开关磁阻电机的电流斩波控制及仿真研究11000字【论文】

关键词：开关磁阻电机，控制策略，Matlab/Simulink。目录1.2SRM的主要优点1.3开关磁阻电机的现状1.5开关磁阻电机控制策略的研究趋势第二章开关磁阻电机的原理和结构2.1开关磁阻电机的基本原理2.2开关磁阻电机的基本结构和磁链方程2.3开关磁阻电机的运行原理2.5主功率拓扑2.6课题主要研究内容第三章电流斩波控制方法的研究3.2电流斩波控制的基本方法3.3电流斩波控制的特点第四章电流斩波控制仿真的研究4.2电流斩波控制子程序4.4电流斩波控制速度闭环仿真特性结果分析第五章总结与展望5.2问题与解决5.3感悟与心得附录第一章概述1.1课题背景：纵观电气传动的发展过程，20世纪60年代以前，在需要可逆、可调速与高等问题。正是在电气传动技术得到迅猛发展的时代背景下，国外于20世纪80年1.2SRM的主要优点：(1)转子由硅钢片简单的叠压而成，无绕组和永磁体，不存在高温退磁现冷却方式比较简单，因此SRM可运行于恶劣的环境，具有高温和高速适应性的(2)电机的各相绕组和磁路相互独立，相间耦合小，缺相可继续运行，系(3)电机的转矩方向只与各相通电顺序有关，与绕组电流方向无关。(4)在宽转速范围内都具有较高的效率。(2)家用电器。现今家用电器已相当普及，尤其是在多功能、智能化和节(3)机械传动领域。SRM良好的低电流高转矩启动性能使它在一些需要启1.3开关磁阻电机的现状：动操作。近20年的研究表明，开关磁阻电机作为一种新型发电机具有很大的发展潜力。虽然他是最简单的集中式电机之一，但由于同步控制困难，磁阻电机在早期的应用受到限制，发展非常缓慢。但由于同步控制难以解决SRM良好的可控性问题，人们逐渐将其应用于电机调速和发电领域。自20世纪80年代以来，它取得了长足的进步，具有良好的发展前景。然而这种电机自身存在转矩脉动大，噪声明显等缺陷，对其在某些场合的进一步应用造成了不好的影响。一直以来，为了让开关磁阻电机的各项性能得到进一步的提高，国内外的研究者对开关磁阻电机结构的优化，开展了系统的，广泛的，深入的研究工作，取得了一些有很大建设意义的成果。近些年，随着开关磁阻电机的快速发展，其控制方法多种多样。但是在低速运行、启动或是制动运行时，电流斩波控制方式是最好的一种控制方法。它简单直接、可控性好且开关元件工作效率高，因此在各个领域都应用广泛。开关磁阻电机理论体系和计算电磁学的不断发展为开关磁阻电机的优化提供了基础。以国外的纽卡斯尔大学，利兹大学，东京理科大学，国内的南京航空航天大学，浙江大学，华中科技大学为代表的科研机构，提出了很多新型开关磁阻电机结构来改善其基本性能。1.4开关磁阻发电机的特点以及未来发展前景：通用直流电机由于其良好的电气性能，在航空领域得到了广泛的应用。但由于其固有的复杂结构，存在着使用寿命短、换向性能差、维护困难等问题，阻碍了其进一步发展。相比之下，无刷直流永磁体具有能量密度高、效率高、输出直流电压质量高等优点，但其内部使用的是永磁体，在恶劣环境(如高温、高压等)下工作能力和效率较低。存在高温退磁、抗振能力差、短路保护等问题。到目前为止，爪极电机已经广泛应用于我们的生活中，例如在汽车发电汽车应用已经形成了一个不断增长的电力电子和调速电机驱动技术市场。这些应用要求高质量的性能，坚固耐用，安静和在恶劣环境中无碰撞操作，它们的价格应该是合理的。开关磁阻驱动(SRD)已经满足了许多这些相互矛盾的标准。模块化和坚固的结构，高速，宽范围，对高温不敏感，使SRD成为汽对发电方面的研究却很少。如今，经过近30年的研究，SR电机在轴向位置传感1.5开关磁阻电机控制策略的研究趋势：开关磁阻电机驱动系统(SRD)在近20年得到迅速发展，但SRD的控制精度(2)研究具有较高动态性能，且控制算法简单的SRD第二章开关磁阻电机的原理和结构2.1开关磁阻电机的基本原理：开关磁阻电机是指电动机各相磁路的磁阻随转子位置而变，因此电机的磁场能量也将随转子的位置而变，由此可以由磁能为媒介变换为机械能。这样才能以相序循环供电才能保持转子持续一个方向的旋转，输出机械能。它遵循磁通量总是沿着磁导最大的路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩-磁阻性质的电磁转矩。