（农业电气化与自动化专业论文）开关磁阻电机控制器的研究.pdf

中国农业人学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文介绍了开芙磁阻电机驱动系统( s w i t c h e d r e l u c t a n c e d r i v e ，简称s r d ) 的构成及其在国 际国内的发展状况，并对开关磁阻电动机( 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 m ) 的特点和电 磁原理进行了阐述，分析了其绕组电流在不同阶段的变化情况以及转矩、功率公式。介绍了s r d 的控制方式，研究了控制器所采用的控制策略。对控制器、功率变换器各环诤进行了理论分析 根据开关磁阻电机调速系统的主要技术要求和开关磁阻电动机的原始数据，对l k w 磁阻电机控 制器的硬件电路进行了设计。控制器采用硬件构成p i 调节器和脉宽调制器，实现整个系统入环 的速度闭环调节，其响应速度快，具有实时调节的优点。以a t 8 9 c 5 1 微处理器为主控单元，根 据运行转向要求和电机转子位置传感器的信号状态，发出相通断信号，并与保护信号相结合，实 现对主功率元件的通断控制。软件采用模块化编程，提高了程序的通用性和可读性。经过样机实 验，l k w 磁阻电机控制器的设计达到了技术性能要求。 本文设计的磁阻电机控制器响应速度快，具有实时调节的优点，因此也适合庶用于高速电机。 控制器在p w m 脉冲的控制下，通过公共调压开关对各相绕阻供电电源平均值的控制以实现调速， 具备了直流电机的调速特性。 关键词：开关磁阻电动机，电流斩波，电压斩波，控制器，脉宽调制 中国农业大学硕士学位论文 英支摘要 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ep r i m a r i l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fs w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ( s r d ) s y s t e ma n di t s d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) a n d i t s e l e c t r o m a g n e t i c sp r i n c i p l ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l s t h ev a r i a t i o no fs r mw i n d i n gc u r r e n ti nd i f f e r e n t s t a g e sa n dt h ef o r m u l ao ft o q u ea n dp o w e ra r ea l s oa n a l y z e di ni t t h e c o n t r o lm e t h o d ，t h ed e s i g n t h e o r i e sa n dw a y so fc o n t r o l l e r , p o w e rc o n v e n e ra n da d j u s t e ra r es t u d i e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt o s r d sm a i nt e c l m i c a lr e q u i r e m e n t sa n ds r m sr a wd a t a ，t h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e d p i a d j u s t e ra n dp u l s e - w i d t hm o d u l a t i o no f t h ec o n t r o l l e ra r ec o n s t r u c t e db yh a r d w a r ei no r d e rt or e a l i z et h e s p e e dc l o s e 1 0 0 pr e g u l a t i o no ft h ew h o l es y s t e t r um i c r o p r o c e s s o ra t 8 9 c 5 1 i ss e l e c t e dt ob et h ei l i a i n c o n t r 0 1u n i t a c c o r d i n gt ot h em n n i n gd i r e c t i o nr e q u i r e m e n ta n dt h es i g n a lo fm o t o rr o t o rp o s i t i o n s e n s o r , t h em i c r o p r o c e s s o rc a l lp r o d u c eo n o f fs i g n a l st oc o n t r o lt h em o s f e tb yc o m b i n i n gw i t h p r o t e c t i o ns i g n a l s ，t h ec o n t r o ls o f t w a r ei si m p l e m e n t e db yt h em o d u l a rp r o g r a mw h i c hc a l lm a k et h e p r o g r a mm o r eu n i v e r s a la n dr e a d a b l e