开关磁阻电动机调速系统仿真分析与设计研究

1、太原理工大学硕士学位论文开关磁阻电动机调速系统仿真分析与设计研究姓名：李书杰申请学位级别：硕士专业：指导教师：卜庆华20100517开关磁阻电动机调速系统仿真分析与设计研究摘 要开关磁阻电动机调速系统（简称 SRD ，Switched Reluctance MotorDrive ）是继直流调速、交流变频调速之后，于上世纪 80 年代中期发展起来的一种开关磁阻电动机与电力电子技术、微电子技术、控制技术于一体的新型调速系统。兼有直流调速、交流调速的优点，以其宽广的调速范围、良好的机械特性、高效节能、卓越的起动和制动性能等优点成为传动领域的热门。本论文基于山西防爆电机（集团）有限公司承担的“十一五”

2、国家科技支撑计划课题“矿用电机系统节能技术研究”中子课题“矿用隔爆开关磁阻电动机 SRD 技术研究”（项目编号：2008BAF34B00）对开关磁阻电动机调速系统进行研究。本文在基于研究开关磁阻电动机调速系统的意义的基础上，介绍了其发展状况、基本组成、性能特点及过去和现阶段研究热点。在了解上述内容的前提下，介绍了本文的研究内容。在本文的第二部分介绍了开关磁阻电动机及其调速系统的基本结构和工作原理；在数学模型介绍中分别叙述了三种数学模型的优缺点，并对线性化模型做了较详细的分析。通过对开关磁阻电动机调速系统的电流斩波控制方式（CCC ）、角度位置控制方式（APC ）、电压 PWM 控制方式、组合控

3、制方式的介绍，对比上述几种控制方式的特点，提出本文的控制方式：低速电流斩波控制、高速角度位置控制相结合的组合控制方式，采用电流内环和 PI 调制的速度外环双闭环的控制策略。在上述控制方式和控制策略提出的基础上，在 matlab/simulink 仿真环境下、采用模块化的思想建立了开关磁阻电动机调速系统的仿真模型，并进行了仿真实验，从仿真曲线验证了理论的电流斩波和角度位置控制方式下电流、电压波形。在 硬 件 设 计 部 分 ， 介 绍 了 TI 公 司 的 电 机 专 用 控 制 芯 片TMS320LF2407 的功能特点，以其为控制单元设计系统的硬件电路。通过对各种功率电路的比较分析以及 SR

4、D 系统应用方面的发展，确定本系统的功率电路采用不对称半桥型功率电路，选择了主开关器件。并设计了位置信号检测电路、倍频电路、速度检测电路、电流检测电路和输入与显示电路。在软件设计部分，为了便于软件的调试、修改和发展亦采用了模块化的编程思想，增强了程序的通用性和可读性。最后，在实验系统调试部分，做了开关磁阻电动机在不同转速下的驱动信号和电流调试。并对本文做了总结，提出本系统存在的问题和今后发展的方向。关键词：开关磁阻电动机，开关磁阻电动机调速系统，电流斩波控制，角度位置控制，功率变换电路The Simulation and Designof Switched Reluctance Motor D

5、rivesABSTRACTSwitched Reluctance Motor Drives (SRD is a new type speed regulationsystem developed in last century, followed direct current motor drive andasynchronism motor frequency conversion drive, which combines powerelectronicstechnology ,microelectronics technology, moderncontroltechnique. SRD

6、 has both advantages of direct current motor drive andasynchronism motor frequency conversion drive. Because of the advantagesof vast speed regulating range, good mechanical properties excellent startingand braking performance and high efficient, it has become one of the mostpopular topics in the cu

7、rrent fields of electric drive.This thesis carried outstudy of Switched Relucance Motor Drives system, based on “ The study onmining flameproof switched reluctance motor drives”， one part of “ Energyconservation technology of mining motor” (Serial number: 2008BAF34B00.Which is supported by National

8、Technology R&D program during the 11thFive-Year plan, taken by ShanXi Explosion-proof motor(GroupCO.,LTD.In this paper, the development of Switched Reluctance MotorDrive(SRD, the basic structure and characteristic of SRD are introduced.Followed up, what study is provided in this paper. The secon

9、d section,Switched Reluctance Motor, basic structure of SRD and working principle areintroduced. The linear mathematical model of SRD is established, followedthe three mathematical model of SRD was introduced. Analyzed the controlmethods of CCC, APC , Voltage Pwm control on SRM, and choosing two kin

10、dof control methods fit for the system: low speed chopped current wave controland high speed Angular Position Control. As control strategy, we put forwardthe control strategy of speed-current double loop. The current loop as theinside loop, the speed loop as the out loop in PI control strategy. Foll

