工程應用綜合設計報告(陳雯雯)(共17頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上南 通 大 學工程應用綜合設計報告題目 四相開關磁阻電機的線性仿真 學 生 姓 名 陳雯雯   學 院 電氣工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 電123 學 號 起訖日期 2015/12/212016/1/15 指導教師 瞿遂春 職稱 教授 發(fā)放日期 2015 年 12 月 21 日摘 要隨著當前石油資源短缺和環(huán)境污染的加劇，電動汽車的發(fā)展又受到人們的重視。目前，作為電動汽車驅動用電機有很多，開關磁阻電機因其結構簡單、成本低、整個系統(tǒng)具有效率高、可控參數多、起動電流小、起動轉矩大等特點，是極具發(fā)展?jié)摿Φ碾妱榆囼寗与姍C之一。開關磁阻電機調速系統(tǒng)是一種

2、新型的變速拖動系統(tǒng)，其調速性能與其他調速系統(tǒng)相比更加優(yōu)良，它由雙凸極的磁阻電機、功率變換器、位置傳感器、控制器組成。雖然其具有很好的調速性能，但也存在許多問題，比如開關磁阻電機理想的實用數學模型很難建立，電機轉矩脈動、噪音大，位置傳感器的使用增加了電機的結構復雜性而降低可靠性，這些問題都有待進一步研究和完善。在對前人研究成果以及大量資料文獻的了解下，介紹了當前電動車車用電機的情況和發(fā)展趨勢，通過對比其他調速系統(tǒng)，分析說明了開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的優(yōu)缺點。全面總結了開關磁阻電動機的發(fā)展方向及應用前景，描述了開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的四個組成部分和運行情況。從分析SR電機的性能入手，在Matlab/

3、Simulink下建立了開關磁阻電機的線性仿真模型，并對模型進行了詳細的仿真分析研究，分析存在問題和解決方向。這為以后運用在電動車上作為驅動系統(tǒng)打下了堅實的理論基礎。目 錄第 1 章 緒 論1.1前言汽車開發(fā)出來已經有一個多世紀，已經發(fā)展成為快捷、舒適的交通工具，在人類生活中占據著不可或缺的地位。然而，近年來汽車排氣中的氮氧化物及浮游微粒物質等所引起的大氣污染以及二氧化碳所引起的地球變暖等被看成是嚴峻的問題，此外，作為燃料使用的不可再生資源石油，總有一天要枯竭。這就意味著以廉價石油作為能源的汽車總有一天會動不了。電動汽車是 20 世紀最偉大的 20 項工程技術成就中前兩項即“電氣化”和“汽車”

4、的融合產物。開發(fā)電動汽車是世界汽車業(yè)的新趨勢，電動汽車具有高效率、低排放的特性，能源的利用效率高、環(huán)境污染度低。其次電動汽車的轉矩響應迅速、加速快，它也還可以實現再生制動和能量回收，提高電動汽車制動的安全性和可靠性。1.2開關磁阻電機控制系統(tǒng)發(fā)展1.2.1開關磁阻電機的發(fā)展目前，SR 電機得到了很大的發(fā)展，產品已經廣泛地或開始應用于電動車驅動系統(tǒng)、家用電器（洗衣機、食品加工機械等）、通用工業(yè)（風機、泵、壓縮機等）、伺服與調速系統(tǒng)、牽引電機、高轉速電機（用于紡織機、航空發(fā)動機、電動工具、離心機傳動等）。功率范圍從 10W（轉速為 10000r/min到 5MW（轉速為 50r/min），轉速上限

5、達 r/min，幾乎難以找到 SR 電機不適合的領域。）1.2.2 開關磁阻電機控制系統(tǒng)開關磁阻電機控制系統(tǒng) SRD（Switched Reluctance Motor Drive System，簡稱SRD）主要由四部分組成：開關磁阻電機、功率變換器、控制器及位置檢測器。如下圖 1.1 所示：圖 1.1 開關磁阻電機控制系統(tǒng)組成開關磁阻電機是 SRD 系統(tǒng)中實現能量轉換的部件。功率變換器向 SR 電機提供運轉所需的能量，由蓄電池和交流電整流后得到的直流電供電?？刂破魇窍到y(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)，實現對 S

