（电力电子与电力传动专业论文）开关磁阻电动机调速系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 ks 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 ti si n t r o d u c e da 土h o m e a n da b r o a di nt h i sp a p e r 口坞d 娜嘧曲盯i 妣o f s w i t c h e dr e l w = t a n c cm o t o r ( s r m ) a n di t sp r i n c i p l ea r cd e s c r i b e di nd e t a i l s t h e v a r i a d 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 ts t a g 豁a n dt h ef o r m u l ao ft o q u ea 陀 a l s oa n a l y z e di ni t t h ec o n t r o lm e t h o d , t h ed e s i g n 也e o r i 髂a n dw a y so fs r d p o w e rc o n v e r t c ra n da d j u s t e ra l es t u d i e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt os r d sm a i n t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s 。t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h e5 5 k wc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d p ia d j u s t e r , v o l t a g ec h o p p i n ga n dc u r r e n tc h o p p i n go ft h es r d 黜 r e a l i z e db ys o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，i no r d e rt or e a l i z ec u r r e n tc h o p p i n gi ns t a r t s t a g ea n dv a r i a b l e - a n g l ev o l t a g ec h o p p i n gi no p e r a t i o ns t a g e m i c r o p r o c e s s o r a r 8 9 c 5 2i ss e l e c t e dt ob et h em a i nc o n t r o lu n i t a c c o r d i n gt ot h er u n n i n gd i r e c t i o n r 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 ns 既l s o r t h em i c r o p r o c e s s o rc a n p r o d u c eo n o f fs i g n a l st oc o n t r o lt h ei g b tb yc o m b i n i n gw i t hp r o t e c t i o ns i g m a l s n 蛇c 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 nm a l t 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 f t h es a m p l em a c h i n e se x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h ec 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 1 1 把s r dd 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 8s m a l lt o r q u e p u l s a t i o n , r e a l - d i n er e g u l a t i o na n d8 00 1 1 b yu s i n gt h ep w m c o n t m la n da d o r i n g t h ec o l l n 0 1 v 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 f p 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 c m o t o rs p e e dr e g u l a t i o nc 妇t e r i s t i c 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 , v a r i a i b l e - a n g l e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本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。