【文章內容簡介】 83。 38 參考文獻 39 致 謝 40 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 1 第一章 緒論 引言 開關磁阻電機調速系統(tǒng) (Switched Reluctance Motor Drive，簡稱 SRD)，是繼異步電動機變頻調速系統(tǒng)和直流電動機調速系統(tǒng)之后，又一極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦驼{速系統(tǒng)。它集開關磁阻電動機 (Switched Reluctance Motor，簡稱 SRM)、電力電子技術和控制技術為一體，它不僅保持了交流異步電動機的機構簡單、堅固可靠和直流電動機可控性好的優(yōu)點，而且還具有價格低、效率高、適應力強等優(yōu)點，顯示出廣闊的應用前景。 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。它具有開關性和磁阻性兩個基本特征。從結構上看開關磁阻電 機定轉子均采用雙凸極結構，定子上有集中繞組，轉子無繞組，也無永磁體。因此具有結構簡單、堅固、工作可靠、維修方便等優(yōu)點。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。 SRM 控制靈活，采用不同的控制方式，可以得到不同負載要求的機械特性，很容易實現(xiàn)四象限運行和軟啟動等要求。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載范圍內都能維持較高的運行特性。 然而，由于開關磁阻電機的雙凸極結構，不能采用傳統(tǒng)的 AC 電機波形來作為輸入激勵，從而不能應用 AC 電機很成 熟的旋轉磁場理論。而且，電機的輸出轉矩不平滑，必須采用適當?shù)目刂撇呗詠硐D矩脈動。另外由于磁通的復雜分布使得電機的控制很復雜。電機不同相間的非線性禍合及電機參數(shù)的改變更增加了控制的復雜程度。只有從調速系統(tǒng)的總體性能指標出發(fā)，通過采取優(yōu)化的控制策略，才能逐步解決這些問題 [1]。 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。它的主要研究內容是機械運動過程中涉及的力學、機械學、動力驅動、運動參數(shù)檢測和控制等方面的理論和技術問題。隨著科學技術的不斷發(fā)展，尤其是電力電技術的進步，微機技術的 應用和新型控制策略的出現(xiàn)。今天的運動控制發(fā)展成為了根據(jù)預定方案及復雜環(huán)境，將計算機做出的決策命令變?yōu)槟撤N期望的機械運動的系統(tǒng)控制。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、轉矩或力的控制，以及這些被控機械量的綜合控制。典型的運動控制系統(tǒng)有運輸機械、數(shù)控機床、機器人等，這些系統(tǒng)是力學、機械、材料、電天津理工大學中環(huán)信息學院 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 2 工、電子、計算機、信息和自動化等科學和技術領域的總和。 運動控制系統(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機、驅動器、反饋裝置、運動控制器、主控制器 (如計算機和可編 程控制器 )來實現(xiàn)。隨著微電子技術滲透到運動控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)并成為其控制技術的核心，功率變頻器和電動機都具有了離散控制的基本特征。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。運動控制作為一門多學科交義的技術，每種技術出現(xiàn)的新進展都使它向前邁進一步，其技術進步是日新月異的 [2]。 開關磁阻電機的研究概況及發(fā)展方向 開關磁阻電機的研究概況 磁阻電機是一種具有悠久歷史的電機，它誕生于 160 年前，但它一直被認為是一種性能 (效率、功率因數(shù)、利用系數(shù)等 )不高的電機，故只應 用于小功率范圍。經(jīng)過近 20年的研究和改進，磁阻式電機的性能不斷提高，目前已能在較大的功率范圍內使其性能不低于其他型式的電機。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。 對于低壓、小功率的應用場合，開關磁阻電動機遠優(yōu)于普通的異步電動機和直流電動機。例如使用開關磁阻電動機驅動風扇、泵類、壓縮機等，可以在寬廣的速度范圍內實現(xiàn)高效率的運行且節(jié)能明顯，可以在短期內收回成本，經(jīng)濟型小功 率開關磁阻電動機調速系統(tǒng)有廣闊的市場，尤其是在家用電器方面的應用。據(jù)報導，英國 Leeds 大學研制出一種用于洗衣機的開關磁阻電動機及其驅動裝置，該電動機重量為 ，最高轉速達 10000r/min，直徑為 100mm，長度為 118mm，在不使洗滌性能降低的情況下，比標準的洗衣機電動機尺寸減少一半。在開發(fā)高速傳動領域，開關磁阻電動機調速系統(tǒng)也有其獨特的優(yōu)勢，因為開關磁阻電動機結構簡單、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。 據(jù)報道，美國為空間技術研制了一個 25000r/min、 90kW 的高速 SRD 樣機 [3]。 開關磁阻電機調速 系統(tǒng) （ SRD） 的研究已被列入我國中、小型電機 “ 八五 ”、“ 九五 ”和 “ 十五 ” 科研規(guī)劃項目。 