（控制理论与控制工程专业论文）开关磁阻电机用于织机主传动的研究.pdf

独创性声明 i i l lll lui l u i llll liif y 17 7 3 0 9 6 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文巾不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼工些叁堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对奉研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓蟪 签字日期：m 口锄月叫同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些态堂有天保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些丕堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或 _ 描等复制手段保1 竽、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向围家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盛。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权的说明) 学位论文作者签名：璺谚蓥铆签名：易蕊、 签字日期：珈f 移年月1 同签字h 期：叫d 年多月& 同 学位论文的主要创新点 一、结合无梭织$ j l _ k 大运动的时间配合图分析无梭织机的工作原理；从动 力学研究了s r 电机应用于无梭织机直接主传动的可行性，从电机的额定功率、 最大转矩、起动转矩三方面复核其合理性。 二、设计了s r 电机基于d s p 2 4 0 7 控制的硬件和软件，s r 电机采用速度环 和电流环双闭环的控制方法。 摘要 无梭织机主传动控制方式有问接控制和直接控制，间接控制是通过离合器将 动力传递到织机主轴，这种控制方式存在其固有的缺陷。采用直接控制无需借助 离合器而直接控制织机的起制动及其调速，这种控制方式需要电机满足一定的条 件，即电机应具有较人的起动转矩。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) 作为一种较新型的电机，具有起动转矩火、调速范围宽、结构简 单等很多优点，因而将其用于织机的宅传动成为一种可能。 开关磁阻电机定转子采用双凸极结构，定子有绕组而转子无绕组，它遵循磁 路总是沿着磁阻最小路径闭合的原理工作。通过切换定子绕组通电顺序来控制电 机的转速和转向，其结构简单、控制参数多、调速范围宽等都凸显了它固有的优 越性，这样将开关磁阻电机应用于织机的主传动，采用直接式传动，不仅简化了 电机的摔制系统而且省掉了传统织机的离合器和慢速电机，使得织机的传动系统 结构变得简单。 本文研究分析了开关磁阻电机用于织机主传动的可行性，设计了相关的软硬 件，具体做了以下几个工作： ( 1 ) 阐述s r 电机及织机的工作原理； ( 2 ) 研究了s r 电机用于织机主传动的可行性； ( 3 ) 采用双闭环控制策略控制s r 电机，设计了s r 电机调速系统的相关硬 件和软件； ( 4 ) 对现有的实验设备进行了相关的实验，验证了s r 电机的优越性。 关键词：丌关磁阻电机，织机手轴，直接控制，问接控制 a b s t r a c t t h e r ea r et w ow a y st oc o n t r o lt h em a i nt r a n s m i s s i o no ft h en o s h u t t l e l o o m s ， t h a ti si n d i r e c tc o n t r o ls t r a t e g ya n dd i r e c tc o n t r o ls t r a t e g y i n d i r e c tc o n t r o ls t r a t e g yi s t h r o u g ht h eu s eo ft h ec l u t c hw h i c he x i s t s i ni t si n h e r e n tf l a w s d i r e c tc o n t r o l s t r a t e g yw h i c hd o e sn o tn e e dt ou s et h ec l u t c hc o n t r o l st h es t a r t i n ga n db r a k i n ga n d t h es p e e do ft h el o o md i r