（电机与电器专业论文）直线开关磁阻电机的控制和性能研究.pdf

江苏大学蝴：l ? 研蜘生论文 a b s t r a c t l 拄o r d e rt oa c h i e v et o m a n d - i 澄ol i n e a rm o t i o n # i n 嬲r u a n s i 畚r o t a r ym o t i o n s 纛t r a n s f o r m e d g e n e r a l l yi n t ol i n e a rm o t i o n s ，a n ds ol i n e a rm o t o rd r i v e sa r eb e t t e rc a n d i d a t e sf o rb o t hl o w - s p e e d a n dh i g h - s p e e dm a s st r a n s i ta p p 羹c a f i o n s 。b ml i n e a rs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( l s r m ) w a s r a r e l ya p p l i e di na n c i e n td a y s ，t h er e a s o ni st h a ti ti sv e r yd i f f i c u l tt ob u i l de x a c tt h e o r e t i cm o d e l a n de l i m i n a t ei n t r i n s i cf o r c er i p p l e s ( s i m i l a rw i t hr s t l m ，a n di ti sm u c hd i f f i c u l t 协c o n t r o l l s r m w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c sa n dd i g i t a lt e c h n o l o g y , l s r mh a sr e c e i v e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nf r o ma c a d e m ea n dr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n si nr e c e n ty e a r sf o ri t ss i m p l e r r o b u s tc o n s t r u c t i o n ，h i g h - v a r i a b l e * s p e e dp e r f o r m a n c ea n dl o wm a n u f a c t u r i n gc a s t s m a n y u n i v e r s i t i e sa n dr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n sh a v eb e e ns t u d y i n gi ta n dh a v eo b t a i n e dm u c h d e v e l o p m e n t w i t ht h eg u i d a n c eo ft h e o r yo f “s i m p l i f y i n gt h em e c h a n i c s 糖雌a d v a n c e d c o n t r o ls t r a t e g y ”，t h i sp a p e rr e f e r st h en e w e s ti n t e r n a t i o n a lt h e o r e t i ca c h i e v e m e n ta n da n a l y s e s t h et h e o r yo f l s r m 、d e s i g n so f c o n s t r a c f i o na r d 姆s t e m i cs i m 站t a f o n 。 l s r m 3 st h e o r e t i cm o d e li sd e d u c e df r o mb a s i ct h e o r yi nt h i sp a p e r , i tm a i n l yi n c l u d e s t d e s i g nt h ec o n s t r u c t i o no f l s r ma c c o r d i n gt od o t a l lp a r a m e t e r s ，a n a l y z es t a t i o n a r ys p e c i a l i t yo f e v e r yp a r a m e t e r ；d e d u c ed ：m a m i ee q u a t i o na n dt r a n s 魁f t m e t i o n , b u i l d 娃y n a m i et m n - t i n e a r m o