（電機(jī)與電器專業(yè)論文）無位置傳感器的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī).pdf

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t a s 出er e p r e s e m a t i v eo fm o d e me l e c t r i c a lm a c h i n e s ，s w i t c h e dr e l u c t a r l c e m a c h j n e ( s r m ) c o m b i n e st 1 1 ei o w c o s ts t r o n gs t m c t u r eo fr e l u c t a i l c em a c h i n ew i t l l e x c e l l e n tc o n t r o l l a b i l i t yo fm o d e mp o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u ea i l dm i c r o p r o c c s s o r c o n t r o lt e c h n i q u e i tm sb a s e so nr o t o fp o s i t i o ni n f o r m a t i o no h 宅r e db ym e c h a n i c a l s e n s o r ，w h i c hi n c r e a s e sc o s t 鋤dc o m p o n e n tc o u n t t h u s ，i ti sn c c e s s a r yt or e s e a r c ha s e n s o r l e s sd r i v es y s t e mf o rs r m t h i sp 印e rm a i n l yf o c u s e do nt l l ed e s i g no fas e n s o r l e s sd r i v es y s t e mf o rs r m b a s e do nt h e1 e x a si n s t n l m e n t st m s 3 2 0 f 2 4 0 7d s pb yd e t e “i n gt h ec h a i l g eo ft h e d e r i v a t i v eo f t l l ep h a s ec u r r e n t f i r s t l y ，血i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ed e v e l 印m e n ta n d 印p l i c a t i o no fs r m ， a n a l y z e dm e 疔鋤e w o r ko fs r da n dt h em e t h o do f n s o r l e s ss y s t e m s e c o n d l y ，t h i sp 印e rs 啪m a r i z e dt h em n n j n gm e c h a i l i s mo fs r da n da i l a l y z e d h o wt 0c o r l 打o lt h i ss y s t e m ，a n da l s oc o m p a r e de a c hc o n t r 0 1m e t h o d s t h i r d ly ，也i sp 印e rd e s c r i b e dv a r i o u sm e m o d so fs e n s o r l e s ss y s t e m ，a n d s i m u l a t e dt l l e mi nm a t l a b f o u 舳ly ，t h i sp a p e rd e s i g n e das e n s o r l e s s 出i v cs y s t c mb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0 7 d s pi i l 也i sc h a p t e r ，t h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t 、a r ed e s i 髓w e r ea 1 1 l i s t e d c l e a r l y f i n a l l y ，e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo nt l l i sp r a c t i c a ls y s t e m t h ee x p e r i m e n 詛l r e s u l t sv a i i d a t e da n dd e e p e n e dt h ec o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h e o r e t i c a lr e s e a f c ha n d g a v es o m ea d v i c eo nf h r t h e rr e s e a r c ho fs e n s o r l e s ss y s t e mf o rs r m k e y w o r d ： s r ms r ds e n s o r i e s ss y s t e md s pc o n t m l t e c h n i q u e c h a l l g eo f t h ed e v 撕v eo f t h ep h 髂ec u r r e n t i i 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 開關(guān)磁阻電機(jī)( s r m ) 在結(jié)構(gòu)、性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)各個(gè)方面均有優(yōu)于傳統(tǒng)電機(jī)的表現(xiàn)， 因而它的研究和開發(fā)受到廣泛關(guān)注。由于s f l m 結(jié)構(gòu)的特殊性，準(zhǔn)確的位置檢測是其可靠 運(yùn)行的必要條件。但一般的直接位置檢測器不僅會(huì)提高系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，更重要的是 會(huì)降低s r d 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，因而如何實(shí)現(xiàn)無位置檢測無疑 是一個(gè)重點(diǎn)研究方向。 1 1 開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展概述 人類關(guān)于能源的開發(fā)利用已經(jīng)經(jīng)歷了相當(dāng)漫長的歷史，從最初使用的是畜 力、水力、風(fēng)力，后來發(fā)明了蒸汽機(jī)、柴油機(jī)、汽油機(jī)，直到1 9 世紀(jì)才發(fā)明了電 動(dòng)機(jī)。由于電機(jī)的效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)、電能的傳輸和分配方便、電能容易控制， 現(xiàn)在電氣傳動(dòng)已經(jīng)成為絕大部分機(jī)械的傳動(dòng)方式。 在電氣傳動(dòng)發(fā)展的歷史中，首先出現(xiàn)的是直流電動(dòng)機(jī)，因此1 9 世紀(jì)8 0 年 代以前，直流傳動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。到了1 9 世紀(jì)末期。人類發(fā)現(xiàn)了交流 電在解決了三相交流電傳輸和分配的問題之后經(jīng)濟(jì)實(shí)用的籠型異步電動(dòng)機(jī) 登上了歷史的舞臺(tái)，交流電氣傳動(dòng)在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸得到了應(yīng)用【l 】。 隨著技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)的進(jìn)步，對(duì)電氣傳動(dòng)提出了更高的要求，比如電機(jī) 的啟動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)，傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速的精度、范圍等靜態(tài)特性以及動(dòng)態(tài)響應(yīng) 等，在這些方面直流電動(dòng)機(jī)比交流電動(dòng)機(jī)更容易滿足上述的要求，因此交流傳 動(dòng)系統(tǒng)又逐漸向直流傳動(dòng)過渡，上個(gè)世紀(jì)6 0 年代以前，在需要可逆、可調(diào)速和 高性能的電氣傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，直流傳動(dòng)系統(tǒng)一直占有統(tǒng)治性的地位。 