基于相电流梯度法的无位置传感器开关磁阻电机的运行本科毕业设计(论文)

《基于相电流梯度法的无位置传感器开关磁阻电机的运行本科毕业设计(论文)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于相电流梯度法的无位置传感器开关磁阻电机的运行本科毕业设计(论文)（89页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、本科毕业设计（论文）基于相电流梯度法的无位置传感器开关磁阻电机的运行燕 山 大 学2013年 6 月 本科毕业设计（论文）基于相电流梯度法的无位置传感器开关磁阻电机的运行学院（系）： 里仁学院 专 业：电气工程及其自动化 学生 姓名： * 学 号： 09* 指导 教师： 李*副教授 答辩 日期： 2013年*月*日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 电气工程学院 系级教学单位： 电气工程系学号09*学生姓名*专 业班 级应电*题目题目名称基于相电流梯度法的无位置传感器开关磁阻电机的运行题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合

2、型（ ）。2.文管类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1、学习和掌握开关磁阻电机（SRM）的结构和工作原理。2、了解和掌握开关磁阻电机速度控制系统的构成和各个环节以及设计方法。3、学会用Matlab软件，并进行开关磁阻电机的运行仿真。4、查阅相关文献，了解和掌握基于相电流梯度法的位置估算原理。5、进行基于相电流梯度法的无位置传感器速度控制的设计。6、使用Matlab，编写和调试开关磁阻电机的无位置传感器速度控制系统基本要求1 按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计论文一

3、份（不少于2.4万字），A0图纸。2 说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。3按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。参考资料电机学 MATLAB编程手册电力电子技术 开关磁阻电机相关书籍和论文周 次14周58周911周1215周1617周应完成的内容查阅资料，学习理论知识。了解题目概况、工作原理及系统组成了解和设计开关磁阻电机控制系统。了解和掌握相电流梯度法。利用MATLAB软件对开关磁阻电机控制系统进行仿真和分析进行开关磁阻电机的无位置传感器速度控制系统仿真整理仿真数据，并撰写论文指导教师：李珍国职称： 副教授 年 月 日系级教学

4、单位审批： 年 月 日摘要摘要与交流变频调速、直流无刷等系列经历了几个阶段的发展相比，开关磁阻电机（SR电机）及其控制系统的开发时间尚短，在许多方面还有待于补充和完善。无位置传感器控制的SR电机调速系统的研究就是其中的一个重要研究方向。位置传感器的存在使SR电机结构简单的优点变得逊色，并且所用传感元件得数目也因相数的增加而增加，既增加了系统结构的复杂性，又给安装、调试带来不便，降低了系统可靠性，且由于传感器分辨率的限制，使得SR电机调速系统高速性能下降。这些问题的存在限制了SR电机的应用领域。因此，探索不采用位置传感器而利用电机的电气参数信息简洁而确定转子位置的SR电机驱动系统对提高系统结构的

5、坚固、运行可靠高效以及降低成本有重要意义，可推动SR电机的应用向更多领域发展。本文分析了开关磁阻电机的结构和运行原理，通过分析绕组电压方程，得到绕组磁链、电感和电动势等参数的解析形式，从而确定观测转子位置的方法。建立SR电机的某些电气参数与转子位置角的函数关系，并通过解算这些函数关系来获取转子位置信息，基于Matlab M-file建立了基于相电流梯度的SR电机间接位置检测方案的系统仿真。 关键词开关磁阻电机 相电流梯度法 间接位置检测IAbstractWith AC variable speed, brushless DC series has gone through several st

6、ages of development compared to switched reluctance motor (SR) motor and control system development time is still short, in many ways yet to be supplemented and improved. Sensorless control of SR motor control system is one of the important research direction.Presence of the position sensor of the S

7、R motor becomes inferior advantages of simple structure, and the number was used for the sensing element because of the number of phases is increased, both to increase the complexity of the system structure, and gave installation, commissioning inconvenience lower system reliability, and because the

8、 sensor resolution limitations, making high-speed SR motor control system performance degradation.Therefore, to explore the use of non-use position sensor and the electrical parameters of the electrode to determine the rotor position information concise and to improve the system structure of the SRD

9、 rugged, reliable and efficient as well as cost reduction is important, can contribute to a wider application of SR electrode developments in the field.This article analyzes the switch reluctance motor structure and operation principle, by analyzing winding voltage equation, the winding flux, parame

10、ters such as inductance and force analytical form, to determine rotor position observation method. Certain electrical parameters established SRM rotor position angle as a function relationships, and relationships of these functions through the solver to obtain the rotor position information, based o

11、n Matlab_M-file is established based on the gradient of the phase current SRM indirect position detection system simulation program.Keywordsswitched reluctance motor gradient of phase current indirect position detection 目 录摘要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 SRD的发展概况及研究方向11.1.1 SRD的发展概况11.1.2 SRD的研究方向21.2

12、 无位置传感器SRD的研究现状31.2.1 无位置传感器SRD的研究意义31.2.2 无位置传感器SRD的国内外研究现状41.3 本章小结7第2章 开关磁阻电机的基本结构和工作原理82.1 开关磁阻电机的基本结构82.2 开关磁阻电机的工作原理92.2.1 电路方程92.2.2 运动方程102.2.3 转矩方程102.3 开关磁阻电机的数学模型102.3.1 开关磁阻电机理想线性模型分析112.3.2 开关磁阻电机准线性模型分析162.4 本章小结17第3章 开关磁阻电动机控制系统(SRD)193.1 开关磁阻电动机控制系统(SRD)193.1.1 开关磁阻电机控制系统的构成193.1.2 功

