《開關(guān)磁阻電機(jī)的電流斬波控制及仿真研究11000字（論文）》

PAGExix開關(guān)磁阻電機(jī)的電流斬波控制及仿真研究摘要開關(guān)磁阻電機(jī)（SwitchedReluctanceMotor，簡(jiǎn)稱SRM）是繼直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)(BLDC)之后發(fā)展起來的一種調(diào)速電機(jī)類型，是一種新型調(diào)速電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的新一代無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高效率，系統(tǒng)可靠性高?，F(xiàn)如今對(duì)此電機(jī)主要有三種控制策略，分別是電流斬波控制策略、角度控制策略、電壓PWM控制策略，它們分別適用于不同的轉(zhuǎn)速場(chǎng)合。針對(duì)以上三種控制策略，本文主要研究電流斬波控制策略，首先分析了其基本原理，搭建了Matlab/Simulink下電流斬波控制策略的仿真模型，分別仿真模擬了電流斬波控制策略下SRM的運(yùn)行情況，總結(jié)了控制策略的特點(diǎn)并進(jìn)行對(duì)比。關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)，控制策略，Matlab/Simulink。目錄摘要第一章概述1.1課題背景1.2SRM的主要優(yōu)點(diǎn)1.3開關(guān)磁阻電機(jī)的現(xiàn)狀1.4開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)以及未來發(fā)展前景1.5開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略的研究趨勢(shì)第二章開關(guān)磁阻電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)2.1開關(guān)磁阻電機(jī)的基本原理2.2開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和磁鏈方程2.3開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行原理2.4SR電機(jī)的運(yùn)行特性2.5主功率拓?fù)?.6課題主要研究?jī)?nèi)容第三章電流斬波控制方法的研究3.1電流斬波控制的基本原理3.2電流斬波控制的基本方法3.3電流斬波控制的特點(diǎn)第四章電流斬波控制仿真的研究4.1電流斬波控制的仿真模型4.2電流斬波控制子程序4.3.電流斬波控制速度閉環(huán)仿真特性結(jié)果4.4電流斬波控制速度閉環(huán)仿真特性結(jié)果分析第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)5.2問題與解決5.3感悟與心得參考文獻(xiàn)附錄第一章概述1.1課題背景：縱觀電氣傳動(dòng)的發(fā)展過程，20世紀(jì)60年代以前，在需要可逆、可調(diào)速與高性能的電氣傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，直流傳動(dòng)系統(tǒng)一直占領(lǐng)統(tǒng)治地位。自60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)發(fā)生了日新月異的變化，特別是交流電動(dòng)機(jī)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和調(diào)頻調(diào)壓控制理論的產(chǎn)生及應(yīng)用技術(shù)的推廣，使得交流傳動(dòng)具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好技術(shù)性能，其動(dòng)、靜態(tài)特性完全可以和直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美，于是出現(xiàn)了交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)的趨勢(shì)。但是交流傳動(dòng)系統(tǒng)也尚有一些未盡如人意之處——存在著系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、性能指標(biāo)有待進(jìn)一步提高等問題。正是在電氣傳動(dòng)技術(shù)得到迅猛發(fā)展的時(shí)代背景下，國(guó)外于20世紀(jì)80年代推出了一種新型交流調(diào)速系統(tǒng)——開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。SRM的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)子由硅鋼片簡(jiǎn)單的疊壓而成，無繞組和永磁體，不存在高溫退磁現(xiàn)象；定子繞組結(jié)構(gòu)為集中式，繞組端部較小，工作時(shí)熱能損耗主要集中于定子，冷卻方式比較簡(jiǎn)單，因此SRM可運(yùn)行于惡劣的環(huán)境，具有高溫和高速適應(yīng)性的特點(diǎn)。（2）電機(jī)的各相繞組和磁路相互獨(dú)立，相間耦合小，缺相可繼續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)的高可靠性使其適用于一些特殊的場(chǎng)合。（3）電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向只與各相通電順序有關(guān)，與繞組電流方向無關(guān)。（4）在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都具有較高的效率。SRM在多種需要調(diào)速、高性能和高效率的場(chǎng)合,均能滿足性能要求。