（电力电子与电力传动专业论文）开关磁阻电机的直接转矩控制研究.pdf

r e s e a r c ho nd t co fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l iz i q i a n g ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h uj i n g w e i a s s o c i a t ep r o f e s s o r ：x ua i d e j u l y 2 0 1 1 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f ，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = = 盈錾磁阻避碰也缸至毖丝这宦盏隧。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。 b 学位论文作者签名建鱼主幺： 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有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权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。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密西( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：劣自多致 导师签名： 乐景节 日期：洳) 年7 月多日 中文摘要 摘要 开关磁阻电机以其结构简单坚固、调速性能优越和调速范围广等优点受到广 泛关注。但是由于其双凸极结构、工作在磁链饱和区以及相电流的非正弦性等特 点，开关磁阻电机在运行时存在转矩脉动大、振动噪声大等许多缺点。这些缺点 使得开关磁阻电机不适合应用在对转矩脉动要求严格的场合，极大地限制了开关 磁阻电机的推广应用。此外，由于难以得到开关磁阻电机的精确数学模型，分析 电机转矩脉动原因和设计减小转矩脉动方法都很困难。基于以上原因，本文通过 在开关磁阻电机的控制过程中引入直接转矩控制技术，有效地减小了开关磁阻电 机运行时的转矩脉动。 由于开关磁阻电机的结构和数学模型与交流感应电机有很大的不同，应用于 交流感应电机的直接转矩控制方法不能够直接应用到开关磁阻电机中。本文首先 介绍了交流感应电机的直接转矩控制理论，然后通过分析开关磁阻电机与交流感 应电机的异同，得出适用于开关磁阻电机的直接转矩控制方法。通过分析使用基 本电压矢量的直接转矩控制存在的问题，本文给出了一种优化的开关磁阻电机直 接转矩控制方法。 为了验证优化后的直接转矩控制方法的正确性和有效性。本文首先在 m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境中对开关磁阻电机的电流角度控制系统、使用基本电压 矢量的直接转矩控制系统和使用优化电压矢量的直接转矩控制系统分别进行了仿 真和对比。最后搭建了实验平台，并进行了直接转矩控制的实验测试。仿真结果 和实验结果都证明了优化后的直接转矩控制对于减小转矩脉动有很好的效果。 关键词：开关磁阻电机；直接转矩控制；s i m u i n k ：d s p 英文摘要 a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ri sw i d e l yc o n c e r n e df o ri t ss i m p l ea n ds t r o n gs t r u c t u r e ， s u p e r i o rs p e e dr e g u l a t i o np e r f o r m a n c ea n dw i d es p e e dr a n g e b u td u e t oi t sd o u b l y s a l i e n ts t r u c t u r e ，w o r k i n gi nt h es a t u r a t e dz o n eo fm a g n e t i cc h a i n a n dt h e n o n s i n u s o i d a lp h a s ec u r r e n t ，s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rh a v em a n ys h o r t c o m i n g s s u c ha sl a r g et o r q u et i p p l ea n db i gv i b r a t i o nn o i s ei no p