13、率主电路拓扑结构选用的依据和原则213.2 检测系统223.2.1 电流检测223.2.2 位置检测223.3 开关磁阻电机的控制方式223.4.1 电流斩波 (CCC) 控制方式233.4.2 角度位置 (APC) 控制方式243.4.3 脉宽调制 (PWM) 控制方式243.5本章小结25第四章 相电流梯度法原理与系统仿真264.1 相电流梯度法的基本原理264.2 仿真及结果分析294.2.1 电流斩波方式控制的仿真294.2.2 基于相电流梯度法的仿真364.3本章小结40结论41参考文献42致谢44附录145附录250附录353附录459附录567III第1章 绪论第1章 绪论开关磁

14、阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive.简称SRD)是继直流电动机调速系统和异步电动机变频调速系统之后，又一极具发展潜力的新型调速系统。它融现代电力电子技术、微计算机技术和电机控制技术为一体，是一种典型的机电一体化产品。又因其具有结构简单坚固，控制灵活，易于调速，可靠性高，容错性强等特点，即使在恶劣的环境下也能保持高性能运行，且在宽广的调速范围内均具有较高的效率。开关磁阻电机调速系统是现代传动系统中强有力的竞争者，有着广阔的发展前景，是当代电气传动的热门课题。1.1 SRD的发展概况及研究方向1.1.1 SRD的发展概况 开关磁阻电机(Switched Reluct

15、ance Motor.简称SRM)的雏形最早可追溯到19世纪40年代，当时的电机研究人员已认识到利用顺序磁拉力使电机旋转是简单易行的，但直到20世纪60年代，随着电力电子技术和微处理器技术的发展，开关磁阻电机才真正得以实现，并重新获得了重视。1969年美国学者S.A.Nasar撰写的论文中描述了这种电机的两个基本特性:开关特性和磁阻性。早期双凸极结构磁阻电机无法解决换相问题，直到1980年，英国Leeds大学P.J.Lawrenson教授等人在著名论文Variable-Speed Switched Reluctance Motor(变速开关磁阻电动机)中创造性地提出了容电力电子技术和电机设计于

16、一体的设计观点，才彻底解决了这一问题，并且使得新型磁阻电机的单位出力可以与交流异步电机的单位出力相媲美，甚至还略占优势。从而Variable-Speed Switched Reluotance Motor这篇文章也成为现代开关磁阻电机理论的奠基之作。由于开关磁阻电机具有结构简单坚固，成本低廉，调速性能独特等优点，一问世，各国相关领域研究人员就对其表现出了浓厚兴趣。近三十年来，国内外对开关磁阻电机的研究非常活跃，国际上研究的热点课题包括:开关磁阻电机的非线性建模与仿真，电机本体设计，功率变换器拓扑，调速系统控制方法，转矩脉动抑制，无位置传感器控制等。开关磁阻电机在家用电器、电动汽车驱动、伺服系统

17、和执行部件、风机水泵、牵引电机、高速电机、航空发电机等场合已得到成功应用，显示出了强大的市场竞争力.成为调速系统中发展较快的新型电机。我国早在1984年就展开了对开关磁阻电机的研究，是国际上对开关磁阻电机研究起步较早的国家之一。目前己经有许多院校和企业投入了力量，并逐步从实验室走向生产和实际应用。1.1.2 SRD的研究方向由于开关磁阻电动机的发展历史短，涉及面广，在理论和应用上仍存在诸多值得研究探讨的课题，目前，SRD的研究方向主要集中在以下几个方面：1.1.2.1 SR电机建模的研究SR电机数学模型的精确建立与描述是电机高性能控制的基础，它直接决定和影响电机的优化设计、电机的效率评估、电机

18、的动态性能分析等，但是由于SR电机的非线性使其较为困难。因此国内外广大学者对如何建立比较精确的SR电机数学模型的研究一直没有停止过。目前对SR电机建模的研究己经取得了一定的成果，它们包括线性法、准线性法、表格法、函数解析法、神经网络法和有限元分析法等。1.1.2.2 对转矩脉动及噪声的理论研究 SR电机的转矩脉动及其引起的噪声是SR电机一个颇为突出的缺点，这限制了其在更多场合下的应用。因此，研究抑制SR电机的转矩脉动和噪声也是改善SR电机性能的重要课题之一.减少SR电机的转矩脉动、噪声的关健在于如何减小作用在定子上的径向力，可以从SR电机自身的结构设计和控制角度两个方面对转知脉动和噪声进行抑制

19、。1.1.2.3 无位置传感器检测转子位置方案的研究SRD是位置闭环系统，但位置传感器的存在不仅削弱了SR电机结构简单的优势，而且降低了系统高速运行时的可靠性。因此，研究无位置传感器检测转子位置的方案成为众多科研人员十分关注的课题。1.2 无位置传感器SRD的研究现状1.2.1 无位置传感器SRD的研究意义位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的位置信号既是绕组开通与关断的依据，也为转速闭环控制提供转速信息。转子位置检测的方案有很多种，一般可以分成：有位置传感器转子位置检测和无位置传感器转子位置检测两大类。有位置传感器转子位置检测是指通过使用光电式、电磁式、磁敏式等角度位置传感器直接获得转