它主要應(yīng)用于如下領(lǐng)域：（1）電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。SRM的啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，又加上可靠性高、效率高，這使得它首先應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，也被公認(rèn)為是該領(lǐng)域的最佳選擇之一。（2）家用電器?，F(xiàn)今家用電器已相當(dāng)普及，尤其是在多功能、智能化和節(jié)能等方面更是發(fā)展迅速，這些都離不開電氣傳動(dòng)?，F(xiàn)今在電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等方面都已有應(yīng)用。（3）機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域。SRM良好的低電流高轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)性能使它在一些需要啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、低速性能好、頻繁正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合特別適用，像平網(wǎng)印花機(jī)、龍門刨床、可逆軋機(jī)等應(yīng)用中都取得了良好的效果。它還可應(yīng)用于一些高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)合。1.3開關(guān)磁阻電機(jī)的現(xiàn)狀：作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)在石油，航空，電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到了發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機(jī)作為一種更符合現(xiàn)代新興技術(shù)的電機(jī)，在各行各業(yè)和家用電器領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)，摒棄了傳統(tǒng)電機(jī)價(jià)格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。特別是在航空領(lǐng)域，由于轉(zhuǎn)子的組成不同，疊層片使其具有以下優(yōu)點(diǎn)：在高溫下能保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)，易于實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)操作。近20年的研究表明，開關(guān)磁阻電機(jī)作為一種新型發(fā)電機(jī)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。雖然他是最簡(jiǎn)單的集中式電機(jī)之一，但由于同步控制困難，磁阻電機(jī)在早期的應(yīng)用受到限制，發(fā)展非常緩慢。但由于同步控制難以解決SRM良好的可控性問題，人們逐漸將其應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速和發(fā)電領(lǐng)域。自20世紀(jì)80年代以來，它取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，具有良好的發(fā)展前景。然而這種電機(jī)自身存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，噪聲明顯等缺陷，對(duì)其在某些場(chǎng)合的進(jìn)一步應(yīng)用造成了不好的影響。一直以來，為了讓開關(guān)磁阻電機(jī)的各項(xiàng)性能得到進(jìn)一步的提高，國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，開展了系統(tǒng)的，廣泛的，深入的研究工作，取得了一些有很大建設(shè)意義的成果。近些年，隨著開關(guān)磁阻電機(jī)的快速發(fā)展，其控制方法多種多樣。但是在低速運(yùn)行、啟動(dòng)或是制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電流斬波控制方式是最好的一種控制方法。它簡(jiǎn)單直接、可控性好且開關(guān)元件工作效率高，因此在各個(gè)領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛。開關(guān)磁阻電機(jī)理論體系和計(jì)算電磁學(xué)的不斷發(fā)展為開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。以國(guó)外的紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)，利茲大學(xué)，東京理科大學(xué)，國(guó)內(nèi)的南京航空航天大學(xué)，浙江大學(xué)，華中科技大學(xué)為代表的科研機(jī)構(gòu)，提出了很多新型開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)來改善其基本性能。1.4開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)以及未來發(fā)展前景：通用直流電機(jī)由于其良好的電氣性能，在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但由于其固有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，存在著使用壽命短、換向性能差、維護(hù)困難等問題，阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。