d e l a n a l y z ei t ss y s t e m i cd y n a m i cs p e c i a l i b ；g a i n s i m u l a t i v em s u t t s ，o p t i m i z es y s t e m ， i n t r o d u c eaw a yo fs e l e c t i n gp a r a m e t e r s + t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eq u a l i t yo fr e s p o n s eo f t h e s y s t e mw i l tb ei m p r o v e de v i d e n t l y a f t e ra n a l y z i n gt h e - g e n e r a lp o w e rc o n v e r t o r ，鑫s o f ts w i t c h i n gc o n v e t t o rp o w e rw i l lb e i n t r o d u c e dt od e p r e s sa n dr e m o v ei t sr i p p l e sa n dw a s t a g e t m s 3 2 0 v c 3 3w i l lb eu s e dt op m c e s s d a t a , a n dt h i sp a p e rp u tf o r w a r d st e s tc i r c u i ta s s o c i a t e d 弼趣d s e t od e p r e s sa n dr e m o v ei t sy a w pa n dr i p p l e s ，t h i sp a p e rm a k e su s eo ft h ee x c e l l e n c eo f s l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r , s u c ha sr a p i dr e s p o n s e ，a n ds o ，t h er e s u l t si so b v i o u s t h i sp a p e rc o m b i n e st h ec o n s t r u c t i o no fl i n e a rm o t o ra n dt h et h e o r ya n dc o n t r o lm a n n e ro r s r m 。a n a l y s e st h et h e o r ya n ds i m u l a t i o no fl s r md e e p l ni m p r o v i n gi t sp e r f o r m a n c eo i lt h e p r e m i s eo fk e e p i n gi t sa d v a n t a g e sa n ds i r n p l i 母i n gi t sc o n s t r u c t i o nu l t e r i o r l y tt h i sp a p e rm a k e s l s r ma p p l i e di ns o m es p e c i a lp o s i t i o n sa n di m p r o v e st h es y s t e m i ce f f i c i e n c y , 2 谈搏大学碳一 一耕究生论史 t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n s t r u c t i o no fl s r mi ss i m p l ev e r ym u c h ，c o n t r o lm a n n e ri s p e r f e c tc o r r e s p o n d l ya n dt h em o r ed e e p l yr e s e a r c ha n dg e n e r a l i z a t i o no fl s r i v l i sav e r y m e a n i n g f u lw o r k k e y w o r d s ：l s 熨m , d e s i g no fc o n s t r u c t i o n + p o w e re o n 鞴穗鹇c u r r e n tc o n t r o l ， c i r c u i t ，o p t i m a ld e s i g n ，s l i d i n gm o d e lc o n t r o l l e r 学位论文版权使爱援权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、健期学位论文的规定， 瓣意学校僳酝并蠢藩塞有关帮门蔑视梅送交论文麓复露锌鞠逢子舨， 兔许论文被戳阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学俄论文的全部 内容或帮势凑容壤天蠢关数据瘁遂嚣梭囊，哥辍采鬻影帮、缝窜蓑熬 描替复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适掰本授权最。 