r e s u l t so ft h es a m p l em a c h i n e se x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e c o n t r o l l e rc a nc o m p l e t e l ym e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s n l es r mc o n t r o l l e rd e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sr a p i dr e s p o n s es p e e d r e a l t i m er e g u l a t i o na n ds oo n s oi tc a na l s ob eu s e di nt h eh i 曲- s p e e dm o t o r b yu s i n gt h ep w m c o n t r o la n da d o p t i n gt h ec o m m o nv o l t a g e - r e g u l a t i o ns w i t c ht oc o n t r o lt h es u p p l yv o l t a g ea v e r a g ev a l u e o fe a c hp h a s ew i n d i n g ，t h ec o n t r o l l e rh a st h ed cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c k e y w 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 ，c u r r e n tc h o p p i n g ，v o l t a g ec h o p p i n g ，c o n t r o l l e r p w m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取褥的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它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本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：王坌丽 时间：三口口多年月矽目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：王垒丽 时间：2 矽 年月驴日 导师签名： 哆西 时间：7 吁年衫月口日 中国农业夫学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开关磁阻电机驱动系统的发展现状 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 m ) 基本原理最甲_ 提出在1 9 世纪4 0 年 代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力使电动机旋转是简单可行的。1 8 4 2 年，英国的a b e r d e e n 和d a v i d s o n 制造出了最初的s r m 模型，但是因为当时的科技条件落后，电动机的运行特性很差。 以后的1 0 0 多年阊，开关磁阻电视的发展缓慢， 2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管的研制投产为s r m 的研究发展提供了重要的物质条件。1 9 6 7 年，英国的l e e d s 大学开始对s r m 进行深入研究：到1 9 7 0 年左右，研究结果表明：s r m 可在 单向电流下四象限运行，功率变换器无论用晶体管还是用普通晶闸管，所需的开关数都是最少的； 电动机成本也明显低于同容量的异步电动机。 七十年代初英国的n o t t m g h a m 大学也开始对s r m 攻关。随后上述两所大学的研究小组联台 参加，c h l o r i d a t e c h n i c a l 有限公司发起的制造蓄电池车辆驱动装置的研究工作，成功研制了用于 电动汽车的5 0 k w 的s r m 装置，其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置，同时 美国福特公司也研制出最早的开关磁阻电动机调速系统，其结构为轴向气隙电动机、具有电动机 和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。这充分说明了 s r m 大有前途。 八十年代初，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授及其同事总结了自己的研究成果，芨表了题为变 速开关型磁阻电动机的论文标志着s r m 得到国际社会的承认。该论文系统阐述了s r m 的 基本原理及基本设计理论，研究了s r m 的特性及其控制方式。同时英国t a s c 公司获准制造s r m 系统，并推出了商品名为o u r o n 的通用调速系列产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重 视，美国、加拿人、南斯拉夫等国竞相发展，并在系统一体化设计、电动机电磁分析、微机应用、 功率元件应用、新型结构开发等方面取得进展。 在应用方面，各国学者将s r d 与各类调速系统，特别是与已得到椎广应用的异步电动机变频 凋速系统在成本、性能、应用领域诺方面作了大量的比较分析“1 ，得出了一致的结论即s r d 主要性能指标可与异步电动机变频调速系统竞争。