（控制理论与控制工程专业论文）基于开关磁阻电动机的新型电动执行器的研究与设计.pdf

摘要 电动执行器是自动控制系统重要的终端设备，它对整个控制系统的安全运行、 可靠性及调节品质的优劣都有很大的影响，目前国内生产的电动执行器大多由模 拟器件控制，精度差：保护措施使用继电器和机械装置，可靠性差；大多数电动 执行器只能接收模拟信号( 4 2 0 m a 、l 5 v ) ，不能与计算机进行通信；系统集成 度低、维护困难。这就使得现有的电动执行器不便于调试和维护：也不能根据生 产的实际需要进行参数的现场调整：不便于实现数字化的分布式控制。 新型智能电动执行器利用微机和现场总线通信技术将伺服放大器与执行机构 合为一体，具有双向通信、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求 的功能，可进行现场操作或远程操作，完成手动操作及手动自动之间无扰动切换。 可以说，智能化己经成为电动执行器发展的趋势。 新型电动执行器的驱动电机采用开关磁阻电机( 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 ) ，s r m 具有结构简单、启动电流低、输出转矩大、定位精度高、无情 走和自刹车等特点，改变了传统电动执行器的体系结构和缺点，同时，增设了c a n 总线和r s 一4 8 5 通讯接口，可以使之成为现场总线控制系统中的一个节点，具有运 算、控制、通讯等功能。新型电动执行器在功能上、可靠性和性价比上都有大幅 度提高，可广泛应用于电力、石油、化工、冶金、交通和机械等行业。 本文研究了新型电动执行器的控制器的硬件电路构成，设计了一种由软件控 制算法和硬件相结合的位置反馈系统，并且具有现场总线接口，大大提高了电动执 行器的性能。 关键词：电动执行器；开关磁阻电动机；c 州总线；d s p t h es t u d ya n dd e s i g no ft h ee l e c t r i ca c t o rb a s e do nt h es w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r a b s t r a c t e l e c t r i ca c t u a t o ri sak i n do fi m p o r t a n tt e r m i n a ld e v i c ei nt h ea u t o m a t i cc o n t r o l f i e l d ，i th a sat r e m e n d o u si n f l u e n c eo ns a f er u n n i n g ，r e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo f a d j u s t o r a tp r e s e n ti nm o s td o m e s t i ce l e c t r i ca c t u a t o rt h e r ea r eal o to fd i s a d v a n t a g e s a sf o l l o w s ：t h e c o n t r o lp r e c i s i o ni sl o wf o rb e i n gc o n t r o l l e db ya n a l o gs i g n a l ；t h e r e l i a b i l i t yi sb a df o ru s i n gr e l a ya n dm a c h i n e i ns a f e g u a r d ，n o to n l y t h e yc a n t c o m m u n i c a t i o nw i t hc o m p u t e r , m o r e o v e ro n l yc a nr e c e i v ea n a l o gs i g n a l ( 4 - 2 0 m a ， 1 - 5 v 1 ，a n dm a i n t e n a n c ej sd i f f i c u l tf o rl o w - l e v e ls y s t e mi n t e g r a t i o n t h i sm a k e d e b u g g i n ga n dm a i n t e n a n c ed i f f i c u l t ，a n dt h ep a r a m e t e rc a nn o tb ea d j u s t e do nt h e a c t u a ln e e d so f p r o d u c t i o n ；d i g i t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o li sd i f f i c u l tt oe a r l yo u t n en e w i n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o rc o m b i n e ds e l w o - a m p l i f i e ra n de x e c u t eo r g a n t o g e t h e ru s i n