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：7 护移7 年罗月9 日 | 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1开关磁阻电动机调速系统的发展现状“舭1 开关磁阻电动机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ，简称s r d ) 是上个 世纪8 0 年代出现的一种新型机电一体化可控调速系统。开关磁阻电动机 ( s w i t c h 咀r e l u c t a n c em o t o r ，简称s r 电动机) 是继直流电动机和交流电动机 之后，又一种极具发展潜力的新型电机。s r 电动机不仅保持了交流异步电 机的结构简单、坚固可靠和直流电机可控性好等优点，同时还具有价格低 廉、控制灵活、效率高、适应性强、机械特性硬等优点，显示了巨大的应用 前景【”，但是同时s r 电动机又有低速转矩脉动与噪声相对过大等缺点【”。 s r d 是随着微电子技术、控制技术、电力电子技术和现代计算机技术的发展 而发展起来的，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。 2 0 世纪6 0 年代，大功率晶闸管的研制投产为s r 电动机的研究发展提 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 电动机进行深 入研究p 1 ；1 9 7 0 年，研究结果表明；s r 电动机可在单向电流下四象限运 行，功率变换器无论用晶体管或普通晶闸管，所需的开关元件数都是最少 的；电动机成本也明显低于同容量的异步电动机。 自6 0 年代以后，随着电力电子学、微电子学和现代控制理论的发展， 交流电气传动技术发生了日新月异的变化，特别是交流电机矢量控制和直接 转矩控制理论的产生及应用技术的推广，使得交流传动具备了宽调速范围、 高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能，其动、静态特性 完全可以与直流传动系统相媲美，于是出现了交流传动取代直流传动的趋 势。但是交流传动系统也尚有一些未尽如人意之处，存在着系统复杂、价格 昂贵、力矩指标有待进一步提高等问题。正是在电气传动技术得到迅猛发展 的时代背景下，7 0 年代初英国的n o t t l g h a m 大学也开始对s r 电动机攻关。 随后上述两所大学的研究小组联合参加了c h l o r i d et 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5 0 k w 的s r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电动机装置，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s r d ，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能力，适合于蓄电池供电的电动车辆传动。这 充分说明了s r 电动机大有前途。 8 0 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，发表了题为变速开关型磁阻电动机的论文，标志着s r 电动机得到 国际社会的承认。该论文系统阐述了s r 电动机的基本原理及基本设计理 论，研究了s r 电动机的特性及其控制方式。同年英国t a s c 公司获准制造 s r d ，并推出了商品名为o u l t 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、加拿大、南斯拉夫等国家竞相发展，并在系 统一体化设计、电动机电磁分析、微机应用、功率器件应用、新型结构开发 等方面取得进展。在应用方面，各国学者将开关磁阻电动机调速系统与各类 调速系统【6 1 ，特别是与已经得到推广应用的异步电动机变频调速系统在成 本、性能、应用领域诸方面作了大量的比较分析，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 n m ；功率为1 0 w 5 m w ；转速可达1 0 5 m i n 。据有关 资料报道【7 】，t a s cd r i v e s 公司推出的系列产品，是l 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，可四象限运 行。 我国于1 9 8 4 年以较高起点开始s r d 的研究和开发工作，并被列为中小 型电机“七五科研规划项目”，已取得较大成果。现已有大批高等院校、科 研院所、生产企业从事s r d 的开发研究工作，在借鉴国外经验的基础上，国 内对s r d 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 较为成熟的三相或四相电动机的控制方案上，1 9 8 5 年华中理工大学研制以 s c r 为功率开关器件的7 5 k w 的s i 。 1 9 8 7 年，北京纺织机械研究所与南京调速电机厂合作开发了3 k w8 6 极、以b i t 为功率开关器件和单片机8 7 5 1 为核心芯片的s r d 产品。 