相比之下，無刷直流永磁體具有能量密度高、效率高、輸出直流電壓質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，但其內(nèi)部使用的是永磁體，在惡劣環(huán)境（如高溫、高壓等）下工作能力和效率較低。存在高溫退磁、抗振能力差、短路保護(hù)等問題。到目前為止，爪極電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的生活中，例如在汽車發(fā)電系統(tǒng)中的使用。汽車應(yīng)用已經(jīng)形成了一個(gè)不斷增長(zhǎng)的電力電子和調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)市場(chǎng)。這些應(yīng)用要求高質(zhì)量的性能，堅(jiān)固耐用，安靜和在惡劣環(huán)境中無碰撞操作，它們的價(jià)格應(yīng)該是合理的。開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)（SRD）已經(jīng)滿足了許多這些相互矛盾的標(biāo)準(zhǔn)。模塊化和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，高速，寬范圍，對(duì)高溫不敏感，使SRD成為汽車應(yīng)用的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。雖然SRD的自然特性與汽車工業(yè)的需求有著明顯的契合，但這一新興技術(shù)的引進(jìn)卻相對(duì)緩慢。爪極電機(jī)作為傳統(tǒng)電機(jī)中最常見的一種，又是從同步交流電機(jī)中衍生出來的，分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)，由于其組成不需要永磁體，所以不會(huì)出現(xiàn)無刷直流永磁電機(jī)由于使用永磁體的局限性。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)子爪極結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)電機(jī)不能在高強(qiáng)度下運(yùn)行。SR電機(jī)的定轉(zhuǎn)子雙凸結(jié)構(gòu)只在定子上增加了繞組，沒有其他結(jié)構(gòu)。從而消除了許多不利因素，優(yōu)化了其性能。采用這種結(jié)構(gòu)和原材料，溫度對(duì)SR電機(jī)的影響不如傳統(tǒng)電機(jī)大，可見高溫對(duì)SR電機(jī)的影響遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電機(jī)，SR電機(jī)的功率密度可達(dá)到傳統(tǒng)最佳電機(jī)的85%～90%。SRM采用雙凸極結(jié)構(gòu)。在組成上，定子和轉(zhuǎn)子均采用硅鋼片疊層。與其他電機(jī)不同，轉(zhuǎn)子無繞組，無永磁。定子通過兩個(gè)徑向相對(duì)繞組與單相繞組相連。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，決定了其繞組電感在運(yùn)行過程中隨著電流和轉(zhuǎn)子位置的變化而不斷變化，其電磁轉(zhuǎn)矩、電流和磁通隨時(shí)間呈線性變化，定子和轉(zhuǎn)子組成的不同決定了SRM氣隙磁場(chǎng)的波動(dòng)，從而形成非線性磁路，從而影響磁芯磁通密度的高飽和。遺憾的是，SR電機(jī)的經(jīng)典理論研究和開發(fā)大多集中在控制和調(diào)速方面，而對(duì)發(fā)電方面的研究卻很少。如今，經(jīng)過近30年的研究，SR電機(jī)在軸向位置傳感器方面的弱點(diǎn)已經(jīng)被現(xiàn)代的間接位置傳感器或無位置傳感器所取代，使其發(fā)展前景更加廣闊，發(fā)展更加迅速。1.5開關(guān)磁阻電機(jī)控制策略的研究趨勢(shì)：開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)在近20年得到迅速發(fā)展，但SRD的控制精度和輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍有很大的進(jìn)步空間。目前開關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略研究趨勢(shì)主要有以下三個(gè)方面：(1)從控制的角度，加強(qiáng)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、降低噪聲的研究；(2)研究具有較高動(dòng)態(tài)性能，且控制算法簡(jiǎn)單的SRD新型控制策略；（3)研究具有較強(qiáng)的魯棒性、自適應(yīng)性和自學(xué)習(xí)能力的SRD智能控制算法；第二章開關(guān)磁阻電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)2.1開關(guān)磁阻電機(jī)的基本原理：開關(guān)磁阻電機(jī)是指電動(dòng)機(jī)各相磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置而變，因此電機(jī)的磁場(chǎng)能量也將隨轉(zhuǎn)子的位置而變，由此可以由磁能為媒介變換為機(jī)械能。這樣才能以相序循環(huán)供電才能保持轉(zhuǎn)子持續(xù)一個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械能。它遵循磁通量總是沿著磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理，產(chǎn)生磁拉力形成轉(zhuǎn)矩-磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，它的結(jié)構(gòu)原則是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)磁路都磁阻要盡可能大的變化，所以開關(guān)磁阻電機(jī)采用雙凸極結(jié)構(gòu)，并且定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)不同。如圖2.1，開關(guān)磁阻電機(jī)是典型的雙凸極磁阻電機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成。其轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，定子上則繞有繞組，一般為集中繞組，由徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)相繞組。SR電機(jī)運(yùn)行遵循“磁阻最小原則”，

