開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)高性能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自動(dòng)化畢業(yè)論文

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1、 畢業(yè)設(shè)計(jì) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)高性能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 10020109 班 級(jí)： 10電氣4 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 所在系： 自動(dòng)化工程系 指導(dǎo)教師： 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)高性能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘　　要 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(簡稱SRM或SR電機(jī))具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制靈活等特點(diǎn)，由其構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)(簡稱SRD)具有交、直流

2、調(diào)速所沒有的優(yōu)點(diǎn)，正在顯示出強(qiáng)大的市場競爭力。本設(shè)計(jì)以0.75KW四相(8/6極)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的高性能控制策略及其系統(tǒng)為主題展開了理論研究和應(yīng)用。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的最重要的缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，它直接影響著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出性能。本設(shè)計(jì)介紹了能夠消除SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高SRD性能的幾種新型控制策略，即SRM的直接轉(zhuǎn)矩控制并進(jìn)行了仿真。研究了能夠消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高SR在位置控制中定位精度的微步控制?；陂_關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的線性模型，推導(dǎo)出其矩角特性，根據(jù)轉(zhuǎn)矩星型圖對(duì)換相時(shí)的相繞阻電流進(jìn)行控制，用換相區(qū)代替換相點(diǎn)使各相電流為階梯波，從而在空間得到多個(gè)派生轉(zhuǎn)矩矢量，使電機(jī)的步進(jìn)角減小，增加了轉(zhuǎn)矩得

3、平滑性，從而減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)研究表明，采用微步控制后，可有效地減小電流波動(dòng)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，本文利用MATLAB6.0中的動(dòng)態(tài)仿真工具SIMULINK對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行了仿真分析。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了該系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)具有良好的速度和位置控制能力，有著廣闊的發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；微步控制；直接轉(zhuǎn)矩控制；MATLAB；DSP Design of High-performance Switched Reluctance Motor Control System ABSTRACT Switched Reluctance

4、 Motor ( SRM or SR motor for short ) has a simple structure，low cost，flexible control features，its speed control system consisting of ( short SRD) with AC， DC does not have merit，is showing strong market competitiveness. The design of the four-phase high-performance 0.75KW (8/ 6 poles ) switched rel

5、uctance motor control system and the system control strategy theme of theoretical research and application. The most important drawback is that the switch reluctance motor torque ripple，which directly affects the output performance of the drive system. This design introduces several new control str

6、ategy to eliminate SRM torque ripple and improve the performance of the SRD，that SRM direct torque control and simulation . Studied to eliminate torque ripple and improve the SR positioning accuracy in position control micro- step control. Linear model of switched reluctance motor，derives its torque

7、-angle characteristics，torque control based on the star chart on the phase commutation when winding current， instead of switching to phase commutation region points to the phase current is stepped wave，thereby obtaining a plurality of vectors derived torque space step angle of the motor is reduced，t

8、he torque was increased smoothness，thereby reducing the torque ripple. Research shows that the use of micro -step control，which can effectively reduce the current fluctuations. In order to verify the feasibility of the system，we use MATLAB6.0 dynamic simulation tool SIMULINK dynamic and static perfo

9、rmance of the system to be simulated. Simulation and experimental results are basically the same，proved the feasibility of the system，the system has good speed and position control，there are broad prospects for development. Key words：Switched Reluctance Motor；Micro-step control；MATLAB；DSP 目　　錄

10、 第一章　緒論 1 1.1 引言 1 1.2 運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展概述 1 1.3 開關(guān)磁阻電機(jī)的研究概況及發(fā)展方向 2 1.3.1開關(guān)磁阻電機(jī)的研究概況 2 1.3.2SR電機(jī)的控制策略綜述 3 1.4 研究的主要內(nèi)容和目標(biāo) 4 第二章 SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 5 2.1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及基本原理 5 2.1.1SRD的基本結(jié)構(gòu) 5 2.1.2SR電機(jī)的工作原理 6 2.1.3SRD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn) 7 2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 8 2.2.1開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 8 2.2.2數(shù)學(xué)模型的求解方法 9 2.3 開關(guān)磁阻電機(jī)工作的

11、基本分析 10 2.3.1電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系 10 2.3.2電磁轉(zhuǎn)矩的分析 11 2.3.4轉(zhuǎn)速的控制 12 2.4 開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式 13 2.4.1電流斬波控制 13 2.4.2角度控制 13 2.4.3電壓斬波控制 14 2.4.4 各控制方式的特點(diǎn) 14 第三章 SRD新型控制策略的研究 16 3.1 SR電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制 16 3.1.1直接轉(zhuǎn)矩控制原理 16 3.1.2仿真研究 19 3.2.1開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的微步控制 23 3.2.2微步控制策略的實(shí)現(xiàn) 26 3.2.3 仿真分析 26 3.2.4 結(jié)論 27 第四章　基于DSP的

12、SRM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 4.1 基于DSP的SRD控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 28 4.1.1DSP的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 28 4.1.2位置檢測及換相邏輯 28 4.1.3PWM輸出電路 29 4.1.4電流檢測與斬波電路 29 4.1.5鍵盤、顯示電路 30 4.2 電路的保護(hù)及抗干擾設(shè)計(jì) 31 4.2.1屏蔽技術(shù) 32 4.2.2電路板的抗干擾設(shè)計(jì) 32 4.3 基于DSP的SRM控制軟件的設(shè)計(jì) 32 4.3.1主程序設(shè)計(jì) 33 4.3.2速度檢測子程序 35 4.3.3故障處理子程序 36 4.4 SRD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 37 第五章 結(jié)論 38 參考文獻(xiàn) 39

13、致 謝 40 第一章　緒論 1.1 引言 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Motor Drive，簡稱SRD)，是繼異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后，又一極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦驼{(diào)速系統(tǒng)。它集開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor，簡稱SRM)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)為一體，它不僅保持了交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)簡單、堅(jiān)固可靠和直流電動(dòng)機(jī)可控性好的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有價(jià)格低、效率高、適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。 SRM作為SRD中的重要組成部分，是在磁阻電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高性能

14、機(jī)電一體化的產(chǎn)品。它具有開關(guān)性和磁阻性兩個(gè)基本特征。從結(jié)構(gòu)上看開關(guān)磁阻電機(jī)定轉(zhuǎn)子均采用雙凸極結(jié)構(gòu)，定子上有集中繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，也無永磁體。因此具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、工作可靠、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。另外，電機(jī)在一相或多相缺相的情況下仍可以運(yùn)行使得它可以應(yīng)用于惡劣的工業(yè)環(huán)境中。SRM控制靈活，采用不同的控制方式，可以得到不同負(fù)載要求的機(jī)械特性，很容易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行和軟啟動(dòng)等要求。采用合理的控制策略，由SR人理組成的SRD系統(tǒng)的效率和出力能在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)都能維持較高的運(yùn)行特性。 然而，由于開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)，不能采用傳統(tǒng)的AC電機(jī)波形來作為輸入激勵(lì)，從而不能應(yīng)用AC電機(jī)很成熟的旋轉(zhuǎn)磁場理