本学位论文属于 苓黎漤一。 学链论文 髻喾越名； 妈嬲， 譬磐签砖： 墨蓼 然字嗣期：严。年月脯翻 签窄闷蝴：m 华名月fg 目 学位论文作者毕业焐去向 - 季馨警霞： 邋讯地址： 毫话； 自g 瓣； 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人强导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其键个人或集体已经发表躐撰写过的作磊成采。对本文的 磅究数出：鋈= 要贡黻的个人葶妥集体，均遗在文中以明确方式标明。本人 完全意识列本声明的法律结果豳本人承担。 学位论文作者签名： 弓础、 隧期：。心年占月，8 目 江苏人学硕 ：研究生论文 第一章绪论 1 1 研究直线电机的意义 在现代l 一业生产中，随着对生产工艺、能源以及用电环境等方面强求的不断提商，人 们小断地探索新的理论，设计出新型的装鬣。在动力传动过程中，工艺过程对电动机的起 动、裁动、精确定位、按调运行握窭了越来越裹嚣要求。大多数竞避熬生产过程都鬟簧穰 密的澎线运动，为了完成直线运动，传统的方式是通过旋转运动在传动装置的作用下实现 的，传动装置的增多降低了传动系统的整体效率，并且不可避免地出现机械的磨损，系统 羽霹撵性也箨诋。隽魏，入稍产生。罗臻究不爨要羟蓬中阕熊转换恧壹接产生壹线运动鳆装 置的想法，这就照菹线电机。赢线电机的优点不仅表现在其结构的简肇结实，还表现在以 下几个方面： 簧动装嚣：甭翥要运鬻任餐孛裁转攘烧擒，霹以囊接产垒三蠹线运动。 直线速度不受限制：酱通旋转电机由于受到离心力的作用，熟圆周速度受到极限 速度的限制，而直线电机的零部件和传动装置不受离心力的作用，因而不麓极限 速度蕊羧铡，可戮达剃缀毫靛速囊。 传动系统环境：没有机械传动所产生的噪声。 使用环境：直线电机的结构决定了其初级铁心在嵌线后可以用环氧树腊等密封成 整体，逶合在潮漫( 蒸至在隶中) 、骞囊经经气髂、毒毒气镩、囊温窝踅低瀑翡嚣 境中使用。 散热效聚好：具有很大的散热面积，不需要附加低温冷却装鼹。 蕈遍缭缀：在霸级袋次缀上绕线( 哭嚣一边) ，馁予维护秘修瑗。 目前，直线电机的运用局限在较小的范围内，其运行的机理一般采用步进电机的运行 方式，一般运用在特定的场合下，较为先进的运行机理怒采用磁阻电机的运行方式，但目 静崮楚在磅究巍试验淤段，氇鬻是本文瑟簧萋点骚究懿内容。 在高精度和商速度的直线运动装置中，一般选用直线步进电机，瞬前这种电机在很多 领域取均有运用。随着现代电力电子技术和数字信号处理技术的发展，在“通过先遴的控 裁滚疆篱纯橇躐装嚣”愚想熬摇霉下，入翻篼注意力集中舞了磁疆式瓣童线毫凝上。磁覆 。电机以其简单结实的机械结构、优越的调速性能愈来愈受到人们的黧视。l s r m 的主要 优点表现在： 电视牵引力韵方蠢与魄漉懿辍稳无关，哥戳减少控麓器甄纛黉豹开关元嚣俘瓣鼗 扭掉人学顿 。研究生论义 量。 牵引力大，但不产生过大的冲击电流。 力一速特性容易控制，调速性能优越，可以适应不同负载的要求。 用功率变换器对电机供电，能量具有再生作用，效率高。 可调节的参数多，调节方式灵活，适合于用比较先进的控制策略进行控制，提高 系统的鲁棒性。 所以，在要求直线方式运行的电机调速控制中，l s r m 显示出其无比的优越性。当然， 不同种类的电机均有各自的缺陷，主要表现在： 功率和效率因数偏低( 指单机) ：在高、中速时的效率与普通电机相似，但在低速时， 明显偏低。 磁路复杂：其基本理论尚未完全成熟，难以模拟和控制。开关磁阻电机固有的噪声 和脉动难以克服。 对于这些不足之处，各国研究人员都在积极地寻找更为合适的解决方法，本文也对 这方面进行较为深入的研究。 1 2 直线开关磁阻电机( l s r m ) 的历史和发展 本文中的直线开关磁阻电机实际上只是直线电机的一种形式，其电机结构是直线式的 结构，其运行的机理为磁阻电机的运行机理。直线电机的起源最早可以追溯导1 8 4 0 年， 惠斯登( w h e a t s t o n e ) 开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机【l 】。1 8 4 0 年一1 9 5 5 年，真线电机的研究处在探索试验阶段：1 8 9 0 年，美国匹兹堡市市长首次明确提出直线 电机以及它的专利，把直线电机用在织布机的梭子上：1 9 0 5 年，提出将直线电机作为火车 的推进机构，这可以看成现代高速列车的开端；1 9 1 7 年，出现了第一台圆筒型的具有换接 初级线圈的直流磁阻电机，试图作为导弹发射的推动装置；1 9 5 5 年，美国宣布成功试制出 了电磁炮。山于对直线电机的原理和运行机制尚未完全清楚，因而这些装置都比较粮糙。 1 9 5 6 年以后，进入了开发应用阶段。1 9 5 6 年，莱思特丌始公开发表直线电机理论分析的 文章；1 9 6 6 年，出现了系统介绍直线电机的专著g n d u c t i o nm a c h i n e sf o rs p e c i a lp u r p o s e ， 使得直线电机的研究有了理论依据。