1 9 9 3 年，3 0 k w 的s r 电动机在山东淄博电机二厂通过鉴定。 2 0 0 0 年，国内1 0 0 k w 以上的s r 电动机已应用于煤矿的采煤机，并开始 进行1 8 0 k w 的s r 电动机在地铁机车上的应用研制。目前已有十余家单位推 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出不同性能、用途、功率( 1 k w 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 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s r 电动机研究工作的进展。自此，s r 电动机 的研究工作从最初摸索合理设计方法转向如何加速优化设计发展，在绕组互 感对运行的影响、转矩脉动、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，核心控制元件正由i n t e l 公司的m c s - 9 6 或1 1 公司的d s p 2 0 0 0 系列微处理器逐步取代m c s 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嗍。 总之，s r d 是典型的机电一体化调速系统，涉及众多学科领域，具有广 阔的发展前景。随着对s r 电动机认识的深入，其应用必将更为普遍。 1 2 开关磁阻电动机调速系统构成概述 从功能部件上分，s l i d 主要由s r 电动机本体、功率变换器、控制器和 检测器构成，如下图1 1 所示。 图1 1s r d 系统构成框图 1 s r 电动机本体 s r 电动机本体是s r d 的执行元件，实现机电能量的转换，s r 电动机为 了增加出力而设计成磁阻可变的双凸极结构，转子仅由硅钢叠片叠压而成， 既无绕组也无永磁体；定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成一相，且定、转子的极数有多种组合搭配。其工作原理遵循“磁阻最小原 理一磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因此磁场扭曲而产生磁阻性质 的电磁转矩。 2 功率变换器 功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，可由蓄电池或 交流电整流后得到的直流电供电，是连接电源和电动机绕组的功率开关部 件。 8 0 年代初，主功率开关器件皆用s c r 。鉴于s r d 电流脉冲峰值较大， 而s c r 电流峰值平均电流比值高，能承受很大的浪涌冲击，一度被视为 s r d 中最理想的主功率开关器件。但s c r 无自关断能力，开关频率低，强 迫换相电路成本高，可靠性差，构成的s r d 总体性能有局限。后来较多应用 g t r ，但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。 8 0 年代中期，结合了s c r 、g t r 两者优点的g t o 受到重视，因g t o 兼有自关断、快速开关能力，能承受较g t r 高的电流和电压，所以t a s c d r i v e s 公司的o u l t o n 系列产品中均用g 1 l 。作主功率开关器件。 近年来，考虑到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，国外小功率s r d 中常用m o s f e t ，较大功率则采用i g b t ，功 率变换器主电路的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式，并且 与s r 电动机的相数、绕组连接形式有密切关系。其中，最常见的功率变换 器主电路结构有：双开关型、双绕组型、电容分压型等。 3 控制器 控制器是s r d 的中枢，其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电流传感器、位置传感器的反馈信息， 通过控制功率变换器中主功率开关器件的工作状态，实现对s r 电动机运行 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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是系统一般均应包含下述几个功能部分： ( 1 ) 用于接受外部指令信号，如起动、转速、转向信号的操作电路。 ( 2 ) 用于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 节量的调节器电路。 ( 3 ) 用于决定控制电路的工作逻辑，如正反转相序逻辑、高低速控制 方式的工作逻辑电路。 ( 4 ) 用于检测系统中的有关物理量，如转速、角位移、电流和电压的 传感器电路。 ( 5 ) 用于当系统中某些物理量超过允许值时，采取相应保护措施的保 护电路，如过压保护和过流保护。 ( 6 ) 用于控制各被控量信号的输出电路，如控制功率开关器件的导通 与关断。 ( 7 ) 用于指示系统的工作状况和参数状态显示电路，如指示电机转 速、指示故障保护情况的显示。 