開關(guān)磁阻調(diào)速電動機畢業(yè)設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）資料第一部分 設(shè)計說明書摘要開關(guān)磁阻作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機以其結(jié)構(gòu)簡單、低成 本、高效率、優(yōu)良的調(diào)速性能和靈活的可控性，愈來愈得到人們的認可和應(yīng)用。 目前已成功應(yīng)用于在電動車用驅(qū)動系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高 速驅(qū)動、航空航天等眾多領(lǐng)域中，成為交流電機調(diào)速系統(tǒng)、直流電機調(diào)速系統(tǒng) 和無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的強有力競爭者。開關(guān)磁阻電機在驅(qū)動調(diào)速領(lǐng)域得到 了廣泛的應(yīng)用，同時也在發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)受到越來越多的重視，引起了不少專家、 學(xué)者的興趣。本文首先介紹了幵關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng) （SRD）的發(fā)展史、優(yōu)點、研究方向以 與應(yīng)用， 狀況，并對開關(guān)磁阻電動機的特點和電磁原

2、理進行了闡述，從基本的電磁規(guī)律 出發(fā)，說明 SRD 的原理與相關(guān)理論。并利用數(shù)學(xué)模型建立 SRD 系統(tǒng)的模型、 SRM 的模型、 電流控制器模型、 逆變器模型、 角度控制模型， 并通過 MATLAB 進行仿真，比較分析仿真波形與理想數(shù)學(xué)模型的差距。關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機 數(shù)學(xué)模型ABSTRACTSwitch magnetoresistance, as a kind of new speed drive system, switch reluctance motor with its simple structure, low cost, high efficiency, high speed a

3、nd flexibility of controllability, more and more get recognized by people and application. Currently has been successfully used in electric vehicle drive system, household appliances, industrial application, servo system, high-speed drive, aerospace, etc, become ac motor speed control system, dc mot

4、or speed control system and brushless dc motor control system of strong competitors. Switch reluctance motor driving speed in the field has been widely used in開關(guān)磁阻調(diào)速電動機畢業(yè)設(shè)計power, but also more and more field, caused a lot of experts and scholars of interest.This paper first introduces a switched rel

5、uctance motor speed control system (SRD) history, advantages, research direction and application,Condition, and the SRM features and electromagnetic principle, from the basic laws of electromagnetic, the principle and the related theorySRD). Using the mathematic model and the model, SRM SRD system m

6、odel, the current controller model, inverter model, the Angle control model, and throughMATLAB simulation and comparison analysis andsimulation of the ideal mathematical model.Keywords: SRG, The mathematical model目錄第 1 章 緒論 11.1 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機發(fā)展簡介 11.2 開關(guān)磁阻電機的特點 21.3 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機的研究動向與應(yīng)用 3第 2 章 開關(guān)磁阻電機的基本機構(gòu)與

7、工作原理 62.1 開關(guān)磁阻電機的基本組成環(huán)節(jié) 62.1.1 功率主開關(guān)器件 72.1.2 功率變換拓撲電路 72.1.3 控制器 1.0.2.1.4 位置檢測 1.1.2.1.5 電流檢測 1.2.2.2 SR 電機的工作原理 1.2.第 3 章開關(guān)磁阻電機控制策略 1.5.3.1 角度位置控制 1.5.3.2 電流斬波控制 1.5.3.3 電壓 PWM 控制 1.6.3.4 單相起動方式 1.7.3.5 雙相起動方式 1.8.第 4 章 開關(guān)磁阻電機數(shù)學(xué)模型的建立 1.94.1 開關(guān)磁阻電機的數(shù)學(xué)模型 1.9.4.1.1 建立模型常用的方法 1.9.4.1.2 SR 電機的方程 2.1.4

8、.2 SR 電機系統(tǒng)的線性分析 2.3.4.2.1 電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系分析 2.34.2.2 基于線性模型的繞組電流分析 2.54.3 電磁轉(zhuǎn)矩的分析 2.9.4.4 轉(zhuǎn)速的控制 3.0.4.5 基于非線性電感特性的 SR 電機的數(shù)學(xué)模型 3.04.5.1 繞組非線性電感特性研究 3.04.5.2 SR 電機的非線性數(shù)學(xué)模型 3.2第 5 章 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng) MATLAB/SIMULINK 仿真 365.1 SRD 調(diào)速控制策略的研究 3.6.5.1.1 SR 電機的運行特性 3.6.5.1.2 控制策略 3.8.5.2 SRD 的仿真研究 4.0.5.2.1 逆變器模型 4.0.5

9、.2.2 SR 電機模型 4.0.5.2.3 SRD 系統(tǒng)模型 4.1.5.2.4 電流控制器模型 4.2.5.2.5 角度控制模型 4.3.5.2.6 仿真結(jié)果與分析 4.4.結(jié)論 4.6.參考文獻 4.8.致謝 4.9.第 1 章 緒論1.1 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機發(fā)展簡介開關(guān)磁阻調(diào)速電動機 (The Switched Reluctance Drive, 以下簡稱 SRD) 最 早可以追溯到 1970 年，英國 Leeds 大學(xué)步進電機研究小組首創(chuàng)一個開關(guān)磁阻 電機雛形。至U 1972年進一步對帶半導(dǎo)體幵關(guān)的小功率電動機(10W1kW)進行了研究。 1975 年有了實質(zhì)性的進展，并一直發(fā)展到可

10、以為 50kW 的電瓶汽 車提供裝置。 1980 年在英國成立了開關(guān)磁阻電機驅(qū)動裝置有限公司 (SRD Ltd.) ， 專門進行SRD系統(tǒng)的研究、幵發(fā)和設(shè)計。1983年英國(SRD Ltd.)首先推出了 SRD系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品命名為 OULTON。 1984年TASC驅(qū)動系統(tǒng)公司也推出 了他們的產(chǎn)品。 另外 SRD Ltd. 研制了一種適用于有軌電車的驅(qū)動系統(tǒng)， 至 1986 年已運行 500km 。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，在電氣傳動界引起不小的反響。在很多性能 指標上達至了出人意料的高水平，整個系統(tǒng)的綜合性能價格指標達至或超過了 工業(yè)中長期應(yīng)用的一些變速傳動系統(tǒng)。SRD 作為一種新型調(diào)速系統(tǒng)，兼有直流