15、論。而且，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不平滑，必須采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠硐D(zhuǎn)矩脈動(dòng)。另外由于磁通的復(fù)雜分布使得電機(jī)的控制很復(fù)雜。電機(jī)不同相間的非線性禍合及電機(jī)參數(shù)的改變更增加了控制的復(fù)雜程度。只有從調(diào)速系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)出發(fā)，通過采取優(yōu)化的控制策略，才能逐步解決這些問題[1]。 1.2 運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展概述 運(yùn)動(dòng)控制是一門綜合性、多學(xué)科的交叉技術(shù)。它的主要研究內(nèi)容是機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中涉及的力學(xué)、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測和控制等方面的理論和技術(shù)問題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是電力電技術(shù)的進(jìn)步，微機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和新型控制策略的出現(xiàn)。今天的運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展成為了根據(jù)預(yù)定方案及復(fù)雜環(huán)境，將計(jì)算機(jī)做出的決策命

16、令變?yōu)槟撤N期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)控制。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使被控機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機(jī)械量的綜合控制。典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有運(yùn)輸機(jī)械、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等，這些系統(tǒng)是力學(xué)、機(jī)械、材料、電工、電子、計(jì)算機(jī)、信息和自動(dòng)化等科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的總和。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，精確的位置、速度、加速度乃至力矩的控制土要通過電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、反饋裝置、運(yùn)動(dòng)控制器、主控制器(如計(jì)算機(jī)和可編程控制器)來實(shí)現(xiàn)。隨著微電子技術(shù)滲透到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)并成為其控制技術(shù)的核心，功率變頻器和電動(dòng)機(jī)都具有了離散控制的基本特征。一般的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含了圍繞電動(dòng)機(jī)組成不同控制目標(biāo)

17、所涉及的理論和技術(shù)。運(yùn)動(dòng)控制作為一門多學(xué)科交義的技術(shù)，每種技術(shù)出現(xiàn)的新進(jìn)展都使它向前邁進(jìn)一步，其技術(shù)進(jìn)步是日新月異的[2]。 1.3 開關(guān)磁阻電機(jī)的研究概況及發(fā)展方向 1.3.1開關(guān)磁阻電機(jī)的研究概況 磁阻電機(jī)是一種具有悠久歷史的電機(jī)，它誕生于160年前，但它一直被認(rèn)為是一種性能(效率、功率因數(shù)、利用系數(shù)等)不高的電機(jī)，故只應(yīng)用于小功率范圍。經(jīng)過近20年的研究和改進(jìn)，磁阻式電機(jī)的性能不斷提高，目前已能在較大的功率范圍內(nèi)使其性能不低于其他型式的電機(jī)。美國、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家都開展了開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的研制工作，在國外的應(yīng)用中，開關(guān)磁阻電機(jī)一般用于牽引中，例如電瓶車和電動(dòng)汽車

18、，同時(shí)高速性能是開關(guān)磁阻電機(jī)的一個(gè)特長的方向。對(duì)于低壓、小功率的應(yīng)用場合，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)優(yōu)于普通的異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。例如使用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、泵類、壓縮機(jī)等，可以在寬廣的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率的運(yùn)行且節(jié)能明顯，可以在短期內(nèi)收回成本，經(jīng)濟(jì)型小功率開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有廣闊的市場，尤其是在家用電器方面的應(yīng)用。據(jù)報(bào)導(dǎo)，英國Leeds大學(xué)研制出一種用于洗衣機(jī)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置，該電動(dòng)機(jī)重量為3.1kg，最高轉(zhuǎn)速達(dá)10000r/min，直徑為100mm，長度為118mm，在不使洗滌性能降低的情況下，比標(biāo)準(zhǔn)的洗衣機(jī)電動(dòng)機(jī)尺寸減少一半。在開發(fā)高速傳動(dòng)領(lǐng)域，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也有其

19、獨(dú)特的優(yōu)勢，因?yàn)殚_關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，控制開關(guān)頻率低，在疊片性能和軸承滿足要求的條件下可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。據(jù)報(bào)道，美國為空間技術(shù)研制了一個(gè)25000r/min、90kW的高速SRD樣機(jī)[3]。 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）的研究已被列入我國中、小型電機(jī)“八五”、“九五”和“十五”科研規(guī)劃項(xiàng)目。華中科技大學(xué)開關(guān)磁阻電機(jī)課題組在“九五”項(xiàng)目中研制出使用SRD的純電動(dòng)轎車，在“十五”項(xiàng)目中將SRD應(yīng)用到混合動(dòng)力城市公交車，均取得了較好的運(yùn)行效果。紡織機(jī)械研究所將SRD應(yīng)用于毛巾印花機(jī)、卷布機(jī)，煤礦牽引及電動(dòng)車輛等，取得了顯著的效益。 現(xiàn)如今功率電子技術(shù)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展

20、，而且隨著智能技術(shù)的不斷成熟及高速高效低價(jià)格的數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）的出現(xiàn)，利用高性能DSP開發(fā)各種復(fù)雜算法的間接位置檢測技術(shù)，無需附加外部硬件電路，大大提高了開關(guān)磁阻電機(jī)檢測的可靠性和適用性，必將更大限度地顯示SRD的優(yōu)越性，現(xiàn)有研究都是基于SRD機(jī)電系統(tǒng)簡化為線性系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)研究方法為主進(jìn)行的，一方面缺少理論分析，另一方面對(duì)SR電機(jī)振動(dòng)的非線性特性缺乏研究。只有立足于非線性振動(dòng)理論，在全面分析SR電機(jī)非線性電磁場和非線性徑向力的基礎(chǔ)上，才能對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)定子電磁振動(dòng)的非線性特性進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。近幾十年來，SRD的研究在國內(nèi)外取得了很大的發(fā)展，但作為一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，

21、研究的歷史還比較短，其技術(shù)設(shè)計(jì)電機(jī)學(xué)、微電子、電力電子、控制理論等眾多學(xué)科領(lǐng)域，并且SR電機(jī)本身的非線性特性，導(dǎo)致研究的困難性，存在著大量的工作要做。在應(yīng)用上，SRD有著廣闊的市場前景，具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、成本低、工作可靠、控制靈活、運(yùn)行效率高，適于高速與惡劣環(huán)境運(yùn)行等特點(diǎn)，促使人們更深刻的去關(guān)注、研究、開發(fā)。綜上所述，SRD發(fā)展到現(xiàn)在，在控制策略方面雖然已取得了許多非常有用的成果，但是仍然很不完善，仍存在許多問題待解決，而且尚未形成完善的控制理論。雖SRM結(jié)構(gòu)簡單，但是用來分析SRM能量轉(zhuǎn)換過程的數(shù)學(xué)方法卻相對(duì)復(fù)雜。由于SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路的嚴(yán)重非線性以及脈沖供電方式，傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)的一些理