4 位置、电流检测器 为了使s r 电动机正常工作，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，否则电动机不仅不能按要 求运行，甚至还可能发生损坏电动机现象。为了获得电动机运行过程中转子 的瞬时位置，必须在电动机中安装角位移传感器，以便及时向控制器输送正 确的定转子极问相对位置信息。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。常见的位置检测方法有光敏式、磁敏式等检测方案i 9 l ，电 流检测器向控制器提供s r 电动机绕组的电流信息，常见的电流检测方法有 电阻采样、霍尔元件采样和磁敏电阻采样等。 1 3 开关磁阻电动机调速系统性能特点 由于s r 电动机的结构和控制原理的特点使得与其它种类的传统交直流 电机相比，s r d 具有以下优点： 1 控制灵活，适于高速运行，调速性能好 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由于s r 电动机的控制是一种纯逻辑的控制方式，易于智能化。s r 电动 机各相之间几乎没有互感，每相电流的导通、关断及电流的大小可以独立地 控制，其性能与可实现四象限运行的直流电机调速系统相近，具有恒转矩和 恒功率输出特性。由于其定、转子结构简单，s r 电动机的突出优点是转子 上没有任何形式的绕组，且转子的机械强度高，电动机可高速运转而不致变 形，转予转动惯量小，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，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，同时，其转速不受电源频率限制，因此调速范围极宽， 且易于实现四象限运行。由于s r 电动机的转矩转速特性主要决定于电 动机的控制策略且现代s r 电动机的控制器是以微处理器为核心的，需要时 可以简单地通过改变控制系统软件来改变电动机的运行特性，而无需改变控 制系统硬件来获得其它种类电机所达不到的特殊工作性能。如较长的系统升 速时间，很大的起动转矩等，通过低速电流斩波能有效地控制电动机的起动 电流，使低速运行时转矩也很平稳。 2 可靠性高、维护工作量小 与变频调速的交流电机不同，传统的p w m 变频器功率主电路中每个桥 臂两个功率开关直接跨在直流电源侧，容易发生直通短路烧毁功率开关器 件；而s r 电动机调速系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相联， 从根本上避免了直通短路现象。在换相正确的情况下s r 电动机的功率变换 器工作比较可靠，不会产生持续的短路电流且各相之间的独立性较高，其主 开关器件不易损坏。同时，s r 电动机的损耗主要产生在定子上，转子无绕 组、无永磁体，可承受较高的温升，且电动机的通风条件较好，易于冷却。 s r 电动机无需换向装置，可以长时间工作在恶劣的环境下而不需维护。因 此，s r 电动机的运行维护费用较低，与直流电机相比优势明显。 3 效率高，成本较低 首先，s r 电动机的转子不存在励磁及转差损耗，相应的损耗也小；其 次，可控参数多、控制灵活，易于在很宽的转速范围内实现高效优化控制， 所以s r 电动机在宽广的转速和功率范围内都具有很高的效率，特别是在不 满载的工况下效率较高，而其它种类的电机多是在某个很小的转速和功率范 围内具有较高的效率，而在其它工况下效率则较低。因此，s r 电动机特别 哈尔滨工程大学硕士学位论文 适于转速和功率经常变化的场合。与同样性能的异步或同步电机相比，s r 电动机不仅电机本身比较简单，功率变换器的拓扑结构也较简单。开关器件 的数目较少，每相可以只用一个，而开关器件的成本占功率变换器成本的很 大一部分。在批量生产的条件下，s r d 的成本与同样性能的交流变频调速系 统相比，有很强的竞争力。 4 高起动转矩、低起动电流 控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是s r d 的一大特点。 一般典型产品的数据是：起动电流为3 0 额定电流时，获得的起动转矩 为1 0 0 额定转矩；对比其它调速系统的起动特性，s r d 十分适合那些需要 重载起动和较长时间低速重载运行的机械，如电动车辆等。 1 4 开关磁阻电动机调速系统的研究方向“”“2 舭3 1 0 s r d 是典型的机电一体化系统，为使系统整体最优，s r 电动机、功率 变换器以及控制器三者之间必须协调设计，加之s r 电动机的磁路具有复杂 的非线性特性，导致了研究的困难。由于在应用上s r d 有着广阔的市场前 景，s r 电动机具有多种优点，这就给了人们继续研究的动力。目前，s r d 的研究方向主要集中在以下几个方面： 1 s r 电动机优化设计和c a d 进一步完善s r 电动机的设计理论，建立一套效率高、适用于工程设计 要求的优化设计法。s r 电动机的非线性使其性能和计算较为困难。目前， 采用二维有限元方法分析电机内的饱和磁场具有的局限性表现在两方面：首 先是对以磁路为基础的设计方法研究不够；其次是现有的场的方法精度亦有 待提高，应计及端部效应。目前开展s r 电动机三维场的研究并进行计算机 辅助设计、向智能化方向发展是重要的研究方向。 2 功率变换器主电路拓扑结构设计 由于s r d 的性能和成本很大程度上取决于功率变换器的性能和成本，因 此功率变换器的研究意义重大，目前研究主要集中在功率变换器主电路拓扑 结构设计、主开关器件的选择和使用等方面。