開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析與設(shè)計(jì)研究

1、太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析與設(shè)計(jì)研究姓名：李書(shū)杰申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：指導(dǎo)教師：卜慶華20100517開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析與設(shè)計(jì)研究摘 要開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 SRD ，Switched Reluctance MotorDrive ）是繼直流調(diào)速、交流變頻調(diào)速之后，于上世紀(jì) 80 年代中期發(fā)展起來(lái)的一種開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)于一體的新型調(diào)速系統(tǒng)。兼有直流調(diào)速、交流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，以其寬廣的調(diào)速范圍、良好的機(jī)械特性、高效節(jié)能、卓越的起動(dòng)和制動(dòng)性能等優(yōu)點(diǎn)成為傳動(dòng)領(lǐng)域的熱門(mén)。本論文基于山西防爆電機(jī)（集團(tuán)）有限公司承擔(dān)的“十一五”

2、國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“礦用電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究”中子課題“礦用隔爆開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) SRD 技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2008BAF34B00）對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究。本文在基于研究開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的意義的基礎(chǔ)上，介紹了其發(fā)展?fàn)顩r、基本組成、性能特點(diǎn)及過(guò)去和現(xiàn)階段研究熱點(diǎn)。在了解上述內(nèi)容的前提下，介紹了本文的研究?jī)?nèi)容。在本文的第二部分介紹了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；在數(shù)學(xué)模型介紹中分別敘述了三種數(shù)學(xué)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)線性化模型做了較詳細(xì)的分析。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電流斬波控制方式（CCC ）、角度位置控制方式（APC ）、電壓 PWM 控制方式、組合控

3、制方式的介紹，對(duì)比上述幾種控制方式的特點(diǎn)，提出本文的控制方式：低速電流斬波控制、高速角度位置控制相結(jié)合的組合控制方式，采用電流內(nèi)環(huán)和 PI 調(diào)制的速度外環(huán)雙閉環(huán)的控制策略。在上述控制方式和控制策略提出的基礎(chǔ)上，在 matlab/simulink 仿真環(huán)境下、采用模塊化的思想建立了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，從仿真曲線驗(yàn)證了理論的電流斬波和角度位置控制方式下電流、電壓波形。在 硬 件 設(shè) 計(jì) 部 分 ， 介 紹 了 TI 公 司 的 電 機(jī) 專 用 控 制 芯 片TMS320LF2407 的功能特點(diǎn)，以其為控制單元設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路。通過(guò)對(duì)各種功率電路的比較分析以及 SR

4、D 系統(tǒng)應(yīng)用方面的發(fā)展，確定本系統(tǒng)的功率電路采用不對(duì)稱半橋型功率電路，選擇了主開(kāi)關(guān)器件。并設(shè)計(jì)了位置信號(hào)檢測(cè)電路、倍頻電路、速度檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路和輸入與顯示電路。在軟件設(shè)計(jì)部分，為了便于軟件的調(diào)試、修改和發(fā)展亦采用了模塊化的編程思想，增強(qiáng)了程序的通用性和可讀性。最后，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試部分，做了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電流調(diào)試。并對(duì)本文做了總結(jié)，提出本系統(tǒng)存在的問(wèn)題和今后發(fā)展的方向。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，電流斬波控制，角度位置控制，功率變換電路The Simulation and Designof Switched Reluctance Motor D

5、rivesABSTRACTSwitched Reluctance Motor Drives (SRD is a new type speed regulationsystem developed in last century, followed direct current motor drive andasynchronism motor frequency conversion drive, which combines powerelectronicstechnology ,microelectronics technology, moderncontroltechnique. SRD

6、 has both advantages of direct current motor drive andasynchronism motor frequency conversion drive. Because of the advantagesof vast speed regulating range, good mechanical properties excellent startingand braking performance and high efficient, it has become one of the mostpopular topics in the cu

7、rrent fields of electric drive.This thesis carried outstudy of Switched Relucance Motor Drives system, based on “ The study onmining flameproof switched reluctance motor drives”， one part of “ Energyconservation technology of mining motor” (Serial number: 2008BAF34B00.Which is supported by National

8、Technology R&D program during the 11thFive-Year plan, taken by ShanXi Explosion-proof motor(GroupCO.,LTD.In this paper, the development of Switched Reluctance MotorDrive(SRD, the basic structure and characteristic of SRD are introduced.Followed up, what study is provided in this paper. The secon

