本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 I 摘 要 開關(guān)磁阻電動機(jī) (稱 速系統(tǒng) (稱 一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。因其結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性好，啟動轉(zhuǎn)矩大及調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，日益受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注 開關(guān)磁阻電動機(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型，并通過 真對調(diào)速 系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明數(shù)學(xué)模型與仿真結(jié)果基本吻合。 關(guān)鍵詞 ： 開關(guān)磁阻電動機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)； 數(shù)學(xué)模型 ； 真 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 is a is RD a of of of at on RM he 科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 目 錄 摘 要 . I . 關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的歷史及發(fā)展現(xiàn)狀 . 1 關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概述 . 2 關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理 . 2 統(tǒng)的組成 . 5 統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn) . 6 關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究和發(fā)展方向 . 7 設(shè)計(jì)要做的工作 . 8 第二章 機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 . 9 R 電機(jī)的模型 . 9 立模型常用的方法 . 9 R 電機(jī)的方程 . 10 R 電機(jī)系統(tǒng)的線性分析 . 12 感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系分析 . 12 于線性模型的繞組電流分析 . 14 磁轉(zhuǎn)矩的分析 . 18 速的控制 . 18 于非線性電感特性的 機(jī)的數(shù)學(xué)模型 . 19 組非線性電感特性研究 . 19 R 電機(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型 . 20 第三章 統(tǒng)的控制策略 . 24 關(guān)磁阻電機(jī)主要的幾種控制方式 . 24 度位置控制 . 24 流斬波控制 . 25 壓 制 . 26 系統(tǒng)控制方式的確定 . 27 R 電動機(jī)起動過程分析 . 28 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 相起動方式 . 28 相起動方式 . 29 R 電動機(jī)運(yùn)行噪聲分析 . 30 第 4 章 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 真 . 32 真軟件 介 . 32 速控制策略的研究 . 34 R 電機(jī)的運(yùn)行特性 . 34 制策略 . 35 仿真研究 . 37 變器模型 . 37 R 電機(jī)模型 . 37 統(tǒng)模型 . 38 流控制器模型 . 39 度控制模型 . 40 真結(jié)果與分析 . 41 結(jié)束語 . 44 致謝 . 45 參考文獻(xiàn) . 46 本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 1 第 1 章 緒論 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡稱 統(tǒng)，它是繼變頻調(diào)速、無換向器電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后，于 80 年代中期發(fā)展起來的新型交流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將新的電動機(jī)結(jié)構(gòu) 開關(guān)型磁阻電動機(jī) (稱 現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)合為一體，兼有異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)代電氣傳動的熱門課題之一。 關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系 統(tǒng)的歷史及發(fā)展現(xiàn)狀 磁阻電機(jī)約誕生于一個(gè)半世紀(jì)前， 1842 年，英國的 R 電動機(jī)的雛形，但因電路中沒有釋放回饋能量的續(xù)流二極管，造成電路的斷開伴有周期性電火花 ； 另外由于使用的是機(jī)械開關(guān)，因此控制精度不夠，電動機(jī)的運(yùn)行特性很差，導(dǎo)致這種雛型的誕生直到功率電子開關(guān)器件問世前的100 多年間，人們一直沒有太大的興趣來研究 1 。 上世紀(jì) 50 年代末晶閘管的出現(xiàn)， 70 年代后各種高速、全控型開關(guān)器件的先后問世，帶來了電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā) 展，大功率晶閘管的投入使用，為 動機(jī)的研究和發(fā)展奠定了重要的基礎(chǔ)。 