e r a t i o n t h e s ew e a k n e s s e s m a k es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rn o ts u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o ni nt o r q u er i p p l e d e m a n d e do c c a s i o n s ，w h i c hg r e a t l yl i m i t st h ea p p l i c a t i o no fs w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r i na d d i t i o n ，b e m u s eo ft h ed i f f i c u l t i e st og e tt h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l o fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , a n a l y z i n gt h er e a s o n so fm o t o rt o r q u er i p p l ea n d d e s i g n i n gt h em e t h o do fr e d u c i n gt o r q u er i p p l ea r ev e r yd i f f i c u l t b a s e do nt h e a b o v e r e a s o n s ，i nt h i sp a p e rw ei n t r o d u c et h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g yt ot h e c o n t r o l p r o c e s so fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o hw h i c he f f e c t i v e l yr e d u c e st h et o r q u er i p p l eo f s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rw h e nr u n n i n g b e c a u s et h es t r u c t u r ea n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r a r cq u i t ed i f f e r e n tf r o ma ci n d u c t i o nm o t o r ，t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o d su s e di n a ci n d u c t i o nm o t o rc a n n o tb ea p p l i e dt os w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd i r e c t l y i nt h i s p a p e r , t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lt h e o r yo fa c i n d u c t i o nm o t o ri sd e s c r i b e df r i s t ，a n d t h e nt r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e n s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o ra n da ci n d u c t i o nm o t o r , ad i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o ds u i t a b l ef o r s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ri sg i v e n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ep r o b l e m su s i n gb a s i c v o l t a g ev e c t o ro fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h