關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機，控制策略，Matlab/Simulink。目錄1.2SRM的主要優(yōu)點1.3開關(guān)磁阻電機的現(xiàn)狀1.5開關(guān)磁阻電機控制策略的研究趨勢第二章開關(guān)磁阻電機的原理和結(jié)構(gòu)2.1開關(guān)磁阻電機的基本原理2.2開關(guān)磁阻電機的基本結(jié)構(gòu)和磁鏈方程2.3開關(guān)磁阻電機的運行原理2.5主功率拓?fù)?.6課題主要研究內(nèi)容第三章電流斬波控制方法的研究3.2電流斬波控制的基本方法3.3電流斬波控制的特點第四章電流斬波控制仿真的研究4.2電流斬波控制子程序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5.2問題與解決5.3感悟與心得附錄第一章概述1.1課題背景：縱觀電氣傳動的發(fā)展過程，20世紀(jì)60年代以前，在需要可逆、可調(diào)速與高等問題。正是在電氣傳動技術(shù)得到迅猛發(fā)展的時代背景下，國外于20世紀(jì)80年1.2SRM的主要優(yōu)點：(1)轉(zhuǎn)子由硅鋼片簡單的疊壓而成，無繞組和永磁體，不存在高溫退磁現(xiàn)冷卻方式比較簡單，因此SRM可運行于惡劣的環(huán)境，具有高溫和高速適應(yīng)性的(2)電機的各相繞組和磁路相互獨立，相間耦合小，缺相可繼續(xù)運行，系(3)電機的轉(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。(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)(3)機械傳動領(lǐng)域。SRM良好的低電流高轉(zhuǎn)矩啟動性能使它在一些需要啟1.3開關(guān)磁阻電機的現(xiàn)狀：動操作。近20年的研究表明，開關(guān)磁阻電機作為一種新型發(fā)電機具有很大的發(fā)展?jié)摿Αｋm然他是最簡單的集中式電機之一，但由于同步控制困難，磁阻電機在早期的應(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，它取得了長足的進步，具有良好的發(fā)展前景。然而這種電機自身存在轉(zhuǎn)矩脈動大，噪聲明顯等缺陷，對其在某些場合的進一步應(yīng)用造成了不好的影響。一直以來，為了讓開關(guān)磁阻電機的各項性能得到進一步的提高，國內(nèi)外的研究者對開關(guān)磁阻電機結(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)磁阻電機的快速發(fā)展，其控制方法多種多樣。但是在低速運行、啟動或是制動運行時，電流斬波控制方式是最好的一種控制方法。它簡單直接、可控性好且開關(guān)元件工作效率高，因此在各個領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛。開關(guān)磁阻電機理論體系和計算電磁學(xué)的不斷發(fā)展為開關(guān)磁阻電機的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。以國外的紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)，利茲大學(xué)，東京理科大學(xué)，國內(nèi)的南京航空航天大學(xué)，浙江大學(xué)，華中科技大學(xué)為代表的科研機構(gòu)，提出了很多新型開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)來改善其基本性能。1.4開關(guān)磁阻發(fā)電機的特點以及未來發(fā)展前景：通用直流電機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、維護困難等問題，阻礙了其進一步發(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，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、短路保護等問題。到目前為止，爪極電機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的生活中，例如在汽車發(fā)電汽車應(yīng)用已經(jīng)形成了一個不斷增長的電力電子和調(diào)速電機驅(qū)動技術(shù)市場。這些應(yīng)用要求高質(zhì)量的性能，堅固耐用，安靜和在惡劣環(huán)境中無碰撞操作，它們的價格應(yīng)該是合理的。開關(guān)磁阻驅(qū)動(SRD)已經(jīng)滿足了許多這些相互矛盾的標(biāo)準(zhǔn)。模塊化和堅固的結(jié)構(gòu)，高速，寬范圍，對高溫不敏感，使SRD成為汽對發(fā)電方面的研究卻很少。如今，經(jīng)過近30年的研究，SR電機在軸向位置傳感1.5開關(guān)磁阻電機控制策略的研究趨勢：開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)(SRD)在近20年得到迅速發(fā)展，但SRD的控制精度(2)研究具有較高動態(tài)性能，且控制算法簡單的SRD第二章開關(guān)磁阻電機的原理和結(jié)構(gòu)2.1開關(guān)磁阻電機的基本原理：開關(guān)磁阻電機是指電動機各相磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置而變，因此電機的磁場能量也將隨轉(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)一個方向的旋轉(zhuǎn)，輸出機械能。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)時磁路都磁阻要盡可能大的變化，所以開關(guān)磁阻電機采用雙凸極結(jié)構(gòu)，并且定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)不同。如圖2.1,開關(guān)磁阻電機是典型的雙凸極磁阻電機，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，由徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構(gòu)成一個相繞組。SR電機運行遵循“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，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動或產(chǎn)生同方向的運動趨勢，直到定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合為止，此時磁場路徑磁阻最小。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，轉(zhuǎn)子會沿著與勵磁順序相反的方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)上述的SR電機工作原理可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向與電流方向無關(guān)，只取決于勵磁順序。