11、傳動和普通交流傳動的優(yōu)點，正逐 步應(yīng)用在家用電器、一般工業(yè)、伺服與調(diào)速、牽引電動機、高速電動機、航天 器械與汽車輔助設(shè)備等領(lǐng)域。在發(fā)展初期，由于具有串勵直流電動機的特性， SR 電動機較多的是在電力機車上作牽引用， 功率從幾十千瓦至幾百千瓦。 SRD 的應(yīng)用范圍當(dāng)然不會僅僅局限于牽引運輸。實際上，轉(zhuǎn)速范圍為1500 1800r/min 的 SRD 是與由 50H/60H 電源逆變器供電的異步電動機市場相適應(yīng) 的，而 7503000r/min 的 SRD 則與傳統(tǒng)直流電動機市場相適應(yīng)。 另外， SRD 在低壓、小功率的應(yīng)用場合大大優(yōu)于普通的異步電動機和直流電動機。比如， 使用 SRD 驅(qū)動風(fēng)扇，

12、泵類、壓縮機等，可在很大速度范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率運行， 可明顯地節(jié)能，并在短期內(nèi)收回成本。經(jīng)濟型小功率 SRD 也有著廣闊的市場。 我國大約在 1985 年才開始對 SRD 系統(tǒng)進行研究。 SRD 系統(tǒng)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(xué) 開關(guān)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(yīng)用至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(yīng)用于毛巾印花機、卷布機，煤礦牽引與電動車輛等，取 得了顯著的經(jīng)濟效益。美國、加拿大、南斯拉夫、埃與等國家也都開展了SRD系統(tǒng)的研制

13、工作。1.2 開關(guān)磁阻電機的特點SRD 調(diào)速系統(tǒng)之所以被越來越多的人所關(guān)注，是因為其本身有許多自己的 特點和優(yōu)點：(1) SRM 結(jié)構(gòu)簡單、優(yōu)點較多SRM 是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，有其突出的優(yōu)點：首先，電機無碳刷 和換相器，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組，制造成本低且轉(zhuǎn)子的機械強度高，使 得電動機可高速運轉(zhuǎn)而不致變形；另外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，易于加、減速。在定 子方面，它只有幾個集中繞組，線圈嵌裝容易，端部短而牢固，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；其次，電機轉(zhuǎn)矩方向與相 電流方向無關(guān)，在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)均具有高輸出和高效率；再次，電 機起動轉(zhuǎn)矩大，可靠性高，能適用

14、于危險的環(huán)境，且控制方式很靈活。(2) SRD 系統(tǒng)中功率電路結(jié)構(gòu)簡單可靠SR 電動機的轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流的方向無關(guān)，只需單方向來對繞組供電， 故功率電路結(jié)構(gòu)簡單，可以做到每相只需一個功率開關(guān)器件。只要控制主開關(guān) 器件的開通、關(guān)斷時間，即可改變電動機的工作狀態(tài)。另外，系統(tǒng)中每個功率 開關(guān)器件均直接與電動機繞組相串聯(lián)，避免了直通短路現(xiàn)象。因此開關(guān)磁阻電 動機調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護部分可以簡化，既降低了成本，又具有較高的 可靠性。(3) SRD 系統(tǒng)效率高、起動轉(zhuǎn)矩大SRD 系統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。這是因為一方面電動機轉(zhuǎn)子不存在 繞組銅耗，另一方面電動機可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范

15、圍和不同 負載下實現(xiàn)高效優(yōu)化控制。其系統(tǒng)效率在很寬的速度范圍內(nèi)都在 87% 以上，這 是其它一些調(diào)速系統(tǒng)不易達到的。且電機起動時，只需從電源側(cè)提供較少的電 流，就能在電動機側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩。(4) SRD 系統(tǒng)可控參數(shù)多，控制方式簡單 控制開關(guān)磁阻電動機的主要常用方法有以下幾種：控制相繞組電壓，控制 相電流幅值，控制開通角、關(guān)斷角?？煽貐?shù)多，意味著控制靈活方便，可以 根據(jù)對電動機的運行要求和電動機的情況，采用不同控制方法，使之有效的運 行。(5) SRD 系統(tǒng)可靠性高、適用范圍廣SR 電機不會發(fā)生感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子籠斷裂或燒熔的故障，再加上 SR 電機采 用簡單而堅固的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由單極性功率

16、變換器供單方向電流激勵，可做到磁路上各相相互獨立和電路上各相相互獨立，因此，該系統(tǒng)具有較高的運行可靠 性和容錯能力。即使某相繞組或主開關(guān)管出現(xiàn)故障，電機依然能平穩(wěn)運行，可 適用在可靠性要求較高的場合，如適合在高粉塵、易燃、易爆等惡劣環(huán)境下和 要求超高速等場合下運行，并可廣泛地應(yīng)用在紡織、造紙、煤礦、航空等領(lǐng)域。 如：造紙機、漿紗機、采煤機、礦用運輸機、電牽引采煤機、電機車牽引與局 部風(fēng)機和水泵等、家用電器和機器人上。當(dāng)然，就目前的發(fā)展水平而言， SR 電動機主要還存在如下缺點：(1) 采用的是磁阻式電動機，其能量轉(zhuǎn)換密度低于電磁式電動機。(2) 轉(zhuǎn)矩波動較大，通常 SR電動機轉(zhuǎn)矩波動的典型值為

17、土 15%。由轉(zhuǎn)矩波 動所導(dǎo)致的嗓聲與特定頻率下的諧振問題也較為突出。(3) 相數(shù)越多，主接線數(shù)越多，此外還有位置傳感器的出線。(4) 需要根據(jù)定、轉(zhuǎn)子相對位置投勵。(5) 不能像籠型異步電動機那樣直接接人電網(wǎng)作穩(wěn)速運行，而必須與控制 器一同使用。1.3 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機的研究動向與應(yīng)用目前， SRD 系統(tǒng)的研究主要涉與以下幾個方面：(1) SRD 系統(tǒng)的優(yōu)化SRD 系統(tǒng)是由 SR 電機與其控制裝置構(gòu)成的不可分割的整體，因此，在設(shè) 計時必須從系統(tǒng)的觀點出發(fā)， 對電機模型和控制系統(tǒng)綜合考慮， 進行全局優(yōu)化。(2) 無位置傳感器 SRD 系統(tǒng)的研制位置檢測環(huán)節(jié)是 SR 電動機驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部

