【正文】 else u=v_q_m。 end end elseif(theta) if(deta_im=*i_ref) u=0。 else if(deta_im=*i_ref) u=s。amp。滯環(huán)控制的仿真程序如下所示： function u=zhihuan(i_m,v_q_m,theta) global theta_on theta_off i_ref s deta_im=i_refi_m。并且當(dāng)導(dǎo)通角較小，轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，在它的發(fā)電階段的運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)小于它的發(fā)電電壓，這使得它的相電流不能夠增加，會(huì)影響它的發(fā)電 能力。 else L=L_min。 else if (theta) L=L_max。它的仿真程序如下所示： function L=inductance(theta) global L_max L_min theta_rise if (theta) L=L_min。 θa=45176。θ3=176。在一個(gè)周期內(nèi)，相電感的模型可以劃分為五段來表示，其中， θ1=176。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子極距是 45176。則對(duì)于三相 12/8極電機(jī)相數(shù) 3 定子極數(shù) 12 轉(zhuǎn)子極數(shù) 8 電感最小值 30mH 電感最大值 300mH 相繞組電阻 定子極弧 14186。 表 51 仿真參數(shù) 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)線性模型仿真 以下用 A相為例子說明，輸入的量有電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n、勵(lì)磁電壓 Us；輸出的量由電機(jī)的相電流 ia、相轉(zhuǎn)矩 Ta還有相電感 La。 仿真參數(shù)的 設(shè)置 本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)以一臺(tái)三相 12/8極的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，它的額定電壓為 220V，額定轉(zhuǎn)速為 800r/min，勵(lì)磁電源為 50V的直流電源。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為科學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)仿真的首先軟件工具。大致的描述了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的雙閉環(huán)的調(diào)節(jié)的過程，并且 詳細(xì)的描述了其中的穩(wěn)壓裝置、滯環(huán)控制器和電壓發(fā)生指示器的部分。還有關(guān)于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的各種控制方式，分別為 APC 方式、 CCC 方式和 PWM 方式，它們?cè)诓煌膱?chǎng)合有各自的優(yōu)點(diǎn)，而對(duì)于本文的研究，采用電流斬波控制方式有很大的優(yōu)點(diǎn)。 ? ?dtk iLikCUc ? ?? ?? 3 1 121 （ 48） ?? ?? 3 1 21k iLikid c （ 49） 其中： ik1—?jiǎng)?lì)磁模式下的第 k相繞組的電流； ik2—發(fā)電模式下的第 k相繞組的電流； iL1—放電模式下的電感電流； iL2—回饋模式下的電感電流。 若考慮電阻 Rk，則可以對(duì)發(fā) 電電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下， UC*=Us。這種方法會(huì)造成開關(guān)損耗的增加，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，尤其是在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的低速區(qū)域?qū)?huì)很明顯。勵(lì)磁階段和發(fā)電階段的數(shù)學(xué)模型分別如式 (44)、式 (45)所示 【 9】 。 圖 48 勵(lì)磁階段和發(fā)電階段的電流滯環(huán) 在圖 48（ a）和 48（ b）中， STk(m)表示的是開關(guān)管 Tk當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)，STk(m1)表示的是開關(guān)管 Tk維持上一次的開關(guān)狀態(tài)不變。如果在發(fā)電階段也采用電流斬波控制方式，則可以一直把相電流限制在斬波的上下限以內(nèi)，從而避免了相電流的減小。給定電壓 Uref和開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的輸出電壓 Uo相比較得到誤差量 △ U，再經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)器然后進(jìn)行限幅可以得到開關(guān) 磁阻發(fā)電機(jī)的電流內(nèi)環(huán)的額定電流 iref【 15】 。而且 kp的值越大，則系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但是超調(diào)量會(huì)受到影響進(jìn)而變大； ki的越大，則靜差越小，它的過渡時(shí)間則越長。以下分別介紹各個(gè)模塊【 9】【 14】 。來實(shí)現(xiàn)給開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁以及在各相的電感下降的區(qū)域建立能量磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能，變速輸入模塊則是用來給開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)提供變速的原動(dòng)力的。