20、子位置信息的检测方法。这类方法易于实现，但同时也面临着许多问题。首先，位置传感器的存在增加了SRD结构的复杂性，提高了制造成本；其次，位置传感器受环境因素影响很大，从而大大降低了SRD运行的可靠性；最后，由于需要额外的空间安放位置传感器，增加了电机结构的复杂性，增加了控制的变量和难度，使维修很不方便。无位置传感器转子位置检测是指在SR电机运转过程中，利用SR电机本身具有的相绕组或者SR电机内部增加的电容、电感等附加电元件的电特性随转子位置而变化的规律来间接检测转子位置的一种方法。SR电机无位置传感器转子位置检测并不是取消所有的传感器，而是用简单可靠的电流、电压传感器代替复杂而昂贵的位置传感器，

21、利用SRD的某些电气参数来解算或估算转子位置。无位置传感器转子位置检测技术与有位置传感器转子位置检测技术相比有如下一些优点：(1)因为取消了位置传感器，使得电机结构简单；(2)实现方法是利用SRD的电气参数与转子位置的函数关系解算出来的；(3)能得到连续的转子位置信息以利于优化控制；(4)抗环境干扰能力强；(5)可靠性高。但也存在以下不足：(1)需要研究电机的静态、动态特性，且对控制器的运算速度有较高要求；(2)精度略低。总之，无位置传感器SRD提高了系统的运行性能，拓宽了系统的应用领域，具有重要的实际意义。1.2.2 无位置传感器SRD的国内外研究现状迄今为止，各国学者对SRD的转子位置无位

22、置传感器检测技术从各种角度作了大量研究，提出了多种无位置传感器检测方案，这些研究方法大致可以分为非激励相自感检测法、激励相自感检测法、相间互感检测法、附加电元件检测法以及磁链法这几类。1.2.2.1 非激励相自感检测法非激励相自感检测法主要有脉冲注入法和调制法两大类；脉冲注入法脉冲注入法是利用功率变换器向非激励相输入检测脉冲，瞬态电感的信息可以由输出电流信号波形反映出来，从而利用相电感与转子位置的对应关系获得转子的位置角。但是，如较高的直流母线电压直接通过功率变换器输入到被检测相，必然导致较大的检测电流，产生不希望的额外转矩分量，从而影响SR电机正常稳定运行.当电机高速运行时，励磁电流将会占据

23、电流周期的大部分，导致检测相中仍有电流，从而导致检测失败，因此，脉冲激励法一般在低速起动情况下使用.调制法调制法的基本原理是利用外部振荡器向非激励相输入频率比相电感的变化频率高得多的载波信号。因为相电感随着转子位置的变化而变化，所以经过相电感调制后的输出信号就包含了转子的位置信息，若使用合适的解调技术，就能估算出转子的位置角。根据所调制物理量的不同调制法可分为频率调制法(FM)幅值调制法(AM)和相位调制法(PM)。FM法的基本思想是获得一系列频率随着相电感线性变化的信号，载波信号通常选择方波信号。用一个简单的L-F功率变换器，使输出信号的周期和相电感保持线性关系。AM法和PM法则是分别对相电

24、流的幅值和相位进行检测。当载波信号(常用正弦信号)输入到非激励相时，输出电流的幅值和相位会随着相电感的变化而变化(调制)，并且保持着一一对应的函数关系。首先对输出信号进行解调等相关处理，就可获得相电感的变化信息，再利用转换表格或者是反函数等方法就可得到转子的位置角。通常AM法和PM法的载波信号频率要比相电感的变化频率高得多，因为只有这样才能保证调制后的输出信号包含电机绕组的动态信息。然而相绕组的电感在时刻变化，这是一个动态的过程，要想得到转子的位置角就必须先对反映电感变化信息的输出电流信号进行解调，然后再进行精确的求导等一系列运算。然而，庞大的计算很难满足电机实时控制的要求。通过数学分析和仿真

25、实验发现，在电感比较大时，幅值的变化要比相位的变化剧烈；而在电感比较小时，相位的变化要比幅值的变化明显。因此为了提高检测精度和灵敏性，可以将两者结合起来，较大电感范围，用AM法；较小电感范围，用PM法。非激励相检测法需要在被检测相处于非激励状态时从外部注入检测信号，为了避免SR电机功率电路和检测电路之间的冲突，必然要求有相应的电路完成激励状态和检测(非激励)状态之间的切换，这就增加了控制线路的复杂性。另外，如果从外界输入的信号过大，还将会影响SR电机的正常运行。1.2.2.2 激励相自感检测法电流波形检测法是激励相自感检测法中最典型的检测方法，该方法由英国剑桥大学的Acamley等人于1885