6、R 電機運行狀態(tài)的控制。1.2.3開關磁阻電機控制系統(tǒng)優(yōu)缺點優(yōu)點：（1）SR 電機結構簡單、成本低、適合于高速運行；(2)電機各相獨立工作，系統(tǒng)可靠性高；(3) 功率電路簡單可靠；起動轉矩高，啟動電流?。?4) 可控參數多，調速性能好；(5) 適用于頻繁起動、停車以及正反轉運行；(6) 效率高，損耗??；缺點：(1)由于是磁阻式電動機，其能量轉換密度低于電磁式電動機；(2)轉矩脈動較大，通常 SR 電機轉矩脈動的典型值為±15%。由轉矩脈動所導致的噪聲及諧振問題也較為突出；(3)電機相數越多，所需功率器件數越多； (4)需要位置檢測，增加了系統(tǒng)的復雜性和成本，降低其可靠性。1.3 開關

7、磁阻電機控制系統(tǒng)應用SRD 作為一種新型調速系統(tǒng)，具有良好的調速性能和高速運行特性，兼有直流傳動和普通交流傳動的優(yōu)點，正逐步應用在家用電器、一般工業(yè)、伺服與調速系統(tǒng)、牽引電動機、高速電動機、航天器械及汽車輔助設備等領域，特別在航空航天和電動汽車領域的應用發(fā)展較快，非常引人注目。第 2 章 開關磁阻電機控制系統(tǒng)開關磁阻電機控制系統(tǒng)是由開關磁阻電動機、功率變換器、控制器以及電流、位置檢測器相互協(xié)調工作的一種調速系統(tǒng)。本章簡要說明了開關磁阻電機的基本結構和工作原理，詳細論述了開關磁阻電機的四個組成部分，并且分析了開關磁阻電動機控制系統(tǒng)(SRD)的運行特性。2.1開關磁阻電機概述SR 電機是一種電能量

8、轉換裝置。根據可逆原理，SR 電機既可以將電能轉換為機械能即電動運行，也可將機械能轉換為電能即發(fā)電運行，但內部的能量轉換關系不能簡單看成是 SR 電機的逆過程。2.1.1開關磁阻電機的結構SR 電機的定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，轉子既無繞組也無永磁體，定子上有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯構成一個兩極磁極，稱為一相。SR 電機可由相數不同而分為單相、兩相、三相電機等，且定、轉子極數有不同搭配，但低于三相的電機沒有自啟動能力，對于有自啟動能力的電機，一般選擇表 2.1 所示的定、轉子極數組合方案。相數多，步距角小，利于減小轉矩脈動，但結構復雜，并且主開關器件多，成本高。目前用的最多的

9、是四相（8/6）和三相（6/4 或 12/8）電機。圖2.1 所示為四相（8/6）SR 電機結構原理圖，僅畫出 A 相繞組及供電電路。其中 AA1 為一相，S1 和 S2 為主開關，VD1 和 VD2 為續(xù)流二極管，當 S1、S2導通時，A 相繞組從直流電源吸收電能，關斷時，繞組電流通過續(xù)流二極管將剩余的能量回饋給電源。因此，它具有能量回饋的特點，系統(tǒng)效率高。2.1.2開關磁阻電機的運行原理（1） 電動運行原理依據“磁阻最小原理”磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。在圖2.1 中，當定子 DD1 極勵磁時，所產生的電磁力

10、使臨近的轉子極對旋轉至與磁力線重合的軸線上，以圖中定、轉子所處的相對位置作為起始位置，依次給 DABC 相通電，轉子則會逆著磁力線以逆時鐘方向旋轉，反之，依次給 BCDA 相通電，轉子則會作順時鐘方向旋轉。如圖 2.2 電感上升區(qū)間為電動區(qū)間。（2） 發(fā)電運行原理與電動機運行時不同，如果繞組在轉子轉離“極對極”位置（如圖 2.2 中電感下降區(qū)）時通電，產生的電磁阻性電磁轉矩驅使電機回到“極對極”位置，但原動機驅動轉子克服電磁轉矩繼續(xù)逆時鐘旋轉。此時電磁轉矩與轉子運動方向相反，阻礙轉子運動，是阻轉轉矩性質。當轉子轉到下一相的“極對極”位置時，控制器根據新的位置信息向功率變換器發(fā)出命令，關斷當前相