b21bllb12b222.2開關(guān)磁阻電機的基本結(jié)構(gòu)及磁鏈方程：(1)大多數(shù)三相發(fā)電機是由四個部分所組成的，由圖2.2所示：電功率輸出電功率輸出位置傳感器主電機的特殊結(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)電機具數(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)磁阻電勢(轉(zhuǎn)子位置改變)。wf為磁場儲能，wr為轉(zhuǎn)子機械角速度。有關(guān)，是因為SR電機磁路非線性的緣故。而電點。理想模型中不計磁路飽和影響，電感變化曲線如圖2.1.2-2所示，則電感函定子定子i轉(zhuǎn)子L(O)4-Lmin機械運動方程為：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(2)開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩與繞組電感對轉(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，給繞組通電才能產(chǎn)生正向電動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電感隨轉(zhuǎn)子位置角下降時，如果繞組中還存在電流，就會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。(3)繞組關(guān)斷后繞組電流不能變?yōu)榱?，有一個持續(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)磁阻電機的運行原理：(1)開關(guān)磁阻電機的工作機理與磁阻(反應(yīng))式步進電動地一樣，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，磁場就會產(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，電機轉(zhuǎn)子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉(zhuǎn)動。(4)如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉(zhuǎn)向。但相電流通流方向的改變是不會影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。SRMSRM負(fù)載2.4SR電機的運行特性：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)速范圍為第一臨再增加時，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。在(1,,2)工作區(qū)，當(dāng)電動機的電感增加到一定值時，峰值電流上升受到線在高速工作區(qū)，臨界速度，開通角和關(guān)斷角達(dá)到它們的極限值后，保持電機的相電壓U,開通角和關(guān)斷角固定不變，其特性與串勵直流電動機特性2.5主功率拓?fù)洌洪_關(guān)磁阻電機雙開關(guān)型主電路如圖1.3,通過開關(guān)管基極的控制信號來實現(xiàn)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,因而電流下本文主要以開關(guān)磁阻電機為研究對象，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：觀測參數(shù)變化對受控量及電機性能的影響第三章電流斬波控制方法的研究簡稱CCC)來限制電流。目前，電流斬波控制是國內(nèi)外開關(guān)磁阻電動機控制最常見的一種控制方法，也適用于開關(guān)磁阻發(fā)電機的運行，可控性較好。當(dāng)開關(guān)磁阻電機SRM運行于低速狀態(tài)特別是啟動時，由于此時電機旋轉(zhuǎn)電動勢較小，使得相電流上升速度很快，可能會出現(xiàn)過電流或較大電流尖峰，為有效控制相電流脈動對功率開關(guān)器件及電機的沖擊，保護電機自身機械結(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)相電流的方式來進行控制。本章以開關(guān)磁阻電機為研究對象，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)磁阻電機的模型實現(xiàn)仿真，研究電流斬波控制下的開關(guān)磁阻電機閉環(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>01后，若iphase<ichop,主開關(guān)開通，相電流(勵磁電流)上升并逐漸到達(dá)電流斬波限；若iphase>ichop,主開關(guān)關(guān)斷。斬波控制實際上是一種調(diào)節(jié)勵磁的控制方案。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，勵磁區(qū)間加寬，勵磁電流增大，續(xù)流電流也相應(yīng)增加，最后可以使電機的有效輸出功率增加。若開關(guān)磁阻發(fā)電機工作轉(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。3.2電流斬波控制的基本方法：電感上升期的時間長，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)進行的，通過設(shè)定相電流允許上、下限值，控制電機平均轉(zhuǎn)矩，使之工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū).CCC控制可分為起動斬波模式、定角度斬波模式和變角度斬波模式三種.起動斬波模式在SR電動機起動時采用，通常固定開通角和關(guān)斷角，使導(dǎo)通角相對較大；定角度斬波模式通常在電機起動后低速運行時采用，導(dǎo)通角仍然保持不變，但相對較??；變角度斬波模式通常在電機中速運行時采用，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在一個控制周期內(nèi)，檢測電流與給定電流的上、下限幅值進行比較，當(dāng)實際電流大于上限值時，控制功率開關(guān)器件關(guān)斷；當(dāng)實際電流小于下限值時，使該相功率開關(guān)器件重新導(dǎo)通.在一個周期內(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：3.2.2:電流上限和關(guān)斷時間恒定：與上面方法相比，這種方法僅將檢測電流與給定電流的上限幅值進行比較，當(dāng)實際電流大于上限值時，控制功率開關(guān)器件關(guān)斷一段時間后再導(dǎo)通.