1967 年，英國 學(xué)開始對 動機(jī)進(jìn)行深入的研究，得出 動機(jī)可在單向電流下四象限運(yùn)行的結(jié)論，且電動機(jī)成本亦明顯低于同容量的異步電動機(jī) ； 1973 年，英國 學(xué)也開始對 動機(jī)攻關(guān) ； 1975 年，上述兩所英國大學(xué)的研究小組聯(lián)合成功地研制出一套用于電動汽車的 置，且其單位輸出功率和效率都高于同類的異步電動機(jī)驅(qū)動裝置。 伴隨著高性能電子計(jì)算機(jī)的問世，為 動機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的計(jì)算和分析工具 ； 而電力電子學(xué)和微電子學(xué)的發(fā)展，則保證了 經(jīng)濟(jì)性和可控性得到了很大的提高。到 1980 年， 學(xué)的 授及其同事們，總結(jié)他們的研究成果，發(fā)表了著名論文變速開關(guān)型磁阻電動機(jī)，得到國際社會的承認(rèn)。文中系統(tǒng)闡述了 動機(jī)的原理及設(shè)計(jì)理論，研究了 動機(jī)的特性及控制方式，這些工作被公認(rèn)為 動機(jī)研究的奠基之作。 1983 年，英國 限公司將世界上第一臺開關(guān)型磁阻電動機(jī) 動裝置開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 2 (500r/品投放市場 ； 1984 年，又推出 4 22 干瓦四個(gè)規(guī)格的系列產(chǎn)品。原聯(lián)邦德國在 1984 年至 1986 年期間也先后完成了樣機(jī)的試制。作為一種結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、價(jià)格便宜的新型調(diào)速系統(tǒng)，問世不久便引起各國電氣傳動界的廣泛重視。其后，美國、加拿大、南斯拉夫、埃及、新加坡等國家也都竟相發(fā)展。 1991 年，英國又研制成功電壓為 9000V，功率為 5 統(tǒng)。到了目前為止，在 統(tǒng)的開發(fā)研制方面，英國一直處于國際領(lǐng)先地位。 我國于 1984 年左右也開始了 研究和開發(fā)工作， 1992 年初成立了中國電工技術(shù)學(xué)會中小型電機(jī)專業(yè)委員會下設(shè)的開關(guān)磁阻電機(jī)學(xué)組，以推動開關(guān)磁阻電機(jī)研究工作的進(jìn)一步發(fā)展。我國跟蹤英國的研究成果，廣泛開展了 機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作，一些高校及科研機(jī)構(gòu)如華中科大、南航、北京中紡機(jī)電研究所等自 1985 年陸續(xù)開始研究這種系統(tǒng) ； 九十年代以來又有清華、哈工大、河海大學(xué)、北交大、中國礦大、河北工大等開始進(jìn)行研究?，F(xiàn)在，已有一批中小功率的 統(tǒng)成果，并開始由實(shí)驗(yàn)室階段發(fā)展到工業(yè)試用和推廣應(yīng)用階段，如南京瑞鵬科技有限公司研制的功率為 品和北京中紡銳力機(jī)電 有限公司 400列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已被用于紡織機(jī)械、電動車輛、煤礦設(shè)備、吸塵器、洗衣機(jī)、風(fēng)機(jī)水泵和通用調(diào)速系統(tǒng)等領(lǐng)域。 總之，從七十年代至今，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的不斷努力，對 統(tǒng)的研究己經(jīng)在理論分析、性能仿真、轉(zhuǎn)矩波動及電機(jī)噪聲、電機(jī)設(shè)計(jì)、有限元分析、功率變換器設(shè)計(jì)、能耗計(jì)算、優(yōu)化性能、控制策略、位置傳感器等方面均取得了豐碩的成果，并且隨著基礎(chǔ)理論、電子元器件等的發(fā)展而繼續(xù)發(fā)展。 關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概述 關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)非常 相似，它是雙凸極可變磁阻電機(jī)。電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一對磁極，稱為“一相”。由于低于三相的 動機(jī)沒有自起動能力 ； 而相數(shù)多的 動機(jī)步距角小，利于減小轉(zhuǎn)矩脈動，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且主開關(guān)器件多，成本高，故目前應(yīng)用較多的是四相 8/6和三相 6/4 極結(jié)構(gòu) 。 從原理上看， 動機(jī)與步進(jìn)電動機(jī)相似，運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”，本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 3 即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。所以當(dāng)鐵芯與磁場的軸線不重合時(shí)，便會有作用力將鐵芯拉到磁場的軸線上來，這 個(gè)作用力就是磁阻電機(jī)運(yùn)行的動力。這是 機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的相似之處，但是，一般步進(jìn)電動機(jī)是開環(huán)控制，而 機(jī)則是閉環(huán)控制 ； 另外一般步進(jìn)電動機(jī)是用在角位移較精密的傳動方面上，而機(jī)是典型的功率型電氣傳動裝置，主要應(yīng)用在牽引傳動方面。因此， 機(jī)要突出速度控制和實(shí)現(xiàn)高效率，所以其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路也大不相同。如圖所示為四相 8/6極 圖中只簡要畫出 S 1S 2V D 1V D 2B C D 1 2 3 圖 1相 8/6 極 動機(jī)結(jié)構(gòu) 電路。 