到了上世紀(jì)6 0 年代以后，隨著電力電子學(xué)、微電子學(xué)和現(xiàn)代控制理論的發(fā) 展，交流電氣傳動(dòng)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，開始挑戰(zhàn)直流電氣傳動(dòng)的統(tǒng)治地位， 特別是交流電機(jī)的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制理論的產(chǎn)生以及應(yīng)用技術(shù)的推廣， 使得交流傳動(dòng)具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速以及可以四象限 運(yùn)行( 即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、電動(dòng)、制動(dòng)) 等良好的技術(shù)性能，其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能完 全可以與直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美。進(jìn)入上世紀(jì)9 0 年代，交流傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)取代直 流傳動(dòng)系統(tǒng)，成為電氣傳動(dòng)的主導(dǎo)q 開關(guān)磁阻電機(jī)( s 、v i t c h e dr e l u c t a i l c em a c h i n e 簡稱s r m ) 是2 0 世紀(jì)8 0 年 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 代發(fā)展起來的種新型電機(jī)，作為磁阻電動(dòng)機(jī)和電力電子技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的 一種機(jī)電一體化的無級(jí)交流調(diào)速電機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，調(diào)速性能優(yōu)良， 在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)具有較高頻率，可以在很小的電流下實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和頻繁正反 轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高精度、快響應(yīng)、高頻率和高輸出的性能指標(biāo)等諸多優(yōu)點(diǎn)。問世 以后就引起了各國電氣傳動(dòng)界的廣泛重視，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)( s r d ) 已經(jīng)在很多場 合獲得應(yīng)用，通用產(chǎn)品用于一般工業(yè)中，特殊產(chǎn)品主要用于牽引機(jī)車、電動(dòng)汽 車以及飛機(jī)的啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)等等【2 】。 1 2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由4 部分組成：開關(guān)磁阻電機(jī)( s r m ) ，功率變 換器、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)。s r m 是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是此系統(tǒng)區(qū) 別于其它電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要標(biāo)志。功率轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)提供能量，一般是由交 流電經(jīng)整流后得到的直流供電?？刂破魇谴讼到y(tǒng)的核心，處理反饋信號(hào)，計(jì)算 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置，從而輸出相應(yīng)控制信號(hào)來控制電機(jī)以實(shí)現(xiàn)需要的功能。檢測 系統(tǒng)一般包括電流檢測和位置檢測，為控制系統(tǒng)提供必需的信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖1 1 所示【6 】。 圖1 1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成 1 3 無位置檢測器的開關(guān)磁阻電機(jī) 對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息是其可靠運(yùn) 行的必要前提( 見圖1 1 ) 。目前實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用軸位置傳感器或者其 它類型的探測式位置檢測器來獲得位置信息，這不僅會(huì)提高系統(tǒng)成本和復(fù)雜程 度，更重要的是會(huì)降低s r d 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，影晌整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行， 尤其是在某些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的場合。因此如何讓它去掉位置檢測，直接利 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 用電機(jī)的電壓和電流信息間接確定轉(zhuǎn)子位置，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，運(yùn)行 更加可靠、高效，成本更加低廉，無疑成為一個(gè)很有潛力的研究方向。 關(guān)于s r m 的間接位置檢測，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了許多方案，大致可以分 為兩大類隊(duì)有效電流定位法( n o n i r l 仇j s i v em e 廿1 0 d s ) 和脈沖注入法( i n n m s i v e m e 也o d so ra c t i v ep r o b i n gm e t h o d s ) 。前者不需任何人為產(chǎn)生的電壓電流信息， 直接以電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流電壓信息為基礎(chǔ)，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際模型或特性曲線得 到位置信息，例如磁鏈法、感應(yīng)電勢法、電流變化法和基于模型的觀測器法。 后者則充分利用空閑相，人為地注入低幅高頻的模擬測試信號(hào)從而產(chǎn)生需要的 電流等信息以得到位黌信息，例如電流波形監(jiān)視法、信號(hào)調(diào)制編碼法和磁通傳 感技術(shù)都屬于這一類。 理論上有效電流定位法是沒有速度限制的，但由于需要比較準(zhǔn)確的電機(jī)實(shí)際 模型或某些特性曲線，例如磁鏈電流關(guān)系曲線，因而算法往往較為復(fù)雜，所 需計(jì)算時(shí)間較長，而為了獲得準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)子位置，對(duì)位置檢測的實(shí)時(shí)性要求很 高，這時(shí)算法的適用速度就受到了其復(fù)雜程度和c p u 的限制，因此實(shí)際應(yīng)用中仍 有其速度限制；脈沖注入法的算法盡管相對(duì)比較簡單，但基于高頻脈沖的輸入使 其不免有著內(nèi)在固有的速度限制，而且測試電流可能帶來負(fù)轉(zhuǎn)矩，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)出 力和效率的影響也是很大的不足。由此可知這些方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但綜觀其實(shí) 際效果卻有一個(gè)莢同的不足之處，就是算法的準(zhǔn)確應(yīng)用是在一定的速度限制條件 下，在上面提到的文獻(xiàn)中，算法實(shí)現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速都沒有超過2 0 0 0 “m i t l 。這意味 著目前間接位置檢測技術(shù)將無位置傳感器s r m 電機(jī)局限在中低速領(lǐng)域，但恰恰是 在高速領(lǐng)域，位置傳感器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性、運(yùn)行可靠性的負(fù)面影響會(huì)更嚴(yán)重。 因此如果要將無位置傳感器s r m 應(yīng)用在高速領(lǐng)域，必須先實(shí)現(xiàn)高速下的間接位置 檢測 4 5 1 。 