經典word整理文檔，僅參考，轉Word此處可刪除頁眉頁腳。本資料屬于網絡整理，如有侵權，請聯系刪除，謝謝！摘要：作為一種新型調速驅動系統，開關磁阻電機以其結構簡單、低成本、高效率、優良的調速性能和靈活的可控性，愈來愈得到人們的認可和應用。隨著對開關磁阻電機認識的深入，其應用必將更為普遍。一、開關磁阻電機發展簡介開關磁阻電機是80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術的迅猛發展而發展起來的一種新型調速驅動系統，具有結構簡單、運行可靠及效跨國電機公司Emerson用于工業、航空業和家用電器等各個領域。1970年，英國Leeds大學步進電機研究小組首創一個開關磁阻電機（SwitchedReluctanceMotor,SRM）雛形，這是關于開關磁阻電197210w～1kw）進行了研究。到了1975年有了實質性的進展，并一直發展到可以為50kw的電瓶汽車提供裝置。1980年在英國成立了開關磁阻電機驅動裝置有限公司（SRDLtd.），專門進行SRD系統的研究、開發和設計。1983年英國（SRDLtd.）首先推出了SRD系列產品，該產品命名為OULTON。1984年TASC驅動系統公司也推出了他們的產品。另外SRDLtd.研制了一種適用于有軌電車的驅動系統，到1986年已運行。該產品的出現，在電氣傳動界引起不小的反響。在很多性能指標上達到了出人意料的高水平，整個系統的綜合性能價格指標達到或超過了工業中長期廣泛應用的一些變速傳動系統。從上世紀90年代國際會議的上有關SRD系統的文章來看，對SRD系統的研究工作已經從論證它的優點、開發應用階段進入到設計理論、優化設計研究階段。對SR電機、控制器、功率變換器等的運行理論、優化設計、結構形式等方面進行了更加深入的研究。二、原理簡介及優越性簡介開關磁阻電動機驅動系統（SRD）是較為復雜的機電一體化裝置，SRD的運行需要在線實時檢測的反饋量一般有轉子位置、速度及電流等，然后根據控制目標綜合這些信息給出控制指令，實現運行控制及保護等功能。轉子位置檢測環節是SRD的重要組成部分，檢測到的轉子位置信號是各相主開關器件正確進行邏輯切換的根據，也為速度控制環節提供了速度反饋信號。開關磁阻電機具有再生的能力，系統效率高。對開關磁阻電機的理論研究和實踐證明，該系統具有許多顯著的優點：（1）電機結構簡單、堅固，制造工藝簡單，成本低，可工作于極高轉速；定子線圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環境。（6）調速范圍寬，控制靈活，易于實現各種特殊要求的轉矩－速度特性。與當前廣泛應用的變頻調速感應電動機相比，開關磁阻電機在成本、效率、調速性能、單位體積功率、可靠性、散熱性等都具有明顯的優勢或競爭力。如果說第一代開關磁阻電機（1983年研制）在小功率范圍的效率比高效變頻調速感應電動機低，第二代開關磁阻電機（1988年研制）的效動機難以比擬的。感應電動機要取得與直流電機相近的調速特性需采用復雜的矢量控制系統，而開關磁阻電機通過調整開通角、關斷角、電壓和電流，可以得到不同負載要求的機械特性，控制簡單、靈活，能容易地實現軟啟動和四象限運行，而且由于這是一種純邏輯的控制方式，很容易智能化，通過修改軟件調整電機工作特性滿足不同應用要求。設計和控制策略，轉矩波動和噪聲完全可以得到有效的抑制，正確認識到這一點對開關磁阻電機的開發和應用是很重要的。SRDLtd.公司開發的伺服應用開關磁阻電機，轉矩波動僅為0.05%。近年研究的最優勵磁控制策略、兩次換流控制策略、電機噪聲根源、定子振動模態、定子固有頻率計算等成果對降低電機噪聲都有積極的促進作用。隨著設計和制造水平的提高，噪聲必將進一步降低。三、開關磁阻電機的應用近年來，開關磁阻電機的應用和發展取得了明顯的進步，已成功地應用于電動車驅動、通用工業、家用電器和紡織機械等各個領域，功率范圍從10W到5MW，最大速度高達100000r/min。驅動有其獨特的優勢。當高能量密度和系統效率為關鍵指標時，開關磁阻電機變為首選對象。SRD開關磁阻電機驅動系統的電機結構緊湊牢固，適合于高速運行，并且驅動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉速范圍內效率都比較高，而且可以方便地實現四象限控制。