ep a p e rg i v e sa no p t i m i z e dd i r e c tt o r q u e c o n t r o lm e t h o do fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o l i no r d e rt 0v e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so ft h eo p t i m i z e dd i r e c tt o r q u e c o n t r o lm e t h o d ，t h i sp a p e rf i r s t l ys i m u l a t e st h es y s t e m su s i n gc u r r e n t - a n g l ec o n t r o l ， u s i n gb a s i cv o l t a g ev e c t o ro fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，a n du s i n gt h eo p t i m i z e dd i r e c t t o r q u ec o n t r o li nm a t l a b s i m u l i n k ，t h e nc o m p a r et h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t he a c h o t h e r f i n a l l yd e s i g nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ra n dd o t h ee x p e r i m e n t a lt e s t b o t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e t h a t 英文摘要 t h eo p t i m i z e dd i r e c tt o r q u ec o n t r o lo fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rh a v eg o o de f f e c tf o r r e d u c i n gt o r q u er i p p l e 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 ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；s i m u l i n k ；d s p 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 开关磁阻电机控制系统的发展和现状1 1 1 1 开关磁阻电机的发展及现状。1 1 1 2 开关磁阻电机调速系统概述2 1 2 开关磁阻电机中转矩脉动抑制的研究6 1 3 论文的选题意义及内容安排。8 第2 章s r m 直接转矩控制理论9 2 i 交流感应电机直接转矩控制方法9 2 1 1 交流感应电机直接转矩控制的原理分析9 2 1 2 空间电压矢量的产生1 0 2 1 3 空间电压矢量的作用1 2 2 2s r 电机直接转矩控制方法1 2 2 2 1s r 电机的直接转矩控制原理分析。1 2 2 2 2 空间电压矢量的产生1 5 2 3s r 电机直接转矩控制的优化。2 0 第3 章s r m 直接转矩控制m a t l a b 仿真2 2 3 1m 棚a b s i m u l i n k 仿真环境介绍2 2 3 2s r 电机直接转矩控制系统仿真2 4 3 2 1s r 电机直接转矩控制系统框图2 4 3 2 2s r 电机s i m u l i n k 数学模型。2 4 3 2 3 功率变换器模块2 6 3 2 4 定子磁链3 2 变换2 7 3 2 5 定子合成磁链幅值和扇区位置判定2 7 3 2 6p i 调节器2 9 3 2 7 滞环控制器2 9 3 2 8 仿真结果及分析3 0 目录 第4 章s r m 直接转矩控制实验平台硬件设计3 2 4 1 功率变换器部分3 2 4 1 1 功率变换器的拓扑结构3 2 4 1 2 功率开关器件的选择3 3 4 1 3 主电路设计3 5 4 1 4 启动限流的实现3 6 4 2 控制器部分3 7 4 2 1 处理器的选择和核心电路设计3 7 4 2 - 2i p m 模块控制端电源设计3 9 4 2 3 隔离驱动电路4 0 4 2 4 采样电路设计4 2 4 2 5 转子位置检测4 4 4 2 6 人机交互界面4 7 4 3 本章小结4 8 第5 章s r m 直接转矩控制软件设计及实验结果一4 9 5 1 软件设计环境4 9 5 1 1 软件编译环境4 9 5 1 2 软件编写语言5 0 5 2 系统状态流程5 0 5 3 关键程序设计5 3 5 3 1 主程序5 3 5 3 2a d c 中断服务程序5 4 5 3 3 转子位置角细化5 7 5 3 4t 3 定时器中断服务程序5 8 5 4 实验结果分析5 9 第6 章总结和展望。