1 9 6 2 年，w e s t 和j a y a w a n t 设计了作为铁磁谐振器的 单机直线电机，直线电机的发展跨上了一个新的台阶。1 9 6 5 年以后，逐步推出一些通用型 2 江苏人学坝l 讲究生论兜 的装辫，如m h d 浆、自动绘图仪、磁头定能驱动等装嚣。从1 9 7 t 苹开始，囊避入实用 商品阶段。八十年代以后，主袋工业国家致力于高速列车的研制，其中煅主要的动力牵引 装爨弹为壹线电机，撵蠢凌电枫煎发展推窝了矮媾。 随着现代电力电子技术和数字信号处理技术的发展，在“通过先滋的控制策略籁化 机械袋置”思想的指导下，人们把注意力集中到了磁阻式的宜线电机上。磁阻式电机以其 蓠攀缝实藜懿蠛缡翰、霞越费濑速往蕤愈寨愈受葵太韵静鬟稷。磁瀑魄梳嚣莛步氇穰早， 大约可以追溯到十九世纪四十年代，研究人灏利用顺序磁拙力使得电机旋转。但在以后很 长时劁避几乎没有什么发展，邀主要是受到电力电子技术和电子元器件制造技术和工慧的 陵澍。二卡藿鬣六 r 年魏。电予工监鹣爱曩浚宅气转魂镁域提交了强裔力蕊凑率毫予器萍 和町黠、廉价、多功能的控制器件。六十嘲兰代末，j j a r r e t 提出了“增加饱和度有利于增 加磁缀电动机出力”的观点，才使得磁熙魄机得以迅速的发展，童线开关磁阻f 包机也是 在此慧礁蓑震邋来静。它鼹发震历史虽然不长，毽受戮备鬣蒋鬟是王照发达国家静离凄 霞榭，舣得了卓趟的成就。值得提的是，襁七十年代捌，直线电机作为高速列车动力牵 弓 装霞受型各国靛酱遍重视弗试凰予以实藏，尤其是班德国j 曩基本为典型钓代表。三卡多 霉寒，壹线电械瀚糖类繁多，控铡方法屡浅不秀，结合耨型静控摹l 方法帮算法，搜得意线 电机的运用寸分广泛，象高速磁悬浮列车的研制就是这方顾的杰出代辘。另外在她常规 筑动力转动中，蕊线稽关磁嫩瞧枫弱壅用瞧越寒越广泛。总之，本文中鲍直线开关嫩嫩电 视实际上只是壹绒龟税酶一辩形式，其逮鞔靖梅是壹线式瓣结稿，其运行豹紊毽理巍磁隧惫 机的远行机理。 1 3 直线开关磁阻电机的基本原理和缩构 囊线开关磁瓣电毒且是双凸辍哥交磁疆魄掇，其运行瑟邋遵锤“磁爨最小嚣理”，鬻磁 通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心往移动到最小磁阻位置时，必使 自己的主轴线与磁场的轴线萤念 “。如图1 1 所示： 这是一个：三捆6 4 结构的藏线开关磁礁电枕酶示意潮1 5 l 淄。根据设诗的需要，在动子 上绕线，分别为a 相、b 相、c 相。a 相的两个凸极相对，磁阻最小，不产生牵引力。当 玎遴8 穗时，由予主轴线与磁场粒轴线不熬会，毅据“磁辍最小器理”必定产生牵g 力， 江棼大学颟。n 姘究裳论文 商到生轴线与磁场的轴线重台，如同图示( 1 1 ) 中的a 桐。b 相关断，开通c 相，原理 翔同转榴，关断c 耩，荐开通a 稠，如_ i 毙循环下去，酃；a - b - c a 的方式；翔暴改变歼 暹瀚方式，帮：c + b 。a ，粼游敬变牵g | 力戆方两。爨瑷，致燹野邋耱豹次旁辍鄂彀变功率元 图1 1l s r m 基本结构原理图 器件通断的次序，就可以改变牵引力的方向，而与相电流的方向没有关系，这也是开关磁 阻电机与普通电机十分重要的区别。l s r m 相数的增加可以减少转矩的脉动和降低电磁噪 声，但是相数的增加却增加了功率变换器的开关管的个数，单相的保护电路也要增加，使 得控制电路复杂化。通常，需要根据设计的总体要求，考虑到成本和可靠性等方面的要求， 合理地选用丌关磁阻电机的相数。 随着电力电子技术和制造工艺的不断发展，高频率、大功率的电子管的出现为现代交 流调速技术的迅猛发展提高了可靠的保证。除了一些特殊要求的电机要使用特种电机外， 通常情况下，普通电机加上控制策略就可以获得预想的效果，这更加促使交流调速技术的 发展，在原有传统控制技术的基础上，不断有更加新颖和实用的控制技术的出现。目前， 旋转丌关磁阻电机的发展已经有了可供借鉴的理论经验，这为直线开关磁阻电机的控制理 论的研究提供了极大的帮助。通常使用的几种控制策略为1 7 1 8 】： 1 传统的控制策略 7 1 传统的控制策略如p i d 控制、解耦控制等，在调速技术中得到普遍运用，也取得了很 好的调速效果。其中p i d 控制算法蕴涵了动态过程的过去、现在和将来的信息，采用改进 后的p i d 控制算法其配置几乎是最优的，具有较强的鲁棒性，这种控制算法在现代工业控 制中几乎无处不在，具有极大的使用价值。而且，这种控制算法与其它新型控制思想相结 合，形成许多有实用意义的控制策略。s m i t h 预估器与控制器并联，可以使控制对象的时 叫滞后得到完全的补偿，在设计控制器时就不必考虑对象的时滞影响，对解决调速系统的 逆变器电力传输和速度测量之后所造成的速度反馈滞后所造成的影响是十分有效的。但是 4 敬莽太学磋扛研究生论奠 传统p i d 控制策略也存在冀闺有的缺陷，如反应较馁，不遥合予实时掩镪性能鞍离的系统 控测等等。鼍然，选择控制策峨时应檄摄实艨翥要，性能较高的控制爨赌会增炽成本。在 i 一稷上，只鬟能达到运用的嚣求，并且成本是最低的控制策略就怒最好的策略。 2 ，现代控制策略 在对予浆摸型确定、不变化旦为线性系统的结构中，在操佟条传、运行环境不变他 的条件下，采用传统的控制策略是十分简单而有效的。