這些特點使SRD開關磁阻電機驅動系統很適合電動車輛的各種工況下運行，是電動車輛中極具有潛力的機種。SRD的最大特點是轉矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機而言，功率密度和效率偏低；另一個缺點是要使用位置傳感器，增加了結構復雜性，降低了可靠性。因此無傳感器的SRD也是未來的發展趨勢之一。其優點主要表現在以下幾個方面：（1）開關磁阻電機不僅效率高，而且在很寬的功率和轉速范圍內都能保持高效率，這是其它類型驅動系統難以達到的。這種特性對電動車的運行情況尤為適合，有利于提高電動車的續駛里程。（2）開關磁阻電機很容易通過采用適當的控制策略和系統設計滿足電動車四象限運行的要求，并且還能在高速運行區域保持強有力的制動能力。（3）開關磁阻電機有很好的散熱特性，從而能以小的體積取得較大的輸出功率，減小電機體積和重量。（4）通過調整開通角和關斷角，開關磁阻電機完全可以達到它激直流電機驅動系統良好的控制特性，而且這是一種純邏輯的控制方式，很容易智能化，從而能通過重新編程或替換電路元件，方便地滿足不同運行特性的要求。（5）開關磁阻電機無論電機還是功率變換器都十分堅固可靠，無需或很少需要維護，適用于各種惡劣、高溫環境，具有良好的適應性。3.2紡織工業應用進的信息處理和控制技術，即以計算機為核心，有PLC、工控機、單片機、人機界面、現場總線等組成的控制系統；先進的驅動技術，有變分條整經機、漿紗機等。其中，無梭織機的主傳動技術也有了新的突破：采用開關磁阻電機作為無梭織機的主傳動帶來許多好處，減少傳動齒輪、不用皮帶和皮帶盤，不用電磁離合器和剎車盤，不用尋緯電機，節能10%等優點，國內已有開關磁阻電機和驅動器的產品（北京中紡機電研究所），目前還在與無梭織機主機廠合作，共同開發應用技術，希望能盡快取得成功，填補國內空白。開關磁阻電機（SRD）因其起動力矩大、起動電流小，可以頻繁重載起動，無需其它的電源變壓器，節能，維護簡單，特別適用于礦井輸送90年代英國已研制成功300kW的開關磁阻電機，用于刮板輸送機，效果很好。我國已研制成功110kW的開關磁阻電機用于矸石山絞車、132kW的開關磁阻電機用于帶式輸送機拖動，良好的起動和調速性能受到工人們的歡迎。我國還將開關磁阻電機用于電牽引采煤機牽引，隨著人們生活水平的提高，洗衣機已逐漸深入千家萬戶，洗衣機也經歷了手動機械洗衣機、半自動洗衣機、全自動洗衣機的發展過程，并不斷智能化。洗衣機電機也由簡單的有級調速電機發展為無級調速電機。開關磁阻電機由于低成本、高性能、智能化已開始應用于洗衣機，在美國（2）良好的衣物分布性。（3）滾筒平衡性好。（4）快速安全停機。（5）軟起動。（8）機械特性易調整。目前已成功應用于在電動車用驅動系統、家用電器、工業應用、伺服系統、高速驅動、航空航天等眾多領域中，成為交流電機調速系統、直流電機調速系統和無刷直流電機調速系統的強有力競爭者。美國、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家都開展了SRDSRD一般用于牽引中，例如電瓶車和電動汽車。同時高速性能是SRD的一個特長的方向。據報道，美國為空間技術研制了一個25000r/min90kW的高速SRD樣機。SRD系統的研究已被列入我國中、小型電機八五”、九五和十五科研規劃項目。華中科技大學開關磁阻電機課題組在九五項目中研制出使用SRD的純電動轎車，在十五項目中將SRD應用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運行效果。紡織機械研究所將SRD應用于毛巾印花機、卷布機，煤礦牽引及電動車輛等，取得了顯著的經濟效益。近年來功率電子技術DSP）的出現，利用高性能DSP開發各種復雜算法的間接位置檢測技術無需附加外部硬件電路，大大提高了開關磁阻電機檢測的可靠性和適用性,必將更大限度地顯示SRD的優越性。90年代進一步以計算機控制的柔性制造系統、主體倉庫、機器人進行裝配等組合起來，由計算機控制材料、部件的供應管理、達到全廠高效率、高質量的全自動化均衡生產，設計和制造水平不斷提高，專用控制芯片和集成功率器件不斷被開發出來，開關磁阻電機性能和適用性不斷增強。