目前，s r d 的开发范围：转矩为0 0 1 1 0 6 n 1 1 1 功率为1 0 w 5 0 m w ；转速可达1 0 5 r m i n 。具有关资料报道”，t a s cd r i v e s 公司推出的系列产品， 是1 1 1 0 k w 的工业用调速电动机系列，调速范围为3 0 3 0 0 0 r m i n 。过载能力为1 5 倍，可四相 限运行。 实践证明，拜关磁阻电机是典型的机电一体化谓速系统。具有结构简单、运行可靠、效率高 及成本低等突出特点，可在单向电流f 四象限运行，主开关器件数少”，成为交流电机调速系统、 直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关 注。 我国子1 9 8 4 年以较高的起点开始s r d 的研究和开发工作，并被列为中小型电机“七五科研 中国农业人学硕十掌位论文第一章绪论 规划项目”。已取得较大成果。现已有人批高等院校、科研院所、生产企业从事开关磁阻电机调 速系统的开发研究工作，如北京纺织机械研究所、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华 中理t 大学、华南理工大学、合肥_ 丁业大学、哈尔滨电工学院、南京调速电机厂、山东淄博电机 二：厂、西安微电机研究所、上海电科所、上海中达一斯米克公司等。在借鉴国外经验的基础上， 国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在 较为成熬的三相或四摺电机的控蓑0 方案上，目前已有十余家单位推出不同性能、用途、功率( 1 k w 到5 5 k w ) 的多规格系列产品应用于纺织、冶金、机械、运输和家用电器等多种行业和场所的数 十种生产机械和运输车辆中。 1 9 8 8 年在南京召开的第一届开关磁阻电机研讨会和1 9 9 1 年在武汉召开的第二届研讨会上， 均发表了不少专业论文，但数量、质量均不高。1 9 9 2 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机学组，以更好地推动开关磁阻电机研究工作的进展。自此，开关 磁阻屯枧的研究工作从最扔摸索合理的设计方法嚣向如何加速优化没计发展，在绕组互感对运行 的影响、转矩脉振、最佳电流波形、振动与噪声、发热及铁耗计算等方面提出了许多有益的见解 和尝试；在控制方面核心控制元什正由i n t e l 公司的y c s 一9 6 或m o t o r o l a 公司的m 6 8 0 0 0 系列单 片机逐步取代m c s 一5 1 ，用以提高控制系统的响应速度，降低成本，实现更为复杂的控制策略。 总之，开关磁阻电机调速系统是典型的机电体化调遮系统系统，涉及到微电子、电力电子、 微机实时控制、机械制造、机电一体化及工程应用等众多学科领域，具有广阔的发展前景。跨国 电机公司e m e s o n 电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长 点。随着对开关磁阻电机认识的深入，其应用必将更为普遍， 1 2 开关磁阻电机驱动系统概述 从功能部件上分，开关磁阻电动机驱动系统( 简称s r d ) 主要由开关磁阻电动机( 简称s r m ) 、 功率变换器、控制器和检测器构成。如下图卜1 所示。从样机和产品结构上来看，开关磁阻电动 机凋速系统通常由电动机和控制器两部分组成，其电动机部分包括角位移传感器，控制器部分包 含功率变换器和控制电路。 广 r = 。i 笆军掣1 竺1 l 善阜尹申 岖叵丑三l 图卜18 r d 系统构成框图 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1s r 电动机 s r 电动机是s r d 中实现机电能量转换的部件，系双凸极可变磁阻电动机，其定转子的凸极 均由普通硅钢片霍压而成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕 组可串联或并联构成一对磁极，称为“一相”。s r m 可以设计成多相结构，且定、转子的极数有 多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成 本高。因此电机定、转子的极数应当按使用的场合合理确定。 s r m 的转向与电流方向无关，为单向电流，若改变相电流的大小，可改变电动机转矩的大 小，进而可以改变电动机转速。若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方 向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单的控制方式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。 12 2 功率变换器 功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给s r m ，由蓄电池或交流电整流 1 l 厅得到的直流电供电。功率变换器在整个s r d 成本中占有很大的比重，因而合理选择和设计功 率变换器是提高s r d 性能价格比的关键之一。 由于s r m 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主 开关器件是串联的，因而可以避免直接短路故障。s r m 的功率变换器主电路的结构形式与供电 电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。 1 2 3 控制器 控制器是系统的中枢，它的作用是根据系统的实际工作情况和使用者的要求。