11、的主開關元件，而導通下一相，則下一相繞組會在轉子轉離“極對極”位置通電。這樣，就可以產生連續(xù)的阻轉轉矩，在原動機的拖動下發(fā)電，從而將機械能轉換為電能。2.2功率變換器功率變換器是開關磁阻電動機運行時所需能量的提供者，是連接電源和電動機繞組的開關部件。通過它將電源能量饋入電機，也可將電機內的磁場儲能反饋回電源。功率變換拓撲電路1電機雙繞組型這種主電路可適用于任意相數的開關磁阻電機，尤其適宜于低壓直流電源。2電容裂相型這種主電路結構只適用于偶數相的開關磁阻電機。3H 橋型只適合于四相或者四的倍數相的 SR 電機。4不對稱半橋型5具有最少數量主開關器件的功率變換器電路這種結構能很方便地增加電動機相數

12、、減少轉矩脈動而不增加變換器成本。在工業(yè)中運用起來很有實用價值。表 2.2 為各個拓撲電路的性能比較，在本論文中，從實際出發(fā)，確保各相能獨立控制且主開關器件盡量少，控制簡便可靠，并從提高效率、電機槽及銅線利用率的角度出發(fā)，采用最少數量主開關器件的功率變換器電路。它保留了橋式電路的優(yōu)點，所用主開關器件數最少，降低了成本。因為 A 相和 C 相、B 相和 D相的電流不會重疊，所以可保證任一時刻流過各主開關器件的電流僅是一相電流，通過主開關器件的峰值電流即為相電流峰值。各主開關器件的熱耗不再相等，顯然，接至兩相繞組的主開關器件 S1、S4 的熱耗較大，同時主開關器件的控制策略的復雜性降低，在系統(tǒng)的調

13、速性能方面更優(yōu)越。以 A 相為例，該相有兩個主開關管 S1 和 S2 及續(xù)流二極管 D1 和 D2。其中，上下兩只主開關管是同時導通和關斷的。當 S1、S2 導通時，D1 和 D2 截止，電源電壓加至 A 相繞組的兩端，產生相電流；當 S1、S2 關斷時，D1、D2 正向導通，A 相繞組電流通過 D1、D2 續(xù)流，回饋電能。2.3 主控制器控制器綜合處理位置檢測器、電流檢測器提供的電機轉子位置、速度以及電流等反饋信息及外部輸入的指令，實現對 SR 電機運行狀態(tài)的控制，是 SRD 的指揮中樞?？刂破饕话阌蓡纹瑱C或者 DSP 芯片及外圍接口電路組成，在其中實現電機參數的比較分析以及控制運行算法的實

14、現，在 SRD 系統(tǒng)中，要求控制器實現下述性能：（1）電流斬波控制；（2）角度位置控制；（3）啟動、控制、停車及四象限運行；（4）速度調節(jié)。綜合采用有效的電機控制策略，減少轉矩脈動降低噪聲，實現電機優(yōu)良的調速性能。2.4系統(tǒng)反饋信號檢測2.4.1 電流檢測開關磁阻電機控制系統(tǒng)需要進行相電流的檢測，電流檢測是開關磁阻電動機調速系統(tǒng)電流斬波控制方式的需要，也是實現過流保護的需要。開關磁阻電動機的相電流具有單向、脈動以及波形隨運行方式、運行條件不同而變化的特點。目前，開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的電流檢測方法主要有：(1)電阻采樣法；(2)直流電流互感器采樣法；(3)霍爾電流傳感器采樣法；(4)磁敏電阻采

15、樣法。2.4.2位置檢測位置檢測是開關磁阻電動機調速系統(tǒng)實現自同步運行的前提條件，對于開關磁阻電機調速系統(tǒng)來說，位置信號具有決定作用，電機需要通過位置信號來決定哪一相應該導通以及在什么時刻開通和關斷。設開關磁阻電機的定子極數為sN ，轉子極數為rN ，一般是sN rN ，則轉子的步進角s ，應為轉子的極距角r 為：（m 為電動機相數，其為定子極數一半。）2.4.3速度檢測SR 電機的運行速度一般是通過位置傳感器的信號轉換得來，當電機角速度為r （rad/s）時，其一相轉子位置檢測信號的頻率為：其中r =2n/60 。由此可見，轉子位置檢測信號的頻率與電動機的轉速成正比，測出轉子位置檢測信號的頻