26、年提出，是最早的无位置传感器检测方案。SR电机在运转过程中，随着转子得位置变化会产生瞬间反电动势(EMF)，而EMF又会对激励相的电流波形有一个“调制”作用，因此通过检测相电流的波形变化情况就可以间接获得转子位置角的信息。这种基于EMF的电流波形捡测法，具有成本低，易于实现的优点，但是可靠性不高，适用范围也比较小。特别是在SR电机低速运行时，由干瞬间反电动势几乎为零，因此EMF对电流波形的影响很小，以致这种检测法难以实现。相电感的变化要通过相电流波形的变化表现出来，又因为相电感是转子位置角的函数，所以相电流的变化率与转子位置角密切相关。因此通过检测相电流的波形可以得出相电感的变化率，从而间接获

27、得转子的位置角。选择一个阻值较小的检测电阻串联在相绕组电路中，从而电阻两端的压降为V，这就可以作为电流波形的“监视器”，反映电流波形的实时变化情况，于是转子的位置角就可以根据提取出的绕组电感的变化信息估算出来。该方法和基于EMF波形的检测法相比，适用范围宽，实现电路简单，成本低，并且能够实现转子位置角的连续检测。激励相检测法的原理是通过激励相导通时表现出来的相绕组特性来检测转子位置，不需要像非激励相检测法那样从外部注入激励信号到被检测相，因此简化了检测电路。但是，因为被检测相中的电流比较大，从而使绕组磁路饱和；所以激励相检测法就必须考虑电机本身非线性特性的影响，否则检测精度将很难提高。另外，当

28、使用激励相检测法检测SR电机的初始位置时，相应的检测脉冲必须从主电路中注入，而当检测脉冲持续时间较长时，相绕组中就会产生较大的电流，这将会影响SR电机的起动，我们不希望看到这样的结果。1.2.2.3 相间互感检测法所谓相间互感检测法即是通过检测相间因为互感效应而产生的感生电压来检测转子位置角方法。SRM工作过程中，非激励相因与激励相间的电磁裸合，产生随转子位置而变化的感生电压，检测非激励相的感生电压即可实现对转子位置角的间接检测。绕组间互感主要是由激励相的漏磁通经其它相闭合产生。激励相磁链的大小和转子的位置角决定了漏磁通的大小。如能通过实验的方法，得到己校正好的互感电压与转子位置角的对应关系表

29、，就能通过互感电压值查到此二维表格，从而获得转子的位置角。SRM任一非激励相均可被选为检测对象，转子从完全非对齐的位置到完全对齐的位置的转动过程中，选定的非激励相的互感电压会产生由正最大值到负最大值的周期性变化。此方法可直接检测出电机本身内部的感应电压信号，无需从外部输入检测脉冲：且此方法的信号处理电路和检测电路实现也简单，特别适用于中、低速的应用领域；此法对功率器件因频繁开关而产生噪声的抗干扰能力也较强。但应用于高速领域时，需要庞大的计算，实时性无法保证，因而失去了使用价值。所以，互感电压检测法仅用于转速小、电流值基本不变的电流斩波控制的应用场合。特别值得注意的是：常规的SRM，其互感值相对

30、自感来说很小，再加上反电势、漏磁等因素的影响，互感电压会很小，并不容易检测出，使得此方法在实际的应用中难以实施。1.3 本章小结本章主要介绍了开关磁阻电机的调速系统的发展概况与研究方向及其研究动态；不同的开关磁阻电机的驱动的有缺点；开关磁阻电机转子无位置检测的方法：非激励相自感检测法、激励相自感检测法、相间互感检测法等7 第2章 开关磁阻电机的基本结构和工作原理第2章 开关磁阻电机的基本结构和工作原理2.1 开关磁阻电机的基本结构开关磁阻电机是一种双凸极(即凸极定子和凸极转子)的无刷变磁阻电机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子上既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两

31、个绕组串联构成一个两级磁极，被称为“一相”。 开关磁阻电动机可以设计成很多种不同的相数结构，而且定、转子的极数也有很多种不同的搭配。相数越多，步距角越小，这有利于减小电机的转矩脉动，但是结构复杂，并且主开关器件会相应增多，从而增加功率电路的成本。目前应用比较多的是三相以及三相以上的开关磁阻电机.这是因为三相以下的开关磁阻电机没有自起动能力。定转子要不断形成偏离最小磁阻位置的磁路，这是开关磁阻电机转矩形成的原理，所以需要不同的定转子极数，一般定子极数要大于转子极数。定转子极数的差值即为一相所对应的磁极数。因此12/8结构的开关磁阻电机定子有12个齿极，转子有8个齿极。每相对应两个励磁极，共四相。

32、图21为四相SR电机结构原理图。为简单计，图中只画出了C相绕组及其供电电路，其它各相绕组及其供电电路与C相相同。 图2-1 电机结构原理图SR电机结构上与步进电动机相似，而其运行原理遵循“磁阻最小原理”一一磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必须使自己的主轴线和磁场的轴线重合。图2-1中，当定子C-C极励磁时，所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线4-4与定子极轴线C-C重合的位置，并且使C相励磁绕组的电感最大。如果以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，依次给CAB相绕组通电，转子就会逆着励磁顺序沿逆时针方向转动；反之，如果依次给BAC相通电，则转