1 4 本課題研究的主要內(nèi)容 隨著開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的研究也在不斷 深入，如何實(shí)現(xiàn)無位置檢測器的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性以及 有定實(shí)用價(jià)值的研究方向。本人在學(xué)習(xí)有關(guān)開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行理論的基礎(chǔ)上， 了解了目前流行的各種無位鬻檢測方案，重點(diǎn)研究有效電流定位法中的其中一 種相電流梯度法，并做了以下一些工作：系統(tǒng)控制策略的研究：在m a t l a b 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 里面采用s i m u l i l l l 【實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真；以t i 公司2 4 0 7 d s p 芯片為核心，選擇電力 電子器件以及功率模塊，繪制系統(tǒng)電路原理圖以及p c b 電路板；采用c ，a s m 語言編寫程序；系統(tǒng)調(diào)試和后期性能測試等等。論文的情況大致如下： 第一章為緒論，主要介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成以 及無位置檢測方法的基本情況。 第二章主要介紹開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的本體構(gòu)造以及調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成，分析開 關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略。 第三章主要介紹無位置檢測方案，包括方法研究以及仿真實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)研究 相電流梯度法。 第四章主要介紹實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件結(jié)構(gòu)以及軟件流程，以及無位 置方法的實(shí)施、計(jì)算等。 第五章為實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理，包括一些數(shù)據(jù)以及波形，并對(duì)照理論進(jìn)行分析。 最后為實(shí)驗(yàn)總結(jié)和展望，提出不足，指出進(jìn)一步研究的方向和設(shè)想。 4 浙江太學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章開關(guān)磁阻電機(jī)( s 礎(chǔ)垤) 及其調(diào)速系統(tǒng)( s r d ) 開關(guān)磁阻電機(jī)是磁阻電機(jī)與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)相結(jié)臺(tái)的產(chǎn)物，它既繼 承了磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固的優(yōu)點(diǎn)，又在高度發(fā)展的電力電子和微機(jī)控制技術(shù)的支持下獲 得了良好的可控性，已逐漸在電動(dòng)調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)獲得一席之地，展現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。本 章將對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理加以闡述。 2 1 開關(guān)磁阻電機(jī)( s 礎(chǔ)) 2 1 1 開關(guān)磁阻電機(jī)的由來 在第一章緒論中已經(jīng)提及，在電氣傳動(dòng)的發(fā)展歷史上，出現(xiàn)了直流一交流 一直流一交流的發(fā)展規(guī)律，這是與技術(shù)的發(fā)展、新技術(shù)的出現(xiàn)密切相關(guān)的，尤 其從上世紀(jì)6 0 年代以來，交流調(diào)速系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是以電力電子學(xué)、微電子 學(xué)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展為基礎(chǔ)，在這樣的背景下，開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。 早在1 6 0 多年前就誕生了磁阻式電動(dòng)機(jī)，但在此后漫長的時(shí)期里，一直被認(rèn) 為是一種性能( 效率、功率因數(shù)、利用系數(shù)等) 不高的電動(dòng)機(jī)，因而僅應(yīng)用于少 數(shù)小功率場合。最近2 0 年來的研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)工作，使磁阻式電動(dòng)機(jī)的性能不斷 提高，目前已經(jīng)能在較大的功率范圍內(nèi)使其性能不低于其它型式的電動(dòng)機(jī)【4 1 。 7 0 年代初，美國福特電動(dòng)機(jī)( f o r dm0 t l w ) 公司研制出最早的開關(guān)磁阻電動(dòng) 機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)為軸向氣隙電動(dòng)機(jī)、晶閘管功率電路，具有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī) 運(yùn)行狀態(tài)和較寬范圍調(diào)速的能力，特別適合用于蓄電池供電的電動(dòng)車輛傳動(dòng)。7 0 年代中期，在工業(yè)部門的促進(jìn)下，利茲( l e e d s ) 大學(xué)和諾丁漢( n o t t i i l g l 蚴) 大學(xué)組成研究小組，共同研制以傳動(dòng)電動(dòng)車輛為目標(biāo)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系 統(tǒng)。他們?cè)趯?duì)該系統(tǒng)的理論研究和實(shí)踐方面做了大量工作后，研制的樣機(jī)容量從 1 0 w 到5 0 k w ，轉(zhuǎn)速從7 5 0 t p m 到l o 0 0 0 叩m ，其系統(tǒng)效率和電動(dòng)機(jī)利用系數(shù)等主要 指標(biāo)達(dá)到或超過了傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)。隨后以研究小組為基礎(chǔ)成立了開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)公司( s 謝t c h e dr e l u c t a i l c e d r i v e s l n ) 經(jīng)營其研究成果。1 9 8 1 年英國 1 a s c 公司獲準(zhǔn)制造該系統(tǒng)，并于1 9 8 3 年推出商品名為o u l t o n 的通用調(diào)速系列產(chǎn) 品，其容量范圍為4 2 2 k w 。該產(chǎn)品的出現(xiàn)在電氣傳動(dòng)界引起了很大的反響。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 它在很多性能指標(biāo)上達(dá)到出人意料的高水晶，整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能價(jià)格指標(biāo)達(dá)到 或超過了工業(yè)中長期廣泛應(yīng)用的一些變速傳動(dòng)系統(tǒng)。原聯(lián)邦德國在1 9 8 4 年至1 9 8 6 年期間也先后完成了l k w ，1 2 k w ，5 k w 樣機(jī)的試制。美國、加拿大、南斯拉夫、 埃及、新加坡等國也都競相發(fā)展，我國于1 9 8 4 年左右也以較高的起點(diǎn)開始s r 電 機(jī)的研究、開發(fā)工作。s r 電動(dòng)機(jī)成為8 0 年代熱門的調(diào)速電動(dòng)機(jī)，9 0 年代以后 形成了理論研究與實(shí)際應(yīng)用并重的發(fā)展態(tài)勢【2 】1 4 1 。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅為工業(yè)、交通、國防及家用電器等部門 提供了一種優(yōu)越的調(diào)速系統(tǒng)，而且也因?yàn)槠渚哂械牡湫蜋C(jī)電一體化結(jié)果豐富了 “機(jī)械電子學(xué)”的成功實(shí)例。在國外推廣較早較成熟的有：礦山機(jī)械( 采煤機(jī)、 輸送帶等) 、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、電梯、電動(dòng)汽車、洗衣機(jī)、食品加工機(jī)、火車空調(diào)機(jī)、 織布機(jī)等。