【正文】 13 電流斬波控制 12 開關磁阻電機的控制方式 9 開關磁阻電機工作的基本分析 8 開關磁阻電機的數(shù)學模型 5 開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構、特點及基本原理 3 研究的主要內(nèi)容和目標 2 電機的控制策略綜述 1 運動控制發(fā)展概述 基于開關磁阻電動機的線性模型，推導出其矩角特性，根據(jù)轉(zhuǎn)矩星型圖對換相時的相繞阻電流進行控制，用換相區(qū)代替換相點使各相電流為階梯波，從而在空間得到多個派生轉(zhuǎn)矩矢量，使電機的步進角減小，增加了轉(zhuǎn)矩得平滑性，從而減小了轉(zhuǎn)矩脈動研究表明，采用微步控制后，可有效地減小電流波動。本設計以 四相 (8/6 極 )開關磁阻電動機控制系統(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用。 開關磁阻電動機的最重要的缺點就是轉(zhuǎn)矩脈動，它直接影響著驅(qū)動系統(tǒng)的輸出性能。為了驗證系統(tǒng)的可行性，本文利用 中的動態(tài)仿真工具 SIMULINK 對 系統(tǒng)的動靜態(tài)性能進行了仿真分析。 1 開關磁阻電機的研究概況及發(fā)展 方向 5 電機的工作原理 8 數(shù)學模型的求解方法 16 直接轉(zhuǎn)矩控制原理 33 速度檢測子程序 35 故障處理子程序 36 SRD 實驗系統(tǒng)及實驗結(jié)果 37 第五章 結(jié)論 SRM 作為 SRD 中的重要組成部分，是在磁阻電動機的基礎上發(fā)展起來的一種高性能機電一體化的產(chǎn)品。另外，電機在一相或多相缺相的情況下仍可以運行使得它可以應用于惡劣的工業(yè)環(huán)境中。而且，電機的輸出轉(zhuǎn)矩不平滑，必須采用適當?shù)目刂撇呗詠硐D(zhuǎn)矩脈動。 運動控制發(fā)展概述 運動控制是一門綜合性、多學科的交叉技術。運動控制系統(tǒng)使被控機械運動實現(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，以及這些被控機械量的綜合控制。一般的運動控制系統(tǒng)包含了圍繞電動機組成不同控制目標所涉及的理論和技術。美國 、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家都開展了 開關磁阻電機系統(tǒng)的研制工作 ， 在國外的應用中， 開關磁阻電機 一般用于牽引中，例如電瓶車和電動汽車 ， 同時高速性能是 開關磁阻電機 的一個特長的方向。在開發(fā)高速傳動領域，開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)也有其獨特的優(yōu)勢，因為開關磁阻電動機結(jié)構簡單、堅固，控制開關頻率低，在疊片性能和軸承滿足要求的條件下可實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)。紡織機械研究所將 SRD 應用于毛巾印花機、卷布機，煤礦牽引及電動車輛等， 取得了顯著的效益。在應用上， SRD 有著廣闊的市場前景，具有結(jié)構簡單、堅固、成本低、工作可靠、控制靈活、運行效率高，適于高速與惡劣環(huán)境運行等特點，促使人們更深刻的去關注、研究、開發(fā)。因此，研究 SRD 及其驅(qū)動系統(tǒng)無論是在理論上還是在工業(yè)應用中都具有重要意義[4]。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)、和電壓控制 (VC)。傳統(tǒng)的線性控制方法難以滿足動態(tài)較快的 SRM 非線性、變參數(shù)要求。模糊控制器的這些特點，使得從原理上改善 SRD 系統(tǒng)的調(diào)速性能成為可能。但困難在于 SR 電機數(shù)學模型難以精確解析，而且 SRD 的結(jié)構及其動態(tài)特性在運行中常逐步改變或突變，并且難以預知。 ，算法簡單，能抑制參數(shù)變化、擾動和各種不確定性干擾的 SRM 新型控制策略。 本設計主要研究內(nèi)容有以下幾個方面： 。轉(zhuǎn)子無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組可串聯(lián)或并聯(lián)構成一對磁極，稱為“一相”。 SRM 的轉(zhuǎn)向與電流方向無關，為單向電流，若改變相電流的大小，可改變電動機轉(zhuǎn)矩的大小，進而可以改變電動機轉(zhuǎn)速。SRM 的功率變換器主電路的結(jié)構形式與供電電壓、電動機相數(shù)及主開關器件 的種類等天津理工大學中環(huán)信息學院 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 6 有關。定、轉(zhuǎn)子間有很小的氣隙。不重合的情況下，應使功率變換下號器中控制 A 相繞組的開關元件 S1和 S2導通，A 相繞組通電，而 B、 C 和 D 三相繞組都不通電 。和 1139。當軸線 AA39。與轉(zhuǎn)子齒極軸線 2239。在多相電機實際運行中，也常出現(xiàn)兩相或多相同時導通的情況。 系統(tǒng)的結(jié)構與性能特點 、成本低、適于高速 開關磁阻電動機的突出優(yōu)點是轉(zhuǎn)子上沒有任何型式的繞組，成本低；轉(zhuǎn)子的機械強度高，電動機可高速運轉(zhuǎn)而不致變形；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，易于加、減速。因此開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護電路可以簡化，既降低了成本，又具有高的作可靠性 [9]。 圖 The curve of real Performance of SRM 天津理工大學中環(huán)信息學院 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 8 、低起動電流 從電源側(cè)吸收較少的電流，在電動機側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩是本系統(tǒng)的一大特點。 開關磁阻電機的數(shù)學模型 開關磁阻電機的數(shù)學模型 建立開關磁阻電機數(shù)學模型，通常有以下三種方法：線性模型、準線性模型 (分段線性模型 )和非線性模型。事實上，由于電機的雙凸極結(jié)構和磁路的飽和、渦流和磁滯效應所產(chǎn)生的非線性，加上電機運行期間的開關性和可控性，在電機運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)。 