9、d section,Switched Reluctance Motor, basic structure of SRD and working principle areintroduced. The linear mathematical model of SRD is established, followedthe three mathematical model of SRD was introduced. Analyzed the controlmethods of CCC, APC , Voltage Pwm control on SRM, and choosing two kin

10、dof control methods fit for the system: low speed chopped current wave controland high speed Angular Position Control. As control strategy, we put forwardthe control strategy of speed-current double loop. The current loop as theinside loop, the speed loop as the out loop in PI control strategy. Foll

11、ow thecontrol method and strategy, made the mathematical model of SRD usedindependent blocks under matlab/simulink, and simulation. The current andvoltage waveform has been tested by the waveform of simulation.In the hardware section, the characteristic of TMS320LF2407(DSP formotor control, made in

12、TI CO, as the main control-core for hardware design.Kinds of power converter circuit of SRD and their advantages/disadvantagesare discussed and compared in this thesis, think about the development ofSRD. Asymmetric Bridge converter as the system converter, power transistoris selected. At the same ti

13、me, the circuit of current detection, voltage detection,speed detection, doubling frequency, interface/display are designed. Insoftware section, the modular program can make the program universal andreadable, useful for test and development.Finally, the drive and current of SRM are tested in differe

14、nt speed. Thedebugging waveform same to the analys.Give the conclusion.KEY WORDS: switched reluctance motor, switched reluctance motor drive,chopped current control,angular position control,power converter第一章緒論開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 SRD ，Switched Reluctance Motor Drive），它是繼直流調(diào)速、交流變頻調(diào)速之后，于上世紀(jì) 80 年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新

15、型交流調(diào) 速系統(tǒng)1。它融新型電機(jī)結(jié)構(gòu)（雙凸極）和電子技術(shù)（電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)） 于一體，兼有直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速和異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1。以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、高效節(jié)能等優(yōu)良性能異軍突起，成為交流調(diào)速系統(tǒng)的一支生力軍，應(yīng)用前景廣闊。1.1 研究開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的意義目前世界各國(guó)科學(xué)技術(shù)都向綠色化、高效化、智能化方向發(fā)展。其中電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是二十一世紀(jì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。國(guó)家已把高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)列入十一五重點(diǎn)節(jié)能推廣項(xiàng)目。而本課題正是國(guó)家推廣“高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)”的重點(diǎn)節(jié)能工程。煤礦井下是高煤塵、易燃、易爆的危險(xiǎn)環(huán)境，而 SR 電動(dòng)機(jī)適合高粉塵、易燃、易爆等惡劣環(huán)境，

16、因此在礦井下應(yīng)用前景廣闊，為提高煤礦井下電氣傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行可靠性和延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)使用壽命開(kāi)辟了一條新途徑，對(duì)提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、減少不安全因素、降低事故率具有重要意義。由于 SR 電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力、起動(dòng)性能，適合煤礦設(shè)備的頻繁起動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)完美的傳輸功能和優(yōu)異的節(jié)能效果。為本項(xiàng)目多臺(tái)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的礦用傳輸帶綜合節(jié)能控制系統(tǒng)的提出提供了可能性。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM/SR 電動(dòng)機(jī)）在調(diào)速領(lǐng)域以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高、調(diào)速性能良好及控制靈活等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了一席之地，可在牽引運(yùn)輸、航空航天、電動(dòng)汽 車、家用電器等領(lǐng)域中應(yīng)用1。但是在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中也暴露出它的不足，體現(xiàn)在以

17、下幾方面：1、低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，為了增大轉(zhuǎn)矩輸出能力，SR 電動(dòng)機(jī)通常運(yùn)行在磁場(chǎng)深度飽和的狀態(tài)下，導(dǎo)致 SR 電動(dòng)機(jī)相電感和磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子位置角和繞組電流的非線性函數(shù)，在采用傳統(tǒng)的脈沖供電方式下，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯。2、噪聲和振動(dòng)問(wèn)題（由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)采用各相輪流通電，則在某相通電時(shí)容易形成徑向磁拉力，從而導(dǎo)致電機(jī)機(jī)座和定子軛部發(fā)生變形，由變形引起振動(dòng)和噪聲。3、溫升問(wèn)題開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)鐵心各部分的磁場(chǎng)變化復(fù)雜、都是非正弦變化，又因?yàn)殍F心磁場(chǎng)的頻率隨轉(zhuǎn)速變化，因而溫升是一個(gè)難題。然而這些在小功率 SRM 中不太明顯，但隨著功率等級(jí)的加大，其在小功率等級(jí)沒(méi)有完全體現(xiàn)出來(lái)的轉(zhuǎn)子溫升現(xiàn)