并將轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置信號(hào)θk輸入給角度判斷邏輯控制模塊，與開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的開 通角 θon和關(guān)斷角θoff進(jìn)行比較判斷，計(jì)算出每相所處的階段，當(dāng) θk≥θon時(shí)，進(jìn)入勵(lì)磁階段，勵(lì)磁電源開始對(duì)繞組勵(lì)磁，進(jìn)而進(jìn)入電流內(nèi)環(huán)。 圖 47 系統(tǒng)控制框圖 為了實(shí)現(xiàn)變速恒壓發(fā)電，采用的控制策略為電壓外閉環(huán)和電流內(nèi)閉環(huán)的電流斬波控制模式，首先給定參考電壓指令 Uref，將其與實(shí)際測(cè)量到的電壓Uout進(jìn)行比較，比較之后輸出它們的差值，作為電壓誤差指令，輸入 PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)過 Pi調(diào)節(jié)器，經(jīng)過它的調(diào)節(jié)作用后輸出電流內(nèi)環(huán)的電流指令 iref。 L ， iL ( θ )θ o nθ o f fi ( θ )θ開 關(guān) 信 號(hào)第 4章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng) 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓控制系統(tǒng) 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的發(fā)電控制系統(tǒng)由開 關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、不對(duì)稱功率變換器、 PI 調(diào)節(jié)器、位置檢測(cè)器等組成。但是需要比較高的開關(guān)頻率，而開關(guān)器件的頻繁通斷增加了器件的開關(guān)損耗，所以系統(tǒng)效率略有降低 【 1】【 9】【 13】 。 圖 46 PWM 控制方式 PWM 方式的一個(gè)最為突出的優(yōu)點(diǎn)就是它的可控性能好。 PWM 的 控制方式就是將開通角 θon 和關(guān)斷角 θoff固定在一個(gè)優(yōu)化值上，在 θon～ θoff 的區(qū)間內(nèi)用 PWM 信號(hào)來對(duì)開關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以通過調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào) 控勵(lì)磁電流的大小的目的。由于電流的斬波頻率不固定，它隨著電流誤差的變化而變化，不利于電磁噪聲的消除，而且發(fā)電期間的相電流不可控。 CCC 方式與 APC 方式都很簡便，但是與 APC 方式的不可控相比， CCC方式的可控性能好 。使得在一個(gè)控制周期內(nèi)，檢測(cè)相電流和給定電流的上下限幅值相比較，當(dāng)檢測(cè)到的相電流大于給定電流的上限幅值時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷，從而相電流減??；當(dāng)檢測(cè)到的相電流小于給定電流的下限幅值時(shí)，開關(guān)器件開通，開 關(guān) 信 號(hào)L ， iL ( θ )θ o nθ o f fi ( θ )θ燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 從而相電流增大。 傳統(tǒng)的 CCC 控制方式就是使相電流 i 與斬波限 iref 進(jìn)行比較，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角 θθon 時(shí)，處于導(dǎo)通區(qū)間，如果 iiref，則主開關(guān)導(dǎo)通，進(jìn)行勵(lì)磁，使相電流上升并逐漸達(dá)到斬波限 iref；如果 iiref，則主開關(guān) 關(guān)斷，電流下降；如此反復(fù)，使相電流維持在斬波限的附近并且伴有微小的波動(dòng)。 這種方式比較簡單，但是由于相電流不可控，它的變換率很大，對(duì)于開通角 θon 和關(guān)斷角 θoff 的微小變化都具有 十分敏感的反應(yīng)，在調(diào)節(jié)上具有困難，因此一般不選用 APC 方式。如果 θon 減小或者 θoff 增大，則導(dǎo)致勵(lì)磁時(shí)間的增加，則勵(lì)磁電流增大， SRG 的發(fā)電能力增大。所以，在開關(guān)磁阻電機(jī)的控制中一般采用改變開通角 θon 而固定關(guān)斷角 θoff 的方式。 圖 44 APC 控制方式 由于開通角 θon 和關(guān)斷角 θoff 都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此 APC 可分為只改變開通角 θon、只改變關(guān)斷角 θoff 和同時(shí)改變開通角 θon 和關(guān)斷角 θoff 三種方式。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開關(guān)磁阻電機(jī)的可控制量分別有繞組兩端的相電壓、相電流、開通角以及關(guān)斷角等參數(shù)，針對(duì)以上的變量的控制方式一般分為三種：角度位置控制（ APC）、電流斬波控制（ CCC）和脈寬調(diào)制控制（ PWM）。 開關(guān)磁阻 發(fā)電機(jī)的控制方式 開關(guān)磁阻電機(jī)由于它的雙凸極結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，磁路和電路的非線性以及開關(guān)性，使得電機(jī)的各個(gè)物理量隨轉(zhuǎn)子的位置周期性變化，定子繞組電流和磁通波形非常不規(guī)則。 SRG 把從主軸輸入的機(jī)械能和儲(chǔ)存在電機(jī)磁路中的磁能轉(zhuǎn)化成電能輸出。 圖 43（ b）中， A 相上面開關(guān)管 Ta1 關(guān)斷，下面開關(guān)管 Ta2 導(dǎo)通，此時(shí)加到相繞組上的電壓為零，相繞組處于續(xù)流狀態(tài)，相電流通過二極管 Da2續(xù)流。 SRG 把從直流電源吸收的電能和從主軸輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成磁能，儲(chǔ)存在電機(jī)磁路中，相電流上升。以 A 相為例，圖 43 給出了三種工作狀態(tài)。