22、論和分析方法已不再適用于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。因此，研究SRD及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無論是在理論上還是在工業(yè)應(yīng)用中都具有重要意義[4]。 1.3.2SR電機(jī)的控制策略綜述 眾所周知，SRD融SRM、功率變換器、控制器與位置檢測器為一體，其性能的改善不僅依靠優(yōu)化SRM與功率變換器設(shè)計(jì)，而且必須借助于先進(jìn)控制策略的手段。從20世紀(jì)80年代以來，在SRD控制方面已出現(xiàn)了大量先進(jìn)的控制思想，并取得了有益的成果。 SR電機(jī)控制參數(shù)多，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問題時(shí)努力實(shí)現(xiàn)參數(shù)最優(yōu)化、結(jié)構(gòu)最優(yōu)化和功能最優(yōu)化。根據(jù)改變控制參數(shù)的不同方式，SRM又三種控制模式，即電流斬波控制(簡稱CCC)、角度位置控制(簡稱APC)、和電壓

23、控制(VC)。其中，CCC一般應(yīng)用于低速運(yùn)行區(qū)，因?yàn)榇藭r(shí)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢較小，必須限制系統(tǒng)的最大工作電流；APC時(shí)電壓保持不變，通過改變開通角和關(guān)斷角調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，適合于系統(tǒng)較高轉(zhuǎn)速區(qū)；VC時(shí)在固定的開關(guān)角條件下，通過調(diào)節(jié)繞組電壓控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。 基于線性假設(shè)的SR控制系統(tǒng)難以獲得理想的輸出特性，魯棒性差，其動(dòng)靜態(tài)性能無法與直流傳動(dòng)相媲美，這嚴(yán)重阻礙了SR的商品化進(jìn)程。其主要原因在于：SRM為高度非線性系統(tǒng)，具有雙凸極集中繞組的幾何結(jié)構(gòu)，為輸出最大轉(zhuǎn)矩而運(yùn)行于飽和狀態(tài)，磁阻轉(zhuǎn)矩是繞組電流和轉(zhuǎn)子位置的非線性函數(shù)。傳統(tǒng)的線性控制方法難以滿足動(dòng)態(tài)較快的SRM非線性、變參數(shù)要求。近年來，為改善系統(tǒng)的性能，

24、國內(nèi)外發(fā)表了一些基于現(xiàn)代控制理論和智能控制技術(shù)建立SR。動(dòng)態(tài)模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)。模糊控制器是一種語言控制器，無需被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，本質(zhì)上也是一種非線性控制，具有較強(qiáng)的魯棒性。模糊控制器的這些特點(diǎn)，使得從原理上改善SRD系統(tǒng)的調(diào)速性能成為可能。近年來，應(yīng)用模糊控制理論設(shè)計(jì)SRD己受到重視。但模糊控制的動(dòng)靜態(tài)特性之間也存在一定的矛盾，采用固定的參數(shù)難以獲得滿意的性能，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)和噪聲是SRD較為突出的問題，也是控制策略所要研究的重點(diǎn)。轉(zhuǎn)矩的分布由相電流決定，因此關(guān)鍵是控制相電流使其輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化分布。但困難在于SR電機(jī)數(shù)學(xué)模型難以精確解析，而且SRD的結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)特性在運(yùn)行中常逐步

25、改變或突變，并且難以預(yù)知。因此常規(guī)控制方法部可能控制相電流按理想分布變化，只有引入自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制技術(shù)及智能控制技術(shù)，才能使系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行條件的改變，自動(dòng)的調(diào)整調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，以保證系統(tǒng)連續(xù)處于輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化狀態(tài)[5]。 綜上所述，SRD發(fā)展到現(xiàn)在，在控制策略方面雖然已取得了許多非常有用的成果，但是仍然很不完善，仍存在許多問題待解決，而且尚未形成完善的SR控制理論。今后關(guān)于SRM控制策略的研究應(yīng)主要圍繞以下幾個(gè)方面展開： 1.從控制角度繼續(xù)加強(qiáng)研究，以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、降低噪聲。 2.研究具有較高動(dòng)態(tài)特性，算法簡單，能抑制參數(shù)變化、擾動(dòng)和各種不確定性干擾的SRM新型控制策略。 3.

26、研究具有智能控制方法的SRM新型控制策略機(jī)器分析設(shè)計(jì)理論。 1.4 研究的主要內(nèi)容和目標(biāo) 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為一種新型調(diào)速系統(tǒng)，兼有直流傳動(dòng)和普通交流傳動(dòng)的特點(diǎn)，但是由于開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和采用開關(guān)性的供電電源，使得電機(jī)的特性和控制方式與傳統(tǒng)電機(jī)不同，尤其是非線性及飽和現(xiàn)象，造成電機(jī)的模型難以解析，比較突出的問題是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。另一方面，SRD作為典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，融合了電機(jī)學(xué)、微電子、電力電子、控制理論等眾多科學(xué)領(lǐng)域，所以系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)還需從整體出發(fā)，基于以上原因提出了開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)高性能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高開關(guān)磁阻電機(jī)在位置控制中的定位精度[6

27、]。 本設(shè)計(jì)主要研究內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： 1.利用仿真軟件對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)不同控制策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。 2.采用微步控制對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的位置控制能力進(jìn)行分析，達(dá)到優(yōu)化控制的目的。 3.開關(guān)磁阻電機(jī)高性能控制系統(tǒng)應(yīng)用在在電動(dòng)執(zhí)行器中的位置控制分析。 第二章 SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 2.1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及基本原理 2.1.1SRD的基本結(jié)構(gòu) 圖2.1 SRD系統(tǒng)構(gòu)成框圖 Fig.2.l Structure of SRD system 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由SRM、功率變換器、控制器、位置檢測器構(gòu)成，如

28、圖2.1示： 磁阻電機(jī)：SRM是SRD中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，系雙凸極可變磁阻電動(dòng)機(jī)，其定轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組可串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一對(duì)磁極，稱為“一相”。SRM可以設(shè)計(jì)成多相結(jié)構(gòu)，且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。相數(shù)多，步距角小，有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且主開關(guān)器件多，成本高。因此電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)當(dāng)按使用的場合合理確定。SRM的轉(zhuǎn)向與電流方向無關(guān)，為單向電流，若改變相電流的大小，可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，進(jìn)而可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。若在轉(zhuǎn)子極轉(zhuǎn)離定子極時(shí)通電，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