18、象逐步顯現(xiàn)出來(lái)，如何解決轉(zhuǎn)子溫升問(wèn)題成為一大難關(guān)。4、建模問(wèn)題SR 電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)和磁路高度飽和，導(dǎo)致磁路的嚴(yán)重非線性，進(jìn)而難以建立準(zhǔn)確、可靠的數(shù)學(xué)模型，不能精確分析其動(dòng)、靜態(tài)性能?，F(xiàn)今數(shù)學(xué)模型的建立以理想線性模型、準(zhǔn)線性模型、非線性模型三類方法為主，線性模型、準(zhǔn)線性模型難以準(zhǔn)確可靠的描述 SR 電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)特性；非線性模型雖然較以上兩種有所改善，但其數(shù)據(jù)的采取由于并非是時(shí)刻采集，因此造成模型建立的不準(zhǔn)確性。為了使開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中不受上述問(wèn)題的影響，本文在建立非線性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從 SR 電動(dòng)機(jī)控制策略出發(fā)解決上述問(wèn)題。的論文，文中描述了 SR 電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)特性： 1）開(kāi)關(guān)性SR

19、 電動(dòng)機(jī)必須工作在一種連續(xù)的開(kāi)、關(guān)模式，這就是 SR 電動(dòng)機(jī)只有在各種新型半導(dǎo)體器件（如：晶閘管、 GTO 、IGBT ）出現(xiàn)后才能發(fā)展的原因所在；（2）磁阻性它是一種雙凸極電機(jī)， 定、轉(zhuǎn)子具有可變磁阻回路145。其實(shí)，19 世紀(jì) 40 年代 SR 電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及基本原理已經(jīng)提出，即所謂的“電磁發(fā)電機(jī)”。由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平的限制，無(wú)法解決 SR 電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)、控制等方面的一系列關(guān)鍵問(wèn)題，這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的足夠重視，這種狀況一直持續(xù)到 20 世紀(jì)中葉。上世紀(jì) 60 年代，SR 電動(dòng)機(jī)隨著電力電子器件的發(fā)展，又被重新提上研究日程。1967 年，英國(guó) Leeds(里茲 大學(xué)開(kāi)始

20、對(duì) SR 電動(dòng)機(jī)進(jìn)行深入研究，其研究成果表明：SR 電動(dòng)機(jī)可在單向電流下四象限運(yùn)行，功率變換器主開(kāi)關(guān)器件無(wú)論采用晶體管還是用普通晶閘管所需開(kāi)關(guān)器件在數(shù)量上都是最少的，與同容量的異步電動(dòng)機(jī)相比其成本顯著減少。1975 年英國(guó) Nottingham （諾丁漢）大學(xué)和 Leeds （里茲）大學(xué)的聯(lián)合研究小組成功的研制出一套用于電動(dòng)汽車的 50KW 的 SRD 裝置，其單位輸出功率和 效率都高于同類的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，表明 SR 電動(dòng)機(jī)大有可用之途1。1980 年，英國(guó) Leeds 大學(xué)的 Lawrenson 教授及其同事總結(jié)多年的研究成果，發(fā)表了著名論文變速開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Variable-Spee

21、d Switched Reluctance Motors，這標(biāo)志著國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì) SRD 的公認(rèn)，為 SR 電動(dòng)機(jī)原理的研究、發(fā)展設(shè)計(jì)理論、研究理論特性及控制方式奠定了基礎(chǔ)。1983 年，英國(guó) TASC Drives 公司將世界上第一臺(tái)功率 7.5KW 、轉(zhuǎn)速 1500r/min 的SR 電動(dòng)機(jī)Oulton 傳動(dòng)裝置市場(chǎng)化，次年又推出功率為 422KW 四個(gè)規(guī)格的系列產(chǎn)品。 1991 年英國(guó)的 BJD 公司應(yīng)用 Leeds 大學(xué)的專利技術(shù)為考文垂煤礦研制Supermatic 型以 35KWSR 電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的電牽引采煤機(jī)，同時(shí) BJD 還為煤礦研制了 150KW 和 300KW 的 SR 電動(dòng)