综合处理速度 等外部输入指令及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s r m 运行状态的控制，使之满足预定的运行要求。 根据系统性能要求的不同，控制电路的具体结构形式会有很大差异。如伺服系统要求动态响 应快，转速精度高；而车辆传输系统则要求起动和低速输出转矩大，可四象限运行等。二者的控 制电路差异虽然很大但其共同点是系统一般均应包含下述几个部分： ( 1 ) 操作电路：用以接受外部指令信号，如起动、转速、转向信号等。这些信号可以是手 动输入，也可以是自动检测输入。 ( 2 ) 调节器电路：将给定量与控制量相比较，并按规定算法计算出控制参数的调节量。 ( 3 ) 工作逻辑电路：决定控制电路的工作逻辑，如正反转相序逻辑、高低速控制方式等。 ( 4 ) 传感器电路：用以检测系统中的有关物理量，如转速、角位移、电流和电压等。 ( 5 ) 保护电路；当系统中某些物理量超过允许值时，采取相应的保护措施如过压保护和 过流保护等。 ( 6 ) 信号输出电路：用于控制各被控量，如控制功率开关器件的导通与关断等。 ( 7 ) 状态显示电路：用语指示系统的工作状况和参数等，如指示电机转速、指示故障保护 情况等。 中国农业人学硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 检测器 为了使磁阻电机正常工作，必须在转子转到某位置时使相应的相绕阻导通，并在运行过程中 始终正确地切换各相绕阻，否则电机不仅不能按要求运行，还可能发生反转、停转、乱转等现象。 为了获得电机运行过程中转子的瞬时位置，必须在电机中安装角位移传感器，片j 来输出正确的转 子位置信息，这也是开关磁阻电机与其它电机的一个明显区别。 角位移传感器应具有输出信号大、抗干扰能力强、位置精度高、温度范围宽、环境适应能力 强、抗振动、寿命长和安装定位方便等特点。 1 3 开关磁阻电机驱动系统的性能特点 理论研究和实践证明，开关磁阻电机调速系统具有许多显著的特点”： ( 1 ) 电动机结构简单、成本低、适于高速运行 开关磁阻电动机的突山优点是转子上没有任何形式的绕组，成本低；转子的机械强度高，电 动机可高速运转而不致变形；转子转动惯量小，易丁加、减速。在定子方面，只有集中绕组，因 此制造简便，绝缘结构简单，工作可靠，能适应频繁起动，适用于各种恶劣、高温甚至强振动环 境。 ( 2 ) 损耗主要产生在定子电机易丁冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。 ( 3 ) 功率电路简单可靠，降低系统成本 因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每 相一个功率开关，电路结构简单；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。因此保护电路可以简化，既降低了成本，义具有很高的上作可靠性。 ( 4 ) 起动转矩大，起动电流低，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现 象。典型产品的数据是：当达到1 0 0 额定转矩时，只需3 0 的额定电流。 ( 5 ) 调速范围宽，调速比大于2 0 ：1 ，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性。 ( 6 ) 能四象限运行，具有较强的再生制动能力。 ( 7 ) 效率高、功耗小 开关磁阻电机驱动系统是一种非常高效的调速系统。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f 实现高效优化控制。 图卜2 给出了典型产品的输出特性和效率曲线，其系统效率在很宽的范围内都在8 7 以上， 这是其它调速系统不易达到的。 ( 8 ) 可控参数多，调整性能好 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和方法至少有四种： a 、控制开通角； b 、控制关断角； c 、控制相电流幅值： 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 d 、控制相绕组电压。 输出功率( k 哪 转速( r m i n ) 图卜2 开关磁阻电动机实测性能曲线 图卜2 给出了媳型产品的输出特性和效率曲线，其系统效率在很宽的范围内都在8 7 以上， 这是其它漏速系统不易达到的。 ( 8 ) 可控参数多，调整性能蚶 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和方法至少有四种： a 、控制开通角； b 、控制关断角； c 、控制相电流幅值： d 、控制相绕组电压。 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 同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态( 如出力最大、效率晟高等) ，还可使之实现各 种不同的功能和特定的特性曲线。与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在 成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。 开关磁阻电机驱动系统也存在着一些不足，因为功率变换器输出的是不规则电流脉冲，一般 导致振动噪声较大、低速转矩脉动较大，并且相数越多主接线数越多：需要根据定、转子的相 对位置投励，不能像异步电动机那样可以直接接入电网作稳速运行，而必须与控制器一同使用等。 随着有关研究工作的深入，这些缺点止被逐步克服。 开关磁阻电动机调速系统是由电动机、位置传感器、功率电路和控制电路所组成的机电统一 体，各部分密切配合，缺一不可。