18、分， 檢測到的位置信號既 是繞組開通與關(guān)斷的依據(jù)，也為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制提供了轉(zhuǎn)速信息。到目前為止國 內(nèi)外實際應(yīng)用中轉(zhuǎn)子位置檢測多數(shù)是直接利用諸如光電式、磁敏式或霍爾式位 置傳感器，所用傳感元件的數(shù)目也因相數(shù)的增加而增加。既增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 復(fù)雜性和成本，降低了可靠性，同時又給安裝、調(diào)試帶來了不便。因此，國內(nèi) 外許多學(xué)者開始研究無位置檢測方案，如電流波形檢測與由此變形而來的非通 電相加瞬間脈沖激勵的電感簡化計算、狀態(tài)觀測器檢測、利用相磁鏈、相電流 與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系解算轉(zhuǎn)子位置、利用相間互感與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系檢測、電容式 位置檢測技術(shù)、加測試線圈的檢測等方案。 位置傳感器的取消將使 SRD 系統(tǒng)有 更多的

19、優(yōu)勢與直流與交流變頻調(diào)速相競爭。(3) 新型控制技術(shù)的應(yīng)用高性能DSP和專用集成電路(ASIC)的應(yīng)用為SRD系統(tǒng)的高性能控制提供3 / 57了可靠的硬件保證。因此，研究具有較高動態(tài)性能、算法簡單、能抑制參數(shù)變 化、撓動與各種不確定性干擾的 SRD 系統(tǒng)控制技術(shù)成為近期的重要任務(wù)， SRD 系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制技術(shù)的研究成為熱點。(4) 鐵損耗分析與效率研究 SRD 系統(tǒng)堪稱是高效率調(diào)速系統(tǒng)，但 SR 電機的鐵損耗計算是難度較大的 課題之一。 SR 電機的鐵損耗計算難度較大，這是因為電機供電波形復(fù)雜、電機 磁路局部飽和嚴重、電機的步進運行狀態(tài)幾雙凸極結(jié)構(gòu)等特點。SR 電機的鐵損耗常常是

20、影響效率的主要方面，尤其在斬波工作狀態(tài)與高速運行時，鐵損耗是 較為可觀的。鐵損耗分析的目的是建立準確、實用的鐵損耗計算模型和分析、 測試手段，以與從電機、電路結(jié)構(gòu)和控制方案著手，研究減少損耗、提高效率 的措施。(5) 振動和噪聲研究 包括從電動機的設(shè)計和控制器軟、硬件兩方面來提高系統(tǒng)效率、降低噪音 和轉(zhuǎn)矩波動， 加強對轉(zhuǎn)矩波動與噪聲的理論研究。 由于 SRD 系統(tǒng)是脈沖供電工 作方式，瞬時轉(zhuǎn)矩波動大，低速時步進狀態(tài)明顯，振動噪聲大，這些缺點限制 了其在諸如伺服驅(qū)動這類要求低速運行平穩(wěn)且有一定靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力場合下 的應(yīng)用。因此，研究抑制 SR電動機的振動和噪聲也是改善 SRD性能的重要課 題之

21、一。(6) 控制參數(shù)方面的優(yōu)化 根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，可選取不同的目標函數(shù)，如系統(tǒng)的效率最高、平均 轉(zhuǎn)矩最大、轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)最小等。由于 SRD 控制參數(shù)多、電機模型復(fù)雜，使得 優(yōu)化過程計算量大，而且得到的只是針對單個系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果。與傳統(tǒng)的電機 調(diào)速系統(tǒng)相比， SRD 系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化控制的難度要高一些。但是隨著各種控制理 論在傳統(tǒng)電機調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的研究日益深入， 它們在 SRD 系統(tǒng)中的應(yīng)用也逐 漸增多。如采用傳統(tǒng)的 PI調(diào)節(jié)器，以斬波電流限為控制變量，實現(xiàn)了SR電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。一些現(xiàn)代的控制理論和方法在 SR電機的控制中也得到了應(yīng) 用，如模糊控制、模糊控制與 PI 控制結(jié)合在一起的混合式

22、調(diào)節(jié)、滑?？刂?，自 適應(yīng)控制、線性回饋控制以與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些現(xiàn)代控制技術(shù)的使用 部分解決了 SRD 系統(tǒng)的非線性多變量強耦合問題，但離實用技術(shù)還有一定距 離，主要表現(xiàn)在一些控制技術(shù)中為設(shè)計目的提出的模型太過復(fù)雜而難以用于 SR 電機實時控制，而有的為控制目的提出的模型則過于簡單而影響了控制的實際 效果，或者因控制參數(shù)難于確定而失去實用的價值。但隨著微電子技術(shù)和高級 控制技術(shù)的發(fā)展，這些控制技術(shù)必將在 SRD 系統(tǒng)中得到切實應(yīng)用(7) 功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)的研究由于 SRD 系統(tǒng)的性能和成本很大程度上取決于功率變換器的性能和成本， 因此功率變換器的研究意義重大，目前研究主要集中在功率變換

23、器拓撲結(jié)構(gòu)設(shè) 計、主開關(guān)器件的選擇和使用等方面。 SRD 系統(tǒng)功率變換器是由一定數(shù)量的電 力電子器件按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)組合而成。 SRD 系統(tǒng)功率變換器研究初期，最 少量主開關(guān)器件的拓撲結(jié)構(gòu)曾是研究的熱點，這是因為主開關(guān)器件的減少，意 味者相應(yīng)的驅(qū)動電路、緩沖電路以與功率損耗等相應(yīng)減少，因此系統(tǒng)的體積以 與成本會全面降低。隨著研究深入，這種觀點不再特別突出，主要原因是各種 以減少主開關(guān)器件數(shù)目的拓撲結(jié)構(gòu)在減少主開關(guān)器件數(shù)目的同時，又引進了其 他諸如電容、電感等無源儲能元件以與輔助開關(guān)器件，系統(tǒng)的體積與成本并未 顯著降低，其實質(zhì)只是通過增加單個主開關(guān)器件的容量來減少主開關(guān)器件的數(shù) 目。因此更理想