16、率即間接測得轉速。2.5運行特性分析開關磁阻電機一般運行在恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū)。在這兩個區(qū)域內，電機的實際運行特性可控。通過控制條件，可以實現在實線以下的任意實際運行特性。在第一個臨界轉速基速b 以下，電機輸出恒轉矩，為限制電磁max 、電流 i 不超過電機和可控開關器件的容許值，應調節(jié)外加電壓U 和開關角on、off 這三個可控變量，此時一般采用電流斬波控制方式。它是通過固定開關角on 、off ，通過斬波控制外加電壓的有效值，如圖 2.9（b）所示。在第一、第二臨界轉速之間，電動機輸出恒功率，在高于b 的速度范圍內運行，因旋轉電動勢較大，開關器件導通的時間較短，因此電流較小，當外加電壓U和開

17、關角on 、off一定的條件下，隨著角速度 的增加， 或 i將以1 下降，而轉矩 T 以2下降，此時可采用角度位置控制方式APC）通過按比例地增大導通角c =off -on來補償，延緩轉矩 T的下降速度，如圖 2.9（a）。2.6本章小結本章主要介紹了開關磁阻電機的幾個組成部分，著重對比分析了目前幾種常見的功率驅動電路，對電機電流、位置和速度計算進行了簡要的介紹。分析了電機的運行特性第 3 章 開關磁阻電機系統(tǒng)建模SR 電機由于其雙凸極的結構特點，磁路和電路的非線性、開關性，使得定子繞組電流和磁通波形極不規(guī)則，目前已有多種磁鏈模型建模方法如線性法、準線性法、函數解析法、表格法、有限元分析法和神

18、經網絡法等。3.1開關磁阻電機建模3.1.1 基本方程雖然電機的雙凸極結構導致磁路和電路的非線性、開關性，使得電機的各個物理量隨轉子位置作周期性變化，定子電流和磁通波形極不規(guī)則，但仍能依據電磁感應定律、全電流定律、能量守恒定律等基本的電磁關系，寫出 SR 電機的基本平衡方程式。對 k 相 SR 電機，當不計磁滯、渦流及繞組間互感時，根據電路定律可得到 SR 電機單相的電壓平衡方程式： （3-1）式中：Uk為 k 相繞組兩端的電壓；Rk 為 k 相繞組的電阻；ik為k相繞組的電流；k為k 相繞組的磁鏈。一般來說，k 為繞組電流ik 和轉子位移角 的函數，而磁鏈可用電感和相電流的乘積表示，忽略相間

19、的互感，即可以表示為： （3-2）代入式（3-1）中： （3-3）當電動機電磁轉矩Te 與作用在電機軸上的負載轉矩不相等時，就會產生加速度，轉速就會發(fā)生變化，由力學定律得出電機的機械方程： （3-4）式中： 為轉子位移角， 為角速度， d / dt ， J 為 SR 電機轉子及負載的轉動慣量， F 為電機粘性摩擦系數，Tl 為負載。3.1.2線性模型影響 SRD 運行特性的最主要因素是 SR 電機相電流波形、電流的峰值和峰值出現的位置。而電流波形是隨著電動機的運行狀態(tài)而變化，根據式（3.3）只能得到電流的數值解，而沒有解析解，難以計算。為了弄清 SR 電機內部的基本電磁關系和基本特性，我們從理

20、想的簡化模型入手進行研究。為此，我們作如下假設：(1)不計磁路的飽和影響，繞組的電感與電流大小無關； (2)忽略磁通的邊緣效應； (3)忽略所有的功率損耗； (4)功率管的開關動作是瞬時完成的； (5)電機以恒轉速運行。在上述假設下的模型就是電動機的理想線性模型，繞組電感與轉子位置的關系用函數表示如下： (3-5)其中 K = (LmaxLmin ) /s，s為轉子極弧。各相繞組相電感與轉子位移角的關系曲線相似，只存在 2（1/Nr -1/Ns ）的相差，即15°位置角。在理想線性模型中，忽略功率損耗，單相電路方程式（3-1）可以簡化為： (3-6)式中，“”對應于繞組與電源接通期間

