开题报告-开关磁阻电机数字控制系统设计

开题报告

电气工程及自动化

开关磁阻电机数字控制系统设计

一、前言

开关磁阻电机结构简单、成本低、容错性高、功率密度高能够高速运行，并且它能方便地实现起动和发电双功能，因此，目前越来越广泛的应用于航空和汽车上的起动／发电系统。开关磁阻电机具有很大的发展潜力。

二、主题

（一）、开关磁阻电机的发展概述

“开关磁阻电机”一词源于美国学者S.A.Nasar

1969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：开关性和磁阻性。20世纪80年代以来，越来越多的学者开始关注开关磁阻电机，并对此进行了大量的研究。美国空军和GE公司联合开发了航空发动机用SRD电机系统，有30KW、270V、最大转速为52000r/min和250KW、270V最大转速为23000r/min两种规格。加拿大、前南斯拉夫在SR电机的运行理论电磁场分析上做了大量研究工作。一些学者还研究了盘式SRM/外转子式SRM、直线式SRM和无位置传感器SRM等新型结构的电机。

1984年开始，我国许多单位先后开展了SR

电机的研究工作且SRM被列入中小型电机“七五”科研规划项目。在借鉴国外经验技术的基础上，我国的SR电机研究技术进展很快。近年来，中国在开关磁阻电机的研发方面取得了很大的进步例如南京航空航天大学开发了

3KW、6KW

及

7.5KW

三套原理样机，电机采用的是风冷形式。但在大功率方面的研究还很少，仅有原理样机方面的仿真。

（二）、开关磁阻电机的优缺点

开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W~5MW的各种高低速驱动调速系统。使得开关磁阻电机在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用（电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域）。

其结构简单，价格便宜，电机的转子没有绕阻和磁铁。

（1）转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕阻电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠，可降低系统成本。

（2）易于实现各种再生制动能力。

（3）定子线圈嵌装容易，热耗大部分在定子，易于冷却，效率高，损耗小，允许有较大的温升。

（4）转子上没有电刷，结构坚固，适用于危险环境，控制灵活。

（5）调速范围宽，控制灵活并且输出效率很高。

（6）电机的绕组电流方向为单方向，控制电路简单，具有较高的经济性和可靠性，转子的转动惯量小，有较高转矩惯量比。

其主要缺点为转矩脉动大、需要根据转子与定子相对位置投励、必须与控制器一同使用才能稳速运行、主接线数随着相数的增多而大量增多。

（三）、基本内容

功率变化器在SRD中占的比重非常的大，因此合理的设计功率变换器是提高SRD性能跟价格的关键之一。从功率变换器与电动机结构匹配、效率高，控制方便，结构简单、成本低的要求出发，一个理想的功率变换器应该具备如下条件：

（1）最少数量的主开关器件；

（2）基数相和偶数相的SR电机都适合用；

（3）所有的电源电压都可以加到相绕阻上；

（4）主开关器件的额定电压接近电动机额定电压；

（5）相绕阻电流变化速度快；

（6）通过主开关器件调制，能够有效的控制相电流；

（7）绕阻磁链减少的同时能够将能量回馈给电源。

具备以上条件的电路有很多。主要有每相只有一个主开关管的电路，据有最少数量主开关器件的功率变换电路。

3.1每相只有一个主开关管的电路

每相只有一个主开关管的电路包括双绕阻功率变换器、采用分裂式直流电源的功率变换器、带储存电容的功率变换器和再生式SR电动机功率变换器。

双绕阻功率变换器要求SR电动机每相有一个二次绕阻与一次绕阻完全耦合器主开关器件装置的额定电压至少是电机绕阻额定值的两倍，因此未能用足主开关器件的额定电压，另一缺点是铜线的利用率低。但是就逆变电路而言它是经济的。

采用分裂式直流电源的功率变换器这种功率变换器中电容量和电源电压的定额将显著增加。为了保证三线电源两侧的负载相等，使上下臂各相工作电压相等，采用这种功率变换器方案只适用于偶数相的SR电机，这种方案对蓄电池供电系统是十分合适的。

带储存电容的功率变换器根据能量回馈电源的方法不同可以有如下几种方案：1、利用谐振回收能量2、利用阻尼回收能量3、利用斩波器回收能量。其各有优缺点。

3.2具有最少数量主开关器件的功率变换器

它是在不对称半桥电路的基础上发展起来的一种新的少主开关器件的功率变换电路它保留了桥式电路的所有优点但所用的每相主开关可以少于两个。但是主开关的工作状态必须根据与其连接的所有相绕阻的电流来决定，所以必须提出对所有相电流独立控制的主开关器件策略，同时SR电机相绕阻接至功率变换器的方式必须加以限定。

电流检测电路用来检测定子绕组的电流大小，将其反馈到控制器中。四相电机可以采取A/C、B/D共用一套电流传感器，SRM功率变化器输出的相电流是单向的，可以用电阻采样，直流电流互感器，霍尔元件采样，磁敏电阻采样。

位置检测的目的是确定转子定子的的相对位置，即要用绝对位置传感器检测定子的相对位置，然后将信号反馈到逻辑控制电路，以确定对应相绕阻。通过电机四相绕阻的不同位置可以判断出转子的相对位子，从而达到检测转子相对位置的目的。