e c t l y t h em o t o rn e e dt om e e tt h en e e d so fc e r t a i n c o n d i t i o n s ，n a m e l ym o t o rs h o u l dh a v eal a r g e rs t a r t i n gt o r q u e s r ma sa n e wt y p eo f m o t o rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s1a r g es t a r t i n gt o r q u ew i d es p e e dr a n g ea n d s i m p l es t r u c t u r e s oi ti sp o s s i b l et ob eu s e do n t h em a i nt r a n s m i s s i o no ft h el o o m s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rw i t hd o u b l ys a l i e n ts t a t o ra n dr o t o rs t r u c t u r e t h e r e i sw i n d i n g so ns t a t o rb u tn oo nr o t o lt h ep r i n c i p l eo ft h ew o r ki st h a tt h em a g n e t i c c i r c u i ta l w a y sf o l l o w sa l o n gt h ep a t ho fl e a s tr e l u c t a n c et oc l o s e b ys w i t c h i n gt h e s t a t o rw i n d i n g si no r d e rt oc o n t r o lt h em o t o rp o w e rs p e e da n ds t e e r i n g i t ss i m p l e s t r u c t u r e ，c o n t r o lp a r a m e t e r sa n dm o r ew i d es p e e d r a n g ea n ds o i th i g h l i g h t st h e i n h e r e n ts u p e r i o r i t y s ot ou s et h es r mi nt h el o o m sm a i nd r i v ew i l lb en o tn e c e s s a r y t ou s et h ec l u t c ha n ds l o wm o t o rd r i v es y s t e m ，w h i c hw i l lm a k et h el o o mt r a n s m i s s i o n s t r u c t u r em o r es i m p l e t h i sp a p e rd ot h er e s e a r c ho ft h es r d su s i n gf o rt h em a i nd r i v ei nl o o m s m a i n l yt h ew o r kh a sb e e nd o n e a sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) d i s c u s si nd e t a i lt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h es r ma n dt h el o o m ； ( 2 ) a n a l y s i st h ef e a s i b i l i t yo f t h es r m b e i n gu s e df o rm a i nd r i v ei nl o o m ； ( 3 ) s t u d yd o u b l ec l o s e d - l o o pc o n t r o ls t r a t e g yo fs rm o t o r , d e s i g nt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ； ( 4 ) d os o m ee x p e r i m e n t st ov e r i f yt h es u p e r i o r i t yo f t h es rm o t o r 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 ；l o o ms h a f t , ；d i r e c tc o n t r o ls t r a t e g y ；i n d i r e c t c o n t r o ls t r a t e g y 目录 第一章绪论1 1 1s r 电机的发展及各国的研究情况l 1 2 织机的发展及分类2 1 3 无梭织机的主传动技术3 1 4 本论文完成的工作4 1 5 本章小结4 第二章丌关磁阻电机的工作原理及其控制5 2 1s r 电机工作原理5 2 1 1s r 电机结构5 2 1 2s r 电机的：r 作原理5 2 2s r 电机的三个基本方程式7 2 3s r 电机的线性模型：。