29、功率變換器的作用是將電源提供的能量經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)換后提供給SRM，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。由于SRM繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路不僅結(jié)構(gòu)較簡單，而且相繞組與主開關(guān)器件是串聯(lián)的，因而可以避免直接短路故障。SRM的功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式與供電電壓、電動(dòng)機(jī)相數(shù)及主開關(guān)器件的種類等有關(guān)。 控制器是系統(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號(hào)及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SRM運(yùn)行狀態(tài)的控制[7]。 2.1.2SR電機(jī)的工作原理 圖2.2所示為一臺(tái)典型四相(8/6)SR電機(jī)的橫截面和其中一相電路的原理示意圖。它的定子上有

30、八個(gè)齒極(即N=8)，每個(gè)齒極上繞著一個(gè)線圈，直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒極上的線圈串連成一相繞組，轉(zhuǎn)子沿圓周有六個(gè)均勻分布的齒極，(即Nr=6)，齒極上沒有繞組。定、轉(zhuǎn)子間有很小的氣隙。S1和S2是電子開關(guān)，VD1和VD2是續(xù)流二極管，U是直流電源。 圖2.2四相SR電機(jī)的工作原理圖 Fig.2.2 Principle of Four Phase SR motor SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體工作過程如下：控制器接收啟動(dòng)命令信號(hào)，在檢測系統(tǒng)狀態(tài)一切正常的情況根據(jù)位置傳感器提供的各相定子齒極和轉(zhuǎn)子齒極相對(duì)位置的信息，按照起動(dòng)邏輯給出相應(yīng)的輸出信例如，在圖2.2中定子A相齒極軸線AA'與轉(zhuǎn)子齒極

31、1的軸線11'不重合的情況下，應(yīng)使功率變換下號(hào)器中控制A相繞組的開關(guān)元件S1和S2導(dǎo)通，A相繞組通電，而B、C和D三相繞組都不通電。電動(dòng)機(jī)內(nèi)建立起以AA'為軸線的磁場，磁場通過氣隙的磁感應(yīng)線是彎曲的。此時(shí)，磁路的磁導(dǎo)小于定、轉(zhuǎn)子齒極軸線從AA'和11'重合時(shí)的磁導(dǎo)，轉(zhuǎn)子受到氣隙中彎曲磁感應(yīng)線的切向磁拉力所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子齒極1的軸線11'向定子齒極AA'趨近。當(dāng)軸線AA'和11'重合，即A相定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，切線方向的磁拉力消失，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)稱轉(zhuǎn)子達(dá)到穩(wěn)定平衡位置。與此同時(shí)，B相定子齒極軸線BB'與轉(zhuǎn)子齒極軸線22'的相對(duì)位置與圖2.2中A相的情況相同。此時(shí)，控

32、制器根據(jù)位置傳感器提供的位置信息，命令斷開A相開關(guān)S和S并合上響應(yīng)的B相開關(guān)，使A相繞組斷開的同時(shí)B相繞組通電。顯然，改變相電流的方向并不影響轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。在多相電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，也常出現(xiàn)兩相或多相同時(shí)導(dǎo)通的情況。設(shè)每相繞組開關(guān)頻率(主開關(guān)頻率)為幾，轉(zhuǎn)子極數(shù)為N，則SR電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速(r/min)可表示為： （2.1） 由于SR電機(jī)的轉(zhuǎn)向與繞組電流方向無關(guān)，所以使得功率變換器電路能夠充分簡化。在圖2.2中，當(dāng)主開關(guān)S1、S2接通時(shí)，A相繞組從直流電源U吸收電能，而當(dāng)S1、S2斷開時(shí)，繞組電流通過續(xù)流二極管VD1、VD2將剩余能

33、量回饋給電源。因此SR電機(jī)具有能量回饋的特點(diǎn)，系統(tǒng)效率高[8]。 2.1.3SRD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn) 1.電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適于高速 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上沒有任何型式的繞組，成本低；轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度高，電動(dòng)機(jī)可高速運(yùn)轉(zhuǎn)而不致變形；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于加、減速。在定子方面，它只有兒個(gè)集中繞組，因此制造簡便，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，并且發(fā)熱大部分在定子，易于冷卻。 2.功率電路簡單可靠 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無關(guān)，即只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個(gè)功率開關(guān)，電路結(jié)構(gòu)簡單。另外，系統(tǒng)中每個(gè)功率開關(guān)器件均直接與電動(dòng)機(jī)繞組相串聯(lián)，避免了直通短路現(xiàn)象。因此開關(guān)磁阻

34、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護(hù)電路可以簡化，既降低了成本，又具有高的作可靠性[9]。 3.效率高、功耗小 SRD系統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。這是因?yàn)橐环矫骐妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不存在繞組銅耗，另一方面電動(dòng)機(jī)可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化控制。圖2-3給出了典型產(chǎn)品的輸出特性和效率曲線，其系統(tǒng)效率在很寬的范圍內(nèi)都在87%以上，這是其他一些調(diào)速系統(tǒng)不易達(dá)到的。 圖2.3開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)實(shí)測性能曲線 Fig2.3 The curve of real Performance of SRM 4.高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低起動(dòng)電流 從電源側(cè)吸收較少的電流，在電動(dòng)機(jī)側(cè)得到較大

35、的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。典型產(chǎn)品的數(shù) 據(jù)是：當(dāng)達(dá)到100%額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，只需15%的額定電流。 5.可控參數(shù)多，調(diào)整性能好 控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)和方法至少有四種：控制開通角、控制關(guān)斷角、控制相電流幅值、控制相繞組電壓。 SRD系統(tǒng)也存在著一些不足，因?yàn)楣β首儞Q器輸出的是不規(guī)則電流脈沖，一般導(dǎo)致振動(dòng)噪聲較人、低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，并且相數(shù)越多，主接線數(shù)越多；需要根據(jù)定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置投勵(lì)，不能像異步電動(dòng)機(jī)那樣可以直接接入電網(wǎng)作穩(wěn)速運(yùn)行，而必須與控制器一同使用等[10]。 2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 2.2.1開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 建立開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型，

36、通常有以下三種方法：線性模型、準(zhǔn)線性模型(分段線性模型)和非線性模型。線性模型忽略了飽和及邊緣效應(yīng)，認(rèn)為繞組電感與電流無關(guān)。準(zhǔn)線性模型將磁化曲線分段線性化，近似考慮定轉(zhuǎn)子齒極重疊時(shí)的飽和。以上兩種模型，電感參數(shù)有解析表達(dá)式，用于求解電機(jī)性能時(shí)，電流和轉(zhuǎn)矩有解析解，一般用于定性分析。事實(shí)上，由于電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路的飽和、渦流和磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的非線性，加上電機(jī)運(yùn)行期間的開關(guān)性和可控性，在電機(jī)運(yùn)行期間繞組電感不是常數(shù)，而是電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。開關(guān)磁阻電機(jī)定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)子位置不同而變化的規(guī)律是很復(fù)雜的，難以用簡單的解析表達(dá)式來表示，因此很難建立精確可解的數(shù)學(xué)模型。 為了簡化