理想的功率变换器拓扑结构应 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该具有以下特点： ( 1 ) 能够独立、快速又精确地对s r 电动机各相电流进行控制； ( 2 ) 磁场储能尽可能地转换为机械能输出，当向电源回馈时应高效、 快速； ( 3 ) 驱动同等功率等级的s r 电动机，应具有最小的伏安容量，或者同 等伏安容量，可以驱动更高功率等级的s r 电动机； ( 4 ) 主开关器件数目最少； 3 消除转矩脉动控制 s r 电动机转矩脉动产生机理较为复杂，受到许多因素的影响，如电动 机结构、几何尺寸、绕组匝数、转速及控制参数等。由于s r 电动机的双凸 极结构，电磁特性以及开关元器件的非线性影响，采用传统控制策略得到的 合成转矩不是恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动，这点限制了s r d 在 一些直接驱动领域的应用。目前，主要的研究成果如利用迭代学习控制和转 矩分配函数减小转矩脉动，这种方法以绕组电流为s r 电动机的输入量，s r 电动机的转矩为输出量，利用迭代学习控制方法不断调整绕组中的电流、以 得到期望的输出转矩，提出有效减小转矩脉动的方法，具有十分重要的意 义。 4 无转子位置检测方案 位置检测是s r 电动机同步运行的基础，也是s r 电动机区别于步进电机 的主要方面之一，s r 电动机的各种高级控制技术都是以高精度的位置检测 为首要条件，这不仅增加了系统的体积和成本，而且降低了系统的可靠性。 为了消除轴位置检测器这一不利因素，无转子位置检测技术成为s r 电动机 研究的一大热点。例如，通过测试电动机非激磁相绕组电感来估算转子位 置；利用探测线圈的自感和互感估算转子位置；在定子2 个凸极之间安装金 属平板，通过电容的变化来估算转予位置等。 5 多控制算法 在控制参数的优化方面根据不同的系统要求，可选取不同的目标函数， 如系统的效率最高、平均转矩最大、转矩脉动系数最小等。由于s r d 控制参 数多、电机模型复杂，使得优化过程计算量大，而且得到的只是针对单个系 统的优化结果。与传统的电机调速系统相比，s r d 系统实现优化控制的难度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要高一些但是随着各种控制理论在传统电机调速系统中应用的研究日益深 入，它们在s r d 系统中的应用也逐渐增多，一些现代的控制理论和方法在 s r 电动机的控制中也得到了应用，如模糊控制、模糊控制与p i 控制结合在 一起的混合式调节、滑模控制、自适应控制、线性回馈控制以及人工神经网 络控制等。这些现代控制技术的使用部分解决了s k i ) 系统的非线性多变量强 耦合问题，但距实用技术还有一定距离，主要表现在一些控制技术中为设计 目的提出的模型太过复杂而难以用于s r 电动机实时控制，而有的为控制目 的提出的模型则过于简单而影响了控制的实际效果，或者因控制参数难于确 定而失去实用的价值。但随着微电子技术和高级控制技术的发展，这些控制 技术必将在s r d 系统中得到切实应用。 6 微处理器和专用集成电路的应用 s r 电动机能够正常工作的关键是每相绕组导通、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灵活性相对较差，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 位或3 2 位的单片微机的应用亦正在研究开发之中。s r 电动机 控制电路的集成化对简化硬件电路、产品系列化、提高可靠性等方面非常有 效，这是s r d 迈向成熟和批量生产的必由之路。 ， 1 5 本课题的主要研究内容 本课题在以前研究工作的基础上，研究设计了一台四相8 6 极、功率为 5 5 k w 开关磁阻电动机调速系统，主要内容包括以下几个方面： 1 分析了s r 电动机的基本结构和运行原理旧，研究了电动机的运行 与控制特性机理，以决定系统的控制策略，研究设计由单片机a t 8 9 c 5 2 和模 拟电路相结合构成的电流电压斩波速度闭环控制器硬件电路； 2 探讨不同功率变换电路的优缺点，根据s r 电动机控制方式选择功率 变换器主电路、主开关器件，完善了系统的各种保护功能，并制作调试； 3 设计制作、调试了驱动及保护电路； 4 系统控制软件的编制及调试； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 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 后与功率变换器主电路、s r 电动机一起进行整体测试实验； 6 采用v c h 1 6 o 软件做为高级编程工具，开发设计了s r d 系统的上位 机监控界面，在此基础上根据s r 电动机调速运行实时曲线，进行了p i 参数 整定。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章s r 电动机的基本原理和控制特性 2 1 s r 电动机的基本结构 s r 电动机是s r d 的执行元件，它的结构与传统的交直流电动机有着根 本的区别。s r 电动机在结构上与步进电机相似，运行原理都遵循磁通总是 要沿着磁导最大的路径闭合的原理，当铁心与磁场轴线不重合时，- 便会有作 用力将铁心拉到磁场的轴线上来，这个作用力就是s r 电动机运行的原动 力切向磁拉力。