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路都磁阻要尽可能大的变化，所以开关磁阻电机采用双凸极结构，并且定子和转子的极数不同。如图2.1,开关磁阻电机是典型的双凸极磁阻电机，其定、转子均由硅钢片叠压而成。其转子上既无绕组也无永磁体，定子上则绕有绕组，一般为集中绕组，由径向相对的两个绕组串联构成一个相绕组。SR电机运行遵循“磁阻最小原则”,即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。当定子某相绕组通电时，若转子磁极轴线与定子磁极的轴线不重合，便存在由于磁力线扭曲而产生的切向磁拉力作用在转子，从而使转子向定子磁极的轴线方向运动或产生同方向的运动趋势，直到定、转子磁极轴线重合为止，此时磁场路径磁阻最小。若连续给各相定子绕组按一定顺序通电，则产生连续的脉振磁场，转子会沿着与励磁顺序相反的方向旋转。根据上述的SR电机工作原理可以发现，转子的转动方向与电流方向无关，只取决于励磁顺序。b21bllb12b222.2开关磁阻电机的基本结构及磁链方程：(1)大多数三相发电机是由四个部分所组成的，由图2.2所示：电功率输出电功率输出位置传感器主电机的特殊结构及其不同的原材料(不再使用传统的永磁),使其能够适应高速、高温、振动等恶劣环境。定子槽中的少量铁芯和相绕组使SR发电机具数(本文研究三相)和主开关器件的类型有关。因此，我们可以参考开关磁阻电势(转子位置改变)。wf为磁场储能，wr为转子机械角速度。有关，是因为SR电机磁路非线性的缘故。而电点。理想模型中不计磁路饱和影响，电感变化曲线如图2.1.2-2所示，则电感函定子定子i转子L(O)4-Lmin机械运动方程为：转矩公式为：由转矩公式我们可以知道：(1)开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，所以转矩方向与电流方向(2)开关磁阻电机的转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比。所以，仅在绕组电感随转子位置角增大时，给绕组通电才能产生正向电动转矩。当电感随转子位置角下降时，如果绕组中还存在电流，就会产生制动转矩。(3)绕组关断后绕组电流不能变为零，有一个持续的过程。所以，我们必须在绕组电感开始下降之前就提前关断绕组。2.3开关磁阻电机的运行原理：(1)开关磁阻电机的工作机理与磁阻(反应)式步进电动地一样，基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理。(2)转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。(3)当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。(4)如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。SRMSRM负载2.4SR电机的运行特性：特性区),恒转矩的转速范围为0到第一临界转速，恒功率区转速范围为第一临再增加时，可控条件都已到达极限转矩不再随转速的一次方下降。在(1,,2)工作区，当电动机的电感增加到一定值时，峰值电流上升受到线在高速工作区，临界速度，开通角和关断角达到它们的极限值后，保持电机的相电压U,开通角和关断角固定不变，其特性与串励直流电动机特性2.5主功率拓扑：开关磁阻电机双开关型主电路如图1.3,通过开关管基极的控制信号来实现加有正压U,因而电流上升较快；馈能期间绕组两端加有反压U,因而电流下本文主要以开关磁阻电机为研究对象，在研究SRM的工作原理的基础上，比较不同控制策略的原理及适用范围。其主要内容主要分为以下三章：第一章：介绍课题研究背景，阐述开关磁阻电机工作原理。第二章：研究了电流斩波控制的原理，建立了电流斩波控制仿真模型。第三章：观测参数变化对受控量及电机性能的影响第三章电流斩波控制方法的研究简称CCC)来限制电流。目前，电流斩波控制是国内外开关磁阻电动机控制最常见的一种控制方法，也适用于开关磁阻发电机的运行，可控性较好。