現(xiàn)以圖中 四相 8/6 極 機(jī)結(jié)構(gòu)所示為例，介紹開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原理。 圖中， 1S 2S 是電子開關(guān)， 1 2二極管，機(jī)定子和轉(zhuǎn)子呈凸極形狀，極數(shù)互不相等，轉(zhuǎn)子由疊片構(gòu)成，且?guī)в形恢脵z測器以提供轉(zhuǎn)子位置信號，使定子繞組按一定的順序通斷，維持電動機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。電機(jī)磁阻隨著轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極的中 心線對準(zhǔn)或錯(cuò)開而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁極中心線位置時(shí)，相繞組電感最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子極間中心線對準(zhǔn)定子磁極中心線時(shí)，相繞組電感最小。 圖 1，當(dāng)定子 極勵(lì)磁時(shí)，所產(chǎn)生的磁力則力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線 1與定子極軸線 重合的位置，并使 D 相勵(lì)磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對位置作為起始位置，則依次給 D A B C 相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會以逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn) ； 反之，若依次給 B A D C 相通電，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 4 則電機(jī)即會沿著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。可以看出， 動機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組 通電的順序。另外，從圖 1以看出，當(dāng)主開關(guān)器件 1S 2S 導(dǎo)通時(shí)， A 相繞組從直流電源當(dāng) 1S 2S 關(guān)斷時(shí)，繞組電流經(jīng)續(xù)流二極管 1 2續(xù)流通，并回饋給電源此， 機(jī) 傳轉(zhuǎn) 子 極 矩rLm 1 2 3 4 )a)1 2 3 4 圖 1電感、轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置的變化圖 a)相電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化 b)一定電流下轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置的變化 動的共性特點(diǎn)是具有能量再生作用， 系統(tǒng)效率高。 從上面簡單的分析可以知道， 動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由磁路選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)的趨勢來產(chǎn)生的。由于電動機(jī)磁路的非線性，通常 動機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)根據(jù)磁共能來 計(jì)算，即： ),(),( 1中 T 轉(zhuǎn)矩， W 磁共能， 轉(zhuǎn)子位置角， i 繞組電流 本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 5 顯然，磁共能 ),( 的改變不僅取決于轉(zhuǎn)子的位置，還取決于繞組電流的大小。在對 動機(jī)性能作定性分析時(shí)，為避免繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，不妨忽略磁路飽 和及邊緣效應(yīng)，并假定電感同電流無關(guān)。這時(shí)，一對定子極下電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線如圖 1示，電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，電感變化的周期數(shù)正比于轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，該周期的長度為轉(zhuǎn)子極距。 基于圖 1簡化線性模型，式 (1化簡為式 (1即 ： 2 2121),( （ 1上式可知，相繞組在恒定電流 i 作用下，產(chǎn)生的對應(yīng)轉(zhuǎn)矩如圖 1示。由此可見， 動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向不受電流方向的影響，僅取決于電感隨轉(zhuǎn)角的變化 ；在 相通電的過程中，若 0則產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩 ； 若 0則產(chǎn)生制動力矩。因此，通過控制加到 動機(jī)繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉(zhuǎn)子的相對位置，即可控制 動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與方向，這正是 動機(jī)調(diào)速控制的基本原理。 統(tǒng)的組成 整 流工 業(yè) 電 網(wǎng) 功 率 變 換 S R 電 機(jī) 負(fù) 載電 壓 檢 測 驅(qū) 動 電 流 檢 測 位 置 檢 測按 鍵 及 顯 示 控 制 C P U 隔 離 轉(zhuǎn) 換圖 1統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 一般 統(tǒng)由 機(jī)和控制系統(tǒng)組成，基本結(jié)構(gòu)如圖 1示。 