國內(nèi)近年已有一大批高校、研究所和工廠投入了開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的研究、開發(fā)和制造工作。其產(chǎn)品己應(yīng)用于紡織、冶余、機(jī)械、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè) 的數(shù)十種生產(chǎn)機(jī)械和交通工具中，發(fā)展速度十分迅猛。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在一些機(jī)械中發(fā)揮出獨(dú)有的優(yōu)勢，已難以為其它變 速傳動(dòng)系統(tǒng)所代替。可以預(yù)言，該系統(tǒng)必將在我國乃至世界的變速傳動(dòng)領(lǐng)域中占 有一席之地l ”。 2 1 2 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)及特性 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)( s r m ) 是雙凸極可變磁阻電動(dòng)機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子的凸極均 由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子極上有集中繞組，徑 向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成個(gè)兩極磁極，稱為“一相”。 s r m 屬于磁阻式電機(jī)，這類電機(jī)基于磁通總是沿磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原 理運(yùn)行。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)單相磁場，其分布要遵循“磁阻最小原 則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸 線不重合時(shí)，便會(huì)有磁阻力作用在轉(zhuǎn)予上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其趨于磁阻最小的位置， 即兩軸線重合位置，這類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象。 s r m 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)成多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，而且定、轉(zhuǎn)子的極 數(shù)也有多種不同的搭配，如圖2 1 所示f 4 1 。相數(shù)多，步距角小，利于減小轉(zhuǎn)矩 脈動(dòng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且主開關(guān)器件增多，成本高。三相以下的開關(guān)磁阻電 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 動(dòng)機(jī)無自起動(dòng)能力，因此目前應(yīng)用較多的是三相、四相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。 兩翱“搬g 陷 婦i 蘭相$ ，搬瓣 鼢 四相甜硼l s 瞄 啦j 五稍1 日撮s 描 螂 圖2 1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 開關(guān)磁阻電機(jī)的性能特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面【嘲： ( 1 ) 可控參數(shù)多，調(diào)速性能好，且可四象限運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)特定要求的調(diào)速控 制。 ( 2 ) 轉(zhuǎn)子無繞組也無永久磁鐵，定子為集中繞組，比傳統(tǒng)的任何類型的電動(dòng) 機(jī)都簡單，制造和維護(hù)方便。中小功率的通用型s r m 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的成本低于同 功率的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，特別是小功率s r 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有很高的性能 價(jià)格比。 ( 3 ) 較小的起動(dòng)電流，卻獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 ( 4 ) 轉(zhuǎn)子無繞組，不存在勵(lì)磁損耗和轉(zhuǎn)差損耗，且在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)效率 和功率因數(shù)都較高。 ( 5 ) 能在比常規(guī)電機(jī)高得多的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。據(jù)報(bào)道，轉(zhuǎn)速可高達(dá)1 0 5 r m i n 。 ( 6 ) 經(jīng)專門設(shè)計(jì)，在低速下可產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，有的達(dá)1 0 3 n m 。 ( 7 ) 堅(jiān)固耐用，特別適用于惡劣環(huán)境中，例如煤礦井下。 當(dāng)然開關(guān)磁阻電機(jī)也存在一些不足，比如 3 i 5 l ： ( 1 ) 系統(tǒng)運(yùn)行需要電動(dòng)機(jī)位置信號(hào)的反饋，而位置傳感器的引入使電動(dòng)機(jī)結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試?yán)щy。電動(dòng)機(jī)和控制器之間的連線增加，而且位置傳感器的分 辨率有限，使系統(tǒng)的運(yùn)行性能下降。 ( 2 ) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，通常轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的典型值為士1 5 。 由轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)導(dǎo)致的噪聲問題以及特定頻率下的諧振問題也較為突出。 ( 3 ) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相數(shù)越多，主接線數(shù)越多。 ( 4 ) 籠型異步電動(dòng)機(jī)可以直接接入電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，可以沒有控制環(huán)節(jié)，而開 關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)必須配合控制器才能穩(wěn)定工作。 浙江大學(xué)碩1 學(xué)位論文 這些缺點(diǎn)限制了開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用、也促使國內(nèi) 外學(xué)者對(duì)它作進(jìn)一步的研究與開發(fā)。 2 1 3 開關(guān)磁阻電機(jī)的線性數(shù)學(xué)模型 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)采用雙凸極鐵心結(jié)構(gòu)，并且只在定子上安裝各相勵(lì)磁繞組， 因而它的運(yùn)行和分析均有別于一般的傳統(tǒng)電機(jī)。繞組電流的非正弦與鐵心磁通 密度的高飽和是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的兩個(gè)主要特點(diǎn)。這些決定了它的電感是 轉(zhuǎn)子角度位置和定子電流的復(fù)雜函數(shù)；電流和磁鏈隨時(shí)間和位置呈單向脈沖性 變化，氣隙磁場也是脈動(dòng)性質(zhì)的。總之，開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系和運(yùn)行 特性都非常復(fù)雜，要建立精確的數(shù)學(xué)模型非常困難，因此有必要從實(shí)際應(yīng)用的 角度出發(fā)對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行一些簡化【3 】1 4 】【6 】【7 】【”。 