8 2 4 理想线性模型的绕组磁链波形lo 2 5s r 电机凋速系统11 2 5 1 功率变换器1 l 2 5 2 电压整流13 2 5 3 位置检测14 2 6s r 电机的控制策略研究15 2 7s r 电机的特性及不足17 2 7 1s r 电机的特性17 2 7 2s r 电机的不足l9 2 8 本章小结1 9 第三章无梭织机电气传动系统2 1 3 1 无梭织机的工作原理2l 3 1 1 丌口运动2 l 3 1 2 引纬运动2 3 3 1 3 打纬运动2 3 3 1 4 卷曲运动2 4 3 1 5 送经运动2 4 3 2 织机“大运动的协凋2 5 3 3 传统的无梭织机主传动2 6 3 4 本章小结2 7 第阴章开关磁f 且电机用于无梭织机主传动的研究2 9 4 1s r 电机用于无梭织机卡传动的研究2 9 4 1 1 无梭织机主传动的传动要求2 9 4 1 2 应用于织机直接主传动的s r 电机的选定3 0 4 1 3s r 电机和异步机驱动织机比较3 2 4 1 4s r 电机用于无梭织机主传动的结构3 2 4 2 无梭织机的起制动分析3 3 4 3 系统的总体硬件设计3 5 4 4 电子送经和电子卷曲3 5 4 5 本章小结3 6 第压章基于d s p 的开关磁阻电机的控制3 7 5 1 控制器d s p 2 4 0 7 的简介一3 7 5 1 1d s p 2 4 0 7 的特点3 7 5 1 2d s p 2 4 0 7 的中断系统3 8 5 1 3 组成程序控制系统的儿条关键指令3 8 5 1 4d s p 2 4 0 7 在本系统中的作用3 9 5 2 硬件设计3 9 5 2 1d s p 2 4 0 7 最小系统板的设计3 9 5 2 2 功率电路和控制电路的设计4 l 5 2 3 基于d s p 的s r 电机的双闭环凋速系统4 2 5 3 软f ， ：设计4 4 5 3 1 主程序设计4 4 5 3 2a d 转换子程序设计一4 5 5 3 3 中断子程序4 7 5 4 系统工作流程设计4 7 5 5 本章小结4 8 第八章实验分析5l 6 1 实验装置5 l 6 2s r 电机工作时的电流和电j - i i 一5 2 6 3s r 电机的起制动5 4 6 4 本章小结5 5 第七章总结和展望5 7 7 1 总结5 7 7 2 展望5 7 参考文献5 9 发表论文和参加科研情况说明6 3 致 谢6 5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 s r 电机的发展及各国的研究情况 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ，以下简称为s r 电机) 由开关 电路和磁阻电机组合而成，是一种新型机电一体化电机系统。s r 电机的结构是双 凸极结构，即它的定子和转子均是凸极齿槽结构，且只有定子上设有绕组，转子 上无绕组【l l 。定子极对数通常设定为偶数个数，这样以便使位于径向相埘的两个 定子上的两线圈串接成一相绕组。 开关磁阻电机的最早文献记载可追溯到1 8 3 8 年，苏格兰学者d a v i d s o n 制 造了一台用以推进蓄电池机车的驱动系纠到。由于当时采用的是机械开关，其运 行特性、可靠性和机电能量转换效率都是很低的，从而难以引起人们太大的关 注。本世纪2 0 年代，英国学者c l w d k e r 发明并取得步进电机的专利，初具 了现代v r 步进电机和开关磁阻电机的许多特征。随着电力电子器件和电磁场计 算技术的发展，丌关磁阻电机又逐渐吸引了人们的注意力。6 0 年代后，国外开 始对s r 电机进行深入的研究和论证。7 0 年代左右，英图l e e d s 大学步进电机和 磁阻电机研究小组首创了一台现代开关磁阻电机的雏形，并进行了试验研究， 发表了许多论文，福特电机公司的d m e w e h r 和k n h 以及b a u s c h 等学者对轴向 气隙、晶闸管控制的开关磁阻电机的研究，使研究工作进入了一个新的发展阶 段。f e i 使这，新型叮变速驱动系统最终能引起人们的极大关注，则得力于英国 学者p j i a w r e n s o n 及其同事们杰出贡献。