所以s r 电动机的结构原则是转予旋转时磁路的磁阻要 有尽可能大的变化，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。这是s r 电动机与步进电机的相似之处，但是步进电机一般为位置 开环步进脉冲控制，而s r 电动机是位置闭环控制，且位置闭环控制就不会 出现失步现象；步进电机是作为信息传输从而实现角位移精密传动，而s r 电动机是典型的功率型电气传动装置。 图2 18 6 极定、转子截面图 s r 电动机的定予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8 6 极定、转子冲片的形 状。为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿槽数 压和z ，应为偶数。当然，压不等于z ，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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电动机出力的重要因素，再考虑结构设计的合理性，所以常用的关系为 压= 乙+ 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，s r 电动机的相数为 r a = ( 2 2 ) 从自起动能力及能否正反转考虑，一般应选择埘3 。一般来说，相数 少则功率变换器主电路简单、成本低，因此，两相甚至单相结构是很有吸引 力的。但目前最常用的s r 电动机还是三相和四相的。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，但其铁芯 和主开关器件的开关频率和损耗也增加，这将限制s r 电动机的高速运行和 效率，因此，一般不使用多齿结构。按气隙磁场分有轴向和径向结构，单相 s r 电动机大多采用轴向结构。 2 2 s r 电动机工作原理 以课题所研究的8 6 极四相s r 电动机为例，该电机的一相电路的原理 示意图如图2 2 所示，s l 、s 2 是电子开关，v d i 、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，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 电动机的连续运行。 s r 电动机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心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，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。 因为s r 电动机的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着 磁阻最小的路径闭合，所以具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时， 必须使自己的主轴线与磁场的轴线重合。由图2 2 中可看出当定子d d 极 励磁时，所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线1 17 与定子极轴线 d - d 重合的位置，并使d 相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处 的相对位置作为起始位置，则依次给n a _ b c 相绕组通电，转子即会逆着励 磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给b a d 相通电，则电动机 即会沿着顺时针方向转动。所以s r 电动机的转向与相绕组的电流方向无 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 关，而仅取决于相绕组通电的顺序。 图2 2s r 电动机的工作原理 2 3s r 电动机的数学模型 2 3 1 建立s r 电动机的数学模型 s r 电动机数学模型，通常有以下三种：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s r 电动机性能 时，电流和转矩有解析解，一般用于定性分析。事实上：由于s r 电动机的 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，加上电动机运 行期间的开关性和可控性，在电动机运行期间绕组电感往往不是常数，而是 电流和转予位置角的函数。s r 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。 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并设s r 电动机的相数为埘。各相 结构和参数对称。设七= l ，m 相的电压、磁链、电阻和电流及转矩分别为 跚、狮、皿、i t ，转子位置角为口，转子角速度为国。 1 磁链方程 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 的函数为 ， i 傩= 妒( f l 矗，厶口) ( 2 - 3 ) 由于s r 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 电动机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为 盼= ”任9 ) = h ( k 8 ) 奴( 2 - 4 ) 2 电压平衡方程 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 阻压降与因磁链变化而产生的感应电势作用之和，第k 相绕组电压方程为 讹：胁+ 坐 ( 2 5 ) 画 若把弘= 妒( f t 。