作如下假設(shè)： ( 1 ) 電動(dòng)機(jī)各相參數(shù)對(duì)稱，每相的兩個(gè)線圈作正向串聯(lián)，忽略相間互感； ( 2 ) 半導(dǎo)體開關(guān)器件為理想開關(guān)，開關(guān)動(dòng)作是瞬時(shí)完成的； ( 3 ) 忽略鐵心的磁滯和渦流效應(yīng)，即忽略所有的功率損耗； ( 4 ) 極尖的磁通邊緣效應(yīng)忽略不計(jì)； ( 5 ) 在一個(gè)電流脈動(dòng)周期內(nèi)，認(rèn)為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度哂是常數(shù)。 以下研究分析皆以上述假設(shè)為基礎(chǔ)。 為了簡化分析，先對(duì)相繞組電感進(jìn)行線性化處理，如圖2 2 。 l 一j ，一1 ：j 后沿 前沿 _ j_ j 、j 7 l 匕 ! rj 1 一 。 rh _ 。! ( 月) 一 二 _ 圖2 2 相繞組電感線性模型 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，電感周期性地發(fā)生變化，定轉(zhuǎn)子重合時(shí)，電感最大： 分開時(shí)，電感逐漸變小，在每個(gè)具體區(qū)域，電感曲線都呈線性，這樣可以極大 地方便計(jì)算和分析，同時(shí)也不會(huì)跟實(shí)際電感曲線相差太遠(yuǎn)。由圖2 - 2 可以得出 “理想化”的線性開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相繞組電感的分段線性解析式，即： 上( 目) = b 臼 島 島口 6 1 l ( 2 1 ) 島臼 以 致臼 只 式中，k = ( k 。一k 。) ( 島一島) = ( k 。一k 。) 屈。 電機(jī)的一相電路方程為： u ：r f + 旦絲( 2 2 ) 以 式中u 是加在該相繞組上的電壓；r 是該相繞組的電阻；i 是流過該相繞組的 電流：、l ，是該相繞組的磁鏈。通常一相繞組的磁鏈、 ，為同相繞組電流i 和轉(zhuǎn)子 位置角e 的函數(shù)，即： 妒= ( f ，目) ( 2 3 ) 電機(jī)的磁鏈可用電感和電流的乘積表示，即： = 三( f ，療) f ( 2 4 ) 結(jié)合電感分段線性曲線，可得： = 研+ 象+ ，嘉國 ( 2 吲 式中第一項(xiàng)為電阻壓降，第二項(xiàng)為繞組中的變壓器電勢引起的壓降第三項(xiàng)為 旋轉(zhuǎn)電勢引起的壓降。式2 5 即為本文分析使用的s r m 電壓方程。 在圖2 2 中，若在電感上升區(qū)域e 2 e 3 內(nèi)給繞組通電，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢為正值， 產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電源提供的電能一部分轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，一部分以磁場能量 的形式儲(chǔ)存在繞組電感中；若通電繞組在0 2 e 3 區(qū)域斷電，儲(chǔ)存在繞組電感里 的磁場能量一部分轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，一部分則回饋給電源，這時(shí)轉(zhuǎn)軸上獲得的依 然是電動(dòng)轉(zhuǎn)矩i 在電感最大區(qū)e 3 0 4 內(nèi)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢為零，如果電流繼續(xù)流動(dòng)， 繞組電感中的磁場能量則僅回饋給電源，轉(zhuǎn)軸上沒有電磁轉(zhuǎn)矩；若在電感下降 區(qū)e 4 e 5 內(nèi)電流繼續(xù)流動(dòng)，由于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢為負(fù)值，將產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這時(shí)回 9 細(xì) j以 + 卜 咖 即 m pm k 刖k k 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 饋給電源的能量既有繞組電感釋放的磁場能量，也有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)械能， 即開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在再生發(fā)電狀態(tài)。 對(duì)于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)來說，為了得到較大的有效電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一方面應(yīng)盡量 增加電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即在繞組電感隨著轉(zhuǎn)子位置變化而上升的區(qū)域內(nèi)流過的較大電 流。通常在電感剛開始上升點(diǎn)曉之前接通主電路電源，這時(shí)電路起始的有效電 感為三。m ，從而使繞組電流迅速建立起來，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到處時(shí)，電流上升到最 大值，隨后因電感的上升以及旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢的產(chǎn)生，一般電流不再上拜。另應(yīng)盡 量減少制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即在繞組電感開始隨著轉(zhuǎn)子位置變化而下降時(shí)應(yīng)盡快使繞組 電流衰減到零，為此，關(guān)斷角8 析應(yīng)該設(shè)計(jì)到最大電感到達(dá)之前。某一相的主 開關(guān)器件關(guān)斷后，反向電源電壓加在繞組的兩端，電流流向電源，繞組電流迅 速下降，以保證在電感下降區(qū)內(nèi)流動(dòng)的電流很小，并很快下降為零。 典型的相電流曲線如圖2 3 所示，導(dǎo)通后迅速到達(dá)最高點(diǎn)，然后隨著電感 的上升緩慢下降，關(guān)斷后迅速下降。電流的波形與開通關(guān)斷角有密切關(guān)系，改 變開通角或者關(guān)斷角，電流波形會(huì)有相應(yīng)變化。 圖2 3s r m 相電流波形與電感關(guān)系圖 考慮到磁路的飽和效應(yīng)，實(shí)際磁鏈跟電流的變化關(guān)系應(yīng)該如圖2 4 ( a ) 所示， 但該曲線應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)相當(dāng)困難。由m i l l 盯提出的所謂準(zhǔn)線性模型，即用兩 段真線的理想飽和磁化曲線圖2 4 ( b ) 代替實(shí)際的非線性磁化曲線，既近似考慮 o 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 了磁路的非線性，又容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算快速，所以采用此模型進(jìn)行定性分析不失 合理性 9 j 。 l 辟v 廠1 坩u 1 。廠 ( a ) 實(shí)際磁化特性曲線 ( b ) 分段線性近似的磁化曲線 圖2 4s r m 分段線性磁化曲線 2 2 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)( s r d ) 2 2 1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 1 所示，主要由4 部分組成：開關(guān)磁阻 電機(jī)( s r m ) 、功率變換器、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)。s r m 是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的 部件，也是此系統(tǒng)區(qū)別于其它電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要標(biāo)志。功率轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)提 供能量，一般是由交流電經(jīng)整流后得到的直流供電。控制器是此系統(tǒng)的核心， 處理反饋信號(hào)，計(jì)算轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置，從而輸出相應(yīng)控制信號(hào)來控制電機(jī)，實(shí) 現(xiàn)需要的功能。檢測系統(tǒng)一般包括電流檢測和位置檢測，為控制系統(tǒng)提供必需 的信號(hào)。s l t m 已在2 1 中作了詳細(xì)論述，下面簡要介紹功率變換器、控制系統(tǒng) 以及檢測系統(tǒng)。 2 2 1 1 功率變換器 目前可供選擇的功率變換器主開關(guān)器件有普通晶閘管( s c r ) 、可關(guān)斷晶閘 管( g 1 o ) 、大功率晶閘管( g t r ) 、功率m o s 場效應(yīng)管( m o s f e t ) 、絕緣柵 雙極性晶體管( i g b t ) 等。