隨著國民經濟建設的日益發展，各行各業的機械化、自動化程度越來越高，為開關磁阻電機提供了巨大的潛在市場。開關磁阻電動機在工業自動化中的應用張宙1，潘劍飛1，陳健聰1，簡偉泉2，楊金明3（1香港理工大學電機工程系，香港；2先進器材有限公司（香港）；3華南理工大學電力學院，廣州510640）摘要：眾多高級的生產流程對產品的運輸，包裝，裝配和配線等需要高速和高精確度的裝配儀器來完成。為了達到精確的位置控制，一般這些機器利用旋轉電機作為其主要的運動執行器，然后用機械上的耦合（變速箱，傳送帶等等）改變其運動方式。這是比較通用的方法，但是卻不可避免地導致精確度的降低，而且復雜的機械結構，不易調試，具有生產成本高和可靠性低等缺點。在本文中，作者提出了對設計自動化機器的新趨勢，并且建議未來的高性能的運動系統的設計應該建立在“利用直接驅動的執行器和高級控制方案簡化機械結構”的理念之上。作者首先對一些具有高性能的基于開關磁阻原理的運動執行器進行深入地研究，然后作者探討了一些適用于機器人方面的執行器。其中包括用于機械手的手指抓取器，人造關節，直線運動設備和平面運行設備。文章強調了這些設備各自的優點及特色，并且描述了控制方案和面臨的困難與挑戰。關鍵詞：直接驅動，開關磁阻，運動執行器UsingVariable-ReluctanceActuatorsinAutomatedManufacturingMachinesNorbertC.Cheung1,JianfeiPan1,KennethChan1,Wai-ChuenGan2,JinmingYang3(1DepartmentofElectricalEngineering,HongKongPolytechnicUniversity,HongKong;)(2ASMAssemblyAutomationLtd,HongKong;)(3SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)0引言目前，加工和生產電子芯片和產品（如移動電話，手提電腦和芯片等）需要高精度和高速度的裝配生產線，要求執行裝配器能夠提供二維甚至三維的運動。而且還要滿足一定的位置精度，可靠性好和提供較高的加速減速的需求。工業上，通常應用旋轉永磁無刷電機，進行機械軸上的耦合，從而將曲線運動轉變成直線運動。相對來說，這樣的設備比較容易控制，而且這樣的設備和配件都已經形成標準。然而，由于機械部件較復雜，加工和維修的費用很高，并且存在校準手續復雜，可靠性差，和無法在惡劣環境中運作等弊病。圖1展示了常用的由兩個直線滑軌層疊形成的X-Y平面工作臺。它的工作精度和性能大部分取決于機械參數，比如滾珠的安排，滾珠和螺母，導軌與滾珠間的配合，和電機之間的平直程度。尤其是如果加工的復雜程度增加，必然導致精度要求的進一步提高。生產迪卡爾坐標運動系統的成本隨著生產精度的要求呈指數關系增長。大部分的成本花費在高精度機械部件的生產，機械校準的程序和日常的維護費用上面。降低成本和提高性能最有效的辦法是去除復雜的機械結構和耦合裝置。本文中，作者提出一些設計自動化設備的新方案。對于未來高性能的儀器，以下兩個方面值得借鑒：上面的指導思想是基于這樣的事實得出的結論，那就是功能強大的伺服控制器的價格將越來越便宜，而高精度部件的生產和加工技術將變得越來越昂貴。將復雜的運動要求用軟件去實現從而代替機械上的硬件一般是比較有效的。為了進一步減少執行部件的成本和設計的復雜程度，本文提出基于開關磁阻原理的執行設備。開關磁阻電機具有魯棒性好，結構簡單等特點，而且其加工費用遠遠低于同類的無刷直流電動機和交流電機。由于它具有在較小的極距空間中容納較多的極子的特點，使得它可以作為直接驅動的設備。再有，它可以制造成不同的結構和形態適應不同場合的要求，而不只是局限于旋轉電機。圖2(a)及圖2(b)分別是直線和旋轉開關磁阻執行器。當通入電流流過線圈時，產生磁通。磁通就像“一只無形的手”一樣，它將盡可能地縮短磁路和活塞間的空氣隙的距離。對于旋轉的情形,通電后,動子將順勢旋轉與定子極完全對齊為止。同樣，對于直線的情況，活塞將向上運動直至與上端相接觸。這里所描述的可變磁阻執行器是最簡單魯棒性最好的電機。它不包括任何永磁體，鼠籠結構或是換向器。