当开关磁阻电机SRM运行于低速状态特别是启动时，由于此时电机旋转电动势较小，使得相电流上升速度很快，可能会出现过电流或较大电流尖峰，为有效控制相电流脉动对功率开关器件及电机的冲击，保护电机自身机械结构及其开关器件的使用寿命，通常，我们采用固定开通角与关断角，调节相电流的方式来进行控制。本章以开关磁阻电机为研究对象，采用电流斩波控制方法，基于速度闭环控制，利用自建基于Matlab/Simulink开关磁阻电机的模型实现仿真，研究电流斩波控制下的开关磁阻电机闭环特性。3.1电流斩波控制的基本原理：如图3.1为电流斩波控制的原理示意图，比较相电流iphase与给定的电流斩波限ichop,当转子位置θ>01后，若iphase<ichop,主开关开通，相电流(励磁电流)上升并逐渐到达电流斩波限；若iphase>ichop,主开关关断。斩波控制实际上是一种调节励磁的控制方案。固定θ1后，调节斩波限ichop相当于调整θ2。随着斩波ichop的增加，励磁区间加宽，励磁电流增大，续流电流也相应增加，最后可以使电机的有效输出功率增加。若开关磁阻发电机工作转速范围较宽，同样可以通过分区段设定优化的θ1值。3.2电流斩波控制的基本方法：电感上升期的时间长，di/dt的值相当大，为避免电流脉冲峰值超过功率开关器件和电机的允许值，采用CCC控制模式来限制电流.斩波控制一般是在相电感变化区域内进行的，通过设定相电流允许上、下限值，控制电机平均转矩，使之工作在恒转矩区.CCC控制可分为起动斩波模式、定角度斩波模式和变角度斩波模式三种.起动斩波模式在SR电动机起动时采用，通常固定开通角和关断角，使导通角相对较大；定角度斩波模式通常在电机起动后低速运行时采用，导通角仍然保持不变，但相对较小；变角度斩波模式通常在电机中速运行时采用，通过电流斩波控制和改变开通角与关断角的大小调节转矩.电流斩波通常有以下几种实在一个控制周期内，检测电流与给定电流的上、下限幅值进行比较，当实际电流大于上限值时，控制功率开关器件关断；当实际电流小于下限值时，使该相功率开关器件重新导通.在一个周期内，由于相绕组电感不同，电流变化率也不同，斩波频率疏密不均，低电感区频率较高，高电感区频率较低，保持相电流维持在期望值，其电流波形如图(1)所示：3.2.2:电流上限和关断时间恒定：与上面方法相比，这种方法仅将检测电流与给定电流的上限幅值进行比较，当实际电流大于上限值时，控制功率开关器件关断一段时间后再导通.每一个控制周期内，关断时间恒定，但电流下降多少取决于绕组电感量、电感变化率及转速等因素，因此，电流减少量并不一致，因此对于关断时间的选取必须适当，否则会发生电流“过斩”或斩波频率过高的问题，电流波形如图(2)所示：PWM波的占空比可以调节直流侧电源电压，也可以调节各相绕组的电压，但是前者对公共开关管可靠性要求较高，后者则管耗较大，其电流波形如图(3)所3.3电流斩波控制的特点：电压斩波控制方式相比，也具有较小的开关损耗，是一种比较常用控制方式。除此之外，电流斩波控制方式还具有如下特点：(1)适用于低速和制动运行低速和制动时相电流上升较快，就需要限制电流峰值不超过允许值，起到有效的保护作用和良好的调节效果。(2)转矩平稳斩波控制后的电流近似平顶波，产生的转矩较平稳。(3)抗负载绕动性的动态响应慢。由于对电流的峰值进行了限制，当电机在负载扰动的作用下发生转速突变时电流峰值无法自动适应，系统此时的动态响第四章电流斩波控制仿真的研究4.1电流斩波控制的仿真模型：本文通过固定开通角和关断角，调节相电流从而实现电流斩波控制。相电流的大小取决于速度的大小和设定的转矩的大小，所以本文采用的是基于速度闭环的电路斩波控制系统，如图2.2.3,速度给定和SRM输出速度进行比较，经过PID调节后得到电流给定信号，再与SRM相电流信号比较后和位置信号进行逻辑与运算产生开关信号，送往SRM主电路从而实现SRM的调速。路路&94.2电流斩波控制子程序：设置低速运行的斩波极限值，在通过位置传感器获取的转速值是已知的情况下，求得开通角与关断角，以及相应的电压上下极限值，就可以判断出电机的运行状态是什么状态，即进行转换和反馈，然后通过软件编程设定电流上下极限值的参数。如果实际测量得到的电流值大于给定上限值，功率开关器件1GBT就会断开，使得电流值迅速降低。