11、ow thecontrol method and strategy, made the mathematical model of SRD usedindependent blocks under matlab/simulink, and simulation. The current andvoltage waveform has been tested by the waveform of simulation.In the hardware section, the characteristic of TMS320LF2407(DSP formotor control, made in

12、TI CO, as the main control-core for hardware design.Kinds of power converter circuit of SRD and their advantages/disadvantagesare discussed and compared in this thesis, think about the development ofSRD. Asymmetric Bridge converter as the system converter, power transistoris selected. At the same ti

13、me, the circuit of current detection, voltage detection,speed detection, doubling frequency, interface/display are designed. Insoftware section, the modular program can make the program universal andreadable, useful for test and development.Finally, the drive and current of SRM are tested in differe

14、nt speed. Thedebugging waveform same to the analys.Give the conclusion.KEY WORDS: switched reluctance motor, switched reluctance motor drive,chopped current control,angular position control,power converter第一章绪论开关磁阻电动机调速系统（简称 SRD ，Switched Reluctance Motor Drive），它是继直流调速、交流变频调速之后，于上世纪 80 年代中期发展起来的一种新

15、型交流调 速系统1。它融新型电机结构（双凸极）和电子技术（电力电子技术、微电子技术） 于一体，兼有直流电动机调速和异步电动机变频调速系统的优点1。以其结构简单、运行可靠、高效节能等优良性能异军突起，成为交流调速系统的一支生力军，应用前景广阔。1.1 研究开关磁阻电动机调速系统的意义目前世界各国科学技术都向绿色化、高效化、智能化方向发展。其中电机系统节能是二十一世纪经济和社会发展的必然趋势。国家已把高效节能电动机列入十一五重点节能推广项目。而本课题正是国家推广“高效节能电动机开关磁阻电动机”的重点节能工程。煤矿井下是高煤尘、易燃、易爆的危险环境，而 SR 电动机适合高粉尘、易燃、易爆等恶劣环境，

16、因此在矿井下应用前景广阔，为提高煤矿井下电气传动设备的运行可靠性和延长电动机使用寿命开辟了一条新途径，对提高煤矿企业的经济效益、减少不安全因素、降低事故率具有重要意义。由于 SR 电动机的过载能力、起动性能，适合煤矿设备的频繁起动。可实现完美的传输功能和优异的节能效果。为本项目多台开关磁阻电动机驱动装置的矿用传输带综合节能控制系统的提出提供了可能性。开关磁阻电动机（SRM/SR 电动机）在调速领域以其结构简单、成本低、效率高、调速性能良好及控制灵活等优点占据了一席之地，可在牵引运输、航空航天、电动汽 车、家用电器等领域中应用1。但是在开关磁阻电动机调速系统的应用过程中也暴露出它的不足，体现在以

17、下几方面：1、低速转矩脉动问题开关磁阻电动机起动时，为了增大转矩输出能力，SR 电动机通常运行在磁场深度饱和的状态下，导致 SR 电动机相电感和磁链是转子位置角和绕组电流的非线性函数，在采用传统的脉冲供电方式下，低速时转矩脉动明显。2、噪声和振动问题（由于开关磁阻电机采用各相轮流通电，则在某相通电时容易形成径向磁拉力，从而导致电机机座和定子轭部发生变形，由变形引起振动和噪声。3、温升问题开关磁阻电动机铁心各部分的磁场变化复杂、都是非正弦变化，又因为铁心磁场的频率随转速变化，因而温升是一个难题。然而这些在小功率 SRM 中不太明显，但随着功率等级的加大，其在小功率等级没有完全体现出来的转子温升现

18、象逐步显现出来，如何解决转子温升问题成为一大难关。4、建模问题SR 电动机由于其结构和磁路高度饱和，导致磁路的严重非线性，进而难以建立准确、可靠的数学模型，不能精确分析其动、静态性能。现今数学模型的建立以理想线性模型、准线性模型、非线性模型三类方法为主，线性模型、准线性模型难以准确可靠的描述 SR 电动机磁场特性；非线性模型虽然较以上两种有所改善，但其数据的采取由于并非是时刻采集，因此造成模型建立的不准确性。为了使开关磁阻电动机在实际应用中不受上述问题的影响，本文在建立非线性数学模型的基础上，从 SR 电动机控制策略出发解决上述问题。的论文，文中描述了 SR 电动机的两个特性： 1）开关性SR