但是在离鞲度、高速度的场合下， 就必须考虑到对象的结构和参数变化、运行环境的改变、各种菲线性的影响戳及环境干扰 等时交彝不确定黝素，才娆褥到满意的控制效果，因此对于象直线开关磁阻电枫这样的依 靠复杂的磁圈路翮强耦会的魄桃来说，对予偶然性和于扰特别严藏的情况下，遮髑现代控 制蘸略来控制电机系统就爱具有实用的价值，这方磷的理论和运厢也g f 起学术羿和工程界 豹藏鹱重视。 ( 1 ) 是逐应控制”1 直线丌关磁阻电机的性能参数的变化悬缓慢的，可以采用自适应控制策略自h 以降低和 潸豫。鑫遥应控潮霹隘分烫搂潼参考鑫逶庭帮交校疆舔穗类蘩。模鏊参考蠢逶敷捺稠弱基 本恩想是在接测器帮控露l 辩蒙组残豹基本瀚黪乡 ，还建立一个毒参考模型和爨遗瘦软掬组 成的附加调节电路。自适应机构的输出可以改变控制器的参数或对控制对象产生附加的控 翻作雳，镶褥毫瓤麓输臻葙参考模鍪一致。警遥寝羧铺秘辩熬调节霞路盘溪谖嚣帮控裁襄 设谤聿晁撼鳃贼，瓣谖器缀攮对象熬输入帮埝爨售号，在绒筵诗对黎靛参数，戳对象参数豹 估算值作为对象的真值遴八控制器的设计机构，按设计好的控制规律进行计算，计簿结果 送入可调控稍器，形成赫酾羧镬输蠢，汉羚偿对象静耱瞧交纯。 ( 2 ) 交缝梅控翩4 6 1 滑模变结构控制是变结构控制系统的一神控制策略，这种控制策略与常规控制的根本 区涮在于控制的不连续憔，即一种是系统“结构”随时间变化的开关特性。惑线开关磁隘 电机的固有缺陷楚牵引力的躲动，这怒由予功率交换器颁繁的通断造成蓖，是不露避免的。 运用漏模变结构的控制方式可以把每个时阐段看成烂一种结构的平台，那么从一个平台到 另个平台的变换就减弱藏消除这种瀛按遇断的“擗动”，从而使得魄桃的运行更潮平滑。 特涮是在电源高频切捩的惰溅下，这罩申控稍作用的效果爱加强嚣。 ( 3 ) 象捺控制 4 7 1 针对控制对象的不确定性( 主要包括模型豹不确定性、降除避似、非线靛酌线性让、 5 江带：夫学坝卜i l j f 究擞论文 参数的特性时变、漂移、工作环境和外界扰动等) ，按照一定的控带0 算法，保证系统的稳 定罄耱挂萃 1 撼凌胬棒瞧。主簧方法有代数方法鞠籁域方法，鞭躐方法楚、欤系统酌传递溺数 l i 簿溺发羧诗系统， 。控剃是较为残熬的羧鞭方法，其实葳楚蘧遗使系统囱挠动至镳茇 的传递丽数矩阵瀚h 。藏数融极小躐小予菜给定德，摇就求设计控镥器，实践证明遮种 掩镄方法对豢摹裁系统秘撬葫蒸有嶷爵静效巢。 ( 4 ) 预见控制h s 所谓预见性控制是指对目标值的过去、现在、将来和干扰信号的未来情况完全知道的 情况卜，使目标值和被控制量的偏差整体达最小，所以就自然地将其归于全控制过程期间 的某一评价函数取最小值的最优控制理论框架之中。实际上，可以认为预见控制理论是最 优控制问题的新的出发点。所以，了解未来如何要求，即目标值与干扰信号如何变化，对 确定现在的控制输入就成为极其重要的信息，这是预见控制的最根本的出发点。用在直线 丌关磁阻电机上，就是在控制系统的基础上附加了使用未来信息的前馈补偿后构成的，能 极大地减小目标值和被控制量的相位延迟，换句话说，就是被控制量能没有延迟地跟踪目 标值，从而能达到预想的效果。预见信息基本上是作为前馈补偿作用的，所以对整个系统 的稳定性和对参数变化的鲁棒性没有关系。要改变个别目标值的响应性能及抑制干扰，只 要增加荫馈控制即可。所以，一般的前馈补偿，不使用预见值而只使用当前时刻值进行反 馈补偿，这是预见前馈补偿的特例。当然，预见值的计算往往会有一些误差，这就需要结 合实验的方法来设计补偿装置，从本质上说，这是一种在原有系统基础上的优化方法。在 预见控制过程中，并不需要知道所有的目标值，只需要一个适当的到有效时段为止的目标 值就可以了，一般情况下，扰动具有随机性，在绝大多数情况下，这种随机性是不可预测 的，但是在特殊情况下，什么时候出现什么样的扰动，即干扰信号的未来情况是可以预见 的，那么，就可以采用扰动前滞的方法来改变对象的控制输入，使输出尽可能准确快速地 跟踪输入。 ( 5 ) 智能控制1 5 2 在一些复杂的控制系统中，采用智能控制是较为合适和必要的。模糊控制、神经网络 和专家控制是目前比较典型的智能控制策略，其中模糊控制芯片已经商品化，因其实时性 好、控制精度高，十分适合于象直线开关磁阻电机这样的系统结构复杂、干扰多的系统中。 但是，因为直线丌关磁阻电机的运行机理和数学模型尚未完全清楚，目前用智能控制的方 6 江苏大学顶i ：研究生论立 法来控制直线丌关磁阻电机的文献十分少见。但国外专家已经提出了这方面的设想，并已 局部实施，取得了良好的效果，但就其整体系统而言，尚未完全能够得到运用。就智能控 制本身而毒，这种控制策略的显著优越性十分适合于磁阻电机这样的系统的使用，相信在 以后的研究中，必定会在这方面的研究中取得巨大的进步。 14l s r m 的国内研究动态 相对于国外，国内直线电机的研究起步较晚，而且发展不稳定，对于直线开关磁阻电 机的研究就更晚了。l s r m 可以直接得到直线运动，可以直接进行直线驱动，其运行机理 为磁阻电机的原理，所以得到直线运动才是最终的目的。国内尚未出现开关磁阻式的直线 电机的相关文献，但旋转式的开关磁阻电机的研究在不少科研单位已经开展了。本文致力 于直线运动的电机的研究，在研究直线电机的基础上结合磁阻电机的运行机理。 