開題報告

電氣工程及自動化

開關(guān)磁阻電機數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計

一、前言

開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容錯性高、功率密度高能夠高速運行，并且它能方便地實現(xiàn)起動和發(fā)電雙功能，因此，目前越來越廣泛的應(yīng)用于航空和汽車上的起動／發(fā)電系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電機具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

二、主題

（一）、開關(guān)磁阻電機的發(fā)展概述

“開關(guān)磁阻電機”一詞源于美國學者S.A.Nasar

1969年所撰論文，它描述了這種電機的兩個基本特征：開關(guān)性和磁阻性。20世紀80年代以來，越來越多的學者開始關(guān)注開關(guān)磁阻電機，并對此進行了大量的研究。美國空軍和GE公司聯(lián)合開發(fā)了航空發(fā)動機用SRD電機系統(tǒng)，有30KW、270V、最大轉(zhuǎn)速為52000r/min和250KW、270V最大轉(zhuǎn)速為23000r/min兩種規(guī)格。加拿大、前南斯拉夫在SR電機的運行理論電磁場分析上做了大量研究工作。一些學者還研究了盤式SRM/外轉(zhuǎn)子式SRM、直線式SRM和無位置傳感器SRM等新型結(jié)構(gòu)的電機。

1984年開始，我國許多單位先后開展了SR

電機的研究工作且SRM被列入中小型電機“七五”科研規(guī)劃項目。在借鑒國外經(jīng)驗技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國的SR電機研究技術(shù)進展很快。近年來，中國在開關(guān)磁阻電機的研發(fā)方面取得了很大的進步例如南京航空航天大學開發(fā)了

3KW、6KW

及

7.5KW

三套原理樣機，電機采用的是風冷形式。但在大功率方面的研究還很少，僅有原理樣機方面的仿真。

（二）、開關(guān)磁阻電機的優(yōu)缺點

開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，可靠性高，覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)。使得開關(guān)磁阻電機在各種需要調(diào)速和高效率的場合均能得到廣泛使用（電動車驅(qū)動、通用工業(yè)、家用電器、紡織機械、電力傳動系統(tǒng)等各個領(lǐng)域）。

其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，電機的轉(zhuǎn)子沒有繞阻和磁鐵。

（1）轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，只需單方相繞阻電流，每相一個功率開關(guān)，功率電路簡單可靠，可降低系統(tǒng)成本。

（2）易于實現(xiàn)各種再生制動能力。

（3）定子線圈嵌裝容易，熱耗大部分在定子，易于冷卻，效率高，損耗小，允許有較大的溫升。

（4）轉(zhuǎn)子上沒有電刷，結(jié)構(gòu)堅固，適用于危險環(huán)境，控制靈活。

（5）調(diào)速范圍寬，控制靈活并且輸出效率很高。

（6）電機的繞組電流方向為單方向，控制電路簡單，具有較高的經(jīng)濟性和可靠性，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小，有較高轉(zhuǎn)矩慣量比。

其主要缺點為轉(zhuǎn)矩脈動大、需要根據(jù)轉(zhuǎn)子與定子相對位置投勵、必須與控制器一同使用才能穩(wěn)速運行、主接線數(shù)隨著相數(shù)的增多而大量增多。

（三）、基本內(nèi)容

功率變化器在SRD中占的比重非常的大，因此合理的設(shè)計功率變換器是提高SRD性能跟價格的關(guān)鍵之一。從功率變換器與電動機結(jié)構(gòu)匹配、效率高，控制方便，結(jié)構(gòu)簡單、成本低的要求出發(fā)，一個理想的功率變換器應(yīng)該具備如下條件：