仍和彬= l k ( o ，矗瓜代入( 2 - 5 ) 得 搬= 肺+ c 厶+ 矗警警+ 矗等等( 2 - 6 ) 由式( 2 - 6 ) 表明电源电压与第k 相回路中的电阻压降、电流变化而引起 磁链变化而感应的电动势、转子位置改变引起绕组中磁链变化而感应的电动 势三部分电压降之和相平衡。 3 转矩方程 根据机电能量转换原理，s r 电动机的电磁转矩表示为磁共能对转子位 置增加的速率，即 t k = 翌篓盟；t ( i k ，占) ( 2 - 7 ) s r 电动机的合成转矩由各相转矩叠加而成，即 l = t ( i k ，缈 ( 2 8 ) 4 机械运动方程 按照力学定律可得出在电动机电磁转矩磊和负载转矩不作用下的转子机 械运动方程为 ，皇竺：兀一曰珊一t i( 2 9 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d o i 跏 式中：j 转动惯量，k g i n 2 ； 口粘滞系数； z 负载转矩，n m 。 2 3 2 数学模型的求解方法 ( 2 _ 1 0 ) 上述数学模型由于其严重的非线性，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，人们针对磁链的变化，采用了以下几种方法求解模型； 1 理想线性模型f 1 。】1 1 9 1 若不计s r 电动机磁路饱和的影响，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s r 电动机的理想线性模型将磁链 弘近似为电流五的线性函数，这种方法可了解s r 电动机工作的基本特性和 各参数问的相互关系，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| i 啡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【2 1 l 将磁链妒用一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、等电流间隔电动机磁链特性数据 5 瞻( 玩口) 反演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据矗( 弘，p ) ，连同矩角特性 数据r 仅，p ) 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，也可用于求解瞬态问 题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l i i i ；i i i ；j i i i i i i i j i i i i e ；i i i | - 2 4 s r 电动机控制特性分析 2 4 1电感与转子位置角的关系 由于s r 电动机的电磁转矩的磁阻性，定转子的双凸极结构，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，也就是从 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 3 说明。 。lj 孓= 矛l j 将 一 c ， 以国。 森 、一 - - - - - - - - - k k 图2 3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9 = 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工m 。在囟 和仉( 0 2 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，电感保持最小值三m 不变，这是因为s r 电动机的转子槽宽 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予位置变化的最小电感常数区；转子转过口2 后，相电感便开始线性地上升直到囟为止，仍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，相电感变为最大值一；基于电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动机综合性能的考虑，转子极弧历通常要求大于定子极弧届，因此在仍和 6 1 4 ( 矶为转予磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置) 区域内，定转予磁 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 值三一；从良相电感开始线性地下降，直到良处降为工血，良、良均为转 子磁极后沿与定子磁极前沿重合处如此在电动机运行中往复循环。 