33、子就会以顺时针方向连续旋转。由此可见，SR电机的转向仅仅取决于相绕组的通电顺序，而与相绕组的电流方向无关。另外，从图21可以看出，当主开关器件Sl，S2导通时，C相绕组从直流电源认中吸收电能；而当主开关器件S1，S2关断时，经过续流二极管VD1, VD2，绕组电流继续流通，并且回馈给电源Us。因此SR电机传动的共性特点是具有再生作用，系统效率高。2.2 开关磁阻电机的工作原理SR电机的动态过程方程由电路方程、运动方程和机电联系方程这三部分组成。2.2.1 电路方程根据电磁感应定律和能量守恒定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势之和，即第k相绕组电压平衡方程为:

34、（2-1）各相绕组的磁链为该相电流的自感、其余各相电流的互感以及转子位置角的函数 （2-2）因为SR电机各相之间的互感相对自感来说小得多，所以为了方便计算，一般可以忽略相间互感，不需要考虑两相以上电流导通时定、转子轭部饱和在各相之间产生的相互影响，此时磁链方程可近似表示为： （2-3）2.2.2 运动方程根据力学定律可以列出在电机负载转矩和电磁转矩作用下的转子机械运动方程： （2-4）其中J和D分别为转动惯量和粘滞系数。2.2.3 转矩方程 根据机电能量转换原理，SR电机的电磁转矩可以表示为磁共能对转子位置增加的速率 （2-5）其中，仅k相供电时的绕组的磁共能W表示为： （2-6）电机的合成转

35、矩由各相转矩叠加而成： （2-7）于是，由以上式子，就组成了SR电机的基本平衡方程组。2.3 开关磁阻电机的数学模型开关磁阻电机的数学模型有多种形式，通常可将它们分为线性模型、准线性模型(分段线性模型)和非线性模型这三类。其中线性模型忽略了电动机的磁路饱和以及磁场的边缘扩散效应，认为绕组电感和绕组电流无关；而准线性模型则是将实际的非线性磁化曲线分段线性化，近似地考虑磁路的饱和效应。以上这两种模型，电感参数均有解析表达式，在求解电机性能时，转矩和电流有解析解，因此一般在定性分析时使用。事实上，由于电机的双凸极结构以及磁路的饱和、磁滞效应和涡流所产生的非线性，再加上电机运行期间的开关性和可控性，在

36、电机运行时绕组电感不是常数，而是转子位置和电流的函数。2.3.1 开关磁阻电机理想线性模型分析为了弄清SR电机基本特性和内部的基本电磁关系，可从简化线性模型入手进行分析，假设：忽略磁路非线性和磁通边缘效应，且磁导率u=0，因此绕组电感L是转子位置的分段函数；忽略所有功率损耗；电机恒速运转；功率管开关动作瞬间完成。2.3.1.1 相电感分析根据理想线性假设，在一个转子极距Tr内绕组电感L与转子位置角的关系曲线如图2-2所示：图2-2 绕组电感L与转子位置角的关系图2-2中横坐标为转子位置角(机械角)，它的基准点为坐标原点=0的位置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小值L

37、min。在1-2区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值Lmin不变，这是因为SR电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以当定子齿对着转子槽时，便有一段最小电感常数区，此时定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并且不随转子位置变化；当转子转过2后，相电感就开始线性地上升直到转到3为止，3是转子磁极前沿与定子磁极前沿重叠的开始，此时定转子磁极全部重叠，相电感变为最大值Lmax；同样，在34区域内，定转子磁极一直保持全部重叠，相应地定、转子凸极间磁阻恒为最小值，相电感保持最大值Lmax，这一区域习惯被称为“死区”；从4开始相电感线性地下降，一直到5处降为Lmin，5 、1均为定子磁极前沿与转子磁极后沿重合

38、处。如此周而复始，往复循环。基于线性模型的SR电机绕组电感的分段线性解析式为： 54433221qqqqqqqqqqqq （2-8）其中 （2-9） 为定子磁极极弧2.3.1.2 绕组磁链分析 SR电机一相电压的方程为： （2-10）Us前取“+”时代表绕组励磁阶段的外加电压，取“-”时则代表主开关管关断后回馈阶段所加的电压。由于电阻压降iR与相比很小，故可忽略不计，由此引起的误差不会超过线性模型假设所带来的误差。这样式(2-9)可以简化为； （2-11）当t=0时，主开关管导通，这为电路的初始状态，此时0=off。Uo=0.式(2-10)左端取“+”，对等式两端求积分并代入初始条件，容易得到

39、通电期间的磁链解析式为： （2-12）当0-off.时，主开关管关断，可以求得取关断时刻为初始时刻的磁链解析式为： （2-13）从而 onoffoffronoffonoffonNqqqqpqqqqqqqq-222,0 （2-14）由式(2-13)和式（2-14)可以得到一相绕组在通电、断电的一个周期内的磁链表达式，从而可画出磁链移随着转子位置角的周期性变化曲线，如图2-3所示。图2-3 一相绕组磁链曲线2.3.1.3 绕组电流分析图2-4 角度位置控制方式下典型相电流波形在一个电感周期内的SR电机电流波形如图2-4所示，在12区域内，主开关器件导通，即1on2；在23区域内，主开关器件关断，即