gt h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n df i e l d - b u s i tr e a l i z e sm a n yf u n c t i o ns u c h a sb i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o n ，s e l f - r e v i s ea n ds e l f - d i a g n o s i s r e q u i r e db yc o n t r o l t e c h n i q u e i tc a nr e a l i z el o c a l o p e r a t i o na n dr e m o t e o p e r a t i o n ，a n ds w i t c hb e t w e e n h a n d - o p e r a t i o na n da u t o - c o n t r o l 研t h o md i s t u r b a n c e i naw o r d ，i n t e l l i g e n c eh a sb e e n t h et r e n do f t h ea c t u a t o rd e v e l o p m e n t i nt h en e we l e c t r i cw eu s e ds r ma sd r i v e r - m o t o r , s r mh a sm a n ya d v a n t a g ei t s e l f , s u c ha sl a r g eo u t p u t t m gt o r q u e ，h i g hl o c a t i o np r e c i s i o n ，n o nf o l l o w u pa n ds e l f - b r e a k i n g a n ds oo n a n dc h a n g e st h es y s t e ms t r u c t u r ea n dd e f e c t so f t r a d i t i o n a le l e c t r i ca c t u a t o r a tt h es a m et i m e i tc a nb ean o d e 血t h ef i e l d - b u ss y s t e mb e c a u s eo ft h ea d d i n go ft h e c a nb u sa n dr s 4 8 5b u s i ti so b v i o u st h a ti ti si m p r o v e di nf u n c t i o n ，r e l i a b i l i t ya n d r a t i oo fc a p a b i l i t ya n dp r i c e s oi tc o nb eu s e di nm a n u f a c t u r i n go rp r o c e s sc o n t r o l l e d s y s t e mo ne l e c t r i c i t y , p e t r o l e u m ，c o m m u n i c a t i o n ，m a c h i n e r ye t c ， t h i st h e s i sh a sd o n er e s e a r c ho nt h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ec i r c u i t ，a n dd e s i g n e da f e e d b a c ks y s t e mc o m b i n e dw i t l ls o f t w a r ep o s i t i o n - c o n t r o l l e da l g o r i t h ma n dh a r d w a r e a n dm a d ei th a v ef i e l d b u si n t e r f a c e a n dt h ep e r f o r m a n c eh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：e l e c t r i ca c t u a t o r ；s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ；c a nb u s ；d s p h 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 = = 基王五差磁阻电动担数堑型鱼垫垫堑墨曲婴窒皇遮盐! ：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：阆品艺“年j 月疗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：j 司舀 日期： 导师签名：11 司嗡 如“年3 月芎日 l 第1 章绪论 1 1 运动控制发展现状 运动控制是一门综合性、多学科的交叉技术。