19、 电动机必须工作在一种连续的开、关模式，这就是 SR 电动机只有在各种新型半导体器件（如：晶闸管、 GTO 、IGBT ）出现后才能发展的原因所在；（2）磁阻性它是一种双凸极电机， 定、转子具有可变磁阻回路145。其实，19 世纪 40 年代 SR 电动机的基本结构及基本原理已经提出，即所谓的“电磁发电机”。由于当时科学技术水平的限制，无法解决 SR 电动机在设计、控制等方面的一系列关键问题，这一科学发现在当时并没有引起人们的足够重视，这种状况一直持续到 20 世纪中叶。上世纪 60 年代，SR 电动机随着电力电子器件的发展，又被重新提上研究日程。1967 年，英国 Leeds(里兹 大学开始

20、对 SR 电动机进行深入研究，其研究成果表明：SR 电动机可在单向电流下四象限运行，功率变换器主开关器件无论采用晶体管还是用普通晶闸管所需开关器件在数量上都是最少的，与同容量的异步电动机相比其成本显著减少。1975 年英国 Nottingham （诺丁汉）大学和 Leeds （里兹）大学的联合研究小组成功的研制出一套用于电动汽车的 50KW 的 SRD 装置，其单位输出功率和 效率都高于同类的异步电机驱动装置，表明 SR 电动机大有可用之途1。1980 年，英国 Leeds 大学的 Lawrenson 教授及其同事总结多年的研究成果，发表了著名论文变速开关磁阻电动机(Variable-Spee

21、d Switched Reluctance Motors，这标志着国际学术界对 SRD 的公认，为 SR 电动机原理的研究、发展设计理论、研究理论特性及控制方式奠定了基础。1983 年，英国 TASC Drives 公司将世界上第一台功率 7.5KW 、转速 1500r/min 的SR 电动机Oulton 传动装置市场化，次年又推出功率为 422KW 四个规格的系列产品。 1991 年英国的 BJD 公司应用 Leeds 大学的专利技术为考文垂煤矿研制Supermatic 型以 35KWSR 电动机作为驱动的电牵引采煤机，同时 BJD 还为煤矿研制了 150KW 和 300KW 的 SR 电动

22、机驱动的皮带运输机及由两台 3KWSR 电机驱动的四 轮蓄电池电机车7。由于开关磁阻电动机调速系统结构简单、成本低、鲁棒性好、调速性能好，成为继直流电动机调速系统、异步电动机变频调速系统之后的一种新型调速系统。问世不久便引起世界各国电气传动界的广泛关注：19841986 年原联邦德国先后试制了 1、1.2、5KW 的样机；美国、南斯拉夫、加拿大、埃及、新加坡等国相继展开对 SRD 的研究及开发工作，在 SR 电动机的运行理论、电磁场分析、电机结构、起动性能等方面取得了较大成果。在世界各国对开关磁阻电动机调速系统产生浓厚兴趣的时候，我国对开关磁阻电动机调速系统的研究工作也于上世纪 80 年代中期

23、以较高的起点开始，如北京中纺锐利机电有限公司、华中理工大学（现华中科技大学）、南京航空航天大学、东南大学、华南理工大学、浙江大学、西安微电机研究所等院校和研究所，并把 SR 电动机的研究列为国家“七五”中小型电机科研规划项目。1992 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动机学习小组。在借鉴国外对 SR 电动机研究的经验基础上，我国在 SR 电动机理论上取得了一定研究成果并研制出不同功率和等级的 SRD 产品，如北京中纺锐利机电有限公司研制的 2.2400KW 系列产品，这些产品已被应用到纺织机械、电动车辆、煤矿皮带机、吸尘器、洗衣机、风机水泵等。总之，经过国内外学

24、者的不断探索和努力，对 SRD 系统的研究已经在理论分析、性能仿真、转矩波动及电机噪声、电机优化设计、有限元分析、能耗计算、功率变换器设计、电流位置检测、控制策略取得了丰硕成果，并且将随着 SR 电动机理论和电子器件的发展而完善。1.3 开关磁阻电动机调速系统的组成及其性能特点开关磁阻电动机调速系统（SRD ）主要由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器、电流检测器、位置检测器等几部分组成，如图 1-1 所示， 图1-1开关磁阻电动机调速系统Figure1-1 SRD System1、开关磁阻电动机 SR 电动机是 SRD 有别于其他电动机驱动系统的主要标志、是 SRD 中实现机电 能量转换的部件

25、2、是 SRD 的执行元件，与传统的交、直流电动机相比，它的结构和具体工作原理有着根本的区别，它不像电磁式电机那样转矩和转速的形成依靠定、转子绕组电流产生磁场相互作用。开关磁阻电动机与反应式步进电动机相类似，遵循“最 小磁阻原理”，产生磁拉力形成转矩磁阻性质的电磁转矩3。因此，它的结构原理是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以，SR 电动机采用双凸极结构，其定、转子均由普通硅钢片叠压而成且极数不同。定子极上绕有集中绕组，径向相对 的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”，转子既无绕组也无永磁体1，定、转子及 SR 电动机如图 1-2 所示。SR 电动机定、转子的极数有多种不同的搭配