每一個控制周期內(nèi)，關(guān)斷時間恒定，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，因此對于關(guān)斷時間的選取必須適當(dāng)，否則會發(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：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3.3電流斬波控制的特點：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：(1)適用于低速和制動運行低速和制動時相電流上升較快，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)載繞動性的動態(tài)響應(yīng)慢。由于對電流的峰值進行了限制，當(dāng)電機在負(fù)載擾動的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)速突變時電流峰值無法自動適應(yīng)，系統(tǒng)此時的動態(tài)響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輸出速度進行比較，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后得到電流給定信號，再與SRM相電流信號比較后和位置信號進行邏輯與運算產(chǎn)生開關(guān)信號，送往SRM主電路從而實現(xiàn)SRM的調(diào)速。路路&94.2電流斬波控制子程序：設(shè)置低速運行的斬波極限值，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，就可以判斷出電機的運行狀態(tài)是什么狀態(tài)，即進行轉(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)。如果實際測量得到的電流值大于給定上限值，功率開關(guān)器件1GBT就會斷開，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，1GBT又會重新導(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。開蛇開蛇說定電壓、電流的上下限鎮(zhèn)電而、電壓的蛙、轉(zhuǎn)族恨證相電浴大小與電流上下進遇換想玻輯狗斷子程廳返白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):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：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，系統(tǒng)可以進行斬波控制，并且運行正常。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：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，系統(tǒng)可以進行斬波控制，并且運行正常。(c)閉環(huán)轉(zhuǎn)矩波形：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：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：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，系統(tǒng)可以進行斬波控制，并且運行正常。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，由于PID參數(shù)設(shè)置的好，所以在速度給定為8000rpm時系統(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)的時間越長，且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動大。所以我們得出結(jié)論：電流斬波控制適用于低速運行的SRM,當(dāng)開關(guān)磁阻電機SRM在低速狀態(tài)下運行時，由于此時電機旋轉(zhuǎn)電動勢較小，使得相電流上升速度很快，可能會出現(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對功率開關(guān)器件及電機的沖擊，保護電機自身機械結(jié)構(gòu)及其開關(guān)器件的使用壽命，有效的保護電機并實現(xiàn)調(diào)速。第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)：5.2問題與解決：問題(1):SR電機在低速時的轉(zhuǎn)矩脈動過大。解決方式：提高轉(zhuǎn)速，逐漸降低斬波限。也越高；斬波限越小，則電流脈動越小。根據(jù)轉(zhuǎn)矩式5.3感悟與心得：力電子和電機學(xué)的知識，還要結(jié)合自動控制方面的知識。同時，由于使用綜上所述，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，但對其更深的研究還差的很遠(yuǎn)，還仍需努力以及不斷的研究。[2]趙濤.基于Matlab/Simulink的開關(guān)磁阻電動機仿真分析[J].機電工程，2004,21(8):38-40.[4]楊靜，袁愛平.基于MATLAB的開關(guān)磁阻電動機建模與仿真[J].江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科[5]陳新，鄭洪濤.基于MATLAB的開關(guān)磁阻電動機非線性動態(tài)模型仿真[J].電氣傳動，2002,32(6):52-53.[6]薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2002.[7]張彥宇，段樹華，李華柏.開關(guān)磁阻電機角度位置控制參數(shù)優(yōu)化研究[J].湖南工程學(xué)院[8]郝潤科，高麗云.開關(guān)磁阻電機控制方法的研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2000,31(2):146-148.33(11):10-13.[14]嚴(yán)利.基于MATLAB/SIMULINK開關(guān)磁阻電機非線性建模方法研究與實踐[D].南京航2007(6):43-46.[17]閏廣濤，段承先，馬春燕.基于Matlab/Simulink的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究[J].[18]俞梟辰，王家軍.開關(guān)磁阻電機線性模型的建模與仿真研究[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2012,32(6):113-116.[19]丁文，周會軍，魚振民.基于MATLAB的開關(guān)磁阻電動機線性及非線性建模仿真[J].微[20]吳紅星，開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，201