6 2 参考文献6 3 目录 攻读学位期间公开发表论文6 8 致谢6 9 开关磁阻电机的直接转矩控制研究 第1 章绪论 1 1 开关磁阻电机控制系统的发展和现状 1 1 1 开关磁阻电机的发展及现状 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 广s r m ) 原理的出现可以追溯到 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机旋转是简单可行的， 并制造了最初的s r 电机模型【u 。在1 8 4 2 年，英国的研究工作者a b e r d e e n 和 d a v i d s o n 制作了原理与开关磁阻电机原理相似的电动机装置。但是由于当时功率 开关器件还未出现，电力电子和相关领域的科技还很落后，这种类型的电机并没 有受到人们的关注。在之后的很长一段时间里开关磁阻电机没有得到发展，直到 2 0 世纪6 0 年代大功率电子开关的问世才迎来了开关磁阻电机飞速发展期。首个开 关磁阻电机在随后的7 0 年代由英国l e e d s 大学的步进电机和磁阻电机研究小组设 计出来【2 1 。之后，研究学者对开关磁阻电机进行了深入系统的研究，并证明了开关 磁阻电机可以在单向电流控制下实现四象限运行，而且所使用的功率开关器件的 数量是最少的，所以相比于其他电机，开关磁阻电机的结构更加简单，成本也更 低。1 9 8 0 年，n o t t i n g h a m 大学的p j l a w e r e n s o n 等在i c e m 会议上阐述了开关磁 阻电机的工作原理及设计特点，从而奠定了开关磁阻电机在国际上的地位【3 】。1 9 8 3 年，英国的t a s cd r i v e s 有限公司首次推出名为o u l t o n 的开关磁阻电动机产品， 该产品额定功率为7 5 k w ，额定转速为1 5 0 0 r m i n 。随着开关磁阻电机的发展，世 界许多国家也加入到研究行列中，比如美国、德国、加拿大等国家。 我国对开关磁阻电机的研究起步较晚，始于1 9 8 4 年。之后，国内许多科研单 位和高校积极开展了相关领域的研究，并将s r 电机的研究列入到中小型电机“七 五 科研规划项目。到8 0 年代后期，我国已经有s r m 调速系统样机问世。9 0 年 代之后，随着电力电子器件的发展、控制理论的提高，以及对s r m 研究的深入。 我国s r m 研究已经有了很大的进步，并将s r m 应用到许多领域，比如说：家电： 纺织等。但是，相比较于外国对开关磁阻电机的研究水平，我国仍然处于落后地 第1 章绪论 位。在实际应用中往往都是引进外国的技术。 1 1 2 开关磁阻电机调速系统概述 开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v e rs y s t e m s r d ) 主要由s r 电动机、功率变换器、控制器和位置检测器四大部分组成 4 1 ，其系统框 图如图1 1 所示： 给定 负载 图1 1s r d 系统框图 f i g 1 1s y s t e mc h a r to fs r d 由于s r m 的双凸极结构、其本身存在的非线性和工作在饱和磁链区等特点， 使得s r d 与其他电机的调速系统相比有很大的不同。s r d 系统是一个多变量、非 线性、变结构的强耦合系统，一般的线性和非线性控制方法对于s r d 系统并不适 合。为了达到优良的控制性能，国内外研究学者对s r d 系统的各个部分进行研究 改进，并取得了巨大的成就。本节简要地介绍s r d 系统各个部分研究成果和发展 方向。 ( 1 ) s r 电机建模研究 s r 电机作为s r d 系统的控制对象，对其进行准确的参数特性描述和建模有着 重要的意义。它不仅是优化电机结构、提高电机性能的基础，而且为研究高性能 的s r 电机控制策略提供参考。s r 电机虽然结构简单，但由于其自身的双凸极结 构、绕组电流的非线性和铁心磁通的饱和特性，使用传统的电机分析方法对于s r 电机并不适用。建立s r 电机数学模型的主要困难在于，电机的磁路饱和、涡流、 开关磁阻电机的直接转矩控制研究 磁滞效应等产生的非线性，这些非线性影响着电机的性能，但却很难进行数学模 拟【4 】。如果考虑所有的非线性因素，虽然能够推导出精确的数学模型，但是其结果 必然是繁琐而不实用的。