它主要研究生活中机器和设备 的运动控制问题，它主要研究内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动力 驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题。随着科学技术的不断发展， 尤其是电力电子技术的进步，微机技术的应用和新型控制策略的出现。今天的运 动控制发展成为了根据预定方案及复杂环境，将计算机做出的决策命令变为某种 期望的机械运动的系统控制【1 。由于大部分机器和设备都是电动机拖动的，所以研 究运动控制系统主要是研究电动机的起动、停止及速度调节的问题，即电动机的 调速系统。运动控制系统使被控电动机运动实现精确的位置控制、速度控制、加 速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。典型的运动控制 系统有运输机械、数控机床、机器人等，这些系统是力学、机械、材料、电工、 电子、计算机、信息和自动化等科学和技术领域的总和。 按照使用动力能源的不同，运动控制可分为气动、液压和电动三大类。电气 运动控制由于更容易实现与微型计算机的接口等明显的优点，因此在中小功率的 运动控制系统中得到最广泛的应用。基于电气运动控制综合了控制电机技术、传 感器技术、电力电子技术、微电子技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发 展成就。 运动控制系统中，精确的位置、速度、加速度乃至力矩的控制主要通过电动 机、驱动器、反馈装置、运动控制器、主控制器( 如计算机和可编程控制器) 来 实现。随着微电子技术渗透到运动控制系统的各个环节并成为其控制技术的核心， 功率变频器和电动机都具有了离散控制的基本特征1 2 。一般的运动控制系统包含了 围绕电动机组成不同控制目标所涉及的理论和技术。运动控制作为一门多学科交 叉的技术，每种技术出现的新进展都使它向前迈进一步。其技术进步是同新月异 的。目前，运动控制系统已广泛应用于机械制造、冶金、交通运输、石油化工、 航空航天、国防工业、家电生产、轻工、农业等领域，即只要有动力的部门，都 要解决动力的传输和机器与设备的运动控制的问题，由此可见，运动控制系统在 国民经济中具有举足轻重的作用。 1 2 增量运动控制及其应用 增量运动，顾名思义其控制运动的特点是从步到步，起停相间，然而，增量 运动控制并不仅仅限于起停运行，当起停频率相当高时，其运动是连续的。所以， 增量运动广义理解为：在给定的时间内( 尽可能短的) ，电机驱动负载按确定的轨 迹，满足给定精度和品质、运动到它的末端位置，又能准确地重复运动。 近年来，随着应用要求的不断提高咀及许多高性能电机的采用，对增量运动 的控制系统也提出了越来越高的要求。 目前作增量运动控制用的伺服控制系统有： 1 以频率可控的步进电机为伺服元件的增量运动 这类电机的频率控制一般是预先给定的，采用与转子位置无关的开关控制。 就步迸电动机而言，励磁磁场与电枢反应电流之间的角度是可以自由变化的。无 论对电励式或永磁式同步电机，还是对开关磁阻电动机或混合式步进电动机，转 速与给定频率同步，且具有定位功能。但是这类电机运动时可能出现爬行，即过 载失步，甚至于发生振荡，这一点往往会影响到增量运动的质量。 2 以频率可控的笼型异步电动机为伺服元件的增量运动 作为调频调速电机，由于定子磁场与转子感应磁场间的负载角是自由构成的， 在给定负载下，滑差频率取决于磁通平方及转子电阻一次方，即受转子温度和肌 肤效应影响。这样有可能引起轻度爬行，特别在弱磁情况下。要求一种磁场定向 控制，测定电机转速、位置等进行反馈控制。异步电动机作为增量运动控制器件， 控制费用就会增加。异步电动祝存在的另一个问题是，低速或制动时，滑差频率 下产生的热量散发问题。 3 以同步电机为伺服元件的增量运动 对于同步电动机定予绕组供电相的变换取决于转子位置，供电频率与转速同 步，因此这类电机必须带有变频电源和位鼹编码器。它既可以做成电励式，也可 做成永磁式。励磁磁场与电枢电流之间的角度可以设置固定( 象直流电机调节碳 刷位置一样，呈9 0 。) ，以达到电磁转矩与磁通解藕，可以获得精确的速度控制， 还可以进一步获得精确的位置控制，达到与直流电机相同的优良调速特性。因此， 由同步电动机组成的传动系统从不同的应用领域兴盛起来并占据了主要地位。 2 随着电力电子技术的发展，电力电子器件构成了主要的电力电子供电线路， 这也使得传统的同步电动机变频调速所需的正弦波成为了难于实现的理想目标， 阶梯波构成了给电动机供电的实际波形。但是这种阶梯电波形却正好满足了同步 电动机增量运动控制所要求的循环拍数的通电方式。同时，流入电动机的电流也 不再是连续函数，而是按照某种规律离散后的阶梯波，也就是离散性的数字化模 型。这种数字控制也正好适合于把运动量化为步数的增量运动控制。可见，电力 电子技术和数控技术的发展恰恰大力推动了增量运动控制的发展。【3 在工业上，具有上述性质的运动控制主要应用在以下四大领域： 1 雷达、军用武器随动系统； 2 数控机床、工业机器人与自动生产线： 3 柔性制造系统等位置伺服系统； 4 计算机外围系统和数字控制。 1 3 电动执行器控制技术 执行器作为增量运动控制的典型应用，主要由执行机构和调节机构组成。执 行机构是根据调节器控制信号产生推力或位移的装置，而调节机构是根据执行机 构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，最常见的有调节阀。 