数字控制电路完成象限控制软起动等其他控制功能。通过单片机能实现非常多的控制功能，灵活性好、智能性好，但它也是有缺点的，就是系统响应速度受到单片机速度的影响。

（四）、开关磁阻电动机的数学模型

开关磁阻电动机控制参数多，数学模型十分复杂。为了降低难度，对开关磁阻电动机采用简化、线性化或准线性化的分析方法，以便建立比较准确的开关磁阻电动机的数学模型。考虑了电动机的磁路饱和、涡流、磁滞效应等非线性的所有因素，可以列出一个很精确的数学模型，但是计算复杂很难用于仿真分析。因此，在建立开关磁阻电动机数学模型的时候，要在理论性和实用性上加以折中考虑。为了简化分析，做出如下的假设:

(1)主电路电源的直流电压Us恒定不变；

(2)主开关器件为理想开关，即导通压降为零，关断时流过的电流为零；

(3)忽略所有的功率消耗；

(4)电动机各相参数对称，忽略相间互感；

(5)在一个电流脉动周期内，认为转速恒定。

（五）、开关磁阻电机的应用

作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机愈来愈得到人们的认可和应用。目前已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中。下面介绍开关磁阻电机的一些应用实例。

5.1在电动车中的应用

电动车是解决世界能源危机，环境污染等重大难题的理想交通工具，是21世纪的高科技产品之一。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁有刷及永磁无刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。矩脉动大，噪声大，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性这些是MRD的缺点。

5.2在食品加工机械中的应用

在食品加工机械中，开关磁阻电机显现出其独特的优势：体积小、不烧电机、没有或只有小的齿轮减速比、电机外形设计灵活，适应性好、能够安全停机、速度离散可选或者连续可调、易实现特殊要求的机械特性。开关磁阻电机结构、体积、特性上的优势非常明显，降低了电机成本，提高了产品的可靠性。

5.3在龙门刨床中的应用

龙门刨床是机械行业的一种重要加工机械，其主传动系统的作用是带动工作台实现往返运行。

实践证明，开关磁阻电机的特性特别适合于频繁起制动和换相运行，换相过程起动电流小，只有额定电流的0.5倍，起、制动转矩可调，因而工艺符合要求。轻型龙门刨床以往之所以取较低的速度是由于传动形式所限。当开关磁阻电机能满足提升速度的条件下，再加上主机也允许，提升速度和切削能力是绝对合理的。实验证明，将机床速度提高到40m/min以上，机床系统刚性满足，这样可以使刨床的生产效率提高一倍。

（六）、开关磁阻电机的发展趋势展望

1、数学模型的研究

数学模型是控制理论应用的基础。在以往的研过程中，人们已经提出了各种各样的开关磁阻电机的数学模。近年来，多维系统辨识、小波模型、神经网建模等各种建模理论发展迅速。SRM数学模型的研究也必定会得到快速发展。我们相信在不久的将来结合各种现代建模理论的SRM非线性数学模型将被提出。

2、非线性控制理论、智能控制理论的应用。近年来虽然些学者已将非线性控制理论和智能控制理论应用在SRM制系统中，由于控制理论所结合的控制策略还不完善，控制效果并不理想。可以预见，未来一段时间各非线性控制理论、智能控制理论，将与控制策略的究同步进行，它们将以更加有效的途径应用于SRM系统中。

3、高性能SRM驱动系统的研究

SRM具有体积小、重量轻、转矩/惯量比小等优点。但是，SRM的线性特性和转矩脉动难以抑制，使得以往SRM伺服驱动系统的研究进展较为缓慢。随着转矩脉动抑制研究的进一步发展以及人们对SRM非线性本质认识的加深SRM在伺服驱动系统中应用的研究必定会得到空前的发展。

三、小结

目前，人们已经提出线性、准线性、非线性等多SRM数学模型，在此基础上结合各种各样的消转矩脉动的控制策略，将线性控制理论、非线性控理论和智能控制理论应用于SRM的控制器设计，已经取得了丰硕的成果。但是，在SRM控制领域研究还远未到完善的程度，未来一段时间，SRM制技术将在数学模型、控制策略、控制理论应用以高性能驱动系统开发等方面，继续得到发展。

四、参考文献：

[1]唐小洁,邓智泉,曹鑫,王晓琳.开关磁阻起动／发电机数字控制系统设计[J].南京航空航天大学,1993.[2]詹琼华.开关磁阻电动机[M].武汉：华中理工大学出版社,1992.[3]王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术.北京：机械工业出版社,1999.7:27-28,65-75

[4]彭志谨.电气传动与调速系统[M].北京：北京理工大学出版社,1988.[5]陆道政等.自动控制原理及设计.上海：上海科学技术出版社,1978.[6]曹家勇,陈幼平,詹琼华,周祖德等[J].开关磁阻电动机控制技术的研究现状和发展趋势.湖北武汉:华中科技大学出版社,2005.[7]张全柱,郝荣泰.单片微机控制的开关磁阻电机调速系统[D],北方交通大学学报 ,2001.[8]李俊卿,李和明.开关阻电机发展综述[D].华北电力大学电力工程系,河北保定071003.[9]慈艳柯.MCS一51单片机芯片反向解剖以及正向设计的研究[D].厦门大学,2002.[10]章明明.开关磁阻电机起动/发电系统数字平台研发[D].京航空航天大学, 电力电子与电力传动, 2009.[11]王兆安,黄俊.电力电子技术,第四版[M].北京：机械工业出版社,2000.[12]吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].北京：机械工业出版社,2000.6.[13]郑治同.电机试验.第二版[M].北京：机械工业出版社,1992：23-40.[14]李强.半桥逆变弧焊电源系统建模和仿真技术研究[D].青岛大学,2007.[15]王志升.大功率电磁炉电控系统设计与实现[D].武汉理工大学,2008.