我国对于直线电机的研究在七十年代比较热 2 1 ，八十年代前期发展比较缓慢，八十年 代后期又有较快的发展，不少科研单位和大专院校都积极地投入到直线电机的研究之中。 1 9 6 9 年。我国丌始对直线电机进行研究；1 9 7 2 年，浙江大学编译出版了第一个中文版的 专著直线感应电动机，并研制出直线电机驱动吊装用桥式起重机：1 9 7 8 年，上海工业 大学、上海铁路医院实现直线电机用于z s r 血沉仪；1 9 7 9 年，上海微电机研究所研制出直 线测速发电机；1 9 8 4 年，中国电工技术学会直线电机研究组成立，第一界年会于1 9 8 6 年 在南宁召丌，标志着我国直线电机的研究踏上了一个新台阶。1 9 8 7 年，浙江大学丁志刚等 编著的微特直线电机及控制，使得直线电机的研究系统化。以后几乎每年都召开直线 电机的年会，会上既有论文的交流，也有新成果的展现，参加会议的人员不断增加。尤为 可喜的是，不少青年专家和学者也加入到研究的行列之中，增强了发展的后劲。我国在直 线电机的发展运用上也取得了可喜的成果，具有代表性的研究成果为：中国科学院电工所 研制的l i m 及磁悬浮、l p m 及绘图机产品、l s m 、直线加速器、磁悬浮推进船等；西安 交通大学的l i m 、l s m 及铁磁分离器；太原工学院的真线旋转电机；上海大学的邮政输 送线焦作矿业学院的直线升降机；江苏大学的l i m 、l p m 。最近几年，直线电机的应用更 加广泛，l 二海已经引进高速磁悬浮列车并试运行，这样的工程在世界上只有少数几个发达 国家才进行试运行，充分说明了我国对直线电机研究和应用的高度重视。当然，对于磁阻 式的直线电机的研究，目前在国内尚未有相关文献报道，作者所从事的工作是属于开创性 江棼大学领 ：研究生论文 的研究。作者借助于磁阻式电机和直线电机的研究方法，结合磁阻电机的机理运用到真线 式瓣 赶枧结构。e ，参考圈外最毅磺究或聚，设诗出瓶颖憋壹线开关磁隧电投。 1 5 本文研究的主要内容 本课题是江苏省教委自然科学基金会的课题，并由该基金会提供经费赞助。 本文在深入了解国内外l s r m 的发展和现状的基础上，按照课题的要求，从最基本的 理论出发，推导出可以应用的公式。在此基础上，进行电机的结构和系统设计。 第。章简单介绍了l s r m 的历史、发展和基本原理，使读者对l s r m 有一个整体的 概念，对l s r m 设计的重点和难点有一个清晰的认识。 第二章重点介绍l s r m 的数学模型，由基本的计算电机功率的公式，通过微分的方法， 推导出l s r m 牵引力的公式；推导了l s r m 电路部分的方程和机械方程。在此基础上， 结合实际电机的模型，确定具体参数进行电机的模型设计，并给出具体设计图。 第三章重点介绍l s r m 控制系统的设计。在介绍常规半桥式功率变换器的基础上，考 虑的丌关磁阻电机的脉动和噪声，本文详细介绍了软开关技术的原理及实现方法。由于本 文采用d s p 控制，本章还介绍了d s p 接口的驱动电路及电流和电压的保护电路，并就电 流和位置的检测作了详细的说明。 第四章重点介绍l s r m 的特性，包括其静态特性和动态特性。由于l s r m 的磁路十 分复杂且高度饱和，不容易模拟和仿真，本章是在研究静态特性的基础上研究其动态特性。 静态特性的研究就是在对电机数学模型的线性化的基础上，从研究l s r m 的基本运行原理 的角度出发，得到一些电机运行的参数特性。动态特性的研究是以电机数学模型的非线性 微分方程为基础的，通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真，能较为全面地反映出电机动态运行 的特性。电机的特性最终取决于整个系统的特性，本文运用前置补偿法对系统进行补偿设 计，使系统具有良好的品质特性。 第五章主要介绍滑模变结构控制在l s r m 系统中的运用。由于开关磁阻电机的固有缺 陷一脉动和噪声用普通的控制方法难以克服，本章借助滑模变结构控制系统的良好的稳定 鲁棒性和品质鲁棒性，运用在l s r m 的控制系统中，以消除摄动和噪声。 第六章主要是作者这段时间研究工作的一点体会，希望能够借此文能给后来的研究者 提供一点方便。 s 虹另人学砸卜研究生论业 的研究。作g 借助丁磁阻式r 乜机和直线电机的研究方法，结合磁阻电机的机理运用到直线 式的电机结构上，参考国外最新研究成果，设计出新颖的直线开关磁阻电机。 1 5 本文研究的主要内容 本曝题是江苏省教委自然科学基会会的课题，并由该基金会提供经费瓷助。 本文在深入了解国内外l s r m 的发展和现状的基础r ，按照课题的要求，从最基本的 理论m 发，推导出可以应用的公式。在此基础上，进行电机的结构和系统设计。 第一章简单介绍了l s r m 的历史、发展和基本原理，使读者对l s r m 有一个整体的 概念，列l s r m 设训的重点和难点有一个清晰的认识。 第二壹重点介绍l s r m 的数学模型，由基本的计算电机功率的公式，通过微分的方法， 推导出l s r m 牵引力的公式；推导了l s r m 电路部分的方程和机械方程。在此基础上， 结合实际电机的模型，确定具体参数进行电机的模型设计，并给出具体设计图。 第三章重点介绍l s r m 控制系统的设计。