26、，因此可以设计成多种不同相数结构，低于三相的 SR 电动机没有自起动能力，对于有自起动、四象限运行要求的驱动 ，其系统价格和性能与功率变换器的选场合，应优选相数为三相或大于三相的定转子组合方案。相数多、步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且开关器件多、成本高。所以，SR 电动机在设计和选用时，应考虑应用场合及使用要求。图1-2SR 电动机及其定、转子Figure1-2 SRM 、stator and rotor2、功率变换器功率变换器是 SR 电动机运行时所需能量的供给者3，由交流电整流后得到的直流电或蓄电池供电。由于 SR 电动机绕组电流是单向流动的，使得其功率变换器主电路不仅简单，而

27、且具有普通交流及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在一起的，这样可以避免由于电流过大烧毁器件造成电路短路故障。在整个 SRD 系统中，功率变换器的成本占有很大比重，其供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等决定了主电路的结构形式 1 择和设计有重大关系，因此最佳方案的设计应根据具体性能、适用场所等因素结合。3、控制器1控制器是 SRD 系统的中枢，起决策和指挥作用。它综合处理速度指令、电流检测器、位置检测器的反馈信息，控制功率变换器主电路中主开关器件的开通与关断，实现运行状态的控制。SR 电动机各相主开关器件的导通与断开决定于控制器发出的信号，以此控制电机的正转或反转。S

28、R 电动机输出转矩的大小及状态（驱动/制动）取决于功率器件的导通角。4、位置检测器位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者3，实现同步运行的条件。它及时向控制器提供定、转子极间实际相对位置的信号和转子运行的速度信号，以确定相应相绕组的通断。为了满足 SRD 系统对 SR 电动机的实时控制，位置检测器应具备以下条件：首先检测的精度在运行的速度范围内满足要求；其次要求检测电路简单、工作可靠、抗干扰能力强；为了满足特殊环境的应用还要求能在恶劣环境下工作1，如煤矿装置。5、电流检测器SRD 相电流检测是 SR 电动机过电流保护、电流斩波控制方式运行的需要。SR电动机相电流的基本特点是单向、脉动以及波形

29、随运行方式、运行条件不同而变化很大 1 。由此，SRD 中电流检测器应具备快速性能好、抗干扰能力强、灵敏度高及在特定范围内良好的线性度。电流检测的一般方法有：电阻采样、直流电流互感器、霍尔元件采样、磁敏电阻采样。从结构和运行原理上看，SR 电动机可以认为是反应式步进电机的一员，只不过其具备高速、大步距的特点。两者的差别在于：步进电机作为一种信息传输、实现角位移精密传动的执行机构，电源的换相决定转子轴转动，而转子位置与电源的换相没有关联，属于开环控制；然而 SR 电动机却不然，转子位置决定相绕组的通电，定子 绕组通电与否通过转子位置检测器传输的信息判断，属于转子位置闭环控制4。从运行状态上看，可

30、以将 SRD 系统可视为无刷直流电动机调速的发展，均运行在自同步状态。然而无刷直流电机的转子有励磁，逆变器为定子多相绕组提供交流电；SR 电动机的转子则为反应式，没有励磁，由直流脉冲电源为绕组供电，仅由简单的开关即能实现，基于以上所述，使得 SR 电动机的结构和功率变换器结构简单化。实践与理论证明，SR 电动机调速系统具有以下基本性能特点：1、电动机结构简单、成本低开关磁阻电动机和鼠笼式异步电动机相比结构还要简单，转子上没有绕组只由硅钢片叠压而成，因此鼠笼式异步电动机的断条现象在此不会出现；定子侧只有几个集中绕组，端部短而牢固，制造简单。电机易于冷却，无高温退磁之忧，适宜在恶劣、高温环境下运行

31、2、功率变换电路简单可靠开关磁阻电动机的正反转与定子绕组电流的流向无关，只与各相的通电顺序有关。相绕组电流为单向流动；而感应式电动机绕组流过双向电流，因此向其供电的PWM 变频器中功率电路每相需要两个功率元件，相比 SR 电动机可以做到每相一个主开关。因此，开关磁阻电动机调速系统可以做到较 PWM 变频器功率电路简单、每相中更少的元件数。开关磁阻电动机调速系统中每个功率元件直接与电机绕组串联，不会发生感应电动机 PWM 变频器因功率元件跨接在直流电源侧产生的直通短路，因此 SRD 系统中功率电路的保护电路可以简单化，既降低了成本，又提高了系统的工作可靠性。3、各相独立工作，可靠性高SR 电动机