1 9 8 0 年，l a w r e n s o n 及其同事在i c e m 会议上，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了s r 电机的原理及没训特点，在 国际卜奠定了现代s r 电机的地位。同年，英困成立了i 址界上第一家丌关磁阻电 机驱动装置有限公司( s r dl t d )( s r dl t d 现已并入美国e m e r s o n 电气公 司) 。 s r 电机独有的优越性引起罔内外广泛的关注和研究，除英目外，美国、加 拿人、前南斯拉夫、埃及、土耳其等许多国家也都在积极丌展s r 电机的研究工 作。美幽空军和g e 公司联合丌发了航空发动机用s r d 起动发电机系统。加 拿大、前南斯拉夫在s r 电机的运行理论、电磁场分析等方而做了大最研究1 ：作。 埃及则对小功率的巾相、两相i i ：关磁阳电机的结构、起动性能等方面进行了许多 研究。一些学者还研究了新型结构的s r 电机，如盘式s r 电机、外转子式s r 电机、良线式s r 电机和无化置传感器s r 电机等。 天泮i ：q k 人。z 硕十学位论文 我国在上世= 纪8 ( ) 年代，首先是少数院校厂所跟踪研究。1 9 8 8 年1 1 月在南 京( 南京航空航天大学主持) 、1 9 9 1 年9 月在武汉( 华中科技大学主持) 及 1 9 9 3 年元月在北京( 纺织总会机电研究所主持) 三次召开了令国s r 电机学术 研讨会，这是前期我国sr 电机研究与开发的成果交流，也积极推动了这一领域 的发展。之后，s r 电机的研究很快普及到伞国范围的高等院校和有关厂所。研 发队伍迅猛扩大，理论和研发实践成果斐然，至今币式出版发表的s r 电机专著 就有5 本，同时研究成果已逐步从实验室走向了工业应用。 开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，这些优点使得开关磁阻电机 存在许多潜在的应用领域归纳起来可将其分为五个方面的应用：通用调速电动 机应用：电动车辆驱动应用：控制电机应用：家用电器应用：发电机及起动发 电机应用 1 2 织机的发展及分类 追溯到人类原始社会时期，当发展到食可果腹、衣可蔽体脱离茹毛饮血蒙昧 时期时，人类进入了文明史，而其蕈要的标志之一就是有了纺织业，从一定意义 上讲纺织技术的发展史与社会的文明史是同步的。在人类发展的历史卜，纺织生 产几乎足和农、i k 同时开始的，纺织牛产的出现，标志着人类脱离了原始状态，进 入了文明社会。从某种意义上讲纺织业住人类历史发展进程中具有举足轻重的地 位，可以说纺织是人类文明的传承载体。 从出现最早的小制手工织t j l 至l j 现存已经有6 0 0 0 年的历史了。织机足织造生 产中的 要机械，它能将各种纤维的纱线制成织物。我们伟大的祖国具有悠久的 历史和光辉灿烂的文化，早存四千七白年日仃，勤劳智慧的中国人民已经可以用织 t j l f l 织织物，并在西汉初期发明了提花机，对人类作出过很大的贡献。在西欧， 自从十八世纪发明蒸汽机，掀起了工业革命以后，织机也就由脚踏综既，手投梭 子的方式，逐步改革为用电动机传动。这种织机比手工操作的织机，不论在劳动 强度和生产效率方面，都是一个飞跃。我国引进电动织机足在清代水期，此后国 内逐步有少量制造【3 】。由于用梭子引纬冈而还阻碍着车速和产量的进一步提高。 从2 ( ) 世纪5 0 年代开始，世界各国开始研制无梭织机。无梭织机的基本特点是纬 纱是由引纬器引入梭口，把纬纱卷装从梭子中分离出来，或是减少纬纱的卷装( 只 包含相当于梭口k 度的一根纬纱) 。这样做的好处：一是引纬器可以用尺寸小而 轻的载纬器来代臀尺寸大而又沉重的梭子，这小仪减轻了投棱机构的工作负荷， 而且还町以减小经纱开口的角度：二足纬纱卷装的容量不再受梭腔尺、j 的限制， 从而使织机摆脱了频繁的补纬动作，也减轻了工人繁重的装纬劳动，总之无梭织 第一苹绪论 机的车速较高，生产产量高；能够制织从较轻薄的细平布剑较厚鼋的牛仔布等各 类织物，并能进行单色、双色和多色引纬等。 按照引纬装置的不同无梭织机可分为：喷气织机、喷水织机、片梭织、佥j 1 ) f l ： 织机 喷气织机是用喷射出的压缩气流对纬纱进行牵引，将纬纱带过梭口。喷气织 机最大特点是车速快、劳动生产率高，适用于平纹和纹路织物、细特高密织物和 批量大的织物的生产。喷气纵机具有速度快、生产效率高等优点。经历半个多世 纪的演变，喷气织机在产品适应性、织物幅宽等方面有了较大的提高。喷气织机 的机电一体化技术水平较为成熟，应用数码技术实现了织机运行的自动控制，生 产自动化已经达到很高水平。喷气织机对提高无梭织机的现代化水平发挥了重要 作用。 喷水织机是利用水作为引纬介质，以喷射水流对纬纱产生摩擦牵引力，使固 定筒子上的纬纱引入梭口。