应，同时将实际的非线性磁化曲线进行分段处理，这样每段的磁化曲线都可以用精确的一次线性解析式来表示。近似地考虑了磁路饱和效应，使问题分析计算具有一定精度，较多应用于分析和设计功率变换器和制定控制策略。一般可以将磁链和电流的曲线即（⎭I）曲线分为线性段和饱和段或者线性段、低饱和段和高饱和段。准线性模型下的磁链曲线如图2-3所示，⎭⎭n=i图2-2理想线性模型磁链曲线Fig2-2Thecurveoffluxlinkagevscurrentatlinearmodeli图2-3准线性模型磁链曲线Fig2-3Thecurveoffluxlinkagevscurrentatquasi-linearmodel3、非线性模型为了避免上述两种磁链建模方法的不准确性，准确计算SR电动机的性能、对稳态性能的运行特性进行仿真，常常采用在对SR电动机磁链实测的基础上采用数学拟合的方法建立模型函数。而模型求解的精确度取决于非线性模型拟合的精确度，常用的函数拟合方法有多项式拟合、最小二乘法拟合、三次样条拟合等等，此种非线性建模方法工作量小，易于实现，便于分析问题。非线性模型下的磁路曲线如图2-4所示，⎭i图2-4非线性模型磁链曲线Fig2-4Thecurveoffluxlinkagevscurrentatnon-linearmodel4、查表法此种方法是把开关磁阻电动机已知的磁链特性⎭（i,⎝）（磁链特性通过实测或者计算所得）、转矩特性T(i,⎝以及建模时所需的各种数据均以表格的形式写入计算机控制软件中，然后利用查表法求