32、的各相绕组和磁路从电磁结构上看相互独立，各自供电产生电磁转矩。当电动机一相绕组发生故障时，只需停止此相的工作状态，SR 电动机仍可以运转，只不过是输出总功率有所降低。4、起动转矩大、电流小开关磁阻电动机起动时只需较小的起动电流，就可以获得较大的起动转矩，并无感应电动机起动时所出现的冲击电流现象，可以从以下数据中得出此结论。SR 电动机当起动电流仅为 15%的额定电流时，相应的起动转矩却是额定转矩。直流电动机起动电流为额定电流时，起动转矩为额定转矩；三相鼠笼式异步电动机起动电流为额定电流的 3 倍时，其转矩才为额定转矩。并且开关磁阻电动机调速系统起动电流小、起动转矩大的特点可以延伸到低速运行阶段

33、，因此 SRD 系统适用于重载起动和低速重载运行的机械设备。5、可控参数多、控制方式简单开关磁阻电动机正常运转，可以通过控制相绕组的开通角、关断角、电流、电压等，多控制参数，可以灵活方便的控制 SR 电机运转，通过改变参数值和控制方法，使之达到电机运转时的要求。6、效率高、损耗小开关磁阻电动机调速系统是一种高效的调速系统。原因有二：1）SR 电动机转子没有绕组，那么也就不存在绕线式异步电动机的铜耗；2）SR 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。综上所述，开关磁阻电动机调速系统是一种具有优良性能的新型的调速系统，这种调速系统综合了直流电动机调速系统和异步电动

34、机变频调速系统的优点，可以与其他调速系统相媲美。广泛应用于煤矿设备、工业调速、电动车、家用电器及航空领域。当然，SR 电动机调速系统也因为其转矩脉动、振动和噪声；数学模型的建立难以“ 与电机磁场相吻合；SR 电动机、控制器、功率变换器三者的协调设计存在一些问题，还有待改进；限制了 SRD 的应用。1.4 开关磁阻电动机调速系统研究热点SRD 研究涉及电机学、电力电子、微电子、微机、控制理论、机械及工程应用等众多学科领域；加之 SR 电机的磁路具有复杂的非线性特性，导致研究的困难性。无论是在理论上还是在应用上都存在不少问题，有待进一步研究完善。1、SRM 数学模型建立的研究SRM 数学模型的精确

35、建立与描述直接影响到电机的设计、电机动态性能分析、电机效率的评估，也为电机的高性能控制提供了基础。极数、极弧设计原则，突出了 SR 电机内部电磁关系的物理本质，奠定了 SR 电机设计的基础； 理想化”转矩解析式由 Corda J 利用 SR 电机的线性模型导出9；Krishnan则基于“平顶波”电流在忽略磁路饱和的非线性影响、假定相电感与电流无关的前提 下，推出了 SR 电动机类似于传统电机的输出方程10。由 Millier 等提出的准线性法11在一定程度上可以克服磁链线性模型因忽略非线性因素的计算误差缺陷。但是，同样存在计算误差较大的缺陷。为此，Torrey 等在实验测得电机静态电磁特性数据

36、的基础上，采用数值曲线拟合方法推导出 (i , 的解析函数表达式12，并对样机进行了仿真研究，结果与实测性能有较好的一致性；Spong 等提出了一种能够较精确地反映 SRM 实际的电磁特性的非线性模型13。S.Wiiliamson 等将三维有限元方法用于 SR 电机磁 化曲线的计算，真正地涉及了电机的端部磁场14。Elmas 等基于 BP 算法建立了开关 磁阻电动机调速系统三层前传神经网络模型15。2、完善 SR 电动机设计理论和加强铁心损耗的理论研究在 SR 电动机的优化设计方面，国内外学者进行了大量研究。利用一种代表性单元双凸极结构方法，并以电机质量最小作为目标函数进行优化计算，同时用直接

37、搜索法求取最佳磁路及驱动系统参数，以获得具有近似最优性能的设计结果。SR 电动机磁场特性的非线性相绕组供电电压和电流波形的脉动、非正弦性；定、转子各部分铁心中不同的磁通密度变化规律，导致定、转子铁心损耗的测量与计算困难程度不言而喻，建立准确、实用的铁心损耗计算模型和测试、分析手段成为主要问题7。3、先进控制策略的研究及参数最优化设计7开关磁阻电动机调速系统性能的改善应考虑 SR 电动机磁场的非线性及参数的时变特性，研究算法简单，具有较高动态性能，能抑制扰动、参数变化及各种不确定性干扰的 SR 电动机新型控制策略。国内外发表了一些基于智能控制技术和现代控制理论建立 SRD 动态模型和系统设计的文