喷水织机足具有速度高、单位产量高的特点，主要适 用于表面光滑的疏水性长丝化纤织物的生产。喷水织机生产效率与生产成本在无 梭织机中是较优的。其速度快、产量高、能耗低、噪声小，但品种适应性受限制， 织制丝绸及吸水性较强的织物时有困难，产品幅宽也受到限制，对水质也有一定 要求，同时还会造成水污染。 片梭织机足以带夹子的小型片状梭子央持纬纱，投射引纬。片梭织机具有引 纬稳定、织物质量优，纬回丝少等优点，适用于多色纬织物、细密、厚密织物以 及宽幅织物的生产。片梭织机也是产品适应性很强的纵机。其织物质量好，织造 效率高，机物科及能耗较低，适合生产高档织物。但由于其价格较高，对纱线有 较高的要求，机电一体化的应用方面没有其他无梭织机发展快，所以片梭织机的 发展受到限制。 剑杆织机是用刚性或挠性的剑杆头、带来央持、导引纬纱。剑杆织机除了适 宜织造平纹和纹路织物外，其特点是换色方便，适宜多色纬织物，适用丁色彩 、 双层绒类织物、毛圈织物和装饰织物的生产。最一出现的无梭织机足单剑卡l ：织祝， 已有1 0 0 多年的历史。剑轩织机的发展经历了由单剑杆发展为双剑杆，山刚，陀剑 杆发展为挠性剑杆。 1 3 无梭织机的主传动技术 r 前幽内市场 二的新犁无梭织机手传动机构普遍采用高转矩的交流异步电动 机驱动，通过皮带、离合器传动主轴；手要足通过更换皮带轮实现织机的变速：停 车时有制动装罱等零部件。采用离合器问接传动使得织机的传动系统存在些缺点， 天津州k 人学硕l j 学何论文 离合器和刹车片长u , f l b j 的磨损会使离合器转子和离合器磁铁、刹车磁铁之问的间隙 不断加大，逐渐的会造成织机停车不稳定，停车位置不准确。甚至还会造成刹车盘 的弹簧由过载而失效，造成离合器损坏，另外使用交流异步电动机织机只能通过 更换皮带轮实现有级调速。 在第八届中国围际纺织机械展览会上展现了无梭织机主传动的各种技术【4 l ( 1 ) 开关磁阻电机的主传动 意大利d e i m 0 公司展出了开关磁阻电机的驱动器实样，据介绍用于无梭织机主 传动，但展览会上未见用于何主机上。 ( 2 ) 变频调速方式的主传动 ( 3 ) 高起动转矩电动机的主传动 国产无梭织机均采用高起动转矩的电动机。配电磁离合器和制动器作为辛传 动。 比利时的必佳乐公司的采用的s u m 0 电机做为织机丰传动，其实质就是采用s r 电机直接驱动织机的主轴，但是这项技术在我国发展还不是很成熟。s r 电机基于 l l j 调节磁阻技术，可直接起动织机，无需离合器和制动装置，有相当快的n l j jj ；, l 速度。 凶而织机基- 丁j 开关磁阻电机传动的系统具有其独有的优势，发展前景广阔。 1 4 本论文完成的工作 本沦文t 要就开关磁阻电机作为无梭织机的t 传动电机做了研究，其中控制 器采用d s p 2 4 0 7 。本论文具体要完成的工作是： ( 1 ) 介绍了织机的发展、分类以及控制方式的类型； ( 2 ) 详细论述了无梭织机的工作原理和其传动系统； ( 3 ) 阐述了s r d 的j 作原理、控制方式； ( 4 ) 分析了s r 电机应用于无梭织机主传动电机的i l 丁行性； ( 5 ) 设计了s r 调速系统的软硬件； ( 6 ) 最后就现有的实验设备进行了相关实验，测定s r 电机工作时的电流 电压波形，进而分析验证s r 电机的优越性。 1 5 本章小结 本章简要介绍了无梭织机的分类、发展历史、幽内外发展现状及为其末来的 发展趋势：f 司时概括性介绍了丌火磁阻r t ! 机的特性及其发展过程，最后就- 本论文 要完成的1 ：作做了简单的概括和总结。 第二章开关磁阻叱机的+ f ：作原理及其控制 第二章开关磁阻电机的工作原理及其控制 2 1s r 电机工作原理 开关磁阻电动机顾名思义，是按一定的顺序切换开关来控制定子绕组的导通 和关断，从而产生不同方向的磁拉力进而使转子运行的电机。其详细的工作原理 将在下文介绍。s r 电机是在8 0 年代中期发展起米的一种新型电机，随着科学技 术的不断发展这种较为新型的电机与现代电力电子技术和控制技术融为一体，是 一种较新的电机调速系统。它具有异步电机调速系统和直流电机调速系统所具备 的优点，同时具有其独特的优越性，如电机结构简单、控制灵活、调速范围宽、 可四象限运行等。随着技术的不断完善s r 电机的应用领域也在不断地广大，包 括牵引运输业、通用工业、航空工业、家用电器等都有它的应用，其独具的特性 使得它显示出强大的市场竞争力。下面主要介绍其工作原理及其控制系统。 2 1 1s r 电机结构 s r 电机的结构是双凸极结构，即它的定子和转予均是凸极齿槽结构，如图 2 1 定转子的结构图所示，这科，凸极结构的特点是根据其运行原理来设计的。定 子上装有集中绕组，而转子上无绕组，这样使得其结构要比传统的直流电机、交 流电机的结构简单。 2 1 2s r 电机的工作原理 图2 1 定转子结构图 s r 电机遵循磁路总是沿着磁阻最小的路径胁j 合的原理l 二作。