統(tǒng)包括 :動機(jī)、功率 變換器、控制與檢測單元、輸入輸出設(shè)備。其中控制系統(tǒng)主要包括功率驅(qū)動部份和控制器及檢測部分。 功率驅(qū)動部分是將蓄電池或交流電整流后得到的直流電能量經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)換后提供給 機(jī)。由于電機(jī)繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路不僅結(jié)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 6 構(gòu)較簡單，而且相繞組與主開關(guān)器件是串聯(lián)的可以避免直接短路的故障。功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式與供電電壓、電動機(jī)相數(shù)及主開關(guān)器件的種類等有關(guān)，它是 統(tǒng)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，工作在強(qiáng)電環(huán)境下，直接用來控制 機(jī)相繞組電流的通斷來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)，是影響系統(tǒng)性能價(jià)格比的主要因素。 控制 器及檢測單元是 統(tǒng)的核心部分，它綜合處理電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對 機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。若控制器發(fā)出一系列控制信號，使電動機(jī)各相主開關(guān)器件按一定的規(guī)律導(dǎo)通，則電動機(jī)會按逆時(shí)針或順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，并輸出機(jī)械能 ； 若輸出相反順序的觸發(fā)信號，則電動機(jī)將反轉(zhuǎn)。它工作在弱電環(huán)境下，通過接受外圍鍵盤等 設(shè)備下達(dá)的指令，檢測轉(zhuǎn)子的位置和繞組電流的大小等信息，送入 結(jié)合控制策略，得出控制方法，然后將控制輸出信號送入功率電路，且同時(shí)將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)通過顯示設(shè)備顯示出 來，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。 統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn) 速系統(tǒng)之所以被越來越多的人所關(guān)注，是因?yàn)槠浔旧碛性S多自己的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。 (1)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、優(yōu)點(diǎn)多 機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，其突出的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)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(jī)械強(qiáng)度高，使得電動機(jī)可高速運(yùn)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(gè)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(jī)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 1 ； 最后，電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大，可靠性高，能適用于危險(xiǎn)的環(huán)境，且控制方式很靈活。 (2)統(tǒng)中功率電路結(jié)構(gòu)簡單可靠 動機(jī)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(gè)功率開關(guān)器件。只要控制主開關(guān)器件的開通、關(guān)斷時(shí)間，即可改變電動機(jī)的工作狀態(tài)。另外，系統(tǒng)中每個(gè)功率開關(guān)器件均直接與電動機(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護(hù)部分可以簡化，既降低了成本，又具 有較高的可靠性。 本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 7 (3)統(tǒng)效率高、起動轉(zhuǎn)矩大 統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。這是因?yàn)橐环矫骐妱訖C(jī)轉(zhuǎn)子不存在繞組銅耗，另一方面電動機(jī)可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負(fù)載下實(shí)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(dá)到的。且電機(jī)起動時(shí)，只需從電源側(cè)提供較少的電流，就能在電動機(jī)側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩。 (4)統(tǒng)可控參數(shù)多，控制方式簡單 控制開關(guān)磁阻電動機(jī)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(jī)的運(yùn)行要求和電動機(jī)的情況，采用不同控制方法，使之有效的運(yùn)行。 (5)統(tǒng)可靠性高、適用范圍廣 機(jī)不會發(fā)生感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子籠斷裂或燒熔的故障，再加上 機(jī)采用簡單而堅(jiān)固的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由單極性功率變換器供單方向電流激勵(lì)，可做到磁路上各相相互獨(dú)立和電路上各相相互獨(dú)立，因此，該系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行可靠性和容錯(cuò)能力。即使某相繞組或主開關(guān)管出現(xiàn)故障，電機(jī)依然能平穩(wěn)運(yùn)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(yùn)行，并可廣泛地應(yīng)用在紡織、造紙、煤礦、航空、機(jī)械等領(lǐng)域。如 ：造紙機(jī)、漿紗機(jī)、采煤機(jī)、礦用運(yùn)輸機(jī)、電牽引采煤機(jī)、電機(jī)車牽引及局部風(fēng)機(jī)和水泵等、家用電器和機(jī)器人上。 關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究和發(fā)展方向 由于開關(guān)磁阻電動機(jī)的發(fā)展歷史短，涉及面廣，在理論和應(yīng)用上仍存在諸多值得研究探討的課題，目前 統(tǒng)的研究主要涉及以下幾個(gè)方面 1 ： （ 1） 機(jī)模型的建立及參數(shù)的 確定，尤其是磁鏈曲線的測量。建立 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(jī)的性能，但卻很難進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。 機(jī)性能的精確估算，包括整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的數(shù)字仿真，現(xiàn)都己經(jīng)引入了計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)。由于開關(guān)電路供電的非線性，電流波形規(guī)律特殊，只有將電機(jī)、變換器及控制模式一體化設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)優(yōu)化電機(jī)、電路結(jié)構(gòu)及控制參數(shù)等才能獲得較為滿意的結(jié)果。 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 8 （ 2） 變換器方案確定和主開關(guān)元器件選擇。開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能和制造成本，在很大程度上取決于變換器 主電路的結(jié)構(gòu)形式。變換器是根據(jù)控制器的指令輸出直流脈沖電壓分配給電機(jī)各相繞組工作的，方案類型很多。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，如何合理地選擇主開關(guān)元件的類型、數(shù)量及容量也是一個(gè)十分重要的課題。 （ 3） 無位置傳感器的 統(tǒng)的研制 11 。位置檢測環(huán)節(jié)是 動機(jī)驅(qū)動系 統(tǒng)的重要組成部分，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(shí)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(shí)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，如電流波形檢測及由此變形而來的非通電相加瞬間脈沖激勵(lì)的電感簡化計(jì)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 統(tǒng)有更多的優(yōu)勢與直流及交流變頻調(diào)速相競爭。 （ 4） 統(tǒng)的優(yōu)化，包括從電動機(jī)的設(shè)計(jì)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)矩脈動，加強(qiáng)對轉(zhuǎn)矩脈動及噪聲的理論研究。 動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動及其引起的噪聲是 個(gè)頗為突出的缺點(diǎn)，這限制了其在諸如伺服驅(qū)動等這類低速且要求平穩(wěn)并有一定靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力場合下的應(yīng)用。因此，研究抑制 動機(jī)的振動和噪聲也是改善 能的重要課題之一。 設(shè)計(jì)要做的工作 要求從基本的電磁規(guī)律出發(fā)，掌握 原理及相關(guān)理論。并利用數(shù)學(xué)模型 建立 統(tǒng)的模 型 、 模 型 、電流控制器 模型 、 逆變器模型、角度控制模型，并 通過 行仿真，比較分析仿真波形與理想數(shù)學(xué)模型的差距。 本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 9 第二章 機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 建立 動機(jī)數(shù)學(xué)模型的主要困難在于電動機(jī)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(jī)的性能，但卻很難進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬?？紤]了非線性的所有因素，雖然可以建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型，但是計(jì)算相當(dāng)?shù)姆爆崱Ｒ虼耍谛阅芊治龊颓蠼饨?shù)學(xué)模型時(shí)不得不在實(shí)用與理想之間尋求一種折衷的處理方法。 