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1、l1 前言 1.1 开关磁阻电机调速系统的概况磁阻式电动机诞生于 160 年前，但在此后漫长时期内，它一直被认为是一种性能不高的电动机，故只应用于少数小功率场所。通过最近约 20 年问的研究和改进设计工作，使磁阻式电动机的性能不断提高，目前已能在较大的功率范围内使其性能不低于其它型式的电动机。七十年代初，美国福特电动机(Ford Motor)公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive)。其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适用作蓄电池供电的电动车辆传动。七十年代中期，在工业部门的促进下，英国里
2、兹(Leeds)大学和诺丁汉(Nottingham)大学组成一研究小组，共同研制以传动电动车辆为目标的开关磁阻电动机调速系统。小组在该系统的理论研究和实践方面做了大量工作，他们研制的样机容量从 10W 至 50kW，转速从 750rpm 至 10，000rpm，其系统效率和电动机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。随后以研究小组为基础成立了开关磁阻电动机调速系统公司(Switched Reluctance Drives Ltd)，以经营其研究成果。1981 年英国 TASC 公司(TASC Drives Ltd)获准制造该系统，并于 1983 年推出商品名为 Oulton 的通用调速系
3、列产品，其容量范围为 4-22kW。该产品的出现在电气传动界引起不小的反响。因为其确实在很多性能指标上达到出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。开关磁阻电动机调速系统的出现不仅为工业、交通、国防及家用电器等部门提供了一种极其优越的调速系统，而且也因其具有的典型机电一体化结果丰富了“机械电子学”的成功实例。因此 1983 年后在国际范围内迅速掀起开关磁阻电机研究开发热，并持续至今不断发展，其产品推广领域不断扩大。我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于 1984 年，现已有大批高等院校、科研院所、生产企业从事开关磁阻电机调速系统的开发研究
4、工作，在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上，目前已有十余家单位推出不同性能、用途、功率(1kW 到 55kW)的多规格系列产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等多种行业、场所的数十种生产机械和运输车辆中。开关磁阻电机的研究工作从最初摸索合理的设计方法转向如何加速优化设计发展，在绕组互感对运行的影响、转矩脉振、最佳电流波形、振动与噪声、发热及铁耗计算等方面提出了许多有益的见解和尝试。开关磁阻电机调速系统则是随之而上的又一调速驱动系统，涉及到微电子、电力电子、微机实时控制、机械制造、机电一体化及工程
5、应用等众多学科领域，具有广阔的发展前景。开关磁阻电机调速系统的研究2综上所述：开关磁阻电机调速系统结构简单坚固、成本低、效率高、调速性能优异，是传统交、直流调速系统的强有力竞争者，是各国研究和开发的热点之一，SRD 产品己广泛或开始应用于电动车驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域，覆盖功率范围 10kW5MW 的各种高低速驱动系统，呈现强大的市场潜力。1.2 开关磁阻电机调速系统的组成开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive 简称 SRD)，主要由开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor 简称 SRM)、功率变换器、控制
6、器和角位移传感器四部分组成，如图 1-1 所示。图 1-1 SRD 系统组成 Figure 1-1 The composition of the SRD system(1)开关磁阻电机是 SRD 中实现机电能量转换的部件，系双凸极可变磁阻电动机，其定转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联或并联构成一对磁极，称为“一相” 。SRM 可以设计成多相结构，且定、转予的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。因此电机定、转子的极数应当按使用的场合合理确定。SRM 的转向与电流方向无关
7、，为单向电流，若改变相电流的大小，可改变电动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速。若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单的控制方式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。(2)功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给 SRM，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于 SRM 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可以避免直接短路故障。SRM 的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。(3)控制器是系统的核心。它综合处理速度指令、速度反馈信
8、号及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对 SRM 运行状态的l控制。(4)位置传感器向控制器提供转子位置信号和速度信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈法进行位置检测，采用无位置传感器的位置检测方法是 SRD 的发展方向，对降低成本、提高系统可靠性有重要意义。1.3 开关磁阻电机调速系统的特点(1)电动机结构简单、成本低、适用于高速。开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点是转子上没有任何型式的绕组，因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题。其转