s r 电机的定转 大冲i ：、i k 人学硕 ：学位论文 子的极埘数不相等这是为了保证每次当转r 了l n l 极中心轴和定子凸极中心轴对准 时，相邻的定转子中心轴是错开的，即保证当有定转子中心轴埘准时有且仪有一 组足对准的，这样才能使相邻定予绕组通电时，磁路遵循“磁阻最小”原理，转 子在磁拉力的作用下产生与相邻定子中心轴对准的运转。这样连续地给各相通 电，转子就会连续地运转，由此可见当给定子各相绕组的通电顺序不同时，产生 的转予磁拉力的方向也不同，进而【i 丁以使电机的转向不同。电机的运转方向与电 流方向无关，只与各相绕组通电顺序有关。 为了形象地说明其工作原理，这罩以8 1 6 极s r 电机为例说明，如图2 2 定 子绕组导通转子转向示意图所示，当控制器控制闭合定子a 相的开关时该绕组通 电，转子在电磁转矩的作用卜逆时针运转，直到其中心轴与a 相绕组的定子中，1 3 , 轴重合，同理当给b 相通电时，转子在电磁转矩的作用下逆时针旋转到中心轴与 b 相绕组定子的中心轴重合，依次给c 相d 相通电，这样转子形成连续的逆时针 运转。当要改变其旋转方向时只需改变定子绕组的各相通电顺序即可，若将通电 顺序改为a d c b 时，则电机会呈顺时针运转。这早只是定性的说明，在实 际工作中要切换绕组通电顺序时需要有转子的初始位置作为依据，即为了决定其 通电棚序，先需确定转予的起始化置，通常一种简单的方法是先给某一确定相通 电，如先给a 相通电，待转子凸极与a 相绕组的定子n 极相对时，冉根据实际应 用情况再决定是给b 相还是d 相通电，山以上可知换相顺序取决于当前的通电相 和转向标志。 欲舔 ( a )a 相遁电( b ) b 相通电 第二章开关磁阻电机的j 厂作原理及其控制 ( c ) c 相通电 震霹蔑 r 甚 l c 枣 蕊 、 图2 - 2 定子绕组导通转子转向示意图 2 2 s r 电机的三个基本方程式 ll j k j 7 0 秽 s r 电机可视为二端门装置，即一对电端r 和一对机械端k l ，它的基本方程 由电路方程、机械方程、秽lr t s 联系方程三个方程组成。 电动机第k 相电压平衡方程是： = r k i i + 撅触 ( 2 一1 ) 其中： 加于k 相绕组的电压 r 。k 相绕组的电阻 k 相绕组的电流 纯k 相绕组的磁链 由力学知识l 叮得s r 电机电磁转矩t 和负载转矩乃作用卜的转予机械运动方 程为： 嘣害+ 。鲁“ 治2 ， 其中： j 电动机转了及负载的转动惯量 大泮i ：、i p 人学硕f ：学1 7 ：论文 卜粘性摩擦系数 电路方程足从电学角度所列的方程，机械方程是从机械角度所列的方程，将 二者通过电磁转矩耦合起来，便町得机电联系方程。 通过力学分析，得到电机一相瞬时转矩为： 疋= 一考l 妒= r ( 2 - 3 ) w 绕组的储能； 秒转子角位置； a 耦合磁场在转_ 了位移增量a o 内的磁共能增量 其中： 形= f 抑，口矽缈 决定电机的出力及动态特性的是平均转矩，因而在实际应用中关汴更多的是 它的平均转矩而1 f 瞬时转矩，平均转矩的方程为： 丁= 警r l ( o ，f ( 秒) j d 乡 ( 2 _ 4 ) 式巾： m s r 电机的相数； _ 一s r 电机转子齿数 2 3s r 电机的线性模型 传统的直流电机、异步交流电机、同步交流电机均可得到简啦的、统一的数 学模型，而对于s r 电机l i 于其特殊性，即其定转子呈双凸极结构、只在定了上 装有绕组，并且绕组电流是非正弦、磁路高度饱和，导致其严重的非线性从而使 得它的建模相当闲难。这样给分机s r 性能，+ 丌j t t - 小z 了相当大的困难。不过还是i 叮以 通过分析计算建移比较精确的数学模型，但是计算十h 当繁琐，往往采用其近似模 ，理。 第二章开关磁阻电机的一t ：作原理及其控制 近似模型的建立需要作如下的假设： 2 0 】 ( 1 ) 主电路电源的直流电压彳i 变； ( 2 ) 半导体开关器件为理想，i ：关，即导通时压降为零，义断时电流为零； ( 3 ) 忽略铁心的磁滞和涡流效应，即忽略铁耗； ( 4 ) 电动机各相参数对称，每相得两个线圈作正向串联，忽略相问互感； ( 5 ) 在一个电流脉动周期内，认为转速恒定。 由图2 3 可知，s r 电机电感随着转子位置角变化的近似模型分四个区段， 最小电感区( 鼠0 2 ) ，最大电感区( 0 3 0 4 ) 以及电感随着转子位置角上升区 ( 幺0 3 ) 和下降区( 吼侠) ，其中电感随着转子位置角上升和下降部分都近 似为线性。据此可得出理想化的线性模型为： l ( o ) = 三m i n k ( 口一幺) + l n i n ( 2 5 ) 狮。 l 。一k ( o 0 4 ) 式中： k = ( 三懈一l m ；。) ( b 一幺) 人津川k 人学硕十学化沦文 图2 - 3 转子位置角和电感关系 2 4 理想线性模型的绕组磁链波形 9 理想状况下在一定的转子角速度”下，绕组通电时磁链将会以比率为 u ，w ，随导通角呈线性增加，功率管天断瞬时，磁链将获得最大值，而后以比牢 u ，w 随导通角下降，续流阶段的磁链以一定比率随2 一眈。