目前为止，对开关磁阻电机的所有建模方法，基本上都 是以近似的方式进行的。这些方法包括：线性和准线性建模方法、有限元分析方 法、函数解析法以及随着智能技术发展而使用的人工智能法。 线性模型是在不计s r 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的情况下得到的【5 1 。其电感与角度的关系呈分段 线性关系。s r 电机的线性模型首先由l a w r e n s o n 提出，并根据此模型分析了s r 电机的极数、相数及极弧的设计原则【倒。之后，c o r d a 使用该模型推导出了s r 电 机的转矩理想化解析式。虽然，线性模型在很大程度上简化了s r 电机的建模，但 是，由于s r 电机始终是高度非线性的。在忽略诸多影响因素后必然导致其精度的 不足。在s r d 发展初期，线性模型具有很大的价值，但是随着s r d 控制精度要求 的不断提升，线性模型显然已经不能够符合要求。之后的准线性分析建模方法在 一定程度上提高了s r 电机建模的精度。但是仍然达不到要求。目前，对于s r 电 机建模的研究主要集中在非线性建模方法上，以期望探索出一种如何既满足建模 精度且不太复杂繁琐的建模方法。 有限元分析法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间 使用节点连接，单元内部的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数插值 求得，将各个单元方程组合成一个总体代数方程组，加入边界条件后即可对方程 组求解，从而得到求解域内所有点的物理量【7 1 。有限元分析法能够为s r 电机建立 精度非常高的模型，但其运算量也非常大。有限元分析法可以分为二维有限元分 析和三维有限元分析，其中三维有限元分析有着更高的精度，但同样也需要更复 杂的计算。 函数解析法的基本思想是使用函数解析方式对s r 电机的磁化特性曲线进行 拟合，相比于有限元分析法，其运算量小很多，但同时也降低了建模精度。r o u x 等人使用直线等效s r 电机定转子不对齐位置的磁化曲线，而使用一条直线和一条 水平抛物线等效定转子对齐位置的磁化特性曲线【8 j 。b f a h i m i 将与转子位置有关的 第1 章绪论 电感使用有限次傅里叶级数表示，而与相电流有关的相电感则使用多项式的形式 表示【9 1 ，该建模方法相比于r o u x 的建模方法有更高的性能，当然运算量也有所增 加。h 一pc h i 等人提出了一种只需要已知五条s r 电机磁化曲线便可得到其函数解 析模型的建模方法，该方法中使用直线( 非对齐位置) 和反正切曲线( 中间位置 和对齐位置) 近似不同位置的磁化曲线。并将磁链与相电流、转子位置的函数关 系式使用傅里叶级数表示【1 0 l 。上述两种模型都使用了傅里叶级数进行解析，其精 度由傅里叶级数的阶数决定，在实际应用中需要平衡精度和运算量的关系，从而 决定傅里叶级数的阶数。x dx u e 等人引入二维正交多项式表示磁链参数，提出了 一种基于二维最小二乘法理论的建模方法，该方法能够在线和离线建模i l l l 。函数 解析模型相比于线性模型具有更高的精度，且比较简单，容易嵌入到实际控制系 统中，具有很高的使用价值。 随着人工智能技术的发展，使用智能方法对s r 电机进行建模成为近年来s r 电机建模的研究热点。s r 电机建模主要使用神经网络对s r 电机的特性曲线进行 逼近。由于神经网络具有很好的非线性逼近能力和泛化能力，只要网络结构合适、 训练方法恰当以及训练数据全面，完全有能力达到很高的建模精度，而且神经网 络结构清晰、不需要对建模对象有详细的数学描述，种种优点使得使用神经网络 对s r 电机建模成为s r 电机建模方法的一个有效的发展方向。e l m a s 首次使用神 经网络对s r 电机进行建模，其神经网络的训练方法为b p 算法【1 2 j 。之后许多研究 学者都对使用神经网络进行s r 电机建模进行了研究f 1 孓1 6 1 。 ( 2 ) 功率变换器研究 功率变换器的作用有三个：起开关作用，控制相绕组与电源的通断；为绕组 储能提供回馈路径；为s r 提供电能量，以满足所需的机械能的转换【l 刀。功率变换 器不仅是联通电源与s r 电机的桥梁，而且控制器的控制对象也是功率变换器。功 率变换器的性能和成本很大程度决定了s r d 的整个性能和成本。所以，如何合理 设计功率变换器是非常重要的。由于s r 电机的各项独立，而且只需要单向电流控 制，所以相比于交流感应电机的变频器更简单、可靠。但是由于s r 电机运行时的 电压、电流的非正弦特性和难预料性，所以对s r 电机的功率变换器设计有特殊的 开关磁阻电机的直接转矩控制研究 要求。 功率变换器的设计包括两个关键问题：一是功率变换器的结构设计，二是主 开关器件的选择及其器件定额的估算【4 1 。 