22、機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶運(yùn)輸機(jī)及由兩臺(tái) 3KWSR 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四 輪蓄電池電機(jī)車7。由于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、魯棒性好、調(diào)速性能好，成為繼直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)之后的一種新型調(diào)速系統(tǒng)。問(wèn)世不久便引起世界各國(guó)電氣傳動(dòng)界的廣泛關(guān)注：19841986 年原聯(lián)邦德國(guó)先后試制了 1、1.2、5KW 的樣機(jī)；美國(guó)、南斯拉夫、加拿大、埃及、新加坡等國(guó)相繼展開(kāi)對(duì) SRD 的研究及開(kāi)發(fā)工作，在 SR 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行理論、電磁場(chǎng)分析、電機(jī)結(jié)構(gòu)、起動(dòng)性能等方面取得了較大成果。在世界各國(guó)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生濃厚興趣的時(shí)候，我國(guó)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究工作也于上世紀(jì) 80 年代中期

23、以較高的起點(diǎn)開(kāi)始，如北京中紡銳利機(jī)電有限公司、華中理工大學(xué)（現(xiàn)華中科技大學(xué)）、南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)、華南理工大學(xué)、浙江大學(xué)、西安微電機(jī)研究所等院校和研究所，并把 SR 電動(dòng)機(jī)的研究列為國(guó)家“七五”中小型電機(jī)科研規(guī)劃項(xiàng)目。1992 年，在中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)中小型電機(jī)專業(yè)委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下成立了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)學(xué)習(xí)小組。在借鑒國(guó)外對(duì) SR 電動(dòng)機(jī)研究的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，我國(guó)在 SR 電動(dòng)機(jī)理論上取得了一定研究成果并研制出不同功率和等級(jí)的 SRD 產(chǎn)品，如北京中紡銳利機(jī)電有限公司研制的 2.2400KW 系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已被應(yīng)用到紡織機(jī)械、電動(dòng)車輛、煤礦皮帶機(jī)、吸塵器、洗衣機(jī)、風(fēng)機(jī)水泵等?？傊?jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)

24、者的不斷探索和努力，對(duì) SRD 系統(tǒng)的研究已經(jīng)在理論分析、性能仿真、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及電機(jī)噪聲、電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、能耗計(jì)算、功率變換器設(shè)計(jì)、電流位置檢測(cè)、控制策略取得了豐碩成果，并且將隨著 SR 電動(dòng)機(jī)理論和電子器件的發(fā)展而完善。1.3 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其性能特點(diǎn)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD ）主要由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器、控制器、電流檢測(cè)器、位置檢測(cè)器等幾部分組成，如圖 1-1 所示， 圖1-1開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)Figure1-1 SRD System1、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) SR 電動(dòng)機(jī)是 SRD 有別于其他電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要標(biāo)志、是 SRD 中實(shí)現(xiàn)機(jī)電 能量轉(zhuǎn)換的部件

25、2、是 SRD 的執(zhí)行元件，與傳統(tǒng)的交、直流電動(dòng)機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)和具體工作原理有著根本的區(qū)別，它不像電磁式電機(jī)那樣轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的形成依靠定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生磁場(chǎng)相互作用。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相類似，遵循“最 小磁阻原理”，產(chǎn)生磁拉力形成轉(zhuǎn)矩磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩3。因此，它的結(jié)構(gòu)原理是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)磁路的磁阻要有盡可能大的變化。所以，SR 電動(dòng)機(jī)采用雙凸極結(jié)構(gòu)，其定、轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片疊壓而成且極數(shù)不同。定子極上繞有集中繞組，徑向相對(duì) 的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)兩極磁極，稱為“一相”，轉(zhuǎn)子既無(wú)繞組也無(wú)永磁體1，定、轉(zhuǎn)子及 SR 電動(dòng)機(jī)如圖 1-2 所示。SR 電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配

26、，因此可以設(shè)計(jì)成多種不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，低于三相的 SR 電動(dòng)機(jī)沒(méi)有自起動(dòng)能力，對(duì)于有自起動(dòng)、四象限運(yùn)行要求的驅(qū)動(dòng) ，其系統(tǒng)價(jià)格和性能與功率變換器的選場(chǎng)合，應(yīng)優(yōu)選相數(shù)為三相或大于三相的定轉(zhuǎn)子組合方案。相數(shù)多、步距角小，有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且開(kāi)關(guān)器件多、成本高。所以，SR 電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)和選用時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)用場(chǎng)合及使用要求。圖1-2SR 電動(dòng)機(jī)及其定、轉(zhuǎn)子Figure1-2 SRM 、stator and rotor2、功率變換器功率變換器是 SR 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者3，由交流電整流后得到的直流電或蓄電池供電。由于 SR 電動(dòng)機(jī)繞組電流是單向流動(dòng)的，使得其功率變換器主電路不僅簡(jiǎn)單，而