（1）最少數(shù)量的主開關(guān)器件；

（2）基數(shù)相和偶數(shù)相的SR電機都適合用；

（3）所有的電源電壓都可以加到相繞阻上；

（4）主開關(guān)器件的額定電壓接近電動機額定電壓；

（5）相繞阻電流變化速度快；

（6）通過主開關(guān)器件調(diào)制，能夠有效的控制相電流；

（7）繞阻磁鏈減少的同時能夠?qū)⒛芰炕仞伣o電源。

具備以上條件的電路有很多。主要有每相只有一個主開關(guān)管的電路，據(jù)有最少數(shù)量主開關(guān)器件的功率變換電路。

3.1每相只有一個主開關(guān)管的電路

每相只有一個主開關(guān)管的電路包括雙繞阻功率變換器、采用分裂式直流電源的功率變換器、帶儲存電容的功率變換器和再生式SR電動機功率變換器。

雙繞阻功率變換器要求SR電動機每相有一個二次繞阻與一次繞阻完全耦合器主開關(guān)器件裝置的額定電壓至少是電機繞阻額定值的兩倍，因此未能用足主開關(guān)器件的額定電壓，另一缺點是銅線的利用率低。但是就逆變電路而言它是經(jīng)濟的。

采用分裂式直流電源的功率變換器這種功率變換器中電容量和電源電壓的定額將顯著增加。為了保證三線電源兩側(cè)的負載相等，使上下臂各相工作電壓相等，采用這種功率變換器方案只適用于偶數(shù)相的SR電機，這種方案對蓄電池供電系統(tǒng)是十分合適的。

帶儲存電容的功率變換器根據(jù)能量回饋電源的方法不同可以有如下幾種方案：1、利用諧振回收能量2、利用阻尼回收能量3、利用斬波器回收能量。其各有優(yōu)缺點。

3.2具有最少數(shù)量主開關(guān)器件的功率變換器

它是在不對稱半橋電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的少主開關(guān)器件的功率變換電路它保留了橋式電路的所有優(yōu)點但所用的每相主開關(guān)可以少于兩個。但是主開關(guān)的工作狀態(tài)必須根據(jù)與其連接的所有相繞阻的電流來決定，所以必須提出對所有相電流獨立控制的主開關(guān)器件策略，同時SR電機相繞阻接至功率變換器的方式必須加以限定。

電流檢測電路用來檢測定子繞組的電流大小，將其反饋到控制器中。四相電機可以采取A/C、B/D共用一套電流傳感器，SRM功率變化器輸出的相電流是單向的，可以用電阻采樣，直流電流互感器，霍爾元件采樣，磁敏電阻采樣。

位置檢測的目的是確定轉(zhuǎn)子定子的的相對位置，即要用絕對位置傳感器檢測定子的相對位置，然后將信號反饋到邏輯控制電路，以確定對應(yīng)相繞阻。通過電機四相繞阻的不同位置可以判斷出轉(zhuǎn)子的相對位子，從而達到檢測轉(zhuǎn)子相對位置的目的。

數(shù)字控制電路完成象限控制軟起動等其他控制功能。通過單片機能實現(xiàn)非常多的控制功能，靈活性好、智能性好，但它也是有缺點的，就是系統(tǒng)響應(yīng)速度受到單片機速度的影響。

（四）、開關(guān)磁阻電動機的數(shù)學模型

開關(guān)磁阻電動機控制參數(shù)多，數(shù)學模型十分復(fù)雜。為了降低難度，對開關(guān)磁阻電動機采用簡化、線性化或準線性化的分析方法，以便建立比較準確的開關(guān)磁阻電動機的數(shù)學模型。考慮了電動機的磁路飽和、渦流、磁滯效應(yīng)等非線性的所有因素，可以列出一個很精確的數(shù)學模型，但是計算復(fù)雜很難用于仿真分析。因此，在建立開關(guān)磁阻電動機數(shù)學模型的時候，要在理論性和實用性上加以折中考慮。為了簡化分析，做出如下的假設(shè):

(1)主電路電源的直流電壓Us恒定不變；

(2)主開關(guān)器件為理想開關(guān)，即導(dǎo)通壓降為零，關(guān)斷時流過的電流為零；

(3)忽略所有的功率消耗；

(4)電動機各相參數(shù)對稱，忽略相間互感；

(5)在一個電流脈動周期內(nèi)，認為轉(zhuǎn)速恒定。

（五）、開關(guān)磁阻電機的應(yīng)用

作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機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。下面介紹開關(guān)磁阻電機的一些應(yīng)用實例。