电气传动系统的传统设计方法都是利用已有的电动机，然后在 此基础上作系统设计。设计电动机时所作的优化仅涉及电动机本身，对系统而言只能称为“局部 优化”，而开关磁阻电动机调速系统因各部分不能单独使用，只能是从系统总体性能优化的角度 出发，而不是只考虑每一部分本身的优化，这种设计方法同传统设计方法相比是一个质的e 跃， 实际已经步入新兴学科“机械电子学”的范畴，在这种思想指导下设计出的产品是典型的机电一 5 中国农业大学硕士学位论义 第一章绪论 体化产品。 1 4 开关磁阻电机调速系统的发展趋势m m 8 m 9 1 由于开关磁阻电动机的发展历史短，涉及面广，在理论和应用上仍存在诸多值得研究和探讨 的课题： l 、减小转矩脉动及噪声 开关磁阻电机调速系统的脉冲电压、电流工作方式，不可避免地带来瞬时转矩的脉动，尤其 在高速重载时，振动、噪声将更大，因此，研究开关磁阻电机电磁力产生的振动噪声，改进其特 性已成为重要的研究课题。 2 、优化设计和计算机辅助设计 与其它传统电机相比，这种双凸极结构的磁阻电机的电磁设计是比较特殊的。由于电机磁场 分布的高度非线性，计算非常复杂：同时由于开关电路供电的非线性，电流波形规律特殊，只有 将电机、变换器及控制模式一体化设计，协调优化电机、电路结构及控制参数等才能获得较为满 意的设计结果。因此借助c a d 技术进行整体优化设计是最基本的研究课题。 3 、特殊结构、特殊用途、不同容量的s r d 装置的系列化开发 开关磁阻电机的推广应片j ，在很大程度上取决于系列化开发的成功与否，包括通用系列和派 生系列。 4 、无位置传感器方案研究 位置闭环控制是开关磁阻电机的基本特征之一，但它的存在使结构简单的优点逊色不少，同 时也增加了成本、降低了可靠性。因而探索实用的无位置检测器方案成为重多科研人员十分关注 的课题，目前国外研究较多的是用定子绕阻的瞬态电感信息来实现无能置传感器方案1 ，也有应 用状态观测器估计转子位置的无位置传感器方案“1 。 5 、变换器方案确定和主开关元器件选择 开关磁阻电机调速系统的性能和制造成本，在很大程度上取决于变换器主电路的结构形式。 变换器是根据控制器的指令输出直流脉冲电压分配给电机各相绕组工作的，方案类型很多。随着 电力电子技术的发展和新元器件的不断涌现，如何合理地选择主开关元件的类型、数量及容量也 是十分重要的课题。 6 、微处理器和专用集成电路的应用 开关磁阻电机能够正常工作的关键是每相开关导通、关断的实时控制，对起动、运行、故障 保护也要实时控制。早期采用的模拟电路控制，实时性相对较差，比较合理的是采用微机实现部 分或全数字实时控制。在微机控制中，已由8 位单片机，发展为1 6 位单片机，双1 6 忙或3 2 位 的单片微机的应用亦正在研究开发之中。开关磁阻电机控制电路的集成化对简化硬件电路、产品 系列化、提高可靠性等非常有效，是研究的方向。这是都是开关磁阻电机迈向成熟和批量生产的 必由之路。 7 、相数的研究与选择 根据需要，开关磁阻电机可设计成多种结构型式。目前最常用的是四相和三相两种，小功率 6 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 的也有采用两相结构。在每种相数中，又有多种不同的定、转子齿槽数方案供选择。可以说，每 种方案都有不同的特点，可以满足众多应用场所的不同需求。 8 、高转速开关磁阻电机产品的开发 很多场合需要高速传动，而开关磁阻电机具有转子结构简单、高速适应性好和调速范围宽的 特点，因此，开发高速产品是充分发挥特色的一个方向。此外，实现高速还可以有效提高能流密 度。 9 、电机铁耗、效率分析 开关磁阻电机调速系统是一种高效率的调速系统，但双凸极磁阻结构的铁心损耗计算却是难 度较大的研究课题。由于供电波形复杂，局部磁路饱和，步进运动状态和双凸极结构，定子铁心 损耗很难得到精确的解析式，转子铁心损耗就更难精确计算了。铁耗是影响电机效率的主要因素 之，对电磁计算的准确与否和计算机仿真结果都有直接影响，有必要进一步分析探讨。 l o 、工业应用探索 基于优良的性能特点，发展开关磁阻电机调速系统无疑有广阔的市场前景。作为一种新型调 速系统，尚需要在开发1 二业应用上花费人量的人力物力，致力于研究开发系列化、通用化和能够 满足特殊需求的特种开关磁阻电机调速系统。 1 5 本文的主要研究内容 本文在以前研究工作基础上，设计了1 2 k w 开关磁阻电机控制器，具体内容如下： l 、对现有的各种s r d 控制模式进行全面深入的分析研究，详细探讨s r d 系统自身的控制 机理，以决定s r d 系统的控制策略，设计由单片机系统a t 8 9 c 5 1 和模拟处理电路相结合的控制 器硬件电路； 2 、探讨不同功率变抉电路的利弊，根据电机结构选择功率变换器电路、主开关元件，并制 作调试； 3 、设计制作调试了驱动及保护电路： 4 、设计制作调试控制器电源电路： 5 、控制软件的编制及调试： 6 、在软、硬件均制作完成后，进行控制器的调试工作，并在调试通过后与主电路、开关磁 阻电机一起进行整体测试实验； 7 、通过实验，测量样机的实际输出功率，效率曲线，验证控制器设计的合理性。 7 中困农业大学硕上学位论文第二章开关磁阻电机的结构和工作原理 第二章开关磁阻电机的结构和工作原理 2 1 开关磁阻电机基本结构 开关磁阻电动机是开关磁阻电动机调速系统的执行元件，它的结构和上作原理与传统的交直 流电动机有着根本的区别。它遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，产生磁拉力形成 转矩一磁阻性质的电磁转矩。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。 所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。 