执行器按其能源形式分为气动、电动和液动三大类，它们各有特点，适用于 不同的场合。电动执行机构以电源为动力，接受标准信号，将此信号转变成对应 的机械位移( 转角、直线或多转) 来操作调节门、风门挡板等调节机构完成自动 调节任务。电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构分角 行程和直行程两种，都是以交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入信号 转换为位移量。它具有以下优势：采用电源为动力，使用方便，无需特殊的气源 和空气净化装置；可以远距离传输信号；可以方便地和计算机连接。【4 】 国外的电动执行器多采用组合式设计思想，即以多转式电动机执行机构为基 础产品，把减速箱和一些功能单元设计成标准的组件，根据不同需要组合成各种 角行程、直行程和多转3 个系列的执行机构。国外的产品保护功能较全，执行机 构通常都有力矩保护、行程限位保护、电机过热保护等功能。而且输出力矩范围 较大2 0 0 1 7 6 0 0 n m ，输出转角有9 0 ，1 2 0 ，1 8 0 ，2 7 0 ，3 6 0 。而国内生产的电动执 行器主要存在可调节范围小，精度低，死区大( 3 ) ，调节反应时间慢( 1 5 s ) ， 保护不够等缺点。因此，研制出高性能的电动执行器将具有远大前景。 传统的电动执行器将给定信号与反馈信号进行比较，然后经过伺服放大器输 出给电动机的控制信号。机械结构复杂，调节反应时间慢，控制精度低。先进电 动执行器采用数字微机控制器来处理控制算法输出控制信号，以电力电子供电线 路，在主令脉冲下产生离散的阶梯波输入给电动机。新型智能电动执行器采用新 颖结构部件，伺服放大器中采用了微处理器系统，所有控制功能均可通过编程实 现，具有数字通信接口，可实现现场总线通信功能，成为现场总线控制系统中的 一个节点，控制算法灵活，调节速度快，精度高，并可解决电源的保护和可靠性 使系统稳定，与计算机方便连接，适用各种工业控制应用场合。 5 - l o 1 4 开关磁阻电动机调速系统 1 4 ，1s r d 基本构成与工作原理 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 ) 基本原理最早提出在 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。 事实上，1 0 0 多年的研究也证明，开关磁阻电动机作为一种新型的调速系统，兼有 直流调速和交流调速系统的优点，有广阔的市场前景。l “l 开关型磁阻电动机调速系统( s r d ) 主要由s r 电动机、功率变换器、控制器、 位置检测器四大部分组成。 l 瓤 图1 1s r d 基本构成 f i g 1 1b a s i cs t r u c t u r eo f s r d 4 帆槭 辘 i s r 电动机是s r d 中实现机电能量转换的部件，也是s r d 有别于其它电动机 驱动系统的主要标志，其运行原理亦遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁 阻最小的路径闭合，而且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。s r 电动机的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋 势而产生的。适当的饱和有利于提高s r d 的总体性能，因此，电动机的磁路的饱 和是s r 电动机的又一个重要特征。 功率变换器向s r 电动机提供运转所需要的能量，由蓄电池或交流电整流后得 到的直流电供电。由于s r 电动机绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不 仅简单，而且具有普通交流无刷直流驱动系统所没有的优点，即相绕组与主开关 器件是串联的，因而可预防短路故障。 控制器是系统的中枢。它综合处理速度指令、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 电动 机运行状态的控制。控制器发出一系列的控制信号，使主开关器件按规律循序导 通，电动机则连续按指定的方向旋转。各相的起始导通角和关断角均可控制，藉 此控制输出转矩的大小和方向。 由于不同的转予位置的相绕组电感及钇0 0 是不同的，所以控制相绕组通电时 刻即可改变电流的大小及波形，由此将产生不同的电磁转矩、转速、转向及运行 状态。因此，为了以最有效的方式产生所需要的转矩，控制器必须借助从位置传 感器获得的转予位置信息，以保证在合适的时刻接通或断开相应的相绕组。 1 4 2 开关磁阻电动机控制系统的性能特点 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出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，易于加、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，并且发热大部分在定 子，易于冷却。 