在介绍常规半桥式功率变换器的基础上，考 虑的丌关磁阻电机的脉动和噪声，本文详细介绍了软开关技术的原理及实现方法。由于本 文采用d s p 控制，本章还介绍了d s p 接口的驱动电路及电流和电压的保护电路，并就电 流和位置的检测作r 详细的说明。 第四章重点介绍l s r m 的特性，包括其静态特性和动态特性。由于l s r m 的磁路十 分复杂且高度饱和，不容易模拟和仿真，本章是在研究静态特性的基础上研究其动念特性a 静态特性的研究就是在对电机数学模型的线性化的基础上，从研究l s r m 的基本运行原理 的角度出发，得到一些电机运行的参数特性。动态特性的研究是以电机数学模型的非线性 微分，稳为基础的，通过m a t l a s s i m u l i n k 仿真，能较为全面地反映出电机动态运行 的特性。u 机的特性最终取决于整个系统的特性，本文运用前置补偿法对系统进行补偿设 计，使系统具有蘸好白勺品质特性。 第五章主要介绍滑模变结构控制在l s r m 系统中的运用。由于开关磁阻电机的固有缺 l j i ；j 脉动和噪声用普通的控制方法难以克服，本章借助滑模变结构控制系统的良好的稳定 鲁棒一陀和品质鲁棒性，运用在l s r m 的控制系统中，以消除摄动和噪声。 第六章主要是作者这段时间研究工作的一点体会，希望能够借此文能给后来的研究者 第 章丰要是作者遮段时间研究工作的一点体会，希望能够借此文能给后来的研究者 提供一点方便。 江苏大学顺士研究生论文 第二章直线开关磁阻电机的数学模型和参数设计 甑线开关磁阻电机在结构上采用双凸极结构，类似与直线电机；在机理上采用磁阻电 机的运行机理，运行原理类似于磁阻电机。直线开关磁阻电机不能采用任何一种电机的理 论作为原型，因而增加了理论分析和实验的难度。但是，并不是说就没有可以参考的理论 依据和实践经验可以借鉴。在基本的力的分析中，可以借鉴直线同步电机的分析方法；在 逆变器的控制和系统的优化方面，可以借鉴旋转开关磁阻电机的运行模式，在这方面已有 成功的经验可以借鉴。 l s r a m 采用双凸极的铁，t l , 结构，可以根据具体的运用场合在动子( 相当于旋转电机的 定子) 或是在定子( 相当于旋转电机的动子) 上安装各相励磁绕组( 只需要在一边绕线即 可) 。绕组电流的非正弦和铁心磁通密度的高度饱和是l s r m 运行的两个特点；l s r m 控 制参数多，可以根据需要和现有的条件，灵活地选取控制方案。l s r m 建模的主要困难在 于电机的磁路高度饱和、涡流、磁滞效应、边端效应产生的非线性，这些非线性因素直接 影响电机的性能，因而很难得到简单的数学模型。如果考虑了非线性的因素，又很难进行 电机的性能分析。因此，本章从线性化的模型开始，对电机的静态性能作全面的分析，这 样有利于从最基本的原理和公式出发，不断地对电机的结构和基本理论进行改善。本章根 据最基础的电磁理论，推导出直线开关磁阻电机的基本数学模型，并在此基础上结合具体 的参数进行电机模型的设计。 为了实现上述的分析思想，对电机的结构和电路进行一些必要的简化，但在总体上仍 然接近实物模型： 主电路电源的直流电压不变； 半导体丌关为理想器件； 忽略铁心的磁滞和涡流效应； 忽略边端效应； 忽略相间互感； 认为在一个电流脉动周期内，速度恒定。 假设了上述条件后，就可以从最基本的公式着手，进行电机的性能分析。 21l s r m 的数学模型 9 遥篓查鲎堡婴塞生篓塞 一一 在对魍机的控制中，电流控制是最蒸本也怒最有效的控制方式。在酱道电机的控制中， 通过对电流的控制来控制电机的速度建狠鬻见的，本文也采用这种控制方式。黻瞰电槐依 靠复杂的磁回路来运行的，因此，电压电流一电感一位置就成为荫先和必鬻的讨论对象。 建l s r m 中，三耀交漉魄源经过整流成必直流电源，经过逆变器，按入幼予餐糕。健是 l s r m 的嚣捐电流既非恒定直流量，亦非规则的交变正弦爨，蕊照其波形随蓑魄执鳇运簿 拔援纛发生交纯，瞧裁是滋蘧麓愈褪运簿经鬟发黛交织，穰奄臻发生变化，产生麴磁恕力 也媚应遮发生变化。从经验数攥霹熬毳裂，毫磁控力懿大，l 、与电滚套塞接戆关畚，劳璺 黻沼数值分析翡方法推譬磁模籀公式。 l l 矗 l o ，一 一 1 ： 7 一 ：l | _ l置只 一 图2 1l s r m 电感一位移图 2 1 1l s r m 电磁方程 如图( 2 1 ) 所示，这是电感和位移的曲线图：l = f ( x ) ，根据曲线进行数值分析，得至0 其 表达式为2 】： 上( x ) ：k + 岛一厶c 。s ( 堡) ( 2 1 ) y 2 其中：l 。一电感平均值。 l 。一漏电感； x 一位移； y ：一齿宽与槽宽之和。 当漏电感可以忽略不计时，上式可以写成： 江棼人学硕j 研究生论文 l ( x ) ：厶一上。c 。s ( 三里) y 2 r 一。a x + 删。 厶2 坠_ 竺 rl 一上。 k 。芋 其中：l 。一动子凸极与定子凸极完全相对时的电感 三。一动子凸极与定子槽完全相对时的电感a 当丌通a 相时( 以a 相为例) ，磁储能为： 暇= 车 当，一0 时，。斗o ，其产生的电磁牵引力为： f a x = 。 即： 当a ，一0 时 f ：垒 。一生：盥：i , 2 d l o - l a c o s ( 2 1 r t ；x ) 一d ， 2 d x2 d x 氕f 。