38、献，在一些性能方面有所改善。神经网络理论、 自适应控制、模糊控制5以及带状态观测器的无位置传感器，在理论和实践应用上都有了可喜突破。但是开关磁阻电动机调速系统控制策略仍不完善，仍有很多问题需要解决。4、SR 电动机转矩脉动的抑制及噪声的研究SR 电动机由于转矩脉动及因振动引起的噪声限制了其在诸如伺服驱动这类低速要求平稳且有一定静态转矩保持能力场合下的应用。因此，改善 SRD 性能的关键因 素是抑制因径向力引起的转矩脉动和噪声1，SR 电动机的转矩脉动和噪声的产生即受 到电机本身的相数和结构尺寸的影响，又与所采用的控制策略和控制参数有关5。在 SRM 转矩脉动消除方面的研究应该围绕电机设计和电机

39、控制两方面展开1。5、完善SRD 中SR 电动机、功率变换器及控制器三者的协调设计SR 电动机、功率变换器、控制器三者之间设计联系的紧密程度直接影响 SRD 的整体性能，是提高系统整体性能的必要条件。因此，应该把这三者作为一个整体进行优化设计，不应把各部分的设计割裂开，可以借助 CAD 将三者作为一个整体进行优化设计。6、SRD 无位置传感器的研究对于开关磁阻电动机调速系统而言，实时而准确的转子位置信息是其可靠运行和 获得高性能控制的必要前提条件5。获取位置信号的通用方法是光电脉冲发生器或者其他类型的探测式位置检测器获得转子与定子的相对位置。采取这种方法的优点是简单、可靠，但这在提高系统成本和

40、复杂程度的同时会降低 SRD 系统结构的坚固性，影响系统的可靠运行，不适合应用于诸如煤矿井下等恶劣环境。因此，如何去掉位置检测器，无疑是一个很有潜力的研究方向。1.5 本文研究的主要内容开关磁阻电动机调速系统是我国在上世纪 80 年代调速领域中迅速发展起来的一 种新型调速系统，其结构简单坚固、调速性能良好、调速范围宽、系统可靠性高，是 各国电气传动领域研发的热点之一。但是由于自身的结构及其运行特点，使得 SR 电动机的运行特性和控制方式与传 统电动机存在着区别，同时也存在上述章节所提到的一些问题亟待解决。本论文基于 山西防爆电机（集团）有限公司“十一五”国家科技支撑计划课题“矿用电机系统节 能

41、技术研究”中子课题“矿用隔爆开关磁阻电动机 SRD 技术研究”（项目编号： 2008BAF34B00）对开关磁阻电动机调速系统进行研究，在查阅大量国内外文献及对 本课题了解的基础上，确定本文的研究内容如下：（1） 了解开关磁阻电动机调速系统的发展概况及其结构特点、运行特性、存在问题以及当今的研究方向；（2） 了解开关磁阻电动机调速系统的工作原理，对其数学模型进行分类对比，分析其控制策略，在matlab/simulink环境下、采用模块化的思想建立SR 电动机的非 线性数学模型及SRD 数学模型；（3） 以TI 公司DSP 芯片TMS320LF2407为核心设计SRD 系统硬件电路，其中包含功率

42、变换器主电路、位置检测电路、电流检测、速度信号检测等电路的设计；（4） 软件设计：为了实现软件的通用性和可读性，采用模块化的思想编写SRD 软件程序。（5） 在条件允许的情况下，对开关磁阻电动机进行工程实际和现场调试。10第二章开关磁阻电动机基本原理本章将对 SR 电动机的结构及工作原理进行分析，在此基础之上对 SR 电动机的 线性模型、准线性模型、非线性模型进行分类对比。2.1 开关磁阻电动机结构及工作原理电动机根据转矩产生的原理大致可以分为电磁式和磁阻式两类电机；电磁式电动机的原理与两块磁铁的同名磁极相斥、异名磁极相吸的原理类似。交流电机和直流电 机正是此类电动机的代表。而磁阻式电机的转动

43、则是由于定、转子之间气隙磁阻的变 化引起的。磁通总是沿着磁阻最小的路线闭合，也即我们常说的“磁阻最小原理”。 因此，当转子轴线与通电定子磁极轴线不相重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其向磁阻最小的位置，也即向通电定子的位置转动直至定转子轴线相重合。 类似于磁体吸引磁性物质（未带磁性）的现象816。开关磁阻电动机即属于第二类电机。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁 阻尽可能大的变化，故开关磁阻电动机采用定转子极数不同的双凸极结构。为了避免 单边磁拉力，径向必须对称。因此 SR 电动机的定子极数（Ns ）和转子齿数(Nr应为偶数，且 N s N r ，但应接近。提高电机出力可以通过加