37、分析，忽略了鐵芯損耗部分，并設(shè)開關(guān)磁阻電機(jī)的相數(shù)為m，各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)稱。設(shè)P=1，…，m相的電壓、磁鏈、電阻和電流及轉(zhuǎn)矩分別為Up、ψp、Rp、Ip、Tp、，轉(zhuǎn)子位置角為θ，轉(zhuǎn)速為ω[11]。 1.電壓方程 根據(jù)能量守恒定律和電磁感應(yīng)定律，施加在各定子繞組端的電壓等于電阻壓降和因磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢作用之和，第p相繞組電壓方程： (2.2) 2.磁鏈方程 各相繞組磁鏈為該相電流與自感、其余各相電流與互感以及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)： (2.3) 由于開關(guān)磁阻電機(jī)各

38、相之間的互感相對(duì)自感來說甚小，為了便于計(jì)算，在開關(guān)磁阻電機(jī)的計(jì)算中一般忽略相間互感，不考慮兩相以上電流導(dǎo)通時(shí)定、轉(zhuǎn)子扼部飽和在各相之間產(chǎn)生的相互影響，這時(shí)磁鏈方程可近似成： (2.4) 3.轉(zhuǎn)矩方程 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表示為磁共能對(duì)轉(zhuǎn)子位置增加的速率： (2.5) 電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩由各相轉(zhuǎn)矩疊加而成： (2.6) 4.機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 其中，J、B、Tl分別為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、粘滯系數(shù)及負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

39、 (2.7) (2.8) 2.2.2數(shù)學(xué)模型的求解方法 上述數(shù)學(xué)模型由于有嚴(yán)重的非線性，不可能得出解析解。因此，在性能分析求解數(shù)學(xué)模型時(shí)不得不在實(shí)用和理想之間尋求一種折衷的處理方法。到目前為止，針對(duì)磁鏈的變化，采用了以下幾種方法建立模型： 1.理想線性模型 若不計(jì)電機(jī)磁路飽和的影響，假定相繞組的電感與電流的大小無關(guān)，且不考慮磁場邊緣擴(kuò)散應(yīng)，可采用開關(guān)磁阻電機(jī)的理想線性模型將磁鏈ψp，近似為電流i，的線性函數(shù)，這種方法可了解電機(jī)工作的基本特性和各參數(shù)間的相互關(guān)系，并可作為深入探討各種控制方式的依據(jù)，但求解的誤差較大，精

40、度較低。 2.準(zhǔn)線性模型 為了近似地考慮磁路的飽和效應(yīng)、邊緣效應(yīng)，可將實(shí)際的非線性磁化曲線分段線性化同時(shí)不考慮相間禍合效應(yīng)，這樣可以用解析式來表示每段磁化曲線。 3.非線性函數(shù)擬合模型 將磁鏈舉，用非線性函數(shù)近似擬合，函數(shù)的選取決定擬合的精確度。 4.查表法 這種方法較為直接、也較為精確，既可用于穩(wěn)態(tài)分析，也可用于解瞬態(tài)問題[12]。 2.3 開關(guān)磁阻電機(jī)工作的基本分析 2.3.1電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系 圖2.4電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系 Fig.2.4 The relationship between L and rotor angle 由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的

41、電磁轉(zhuǎn)矩是磁阻性質(zhì)的，又是雙凸極結(jié)構(gòu)，其磁路是非線性的，加上運(yùn)行時(shí)的開關(guān)性和可控性，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜。為弄清電機(jī)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系，有必要從簡化的線性模型，也就是理想線性模型開始進(jìn)行分析研究，所得到的相繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角周期性變化的規(guī)律可用圖2.4說明，圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角，它的基準(zhǔn)點(diǎn)即坐標(biāo)原點(diǎn)θ=0的位置，對(duì)應(yīng)于定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置，這時(shí)相電感為最小值以Lmin。在θ1、θ2 (θ2為轉(zhuǎn)子磁極的前沿與定子磁極的后沿相遇的位置)區(qū)域內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁極不相重疊，電感保持最小值Lmin不變，這是因?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽寬通常大于定子極弧，所以當(dāng)定子凸極對(duì)著轉(zhuǎn)子槽時(shí)，便

42、有一段定子極與轉(zhuǎn)子槽之間的磁阻恒為最大并不隨轉(zhuǎn)子位置變化的最小電感常數(shù)區(qū)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過。θ2后，相電感便開始線性地上升直到θ3為止，θ3系轉(zhuǎn)子磁極的前沿與定子磁極的前沿重疊處，這時(shí)定轉(zhuǎn)子磁極全部重疊，相電感變?yōu)樽畲笾礚max；基于電機(jī)綜合性能的考慮，轉(zhuǎn)子極弧日βr通常要求大于定子極弧日βs，因此在。θ3和θ4(θ4為轉(zhuǎn)子磁極的后沿與定子磁極的后沿相遇的位置)區(qū)域內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁極保持全部重疊，相應(yīng)的定轉(zhuǎn)子凸極間磁阻恒為最小值，相電感保持在最大值Lmax；從θ4相電感開始線性地下降，直到θ5處降為Lmin，θ5、θ1均為轉(zhuǎn)子磁極后沿與定子磁極前沿重合處。如此周而復(fù)始，往復(fù)循環(huán)。開關(guān)磁阻電機(jī)基于線性模型的

43、繞組電感的分段線性解析式為[13]： (2.9) (2.10) 2.3.2電磁轉(zhuǎn)矩的分析 根據(jù)能量守恒定律，在不考慮電路中電阻損耗、鐵芯損耗和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機(jī)械損耗的情況下，繞組輸入的電能We應(yīng)等于結(jié)構(gòu)中磁儲(chǔ)能Wf與輸出機(jī)械能Wn之和，即為： (2.11) 如果把電壓u和感應(yīng)電勢e的參考方向選得一致，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，繞組電路的電壓方程為：

44、 （2.12) 繞組輸入的電能可由其端電壓、端電流計(jì)算，即為： (2.13) 將式(2.12)代入式(2.13)： (2.14) 機(jī)械能可由電磁轉(zhuǎn)矩T和角位移θ計(jì)算，即為： (2.15) 將式(2.14)和式(2.15)代入式(2.11)，則得: (2.16) 式(3.16)表明，對(duì)無損系統(tǒng)，磁儲(chǔ)能是由獨(dú)立變量ψ和θ表示的狀態(tài)變量，當(dāng)θ為恒定值時(shí)，由式(2.16)得