囤 1 四相8 6 极s r 电机定转子实物示意图 s r m 的定子和转子都是凸极式齿槽结构。定、转子铁芯均由硅钢片冲成一定形状的齿槽， 然后叠压而成，图2 1 是四相8 6 极s r 电机定、转子冲片的形状。为了避免单边磁拉力，径向必 须对称，所以双凸极的定子极数( 齿槽数) 和转子极数( 齿槽数) 五和互应为偶数。当然，z 。 z r t 但应尽量接近。因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组电感随转角的平均 变化率，这是提高电机出力的重要因素。再考虑结构设计的合理性，所以常用的关系为： z = z r + 2 ( 2 - 1 ) 定子上设有集中绕组，径向正对两齿极上的线圈串联成一相绕组。因此，开关磁阻电机的相 数为 小：互 2 从自起动能力及能否正反转考虑，应选择腓3 。 对于有自启动、四象限运行要求的驱动场合，应优选表2 - 1 所示的定、 ( 2 - 2 ) 转子极树组合方案。 中国农业大学硕士学位论文第二章开关磁阻电机的结构和工作坂理 表2 - 1 磁阻电机的各种组合方案 相数3456 7 89 定了极数681 01 21 41 61 8 转子极数 4 68l o1 21 41 6 步进角( 膳b3 01 596 4 2 83 2 12 5 选择电动机的极数与相数与电机性能和经济性能密切相关。一般的说，极数和相数增多，电 机转矩脉动减小，运行平稳，但增加了电机的复杂性，特别是功率电路的成本提高。而极数和相 数少则功率开关主电路简单，成本低，因此，两相甚至单相结构是很有吸引力的，但两相果单相 结构的开关磁阻电机起动、正反转及换相等控制困难，运行特性差，因而目前最常用的还是三相 和四相的开关磁阻电机。 按照每极齿数分有单齿和多齿结构，一般说来，多齿结构单位铁芯体积出力要大一些，但 在同样转速的情况下，主开关元件的开关频率增高，其铁芯和开关损耗也增加，这将限制开关 磁阻电机的高速运行和效率，因此，一般不使用多齿结构，但低速运行平稳。 按气隙磁场分有轴向和径向结构，单相开关磁阻电机大多采用轴向结构。 本设计选用四相8 6 极s r 电动机，与三相s r 电动机相比，四相s r 电动机的起动性能要好 的多，转矩波动也小，只是电机和控制器成本都有所增加。如图2 - 1 所示的四相8 6 极s r 电动机， 转子极距角为6 0 度，步距角为1 5 度，每转步数为2 4 。 2 2 开关磁阻电机工作原理 以8 6 极四相开关磁阻电动机为例。图2 - 2 表示该电机的一相电路的原理示意图，s 】、s 2 是 电子开关，v d l 、v d 2 是二极管，u 是直流电源。电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等， 转子由叠片构成定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径 向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的 连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中，t b 线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反 比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极问中心线对准定子磁极中 心线时，相绕组电感最小。 图2 - 2 四相s r 电动机的结构( 只画出其中一相) 9 中国农业大学硕上学位论文第二章开关磁阻电机的结构和工作原理 当定子a 相磁极轴线o a 与转子磁极轴线o a 不重合时，开关s 。、s ：合上，a 相绕组通电， 电动机内建立起以o a 为轴线的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭等 处c j 合。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产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转 子磁极的轴线o a 向定子a 相磁极轴线o a 趋近。当o a 和o a 轴线重台时，转子已达到平衡位 置，即当a 相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。此时打开a 相开关s ，、s ：，合上b 相开关， 印在a 相断电的同时b 相通电，建立以b 相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方 向转过4 5 。，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过1 5 。依此类推，定子绕组 a b c d 四相轮流通电一次转子逆时针转动了一个转子极距tr ( tr = 2t t n r ) ，对于四相8 6 极开关磁阻电机7 r = 3 6 0 0 6 = 6 0 。，定于磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了4 4 5 。= 1 8 0 。空间 角。可见，连续不断地按a b - c - d a 的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿 a b c d a 的方向不断移动，转子沿a d c b a 的方向逆时针旋转。如果按a d c b a 的顺序 给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着a d c b - a 的方向转动，转子则沿着与之相反的 a b c d a 方向顺时针旋转。 