21、；“”對應于繞組關斷后續(xù)流期間。off在主開關管 VD1、VD2 導通瞬間為初始狀態(tài)，有0 0，0 on ；主開關管 VD1、VD2 關斷瞬間，有 =off 。由初始條件及式（3-5）和式（3.6）可求得一相繞組在一個導通、續(xù)流的變化周期內，磁鏈表示為式中：on為開通角，off為關斷角。coffon，稱為導通角。瞬時轉矩T em可由磁共能W m（Wm=k* dik，k 為 k 相繞組的磁鏈，ki 為 k 相繞組電流）導出：在 Matlab/Simulink 下，由式（3.1）、式（3.2）、式（3.5）和式（3.9）建立了SR 電機的單相仿真模型，采用模塊化設計，將整個電機模型分為幾個小模塊，

22、如圖 3.2 所示。switch 模塊根據角度位置實現電壓的開通和關斷，modulo 模塊實現轉子位置角對周期為 2 /Nr 的周期函數， inductance模塊由磁鏈、角度位置得到相電流和電感，torque 模塊根據轉子位置角和相電流來計算相繞組的瞬時轉矩。圖 3.2 單相繞組的仿真模型由式（3.4）、式（3.6）和式（3.10）得到 8/6 四相 SR 電機的整體仿真模型，如圖 3.3 所示，相鄰的兩相繞組相差 15°位置角度，phase A、phase B、phase C、phase D 代表電機的四相，輸出的瞬時轉矩求和得到電機總的電磁轉矩。圖 3.3 四相開關磁阻電機線性

23、仿真模型3.2 模型仿真及分析在線性模型仿真時，必須選擇一個初始的轉子位置角，這是因為只有在電感上升區(qū)才能產生轉矩，一般選擇初始位置角在1和2之間。本文設初始位置角為10，on =0，off =15，得到的相電壓、相電感、相電流、轉矩和轉速如圖 3.4所示。并且仿真過程中忽略功率變換器電路的影響。圖 3.4 線性模型仿真波形圖從圖 3.4 中可以看出，基于線性模型下的開關磁阻電機的電感、磁鏈和電流波形得到很好的實現，從而證明了該模型的可行性，線性模型可用于簡單的電機性能分析和控制系統(tǒng)前期設計研究中。要減少SR電機的轉矩脈動，關鍵還是控制繞組電流，在線形模型中，SR電機的轉矩特性分析如下：若在電

24、感上升區(qū)域1 2 內繞組通電，旋轉電動勢為正，產生電動轉矩，電源提供的電能一部分轉換為機械輸出，一部分則以磁能的形式貯存在繞組中；若通電繞組在12 斷電，貯存的磁能一部分轉換為機械能，一部分則回饋給電源，這時轉軸上獲得的仍是電動轉矩。在最大電感為常數的區(qū)域2 3內，旋轉電動勢為零，如果電流繼續(xù)流動，繞組磁能則僅回饋給電源，轉軸上沒有電磁轉矩；最后，若電流在電感下降區(qū)域3 4內流動，因旋轉電動勢為負，產生制動轉矩，這時回饋給電源的能量既有繞組釋放的磁能，也有制動轉矩產生的機械能，即SR電機運行在再生發(fā)電狀態(tài)。 顯然，為得到較大的有效轉矩，一方面應盡量減少制動轉矩，即在繞組電感開始隨轉子位置減小時

25、，應盡快使繞組電流衰減到零，所以關斷角off通常設計在最大電感達到之前。主開關器件都關斷后，反極性的電壓加至繞組兩端，電流流向電源，所以繞組電流迅速下降，以保證在電感下降區(qū)域內流動的電流很??；另一方面，應盡量提高電動轉矩，即在繞組電感隨轉子位置上升區(qū)域應盡量流過較大的電流。SR電機電磁轉矩的調節(jié)主要是通過控制主開關器件的導通角度，即起始開通角和關斷角，間接地控制電流來實現的?？偨Y本文在全面總結國內外有關文獻的基礎上，分析開關磁阻電機的運行特性以及引起轉矩脈動的主要因素，研究了開關磁阻電機的線性模型，獲得了比較滿意的仿真數據，為進一步深入研究改善電動車的其他開關磁阻電機模型打下基礎。經過這次的工程應用綜合設計,我個人得到了不少的收獲,一方面加深了我對課本理論的認識,另一方面也提高了實驗操作能力?，F在我總結了以下的體會和經驗。這次的設計跟我們以前做的實驗不同，因為我覺得這次我是真真正正的自己親自去完成。所以是我