目前，主要應用于日常的開/關設備中（車鎖，洗衣機中的截水閥等等）。但是，開關磁阻具有磁和電方面的非線性控制的非線性化特點，因而它不能用作比例執行機構。與無刷直流電機和交流同步電機相比，它更難進行控制。控制的因素絕大部分取決于其磁通的分布特性，然而磁通卻是非線性的參數。雖然如此，在過去幾年中，確實有一部分致力于對開關磁阻線性執行器的研究[3]，這要歸功于高速電子開關，計算設備和高級控制理論的發展。。香港理工大學電力電子研究中心開發了一些高性能的用于運動控制的開關磁阻執行機構。其中包括：（機器人）手指抓取器，人造關節，直線磁阻電機，和平面磁阻電機。本文中，作者將按順序詳細介紹每一個科研項目，并且討論它們各自在高性能的機器人結構中的應用。在本文的最后，將簡要介紹開關磁阻執行器的控制方案。開關磁阻執行器在電特性上具有嚴重的非線性，而且主要取決于實際的機械結構[4]。但仍可以按下列狀態方程描述：1．（機器人）手指抓取器；2．人造關節；手指抓取器用于機器人領域4各自為相應的受動器提供力矩。每個移動的轉子都連接在各自的軸上，從而運動機構可以自由地移動于定子的極間。圖5顯示了總體結構。該執行器魯棒性好,結構簡單，并適用于危險的環境中。由于不包含永磁體，加工成本和難度都大大降低。自感和互感參數在制造過程中已經進行過測量，并應用三階差值函數差值。控制方案采用雙模式位置/力控制策略。在目前的研究中，該設備具有0.5的角度精度和5mN的力精度。最大抓取力達到大約8N。它已被測試于高速和高精度的抓取多種精密或脆弱物件的應用中。開關磁阻原理可以應用于人造關節的制造上。直接驅動旋轉關節對機器人的結構建造上有很大的用處。圖5顯示了整體結構和實際形態。它包含了兩個線圈和居于中心的層疊板，層疊板作為運動的電機部分。磁路走向由兩個線圈控制，各自提供與對方方向相反的力矩。最大旋轉角度為90o。基板由兩部分組成；一部分負責順時針方向的轉距，另一個負責逆時針方向。每個線圈負責各自的旋轉部分。每個部分是層疊結構，一端固定，中間是轉子部分而另一端是磁回路(由Carpenter430FR型金屬條板提供）。整體結構十分簡單，而且可以根據需要制成人的手指形狀。通過單獨控制各自線圈的導通和關斷，可以讓它跟隨不同的運動軌跡，提供不同的抓取力或者以不同的力度停留在某個位置上保持靜止。磁漏和渦流損耗；動態輸出特性。該電機安裝在精確的直線導軌上。三項線圈組裝在動子上，并相隔120o由于線圈互相之間是完全磁通解耦的，三項線圈各自獨立，互不目前，位置控制精確度達到0.8μm，具有3.5個自由落體加速度。電機的驅動控制器目前還沒有使電機工作在飽和區。預計下一代的平面組電動機具有二維空間的延展性。它可以在X方向，同時和Y的方向上產生力。二維空間運行在工業生產中有著極高的需求。新型的平面結構可以完全替代傳統的X-Y工作臺。在機械上結構簡單，部件很少，而且易于加工和制造。但目前需要解決的困難不光是在執行部件的結構上的設計，位置傳感器二維傳感，而且包括非線性控制方法和PWM電流驅動器上。圖7(a)是該電機的外觀圖，它是基于6/4的型旋轉磁阻電機，經過平面延展，形成二維平面的運動結構。動子平臺上安裝兩組3項線圈和較寬的動子齒。齒的寬度保證兩個方向的力的耦合達到最小。個μm的直線位置解碼器分別安裝在兩個方向的移動導軌上。300mm×300mm>5個自由落體（0.5公斤負載）5kg目前該電機還處于最終試制階段。通過有限元分析，可以證實無論從固有特性和控制策略上，這個平面電機與直線電機有很多的共同點。3平面電機的控制方案開關磁阻執行機構具有非線性的特點，也就是說力/力矩輸出相對于位置和電流呈非線性關系。為了糾正其非線性，控制器必須包含一個力/電流的二維表。通常可變磁阻電機運行于位置和力的調節模式下，因此常采用雙模式控制策略。圖8是典型的控制器框圖。采用分級閉環控制。控制器內環包含一個快速的電流調節器和慢速的位置調節器在外環。外環采用自適應PI調節器；在位置控制器和電流控制器之間的是非線性的二維表。表位于兩個控制器之間。它接收來自控制器的力的命令和位置信息，輸出所需的電流值給電流控制器。該雙閉環分級運行是以電流控制器能夠正確地進行跟蹤為基本前提的。只要電流內環跟蹤正確，外環給定的位置指令將取決于內環，最后將指令送給電機。若電機運行于位置和力的控制模式之下，建議采用模式切換機制。