45、到一般轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為： (2.17) 在考慮轉(zhuǎn)子處于任意位置時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以假設(shè)轉(zhuǎn)子無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，則由式(2.13)得： (2.18) 將式(2.16)代入式(2.18)，得： (2.19) 設(shè)磁路中無磁滯損耗，再假設(shè)磁路為線性磁路(這在氣隙不太小，磁路不太飽和時(shí)近似成立)，則磁鏈ψ。 可由電感L表示為： (2.20) 將式(2.20)代入式(2.19)，得到磁儲(chǔ)

46、能的計(jì)算式： (2.21) 將式(2.21)代入式(2.17)，得： (2.22) 由以上分析可得出如下結(jié)論： 1.電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)氣隙磁導(dǎo)變化產(chǎn)生的，當(dāng)磁導(dǎo)對(duì)轉(zhuǎn)角的變化率大時(shí)，轉(zhuǎn)矩也大。 2.電磁轉(zhuǎn)矩的大小同繞組電流的平方成正比，即使考慮到電流增大后鐵芯飽和的影響，轉(zhuǎn)矩不再與電流平方成正比，但仍隨電流的增大而增大，因此可以通過增大電流有效地增大轉(zhuǎn)矩，并且可以通過控制繞組電流得到恒轉(zhuǎn)矩輸出的特性。 3.轉(zhuǎn)矩的方向與繞組電流的方向無關(guān)，只要在電感曲線的上升段通入繞

47、組電流就會(huì)產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩，而在電感曲線的下降段通入繞組電流則會(huì)產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩。 2.3.4轉(zhuǎn)速的控制 控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要調(diào)節(jié)其外施電壓或勵(lì)磁電流，而控制感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速則需調(diào)節(jié)電源的頻率。與其它電機(jī)一樣，開關(guān)磁阻電機(jī)也有其自己的控制方法。這里仍然針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的線性模型來加以討論，對(duì)其轉(zhuǎn)速控偉峭三性加以定性分析。將上面得到的表示的繞組電流代入式(2.22)中，得到： (2.23) 由此進(jìn)一步得到： (2.24) 從式(2.24)中可以看出，有兩種轉(zhuǎn)速控制方法： 1.改變外

48、施電壓； 2.改變與開關(guān)角有關(guān)的參數(shù)F，F(xiàn)是代表電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)(如繞組電感和定子極弧等)和控制參數(shù)(如開通角、關(guān)斷角)的函數(shù)。 若與開關(guān)角有關(guān)的參數(shù)F不變，則ω正比于Us，改變其外施電壓就會(huì)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速[14]。 2.4 開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式 SRD系統(tǒng)的控制方式指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)控制哪些參數(shù)及如何控制，使電動(dòng)機(jī)按規(guī)定的狀況運(yùn)行，并保持較高的性能指標(biāo)。控制方式的研究是SRD系統(tǒng)研究的關(guān)鍵問題。 2.4.1電流斬波控制 在低速時(shí)，相電流周期長、磁鏈及電流峰值大，必須采取限流措施。因此，θ=θon時(shí)，功率電路開關(guān)元件接通(稱相導(dǎo)通)，繞組電流I從零開始上升，當(dāng)電流達(dá)到峰值(斬波

49、電流上限值)時(shí)，切斷繞組電流(稱斬波關(guān)斷)，繞組承受反壓，電流快速下降。經(jīng)時(shí)間Tl，或電流降至規(guī)定值(斬波電流下限值)時(shí)，重新導(dǎo)通(稱斬波導(dǎo)通)，重復(fù)上述過程，則形成斬波電流波形，直至θ=θoff時(shí)實(shí)行相關(guān)斷，電流衰減至零。 低速作特別是起動(dòng)時(shí)，多采用斬波控制，以限制電流峰值。電流斬波波形見圖2.5。 圖2.5電流斬波波形 Fig2.5 Current chopping waveform 2.4.2角度控制 開通角θon和關(guān)斷角θoff是開關(guān)磁阻電機(jī)最主要的控制參數(shù)，通過變?chǔ)萶n和θoff可實(shí)現(xiàn)相電流性質(zhì)(如電動(dòng)和制動(dòng))、大小和波形的控制，從而可有效調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)

50、速以及轉(zhuǎn)向。 控制開通角θon和關(guān)斷角θoff。在θon至θoff之間，對(duì)繞組施加正向電壓，建立和維持電流。在θoff之后一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)繞組施加反向電壓，使電流續(xù)流快速下降，直至消失。在實(shí)際控制過程中，一般采用經(jīng)過精細(xì)調(diào)整的低時(shí)間常數(shù)的鎖相倍頻器對(duì)轉(zhuǎn)子位置基本信號(hào)實(shí)現(xiàn)高倍倍頻，從而獲得分辨率較高的角度細(xì)分控制。這樣在不同的θon和θoff控制下，可獲得不同波形和幅值的相電流，達(dá)到電機(jī)調(diào)控目的[15]。 2.4.3電壓斬波控制 在θon—θoff導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，使功率開關(guān)按PWM方式工作。其脈沖周期T固定，占空比Tl/T可調(diào)。在Tl內(nèi)，繞組加正電壓，T2內(nèi)加零電壓或反電壓。改變占空比，則繞組電

51、壓的平均值變化，繞組電流也相應(yīng)變化，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，這就是電壓斬波控制。與電流斬波控制方式類似，提高脈沖頻率f=l/T，則電流波形比較平滑，電機(jī)出力增大，噪聲減小，但功率開關(guān)元件的工作頻率增大。 2.4.4 各控制方式的特點(diǎn) 1.電流斬波控制的特點(diǎn) （1）適用于低速和制動(dòng)運(yùn)行 電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，繞組中旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢小，電流增長快。在制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢的方向與繞組端電壓方向相同，電流比低速運(yùn)行時(shí)增長更快。兩種工況下，采用電流斬波控制方式正好能夠限制電流峰值超過允許值，起到良好有效的保護(hù)和調(diào)節(jié)效果。 （2）轉(zhuǎn)矩平穩(wěn) 電流斬波時(shí)電流波形呈較寬的平項(xiàng)狀，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也較平穩(wěn)。合成

52、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯比其它控制方式小。 （3）適合用于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng) 當(dāng)斬波周期T較小，并忽略相導(dǎo)通和相關(guān)斷時(shí)電流建立和消失的過程(轉(zhuǎn)速低時(shí)近似成立)時(shí)，繞組電流波形近似為平頂方波。平頂方波的幅值對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩值基本不受其它因素的影響，可見電流斬波控制方式適用于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如恒轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 （4）用作調(diào)速系統(tǒng)時(shí)抗負(fù)載擾動(dòng)性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢 提高調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的快速響應(yīng)，除轉(zhuǎn)速檢測調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快外，系統(tǒng)自身的機(jī)械特性也十分重要。電流斬波控制方式中，由于電流峰值被限，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載擾動(dòng)的作用卜發(fā)生突變時(shí)，電流峰值無法自動(dòng)適應(yīng)，系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)卜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)十分緩慢。 2.角度控制的特點(diǎn)