在功率变换器结构设计方面，学者提出了多种功率变换器的拓扑结构。可以 概括为硬开关实现和软开关实现两大类。硬开关实现的功率变换器又可以分为每 相只有一个功率开关的功率变换器和每相有多个功率开关的功率变换器。每相只 有一个功率开关器件的结构有电机双绕组型f 1 引、分裂直流电源型f 1 9 l 和电容转储型 功率变换器【2 0 1 ，每相有多个功率开关的结构有不对称桥型【2 1 1 ，( n + 1 ) 型、( x n l ) 型功率变换器。软开关功率变换器有串联谐振【2 2 】和准谐振功率变换器【2 3 1 。 用于s r 电机的功率变换器的开关器件类型随着功率开关管的发展而发展。在 2 0 世纪8 0 年代，由于晶闸管( s c r ) 相比予其他功率开关器件有更高的电压和电 流容量，所以，s r d 的主开关一般都选择使用晶闸管。但是由于晶闸管是半控型 整流器件，没有自关断能力，使用强迫换相电路的成本高且可靠性差，另外晶闸 管的工作频率低，所以s c r 逐渐被g t r 所代替。在2 0 世纪8 0 年代中期，s r d 的功率变换器开始使用门可关断晶闸管( g t o ) ，g t o 是全控型开关器件，而且电 压、电流容量与普通的晶闸管相近，它克服了g t r 的承受浪涌冲击能力不强的缺 点，目前，在大功率场合仍然有使用g t o 的。近年来，s r d 系统越来越偏向于使 用m o s f e t 和i g b t 作为开关器件，这些器件克服了g t o 关断时需要很大的反向 关断电流、关断难度大等缺点。 由于s r 电机运行时的电流、电压波形是非正弦波形，而且受电机参数、功率 变换器的拓扑结构、控制方式和控制参数的影响。所以，确定主开关器件的电压 额定和电流额定是很困难的事情，需要针对具体的应用进行计算。 ( 3 ) s r d 控制器及控制策略研究 控制器是s r d 的控制中枢，它决定着s r 电机的运行方式和性能。早期s r d 的控制器由于科技水平的限制，一般都是由分离模拟器件搭接而成。随着电子器 件水平的发展，目前s r d 控制器基本上都是以高性能数字处理器为核心数字控制 系统。特别是使用专门用于电机控制的数字信号处理器( d s p ) 比如说t i 公司生产 第l 章绪论 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。这些高性能芯片为向控制器嵌入高性能控制方法提供了方便， 使得研究人员将注意力从电路的硬件设计转向了软件设计和算法研究。 传统开关磁阻电机的控制方式主要有三种：电流斩波控制( c c c ) 、角度位置 控制( 船c ) 以及电压控制( v c ) 。在基速b 以下，常采用电流斩波控制，其输 出为恒转矩特性。在基速以上使用a p c 方式，其输出特性为恒功率特性。在 该模式下，通过改变开通关断角来改变电机转速。电压控制是固定开关角的情况 下，通过改变绕组电压而达到改变转速的目的。 在s r d 发展初期，其控制策略一般都是基于线性控制理论进行设计，比如说 前馈转矩或电流控制、反馈转速控制泌2 5 1 。但是，由于s r 电机呈现出来的特性是 高度非线性的，所以线性控制方法并不能达到最好的控制性能。 随着控制理论的发展和对s r 电机的研究深入，s r d 的控制方法也在不断的发 展。文献 2 6 2 8 1 使用基于线性控制律的反馈线性化控制器实现了比p i d 控制器更 优良的动、静态性能。在文献 2 9 q a ，b u j a 等人在仿真环境下首次将变结构控制方 法应用到s r 电机的控制器中，大大减小转矩脉动和系统对参数变化和干扰的敏感 程度，且不需要s r 电机的先见知识。但是这种方法忽略的s r 电机的磁链饱和及 相间耦合的影响，必然会影响到电机的控制性能【2 们。文献 3 0 1 介绍一种基于滑膜控 制策略的转速控制器，其结果表明，该策略为s r 电机控制提供了内部非线性抑制 的机制，取得了较好的结果。智能控制的发展为s r 电机的控制带来了新的控制 思想，其具有的非线性控制能力更是解决s r 电机高度非线性的有效途径，比如说 模糊控制f 3 1 。4 】，人工神经网络控制f 3 5 。羽。 1 2 开关磁阻电机中转矩脉动抑制的研究 开关磁阻电机具有结构简单、制造成本低、调速范围广且效率高等优点，但 是由于其自身的结构特性、其供电方式的开关性以及工作在磁链饱和区等特点， s r 电机运行时存在明显的转矩脉动问题。随着s r 电机应用越来越广泛、性能要 求越来越高，s r 电机的转矩脉动问题成为了s r 电机控制过程中不可忽略的问题。 国内外许多专家学者对s r 电机的转矩脉动原因进行了研究。研究结果表明，转矩 开关磁阻电机的直接转矩控制研究 脉动主要受电机相数、结构参数和控制策略的影响。所以，减小转矩脉动的方法 也向优化电机结构和完善电机控制策略两个方向进行。本节主要从完善电机控制 策略角度介绍减小s r 电机转矩脉动的问题。 