該切換模式對輸入的力命令在軌跡控制器和力產生器之間進行選擇。4.結語高性能低成本的機器可以由可變磁阻為原理的直接驅動執行器和“利用特種驅動的執行器和高級控制方案簡化機械結構”的理念來實現。在本文中所描述的特種開關磁阻電機成本低，魯棒性強和可靠性好，無需繁瑣的機械校準工作，而且容易加工制造。這些優點將最終取代包含很多旋轉電機和機械螺釘組成的X-Y工作臺。當應用上述的電機所組成的儀器進行電子設備和零件（手提電腦，半導體設備芯片等）的加工時，生產成本也將隨之大大降低。甚至可以將它們用于那些由于條件所限從未付諸實施的應用中。上述的直接驅動開關磁阻電機將對自動化工業做出貢獻，所研究的重點是如何利用有限的人力物力成本制造高科技含量價值的高、精、尖產品。本文作者在此感謝香港大學基金會和香港理工大學研究委員會對本項目（PolyU5066/01EandG-T223）所提供的支持和幫助。[1]Miller,T.J.E.(1993),Switchedreluctancemotorandtheircontrol,MagnePhysicsPublishingandClarendonPress,Oxford.[2]Taylor,D.G.,(1991),"Anexperimentalstudyoncompositecontrolofswitchedreluctancemotors",IEEEControlSystemsMagazine,Vol11,Iss6,p31-36.[3]Goldenberg,A.A.,Laniado,I.,Kuzan,P.,andZhou,C.,(1994),"Controlofswitchedreluctancemotortorqueforforcecontrolapplications",IEEETrans.onIndustrialElectronics,Vol41,No4,p461-466.[4]Rahman,M.F.,Cheung,N.C.,andLim,K.W.,(1996),"Modellingofanonlinearsolenoidtowardsthedevelopmentproportionalactuator",Proc.Ofthe5thInternationalConferenceonModellingandSimulationofElectricalMachines,Convertors,andSystems,ELECTRIMACS'96,SaintNazaire,France,17-19September,Vol1,pp121-128.[5]Lim,K.W.,Cheung,N.C.,andRahman,M.F.,(1994),"Proportionalcontrolofasolenoidactuator",IEEEProceedingsonIndustrialElectronicsSocietyannualgeneralmeeting,IECON'94,Bologna,vol.3,pp2045-2050,ISBNNo0-7803-1328-3.[6]Rahman,M.F.,Cheung,N.C.,andLim,K.W.,(1996)"Conversionofaswitchingsolenoidtoaproportionalactuator",TransactionsofIEEJapan,VolI16,PtD,No5,May,pp531-537.[7]Rahman,M.F.,Cheung,N.C.,andLim,K.W.,(1996)"Positionestimationinsolenoidactuators",IEEETransactionsonIndustryApplications,Vol32,No.3,May/Jun1996,pp552-559.[8]Cheung,N.C.(1998),Acompactandroustvariablereluctanceactuatorforgraspingapplications,IEEEIndustrialElectronicsSocietyannualgeneralmeeting,IECON'98,AachenGermany,31Aug-4Sep,pp1072-1