開關(guān)器件的選擇與電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)、供電電壓、 峰值電流、成本有關(guān)；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、并聯(lián)運(yùn)行的難易性、峰值電流定額和有效值( 或者平均值) 電流定額的比值大小以及市場普及性等也有關(guān)f 1 0 】。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 功率變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式多樣，常見的有 + u v d 6 圈2 5 不對(duì)稱半橋線路( 三相) ( 1 ) 不對(duì)稱半橋式 圖2 5 為采用不對(duì)稱半橋線路作為主電路結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 的功率變換器【6 】 1 1 】【i 2 】【1 4 】，每相有兩個(gè)主開關(guān)器件，從圖中可以看出，采用不對(duì) 稱半橋線路作為主電路的功率交換器具有以下的特點(diǎn)：有效的全部電源電壓可 用來控制相繞組電流；相控獨(dú)立性較好，對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相數(shù)沒有限制：線 路中每相需要兩個(gè)主開關(guān)器件，開關(guān)管子需求太大?？傊?，不對(duì)稱半橋線路適 用在高壓、大功率以及開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相數(shù)較少的場合下。 ( 2 ) 雙繞組功率變換器 圖2 6 雙繞組功率變換器( 三相) 圖2 6 所示為雙繞組功率變換器的主電路結(jié)構(gòu) 6 】。雙繞組功率變換器要求開 關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)每相有一個(gè)二次繞組與一次繞組完全耦合( 一般采用雙股并繞， 匝數(shù)比為l ：1 ) 。如圖所示，每相有主、副兩個(gè)繞組，主、副繞組雙線并繞，同 名端反接，其匝比為1 ：l 。主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電源u s 對(duì)主繞組供電；當(dāng)其關(guān)斷時(shí)， 靠磁耦合將主繞組a 的電流轉(zhuǎn)移到副繞組b ，通過二極管v d 續(xù)流，向電源迅 速回饋電能，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。由于主、副繞組之間不可能完全耦合，在關(guān)斷瞬 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 間，因漏磁及漏感作用，其上會(huì)形成較高的尖峰電壓，故需要有良好的吸收電 路。另外，由于采用主、副兩個(gè)繞組，因而電機(jī)槽及銅線利用率低。 ( 3 ) 采用分裂式直流電源( 電容分壓) 的功率變換器 圖2 7 所示為采用分裂式直流電源的功率變換器的主電路結(jié)構(gòu)【6 】。 v d 4 圖2 7 采用分裂式宣流電源的功率變換器( 四相) 這種功率變換器的主電路結(jié)構(gòu)的外加直流電源u 澈兩個(gè)裂相電容c ；一分為 二，兩相繞組的一端共同接至雙極性直流電源的中點(diǎn)，因此，該功率變換器方案 只適用于偶數(shù)相的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。相繞組的額定工作電壓僅為電源電壓的一 半。該電路須限制中點(diǎn)電位u o 的漂移。 ( 4 ) 再生式功率變換器( 公共開關(guān)式) 圖2 8 所示的是再生式功率變換器的主電路結(jié)構(gòu)6 1 。 r v f - u l i u s + 咖l i v d l 誓1：v 。z9 1 i - - - - - - - - 一 l。 j ，o 。書。 圖2 8 再生式功率變換器( 三相) 這種功率變換器的電路中增加一個(gè)與所有相都成串聯(lián)關(guān)系的附加開關(guān)v f m ， 附加的開關(guān)器件與某相的主開關(guān)器件同時(shí)開通，同時(shí)關(guān)斷。公共開關(guān)對(duì)供電相實(shí) 施斬波控制，當(dāng)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源u 。向相繞組a 供電；當(dāng)v i 導(dǎo)通、v f 。關(guān)斷 時(shí)，相電流經(jīng)v d 續(xù)流。當(dāng)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電源u s 通過v d 和v d i 反加于相繞組a 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a 兩端，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫續(xù)流換相；若。導(dǎo)通、v 1 關(guān)斷時(shí)，相電流將經(jīng)v d 續(xù)流，因 相繞組a 兩端不存在與電源供電電壓反極性的換相電壓，這不利于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換 相。 盈壁圈 ( a ) 電容轉(zhuǎn)儲(chǔ)式( b ) 電阻換相式 ( c ) h 橋式 圖2 9 幾種非典型的主電路拓?fù)?( 5 ) 電容轉(zhuǎn)儲(chǔ)式 圖2 9 ( a ) 所示為電容轉(zhuǎn)儲(chǔ)式功率變換器電路 1 4 】。當(dāng)主開關(guān)s i 導(dǎo)通時(shí)，電源u s 對(duì)相繞組a 供電；當(dāng)s 1 關(guān)斷時(shí)，相電流經(jīng)二極管v d l 續(xù)流，向電能轉(zhuǎn)儲(chǔ)電容c 1 充 電：再適時(shí)控制開關(guān)s 的通斷，使電容c l 向電容c 轉(zhuǎn)移電能，實(shí)現(xiàn)兩次饋電。 ( 6 ) 電阻換相式 圖2 9 ( b ) 所示的電阻換相式功率變換器主電路中，主開關(guān)s 導(dǎo)通時(shí)電源u s 向相繞組a 供電；當(dāng)s 關(guān)斷后，續(xù)流電流i 經(jīng)v d 流過換相電阻r 時(shí)，產(chǎn)生換相電 壓，反加于相繞組兩端，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。由于換相電阻要消耗電能，系統(tǒng)效率不 高，故該電路僅適用于低成本的微電機(jī)系統(tǒng)。 ( 7 ) h 橋式 圖2 9 ( c ) 所示的為h 橋式功率變換器主電路，該變換器比四相電容分壓式功率 變換器主電路少兩只串聯(lián)的分壓電容，換相的磁能以電能形式一部分回饋電源， 另一部分注入導(dǎo)通相繞組，引起中點(diǎn)電位u o 的較大浮動(dòng)。它要求每一瞬間必須上、 下各有一相導(dǎo)通。 功率主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用的依據(jù)和原則是f 4 】： ( 1 ) 適用的相數(shù) 上面介紹的七種常用的功率變換器主電路中，電容分壓式只適用于相數(shù)是偶 數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)，h 橋式僅適用于相數(shù)是4k ( k = 1 、2 、3 、4 ) 的開關(guān)磁阻 電機(jī)，其它五種主電路均適用于任意相數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)。 ( 2 ) 電源有效利用率 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 反映功率變換器主電路電源有效利用率的參數(shù)有兩個(gè)： ( 1 ) u s u m ：即功率變換器主電路的的直流電源供電電壓u s 與相繞組最大供 電電壓u m 之比。該參數(shù)最好為1 ，這樣在同容量條件下，開關(guān)磁阻電機(jī)的相電 流小、銅損耗小、系統(tǒng)效率高。 ( 2 ) u c u m ：即相繞組的換相電壓u c 與相繞組最大供電電壓u m 之比。從主 開關(guān)和續(xù)流二極管額定工作電壓的合理性和系統(tǒng)快速換相的要求出發(fā)，該參數(shù)最 好也取為1 。 ( 3 ) 相控獨(dú)立性 欲保持多相開關(guān)磁阻電機(jī)每相均衡工作，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，最好 做到獨(dú)立控制各相的供電電壓和換相電壓，使之不受其它相的影響。上面給出的 七種功率變換器主電路中，唯有雙開關(guān)式和雙繞組式功率變換器可做到各相獨(dú)立 控制，且控制簡便。 2 。