R 電機(jī)的模型 立模型常用的方法 目前人們針對電機(jī)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(jì)電機(jī)磁路的飽以及邊緣效應(yīng) 等影響，假定電機(jī)相繞組 的電感與電流大小無關(guān)，且不考慮磁場邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，可用 動機(jī)的理想線性模型將磁鏈k近似為電流種方法可了解電機(jī)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(zhǔn)線性模型 因?yàn)榇沛渒在飽和區(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(shí) 際的非線性磁化曲線分段線性化，同時(shí)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(dá)式 ； 在用于分析電機(jī)性能時(shí)，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(shí)上，由于電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路的飽和、渦流以及磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的非線性，加上電機(jī)運(yùn)行期間的開關(guān)性，在電機(jī)運(yùn)行期間，繞組電感為電流和 轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。但是 動機(jī)定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)子位置變化的規(guī)律很復(fù)雜，難以用簡單的解析表達(dá)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 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 10 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(xiàng)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(dá)式來進(jìn)行表示。 (d)查表法 該方法 是把實(shí)測或計(jì)算所得的等角度、等電流間隔電機(jī)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) ),( 以表格形式存入計(jì)算機(jī)中，然后用查表法數(shù)值求解非線性模型，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。 R 電機(jī)的方程 動機(jī)運(yùn)行的理論與任何電磁式機(jī)電裝置運(yùn)行的理論在本質(zhì)上沒有什么區(qū)別，對于 m 相 動機(jī)，若不計(jì)磁 滯、渦流及繞組間互感時(shí)，可列出如圖 2端口裝置系統(tǒng)示意圖 1 。 a m 耗 磁 場 系 統(tǒng) ),( aa i ),( bb i),( mm -1 m 相 動機(jī)系統(tǒng)示意圖 圖中，J 為 動機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量， D 代表粘性摩擦系數(shù)， 示 負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 建立 動機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)，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(jì)磁場邊緣效應(yīng) ； (2)在一個(gè)電流脈沖周期，轉(zhuǎn)速 恒定不變 ； 本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 11 (3)主電路供給電源的直流電壓 U 恒定不變。 在建立各項(xiàng)方程前，設(shè) m 相 機(jī)各相結(jié)構(gòu)和 參數(shù)一樣，且第),.,1( 相的磁鏈為 k 、電壓為 電阻為 電感為 電流為 轉(zhuǎn)矩為子位置角為k，電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速為 。 下面分別針對這種“理想”的機(jī)電系 統(tǒng)建立磁鏈方程、電壓方程和機(jī)械聯(lián)系方程。 一般來說， 動機(jī)的各相繞組磁鏈k為該相電流與自感、其余各相電流以及轉(zhuǎn)子位置角k的函數(shù)，即 ： ),.,.(1 （ 2 由于 動機(jī)各相之間的互感相對自感來說甚小，為了便于計(jì)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 ： ,(),( （ 2 其中，每相的電感函數(shù)，它隨著轉(zhuǎn)子角位置而變化，這正是 動機(jī)的特點(diǎn)。 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 ： （ 2 2入上式可得： )（ 2 上式表明，電源電壓與電路中三部分電壓降之和相平衡。其中，等式右端第一項(xiàng)為第 k 相回路中的電阻壓降 ； 第二項(xiàng)是由電流變化引起磁鏈變化而感應(yīng)的電動勢，所以稱為變壓器電動勢 ； 第三項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子位置改變引起繞組 中磁鏈變化而開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 12 感應(yīng)的電動勢，所以稱為運(yùn)動電動勢，它與電磁機(jī)械能量轉(zhuǎn)換直接有關(guān)。 按照力學(xué)定律可得出在電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T 作用下的轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動方程 ： 22 （ 2 以上分別從電端口、機(jī)械端口列寫了系統(tǒng)方程，兩者是通過電磁轉(zhuǎn)矩耦 合在一起的，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式反 映出了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。