44、大磁场变化率实现。当定子和转子齿槽数接近时，可以加大定子相绕组 的平均变化率。从结构设计的合理性考虑，一般定转子极数的关系为：N s = N r + 2 。径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”，则 SR 电动机的相数一般为 m =N 2。 开关磁阻电动机可以设计成多种结构形式，由于低于三相的 SR 电动机没有自起 动能力，一般应选择 m 3。相数多，有利于减小转矩波动，但导致结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是三相 6/4 极结构和四相 8/6 极结构。常见 SR 电动机定、转子极数组合方案一般为表 2-1 所示，11表2-1常见定、转子极数组合方案Tab. 2-

45、1 The usual poles combinations of stator and rotor SR 电动机的运行遵循“磁阻最小原理”，也即是磁通总是沿着磁阻最小的路径闭 合，转子铁心在转动到磁阻最小位置时，其主轴线与通电相主轴线重合1。下面以8/6极开关磁阻电动机为例，说明其工作原理。如图2-1所示， 图2-18/6极SR 电动机工作原理图Fig.2-1 The operation principle of 8/6 poles SRM如图2-1所示，当开关 S 1、 S 2 闭合，SR 电动机定子极D-D相绕组通电时，SR 电动机内部形成了以D-D为主轴线的磁场，磁通经过定子轭、定子极

46、、气隙、转子极、转 子轭等处闭合，如图中虚线所示。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 的作用，使转子向逆时针方向旋转。当转子极轴线1-1与定子极轴线D-D重合时，D 相励磁绕组的电感达到最大值，此时转子磁极所受磁拉力的切向磁拉力为零全部为径12向磁拉力达到力矩平衡。若以此作为SR 电动机起始位置，按D-A-B-C 排序依次给各相 绕组通电，则电机转子将会沿着逆时针的方向旋转；反之，按B-A-C-D 排序通电，则 转子将顺时针旋转。这说明，改变各相绕组轮流通电的顺序就可以改变电机转子的旋 转方向，与相绕组电流的

47、方向无关。2.2 开关磁阻电动机数学模型SR 电动机数学模型的精确建立与描述，影响到SR 电机的优化设计、电机效率评估、 电机动态性能分析，同时也为电机的高性能控制提供了基础16。完整的SR 电动机数学模型包括电压方程、磁链方程、机械方程和机电联系方程，其中电压方程和机电联系 方程均与磁链方程密切相关17。因此，建立准确而简单的反映SR 电动机电磁特性的磁链方程是建立SR 电动机数学模型的关键之一。就目前而言，已经发展起来的开关磁阻 电动机的数学模型有多种形式。以模型的性质为分类点有线性模型、准线性模型、非 线性模型三类；从模型的形式分，可以分为：参数模型、表格模型、神经网络模型和 模糊逻辑模

48、型等。SR 电动机数学模型不管是以性质划分还是以形式分类都与其电压方 程、磁链方程、机械方程和机电联系方程密不可分。由于开关磁阻电机磁链的非线性，决定了其数学模型建立的复杂性。为了能够分 析其特性，在建立其数学模型时不可避免的要忽略掉次要因素，在理论研究和实用研 究上采取一些折中考虑，以便简化问题的分析。如：SR 电动机的相数为m ，k=1,m, 第k 相的电压、电流、电阻、磁链和转矩分别为 u k 、 i k 、 R k 、 k 、T k ，转子位置角为 ， 转速为 ，假设如下条件成立：1、主电路电源的直流电压（ ± U S ）不变；2、忽略铁耗，即忽略铁心的磁滞和涡流效应；3、半

49、导体开关器件为理想开关元件，即导通时压降为零、关断时电流为零； 4、在一个电流脉动周期内，认为转速恒定不变。5、忽略相间互感，即电动机各相参数对称，每相的两个线圈作正向串联；依据上述假设，介绍开关磁阻电动机的磁链方程、电压方程、机械方程和机电联 系方程1。13L dik dt1、磁链方程由于SR 电动机定、转子的双凸极结构，以及旋转时磁路的非线性、开关特性的影 响，使得SR 电动机的参数和各个物理量变化复杂。但是，电机内所有的电磁过程仍然 符合电工理论的基本定律，SR 电动机各相绕组磁链是相电流与其自感、其余各相电流 互感以及转子位置角的函数，相绕组磁链表达式为 k = (i 1 , ik i

50、m , （2-1）由于SR 电动机各相电流之间的互感与相电流自感相比可以忽略，因此为了方便计 算，在SR 电动机磁链的计算中一般忽略各相间的互感，不考虑两相以上绕组导通时定、 转子轭部饱和对各相产生的影响，此时的磁链方程可近似为 k = (i k , = L(i k , i k（2-2）2、电压方程根据基尔霍夫电压定律和电磁感应定律，在忽略铁心损耗的情况下，电阻压降和 因磁链变化而产生的感应电势作用之和等于施加在SR 电动机各定子绕组两端的电压， 则第k 相的电压方程为：u k = Rk ik + d k 将式（2-2）代入式（2-3）可得（2-3）u k = Rk ik + (L k + i