24、的功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)該為： 能夠獨立、快速又精確地對 SR 電機各相相電流進行控制。 磁場儲能盡可能地轉(zhuǎn)換為機械能輸出，當(dāng)向電源回饋時應(yīng)高效、快速。 驅(qū)動同等功率等級的 SR 電機，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容 量，可以驅(qū)動更高功率等級的 SR 電機。 每相主開關(guān)器件數(shù)目最少。第2章 幵關(guān)磁阻電機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理2.1幵關(guān)磁阻電機的基本組成環(huán)節(jié)驅(qū)動電路電流檢測位置檢測控給定指令制器速度檢測幵關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)主要是由 SRM、主電路、控制器和檢測器四部分組成，基本框圖如圖2.1所示。圖2.1 SRD系統(tǒng)框圖SRM是SRD中實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的部件， 也是SRD有別于其他電動機驅(qū) 動

25、系統(tǒng)的主要標志。它遵循磁通總是要沿著磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理，由磁 拉力作用產(chǎn)生具有磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。采用雙凸極結(jié)構(gòu)就是要使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時 磁路的磁阻要盡可能大地變化。功率變換器向SRM提供運轉(zhuǎn)所需的能量，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非常簡單， 其結(jié)構(gòu)形式與SR電動機的相數(shù)、繞組形式有關(guān)，功率變換器的結(jié)構(gòu)和幵關(guān)器件 的選擇直接影響到 SRD系統(tǒng)的性能和成本。其主要作用有：（1）向SR電動機傳輸電能，滿足機電能量轉(zhuǎn)換的需要；（2）起幵關(guān)作用，使SR電動機的各相繞組適時通斷；（3）為SR電動機各相繞組的儲能提供回饋路徑?？刂破魇窍到y(tǒng)的中

26、樞，綜合處理速度指令、速度反饋信號與電流傳感器、 位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主幵關(guān)器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對 SRM運行狀態(tài)的控制。其性能好壞直接影響到電機的運行性能。檢測單元由位置檢測和電流檢測環(huán)節(jié)組成。提供轉(zhuǎn)子的位置信息從而確定各相繞組的開通和關(guān)斷，提供電流信息來完成電流跟蹤控制或采取相應(yīng)的保護 措施以防止過電流。功率主開關(guān)器件SR 電機的繞組只需要單方向電流， 但應(yīng)能迅速從電源接受電能， 又能迅速 向電源回饋能量。由于 SRD 功率變換器只需要給電動機提供單方向電流，故 它比異步電動機 PWM 變頻器簡單、可靠。然而， SR 電機的工作電流、電壓 波形系統(tǒng)的運行條件與電動機設(shè)計參

27、數(shù)的制約，很難準確預(yù)料。這就使得其主 開關(guān)器件的定額計算較為復(fù)雜，主開關(guān)器件的選擇與電動機功率、供電電壓、 峰值電流、成本等有關(guān)，還與主開關(guān)器件本身的開關(guān)速度、觸發(fā)難易、開關(guān)損 耗、抗沖擊性、耐用性等有關(guān)。當(dāng)前電力電子經(jīng)過多年的發(fā)展，可供選擇的功 率器件主要有普通晶閘管、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率晶體管(GTR)、功率MOS 場效應(yīng)管( MOSFET )、 絕緣柵雙極晶體管( IGBT)。功率變換拓撲電路功率變換器應(yīng)與電動機結(jié)構(gòu)匹配，達到效率高、控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、成 本低等基本要求， 一個理想的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)形式應(yīng)同時具備如下條件：(1) 最少數(shù)量的主開關(guān)元件； (2) 可將全部電源

28、電壓加給電動機相繞組； (3)主開 關(guān)器件的電壓額定值與電動機接近； (4) 具備迅速增加相繞組電流的能力； (5) 可通過主開關(guān)器件調(diào)制，有效地控制相電流； (6) 在繞組磁鏈減少的同時，能將 能量迅速地回饋給電源。功率變換器的拓撲結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)逆變器有很大差異，具有多種形式，并且與 開關(guān)磁阻電動機的相數(shù)、繞組連接形式有密切的關(guān)系。其中，最常見的拓撲結(jié) 構(gòu)有：電機雙繞組型、電容裂相型、 H 橋型、不對稱半橋式、具有最少數(shù)量主 開關(guān)器件的功率變換器電路等。下面扼要介紹開關(guān)磁阻電機幾種常見功率變換 器的線路，進行對比分析。(1) 電機雙繞組型圖22電機雙繞組型圖2.2所示是早期使用的雙繞組結(jié)構(gòu)， 通

29、常主副繞組采用雙線并繞的形式， 以得到最大的互感系數(shù)， 主繞組幵關(guān)元件 S斷幵后，主繞組的能量通過互感傳 到副繞組，再通過二極管續(xù)流。該電路主幵關(guān)元件的額定工作電壓為2(1+D) Vs，其中Vs是整流橋輸出的峰值電壓，D是幵關(guān)元件關(guān)斷時的過電壓系數(shù)，功率變換器的伏安容量為 2m(1+D) lm,m為電動機的相數(shù)，Im為電動機的峰值電流。 雙繞組主電路十分簡單，每相繞組只有一只主幵關(guān)與一只續(xù)流二極管。缺點是 主副繞組之間不可能完全耦合，主幵關(guān)元件關(guān)斷時會產(chǎn)生較高的沖擊電壓，對 主幵關(guān)元件的額定工作電壓要求比較高，并需有良好的吸收網(wǎng)絡(luò)；同時由于電 動機采用雙繞組結(jié)構(gòu)，繞組利用率下降，銅耗增加、體積

30、增大。這種主電路可 適用于任意相數(shù)的幵關(guān)磁阻電機，尤其適宜于低壓直流電源。(2) 電容裂相型圖2.2電路出現(xiàn)較早，在一個時期內(nèi)應(yīng)用比較廣，是一種比較成熟的主電 路結(jié)構(gòu)。將整流橋輸出的電壓用雙電容裂相(電容同時也起濾波、存儲繞組回饋能量的作用)，采用這種電路，可對電動機的各相獨立控制，每相只需一個主幵 關(guān)元件和一個續(xù)流二極管。因為兩個裂相電容上的電壓需要保持平衡，所以同 兩個電容并聯(lián)的繞組數(shù)應(yīng)相等，且上下橋的電容只能輪流或者同時給電動機的 繞組供電，因而這種主電路結(jié)構(gòu)只適用于偶數(shù)相的幵關(guān)磁阻電機。主幵關(guān)元件 的額定工作電壓為(1 + D) Vs，采用電容裂相以后，電源電壓利用率降低，主 幵關(guān)元件