應(yīng)該指出，上述 動機(jī)的數(shù)學(xué)模型盡管從理論上完整、準(zhǔn)確地描述了 動機(jī)中的電磁及力學(xué)關(guān)系，但由于 ),( 及 )(i 難以解析，實(shí)用起來卻很麻煩，因此，往往必須根據(jù)具體電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及所要求的精確程度加以適當(dāng)?shù)暮喕?R 電機(jī)系統(tǒng)的線性分析 感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系分析 影響 行特性最主要因素是 動機(jī)的相電流波形、電流的峰值以及電流峰值出現(xiàn)的位置。由于 動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是磁阻性 質(zhì)的，又是雙凸極結(jié)構(gòu)，其磁路是非線性的，加上運(yùn)行時(shí)的開關(guān)性和可控性，使電動機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜。雖然求解上節(jié)導(dǎo)出的非線性偏微分方程式 (2得 )(i 的精確解，但式 (2有解析解，只有數(shù)值解，很難計(jì)算。為弄清電機(jī)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系，有必要從簡化的線性模型，也就是上節(jié)所說的理想線性模型開始進(jìn)行分析研究，若不計(jì)電動機(jī)磁路飽和的影響，假定相繞組的電感與電流的大小無關(guān)，且不考慮磁場邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，這時(shí)，相繞組的電感隨轉(zhuǎn)子位置角 周期性變化的規(guī)律可用圖 2明。 本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 13 )(2 3 a 4 5m rs后沿前沿定 子轉(zhuǎn) 子圖 2感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系 圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角 (機(jī)械角 )，它的基準(zhǔn)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn) 0 的位置，對應(yīng)于定子槽中心線與轉(zhuǎn)子凹槽中心線對齊的位置，這時(shí)相電感為最小值 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個(gè)極距時(shí)，該相定、轉(zhuǎn)子凸極中心完全對齊，這時(shí)相電感為最大值隨著定、轉(zhuǎn)子磁極重疊部分的增加和 減少，相電感則在 )(L 的變化的頻率正比于轉(zhuǎn)子極對數(shù)，變化的周期即為極距 r的大小，其中 2 ，為轉(zhuǎn)子相鄰兩極之間的機(jī)械角度，對于本系統(tǒng)所研究的 8/6 極 機(jī)極距的大小為 60 。 由圖中，可以得到“理想化”的線性 動機(jī)電感的分段線 性方程，其繞組 電感 L 與轉(zhuǎn)子位置角 的關(guān)系如下 ： 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 14 21 m 32 )(L = （ 2 )(4m a x 其中 m a m a x 。 于線性模型 的繞組電流分析 動機(jī)各相繞組通過功率電路供電，當(dāng)功率電路的開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，繞組電壓為電源電壓假設(shè)繞組電感僅是轉(zhuǎn)子位置的線性函數(shù)，且在式 (2，繞組的電阻壓降比起來很小，可以忽略掉，故 (2可化簡成 ： （ 2 )()( ，故有 s （ 2程的兩邊同乘繞組電流 i ，可得功率平衡方程 ： . s 222 21 （ 2式表明，當(dāng) 動機(jī)繞組通電時(shí)，若不計(jì)相繞組的損耗，輸入的電功率一部分用于增加繞組的 貯能 22部分則轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率輸 出 該機(jī)械功率輸出為繞組電流 i 與定子電路的旋轉(zhuǎn)電動勢 積。 若在電感上升區(qū)域 2 3內(nèi)繞組通電，旋轉(zhuǎn)電動勢為正，產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，電源提供的電能一部分轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，一部分則以磁能的形式貯存在繞組中 ； 若通電繞組在 2 3內(nèi)斷電，貯存的磁能一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，一部分則回饋給電源，這時(shí)轉(zhuǎn)軸上獲得的仍是電動轉(zhuǎn)矩。在最大電感為常數(shù)的區(qū)域3 4本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 15 內(nèi)，旋轉(zhuǎn)電動勢為 0，如果電流繼續(xù)流動，繞組磁能則僅回饋給電源，轉(zhuǎn)軸上沒有電磁轉(zhuǎn)矩 ； 最后，若電流在電感下降區(qū)域 4 5內(nèi)流動，因旋轉(zhuǎn)電動勢為負(fù)，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，這時(shí)回饋給電源的能量既有繞組釋放的磁能，也有制動轉(zhuǎn)矩 產(chǎn)生的機(jī)械能，即 動機(jī)運(yùn)行在再生發(fā)電狀態(tài)。 )(Lm 3 4 5 )(i 60 g 圖 2度位置控制方式典型相電流波形 顯然，為了得到較大的有效轉(zhuǎn)矩，一方面，應(yīng)盡量減小制動轉(zhuǎn)矩，即在繞組電感開始隨轉(zhuǎn)子位置減小時(shí)應(yīng)盡快使繞組電流衰減到 0 ,為此，關(guān)斷角常設(shè)計(jì)在最大電感達(dá)到之前。主開關(guān)器件關(guān)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(nèi)流動的電流很小 ；另一方面，應(yīng)盡量提高電動轉(zhuǎn)矩，即在繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置上升區(qū)域應(yīng)盡量流過較大的電流。因此， 動機(jī)電動運(yùn)行時(shí)，應(yīng)在 1 2 內(nèi)觸發(fā)導(dǎo)通主開關(guān)器件，即有21 應(yīng)在 2 3內(nèi)關(guān)斷主開關(guān)器件，即有32 這時(shí)一個(gè)電感變化周期內(nèi)的電流波形如圖 2示。 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 16 由于繞組電 感 )(L 的表達(dá)式 (2分段線性解析式， 故需分段給出初始條件 求解關(guān)于繞組電流 i 的微分方程式。 （ 1） 如圖 2示，在 1 到 2 區(qū)域， ，將 0)( 作為初值條件結(jié)合式 （ 2得： m （ 2 式 (2明，電流在最小電感恒值區(qū)域內(nèi) （ 1 2 ） 是直線上升的，上升率為 0)(m co n ，因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)電感恒為最小值，且無旋轉(zhuǎn)電動勢，因此開關(guān)磁阻電動機(jī)相電流可在該區(qū)域內(nèi)迅速建立。分析式 (2知，若減小則電流幅值會相應(yīng)的增加。因此通過合理選擇繞組開通角即可使相電流在進(jìn)入有效工作區(qū)域前達(dá)到一定的數(shù)值，以保證在電感上升段產(chǎn)生足夠大的電動轉(zhuǎn)矩。 （ 2） 在 2 到關(guān)斷角段， )()( 2m 將 (2推出的結(jié)果 )()()(m Ui 作為該區(qū)段的初值條件，結(jié)合式 (2得： )()()(2m （ 2 對應(yīng)的電流變化率為 ： 22m i n 2m i n )()( 2 上式表明，若 m ，則 0流將在電感上升區(qū)域內(nèi)下降，這時(shí)因?yàn)樾。娏髟?2 處將有相當(dāng)大的數(shù)值，使旋轉(zhuǎn)電動勢引起正壓降超過了電源壓降 ;若 m ，則 0流將保持恒值不變，這時(shí)旋轉(zhuǎn)電動勢恰好與電源電壓平衡 ； 若 m ，則 0流將繼續(xù)上升，這 時(shí)因?yàn)榇?，所以電流?2 處的數(shù)值較小，使有效工作段內(nèi)旋轉(zhuǎn)電動勢的正壓降小于電源電壓。由此可見，不同的開通角可形成不同形狀的相電流本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 17 波形。顯然， m 所對應(yīng)的“平頂波”電流有效值比值小，這對電動機(jī)及半導(dǎo)體開關(guān)器件均有益處，與其他兩種形狀的電流波形相比，較為理想。不過， ，通常要通過調(diào)節(jié)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，因此“平頂波”電流形成的條件在調(diào)速過程中并不能保證。 （ 3） 在3區(qū)域， )()( 2m 繞組處于續(xù)流狀態(tài)，相電流在反向及旋轉(zhuǎn)電動勢的作用下以較快的速率下降。類似可得到電流表達(dá)式為 ： )()2()(2m (2（ 4） 在3到 4 區(qū)域，繞組電流為 ： m a x)2()( (2流變化率為 ： 0)(m a x co n i (2上式可以看出，續(xù)流電流在最大電感恒值區(qū)內(nèi)線性衰減。這時(shí)由于 /L 為 0，已無旋轉(zhuǎn)電動勢產(chǎn)生，相電流也不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，只是在相繞組兩端反向電壓作用下持續(xù)衰減。 （ 5） 在 4 到5區(qū)段， )()( 2m 同理易得繞組電流表達(dá)式 為 ： )()2()(2m (2然，當(dāng) 2時(shí)，相電流己衰減至零。 這些分段電流函數(shù)可以用下面的通式統(tǒng)一描述，即 ： )()( s (2上式可知，繞組電流與外加電源電壓角速度 、開通角關(guān)斷角最大電感小電感 定子極弧s等有關(guān)。對結(jié)構(gòu)一定的電動機(jī)，電流波形僅取決于組合 ； 若變，繞組電流隨外加電壓的增大而開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究及 真 18 增大，隨轉(zhuǎn)速的升高而減小。 磁 轉(zhuǎn)矩的分析 基于 動機(jī)的簡化線性模型，其電磁轉(zhuǎn)矩可由第一章的 (1得知，即 ： e 22 2121 （ 2 分析此式可知 ： (1)電流方向的影響，僅取決于電感隨轉(zhuǎn)角的變化。只要在電感曲線的上升段通入繞組電流就會產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩，而在電感曲線的下降段通入繞組電流則會產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩。 (2)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)氣隙磁導(dǎo)變化產(chǎn)生的，當(dāng)磁導(dǎo)對轉(zhuǎn)角的變化率 大時(shí)，轉(zhuǎn)矩也越大。 (3)電磁轉(zhuǎn)矩的大小同繞組電流的平方成正比，即使考慮到電流增大后鐵芯飽和的影響，轉(zhuǎn)矩不再與電流平方成正比，但仍隨電流的增大而增大，因此可以通過增大電流有效地增大轉(zhuǎn)矩。 速的控制 開關(guān)磁阻電機(jī)有其自己的控制方法，這里仍然針對開關(guān)磁阻電機(jī)的線性模型來加以討論，分析其轉(zhuǎn)速控制的方法。