53、 （1）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大 若定義電流存在區(qū)間t占電流周期T的比例t/T為電流占空比，則角度控制下電流占空比的變化范圍兒乎從0一100%。 （2）同時(shí)導(dǎo)通相數(shù)可變 同時(shí)導(dǎo)通相數(shù)多，電動(dòng)機(jī)出力較大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。當(dāng)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)，自動(dòng)增加或減少同時(shí)導(dǎo)通的相數(shù)是角度控制方式的特點(diǎn)。 （3）電動(dòng)機(jī)效率高 通過角度優(yōu)化，能使電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載卜保持較高的效率。 3.電壓斬波控制的特點(diǎn) 電壓斬波控制是通過P枷方式調(diào)節(jié)繞組電壓平均值，間接調(diào)節(jié)和限制過大的繞組電流，既能用于高速運(yùn)行，又適合于低速運(yùn)行。其它特點(diǎn)則與電流斬波控制方式相反，適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，缺點(diǎn)是低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩

54、脈動(dòng)較大[16]。 第三章 SRD新型控制策略的研究 由于SR電機(jī)磁路的飽和，各相產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的非線性特性及相電流間的非線性禍合以及各相電流在零和額定值之間的開關(guān)切換并非瞬間完成，使得即使依序給SR電機(jī)相繞組用恒定電流(即矩形波電流)供電，其瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩亦非恒定。顯然，SR電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)限制了其在伺服傳動(dòng)等要求低速運(yùn)行場合下的應(yīng)用。而電機(jī)的轉(zhuǎn)矩又是機(jī)電聯(lián)系的樞紐，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究成為目前SRM研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。 本章即研究新型的控制策略來實(shí)現(xiàn)SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。同時(shí)，鑒于常規(guī)的控制手段(例如固定參數(shù)的PID調(diào)節(jié)器)已經(jīng)不

55、能從根本上補(bǔ)償SR電機(jī)的非線性特性。由于改變關(guān)斷角θoff，即可改變換相時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從精確定位以及小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)出發(fā)，研究了SRD的微步控制[17]。 3.1 SR電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制 采用直接轉(zhuǎn)矩控制原理來控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這己經(jīng)形成了一套比較完整的理論。交流電機(jī)具有線性特性而且是對(duì)稱三相正弦電流勵(lì)磁，這些都是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)所不具有的。眾所周知，開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制系統(tǒng)具有嚴(yán)重的非線性特點(diǎn)，而且每一相都是單獨(dú)勵(lì)磁，因此應(yīng)用在傳統(tǒng)交流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制理論對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)并不完全適用。 本文首先分析了SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，提出了一種新型磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制方法。通過磁鏈幅值以及

56、磁鏈?zhǔn)噶克俣鹊目刂七_(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制原(DTC)，有效地減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而且這種方法非常簡單，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)只用低成本的微處理器即可。 3.1.1直接轉(zhuǎn)矩控制原理 1.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由磁路選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)的趨勢而產(chǎn)生的。由于SR電動(dòng)機(jī)磁路的非線性，通常SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩根據(jù)磁共能來計(jì)算，即式3.1： (3.1) 式中：—轉(zhuǎn)子位置角 —繞組電流 —電機(jī)相數(shù) 顯然，磁共能的改變既取決于轉(zhuǎn)子位置，亦取決于繞組電流的瞬時(shí)值。在此路飽和狀態(tài)下運(yùn)行的SR電動(dòng)機(jī)，是一種非線性嚴(yán)重的機(jī)電裝置，此共能

57、很難解析計(jì)算。電機(jī)載飽和狀態(tài)下，其機(jī)械損耗可以忽略，因此式(3.l)可以用一個(gè)近似的等式表示為： (3.2) 由于開關(guān)磁阻電機(jī)通常使用單極性驅(qū)動(dòng)故各相電流都是止的，因此式(2)中轉(zhuǎn)矩T的正負(fù)是由d決定的。即要產(chǎn)生正的轉(zhuǎn)矩，定子磁鏈幅值必須隨轉(zhuǎn)子位置變化而加速，要產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩，定子磁鏈幅值要隨轉(zhuǎn)子位置變化減速。 正的值可以定義為“磁鏈加速”，負(fù)值定義為“磁鏈減速”。這是因?yàn)?，如果磁場要隨轉(zhuǎn)子位置變化增加，定子磁鏈必須超前于轉(zhuǎn)子位置；相反，如果磁場隨轉(zhuǎn)子位置變化減小，定子磁鏈要滯后于轉(zhuǎn)子位置。所以轉(zhuǎn)矩改變可以通過定子磁

58、鏈加速或減速來實(shí)現(xiàn)。這樣，一種新的控制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法可以定義為： (1)定子磁鏈保持一個(gè)連續(xù)的幅值。 (2)轉(zhuǎn)矩由定子磁鏈加速或減速來控制。 控制目標(biāo)(1)通過采用類似傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的方法來實(shí)現(xiàn)。控制目標(biāo)(2)也是通過類似傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的方法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩增大或減小取決于定子磁鏈的加速或減速。 和傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法不同的是，轉(zhuǎn)矩幅值也是瞬時(shí)電流的產(chǎn)物。但是就像異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)子磁鏈可以假設(shè)為一個(gè)連續(xù)量，一個(gè)相對(duì)于定子磁鏈變化的一階延遲。同樣，在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法中，定子電流相對(duì)定子磁鏈變化有一個(gè)一階延遲，這樣在對(duì)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)就可以僅僅控制磁鏈加速或減速而不考慮電

59、流的變化。 2.電壓空間矢量 由于開關(guān)磁阻電機(jī)的凸極結(jié)構(gòu)，每相電壓空間矢量的原點(diǎn)定義在位于定子極軸的中心線上。6/4結(jié)構(gòu)三相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的電壓空間矢量的定義如圖3.1所示。 圖3.2是以一相為例功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電機(jī)每相都有三個(gè)可能的電壓狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)主開關(guān)都工作時(shí)給定相k的電壓Sk狀態(tài)定義為1，這時(shí)正電壓加在繞組上；當(dāng)一個(gè)晶閘管關(guān)斷且電流不為零時(shí)，此時(shí)繞組電壓為零，Sk狀態(tài)定義為O；當(dāng)兩個(gè)晶閘管都關(guān)斷時(shí)，此時(shí)電流不存在或只流經(jīng)續(xù)流二極管，這種情況下，繞組電壓為負(fù)，Sk狀態(tài)定義為-1。 因此，和傳統(tǒng)交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法不同的是，電機(jī)每相有三個(gè)不同的狀態(tài)，這樣就會(huì)有27電壓狀態(tài)。