- 0 而变化，当转 子位置角0 = 2 0 , ，o - o o ，时磁链衰减为零，如图2 4 所示。 一 第一二章开关磁阻电机的一l i f t 原理及其控制 二= 二二_ 图2 4 理想情况下磁链和转子何置角关系曲线 2 5s r 电机调速系统 s r d 系统足磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化装置， 其组成部分主要由s r m 丌关磁阻电动机、功率变换器、控制器、电流及位置检测 器等五大部分组成，如图2 - 5 所示。 2 5 1 功率变换器 图2 - 5s r d 系统的组成 本课题拟采用i 相1 2 8 极s r 电机，采h j 极对数越多则电机的转矩脉动会 越小。其功率主电路和电机绕组的连接方式设汁如图2 - 6 1 所示。这罩为方便起 犬津川k 人学硕1 ：学位论文 见只设计出其中一相的连接，另外两相与其相同。两个二极管起回馈电能的作用， 同时在开关管关断后也有利于相应的绕组电流迅速衰减，避免该相绕组进入负转 矩产生区。 功率管导通时绕组得电，电机运转，电流的流向如图2 6 一l 所示。 图2 - 6 - 1功率管导通时电流的流向 功率管关断后由绕组及二极管组成电流回路，并将电能回馈给电源。电流的 流向如罔2 - 6 2 所示。 图2 - 6 - 2 功率箭关断时电流流向 第二章开关磁阻电机的j ：作原理及其控制 不同的开关元件其丌关速度、触发的难易程度、能鼍损耗、耐用性等不同， 因而夕 ：关元件的选择是影响功率变换器的一个非常重要的冈素，对于f i 同的应用 场合会选用不同的丌关元件。主开关器件先后用过的有s c r 、g t r 、g t o 、i g b t ， 在使用中各有其优缺点。下面简要介绍各自的特点及其使用情况：s c r 优点能承 受很大的浪涌冲击。缺点s c r 无自关断能力，开关频率低，可靠性差；g t r 承受 浪涌电流能力差，存在二次击穿问题，不易保护，限制了其在高压、大功率场合 下的应用；g t o 兼有自关断、快速丌关能力，能承受较g t r 高的电流、电压。g t o 在关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度。常用功率器件是 m o s f e t 和i g b t 。 2 5 2 电压整流 电机的工作电源是经过整流、滤波和过压检测后得到的，如图2 - 7 电压整流 图所示。 阮 巩 u ： l - k i 、土 b 二= 卜一 i s 、 2王d 一 i 2z王2 r 3 11 d 1 d 2d 3 毛2 【 - - c l 根l 古r 4 i 唑纠 l d 4d 5d 6c 3c 4 1i 。r 2 ， l 2z 2 i l l 蚓2 7 电压整流和保护电路 + u s u s 三相交流电源( 线电压3 8 0 v 、5 0 h z ) 经二极管整流，电容c l 、c 2 、c 3 和c 4 对整流电路的输 的直流电流起滤波作用，这里电阻r l 、r 3 有两个作用，其一 半衡两个电容上的电压，其二是整个系统关闭开、j 对c l 、c 2 、c 3 和c 4 电容起放电 的作用。同时为了防i 卜滤波电容7 1 ：始允电所引起的过大的浪涌电流，设计中还采 用了电阻接触器并联网络。肖电路7 j l i 电时，继电器k 断丌，山r ： 流过电流给咆 容允电。当充电电压大于一定的电压时，接触器k 闭合，把电阻短路。 大津1 ：业人。学硕十! 学何论文 滤波后输出的直流，需要经过过电压枪查电路，当检测到电压高于设定值时， 控制s 导通，将电能释放到电阻r 4 上。 2 5 3 位置检测 s r 调速系统有位置传感器，这是s r 电机区别于传统电机的一大特征。位 置信号是确定相绕组通电顺序的重要依据，位置传感器检n - n 的位置信号输入到 d s p ，按照相关算法由d s p 输出控制电机绕组通断从而控制转向并用于转速估 算。通常s r d 对位置检测的要求是： ( 1 ) 在一定的运行范围内满足检测的精度； ( 2 ) 要求其工作电路简单。 通常s r d 位置枪测器的输出信号足数字信号，以转子转过的步进角为准， 每转过一个步进角，其检测器输出的数字信号会发生一次变化，控制器检查到这 个变化后，会根据相应的变化作出判断并据此发出相关绕组的接通和断开的切换 命令。 常见的位置检测方式有：光敏式和磁敏式位置传感器。其中介绍光敏式位置 传感器的工作原理。光敏式转了位置传感器由两部分组成：光电脉冲发生器和转 柱。转盛有齿槽结构，其_ r ：作的基本原理是：当光电脉冲发出光后，随着转盘有 规律的转动，其齿槽会遮光或透光，这样决定了光的接受部分是否能接到光，接 收到光时输出信号1 ，没有接受到光时输出0 ，由此根据转盘的运动情况输出一 系列脉冲信号，据此确定转子位置。