反之，当电流值下降到小于下限值时，1GBT又会重新导通，电流值迅速上升。如此往复循环下去，使得电流值一直保持在电流折波限值附近。开蛇开蛇说定电压、电流的上下限镇电而、电压的蛙、转族恨证相电浴大小与电流上下进遇换想玻辑狗断子程厅返白4.3电流斩波控制速度闭环仿真特性结果：本文采用基于速度闭环(固定开通角和关断角，调节相电流)的电流斩波控制系统，在负载1N·m和给定速度：1000rpm、5000rpm和8000rpm的情况下，分析并比较其速度、三相电流和转矩闭环特性：4.3.1:速度给定为1000rpm:(a)闭环速度波形(0——0.1s):通过闭环速度波形图可以发现本系统响应灵敏迅速，没有超调现象发生，所以可以跟踪给定速度。(b)闭环三相电流波形：通过观察三相电流波形图我们可以发现，在稳态时，系统可以进行斩波控制，并且运行正常。有超调现象发生，所以仍可以跟踪给定速度。(b)闭环三相电流波形：通过观察三相电流波形图我们可以发现，在稳态时，系统可以进行斩波控制，并且运行正常。(c)闭环转矩波形：通过观察转矩波形图我们可以发现SRM输出转矩稳定在1N·m附近，并且与负载转矩相平衡。4.3.3:速度给定为8000rpm:(a)闭环速度波形：通过观察速度波形图我们可以发现本系统虽然响应和低速时比较稍慢，但没有超调现象发生，所以仍可以跟踪给定速度。(b)闭环三相电流波形：通过观察三相电流波形图我们可以发现，在稳态时，系统可以进行斩波控制，并且运行正常。通过观察转矩波形图我们可以发现SRM输出转矩稳定在1N·m附近，并且与负载转矩相平衡。4.4电流斩波控制速度闭环仿真特性结果分析：通过对电流斩波控制系统速度闭环控制仿真结果的分析与比较，我们发现在速度闭环时，由于PID参数设置的好，所以在速度给定为8000rpm时系统可以精确跟踪给定。但是，速度越高，转速到达稳态的时间越长，且稳态转矩脉动大。所以我们得出结论：电流斩波控制适用于低速运行的SRM,当开关磁阻电机SRM在低速状态下运行时，由于此时电机旋转电动势较小，使得相电流上升速度很快，可能会出现过电流或较大电流尖峰，因此采用电流斩波控制方式可以限制电流峰值，有效控制相电流脉动对功率开关器件及电机的冲击，保护电机自身机械结构及其开关器件的使用寿命，有效的保护电机并实现调速。第五章总结与展望5.1总结：5.2问题与解决：问题(1):SR电机在低速时的转矩脉动过大。解决方式：提高转速，逐渐降低斩波限。也越高；斩波限越小，则电流脉动越小。根据转矩式5.3感悟与心得：力电子和电机学的知识，还要结合自动控制方面的知识。同时，由于使用综上所述，虽然通过自己的努力和老师的耐心指导完成了本次的毕业设计，但对其更深的研究还差的很远，还仍需努力以及不断的研究。[2]赵涛.基于Matlab/Simulink的开关磁阻电动机仿真分析[J].机电工程，2004,21(8):38-40.[4]杨静，袁爱平.基于MATLAB的开关磁阻电动机建模与仿真[J].江苏大学学报：自然科[5]陈新，郑洪涛.基于MATLAB的开关磁阻电动机非线性动态模型仿真[J].电气传动，2002,32(6):52-53.[6]薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].清华大学出版社，2002.[7]张彦宇，段树华，李华柏.开关磁阻电机角度位置控制参数优化研究[J].湖南工程学院[8]郝润科，高丽云.开关磁阻电机控制方法的研究[J].太原理工大学学报，2000,31(2):146-148.33(11):10-13.[14]严利.基于MATLAB/SIMULINK开关磁阻电机非线性建模方法研究与实践[D].南京航2007(6):43-46.[17]闰广涛，段承先，马春燕.基于Matlab/Simulink的开关磁阻电机调速系统的仿真研究[J].[18]俞枭辰，王家军.开关磁阻电机线性模型的建模与仿真研究[J].杭州电子科技大学学报，2012,32(6):113-116.[19]丁文，周会军，鱼振民.基于MATLAB的开关磁阻电动机线性及非线性建模仿真[J].微[20]吴红星，开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京：中国电力出版社，201