60、為了同傳統(tǒng)交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制一樣也可以定義6個(gè)幅值相同且相差的電壓向量，即如圖3.3所示的六個(gè)電壓向量V1…V6，不需其它狀態(tài)。這些向量都交于N=1……6的六個(gè)區(qū)域的交點(diǎn)，每個(gè)區(qū)域?yàn)棣?3弧度寬，每個(gè)可能的狀態(tài)都是為了使定子磁鏈和電機(jī)轉(zhuǎn)矩處于控制帶中[18]。 圖3.1三相SR電動(dòng)機(jī)相電壓矢量定義 Fig.3.1 The definition of the voltage vector of Three Phase SR motor 圖3.2 SR電機(jī)一相繞組結(jié)構(gòu)圖 Fig.3.2 Winding structure of one Phase of SRM

61、 圖3.3 SR電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量定義 Fig.3.3 Voltage vector defination of DTC Method of SRM 2.直接轉(zhuǎn)矩控制原理 在圖3.3所示的電壓空間矢量圖中，假如定子磁鏈在第K個(gè)區(qū)域，則可以通過使用矢量Vk+1和Vk-1來增大磁鏈而通過矢量Vk+2和Vk-2來減小磁鏈。從2.1節(jié)分析可知，轉(zhuǎn)矩是由定子磁鏈相對(duì)于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的加速或減速來控制的，因此如果轉(zhuǎn)矩需要增加，就要選擇超前于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的電壓向量，即定子磁鏈在第K區(qū)域時(shí)選擇矢量Vk+1和Vk+2；反之，若轉(zhuǎn)矩需要較小，則要相應(yīng)地選擇第K區(qū)域的矢量Vk+1和Vk+2

62、。 3.1.2仿真研究 為了驗(yàn)證上述控制方法和開關(guān)表的控制性能，本設(shè)計(jì)利用MATLAB進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，原理框圖如圖3.4所示。框圖主要分為如下幾部分： 1.磁鏈計(jì)算單元 相磁鏈計(jì)算采用u-i模型，經(jīng)過3/2變換，計(jì)算出。計(jì)算出α-β兩相坐標(biāo)系下的定子磁鏈ψa。 2.磁鏈區(qū)間判斷單元 磁鏈區(qū)間的判斷是通過一個(gè)s-function 1函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。 3.磁鏈、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中.轉(zhuǎn)矩控制和磁鏈控制可以分別通過滯環(huán)比較器來實(shí)現(xiàn)的。 4.電壓空間向量的選擇 本系統(tǒng)仿真時(shí)主要是通過查表的方法來實(shí)現(xiàn)電壓空間向量的選擇，判斷條件包括磁鏈調(diào)節(jié)器的輸出ψq、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出TQ以及

63、磁鏈所在區(qū)域N。區(qū)間N、電壓向量可參看圖3.4，具體的電壓矢量選擇表見表3.1。 圖3.4系統(tǒng)仿真框圖 Fig.3.4 System simulation block diagram 表3.1電壓矢量選擇表 Fig.3.1 The selection of voltage 仿真時(shí)應(yīng)用的電機(jī)參數(shù)：額定電壓為170V，額定電流為4A，相電阻8.1Ω，Lmax=0.24mH，Lmin=0.06mH。 在仿真過程中，電動(dòng)機(jī)給定磁鏈?zhǔn)?.8wb，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩是3N·m。磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度分別±0.01wb和±0.1N·m。 仿真結(jié)果如圖3.5和圖3.6，圖3.5給出磁鏈

64、軌跡，可以看出定子磁鏈幅值基本不變，軌跡比較接近于圓形。 圖3.6的(a)和(b)分別給出了電機(jī)控制前后的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。從圖3.6(a)中看到控制前的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大，而在圖3.6(b)中可以看到，采用直接轉(zhuǎn)矩控制的電機(jī)轉(zhuǎn)矩維持在3N·m上下波動(dòng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯減小，波動(dòng)的最大幅值約為0.1N·m。 圖3.7為負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。從圖3.7的波形可以看出，系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度，轉(zhuǎn)矩在0.25從1N·m上升到3N·m僅用了2ms。不同給定轉(zhuǎn)矩的仿真表明該波動(dòng)幅值并不隨給定轉(zhuǎn)矩的大小而變化。仿真結(jié)果充分證明了這一方法能有效減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，改善基于直接轉(zhuǎn)矩控制思想的磁鏈控制的轉(zhuǎn)矩和速度的平滑性。

65、 3.1.3結(jié)論 將直接轉(zhuǎn)矩應(yīng)用到開關(guān)磁阻電機(jī)的控制上，可以很有效的控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈，使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能良好，解決了SR電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制的不足。將DTC應(yīng)用于SRM還有一個(gè)優(yōu)勢，就是控制簡單、只需用低成本的微處理器就可以實(shí)現(xiàn)。 圖3.5穩(wěn)態(tài)時(shí)磁鏈曲線 Fig.3.5 The stator flux curve of steady state 圖3.6穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩曲線 Fig.3.6 Electromagnet torque of steady state 圖3.7電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線 Fig.3.7 Dynamical resp

66、onse of Electromagnet torque 3.2 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的微步控制 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)一般工作在飽和狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩是相電流和轉(zhuǎn)子位置的非線性函數(shù)；同時(shí)為了維持轉(zhuǎn)子的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須不斷地切換功率變換器的主開關(guān)器件。開關(guān)切換過程中不可避免地給相電流帶來擾動(dòng)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本文基于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的線性模型，推導(dǎo)出其矩角特性，根據(jù)轉(zhuǎn)矩星型圖對(duì)換相時(shí)的相繞組電流進(jìn)行控制，用換相區(qū)代替換相點(diǎn)使各相電流為階梯波，從而在空間得到多個(gè)派生轉(zhuǎn)矩矢量，使電機(jī)的步進(jìn)角減小，增加了轉(zhuǎn)矩的平滑勝，從而減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 3.2.1開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的微步控制 1.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的矩角特性 結(jié)構(gòu)上與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似的SR電動(dòng)機(jī)其運(yùn)行原理也遵循“磁阻最小原理”，也就是說電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由磁路選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)的趨勢而產(chǎn)生的。由于開關(guān)磁阻電機(jī)磁路的嚴(yán)重非線性，通常開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由磁共能來計(jì)算，即 (3.3) 式中：一電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角 一繞組電流 因此在忽略開關(guān)磁阻電機(jī)磁路飽和及邊緣效應(yīng)，基于電機(jī)的線性模型，假定電感同電流無關(guān)