2 功率电路简单可靠 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，避免了直接短路现象。因此s r 电动机调速系统中功 率保护电路可以简化，既降低了成本，又具有很高的工作可靠性。 3 效率高、功耗小 s r d 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下实 现高效优化控制。 4 高起动转矩、低起动电流 从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特 点。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 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：开通角、关断角、相 电流幅值和相绕组电压。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，还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。 s r d 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按入电网稳速运 行，而必须与控制器一同使用等。随着有关研究工作的深入，这些缺点正被逐步 克服。1 1 2 q 3 1 5 本文研究的主要内容 开关磁阻电动机控制的电动阀门是采用增量运动控制理论研制的新一代阀门 系统。利用开关磁阻电动机为执行器终端设备提供准确可靠的定位控制，能够使 流量及压力控制达到更高的技术指标和控制精度，与自动控制系统及计算机监测 系统方便联网。 传统的电动执行器大都具有位置反馈电路，该电路一般都由与终端旋柄同轴 转动的电位器构成。本次研究的电动执行器采用软件控制算法和硬件反馈电路相 结合的方式检测位置，改变了传统电动执行器的控制精度低和抗干扰能力差的缺 点。设计出一种基子d s p 控制的s r 电动机调速系统，该系统充分利用了d s p 强 6 大的数据处理功能和s r 电动机的定位准确、控制灵活特点，使新型电动执行器性 能大大提高。完成了d s p 数字控制器的设计，采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为全数字控 制器，完成位置信号检测、指令输入、换相控制、开度计算、故障检测及状态显 示等功能。并且设计了c a n 总线和r s 4 8 5 总线接口，可以作为控制系统的一个 节点与控制中心或网络上其它的节点通信。 最后在理论研究和硬件系统设计的基础上，完成了电动执行器系统开发，并 进行了试验性调试，验证了新型电动执行器的先进性和可行性，系统性能满足了 设计要求，达到了较高水平。 7 第2 章开关磁阻电动机调速理论 2 1 开关磁阻电动机的数学模型 建立开关磁阻电动机数学模型，通常有以下三种方法：线性模型、准线性模 型( 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，用于求解电机性能时，电流 和转矩有解析，一般用于定性分析。事实上，由于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。开关磁阻电动 机定子绕组电感不是常数，而是电流和转子位置角的函数。开关磁阻电动机定子 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。 1 4 - 1 6 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并设开关磁阻电动机的相数为m ，各 相结构和参数对称。设p = l ，m 相的电压、磁链、电阻和电流及转矩分别为 “广、r 矿i 矿l ，转子位置角为目，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+ 誓 ( 21 ) 2 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置角的函 数 = ；f ，( 1 ，i ，。，口) ( 2 2 ) 由于开关磁阻电动机各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在 s r m 的计算中一般忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转子轭部饱和 在各相之间产生的相互影响，这时磁链方程可近似成 妒p = y ( ，口) 2l ( 1 ，9 ) i p ( 2 3 ) 3 转矩方程 根据机电能量转换原理，开关磁阻电动机的电磁转矩表示为磁共能对转子位 置增加的速率 巧= a w 万m ( 1 p 一, o ) = 丁( 1 p , o ) ( 2 4 ) 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 m t = t ( i ，口) p * 1 ( 2 5 ) 4 秽l 械运动方程 其中，j 、占、r 1 分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩 ，望竺：t e b 一r 1( 2 6 ) 础 塑：田( 2 7 ) 2 2 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，采用了以下几种方法建立模型： 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 虑磁场的边缘扩散效应，可采用开关磁阻电动机的理想线性模型将磁链p 。