40、2off3。在线性条件下，可以推导出SR电机的分段电流解析式为：（2-15）由此可知在12区域内，电流在最小电感恒值区域内是直线上升的。这是因为该区域内电感恒为最小值Lmin，并且旋转电动式(ir dL/d0)为零，因此SR电机的相电流可在该区域内迅速建立起来。在2off区域内，电流的变化率为： （2-16）若on2-Lmin/K，则di/d0，电流将在2之后的电感上升区域下降：若，则，电流将在之后的电感上升区域不变；若，则，电流将在之后的电感上升区域上升；在区域内，可见若，则续流电流将会在之前的电感上升区域内衰减至零；若，则续流电流将会进入之后的最大电感恒值区，甚至进入电感下降区。在区域内，

41、电流变化率为 （2-17）可见，续流电流在最大电感恒值区域内线性衰减。这是因为该区域内电感恒为最大值Lmax，并且旋转电动式(ir dL/d)为零，相电流不产生电磁转矩，只在相绕组两端反向电压-Us作用下持续衰减。在4on5区域内，解得使相电流衰减到零的角度位置为z=2off-on。这些分段函数也可以用下面的通式统一描述，即： （） （2-18）由式(2-17 )可知在on和off不变的情况下，绕组电流随转速r的升高而减小，随外加电压Us的增大而增大；通过调节on和off可以改变相绕组的电流波形，从而达到间接调节电机电磁转矩的目的。2.3.1.4 电磁转矩分析 （2-19）由式(2-19)可以

42、得出以下结论；SR电机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导的变化产生的，当电流一定时，磁导对转子位置角的变化率越大，电磁转矩也越大。电磁转矩的大小与绕组电流的平方成正比，因此可以通过增加电流从而有效地增大电磁转矩，而且通过控制绕组电流可以得到恒转矩输出。电磁转矩的方向和绕组电流的方向无关，只要在电感曲线的上升段通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线的下降段通入绕组电流则会产生反向的电磁转矩。2.3.2 开关磁阻电机准线性模型分析SR电机的线性模型忽略了电动机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流大小无关，但是当电流较大时，电感是电流和转子位置角的函数。为了使转矩和电磁功率得到精确地计算，需

43、要考虑实际磁路的非线性，于是可以分段线性化非线性磁化曲线，同时不考虑相间耦合。图24为电机实际的饱和磁化曲线，图2-4是经过分段线性化的常用的磁化曲线。当电流大于iL时，磁路饱和，电感斜率为Lmin；当电流小于iL时，磁路不饱和。图2-5 分段线性磁化曲线基于图2-5的SR电机准性模型，可以得到绕组电感的分段解析式为： （2-20） 根据和可得SR电机瞬时电磁转矩的分段解析式为：（2-21）因为电动机及其负载都有一定的惯性，因此平均转矩往往是电动机出力及其动态特性的决定因素，假定相电流是按照理想斩波控制得到的平顶电流，可以计算得到平均转矩为：（2-22）2.4 本章小结本章主要介绍了12/8结

44、构的开关磁阻电机的结构，以及电机的运行原理以及两类建模方法。以上两类建模方法各有优缺点，除此之外还有其它一些建模的方法。通过对两种 SRM磁特性建模方法的分析，我们可以发现，每一种建模方法都具有各自的特点，应该针对不同的应用场合应该采用不同的模型。理想线性模型适于定性的分析 SRM 的工作原理、控制方案以及主电路的设计；准非线性模型可近似的计算 SRM 的工作性能，确定参数，多用于分析和设计功率变换器和制定控制策略。总之，无论是开关磁阻电机的设计，还是制定的电机控制系统，都要对电机磁特性进行分析，这样才能设计出符合实际应用的开关磁阻电机调速系。75 第3章 开关磁阻电机调速系统（SRD）第3章

45、 开关磁阻电动机控制系统(SRD)3.1 开关磁阻电动机控制系统(SRD)3.1.1 开关磁阻电机控制系统的构成开关磁阻电机控制系统结构如图31所示，主要由4部分组成:开关磁阻电机(SRM）、功率变换器、控制系统、检测系统。SRM是实现机电能量转换的部件，也是此系统区别于其它电动机调速系统的主要标志。功率转换器负责提供能量，一般是由交流电经整流后得到的直流供电。控制器是此系统的核心，处理反馈信号，计算转速、转子位置，从而输出相应控制信号来控制电机，实现需要的功能。检测系统一般包括电流检测和位置检测，为控制系统提供必需的信号。SRM已在第2章中作了详细论述，下面简要介绍功率变换器、控制系统以及检

46、测系统。图3-1 开关磁阻电机传动系统结构3.1.1.1 功率变换器目前可供选择的功率变换器主开关器件有普通晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、大功率晶闸管(GTR)、功率MOS场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)等。开关器件的选择与电动机的功率等级、供电电压、峰值电流、成本有关；与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关损耗、抗冲击性、耐用性、并联运行的难易性、峰值电流定额和有效值(或者平均值)电流定额的比值大小以及市场普及性等也有关。功率变换电路主要有以下几种:（1）双绕组功率变换器;（2)不对称半桥式;(3)采用分列式直流电源的功率变换器;(4)再生式功率变换器

47、;(5)电容转储式(6) H桥式等。本课题中所用的开关磁阻电机为三相12/8极，功率变换电路采用最常用的主电路形式三相不对称半桥主电路：图3-2 -不对称半桥电路（三相）图3-2为采用不对称半桥线路作为主电路结构的开关磁阻电动机调速系统的功率变换器，每相有两个主开关器件，从图中可以看出，采用不对称半桥线路作为主电路的功率变换器具有以下的特点：有效的全部电源电压可用来控制相绕组电流；相控独立性较好，对开关磁阻电动机相数没有限制；线路中每相需要两个主开关器件，开关管子需求太大。总之，不对称半桥线路适用在高压、大功率以及开关磁阻电动机相数较少的场合下。功率变换电路采用最常用的主电路形式三相不对称半桥