从电机控制策略角度减小转矩脉动的方法主要可分为两大类：第一类是通过 使用转矩分配函数将期望转矩分配到s r 电机各相，然后通过分别控制各相电流或 磁链波形，使各相转矩达到控制要求，进而使合成转矩恒定。第二类是利用转矩 测量或估算得到总转矩反馈，与总转矩给定比较产生开关信号，进而直接控制合 成转矩。这种方法又被称为直接转矩控制【3 9 l 。 转矩分配函数法通过控制相电流或磁链间接控制电机合成转矩，其电流变化 平稳且避免了较大的峰值电流，但使用该方案需要对换相区的两相同时进行控制， 因此占用的控制接口资源多，并且合理选择转矩分配函数是实现较优控制的关键 1 4 0 l 。文献 4 1 1 使换相周期内单相转矩变化率恒定，并将不同转子位置的电流波形存 储起来，通过控制各相电流实现转矩恒定。由于是离线计算转矩波形，使得其抗 干扰性和动态性不够好，且只能够在低速运行。文献1 4 2 指出满足静态转矩意义上 限制条件的转矩分配函数并不唯一，并将转矩分配法与电流解析求解策略结合， 进而期望得到平滑的转矩控制。文献【4 3 】将各相转矩波形设置为梯形，在单相工作 区间内，转矩为恒定值，在换相区问，前一相转矩呈线性减小，后一相转矩呈线 性增加，并且保持两相转矩之和为恒定值，并应用非线性转矩控制补偿反电动势 与电感非线性特性。从而减小转矩脉动，优化电机性能。 直接转矩控制直接控制瞬时转矩避免了转矩分配函数的确定和电流( 或磁链) 的跟踪控制。文献 4 4 1 将交流感应电机的基于空间电压矢量的直接转矩控制理论应 用到s r 电机的控制中，定义s r 电机的直接转矩控制的基本电压矢量，研究结果 表明该方法具有减小s r 电机转矩脉动的能力。文献1 4 5 中将瞬时估算转矩与参考 转矩相比较，并为换相时设计增加、减小转矩的控制策略，最终控制转矩脉动在 滞环范围以内。 - 7 - 第1 章绪论 1 3 论文的选题意义及内容安排 s r 电机结构简单、制造成本低、效率高等优点使得其应用前景广阔。但是由 于s r 电机的双凸极结构、工作在磁路饱和非线性区以及供电的非正弦性，使得开 关磁阻电机运行时存在较大的转矩脉动，为开关磁阻电机进一步提高性能，推广 应用制造了障碍。随着s r 电机的研究深入、非线性控制理论的发展、新控制策略 的产生以及电力电子器件的发展，为进一步提高电机性能，减小转矩脉动提供了 条件。为了更好地发挥s r 电机的优点、弥补其转矩脉动大的缺陷，扩展s r 电机 应用场合，满足某些应用领域低转矩脉动的要求，本文研究了一种减小开关磁阻 电机转矩脉动的控制策略。 本论文安排如下： 第2 章介绍了交流感应电机的直接转矩控制原理，并分析开关磁阻电机与交 流感应电机的不同，导出了适用于开关磁阻电机的直接转矩控制理论。 第3 章根据开关磁阻电机的直接转矩控制理论在m a t i a b s i m u l i n k 仿真环境 中进行仿真研究。仿真结果证明了开关磁阻电机直接转矩控制方法的正确性。 第4 章介绍使用i p m 模块作为功率变换器的开关器件，使用d s p 处理器作为 主控制芯片的开关磁阻电机直接转矩控制平台的硬件设计。 第5 章介绍开关磁阻电机直接转矩控制平台的软件设计及实验结果。 第6 章对全文进行了总结。 8 开关磁阻电机的直接转矩控制研究 第2 章s r m 直接转矩控制理论 直接转矩控制( d t c ) 理论最早应用于交流感应电机，是继矢量控制后又一 高性能控制方法。与传统的控制方法不同，直接转矩控制在静止的定子坐标系下 定义控制的空间电压矢量，通过这些空间电压矢量控制磁链运动轨迹呈多边形或 者近似圆形，然后通过控制定转子磁链问的角度控制转矩的增大或减小，从而使 转矩保持在转矩控制滞环内。相比于矢量控制方法，直接转矩控制以转矩为直接 控制变量，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；在控制过程中使用砰砰控制， 增加了系统的鲁棒性。本章首先介绍交流感应电机的直接转矩控制方法，然后分 析如何将直接转矩控制方法应用到s r 电机控制中，最后根据基本电压矢量的缺点 提出优化后的基于空间电压矢量的s r 电机直接转矩控制方法。 2 1 交流感应电机直接转矩控制方法 2 1 1 交流感应电机直接转矩控制的原理分析 直接转矩控制的原理是根据参考转矩、参考定子磁链与实际反馈转矩、磁链 的误差来选择最优定子电压矢量，从而将转矩、磁链误差控制在各自的滞环范围 以内。所需的最优电压矢量可以通过定子磁链矢量、开关矢量是否有效以及误差 值来得到。在交流感应电机中，电磁转矩可以由式2 1 表示： za 三p 土死谚( 2 1 ) 2 1c r l 3,l 式中，p 为电机极对数，l 为定转子间互感，t 为定子绕组电感，为转子 绕组电感，以为定子磁链矢量，步，为转子磁链矢量。 从式2 1 可以看出，交流感应电机的电磁转矩与静止坐标系中的定转子磁链的 乘积成比例关系。