2 21 开关磁阻电机的数学模型 建立开关磁阻电机数学模型，通常有以下三神方法：线性模型、准线性模础( 分段线性模型) 和非线性模型。线性模型忽略了饱和及边缘效应，认为绕组电感与电流无关。准线性模型将磁化 曲线分段线性化，近似考虑定转子齿极重叠时的饱和。以上两种模型，电感参数有解析表达式， 用丁求解电机性能时，电流和转矩有解析解，一般用于定性分析。事实上，由丁二电机的双凸极结 构和磁路的饱和、涡流和磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性和可控性，在电 机运行期间绕组电感不是常数，而是电流和转子位置角的函数。开关磁阻电机定子绕组的电流、 磁链等参数随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，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。 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并设开关磁阻电机的相数为m ，各相结构和参数对称。 设p = 1 ，p ，m 相的电压、磁链、电阻、电流及转矩分别为“，、缈，、r ，、f ，、0 t 转f 位置角为o ，转速为。 1 、电压方程 根据能量守恒定律和电磁感应定律，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，第p 相绕组电压方程 圹尺加鲁 ( 2 _ 3 ) z 、磁链方程 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转子位嚣角的函数 y 。= 矿( f 一- i p ，i m ，口)( 2 - 4 ) 由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在开关磁阻电机的计 中国农业大学硕士学位论文 笫二章开关磁阻电机的结构和工作原理 算中一般忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转予轭部饱和在各相之间产生的相互影 响这时磁链方程可近似成 妒p = 妒( f ，0 ) = l ( j ，0 p ) f ， ( 2 - s ) 3 、转矩方程 根据机电能量转换原理，开关磁阻电机的电磁转矩表示为磁共能对转予位置增加的速率 0 ：掣：r ( i p , 口) ( 2 - 6 ) 1 p2 矿刊l 剀 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 t = r ( f ，口) ( 2 - 7 ) 4 、机械运动方程 ，塑d t = 疋- b o o - 正( 2 - 8 ) do：(2-9) d t 式中卜转动惯量；b 粘滞系数；乃负载转矩。 2 22 数学模型的求解方法 上述数学模型由于有严重的非线性，不可能得出解析解。因此，在性能分析求解数学模型时 不得不在实用和理想之间寻求一种折衷的处理方法。到目前为止，针对磁链的变化，采用了以f 几种方法建立模型： 1 、理想线性模型 若不计电机磁路饱和的影响，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，可采用开关磁阻电机的理想线性模型将磁链儿近似为电流的线性函数，这种方法可了解 电机r 作的基本特性和各参数间的相互关系，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。 2 、准线性模型 冈为磁链“的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，同时不考虑相间耦合效应，这样可以用解析式 来表示每段磁化曲线。可将妒i 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) 。 3 、非线性函数拟台模型 将磁链卧用非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确度。 4 、奁表法 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吵一，鲫反演为等角度、 葛磁链间隔的电流特性数据，口j ，连同矩角特性数据t o , 彤以表格形式存入计算机中，然后 中国农业久学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机的结构和工作原理 用查表法数值求解非线性模型，这种方法较为直接、也较为精确既可用丁稳态分析，也可片j 于 解瞬态问题。 2 3 开关磁阻电机的性能分析 2 3 1 电感与转子位置角的关系 由于开关磁阻电动机的电磁转矩是磁阻性质的，义是双凸极结构，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。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 能置角周期性变化的规律可旯j 图2 3 说明。 v 后 ：厂 图2 3 定子线圈电感与转子位置角的关系 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点口= 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上。在a 和p 2 ( 8 ：为转子磁极的前沿与定子磁极 的斤沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值“。