2 1 2 控制系統(tǒng) s r d 系統(tǒng)的控制問題包括：控制器的構(gòu)成、系統(tǒng)控制的基本方法，運(yùn)行性 能的優(yōu)化以及系統(tǒng)作為速度閉環(huán)控制的分配與綜合等口5 m 】。 s r d 系統(tǒng)中，要求控制器具有以下功能：( 1 ) 實(shí)現(xiàn)電流斬波控制( c c c 控制) ； ( 2 ) 實(shí)現(xiàn)角度位置控制( a p c 控制) ；( 3 ) 實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、制動(dòng)、停車及四象限運(yùn)行： ( 4 ) 速度調(diào)節(jié)。 控制器還應(yīng)配有電流和電流斬波電路。在進(jìn)行速度調(diào)節(jié)時(shí)，可采用比例一 積分控制算法( p i 調(diào)節(jié)) 、比例微分控制算法( p l d 算法) 和鎖相環(huán)路控制算法 ( p l l 調(diào)節(jié)) 等。若采用這些算法，則還需要速度差和頻率相位差檢測電路等。 此外，控制器還應(yīng)具備運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、控制信號(hào)輸出邏輯、轉(zhuǎn)速顯示等電路。 如果采用微機(jī)構(gòu)成控制器，其許多控制功能都是由軟件完成的，根據(jù)具體開關(guān) 磁阻電動(dòng)機(jī)的性能制定合理有效的算法，根據(jù)軟件編程來實(shí)現(xiàn)各個(gè)緩解的控制， 一般來說，軟件程序自一個(gè)主程序和若干個(gè)中斷服務(wù)程序組成。主程序的功能 是設(shè)置參數(shù)初始值、外圍接口芯片初始化、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、速度調(diào)節(jié)、查詢運(yùn)行 情況、要求改變狀態(tài)及相應(yīng)處理、轉(zhuǎn)速計(jì)算及顯示等。 2 2 1 3 檢測系統(tǒng) 檢測系統(tǒng)包括電流檢測和位置檢測兩部分。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 電流檢測【6 】 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)需要進(jìn)行相電流的檢測，電流檢測是開關(guān)磁阻電 動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電流斬波控制方式的需要，也是實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的需要。開關(guān)磁阻 電動(dòng)機(jī)的相電流具有單向、脈動(dòng)以及波形隨運(yùn)行方式、運(yùn)行條件不同而發(fā)生很 大變化的特點(diǎn)。因此，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電流檢測器需要具有以下的性 能特點(diǎn)： ( a ) 快速性能好，從電流檢測到控制主開關(guān)器件動(dòng)作的延時(shí)應(yīng)該盡量?。?( b ) 被檢測的主電路( 強(qiáng)電部分) 與控制電路( 弱電部分) 之間應(yīng)該有良 好的隔離，并且具有一定的抗干擾能力； ( c ) 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流： ( d ) 單向電流檢測，在一定的工作范圍內(nèi)具有良好的線性度。 目前，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電流檢測方法主要有：( i ) 電阻采樣法； ( i i ) 直流電流互感器采樣法；( i i i ) 霍爾電流傳感器元件采樣法：( i v ) 磁敏電 阻采樣法。本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用的是霍爾電流傳感器元件采樣法來進(jìn)行電 流檢測，四相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)使用四個(gè)霍爾電流傳感器分別對(duì)四相相電流進(jìn)行 檢測。具體方法將在后面進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 ( 2 ) 位置檢測【4 】 位置檢測是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自同步運(yùn)行的前提條件，對(duì)于系 統(tǒng)的位置檢測環(huán)節(jié)，目前主要分為兩類，即直接位置檢測和間接位鬣檢測。直 接位置檢測一般是指使用光電式、磁敏式位置傳感器以及接近開關(guān)等器件進(jìn)行 位置檢測；而間接位景檢測是指無位置傳感器檢測方法，比如定子繞組瞬態(tài)電 感信息的波形檢測法、基于狀態(tài)觀測器的無位鐔傳感器檢測法以及反串線圈檢 測法等技術(shù)。本課題設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)為了調(diào)試和驗(yàn)證的方便，設(shè)計(jì)了典型的四相8 6 極開關(guān)磁阻電機(jī)的光電式位置檢測器。位置傳感器的齒盤與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，并 且極數(shù)相同，齒槽距相等；兩只光電開關(guān)s q 和s p 相隔1 5 。固定在機(jī)殼上。因 此，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)光電開關(guān)通過外圍電路輸出p 、q 兩路相差9 0 。的基 本信號(hào)，經(jīng)整流、濾波便可獲得較好的方波信號(hào)。捕捉這兩路信號(hào)的上下沿即 可獲得開關(guān)磁阻電機(jī)各相觸發(fā)的基準(zhǔn)點(diǎn)，并可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)位置和速度的檢 測。無位置傳感器檢測方法采用相電流梯度法，具體內(nèi)容將在第三章中詳述。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制策略 本章2 1 論及開關(guān)磁阻電機(jī)的特性時(shí)已經(jīng)提到，普通的籠型異步電動(dòng)機(jī)可 以直接接入電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，而開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)必須配合控制器才能穩(wěn)定工作。 這是開關(guān)磁阻電機(jī)有別于一般電機(jī)的地方，也是它控制方式靈活多變，控制方 法不拘一格的原因所在。能夠應(yīng)用在其它電機(jī)上的控制理論基本上都可以應(yīng)用 在開關(guān)磁阻電機(jī)上，比如最常見的p i 或p i d 調(diào)節(jié)、模糊控制等；而開關(guān)磁阻電 機(jī)還有其特有的一些控制方法，下文將對(duì)其具體控制策略加以總結(jié)和討論。 開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有繞組，只有定予繞組。s r d 調(diào)速系統(tǒng)的控制參數(shù) 主要有開通角、關(guān)斷角、主電路電壓以及相電流等，因此它的控制策略也就是 針對(duì)這幾個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)以達(dá)到運(yùn)行要求。根據(jù)改變控制參數(shù)的不同方式，目前 s r m 主要有3 種控制模式【3 3 。7 1 ，即角度位_ 置控制( a n g u l a rp o s i t i o nc o n 仃o l ，簡 稱a p c ) 、電流靳波控制( c u r r e m c h o p p i l l g c o n 廿o l ，簡稱c c c ) 與電壓控制( v o l t a g e c o n 仃o l ，簡稱v c ) 。其中，a p c 是電壓保持不變，通過改變開通角和關(guān)斷角調(diào) 節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，適于電機(jī)較高速區(qū)，但是對(duì)于每一個(gè)由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩確定的運(yùn)行點(diǎn)， 開通角與關(guān)斷角有多種組合，每一種組合對(duì)應(yīng)不同的性能，具體操作較復(fù)雜， 且很難得到滿意的性能；c c c 一般應(yīng)用于電機(jī)低速區(qū)，是為限制電流超過功率 開關(guān)元件和電機(jī)允許的最大電流而采取的方法，c c c 實(shí)際上是調(diào)節(jié)電壓的有效 利用值，與a p c 類似，它也可以隨轉(zhuǎn)速、負(fù)載要求調(diào)節(jié)丌關(guān)角；v c 是在固定 的開關(guān)角條件下，通過調(diào)節(jié)繞組電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，它分直流側(cè)p w m 斬波調(diào) 壓、相開關(guān)斬波調(diào)壓與無斬波調(diào)壓，而無斬波調(diào)壓是通過調(diào)節(jié)整流電壓以響應(yīng) 電機(jī)轉(zhuǎn)速要求，在整個(gè)速度范圍內(nèi)只有一個(gè)運(yùn)行模式，即單脈沖方式。 ( 1 ) 角度位置控制( a p c ) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)在高速段運(yùn)行的時(shí)候，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢比較大，而且各相主開關(guān)器件 導(dǎo)通的時(shí)間比較短，因此相電流比較小，不適合用電流斬波控制方法( c c c ) 。 此時(shí)可以通過調(diào)節(jié)開通、關(guān)斷角度的大小來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。在2 1 中已 經(jīng)提到，在電感上升區(qū)導(dǎo)通的話，電流可以產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩：反之若在電感下降 去導(dǎo)通，則會(huì)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，因此如何選擇一個(gè)合適的開通、關(guān)斷角變化范圍 極為重要。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 若假定轉(zhuǎn)速和母線電壓不變，固定關(guān)斷角e 。f r 而調(diào)節(jié)開通角o 。，隨著開通 角e 。的減小，開通電流時(shí)間增加，如圖2 1 0 ( a ) 所示；同時(shí)固定開通角o 。n 而 調(diào)節(jié)關(guān)斷角8 硪，隨著關(guān)斷角e 。f r 的增加，開通電流時(shí)間增加，如圖2 1 0 ( b ) 所 示【4 l 。 ) 調(diào)節(jié)開陋角 ( b ) 調(diào)節(jié)關(guān)斷角 圖2 1 0 角度位置控制方法( a p c ) 從圖2 1 0 ( b ) 可以看出，調(diào)節(jié)關(guān)斷角，相電流幅值改變明顯。因此，實(shí)際中 采用的角度位置控制方法( a p c ) ，都是先優(yōu)化固定關(guān)斷角e 。加然后閉環(huán)調(diào)節(jié) 開通角o 。n 。對(duì)于調(diào)速范圍較寬的情況，可以分段優(yōu)化固定關(guān)斷角e 。腫然后再 分別對(duì)各段加以調(diào)節(jié)控制。 某一相的開通角8 帆、關(guān)斷角。呵的值將決定該相電流在相鄰相的互感電動(dòng) 勢的大小，因此某一相的開通角。矗、關(guān)斷角e 。仃的調(diào)節(jié)不僅僅影響該相的電流 波形，同時(shí)也影響著相鄰兩相的電流波形。某一對(duì)特定的開通角o 。、關(guān)斷角 e 。f f 組合，對(duì)某一相來說是優(yōu)化的，但對(duì)其它相來說就未必是最優(yōu)的。要實(shí)現(xiàn) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)角度位置控制方法( a p c ) 的真正最優(yōu)控制，必須對(duì) 每一相的開通角e 。、關(guān)斷角。砸分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，這在實(shí)現(xiàn)上比較困難。 ( 2 ) 電流斬波控制( c c c ) 當(dāng)電機(jī)在起動(dòng)或低速f 一般系指在額定轉(zhuǎn)速的4 0 以下) 運(yùn)行時(shí)，定子相繞 組中反電勢較小，可能產(chǎn)生過大的沖擊相電流，為防止可能出現(xiàn)的過電流和較 大電流尖峰，必須采取斬波方式加以限制，即將檢測到的相電流與某一給定電 流上限值比較，當(dāng)導(dǎo)通相繞組電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)使開關(guān)關(guān)斷，相電流下降；當(dāng) 電流降至電流設(shè)定的下限值時(shí)，再重新導(dǎo)通功率開關(guān)，使相繞組電流上升，這 浙江大學(xué)頓十學(xué)位論文 樣反復(fù)通斷功率開關(guān)，形成在給定電流值附近上下波動(dòng)的斬波電流波形。 i k 啦 圖2 1 1c c c 控制下的電流波形 圖2 1 l 實(shí)線即為c c c 控制方式下的電流波形，虛線為該相電感變化曲線。 從電機(jī)出力的角度考慮，關(guān)斷時(shí)間的選擇應(yīng)盡可能小，這樣可使斬波關(guān)斷時(shí)間 內(nèi)電流下降幅度小，從而電流的平均值與峰值之比增大，有利于在一定的電流 峰值下提高電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩。但受功率電路中功率開關(guān)元件的工作頻率限制， 不可能取值太小，一般為o 5 5 o 6 5 m s 。 ( 3 ) 電壓控制( 、，c ) v c 是在固定的開關(guān)角條件下，通過調(diào)節(jié)繞組電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，它分直 流側(cè)p w m 斬波調(diào)壓、相開關(guān)斬波調(diào)壓與無斬波調(diào)壓，而無斬波調(diào)壓是通過調(diào) 節(jié)整流電壓以響應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求，在整個(gè)速度范圍內(nèi)只有一個(gè)運(yùn)行模式，即單 脈沖方式。 d r 圖2 1 lp w m 單相斬波示意圖 p w m 控制方式與前兩種控制方式不同，它不是實(shí)時(shí)的調(diào)整開通角和關(guān)斷角， 而是在主開關(guān)的控制信號(hào)中加入p w m 信號(hào)，通過調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)加在主電路上 電壓有效值的大小。占空比越大，電壓有效值越大，電路導(dǎo)通時(shí)間越長。 以四相不對(duì)稱半橋式電路為例，從該電路結(jié)構(gòu)本身而言可采取斬單管和斬雙 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 管兩種不同的控制方式1 4 l 。所謂的斬雙管即同時(shí)對(duì)每相上下開關(guān)管加p w m 調(diào)制 信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)電路導(dǎo)通的控制。而斬單管則只對(duì)每相上的一個(gè)開關(guān)管施加p w m 控制信號(hào)，另一個(gè)管子則始終導(dǎo)通。如圖2 1 1 所示，兩種方式主要區(qū)別在于的續(xù) 流回路不同，斬雙管時(shí)電機(jī)繞組經(jīng)由回路1 續(xù)流，而斬單管時(shí)則經(jīng)由回路2 續(xù)流。 采用斬單管控制時(shí)，對(duì)控制電流脈動(dòng)大、噪聲、損耗都相對(duì)較好f 9 】。 p w m 控制一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是可控性能好。這種控制中有兩個(gè)可控參數(shù)： 斬波頻率和占空比。一般靳波頻率是固定的，通過選擇適當(dāng)頻率可以控制相電流 的變化率：占空比與相電流最大值之間有較好的線性關(guān)系，調(diào)節(jié)占空比就可以控 制相電流的大小，因此在這種控制中相電流的變化率和大小都是可控的，并呈現(xiàn) 較好的線性關(guān)系，有利于采用p i 或p 調(diào)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，獲得較好的動(dòng)態(tài)性。 只是這種控制方式下，由于開關(guān)的頻繁通斷而使得開關(guān)損耗有所上升。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章開關(guān)磁阻電機(jī)無位置檢測方法及仿真 對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)來說，實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息是其可靠運(yùn)行的必要前提。但位 置傳感器的引入除了增加成本，還會(huì)降低s r d 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，影響系統(tǒng)總體性能