5.1在電動車中的應(yīng)用

電動車是解決世界能源危機，環(huán)境污染等重大難題的理想交通工具，是21世紀的高科技產(chǎn)品之一。目前電動摩托車和電動自行車的驅(qū)動電機主要有永磁有刷及永磁無刷兩種，然而采用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動有其獨特的優(yōu)勢。矩脈動大，噪聲大，相對永磁電機而言，功率密度和效率偏低；要使用位置傳感器，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低了可靠性這些是MRD的缺點。

5.2在食品加工機械中的應(yīng)用

在食品加工機械中，開關(guān)磁阻電機顯現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢：體積小、不燒電機、沒有或只有小的齒輪減速比、電機外形設(shè)計靈活，適應(yīng)性好、能夠安全停機、速度離散可選或者連續(xù)可調(diào)、易實現(xiàn)特殊要求的機械特性。開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)、體積、特性上的優(yōu)勢非常明顯，降低了電機成本，提高了產(chǎn)品的可靠性。

5.3在龍門刨床中的應(yīng)用

龍門刨床是機械行業(yè)的一種重要加工機械，其主傳動系統(tǒng)的作用是帶動工作臺實現(xiàn)往返運行。

實踐證明，開關(guān)磁阻電機的特性特別適合于頻繁起制動和換相運行，換相過程起動電流小，只有額定電流的0.5倍，起、制動轉(zhuǎn)矩可調(diào)，因而工藝符合要求。輕型龍門刨床以往之所以取較低的速度是由于傳動形式所限。當開關(guān)磁阻電機能滿足提升速度的條件下，再加上主機也允許，提升速度和切削能力是絕對合理的。實驗證明，將機床速度提高到40m/min以上，機床系統(tǒng)剛性滿足，這樣可以使刨床的生產(chǎn)效率提高一倍。

（六）、開關(guān)磁阻電機的發(fā)展趨勢展望

1、數(shù)學模型的研究

數(shù)學模型是控制理論應(yīng)用的基礎(chǔ)。在以往的研過程中，人們已經(jīng)提出了各種各樣的開關(guān)磁阻電機的數(shù)學模。近年來，多維系統(tǒng)辨識、小波模型、神經(jīng)網(wǎng)建模等各種建模理論發(fā)展迅速。SRM數(shù)學模型的研究也必定會得到快速發(fā)展。我們相信在不久的將來結(jié)合各種現(xiàn)代建模理論的SRM非線性數(shù)學模型將被提出。

2、非線性控制理論、智能控制理論的應(yīng)用。近年來雖然些學者已將非線性控制理論和智能控制理論應(yīng)用在SRM制系統(tǒng)中，由于控制理論所結(jié)合的控制策略還不完善，控制效果并不理想。可以預(yù)見，未來一段時間各非線性控制理論、智能控制理論，將與控制策略的究同步進行，它們將以更加有效的途徑應(yīng)用于SRM系統(tǒng)中。

3、高性能SRM驅(qū)動系統(tǒng)的研究

SRM具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩/慣量比小等優(yōu)點。但是，SRM的線性特性和轉(zhuǎn)矩脈動難以抑制，使得以往SRM伺服驅(qū)動系統(tǒng)的研究進展較為緩慢。隨著轉(zhuǎn)矩脈動抑制研究的進一步發(fā)展以及人們對SRM非線性本質(zhì)認識的加深SRM在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用的研究必定會得到空前的發(fā)展。

三、小結(jié)

目前，人們已經(jīng)提出線性、準線性、非線性等多SRM數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合各種各樣的消轉(zhuǎn)矩脈動的控制策略，將線性控制理論、非線性控理論和智能控制理論應(yīng)用于SRM的控制器設(shè)計，已經(jīng)取得了豐碩的成果。但是，在SRM控制領(lǐng)域研究還遠未到完善的程度，未來一段時間，SRM制技術(shù)將在數(shù)學模型、控制策略、控制理論應(yīng)用以高性能驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)等方面，繼續(xù)得到發(fā)展。

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