華中科技大學開關磁阻電機課題組在 “九五 ”項目中研制出使用 SRD 的純電動轎車，在 “十五 ”項目中將 SRD 應用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運行效果。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。 現(xiàn)如今功率電子技術 ， 數(shù)字信號處理技術和控制技術的快速發(fā)展，而且隨著智能技術的不斷成熟及高速高效低價格的數(shù)字信號處理芯片（ DSP）的出現(xiàn)，利 用高性能 DSP開發(fā)各種復雜算法的間接位置檢測技術 ， 無需附加外部硬件電路 ， 大大提高了開關磁阻天津理工大學中環(huán)信息學院 2020 屆本科畢業(yè)設計說明書 3 電機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 機電系統(tǒng)簡化為線性系統(tǒng)以實驗研究方法為主進行的，一方面缺少理論分析，另一方面對 SR 電機振動的非線性特性缺乏研究。只有立足于非線性振動理論，在全面分析 SR 電機非線性電磁場和非線性徑向力的基礎上，才能對開關磁阻電機定子電磁振動的非線性特性進行系統(tǒng)的理論分析，計算和實驗研究。近幾十年來， SRD 的研究在國內外取得了很大的發(fā)展，但作為一種新型的調速 系統(tǒng)，研究的歷史還比較短，其技術設計電機學、微電子、電力電子、控制理論等眾多學科領域，并且 SR 電機本身的非線性特性，導致研究的困難性，存在著大量的工作要做。在應用上， SRD 有著廣闊的市場前景，具有結構簡單、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)。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 結構簡單，但是用來分析SRM 能量轉換過程的數(shù) 學方法卻相對復雜。由于 SRM 的雙凸極結構和磁路的嚴重非線性以及脈沖供電方式，傳統(tǒng)電機學的一些理論和分析方法已不再適用于開關磁阻電動機。因此，研究 SRD 及其驅動系統(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]。 電機的控制策略綜述 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 與功率變換器設計，而且必須借助于先進控制策略的手段。從 20世紀 80 年代以來，在 SRD 控制方面已出現(xiàn)了大量先進的控制思想，并取得了有益的成果。 SR 電機控制參數(shù)多，控制系 統(tǒng)設計的主要問題時努力實現(xiàn)參數(shù)最優(yōu)化、結構最優(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)、和電壓控制 (VC)。其中， CCC 一般應用于低速運行區(qū)，因為此時旋轉電動勢較小，必須限制系統(tǒng)的最大工作電流； APC 時電壓保持不變，通過改變開通角和關斷角調節(jié)電機轉速，適合于系統(tǒng)較高轉速區(qū)； VC 時在固定的開關角條件下，通過調節(jié)繞組電壓控制系統(tǒng)轉速。 基于線性假設的 SR 控制系統(tǒng)難以獲得理想的輸出特性，魯棒性差，其動靜態(tài)性能無法與直流傳動相媲美， 這嚴重阻礙了 SR 的商品化進程。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構，為輸出最大轉矩而運行于飽和狀態(tài)，磁阻轉矩是繞組電流和轉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，國內外發(fā)表了一些基于現(xiàn)代控制理論和智能控制技術建立 SR。動態(tài)模型和系統(tǒng)設計的文獻。模糊控制器是一種語言控制器，無需被控對象的精確數(shù)學模型，本質上也是一種非線性控制，具有較強的魯棒性。模糊控制器的這些特點，使得從原理上改善 SRD 系統(tǒng)的調速性能成為可能。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 4 近年來，應用模糊控制理論設計 SRD 己受到重視。但模糊控制的動靜態(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，轉矩脈動、振動和噪聲是 SRD較為突出的問題，也是控制策略所要研究的重點。轉矩的分布由相電流決定，因此關鍵是控制相電流使其輸出轉矩脈動最小化分布。但困難在于 SR 電機數(shù)學模型難以精確解析，而且 SRD 的結構及其動態(tài)特性在運行中常逐步改變或突變，并且難以預知。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、自學習控制技術及智能控制技術，才能使系統(tǒng)根據(jù)運行條件的改變，自動的調整調 節(jié)器的結構、參數(shù)，以保證系統(tǒng)連續(xù)處于輸出轉矩脈動最小化狀態(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。今后關于 SRM 控制策略的研究應主要圍繞以下幾個方面展開： ，以減小轉矩脈動、降低噪聲。 ，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。 SRM 新型控制策略機器分析設計理論。 研究的主要內 容和目標 開關磁阻電機調速系統(tǒng)作為一種新型調速系統(tǒng)，兼有直流傳動和普通交流傳動的特點，但是由于開關磁阻電機的雙凸極結構和采用開關性的供電電源，使得電機的特性和控制方式與傳統(tǒng)電機不同，尤其是非線性及飽和現(xiàn)象，造成電機的模型難以解析，比較突出的問題是轉矩脈動和噪聲。