31、的電流為圖 2.3中的兩倍(同功率情況下)。圖2.3電容裂相型（資料來源：張全柱,郝榮泰，鄧新華.幵關(guān)磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能 分析J電氣傳動自動化，1995.）圖2.4 H橋型功率變換主電路（資料來源：張全柱,郝榮泰，鄧新華.幵關(guān)磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能 分析J電氣傳動自動化,1995.）H橋型圖2.4 H橋型功率變換主電路，這一電路可認為是上述電容裂相型電路取 消了電容器分壓構(gòu)成的雙電源，并將電動機四相繞組中點浮空而形成的。電機 每相繞組的外施電壓為電源電壓的一半，因為任一相繞組電路必須以其它繞組 為通路，換相相的磁能一部分回饋電源，另一部份注入導(dǎo)通相繞組，因此只能 工

32、作在兩相同時通電方式，從而缺少一些控制靈活性。但這一變化也給本電路 帶來了特有的好處，即可以實現(xiàn)零壓續(xù)流，提高系統(tǒng)控制性能。但它只適合于 四相或者四的倍數(shù)相的SR電機。(4) 不對稱半橋型圖2.5為本系統(tǒng)所采用的不對稱半橋型三相SR電機功率變換器主電路。以A相為例，每相有兩個主幵關(guān)管 S1和S5與續(xù)流二極管 D1和D5。其中， 上下兩只主幵關(guān)管是同時導(dǎo)通和關(guān)斷的。 當(dāng)S1、S5導(dǎo)通時，D1和D5截止， 外加電源Vs加至A相繞組的兩端，產(chǎn)生相電流 J ；當(dāng)S1、S5關(guān)斷時，A相 繞組產(chǎn)生的變壓器電壓勢極性如圖所示， 貝V D1、D5正向?qū)ǎ娏魍ㄟ^D1、 D5與儲能電容 C續(xù)流，C將吸收A相繞

33、組的部分磁場能量。圖2.5不對稱半橋功率變換主電路(資料來源：張全柱,郝榮泰，鄧新華.幵關(guān)磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能 分析J電氣傳動自動化,1995.)這種不對稱半橋型線路具有如下的特點：(1) 各主幵關(guān)管的電壓定額為 Vs ;(2) 由于主幵關(guān)管的電壓定額與電動機繞組的電壓定額近似相等，用足了主 幵關(guān)管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流；(3) 由于每相繞組接至各自的不對稱半橋，每相需要兩個主幵關(guān)管和兩個二 極管，相與相之間是完全獨立的，故這種結(jié)構(gòu)對繞組相數(shù)沒有任何限制，適合 任意相數(shù)電機，不存在上、下橋臂直通的故障隱患?？刂破骺刂破魇荢RD系統(tǒng)的主要大腦，起決策和指

34、揮作用。它綜合位置檢測器、 電流檢測器提供的電動機轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反饋信息與外部輸入的命令，然后通過分析處理，決定控制器策略，向SRD系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器發(fā)出一系列執(zhí)行命令，進而控制 SR電動機運行，達到控制目的?？刂破饕话阌蓡纹瑱C或者DSP芯片與外圍接口電路組成，在其中實現(xiàn)電機參數(shù)的比較分析以與控制運行 算法的實現(xiàn)，在 SRD系統(tǒng)中，要求控制器實現(xiàn)下述性能：（1 ）電流斬波控制;（2）角度位置控制；（3）啟動、控制、停車與四象限運行；（4）速度調(diào)節(jié) 綜合采用有效的電機控制策略，減少轉(zhuǎn)矩脈動降低噪聲，實現(xiàn)電機優(yōu)良的調(diào)速 性能。位置檢測根據(jù)所用光電傳感器個數(shù)的不同，位置檢測的方法可分為全數(shù)檢測

35、和半數(shù) 檢測兩種。前者所用的光電傳感器的個數(shù)與幵關(guān)磁阻電機的相數(shù)相同，后者所 用個數(shù)為相數(shù)的一半。半數(shù)檢測能節(jié)約成本，在本文位置檢測采用光電位置傳 感器，它由裝在軸上的轉(zhuǎn)盤和裝在定子上的光電傳感器件V和V組成。轉(zhuǎn)盤固定在轉(zhuǎn)子軸上，具有與轉(zhuǎn)子凸極和凹槽數(shù)相等的凸齒和凹槽，而且它們成均勻 分布結(jié)構(gòu)都為300，即外弧的弧長相等；光電傳感器件由光發(fā)生部件和光敏三極管接受電路組成，固定在定子或者機殼上轉(zhuǎn)盤與電機同步旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)盤的遮 光、透光使光敏元件產(chǎn)生導(dǎo)通和關(guān)斷信號。對于四相8/6極電機，只須在定子2.6。圖2.68/6四相幵關(guān)磁阻電機位置檢測圖一般情況下，光電傳感器件在夾角為75時放置在A相軸線兩

36、側(cè)37.5處,夾角15情況下則其中一個光電傳感器件放在靠近A相軸線處與之成22.5角處A相是處于和轉(zhuǎn)子極重合的位置，此時其相電感最大，可以看出其與光電傳感 器的齒盤是不重合的，而是由一個7.5的夾角。位置感器的輸出是由齒盤凸極遮擋光電器件的光線來實現(xiàn)的。當(dāng)凸極遮住光線的時候，傳感器輸出低電平， 沒有遮擋的時候輸出高電平，圖2.7表示的就是由傳感器產(chǎn)生的兩路輸出位置信號，并且給出它們與相繞組電感之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)電動機旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)被齒盤遮住與否，兩個光電傳感器通過外圍電路輸 出兩路相位分別相差150的基本信號，經(jīng)過整形、濾波可以獲得比較好的方波信 號。通過分析兩路方波信號的位置狀態(tài)以與對兩路方波

37、信號上升、下降沿的捕 獲，可以得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的位置角度，可實現(xiàn)位置信號的反饋。同時，利用兩路 信號上升、下降沿的捕獲，運用T方法（測出相鄰的兩個捕獲信號之間的間隔時 間來計算轉(zhuǎn)速的方法），進行電動機轉(zhuǎn)速的計算，可實現(xiàn)速度信號的反饋。電流檢測為了實現(xiàn)過電流保護，使電機安全運行，必須對繞組中的電流進行檢測， 電流檢測電路一定要符合以下的條件：（1）被測主電路（強電部分）與控制電路（弱電部分）間應(yīng)良好隔離，且有一 定的抗干擾能力。（2）靈敏度高，檢測頻帶范圍寬，可測含有多次諧波成分的直流電路。（3）單相電流檢測，在一定工作范圍內(nèi)具有良好的線性度。2.3 SR電機的工作原理SRG通常采用雙凸極結(jié)構(gòu)，如圖