同时，定子磁链矢量与转子磁链的矢量关系如式2 2 i 删： 警+ 砖一j p o , ) o ；一去死 亿2 ) 式中，0 一r , ，表示转子时间常数。在s 域中，上式所表示的关系可以用 第2 章s 跚直接转矩控制理论 式2 3 表示： 厶 痧：一志死 ( 2 3 ) 从上式可以看出，转子磁链对于定子磁链有一个一阶延时，即转子磁链不能 够对定子磁链的变化作出快速的反应，可以假设转子磁链比定子磁链变化得更慢。 同时式2 1 写成标量形式可以表示为式2 4 ： r 一三p 去螂，s ；n e c 2 舢 式中气为定转子磁链矢量的夹角。根据式2 3 得出的结论，以及式2 4 可以知 道，为了控制电机的电磁转矩，可以在保持定转子磁链幅值恒定的情况下通过改 变定转子磁链矢量的相对位置即艮来改变电机的电磁转矩。 定子磁链可通过式2 5 得n - 死。j 喊一f r ) d t ( 2 5 ) 式中，r 为定子绕组电阻，正，f 分别为定子绕组电压和电流。 通过上面的分析，整个交流感应电机的直接转矩控制理论就变得非常明确了。 通过式2 5 可以得到定子磁链矢量，由于转子磁链由负载的大小决定，且在一个控 制周期内，由于一阶延时作用，可认为转子磁链没有变化。为了节省材料和减小 电机的体积，一般控制过程中保持定子磁链矢量的幅值不变，则整个控制方法转 换为控制角度瓦来控制电磁转矩。根据式2 5 同样可以知道，可以通过控制施加 不同的电压矢量来控制定子磁链。则控制方法转化为如何施加电压，以保持电磁 转矩不变。 2 1 2 空间电压矢量的产生 交流感应电机的逆变器如图2 1 所示，功率器件啊一睨作为开关作用，控制 不同的导通关断组合，对电机的三相施加不同的电压矢量。 开关磁阻电机的直接转矩控制研究 j 一 l 弋啊2r 血2 ， 卜喝j l + = 一i j d e 一 卜、i f 4 z弋 睨2【一 l 卜、_哩2 图2 1 交流感应电机主电路 f i g 2 1t h em a i nc i r c u i to f a cm o t o r 将相电压写成合成空间电压矢量的方式，可用式2 6 表示： ， k = 鲁吃( 疋+ s h e 7 知口+ s e e 2 5 佑) j 其中是逆变器的直流电压，k 是三相合成空间电压矢量。 如图2 2 ：其中k 一圪相差6 0 。，圪、为零电压矢量。 ( 2 6 ) 使用向量图表示 图2 2 三相交流感应电机空间电压矢量 f i g 2 2t h es p a c ev o l t a g ev e c t o ro ft h r e ep h a s ea cm o t o r 第2 章s 跚直接转矩控制理论 2 1 3 空间电压矢量的作用 为了控制定子磁链的变化，控制器必须从电压源逆变器产生的六个电压矢量 中选择出最优的电压矢量进行控制。通过下述推导可以得到选择空间电压矢量的 方法。 在电压足够大的情况下，定子绕组的内阻引起的压降可以忽略不计，则式2 5 可以写成： 盟。矿( 2 7 ) 出 如果时间足够小，式2 7 可写成： 晚z 矿 ( 2 8 ) 从上式可以看出，在微短的时间内，通过施加电压矢量可以产生一个与该电 压矢量相同方向的定子磁链变化，在施加该矢量区间，磁链变化量与电压变化量 和时间间隔址成正比关系。 通过上述分析可知，直接转矩控制方法可以通过选择最优的空间电压矢量来 控制定子磁链幅值、角度的变化。在维持定子磁链为恒定值的情况下，可以通过 施加电压矢量改变定子磁链的角度，从而达到控制电机电磁转矩的目的。 直接转矩控制通过砰砰控制方法对电机转矩和定子磁链进行调节。在控制过 程中不需要进行旋转坐标系的变换，简化了系统控制结构。由于控制的对象是定 子磁链和转矩，不需要控制转子磁链，所以在控制过程中不受转子磁链的影响。 随着对s r 电机的研究深入，近年来有些学者将交流电机的直接转矩控制思想 引入到s r 电机控制中，提出了基于空间电压矢量的s r 电机直接转矩控制方法。 2 2s r 电机直接转矩控制方法 2 2 1s r 电机的直接转矩控制原理分析 由于s r 电机每相激励都是独立的，且其电流波形不是正弦波形而是呈现高度 非线性，所以式2 6 并不适用于s r 电机。传统交流感应电机的旋转理论并不能够 直接应用到s r 电机领域。本节首先从能量角度分析s r 电机瞬时转矩表达式，这 开关磁阻电机的直接转矩控制研究 种方法在文献1 4 6 中由w h i t e 提出。并在文献【4 7 】和文献【4 8 】中也有被提及。然后 再通过分析转矩表达式得到适用于s r 电机的直接转矩控制方法。 s r 电机的电磁方程由下式表示： 1 ，；r + 丝丝2 ( 2 9 ) d t 式中妒( 口，f ) 是磁链与转子位子角口和相电流i 的非线性表达式。 上式写成偏微分的形式有： y 。尉+ a g ( a , i ) 一d i + 皇竺鲤2 一d o ( 2 1 0 ) a id ta 8m