48、主电路，因为结构不存在桥臂直通的现象而且相绕组之间完全独立，提高了系统的可靠性能，如图3-3，以A相为例，开关方式分为两种：一种为能量回馈式电流斩波，另一种方式为能量非回馈式电流斩波方式，在斩波段，采用能量非回馈式电流斩波方式电机噪声可适当降低。因此本课题采用能量非回馈式电流斩波的控制方式。模式1 模式0 模式-1图3-3 开关工作方式3.1.2 功率主电路拓扑结构选用的依据和原则(l)适用的相数上面介绍的六种常用的功率变换器主电路中，电容分压式只适用于相数是偶数的开关磁阻电机，H桥式仅适用于相数是4k(k=1, 2、3 , 4)的开关磁阻电机，其它四种主电路均适用一于任意相数的开关磁阻电机。

49、(2)电源有效利用率反映功率变换器主电路电源有效利用率的参数有两个:Us/Um：即功率变换器主电路的的直流电源供电电压Us与相绕组最大供电电压Um之比。该参数最好为1，这样在同容量条件下，开关磁阻电机的相电流小、铜损耗小、系统效率高。Uc/Um：即相绕组的换相电压Uc与相绕组最大供电电压Um之比。从主开关和续流二极管额定工作电压的合理性和系统快速换相的要求声发，该参数最好也取为1。(3)相控独立性欲保持多相开关磁阻电机每相均衡工作，使系统具有较强的容错能力，最好做到独立控制各相的供电电压和换相电压，使之不受其它相的影响。上面给出的七种功率变换器主电路中，唯有双开关式和双绕组式功率变换器可做到各

50、相独立控制，且控制简便。3.2 检测系统检侧系统包括电流检测和位置检测两部分。3.2.1 电流检测开关磁阻电动机调速系统需要进行相电流的检测，电流检测是开关磁阻电动机调速系统电流斩波控制方式的需要，也是实现过流保护的需要。开关磁阻电动机的相电流具有单向、脉动以及波形随运行方式、运行条件不同而发生很大变化的特点。因此，开关磁阻电动机调速系统电流检测器需要具有以下的性能特点：(a)快速性能好，从电流检测到控制主开关器件动作的延时应该尽量小；(b)被检测的主电路(强电部分)与控制电路(弱电部分)之间应该有良好的隔离，并且具有一定的抗干扰能力；(c)灵敏度高，检测频带范围宽，可测含有多次谐波成分的直流

51、电流；(d)单向电流检测，在一定的工作范围内具有良好的线性度。3.2.2 位置检测位置检测是开关磁阻电动机调速系统实现自同步运行的前提条件，对于系统的位置检测环节，目前主要分为两类，即直接位置检测和间接位置检测。直接位置检测一般是指使用光电式、磁敏式位置传感器以及接近开关等器件进行位置检测；而间接位置检测是指无位置传感器检测方法，比如定子绕组瞬态电感信息的波形检测法、基于状态观测器的无位置传感器检测法以及相电流梯度法等技术。3.3 开关磁阻电机的控制方式开关磁阻电机调速系统的控制参数主要有相电流、主电路电压、开通角以及关断角。常用的控制方式有电流斩波控制(CCC)方式、角度位置控制(APC)方

52、式，以及脉宽调制控制(PWM)方式。3.4.1 电流斩波 (CCC) 控制方式 当SR电机在基速以下运行时，因为转速较慢，旋转电动势较小，所以绕组电流上升率较大。采用电流斩波控制(CCC)方式可以避免过大的电流和磁链峰值，获得恒转矩机械特性。电流斩波控制通过固定开通角on、关断角off，多次导通关断主开关器件，将电流限制在给定范围内，从而实现电机恒转矩控制。可以采用两种方式实现电流斩波控制:第一种方式：I型，首先给定电流的上下限，在导通区间on，off内，当实际相电流上升到电流上限时，关断该相主开关器件，绕组电流在一Us作用下经续流二极管和外加电源续流，电流迅速下降；当相电流下降到电流下限时，

53、重新开通该相主开关器件，因为外加电源电压Us的作用，电流重新迅速上升，当达到上限后又再次下降，如此反复斩波，一直到转子位置角在导通区间on，off以外。I型CCC典型波形图为图34所示。第二种方式：T型，首先给定电流上限和主开关管的关断时间t。在导通区间on，off内，当实际相电流上升到电流上限时，关断该相主开关器件，从而电流下降；主开关器件经T延时后重新开通，电流重新上升，当达到电流上限后主开关管再次关断，如此反复斩波，一直到转子位置角在导通区间on，off以外。T型CCC典型波形图为图34所示。I型CCC典型波形 T型CCC典型波形图34 CCC典型波形3.4.2 角度位置 (APC) 控