不变，这是因为开关磁 阻电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，便有一段定子极与转子槽 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；转子转过0 ：后，相电感便开始线性 地上升直到如为止。如系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，这时定转子磁极全部重叠， 相电感变为最大值工，。；基于电机综合性能的考虑，转子极弧辟通常要求大丁定子极弧卢s ，因此 在如和口。( 日a 为转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极保持全部重 叠，相应的定转子凸极闯磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值。；从8 。相电感开始线性地下 降，直到p s 处降为工“。，以、口- 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。 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： 1 2 l 上。i i t l0 1 0 0 2 c 臼，= t i 三k 。( o 。一吼+ 三“耋i ；i 2 c z - 。， l l 。一k ( o 一0 4 ) 0 4 0 0 5 式中k ：圭塑二生：墨磐! 二k 岛一0 ：屈 2 3 2 电磁转矩的分析 根据能量守恒定律，在不考虑电路中电阻损耗、铁芯损耗和转子旋转产生机械损耗的情况下 绕组输入的电能矾应等丁结构中磁储能昕与输出机械能件_ 之和，即 d 形= d f + d 阡，卅 ( 2 一1 1 ) 如果把电压u 和感应电势p 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 d - f 舻叫。i ( 2 - 1 2 ) 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为 d 形= u i d t 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 ，1 3 ) ，得 d 形= i d w 机械能可由电磁转矩r 和角位移0 计算，即为 d = t d o 将式( 2 1 4 ) 和式( 2 - 1 5 ) 代入式( 2 1 1 ) ，则得 d ，( 妒，盯) = f c m t d o 式( 2 1 6 ) 表明，对无损系统，磁储能是由独立变量粤和日表示的状态变量 决定。当p 为恒定值时，由式( 2 1 6 ) 得到一般转矩计算式，为 ，a r ( y ，0 ) 丁= 一二= 0 0 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 磁储能由霉和0 所 ( 2 1 7 ) 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，则由式( 2 1 1 ) 得 中固农业人学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机的结构和工作原理 d i v e = d w ： ( 2 一1 8 ) 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 8 ) ，得 哆= i i d q j 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 磁链掣可由电感l 表示为 甲= l f 将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 9 ) 得到磁储能的计算式 将式( 2 2 1 ) 代入式( 2 - 1 7 ) ，得 将式( 2 - 1 0 ) 代入式( 2 2 2 ) ，并记 则得到电动机的基本转矩计算式为 町：b ， r ：三f ，丝 2a 臼 p 1 工。 。 2t 2 0 口 o o o o p a b 0 2 u su iu ，u 自u 。+ u 。 压 u u 。 1l2 浮动 苫 1 u c ，u 。 1 1l浮动 0 区段通电产生正转矩；在a e a 口 l u o n u 。2 亡卜1 ” 图5 1 1 调速器的等效电路 中国农业大学硕士学位论文 第五章开关磁阻电机驱动系统的设计与实现 转速调节器的传递函数w 。s ( s 1 为 p ) = 等 用转速函数方框图表示转速比较器和调节器如下： 稽 图5 - 1 2 传递函数方框图 ( 5 1 ) ( 2 ) 调节器设计思路旧 在不同运行条件下，即在角度位置控制( a p c ) 方式、电流斩波方式( c c c ) 方式、电压斩 波控制方式等条件下运行，s r d 速度调节器的调节对象皆可近似等效为( 5 - 2 ) 所示的形式，即 为参数不同的两个惯性环节 g 。0 ) 5 瓦硼k o ( 5 - 2 ) 式中，、t 为两个等效时间常数，且疋t 嘞= 南，疋2 r + 乙 卜s r 电动机传动系统的转动惯量： 伊一s r 电动机传动系统的阻尼系数； k 。，一s r 电动机传动系统转速对转矩的反馈系数： t 一零阶保持器近似的小惯性环节的时间常数； 咒一速度反馈滤波时间常数。 按“二阶最佳”工程设计法，对如式( 5 - 2 ) 所描述的调节对象，调节器应采用p i 调节器， 即上面所述的电路结构，其传递函数如式( 5 1 ) ，即 o 心) ：! 娑，令式中“= ，这样 可消去一大惯性环节，剩下的只需选择t ，满足乃= 2 k 。t 即可。 s r d 一般并不满足t m 3 0 t c 的条件，但时践证明当 疋，常常仍可将t m 惯性环节近似 看作积分环节来计算“三阶晟佳”工程设计的调节器，即对式( 5 - 2 ) 的对象仍采用如式(