即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。當(dāng)定子某相繞組通電時(shí)，若轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子磁極的軸線不重合，便存在由于磁力線扭曲而產(chǎn)生的切向磁拉力作用在轉(zhuǎn)子，從而使轉(zhuǎn)子向定子磁極的軸線方向運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生同方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，直到定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合為止，此時(shí)磁場(chǎng)路徑磁阻最小。若連續(xù)給各相定子繞組按一定順序通電，則產(chǎn)生連續(xù)的脈振磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子會(huì)沿著與勵(lì)磁順序相反的方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)上述的SR電機(jī)工作原理可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電流方向無關(guān)，只取決于勵(lì)磁順序。圖2.1三相12/8結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)截面圖2.2開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及磁鏈方程：（1）大多數(shù)三相發(fā)電機(jī)是由四個(gè)部分所組成的，由圖2.2所示：圖2.2開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)框圖主電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)及其不同的原材料（不再使用傳統(tǒng)的永磁），使其能夠適應(yīng)高速、高溫、振動(dòng)等惡劣環(huán)境。定子槽中的少量鐵芯和相繞組使SR發(fā)電機(jī)具有獨(dú)特的電氣獨(dú)立性和機(jī)械不重合性，便于靈活的控制和調(diào)整。功率變換器作為整個(gè)系統(tǒng)的上下文，它主要將輸入的勵(lì)磁功率轉(zhuǎn)化為所需的發(fā)電功率輸出。作為開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的主電路，其結(jié)構(gòu)與電源電壓、發(fā)電機(jī)的相數(shù)（本文研究三相）和主開關(guān)器件的類型有關(guān)。因此，我們可以參考開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的SRD設(shè)計(jì)，這里不作詳細(xì)說明?？刂破魇钦麄€(gè)系統(tǒng)的核心。電壓、電流和位置傳感器，從這些傳感器接收到的信號(hào)都會(huì)收斂到控制器，然后控制器通過調(diào)節(jié)功率變換器來改變一些參數(shù)，形成閉環(huán)系統(tǒng)。位置傳感器多為光電傳感器，閉環(huán)控制采用電壓、電流傳感器，常用霍爾傳感器。(2)在SR電機(jī)中，互感相對(duì)于自感很小，所以在計(jì)算中通常忽略互感。繞組磁鏈?zhǔn)窍嚯娏骱妥愿?、其他相電流和轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)：φ所以：UU其中Rkik為電阻壓降，L如果我們忽略繞組電阻R，則方程可以寫為：U=P====Tewf為磁場(chǎng)儲(chǔ)能，ω式中的每一相電感Lk是相電流ik和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，Lθ圖2.1.2-2電感變化曲線機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：T轉(zhuǎn)矩公式為：由轉(zhuǎn)矩公式我們可以知道：(1)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小與電流平方成正比，所以轉(zhuǎn)矩方向與電流方向沒有關(guān)系。(2)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與繞組電感對(duì)轉(zhuǎn)子位置角的變化率成正比。所以，僅在繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角增大時(shí)，給繞組通電才能產(chǎn)生正向電動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電感隨轉(zhuǎn)子位置角下降時(shí)，如果繞組中還存在電流，就會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。（3）繞組關(guān)斷后繞組電流不能變?yōu)榱?，有一個(gè)持續(xù)的過程。所以，我們必須在繞組電感開始下降之前就提前關(guān)斷繞組。