54、制方式角度位置控制(APC)方式就是通过控制主开关器件的开通角on和关断角off改变主开关器件的触发导通时间，调节相电流波形，从而控制电机的电磁转矩。APC方式适用在SR电机高速运转情况下。此时转速较高，旋转电动势较大，电流不容易上升，调节开关角on，off就能调节SR电机的转矩。将角度量转化为相应速度的时间可控量是APC的关键所在，但是由于有两个参量可以调节，这使控制变得很复杂。APC一般采用优化固定一个变量，调节另一个变量的方法来实现。如果关断角off过小，相电流就会过早截止，从而出力减小；如果关断角off过大，续流进入电感下降区，就会产生制动转矩，从而总的出力减小。图3-5为APC方式下

55、典型相电流波形效果图。 （a）调节on ，固定off （b）固定on，调节off 图3-5 APC方式下SR电机相电流波形因此，按照最大出力为准则，可以将关断角off固定在近似的最大出力点处，只调节开通角on。虽然该方式简单易行，但是为了充分发挥SR电机控制灵活的优势，在实际中还必须考虑转矩脉动、效率等各项目标，提出综合目标并进行优化。3.4.3 脉宽调制 (PWM) 控制方式实质上，脉宽调制(PWM)控制方式是通过调节绕组两端的励磁电压来控制电磁转矩的。具体方法是固定开通角on和关断角off，用PWM信号调制主开关器件的相控信号，通过调节PWM信号的占空比，可以调节励磁电压加在相绕组上的的有

56、效时间宽度，改变相电压的有效值，从而改变输出转矩。PWM控制方式在基速以上或基速以下的范围都可以应用，且可控性较好，适用于转速调节系统。可以通过对转速的给定值和实际转速的反馈值之差进行PI运算，调节PWM信号占空比，以达到转速快速响应的目的。PWM控制方式也存在缺点，那就是导通角度始终固定，功率元件开关频率高，开关损耗大，十分影响系统效率。3.5本章小结本章主要介绍了开关磁阻电机的调速系统，以及系统的选择；还有电路的一些检测方法：如电流的检测，位置的的检测方法有直接检测和间接检测。而间接检测技术中相电流梯度法正是本文所研究的重点内容。第4章 相电流梯度法原理与系统仿真第四章 相电流梯度法原理与

57、系统仿真4.1 相电流梯度法的基本原理图4-1中，ia为1台开关磁阻电机单波运行状态时的a相电流波形。其中u为定、转子极不对齐位置，0为定、转子极开始重叠位置，a为定、转子极对齐位置。需要说明的是单波运行时，ia在经过0后，可能会继续上升，或者保持一定的值，也可能下降。为了方便叙述，本文先以ia下降的这种情况进行分析，另两种情况需要进行定占空比PWM电压斩波控制，使ia在经过0后下降，后面会进一步详细分析。图4-1相电流梯度法原理图开关磁阻电机一相的电压方程为：（4-1）从上式可得相电流梯度为： （4-2）在La最小电感区域，La可以近似看做大小不变，近似等于0。右边分子中的反电势项近似等于0

58、，相电流梯度，表达式如（4-3）所示： （4-3）这时Ia上升的比较快。当电机的转子极与定子极开始重叠，电感La进入上升区，反电势不能忽略，相电流梯度减小直至小于零。采用过零检测电路在小于0时产生一个升沿信号，这样利用从最小电感区域进入电感上升区域时产生的PI信号的上升沿可以得到位号。为了使电流梯度无位置检测置检测信方案能应用低速斩波运行方式，可采用改变电压占空比降低电压，使电机运行在近似于单波运行状态。如图42所示。然后将相电流检测信号i。通过低通滤波器，滤掉相电流中的高频斩波信号，得到电流检测信号ia最后按照上面的单波运行时的处理方法得到位置检则信号。图4-2 定占空比PWM电压控制下的相

59、电流及滤波后的波形这种电流梯度法的优点是不需要精确的数学模型，可以四象限宽速度范围下运行，在中高速在单波运行时，不会降低电机的性能，可以通过调整电压占空比、开通角和关断角实现速度闭环控制，不需要在电机内部安装额外硬件，位置检测电路硬简单，容易实现。缺点是低速和小转矩运行时电机的性能受到影响，开关损耗大，效率比较低，不能很快的对相电流进行调节，动态响应慢。本文采用的是分段控制电流梯度法的无位置传感器检测方案。分段电流控制梯度法和上述普通的单模式电流梯度法在高速单波运行时并没有区别，区别在低速和小转矩运行需要电流斩波运行时，普通的单模式电流梯度法采用定占空比电压PWM控制，使电机运行在一种类似于单

60、波运行的状态，而分段电流控制法只是在转子极与定子极开始重叠的位置附近采用定占空比电压高频斩波模式。在电流上升建立阶段采用和传统的开关磁阻电机控制方式一样的全电压导通，达到电流指令值或者运行到接近转子极与定子极开始重叠的位置时，采用定占空比电压PWM斩波。等效电压为： （4-4）式中，Ud为母线电压，D为PWM占空比。D大小根据给定电流和角度大小计算选取，使得等效电压Ua小于电感上升去的反电势，使得电流ia经过0开始下降以得到位置检测信号P1。检测到P1后切换到传统的电流滞环斩波方式，最后在关断角关断。这样电机在大部分时间采用了传统的电流控制方案，只是在转子极与定子极开始重叠的位置附近采用定占空比电压高频斩波模式，其余区域