38、 2.8所示，定、轉(zhuǎn)子均是由普通硅鋼片疊 壓而成。轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，定子上繞有集中繞組，由徑向相對的兩 個繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組。從本質(zhì)上說SRG與一般的交流電機系統(tǒng)不同，其運 行原理遵循“磁阻最小原則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，當(dāng)轉(zhuǎn)子 磁極軸線與定子磁極的軸線不重合時，便會有作用力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)距，從而使轉(zhuǎn)子向定子磁極的軸線方向運動或產(chǎn)生同方向的運動趨勢，直到定、轉(zhuǎn) 子磁極軸線重合為止；若連續(xù)給各相定子繞組通電，則產(chǎn)生連續(xù)的脈振磁場， 轉(zhuǎn)子將沿著與勵磁順序相反的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。并且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向與電流方向 無關(guān)，僅取決于勵磁順序。對于幵關(guān)磁阻發(fā)電機來說，其一個通電周期可分

39、為兩個階段，即勵磁階段和發(fā)電階段，且以發(fā)電階段為主。當(dāng)主幵關(guān)K1和K2導(dǎo) 通時，定子繞組接受外電路的勵磁，外部供給的電能和機械能均轉(zhuǎn)化為磁場儲 能；當(dāng)主幵關(guān)關(guān)斷并通過二極管D1、D2續(xù)流時，磁場儲能和機械能都轉(zhuǎn)化成電能回饋電源或向負載供電。正是幵關(guān)磁阻電機這種分時勵磁的特性，使得 其控制靈活，可控參數(shù)多，如幵通角、關(guān)斷角、勵磁電壓以與控制方式等均對 發(fā)電效果有重大影響。下面就以常用的四相8/6極幵關(guān)磁阻發(fā)電機為例進一步闡釋其運行機理。定子圖2.8 幵關(guān)磁阻發(fā)電機工作原理示意圖如圖2.9，圖中僅畫出A相繞組與其供電電路，其余各相與此相相同。設(shè)發(fā) 電機在外力的驅(qū)動下，以逆時針方向旋轉(zhuǎn)。在圖示位置，

40、定子B B相繞組與轉(zhuǎn)子磁極2 2軸線重合，此時給定子 A A相繞組通電，即幵關(guān) 、心閉合，該 相通過直流電源 U進行勵磁。磁力線由定子軛經(jīng)定子極A、氣隙、轉(zhuǎn)子極1、鐵心、轉(zhuǎn)子極1，再回經(jīng)定子極A ,形成閉合回路。由于定子 A A相繞組軸線 與轉(zhuǎn)子極1 1不重合，根據(jù)“磁路最短原則”，轉(zhuǎn)子極1 1將有向定子極A A 運動趨勢，并受到該方向的力矩作用，即順時針方向，與驅(qū)動力矩相反，同時 轉(zhuǎn)子上的機械能將轉(zhuǎn)化成磁能貯藏在磁場中。當(dāng)幵關(guān)K1、斷幵時，A A相電流通過二極管D1、D2續(xù)流，繞組內(nèi)的電流方向不改變，電源E極性與原來相反，此時儲存在磁場中的磁能將釋放出來，并轉(zhuǎn)化成電能，回饋至電源，從而 完成

41、了機械能和電能之間以磁場為媒介的機電能量轉(zhuǎn)化過程。(b) B相通電(c )C相通電(a) A相通電d) D相通電圖2.9幵關(guān)磁阻發(fā)電機各相順序通電的磁場情況電機旋轉(zhuǎn)至C C繞組軸線與轉(zhuǎn)子極3 3軸線重合時，將勵磁切換至 B B 相，則B B相與轉(zhuǎn)子極2 2之間相互作用將和A A相與轉(zhuǎn)子極1 1之間相同。 因此，連續(xù)不斷地按照 A B C D A的順序給電機各相勵磁，作用在轉(zhuǎn)子上 的機械能將源源不斷地轉(zhuǎn)化成電能，實現(xiàn)發(fā)電運行。值得一提的是，若作用在幵關(guān)磁阻發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的外力方向改變時，只需改變各相的勵磁順序，即 C B A D C，即可維持其發(fā)電狀態(tài)。因此，方便的實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)是幵關(guān)磁阻 發(fā)電機的一

42、大特色。此外，在幵關(guān)磁阻發(fā)電機中轉(zhuǎn)子的受力方向與繞組通電的 方向無關(guān)，僅取決于通電順序，這也是幵關(guān)磁阻發(fā)電機不同于一般交流電機之 處。開關(guān)磁阻調(diào)速電動機畢業(yè)設(shè)計第 3 章 開關(guān)磁阻電機控制策略3.1 角度位置控制在直流電壓的斬波頻率和占空比確定時，加于相繞組兩端的電壓大小不變 的情況下，可通過調(diào)節(jié)SR電動機的主幵關(guān)器件的幵通角on和關(guān)斷角 用的值，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和速度的調(diào)節(jié)， 此種方法便稱之為角度位置控制 (APC) 。尤其是當(dāng)電 機轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動勢較大，電機繞組電流相對較小時，最宜采用此種控制 方式。角度位置控制是通過控制幵通角on和關(guān)斷角off來改變電流波形以與電流波形與繞組電感波形的相對

43、位置，這樣就可以改變電動機的轉(zhuǎn)矩，從而改變電 動機的轉(zhuǎn)速。在電動機正常運行時，應(yīng)使電流波形的主要部分位于電感波形的 上升段；在電動機制動運行時，應(yīng)使電流波形位于電感波形的下降段。改變開 通角 on ，可以改變電流的波形寬度、電流波形的峰值和有效值大小以與電流波 形與電感波形的相對位置； 改變關(guān)斷角off 一般不影響電流峰值，但可以影響電 流波形寬度以與與電感曲線的相對位置，電流有效值也隨之變化，因此off同樣對電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒有on那么大。故一般采用固定關(guān)斷角 off ，改變開通角 on 的控制方式。APC控制方式有其自身獨特的優(yōu)點：首先電機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大。假設(shè)定義