通常转盘的齿槽数与转子的相等，且分布均 匀，转撒固定在转了轴卜，光电脉冲发牛和接受部分固定在定子上或足s r 机壳 上。 通常用编码器来获得位置信息，增量式编码器是编码器的一种，其特点是当 增黾式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲数输出，其汁数起点任意设定，可实现 多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅 的线数决定。本课题的位置检测拟采用增量式编码器，选用分辨率为每个机械转 可获得3 6 0 个脉冲。增量式编码器工作原理是直接利用光电转换原理输出三组方 波脉冲a 、b 和z 相，其中a 、b 两组脉冲相位差为9 0 0 ，目的是可以方便地判 断出旋转方向，当顺时针旋转时，通道a 输出波形超前通道b 输出波形9 0 0 ，逆 时针旋转时，通道a 输出波形滞后通道b 输出波形9 0 0 ，以此作为切换导通梢 顺序的依据。而z 相为每转一个脉冲，用于基准点定化。 课题采用三相1 2 8 极s r 电机，电机工作时转子从一个定转予凸极相对的 位置到下一个定转子凸极相对位置时需要转过l5 “的机械角，这早f l j s j l 械角是指 在一个极距角内，每柏电流使转予转过的角度数，冈为采用的s r 电机州数足3 第 二章开关磁阻电机的j ：作原理及其控制 相，转子数为8 ，则其机械角为口= 3 6 0 。3 木8 = 1 5 。 由于在一转内可获得3 6 0 个脉冲，当输出脉冲1 5 个时，表示s r 电机转过 一个机械角，说明到了换相时刻。将编码器的输出脉冲加到d s p 的q e p 端，q e p 接口会自动地将输入的编码脉冲进行4 倍频，这样有利于提高电动机角位置和角 位移信号的分辨率。来自编码器的代表一个机械角的1 5 个脉冲四倍频后就会在 d s p 的计数器上累计6 0 个计数信号，因此计数器每累计6 0 个计数脉冲后中断一 次，产生换相。 2 6s r 电机的控制策略研究 s r 电机的控制参数多，因而其控制方式灵活。可控的参数包括定子绕组电 压、定子绕组电流及功率开关管的开通角与关断角。实际工作中根据控制要求可 以合理地改变这些参数的一种或同时改变几种参数来达到运行的要求。目前为止 常用的几种摔制模式有如下几种： ( 1 ) 角度控制是指控制丌关管的丌通角和关断角，通过适当选择开通关断 角，使电机起动或正常运转。当在电感的上升阶段使绕组通电时，产生j 下转矩， 使转子正向运转；反之在电感的下降阶段给绕组通电时，产生负转矩阻碍转子运 动，从而达到制动的目的。在转子运转时，相电感随时在改变，当定转子的中心 轴对准时，相电感最大，当定子h 槽和转子凸极对准时，相电感最小，在最大和 最小之问可以近似为线性关系，因而转子位置角是电感的强相关函数，准确检测 转子位置信息时控制丌关角的重要依据。 通常，固定关断角，只改变开通角时，刈电流的影向足l 叮以改变电流的波形 宽度，同时也可改变电流波形的峰值和有效值，可以改变电机转矩，从而改变电 机转速，达到速度控制的目的。如图2 8 所示；是不同开通角所对应的电流波形。 一般关断角不影响电流峰值，只会影响电流波形的宽度，它同样会对电动机 的转矩和转速产生影响，但相比较而言关断角没有丌通角对电机转速的影响人。 天津i ：、j k 人学硕十学何论文 图2 - 8 不同开通角对【u 流的影响 相比较而言角度控制转矩调节范围大，可实现效率最优控制或转矩最优控 制。角度控制只适用一j ：转速较高的应用场合。 ( 2 ) 电流斩波控制电流斩波的原理是，丌通关断角固定，在绕组导通区间 提前确定电流上限值和下限值，在开通角打开开关时电流从零开始上升，当电流 达到上限值时关断开关，电流下降，下降到下限值时再打开开关管，在导通区间 如此反复打丌和关断开关管来控制电流，从而达到控制电机转矩和转速的目的。 电流斩波控制如图2 9 所示。 这种方式- j 限制电流峰值的增长，适用于电动机低速凋速系统，每个电流波 形呈较宽的平项状，故产生的转矩也比较半稳。这种控制方式抗负载扰动的动态 响应较慢，在负载扰动下的转速响应速度与自然机械特性硬度有非常人的关系。 图2 - 9 电流斩波控制 ( 3 ) 电压靳波控制通过调节相绕组5 l - d n 电压有效值，来改变相绕组电流的 人小，主要是通过调整p w m 占空比来实现。可采刖单管电压斩波的方式，即构造 第二章开关磁阻电机的l ：作原理及其控制 个可控的丌关电源，原理很简单，只是在电源电压和功率主电路间加个丌关，该 开关的驱动信号是一系列脉冲，如图3 - 9 所示： 图2 1 0 开关电源的驱动信号 通过调节瓦。的宽度，可以改变绕组上的电压，进而控制绕组电流，最终达 到控制转矩和转速的