z ks i n ( 丝) y 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ，2 严格地说，公式( 2 6 ) 表示的是沿着导轨方向的纵向力，由于导轨和动子的质量等 因数，本文不考虑横向力及z 轴方向的力。有些电机的结构采用双边结构的形式，可以使 得z 轴方向上的力相互抵消，这种结构往往用在精密的传动控制中。根据文献 1 2 ，这两 个方向上的力对电机的整体运行没有显著的影响。 从公式( 2 - - 6 ) 可以看到，牵引力的大小与相电流和位移有关。假定在一个很短的电 流周期内，电流为恒定值，i 1 1 ；a 牵引力的变化遵循币弦变化规律。 212l s r i d 的电路方程 图2 2 为l s p d v l 一相等效电路( 以a 相为例) ，由电路基本定律可以得到电气主回 l l 江苏大学碳卜研巍生论文 路的r 吡囊r 衡力税式 ，一e 吣印。+ 等鲁+ 警害 砘m 。“刍o l 鲁“警去 ( ：- 9 ) d d r 删d f 1 2 江掉大学硕l 研究生论文 21 3l s r m 的机械方程 机械方程主要是用来设计所需最大牵引力。 f = m 譬+ d 专十，+ f 式中：f 一电机产生的牵引力； m 一整个动子的质量； d 一速度阻力系数； f 一导轨与滑轮之间的摩擦力； f ，一负载阻力。 2 2l s r m 的结构设计 ( 2 1 0 ) l s r m 鲍缝麴设诗主要熙确定凡个重要的参数：定予瓣凸摄与攘宽、幼孑豹凸极号糖 宽、电机的横向宽、幼子与定予的间隙、备相绕组匝数等等，其他的一螳辅助参数可以按 照巽体的要求避行合理静选淑。 根据公式( 2 6 ) ，可以遴行瞧凝结棱懿竣诗嘲”荆。 乓= 2 扯。k q( 2 1 1 ) l 6 = n 2 。埘，c l ( 2 - - 1 2 ) 在公式( 2 - 1 1 ) 棚( 2 - - 1 2 ) 中： n 一举稽褶绕鬃篷数； 常数： c c ；一齿距与气绻比的综合系数； 2 1 。动子凸檄与定子凸极攮对时躲遣感与凌予凸极与嶷予越极嘏对时豹电感之麓； f 一导轨宽： n 。一韵子积定予磁酗路楣对应的投数。 江苏大学颂_ 。研究生论文 本文中。设计的模型鼹根据实物要求设计的，数据的w 靠性商。按照设计要求，最大 零，引力f = 2 0 0 n ，最大遮凄v 。= l m s ，缓设功率变换嚣疆供懿媛大意浚为1 0 a ，敬参鼗： y = 1 0 m m ，y2 = 2 0 r a m ，l = 6 5 c m ，z = l m m ，c 。姆3 6 3 ，c = 2 5 2 4 ，ns = 2 ，齿高齿躐系数= 0 7 5 ，常数 u 。= l2 5 6 1 0 一，由公式( 2 5 ) 可以得到： f = ! ! ! g 生 (213max ) 、-， y 2 将( 2 - 1 1 ) 代入( 2 1 2 ) ，整理可得： 2 = _ = ( 2 - 1 4 ) 兀f 。2 扯o 。c 1 n = 墨些羔! 7 c f 。2 f o n ，c ， 代入具体的数掘，可以得到：n = 1 7 5 7 7 匝，取n = 1 7 6 匝。 ( 2 1 5 ) 需要说明的是，在图1 1 中，x ：不能任意选取3 1 ，而是根据齿距和槽宽计算出来的， 如图2 3 所示： 图2 3 相间距示意图 丌关磁阻电机在依次丌通a 、b 、c 三相后，要求a 相( 以a 相为例) 的定子凸极和动子凸 极的相对位置要恢复到起始位置，起始位置的确定对于电机的起动十分重要。如果不能准 确地定位，丌关磁阻电机的输出特性将会受到严重的影响，甚至于在起动控制时不能起动。 假定在c 相后面再加上一相，如果3 x ：= 砂：( 其中k 为正整数) ，电机运行一个周期后，a 相的定予凸极和动子凸极的相对位置就恢复到起始位置，由此可以确定x ：的尺寸。根据 选定的尺寸，取k = 1 ，则x ，= 6 6 6 7 m m 。这样电机的基本结构就形成了。当然还需要一 些辅助设施，例如动子和定子间气隙的形成，附加在定子上的各种传感器的位置放置等等， 均需根据需要做适当的添加。 下面图24 给出的是直线开关磁阻电机的整体结构图。 在整体结构中，动子和定子间隙的选取十分重要。因为磁阻电机的重要特征就是强耦 1 4 互苏大学壤土霹究生论文 合，且磁路离艘饱和，失去了这两个特征，开关磁阻电机的性能将鼹到严重的耧响。在电 机运行时，每棚丹通的时刚很短，相电流产生的电感搬小，如果间隙选取得过大t 则磁路 蠢二熊运蚕馋瓤，失去了强藕合 睾爱。毽爨，鬻豫氇不髓选取缮太夸，方匿滴豫越垮，疆 感应强度越大，系统的非线性也越明显，对于电机的控制将是十分困难的；另一方面，由 1 二机械制造方两的原因，电机在运行对冉勺“抖动”以及制造误差，使得电机的动予和定予 霄裁薤魅，这襻藏会凌电枫静运专亍受翻辍礴，不莰失去了蘸套邀梳运嚣熬瓤臻，鼹簿氇 对电机造成损伤。 支撵套 轴承 滑动装鼢 动予部分 绝缘填充物 ，+ ：一 一一z 门 下一j 于= i f 丁怖 f 0 爨 随譬剖：汪孑政l l - 。l r 儿时k 血卞。丁 一一一垂手垂至一磊矗矗 圈2 4l s t l m 整机络构示意图 疆霆，裰豢浚诗黎要求，态绦琶设嚣饕袋器器簧蜀纛瞧