9、子机械弹度极高，可以用于超高速运转。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘容易。(2)功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比感应电动机绕组需流过双向电流，向其供电的 PWM 变频器中功率电路每相需两个功率元件。因此开关磁阻电动机调速系统较 PWM 变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。开关磁阻电机调速系统中每个功率开关元件均直接与电动机绕组相串联，根本上避免了直通短路现象。因此开关磁阻电机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，既降低了成本，又具有高的工作可靠性。(3)各相独立工作，可构成极高可
10、靠性系统。从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。从控制器结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只须停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其它妨碍。由此本系统可构成可靠性极高的系统，可以适用于宇航等特殊场合。(4)高起动转矩，低起动电流。控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。起动电流小转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分适合那些需要重载起动和较长时低速重载运行的机械，如电动车辆等。(5)适用于频繁起停及正反向转换
11、运行。本系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。这类生产机械有龙门刨床、铣床、冶金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。(6)可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种：相开通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态(如出力最大、效率最高等，还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行(即正转、反转、电动、制动)能力，并具有高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。(7)效率高，损耗小，
12、本系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机转开关磁阻电机调速系统的研究4子不存在绕组铜损，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。将本系统同 PWM 变频器带鼠笼感应电动机的系统进行比较。本系统在不同转速和不同负载下的效率均比变频器系统高，一般要高 5 个百分点左右。(8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。各种突出的优点，使 SRD已成为交流电机驱动系统、直流电机驱动系统及无刷直流电机驱动系统的有力竞争者。由于 SR 的双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是 SR 电机存在的主要缺点。但是，近年来的研究表明，采用合理的设计、
13、制造和控制技术，SRD 的噪声完全可做做到高质量的 PWM 型异步电动机的噪声水平1。1.4 课题研究内容本课题旨在设计 3KW 四相 8/6 极开关磁阻电机调速控制系统，该系统能够实现电机正反转和平滑调速。具体研究内容如下：1、结合开关磁阻电机的基本结构和运行原理，对电机的运行与控制特性以及现有的控制方法进行分析研究，选择适合的控制方案。2、学习 DSP56F803 的使用，设计以该芯片为核心的 SRD 系统控制器的硬件电路，以及以 IPM 为主开关器件的功率变换器电路，实现控制信号输入、转速的实时显示和电机的平滑调速。3、根据控制方案的要求设计系统的控制软件，通过软件的调试实现电机的正反转
14、、换相逻辑控制、电流斩波控制、变角度控制、转速计算与调节等功能。4、在现有的实验条件下设计实验方案，对本课题设计的系统进行测试，通过对电机的相绕组电流波形和转速曲线的记录和分析来验证系统的调速性能。l2 开关磁阻电机调速系统的控制原理2.1 开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的工作原理与传统的交、直流电动机存在着根本的区别，它不像传统电机那样依靠定、转子绕组电流产生磁场间的相互作用形成转矩和转速，而是遵循“磁阻最小原理“磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到磁阻最小位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。当转子磁极轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有作用力作用在转子上并
15、产生转矩，从而使转子向定子磁极的轴线方向运动或产生同方向的运动趋势，直到定、转子磁极轴线重合为止。以本系统中采用的四相 8/6 极开关磁阻电机为例，如图 2-1 所示2。图 2-1 中只画出了 A 相绕组及其供电电路，Sl、S2 是电子开关，VDl、VD2 是二极管，Us 为直流电源。图 2-1 开关磁阻电机的工作原理Figure 2-1 The working principle of switched reluctance motor以图 2-1 中定、转子所处相对位置为起始位置，当 A 相绕组的控制开关 Sl、S2闭合时，A 相绕组通电，电机内建立起以 OA 为轴线的径向磁场，磁通通过定
16、子轭、定子极、气隙、转子极、转子等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针转动。当转子旋转到转子极轴线 22与定子极轴线 AA，重合的位置时，切向磁拉力消失，此时断开 A 相开关 Sl、S2，同时合上 B 相开关，建立以 B相定子磁极为轴线的磁场。若依次给 A-B-C-D 相通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续转动；反之，若依次给 A-D-C-B 相通电，则电机沿着顺时针方向转动。可见，SR 电机的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组通电的顺序。2.2 开关磁阻电机的数学模型开关磁阻电机调速系统的研究6为了简化分析，忽略铁芯损耗部分，并设开关磁阻电机的相数为 m，各相结构和参数对称。设 k=1，m 相的电感、电压、磁链、电阻、电流及转矩分别为Lk、Uk、k、Rk 、k、Tk，转子位置角为 ，转速为 r。1、电路方程根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和，则第 k