近似为 电流f 。的线性函数，这种方法可了解电机工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 因为磁链妒。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，可将实际的菲线性磁化蓝线分段线性化，同对不考虑褶 9 间耦合效应，这样可以用解析式来表示每段磁化曲线。可将一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 非线性函数拟合模型 将磁链y 。用非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确度。 4 查表法 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妒( f ，0 ) 反演 为等角度、等磁链间隔的电流特性数据f ( 妒，0 ) ，连同矩角等特性数据t ( i ，目) 以表格 形式存入计算机中，然后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，既可用于稳态分析，也可用于瞬态问题。 2 3 开关磁阻电动机工作的基本分析 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，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 1 说明。 图2 1 电感与转子位置的关系图 f i g21 r e l a t i o nd i a g r a mo f t h ei n d u c t a n c ea n dr o t o r 1 0 图2 1 中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点0 = 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m m 。在q 和8 2 ( 岛 为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极不相重叠， 电感保持最小值上。；。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；转子转过岛后，相电感便开始线性地上升 直到只为止，耿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l ；基于电机综合性能的考虑，转子极弧矽通常要 求大于定子极弧厣，因此在只和吼( 以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，相应的定转子凸极间磁阻恒为最小值， 相电感保持在最大值l 。；从以相电感开始线性地下降，直到以处降为上m m ，包、 鼠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： 三( 口) = 三m k ( o 一8 2 ) + 上。 工。缸 上。一k ( o 一0 4 ) 其中k = 等等= 字。 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e 应等于结构中磁储能阡丁与输出机械能砌 之和，即为 d w e = a w f + d w m ( 2 9 ) 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： ) 82 ( 易仇一绒敏 一 一 一 一 目占目口 一 一 一 一 尻凸夙仉 “：一p ：坐 ( 2 1 0 ) 击 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为 d 耽= u i d t 将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 1 1 ) ，得 d w e = i d g t ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 机械能可由电磁转矩丁和角位移0 计算，即为 d w m = t d o( 2 1 3 ) 将式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 代入式( 2 9 ) ，则得 d w f ( q d ，仃) = i d a , 一t d o ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 表明，对无损系统，磁储能是由独立变量和口表示的状态变量，磁 储能由和0 所决定。