根據(jù)能量守恒定律和電磁感應定律，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)生的感應電勢作用之和，第 p 相繞組電壓方程： pp du RpIp dt??? () 天津理工大學中環(huán)信息學院 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 9 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)： 1( ... ..., , )p p nI I I? ? ?? () 由于開關磁阻電機各相之間的互感相對自感來說甚小，為了便于計算，在開關磁阻電機的計算中一般忽略相間互感，不考慮兩相以上電流導通時定、轉(zhuǎn)子扼部飽和在各相之間產(chǎn)生的相互影響，這時磁鏈方程可近似成： ( , ) ( , )p p P PI L I I? ? ? ??? () 根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，開關 磁阻電機的電磁轉(zhuǎn)矩表示為磁共能對轉(zhuǎn)子位置增加的速率： ( , ) ( , )mpPPWIT T I? ?????? () 電機的合成轉(zhuǎn)矩由各相轉(zhuǎn)矩疊加而成： 1 ( , )meppT T I ???? () 其中， J、 B、 Tl 分別為轉(zhuǎn)動慣量、粘滯系數(shù)及負載轉(zhuǎn)矩： 1edJ T B Tdt? ?? ? ? () ddt? ?? () 數(shù)學模型的求解方法 上述數(shù)學模型由于有嚴重的非線性，不可能得出解析解。 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。在 θ 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，這是因為開關磁阻電機的轉(zhuǎn)子槽寬通常大于定子極弧，所以當定子凸極對著轉(zhuǎn)子槽時，便有一段定子極與轉(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。開關磁阻電機基于線性模型的繞組電感的分段線性解析式為 [13]： 2 m in 2 3m a x 3 4m a x 4 4 5()()()KLLLLK? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ??? ? ? ? ?? () m a x m i n m a x m i n3 2 3L L L LK ? ? ?????? () 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)生機械損耗的情況下，繞組輸入的電能 We 應等于結(jié)構中磁儲能 Wf 與輸出機械能 Wn 之和，即為： fmdWe dW dW?? () 如果把電壓 u 和感應電勢 e 的參考方向選得一致，根據(jù)電磁感應定律，繞組電路的電壓方程為： duedt??? ? （ ) 繞組輸入的電能可由其端電壓、端電流計算，即為： dWe uidt? () 將式 ()代入式 ()： dWe id?? () 機械能可由電磁轉(zhuǎn)矩 T 和角位移θ計算，即為： mdW Td?? () 將式 ()和式 ()代入式 ()，則 得 : ( , )fdW id Td? ? ?? ? ? () 式 ()表明，對無損系統(tǒng)，磁儲能是由獨立變量ψ和θ表示的狀態(tài)變量，當θ為恒定值時，由式 ()得到一般轉(zhuǎn)矩計算式為： ( , )fWT ????? ? () 在考慮轉(zhuǎn)子處于任意位置時的電磁轉(zhuǎn)矩時，可以假設轉(zhuǎn)子無機械轉(zhuǎn)動，則由式 ()得 ： fdWe dW? () 將式 ()代入式 ()，得 ： 天津理工大學中環(huán)信息學院 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 12 0fW id? ??? () 設磁路中無磁滯損耗，再假設磁路為線性磁路 (這在氣隙不太小，磁路不太飽和時近似成立 )，則磁鏈ψ。 轉(zhuǎn)速的控制 控制直流電機的轉(zhuǎn)速需要 調(diào)節(jié)其外施電壓或勵磁電流，而控制感應電機的轉(zhuǎn)速則需調(diào)節(jié)電源的頻率。 若與開關角有關的參數(shù) F 不變，則ω正比于 Us，改變其外施電壓就會改變電機的轉(zhuǎn)速 [14]。因此，θ =θon 時，功率電路開關元件接通 (稱相導通 )，繞組電流 I 從零開始上升，當電流達到峰值(斬波電流上限值 )時，切斷繞組電流 (稱斬波關斷 )，繞組承受反壓，電流快速下降。 圖 形 Current chopping waveform 角度控制 開通角θ on 和關斷角θ off 是開關磁阻電機最主要的控制參數(shù)，通過變θ on 和θ off可實現(xiàn)相電流性質(zhì) (如電動和制動 )、大小和波形的控制，從而可有效調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向。在實際控制過程中，一般采用經(jīng)過精細調(diào)整的低時間常數(shù)的鎖相倍頻器對轉(zhuǎn)子位置基 本信號實現(xiàn)高倍倍頻，從而獲得分辨率較高的角度細分控制。在 Tl內(nèi)，繞組加正電壓， T2內(nèi)加零電壓或反電壓。在制動運行時，旋轉(zhuǎn)電動勢的方向與繞組端電壓方向相同，電流比低速運行時增長更快。 （ 3） 適合用于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng) 當斬波周期 T 較小，并忽略相導通和相關斷時電 流建立和消失的過程 (轉(zhuǎn)速低時近似成立 )時，繞組電流波形近似為平頂方波。 （ 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%。 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，既能用于高速運行，又適合于低速運行。而電機的轉(zhuǎn)矩又是機電聯(lián)系的樞紐，因而轉(zhuǎn)矩脈動的研究成為目前 SRM 研究領域的熱點。 SR 電機的直接轉(zhuǎn)矩控制 采用直接轉(zhuǎn)矩控制原理來控制交流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩脈動，這己經(jīng)形成了一套比較完整