2.3開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行原理：（1）開關(guān)磁阻電機(jī)的工作機(jī)理與磁阻(反應(yīng))式步進(jìn)電動(dòng)地一樣，基于磁通總是沿磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理。（2）轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導(dǎo)不為最大時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導(dǎo)最大的位置。（3）當(dāng)向定子各相繞組中依次通入電流時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。（4）如果改變定子各相的通電次序，電機(jī)將改變轉(zhuǎn)向。但相電流通流方向的改變是不會(huì)影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。2.4SR電機(jī)的運(yùn)行特性：SR電機(jī)運(yùn)行特性可分為三個(gè)區(qū)域：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和自然特性區(qū)(串勵(lì)特性區(qū))，恒轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速范圍為0到第一臨界轉(zhuǎn)速，恒功率區(qū)轉(zhuǎn)速范圍為第一臨界轉(zhuǎn)速到第二臨界轉(zhuǎn)速，自然特性區(qū)轉(zhuǎn)速范圍為第二臨界轉(zhuǎn)速以上。此時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)速再增加時(shí)，可控條件都已到達(dá)極限轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速的一次方下降。從圖中曲線可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于基速時(shí)，電感L很小，此時(shí)開通角和關(guān)斷角不變，電動(dòng)機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，這時(shí)采用電流斬波控制。如圖中第一段曲線。在（1，，2）工作區(qū)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電感增加到一定值時(shí)，峰值電流上升受到限制，以轉(zhuǎn)子位置角作為系統(tǒng)的控制參數(shù)，采用角度控制方式。如圖中第二段曲線在高速工作區(qū)，臨界速度，開通角和關(guān)斷角達(dá)到它們的極限值后，保持電機(jī)的相電壓U，開通角和關(guān)斷角固定不變，其特性與串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性相似，采用電壓斬波控制方式。如圖中第三段曲線。2.5主功率拓?fù)洌洪_關(guān)磁阻電機(jī)雙開關(guān)型主電路如圖1.3，通過開關(guān)管基極的控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速。本文采用斬雙管模式：開關(guān)信號(hào)同時(shí)引入每相兩個(gè)主開關(guān)的控制極，兩管共同擔(dān)當(dāng)電流斬波。這種控制方式的特點(diǎn)為：充磁期間繞組兩端加有正壓U，因而電流上升較快；饋能期間繞組兩端加有反壓U，因而電流下降較快；續(xù)流期間繞組兩端電壓近似為零，理想狀態(tài)下能量無損失圖2.5SRM主開關(guān)電路圖2.6課題主要研究?jī)?nèi)容：本文主要以開關(guān)磁阻電機(jī)為研究對(duì)象，在研究SRM的工作原理的基礎(chǔ)上，比較不同控制策略的原理及適用范圍。其主要內(nèi)容主要分為以下三章：第一章：介紹課題研究背景，闡述開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理。第二章：研究了電流斬波控制的原理，建立了電流斬波控制仿真模型。第三章：觀測(cè)參數(shù)變化對(duì)受控量及電機(jī)性能的影響第三章電流斬波控制方法的研究SRM在啟動(dòng)、中低速運(yùn)行時(shí),電感上升期時(shí)間長(zhǎng),而di/dt的值相當(dāng)大，為避免電流峰值超過系統(tǒng)的允許值，常采用電流斬波控制模式（CurrentChoppingControl，簡(jiǎn)稱CCC）來限制電流。目前，電流斬波控制是國(guó)內(nèi)外開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制最常見的一種控制方法，也適用于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，可控性較好。當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)SRM運(yùn)行于低速狀態(tài)特別是啟動(dòng)時(shí)，由于此時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較小，使得相電流上升速度很快，可能會(huì)出現(xiàn)過電流或較大電流尖峰，為有效控制相電流脈動(dòng)對(duì)功率開關(guān)器件及電機(jī)的沖擊，保護(hù)電機(jī)自身機(jī)械結(jié)構(gòu)及其開關(guān)器件的使用壽命，通常，我們采用固定開通角與關(guān)斷角，調(diào)節(jié)相電流的方式來進(jìn)行控制。本章以開關(guān)磁阻電機(jī)為研究對(duì)象，采用電流斬波控制方法，基于速度閉環(huán)控制，利用自建基于Matlab/Simulink開關(guān)磁阻電機(jī)的模型實(shí)現(xiàn)仿真，研究電流斬波控制下的開關(guān)磁阻電機(jī)閉環(huán)特性。