当y 为恒定值时，由式( 2 1 4 ) 得到一般转矩计算式，为 丁：一掣 ( 2 1 5 ) a p 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 9 ) 得 d w e = a w f 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 6 ) ，得 0 w f = i i d g 0 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 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y 可由电感表示为 v = l i( 2 1 8 ) 将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 7 ) ，得到磁储能的计算式 1 2 夥= 将式( 2 1 9 ) 代入式( 2 1 5 ) ，得 丁：三f ：丝 2a 口 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 由以上分析可得出如下结论： 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。 23 3 绕组电流的分析 当开关磁阻电机由恒压直流电源洳供电时，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，由式( 2 1 ) 得 解得 士孤：韭 础 将式( 2 1 8 ) 代入上式，得 矾：堕+ 泐丝 出a 目 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 1 在o j n o ：区段，三= 三m m ，将i ( ) = 0 ( 8 0 为开始导通角) 代入式( 2 2 2 ) 中 f ( 口) ：兰生垒 l m l i l c o ( 2 2 3 ) 式( 2 2 3 ) 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 在岛到区段( 为关断角) ，将上述结果作为该区段的初值条件，把式 ( 2 8 ) 代入式( 2 2 2 ) ，得 f ( 口) ；币忑u s i ( e - 丽e o , , ) 国l l m l n + i 一j 3 在到岛区段，绕组电流为 妒) = 面u s ( 盂2 0 0 而- o 万。扩- 丽o ) 国i l m l n 十 i 一i 4 在0 3 至l j 0 4 区段，绕组电流为 u s ( 2 0 。一一0 ) f ( 目) = _ 墅二 c o l m a x 5 在口到口。区段，绕组电流为 ，n 、u s ( 2 0 0 一目。一口) f f 毋1 = 生二_ c o l r a i n + k 一只) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 。2 7 ) 显然，当8 = 2 一时，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 够) ：竺厂徊) ( - 0 f 2 2 8 ) 由上式可知，绕组电流与外加电源电压矾、角速度、开通角、关断角吼，、 最大电感l 。、最小电感上。、定子极弧。等有关。对结构一定的电动机，在和 矽。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 过调接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 3 4 转速的控制 控制直流电机的转速需要调节其外施电压或励磁电流，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。 1 4 这里通过对开关磁阻电机的线性模型的讨论，对其转速控制特性加以定性分析。 1 7 j 将上面得到的式( 2 2 8 ) 表示的绕组电流代入式( 2 2 0 ) 中，得到 丁= j 1 了u s 2 ，2 伊) 历o l ( 2 2 9 ) 由此进一步得到： ：哳1 厍 ( 2 3 0 ) y1 其中f = 扣印嚣。 从式( 2 3 0 ) 中可以看出，有两种转速控制方法： 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( 如丌通角、关断角) 的函数。 若与开关角有关的参数f 不变，则国正比于吮，改变其外施电压就会改变电机 的转速。就多数传动装置所需的一种典型转矩转速特性从静止到基速具有恒 转矩特性，在基速以上具有恒功率特性，s r d 有两种基本控制策略： 1 基速w 6 以下，电流斩波控制( c h o p p e dc u r r e n tc o n t r o l ，以下简称为c c c ) ， 输出恒转矩特性。 由前面叙述知，y 。及f 。随角速度w ，的降低而增大，因此，s r 电动机在低于 的速度范围内运行时，为限制。、i 。不超过允许值，应调节外加电压酞和开 关角0 0 、0 。这三个可控变量。若要在o w 。速度范围内获得恒转矩特性，则可固 定吒、包，通过斩波控制外加电压矾。具体方法有两种。其一，用电流限制来控 制u s 加在导通相绕组上的有效时间，以实现y 。和i 。值的限定和得到恒转矩特性， 改变限流幅值的大小，即可控制输出转矩的变化，此法即为通常意义上的电流斩 波控制。( 也有称之为“电流p w m 控制”) ；其二，用速度设定值和实际速度之差 调制u s 加在导通相绕组上的有效时间宽度来改变外施电压的有效值，进而改变转 矩( 也称为“电压p w m 控制”) 。