勵(lì)磁電壓與發(fā)電電壓無關(guān)， 兩者可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，控制比較方便。以 A 相為例，當(dāng)開關(guān)管 Ta Ta2 導(dǎo)通時(shí)，電路處于Ta1 Tb1Ta2 Tb2Tc1Tc2Da1Da2Db1Db2 Dc2Dc1La Lb LcCRlUs燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 勵(lì)磁狀態(tài)，勵(lì)磁電源 Us 對(duì) A 相繞組進(jìn)行勵(lì)磁；當(dāng)開關(guān)管 Ta Ta2 關(guān)斷時(shí)，電路處于發(fā)電狀態(tài)， A 相電流通過二極管 Da Da2 續(xù)流，給電容 C 充電，并給負(fù)載供電 【 9】【 11】【 12】 。 圖 41 自勵(lì)模式下的不對(duì)稱功率變換器 自勵(lì)模式中，建壓后不再需要外電源，系統(tǒng)體積較小，效率高，是比較 常用 的形式。 SRG 發(fā)出 的電能給電容 C 充電，當(dāng)電容 C 達(dá)到所需的初始值后，斷開 Us，此后 SRG 依賴電容 C 的存儲(chǔ)功能給繞組勵(lì)磁，進(jìn)行自勵(lì)發(fā)電。以三相 SRG 為例，自勵(lì)模式和他勵(lì)模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖 41,、 42 所示。從開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行的勵(lì)磁階段和發(fā)電階段的工作狀態(tài)研究了它的各個(gè)方面的線性模型，并由此建立了相電感、磁鏈、轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型，為以后的研究創(chuàng)造條件。 由式 (311)可見，在某一轉(zhuǎn)速度下，通電時(shí)相繞組磁鏈將以一恒定比率 Us/ω 隨導(dǎo)通角增加而增加；在關(guān)斷瞬間，即 θ＝ θoff 處，磁鏈獲得最大值ψmax；關(guān)斷后，磁鏈則以恒定比率 Us/ω 下降，如圖 33 所示 【 11】 。 根據(jù)初始條件 ψ0=0。 由圖 32 所示理想電感模型，在相電感的一個(gè)周期 θ1～ θ5 內(nèi)，可以將相電感分成四段，則相電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系式可以表示為： ??????????????????54m a x43)3(m a x32m i n21m i n)1()?????????????????LKLLLKL ( （ 39） 式中： K=(Lmax?Lmin)/(θ2?θ1)=(Lmax?Lmin)/βs； Lmin—相電感 最小值； Lmax—相電感最大值； βs—定子極弧。 θ5與 θ1位置相同，如此周而復(fù)始，往復(fù)循環(huán)。在 θ4～ θ5區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極不相重疊 ，電感保持最小值 Lmin 不變。 θu為轉(zhuǎn)子凸極中心與定子磁極軸線對(duì)齊的位置，稱為對(duì)齊位置。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 θ1后，相電 感開始線性上升至 θ2， θ2為轉(zhuǎn)子凸極前沿與定子磁極前沿重疊處，這時(shí)轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極完全疊，相電感變?yōu)樽畲笾? Lmax。為了簡化分析過程，弄清開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系和基本特性，現(xiàn)做如下必要的假設(shè)： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 （ 1） 不計(jì)電動(dòng)機(jī)磁路飽和，繞組電感 L 與繞組電流 i 無關(guān) （ 2） 極間的磁通邊緣效應(yīng)忽略不計(jì) （ 3） 忽略所有的功率損耗 （ 4） 開關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完成 （ 5） 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ω 是常數(shù) 在上述的假設(shè)條件下，建立了開關(guān)磁阻電機(jī)的理想線性模型。 本文采用線性模型。 （ 4） 查表發(fā) 把實(shí)測(cè)或計(jì)算所得的相同相電流、相同位置角間隔的電機(jī)磁鏈特性數(shù)據(jù) ψ(i,θ)反演為相同磁鏈、相同位置角間隔的相電流特性數(shù)據(jù)i(ψ,θ)，以及轉(zhuǎn)矩特性數(shù)據(jù) Te(i， θ)以表格的形式存入計(jì)算機(jī)中，然后用查表法來求解電機(jī)模型。 （ 3） 非線性模型 針對(duì)不同的相電流值，計(jì)算得到相電感曲線，再 結(jié)合傅立葉分解和曲線擬合的方 法，將相電感表示為相電流和轉(zhuǎn)子位置角的 函數(shù)。 這種方法既克服了理想線性模型只能用于定性分析的缺陷，又使問題能 夠解析計(jì)算，具有一定的精度。 （ 2） 準(zhǔn)線性模型 為了避免繁瑣的計(jì)算，又近似考慮磁路的飽和效應(yīng)， 可以將實(shí)際的非線性磁化曲線進(jìn)行分段線性化的近似處理，且忽略磁耦合的影響。 這種方法大大簡化了電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系，可以了解電機(jī)工作的基本特 性和各參數(shù)間的相互關(guān)系， 并作為深入探討各種控制方式的依據(jù)。 第 3章 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的方程和數(shù)學(xué)模型 13 到目前為止，主要采用四種方法建立 SRG 的數(shù)學(xué)模型：理想線性模型、準(zhǔn)線性模型、非線性模型和查表法?？紤]了非線性的所有因素，雖然可以得到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，但計(jì)算相當(dāng)繁瑣。 式中 “＋ ”為繞組與電源導(dǎo)通期間； “－ ”為繞組與電源關(guān)斷后續(xù)流期間【 10】 。 ??? （ 36）