51、kd+ ik dt（2-4）由上式可知，相绕组上所加的电压 u k 与电路中电阻压降、变压器电动势、运动电动势三部分电压相平衡。3、机械方程当SR 电动机的电磁转矩 T e 与作用在电机轴上的负载转矩 T L 不平衡也即不相等时，电机产生角加速度 d 。按照力学定律可列出在电动机电磁转矩 T e 和负载转矩 T L 作用下的转子机械运动方程为：T e = J d 2 + D d + TL（2-5）式中J 为SR 电动机转子及负载的转动惯量，D 代表粘性摩擦系数。4、机电联系方程上面几个方程分别描述了电的磁链方程、电压方程和机械的机械方程，而电和机14T e = TK (i k , 把式2-7代

52、入式2-6得 T e = 械是通过电磁转矩耦合在一起的，故反映机电能量转换的转矩表达式即为机电联系方程，或者称为电磁转矩 T e 关于磁共能的方程：m1（2-6）开关磁阻电动机第K 相的电磁转矩为磁共能对转子位置增加的速率，即T k = m (i k , i k =const（2-7） m 1 m (i k , i k =const由于开关磁阻电动机的磁链特性存在着严重的非线性，就造成了不可能得出精确 解。因此，在分析性能求解数学模型时一般在实用和理论之间采取折中的手段，即做到符合实际磁链特性，又考虑模型的实用性，综合前人所做的数学模型可以归结为以 下几类71819：1、理想线性模型SR 电动

53、机理想线性模型在提出时，对其做了如下假设：假定相绕组的电感与电流 的大小无关，不计电机磁路饱和的影响、不考虑磁场边缘扩散效应、且不考虑转子位 置角对电感的影响，则即磁链近似为电流的线性函数。此种磁链建模方法的求解误差 较大、精度较低，但是可以用来了解SR 电动机各参数间的相互关系、基本工作特性， 并可作为深入探讨各种控制方式的依据和定性分析的手段。理想线性模型下的磁链曲 线如图2-2所示，2、准线性模型由于SR 电动机磁链的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了近似的考虑 磁路的边缘效应、饱和效应，忽略各相绕组之间的耦合效应，同时将实际的非线性磁 化曲线进行分段处理，这样每段的磁化曲线都可以

54、用精确的一次线性解析式来表示。 近似地考虑了磁路饱和效应，使问题分析计算具有一定精度，较多应用于分析和设计功率变换器和制定控制策略。一般可以将磁链和电流的曲线即（ I ）曲线分为线性段和饱和段或者线性段、低饱和段和高饱和段。准线性模型下的磁链曲线如图2-3所示，n = i图2-2理想线性模型磁链曲线Fig 2-2 The curve of flux linkage vscurrent at linear model i图2-3准线性模型磁链曲线Fig 2-3 The curve of flux linkage vscurrent at quasi-linear model3、非线性模型为了避免

55、上述两种磁链建模方法的不准确性，准确计算SR 电动机的性能、对稳态 性能的运行特性进行仿真，常常采用在对SR 电动机磁链实测的基础上采用数学拟合的 方法建立模型函数。而模型求解的精确度取决于非线性模型拟合的精确度，常用的函 数拟合方法有多项式拟合、最小二乘法拟合、三次样条拟合等等，此种非线性建模方 法工作量小，易于实现，便于分析问题。非线性模型下的磁路曲线如图2-4所示， i图2-4非线性模型磁链曲线Fig 2-4 The curve of flux linkage vs current at non-linear model4、查表法此种方法是把开关磁阻电动机已知的磁链特性（i , ）（磁链

56、特性通过实测或者计算所得）、转矩特性 T (i , 以及建模时所需的各种数据均以表格的形式写入计算机控制软件中，然后利用查表法求解模型。此种方法的缺点是前期准备工作量大，优点是较为直接、准确的反应SR 电动机特性，求解也较为方便，可用于SRD 静、动态分析，对 于开关磁阻电动机调速系统的高性能控制具有重要意义。2.3 开关磁阻电动机线性化基本分析1开关磁阻电动机由于其特殊的结构，使得电动机内部电磁关系十分复杂，为了弄 清楚电机内部的基本电磁关系和基本特征，应该找到一种既简单又实用的方法。在这 里可以通过简化的线性数学模型的方法，也即理想的线性模型进行研究。在研究理想 线性数学模型之前先做如下假设：1、不计电动机磁路饱和的影响；2、假定相绕组的电感