实际上，负载转矩不变的条件下，w ，将随的 变化而变化，而相电流波形除频率变化外，其大小、形状并不变化。因此，s r 电 动机在调压调速时运行特性像直流电动机一样，自然地给出了恒转矩的转速控制， 同时磁通、电流保持不变。 2 基速以上，角度位置控制( a n g u l a rp o s i t i o nc o n t r o l ，以下简称a p c ) 输出恒功率特性。 当s r 电动机在高于w 。的速度范围内运行时，因旋转电动势较大，且各相主 开关器件导通时间较短，因此电流较小。在外加电压狮及开关角、口。一定的 条件下，随着角速度w ，的增加，p 或i 将以w j l 下降，乙则“自然”地以w ；2 下降， 但这种自然降落可通过按比例地增大导通角眈= 来补偿，这样可以控制导 通时间不以w i l 下降，若做到使磁通以w ：“2 下降，则转矩将受控制地随w ：1 下降( 转 矩与磁通的平方成正比) ，即可在一个较宽的速度范围内得到恒功率输出特性。 2 3 5 开关磁阻电动机的启动与制动 1 s r 电动机启动 s r 电动机由静止不动到正常运转必须经历一个起动过程。与步进电动机不同， s r 电动机始终工作在有位置反馈的自同步状态，因此，s r 电动机不存在步进电 动机起动过程中因起动频率过高而引起失步导致起动失败的问题。具有良好的起 动性能：起动转矩大，起动电流小，起动时间短。在起动的瞬间，w ，= o ，故旋转 电动势为零，若加额定电压盼直接启动，相电流将过大，由此产生的过大动态冲 击转矩可能会损坏电动机和传动机构，因此必须在起动期间采用电流斩波控制方 式限制起动电流的幅值。 对于四相( 8 6 ) s r 电动机，有两种起动方式可供选择：一是一相绕组通电起 动方式；二是两相绕组同时通电起动方式。 ( 1 ) 任一瞬时，只有一相通电起动，每相通电1 4 转子极距角。 显然，转子处于不同的位置，并且给不同的相通电，所获得的起动转矩大小 及方向都是不同的。这种单相起动方式的最小起动转矩为相邻两相矩角特性交点 处的转矩。此时，加在s r 电动机转轴上的总负载转矩必须小于最小起动转矩，电 动机才可能在任意位置都能起动，否则便会出现“起动死区”。因此，最小起动转 矩代表了s r 电动机带负载起动能力的极限，所以要求矩角特性为矩形较好。 ( 2 ) 任意瞬时，有两相同时通电起动，每相通电l 2 转子极矩角( 周期) f ，。 这肘，在转予位置0 。6 0 。的一个转子角周期内，s r 电动机各相通电次序为 d a a b b c c d ，与步进电动机双四拍起动方式相似。 若不计相绕组的磁耦合，这种两相同时通电的合成起动转矩可近似地由同时 通电相的各矩角特性线相加求得，显然，两相起动方式起动转矩的最小值为- - n 起动转矩的最大值，与单相起动方式相比，带负载起动能力明显增强了；而且， 两相起动方式的最大起动转矩与最小起动转矩比值减小，所以起动过程比较平稳； 再者，若负载转矩一定，两相起动所需的起动电流幅值将明显低于单相起动所需 的电流幅值。 2 s r 电动机制动 作为一种高性能的调速系统，s r d 在一定程度上可看作是全可控的无刷直流 电动机调速系统，可方便地实现四象限运行，即正、反转及制动、电动运行。其 中制动运行包含两重意义，一是利用制动转矩降速，使s r 电动机停转；二是发电 工作。与直流电动机不同，s r 电动机只有回馈制动( 或者再生制动) 方式，而且 再生制动的实现亦十分方便，只要加大见。，使相电流主要在o l i o o o 段出现即 可。在制动状态，电磁转矩的方向与转速方向相反，从轴上输入的机械能转变为 电能，并借助主电路电子器件回馈给电源。如果没有位能负载拖动，在制动转矩 的减速作用下，转子很快被制动到转速为零。 1 7 第3 章新型电动执行器硬件设计 3 1 总体设计 如前所述，s r 电动机的结构比鼠笼型异步电动机还要简单，但s r 电动机的 控制要根据负载和运行条件的不同，在不同转子相对位置下通断各相绕组的主开 关器件，这样虽然提高了电动机的灵活性，但周对也增加了电动机运行控制的复 杂性。显然，如果不采用软件和硬件相结合的微机控制系统对s r 电动机进行控制， 系统的性能必然受到一定的限制，而且会导致硬件电路的过于复杂和庞大。因此 在新型电动执行器的设计中，本系统采用软件和硬件相结合的方法，根据不同的 情况和要求测量阀位。大大提高了系统的可靠性，使其达到了通用化、标准化和 智能化的水平。 新型电动执行器主要特性如下： 1 输出恒转矩特性： 2 实现启动、制动、停车及四相限运行； 3 可实现速度调节； 4 调节速度快； 5 精度高、无超调及无小范围振荡现象； 6 具有故障诊断及故障保护功能； 7 具有通信接口，可以作为工业现场的仪表实现通信控制。 本文采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制芯片，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 控制器将个高性能的d s p 核、大容量的片上存储电路和专用的运动控制外设电 路( p w m 产生电路、可编程死区、s s v p w m 产生电路、搪获单元、光电编码接 口等) 以及其它功能的外设电路( 1 6 通道模拟数字转换