44、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，則在極端情況下，角度位置控制的電流占空比的變化范圍幾乎 從0-100% ，電流的大小直接影晌著轉(zhuǎn)矩的大小，因此轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的范圍將很大。 其次，電動機在角度位置控制方式下運行效率高。通過角度優(yōu)化，能使電動機 在不同負載下保持較高的效率，可實現(xiàn)效率最優(yōu)控制或轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制。但是,角度位置控制不太適用于低速。因為轉(zhuǎn)速降低時，旋轉(zhuǎn)電動勢減小，使電流峰值 增大，必須進行限流，因此角度位置控制一般用于轉(zhuǎn)速較高的應(yīng)用場合。3.2 電流斬波控制低速工作時多采用斬波控制方式，用來限制電流峰值。低速時，繞組導(dǎo)通 周期長，磁鏈與電流峰值大，靠加大導(dǎo)通角，減小導(dǎo)通區(qū)固

45、然可以限流，但會幵關(guān)磁阻調(diào)速電動機畢業(yè)設(shè)計 降低有效利用率，因此，適合采用斬波限流。一般在低速運行時，將使電機的幵通角on和關(guān)斷角off保持不變，而主要靠控制斬波電流的大小來調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的 目的，工作在CCC方式下的斬波電流波形如圖3.1所示。圖3.1 CCC方式下的斬波電流波形在 on時，功率電路幵關(guān)元件接通（稱相導(dǎo)通），繞組電流i從零幵始上升， 當(dāng)電流達到斬波電流上限值i時，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)時間T1，或電流降至斬波電流下限值時，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off時實行相關(guān)斷，電

46、流衰減至零。CCC控制方式又分為起動斬波模式、定角度斬波模式和變角度斬波模式。 起動斬波模式是在SR電機起動時采用的，此時要求轉(zhuǎn)矩要大，同時又要限制相 電流峰值，故通常固定幵通角on和關(guān)斷角off，導(dǎo)通角e值相對較大；定角度斬波模式通常在電機起動后，低速運行時采用，導(dǎo)通角值保持不變，但值限定 在一定范圍內(nèi)，相對較??；而變角度斬波模式通常在電機中速運行時采用，此 時通過電流斬波、幵通角on、關(guān)斷角off同時起作用來進行轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。3.3電壓PWM控制在onoff導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，使功率幵關(guān)按 PWM方式工作，其脈沖周期 T固 定，占空比Tl/T可調(diào)，在內(nèi)，繞組加正電壓，T2內(nèi)加零電壓或反電壓。改變 占

47、空比，則繞組電壓的平均值 Us將會變化，進而間接改變相繞組電流的大小， 從而實現(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 1/T，則電流波形比較平滑，電機出力增大，噪聲減小，但功 率幵關(guān)元件的工作頻率增大，成本有所增加。電壓PWM控制通過調(diào)節(jié)相繞組電壓的平均值，進而能間接地限制和調(diào)節(jié) 相電流，因此既能用于高速調(diào)速系統(tǒng)，又能用于低速調(diào)速系統(tǒng)。電壓PWM控制法雖然簡單，但調(diào)速范圍較小。其它特點則與電流斬波控制方式相反，它適 合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負載擾動的動態(tài)響應(yīng)快，缺點是低速運行時轉(zhuǎn)矩脈動較 大。在對SRM的機理和控制策略進行闡述后， 針對設(shè)計樣機，將采用P

48、WM 的控制方式，采用速度反饋閉環(huán)和電流反饋閉環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，并且能夠 運用DSP軟件對系統(tǒng)進行控制。3.4單相起動方式在電動機的起動過程中， 任一瞬時，SR電機的繞組只有一相繞組通電產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩，這種起動方式便稱之為單相起動方式。顯然，轉(zhuǎn)子處于不同的位置，并 且給不同的相通電，所獲得的起動轉(zhuǎn)矩大小與方向都是不一樣的。如圖3.2所示，將各相轉(zhuǎn)子的位置角的參考坐標統(tǒng)一取在 A相最小電感處，將A, B, C, D四相繞組通電的矩角特性畫在一起。圖3.2 單相起動運行四相SR電動機合成轉(zhuǎn)矩波形由上圖不難看出，各相轉(zhuǎn)矩曲線互相重疊，在任意轉(zhuǎn)子位置上都有起動轉(zhuǎn) 矩。由于電機轉(zhuǎn)子初始位置不同，起動轉(zhuǎn)矩大

49、小也不一樣。假設(shè)A,D相中相繞組導(dǎo)通產(chǎn)生的起動轉(zhuǎn)矩相同，且此時為正向轉(zhuǎn)矩，電機為正轉(zhuǎn)向，如要改變電 機起動轉(zhuǎn)向，應(yīng)給B, C相中任一相繞組通電，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。由圖可知這種單 相起動方式的最小起動轉(zhuǎn)矩為相鄰兩相矩角特性交點3處的轉(zhuǎn)矩，顯然，加在SR電動機轉(zhuǎn)軸上的總負載轉(zhuǎn)矩必須小于最小起動轉(zhuǎn)矩，電動機才可能在任意位置都能起動，否則便會出現(xiàn)“起動死區(qū)”。因此，最小起動轉(zhuǎn)矩代表了 SR電動 機帶負載起動能力的極限。電動機的最小起動轉(zhuǎn)矩值不僅與起動電流、相鄰相 繞組矩角特性重疊有關(guān)，而且與矩角特性的波形有關(guān)。3.5雙相起動方式電動機的起動過程中，任一瞬時， SR電機的繞組會有兩相同時通電，這種 起動方式

50、便稱之為雙相起動方式。如果起動時SR電機兩相繞組同時導(dǎo)通，則起動轉(zhuǎn)矩由兩相繞組共同產(chǎn)生。 忽略相間磁禍合和磁路飽和的影響，起動轉(zhuǎn)矩可根據(jù)各相矩角特性線形相加， 如圖3.3。圖3.3 雙相起動運行四相 SR電動機合成轉(zhuǎn)矩波形顯然，采用雙相起動時轉(zhuǎn)矩波動明顯減小，平均轉(zhuǎn)矩增大，兩相起動時的 最小轉(zhuǎn)矩等于一相起動時的最大轉(zhuǎn)矩。與單相起動方式相比，帶負載起動能力 明顯增強了。而且，兩相起動方式的最大起動轉(zhuǎn)矩與最小起動轉(zhuǎn)矩比值減小， 所以起動過程較平穩(wěn)。再者，若負載轉(zhuǎn)矩一定，雙相起動的電流幅值明顯小于 單相起動的電流幅值，降低了主幵關(guān)管的電流容量要求，減少了系統(tǒng)成本。在 任意轉(zhuǎn)子位置，兩相起動的轉(zhuǎn)矩均比