3.1電流斬波控制的基本原理：如圖3.1為電流斬波控制的原理示意圖，比較相電流iphase與給定的電流斬波限ichop，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置θ>θ1后，若iphase<ichop，主開關(guān)開通，相電流(勵(lì)磁電流)上升并逐漸到達(dá)電流斬波限；若iphase>ichop，主開關(guān)關(guān)斷。斬波控制實(shí)際上是一種調(diào)節(jié)勵(lì)磁的控制方案。固定θ1后，調(diào)節(jié)斬波限ichop相當(dāng)于調(diào)整θ2。隨著斬波ichop的增加，勵(lì)磁區(qū)間加寬，勵(lì)磁電流增大，續(xù)流電流也相應(yīng)增加，最后可以使電機(jī)的有效輸出功率增加。若開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍較寬，同樣可以通過分區(qū)段設(shè)定優(yōu)化的θ1值。圖3.1電流斬波原理圖圖3.1電流斬波相電流波形3.2電流斬波控制的基本方法：當(dāng)SR電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、低、中速運(yùn)行時(shí)，電壓不變，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)引起的壓降小，電感上升期的時(shí)間長(zhǎng)，di/dt的值相當(dāng)大，為避免電流脈沖峰值超過功率開關(guān)器件和電機(jī)的允許值，采用CCC控制模式來限制電流.斬波控制一般是在相電感變化區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，通過設(shè)定相電流允許上、下限值，控制電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩，使之工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū).CCC控制可分為起動(dòng)斬波模式、定角度斬波模式和變角度斬波模式三種.起動(dòng)斬波模式在SR電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)采用，通常固定開通角和關(guān)斷角，使導(dǎo)通角相對(duì)較大;定角度斬波模式通常在電機(jī)起動(dòng)后低速運(yùn)行時(shí)采用，導(dǎo)通角仍然保持不變，但相對(duì)較小;變角度斬波模式通常在電機(jī)中速運(yùn)行時(shí)采用，通過電流斬波控制和改變開通角與關(guān)斷角的大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩.電流斬波通常有以下幾種實(shí)現(xiàn)方法:3.2.1：限制電流上、下幅值：在一個(gè)控制周期內(nèi)，檢測(cè)電流與給定電流的上、下限幅值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際電流大于上限值時(shí)，控制功率開關(guān)器件關(guān)斷;當(dāng)實(shí)際電流小于下限值時(shí)，使該相功率開關(guān)器件重新導(dǎo)通.在一個(gè)周期內(nèi)，由于相繞組電感不同，電流變化率也不同，斬波頻率疏密不均，低電感區(qū)頻率較高，高電感區(qū)頻率較低，保持相電流維持在期望值，其電流波形如圖（1）所示：圖1：設(shè)定電路上，下幅值的斬波3.2.2：電流上限和關(guān)斷時(shí)間恒定：與上面方法相比，這種方法僅將檢測(cè)電流與給定電流的上限幅值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際電流大于上限值時(shí)，控制功率開關(guān)器件關(guān)斷一段時(shí)間后再導(dǎo)通.每一個(gè)控制周期內(nèi)，關(guān)斷時(shí)間恒定，但電流下降多少取決于繞組電感量、電感變化率及轉(zhuǎn)速等因素，因此，電流減少量并不一致，因此對(duì)于關(guān)斷時(shí)間的選取必須適當(dāng)，否則會(huì)發(fā)生電流“過斬”或斬波頻率過高的問題，電流波形如圖（2）所示：圖2：設(shè)定電流上限和關(guān)斷時(shí)間的斬波3.2.3：PWM斬波調(diào)壓控制：與以上兩種方法不同，這種方案通過PWM斬波調(diào)壓間接地調(diào)節(jié)電流.調(diào)節(jié)PWM波的占空比可以調(diào)節(jié)直流側(cè)電源電壓，也可以調(diào)節(jié)各相繞組的電壓，但是前者對(duì)公共開關(guān)管可靠性要求較高，后者則管耗較大，其電流波形如圖（3）所示：圖3：PWM斬波調(diào)壓控制的電流波形本文我們需要電流斬波控制，既通過固定開通角和固定關(guān)斷角，調(diào)節(jié)相電流來實(shí)現(xiàn)電流斬波控制。3.3電流斬波控制的特點(diǎn)：電流斬波控制方式具有簡(jiǎn)單直接、可控性好的特點(diǎn)，避免了角度位置控制方式中的電流不可控的問題，電流斬波控制是直接對(duì)電流實(shí)施控制，通過適當(dāng)?shù)呐c電壓斬波控制方式相比，也具有較小的開關(guān)損耗，是一種比較常用控制方式。除此之外，電流斬波控制方式還具有如下特點(diǎn)：（1）適用于低速和制動(dòng)運(yùn)行低速和制動(dòng)時(shí)相電流上升較快，就需要限制電流峰值不超過允許值，起到有效的保護(hù)作用和良好的調(diào)節(jié)效果。（2）轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)斬波控制后的電流近似平頂波，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)。（3）抗負(fù)載繞動(dòng)性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。