另一方面， SRD 作為典型的機電一體化系統(tǒng)，融合了電機學、微電子、電力電子、控制理論等眾多科學領域，所以系統(tǒng)的優(yōu)化設計還需從整體出發(fā)，基于以上原因提出了 開關磁阻電動機高性能控制系統(tǒng)的設計 ，能夠消除轉矩脈動，提高開關磁阻電機在位置控制中的定位精度 [6]。 本設計主要研究內容有以下幾個方面： 。 ，達到優(yōu)化控制的目的。 。 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 5 第二章 SR 電機調速系統(tǒng) 開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的基本結構、特點及基本原理 的基本結構 交 流 電 電 源 功 率 變 換 器S R M負 載電 流 檢 測 位 置 檢 測外 部 給 定 微 機 控 制 器 圖 SRD系統(tǒng)構成框圖 Structure of SRD system 開關磁阻電動機調速系統(tǒng)主要由 SRM、功率變換器、控制器、位置檢測器構成，如圖 示： 磁阻電機： SRM 是 SRD 中實現(xiàn)機電能量轉換的部件，系雙凸極可變磁阻電動機，其定轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉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 可以設計成多相結構，且定、轉子的極數(shù)有多種不同的搭配。相數(shù)多，步距角小，有利于減小轉矩脈動，但結構復雜，且主開關器件多，成本高。因此電機定、轉 子的極數(shù)應當按使用的場合合理確定。 SRM 的轉向與電流方向無關，為單向電流，若改變相電流的大小，可改變電動機轉矩的大小，進而可以改變電動機轉速。若在轉子極轉離定子極時通電，所產(chǎn)生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相反，為制動轉矩。 功率變換器的作用是將電源提供的能量經(jīng)適當轉換后提供給 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構較簡單，而且相繞組與主開關器件是串聯(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。 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器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對 SRM 運行狀態(tài)的控制 [7]。 電機的工作原理 圖 所示為一臺典型四相 (8/6)SR 電機的橫截面和其中一相電路的原理示意圖。它的定子上有八個齒極 (即 N=8)，每個齒極上繞著一個線圈，直徑方向上相對的兩個齒極上的線圈串連成一相繞組，轉子沿圓周有六個均勻分布的齒極， (即 Nr=6)，齒極上沒有繞組。定、轉子間有很小的氣隙。 S1和 S2是電子開關， VD1和 VD2是續(xù)流二極管，U 是直流電源。 圖 SR電機的工作原理圖 Principle of Four Phase SR motor SR 電機調速系統(tǒng)整體工作過程如下：控制器接收啟動命令信號，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子齒極相對位置的信息，按照起動邏輯給出相應的輸出信例如，在圖 中定子 A 相齒極軸線 AA39。與轉子齒極 1 的軸線 1139。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 。電動機內建立起以 AA39。為軸線的磁場，磁場通過氣隙的磁感應線是彎曲的。此時，磁路的磁導小于定、轉子齒極軸線從 AA39。和 1139。重合時的磁導，轉子受到氣隙中彎曲磁感應線的切向磁拉力所產(chǎn)生轉矩的作用，使轉子逆時針方向轉動，轉子齒極 1 的軸線 1139。向定子齒極 AA39。趨近。當軸線 AA39。和 1139。重合，即 A 相定、轉子齒對齊時，切線方向的磁拉力消失，轉子停止轉動，此時稱轉子達到穩(wěn)定平衡位置。與此同時， B 相定子齒極軸線 BB39。與轉子齒極軸線 2239。的相對位置與圖 中 A 相的情況相同。此時，控制器根據(jù)位置傳感器提供的位置信息，命令斷開A 相開關 S 和 S 并合上響應的 B 相開關，使 A 相繞組斷開的同時 B 相繞組通電。顯然，改變相電流的方向并不影響轉子的旋轉方向。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。設每相繞組開關頻率 (主開關頻率 )為幾，轉子極數(shù)為 N，則 SR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 7 電機的同步轉速 (r/min)可表示為： 60 pkrfn N? （ ） 由于 SR 電機的轉向與繞組電流方向無關，所以使得功率變換器電路能夠充分簡化。在圖 中，當主開關 S S2 接通時， A 相繞組從直流電源 U 吸收電能，而當 S S2斷開時，繞組電流通過續(xù)流 二 極管 VD VD2 將剩余能量回饋給電源。因此 SR 電機具有能量回饋的特點，系統(tǒng)效率高 [8]。 系統(tǒng)的結構與性能特點 、成本低、適于高速 開關磁阻電動機的突出優(yōu)點是轉子上沒有任何型式的繞組，成本低；轉子的機械強度高，電動機可高速運轉而不致變形；轉子轉動慣量小，易于加、減速。