51、較一致，產(chǎn)生的電流沖擊和機械沖擊比較 小，起動性能明顯優(yōu)于一相起動。通過以上對電機起動方式的分析可見，雙相起動的優(yōu)點非常明顯，對于提 高電機的容量，減小轉(zhuǎn)矩波動有著重要意義。同時，對于單邊磁拉力引起的噪 聲也有一定的降低，對于本設(shè)計的四相電機來說，若在運行中有兩相繞組同時 通電，則相當(dāng)于一相繞組運行時產(chǎn)生的單邊磁拉力分解成不同圓周角度上的兩 部分力，故而對徑向磁拉力引起的噪聲的降低也有一定的貢獻。第 4 章 開關(guān)磁阻電機數(shù)學(xué)模型的建立4.1 開關(guān)磁阻電機的數(shù)學(xué)模型建立 SR 電動機數(shù)學(xué)模型的主要困難在于電動機的磁路飽和、渦流和磁滯效應(yīng)等產(chǎn)生的非線性，這些非線性影響著電動機的性能， 但卻很難進行

52、數(shù)學(xué)模擬。 考慮了非線性的所有因素，雖然可以建立一個精確的數(shù)學(xué)模型，但是計算相當(dāng) 的繁瑣。因此，在性能分析和求解建立數(shù)學(xué)模型時不得不在實用與理想之間尋 求一種折衷的處理方法。4.1.1 建立模型常用的方法目前人們針對電機磁鏈的變化，常采用以下幾種方法來建立模型口：(a) 理想線性模型若不計電機磁路的飽以與邊緣效應(yīng)等影響，假定電機相繞組的電感與電流 大小無關(guān)，且不考慮磁場邊緣擴散效應(yīng)， 可用 SR 電動機的理想線性模型將磁鏈 k 近似為電流 ik 的線性函數(shù)，這種方法可了解電機工作的基本特性和各參數(shù)之 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， 精度較低。(b) 準線性

53、模型因為磁鏈 k 在飽和區(qū)和非飽和區(qū)有不同的線性變化率，為了近似地考慮磁 路的飽和效應(yīng)、邊緣效應(yīng)，可將實際的非線性磁化曲線分段線性化，同時不考 慮相間禍合效應(yīng)， 可將 i 曲線分為兩段 (線性區(qū)和飽和區(qū) )或三段(線性區(qū)、低 飽和區(qū)和高飽和區(qū) )，這樣可以用不同的解析式來表示每段磁化曲線。以上兩種模型，電感參數(shù)均有解析表達式；在用于分析電機性能時，電流 和轉(zhuǎn)矩也均有解析解，因此一般可用于定性分析。事實上，由于電機的雙凸極 結(jié)構(gòu)和磁路的飽和、渦流以與磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的非線性，加上電機運行期間的 幵關(guān)性，在電機運行期間，繞組電感為電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。 但是SR電動 機定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨

54、著轉(zhuǎn)子位置變化的規(guī)律很復(fù)雜，難以用簡單 的解析表達式來表示，因此很難建立精確可解的數(shù)學(xué)模型。(c) 非線性函數(shù)擬合模型將磁鏈 k 用一非線性函數(shù)近似擬合， 函數(shù)的選取決定擬合的精確度。 顯然， 磁鏈隨著轉(zhuǎn)子位置不同而變化的規(guī)律是很復(fù)雜的，采用非線性函數(shù)來擬合磁鏈 的變化規(guī)律將是一項很困難的工作。且針對一般擬合的函數(shù)，繞組的電流、電 感等是也無法用簡單的解析表達式來進行表示。(d) 查表法該方法是把實測或計算所得的等角度、 等電流間隔電機磁特性數(shù)據(jù) i, 反 演為等角度、等磁鏈間隔的電流特性數(shù)據(jù) i( , ) ，的連同矩角特性數(shù)據(jù) T(i, )的 以表格形式存入計算機中，然后用查表法數(shù)值求解非線

55、性模型，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。4.1.2 SR電機的方程SR電動機運行的理論與任何電磁式機電裝置運行的理論在本質(zhì)上沒有什么區(qū)別，對于m相SR電動機，若不計磁滯、渦流與繞組間互感時，可列出如。圖4.1所示的一對電端口和一對機械端口的二端口裝置系統(tǒng)示意圖1UaUbUm圖4.1 m相SR電動機系統(tǒng)示意圖圖中，Te表示電動機電磁轉(zhuǎn)矩，J為SR電動機轉(zhuǎn)子與負載的轉(zhuǎn)動慣量，D代表粘性摩擦系數(shù)，Tl表示負載轉(zhuǎn)矩。建立SR電動機數(shù)學(xué)模型時，為了簡化分析，特作如下假設(shè):(1) 忽略鐵心的磁滯和渦流效應(yīng)，且不計磁場邊緣效應(yīng)；(2) 在一個電流脈沖周期，轉(zhuǎn)速恒定不變；(

56、3) 主電路供給電源的直流電壓 U恒定不變。在建立各項方程前，設(shè)m相SR電機各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)一樣，且第 k(k 1,m)相的磁鏈為k、電壓為Uk、電阻為Rk、電感為Lk、電流為ik、轉(zhuǎn) 矩為Tk，轉(zhuǎn)子位置角為k，電機的實時轉(zhuǎn)速為 。21 / 57F面分別針對這種“理想”的機電系統(tǒng)建立磁鏈方程、電壓方程和機械聯(lián)系方程。(1 )磁鏈方程般來說，SR電動機的各相繞組磁鏈 k為該相電流與自感、其余各相電流以與轉(zhuǎn)子位置角k的函數(shù)，即:k (i 1 ,. k ,im , k )(4.1)由于SR電動機各相之間的互感相對自感來說甚小，為了便于計算，一般忽略相間互感，因此，磁鏈方程也可簡寫成該相電流和電感的乘積，即：kk(ik, k) Lk(ik, k) i k(4.2)其中，每相的電感Lk是相電流ik和轉(zhuǎn)子位置角k的函數(shù)，它隨著轉(zhuǎn)子角位置而 變化，這正是SR電動機的特點。(2 )電壓方程由基爾霍夫定律可列寫出第 k相回路電壓平衡方程。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，故第k相繞組電壓方程：UhRhik d /dt(4.3)將4.