s r 电动机基于线性模型的绕组电感的分段线性解析式为 工( 力= 三_ k ( 口一目2 ) + 工m h 三一 l e - k p 一矾) 热足= 等等= 学 2 4 2s r 电动机电磁转矩分析 0 1 s 0 0 2 晚曰凸 ( 2 1 1 ) 扔0 s 0 4 0 4 口0 5 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，绕组输入的电能舷应等于结构中磁储能酚与输出机械 能耽之和，即 d w = d w ：+ 飙( 2 - 1 2 ) 如果把一相电压i , k 和感应电势e 的参考方向选得一致， 律，绕组电路的电压方程为 舭：叫：业 甜 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即 d w = u , t h d t 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 4 ) ，得 d w = i a t 妒 机械能可由电磁转矩丁和角位移0 计算，即 飙= t d o 将式( 2 - 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 2 ) ，则得 撕缸，功= 耐妒一t d o 根据电磁感应定 ( 2 - 1 3 ) ( 2 _ 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式( 2 - 1 7 ) 表明，对无损系统，磁储能是由独立变量坼和伊表示的状态变 量，磁储能由弘和口所决定。当似为恒定值时，由式( 2 1 7 ) 得到一般转矩计 算式为 r ：一曼丝坚：盟( 2 - 1 8 ) a6 l 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 2 ) 得 d w e = c l w ( 2 1 9 ) 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 一1 9 ) ，得 t 昕= i 耐吵 ( 2 - 2 0 ) 占 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) ，则磁链可似由电感厶表示为 忧= 工威( 2 2 1 ) 将式( 2 - 2 1 ) 代入式( 2 - 2 0 ) ，得到磁储能的计算式 所= 三l m 2 ( 2 - 2 2 ) z 将式( 2 2 2 ) 代入式( 2 - l s ) ，得 t - - - 1 , 2 丝( 2 - 2 3 ) 2a f 将式( 2 - 1 1 ) 代入式( 2 2 3 ) ，并记 蔚：! 生( 2 - 2 4 ) 22 m 式中：国定子极弧角度，r a d 。 则得到s r 电动机一相的基本转矩计算式为 t = 0 k r h 2 0 一k r t 2 0 0 o e 00001(2-25) o t s 0 0 2 0 2 s 0 0 3 由以上分析可得出如下结论： 1 s r 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。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。 2 4 3s r 电动机绕组电流分析 当s r 电动机由恒定直流电源, t 供电时，可写出一相电路方程为 m ：r d k - t ! 丝 ( 2 2 6 ) 出 式中：+ 搬绕组励磁阶段的外加电压，v ； 一姗开关关断后续流阶段所加的电压，v 。 绕组电阻压降矗m 相比d 妒d t 要小得多，否则绕组电阻损耗将降低电动 机效率，故绕组电阻可忽略不计，由此引起的误差不会超过线性化假设所带 来得误差，则( 2 2 6 ) 可简化为 班：坐( 2 - 2 7 ) 国 将式( 2 - 2 1 ) 代入( 2 2 7 ) 得 m ：厶堕+ 矗曲坐( 2 2 8 ) d od o 式中：饼转子角速度，r a d $ 。 1 b s 护 o ) 之前达到一定数值，导通角越小，则相电流提前增量 也越大，这样保证在有效工作区有足够大的转矩。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 0 2 s 0 a 扩将式( 2 i i ) 对应在此区域存在的条件求解( 2 - 2 8 ) 式 得 f 妒) 2 面i u , ( e 而- o o , ) ( 2 - 3 。) 则相应的相电流变化率为 生：堡【k 丝丝二掣( 2 3 1 ) d o 啡 厶血+ x 够一0 2 ) 2 】 由式( 2 3 1 ) 可做以下分析： ( i ) 当气 0 2 一工一置，相电流在电感上升区继续上升，此时旋转电 动势引起的相电压小于电源电压。 ( 3 ) 当锄= 0 2 一三血置，相电流保持恒定，电流峰值有效值比值小， 对减小转矩脉动和减少开关器件损耗有利。 3 只 p 0 3 在此区域内，相电流在反电势作用下以较快速率下降， 绕组电流为 湘) ：u , ( 2 a 够- a , - e ) ( 2 - 3 2 ) 、7 ( - 0 ，【厶m + 置( 口一岛) 】 当 鸱+ 气) 2 ，绕组中续流电流将在电感上升的有效区域内衰减至 零；否则，绕组续流将进入电感最大区，甚至电感下降区，出现制动转矩， 如果下降区续流时间过长，将影响电机的电动运行特性。 4 只口 只在此区域，绕组电流为 f ：业型 ( 2 3 3 ) 。 c a , ；“ 式( 2 - 3 3 ) 表明，续流在电感最大区域线性下降，而旋转电动势为零， 相电流不产生电磁转矩，只是在反向电压下持续衰减。 5 只口2 一气s 岛在此区域内，绕组电流为 f 旧) ：堡堡垒二垒二旦(