由于對(duì)電流的峰值進(jìn)行了限制，當(dāng)電機(jī)在負(fù)載擾動(dòng)的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)速突變時(shí)電流峰值無法自動(dòng)適應(yīng)，系統(tǒng)此時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)就慢。第四章電流斬波控制仿真的研究4.1電流斬波控制的仿真模型：本文通過固定開通角和關(guān)斷角，調(diào)節(jié)相電流從而實(shí)現(xiàn)電流斬波控制。相電流的大小取決于速度的大小和設(shè)定的轉(zhuǎn)矩的大小，所以本文采用的是基于速度閉環(huán)的電路斬波控制系統(tǒng)，如圖2.2.3，速度給定和SRM輸出速度進(jìn)行比較，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后得到電流給定信號(hào)，再與SRM相電流信號(hào)比較后和位置信號(hào)進(jìn)行邏輯與運(yùn)算產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，送往SRM主電路從而實(shí)現(xiàn)SRM的調(diào)速。圖4.1電流斬波控制系統(tǒng)圖4.2電流斬波控制子程序：設(shè)置低速運(yùn)行的斬波極限值，在通過位置傳感器獲取的轉(zhuǎn)速值是已知的情況下，求得開通角與關(guān)斷角，以及相應(yīng)的電壓上下極限值，就可以判斷出電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是什么狀態(tài)，即進(jìn)行轉(zhuǎn)換和反饋，然后通過軟件編程設(shè)定電流上下極限值的參數(shù)。如果實(shí)際測(cè)量得到的電流值大于給定上限值，功率開關(guān)器件1GBT就會(huì)斷開，使得電流值迅速降低。反之，當(dāng)電流值下降到小于下限值時(shí)，1GBT又會(huì)重新導(dǎo)通，電流值迅速上升。如此往復(fù)循環(huán)下去，使得電流值一直保持在電流折波限值附近。圖4.2電流斬波控制程序流程圖4.3電流斬波控制速度閉環(huán)仿真特性結(jié)果：本文采用基于速度閉環(huán)（固定開通角和關(guān)斷角，調(diào)節(jié)相電流）的電流斬波控制系統(tǒng)，在負(fù)載1N?m和給定速度：1000rpm、5000rpm和8000rpm的情況下，分析并比較其速度、三相電流和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)特性：4.3.1：速度給定為1000rpm：(a)閉環(huán)速度波形（0——0.1s）：圖4.3.1閉環(huán)速度波形圖通過閉環(huán)速度波形圖可以發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)響應(yīng)靈敏迅速，沒有超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生，所以可以跟蹤給定速度。（b）閉環(huán)三相電流波形：圖4.3.2速度閉環(huán)三相電流波形圖通過觀察三相電流波形圖我們可以發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行斬波控制，并且運(yùn)行正常。(c)閉環(huán)轉(zhuǎn)矩波形：圖4.3.3速度閉環(huán)轉(zhuǎn)矩波形圖通過觀察轉(zhuǎn)矩波形圖我們可以發(fā)現(xiàn)SRM輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在1N?m附近，并且與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。4.3.2：速度給定為5000rpm：（a）閉環(huán)速度波形：圖4.3.4閉環(huán)速度波形圖通過觀察速度波形圖我們可以發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)雖然響應(yīng)和低速時(shí)比較稍慢，但沒有超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生，所以仍可以跟蹤給定速度。(b)閉環(huán)三相電流波形：圖4.3.5速度閉環(huán)三相電流波形圖通過觀察三相電流波形圖我們可以發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行斬波控制，并且運(yùn)行正常。(c)閉環(huán)轉(zhuǎn)矩波形：圖4.3.6速度閉環(huán)轉(zhuǎn)矩波形圖通過觀察轉(zhuǎn)矩波形圖我們可以發(fā)現(xiàn)SRM輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在1N?m附近，并且與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。4.3.3：速度給定為8000rpm：(a)閉環(huán)速度波形：圖4.3.7閉環(huán)速度波形圖通過觀察速度波形圖我們可以發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)雖然響應(yīng)和低速時(shí)比較稍慢，但沒有超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生，所以仍可以跟蹤給定速度。(b)閉環(huán)三相電流波形：圖4.3.8速度閉環(huán)三相電流波形圖通過觀察三相電流波形圖我們可以發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行斬波控制，并且運(yùn)行正常。(c)閉環(huán)轉(zhuǎn)矩波形：圖4.3.9速度閉環(huán)轉(zhuǎn)矩波形圖3通過觀察轉(zhuǎn)矩波形圖我們可以發(fā)現(xiàn)SRM輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在1N?m附近，并且與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。4.4電流斬波控制速度閉環(huán)仿真特性結(jié)果分析：通過對(duì)電流斬波控制系統(tǒng)速度閉環(huán)控制仿真結(jié)果的分析與比較，我們發(fā)現(xiàn)在速度閉環(huán)時(shí)，由于PID參數(shù)設(shè)置的好，所以在速度給定為8000rpm時(shí)系統(tǒng)可以精確跟蹤給定。但是，速度越高，轉(zhuǎn)速到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。所以我們得出結(jié)論：電流斬波控制適用于低速運(yùn)行的SRM，當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)SRM在低速狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，由于此時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較小，使得相電流上升速度很快，可能會(huì)出現(xiàn)過電流或較大電流尖峰，因此采用電流斬波控制方式可以限制電流峰值，有效控制相電流脈動(dòng)對(duì)功率開關(guān)器件及電機(jī)的沖擊，保護(hù)電機(jī)自身機(jī)械結(jié)構(gòu)及其開關(guān)器件的使用壽命，有效的保護(hù)電機(jī)并實(shí)現(xiàn)調(diào)速。第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)：對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了以下幾個(gè)部分的工作：第一部分了解開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展過程，特點(diǎn)和發(fā)展前景，目前控制系統(tǒng)存在的一些優(yōu)缺點(diǎn)。第二部分主要掌握開關(guān)磁阻電機(jī)的基本原理和運(yùn)行，分析開關(guān)磁阻電機(jī)相電流的變化和SR電機(jī)的工作特性。由于相電流的變化直接影響到開關(guān)磁阻電機(jī)的控制系統(tǒng)，因此著重介紹了相電流變化，也提到了相電流的變化關(guān)系。通過這部分的介紹大概可以了解開關(guān)磁阻電機(jī)是如何運(yùn)行以及如何實(shí)現(xiàn)發(fā)電的，同時(shí)也要特別關(guān)注相電流的變化。第三部分主要研究了開關(guān)磁阻電機(jī)的常用的控制方式，并詳細(xì)的介紹了它控制的原理及適用范圍。第四部分著重研究了電流斬波控制速度閉環(huán)仿真，并在Matlab/Simulink平臺(tái)下搭建了開關(guān)磁阻電機(jī)的電流斬波控制仿真模型，并進(jìn)行閉環(huán)輕載仿真，根據(jù)所得仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析各控制策略轉(zhuǎn)速的適用場(chǎng)合。5.2問題與解決：?jiǎn)栴}（1）：SR電機(jī)在低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大。解決方式：提高轉(zhuǎn)速，逐漸降低斬波限。傳統(tǒng)的電流斬波控制的斬波限固定不變，電流會(huì)在上下限之間脈動(dòng)，轉(zhuǎn)速越低，斬波限越大，則單位時(shí)間內(nèi)斬波次數(shù)越少，對(duì)控制電路的功率變換器的要求也越高；斬波限越小，則電流脈動(dòng)越小。根據(jù)轉(zhuǎn)矩式可知轉(zhuǎn)矩輸出脈動(dòng)也越小。因此，在起動(dòng)初期，為滿足大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)的需要，在不過流的基礎(chǔ)上將斬波限設(shè)置較大，轉(zhuǎn)速的提高，斬波限的逐漸減小，輸出轉(zhuǎn)矩也逐漸平穩(wěn)。5.3感悟與心得：在本次畢設(shè)中，在仿真過程中，遇到了很多問題。首先，因?yàn)閷?duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理不是完全理解，所以在電流斬波控制策略的仿真上存在很多問題。需要去圖書館借閱了相關(guān)書籍，并且在網(wǎng)上查閱了很多與畢設(shè)課題相關(guān)的論文資料閱讀。其次，仿真電路的搭建也是一大難題，因?yàn)榉抡骐娐分胁粌H需要運(yùn)用電力電子和電機(jī)學(xué)的知識(shí)，還要結(jié)合自動(dòng)控制方面的知識(shí)。同時(shí)，由于使用Matlab/Simulink的操作的不熟悉，所以剛開始很迷茫，仿真時(shí)經(jīng)常不知道怎么去仿真，比如參數(shù)不知道怎么去設(shè)置，也不知道最終應(yīng)得出怎樣的波形。最后在學(xué)姐的不斷的指導(dǎo)下，這些問題都得到了解決。總的來說，雖然困難重重，卻是一次寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過這次畢設(shè)，我對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的原理與控制方式有了一個(gè)具體的了解。這次畢設(shè)不僅鍛煉了自己綜合運(yùn)用各方面知識(shí)的能力，同時(shí)也讓我學(xué)會(huì)了很多跟專業(yè)研究方向相關(guān)的知識(shí)。也為之后的有關(guān)方面的學(xué)習(xí)和工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)以后的學(xué)習(xí)和生活有了很大的幫助。綜上所述，雖然通過自己的努力和老師的耐心指導(dǎo)完成了本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，但對(duì)其更深的研究還差的很遠(yuǎn)，還仍需努力以及不斷的研究。參考文獻(xiàn)-[1] 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