27、且具有普通交流及無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，即相繞組與主開(kāi)關(guān)器件是串聯(lián)在一起的，這樣可以避免由于電流過(guò)大燒毀器件造成電路短路故障。在整個(gè) SRD 系統(tǒng)中，功率變換器的成本占有很大比重，其供電電壓、電動(dòng)機(jī)相數(shù)及主開(kāi)關(guān)器件的種類等決定了主電路的結(jié)構(gòu)形式 1 擇和設(shè)計(jì)有重大關(guān)系，因此最佳方案的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體性能、適用場(chǎng)所等因素結(jié)合。3、控制器1控制器是 SRD 系統(tǒng)的中樞，起決策和指揮作用。它綜合處理速度指令、電流檢測(cè)器、位置檢測(cè)器的反饋信息，控制功率變換器主電路中主開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的控制。SR 電動(dòng)機(jī)各相主開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與斷開(kāi)決定于控制器發(fā)出的信號(hào)，以此控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。S

28、R 電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小及狀態(tài)（驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)）取決于功率器件的導(dǎo)通角。4、位置檢測(cè)器位置檢測(cè)器是轉(zhuǎn)子位置及速度等信號(hào)的提供者3，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行的條件。它及時(shí)向控制器提供定、轉(zhuǎn)子極間實(shí)際相對(duì)位置的信號(hào)和轉(zhuǎn)子運(yùn)行的速度信號(hào)，以確定相應(yīng)相繞組的通斷。為了滿足 SRD 系統(tǒng)對(duì) SR 電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制，位置檢測(cè)器應(yīng)具備以下條件：首先檢測(cè)的精度在運(yùn)行的速度范圍內(nèi)滿足要求；其次要求檢測(cè)電路簡(jiǎn)單、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)；為了滿足特殊環(huán)境的應(yīng)用還要求能在惡劣環(huán)境下工作1，如煤礦裝置。5、電流檢測(cè)器SRD 相電流檢測(cè)是 SR 電動(dòng)機(jī)過(guò)電流保護(hù)、電流斬波控制方式運(yùn)行的需要。SR電動(dòng)機(jī)相電流的基本特點(diǎn)是單向、脈動(dòng)以及波形

29、隨運(yùn)行方式、運(yùn)行條件不同而變化很大 1 。由此，SRD 中電流檢測(cè)器應(yīng)具備快速性能好、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高及在特定范圍內(nèi)良好的線性度。電流檢測(cè)的一般方法有：電阻采樣、直流電流互感器、霍爾元件采樣、磁敏電阻采樣。從結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理上看，SR 電動(dòng)機(jī)可以認(rèn)為是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的一員，只不過(guò)其具備高速、大步距的特點(diǎn)。兩者的差別在于：步進(jìn)電機(jī)作為一種信息傳輸、實(shí)現(xiàn)角位移精密傳動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電源的換相決定轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而轉(zhuǎn)子位置與電源的換相沒(méi)有關(guān)聯(lián)，屬于開(kāi)環(huán)控制；然而 SR 電動(dòng)機(jī)卻不然，轉(zhuǎn)子位置決定相繞組的通電，定子 繞組通電與否通過(guò)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器傳輸?shù)男畔⑴袛?，屬于轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制4。從運(yùn)行狀態(tài)上看，可

30、以將 SRD 系統(tǒng)可視為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的發(fā)展，均運(yùn)行在自同步狀態(tài)。然而無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子有勵(lì)磁，逆變器為定子多相繞組提供交流電；SR 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子則為反應(yīng)式，沒(méi)有勵(lì)磁，由直流脈沖電源為繞組供電，僅由簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)即能實(shí)現(xiàn)，基于以上所述，使得 SR 電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和功率變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。實(shí)踐與理論證明，SR 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有以下基本性能特點(diǎn)：1、電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)相比結(jié)構(gòu)還要簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組只由硅鋼片疊壓而成，因此鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的斷條現(xiàn)象在此不會(huì)出現(xiàn)；定子側(cè)只有幾個(gè)集中繞組，端部短而牢固，制造簡(jiǎn)單。電機(jī)易于冷卻，無(wú)高溫退磁之憂，適宜在惡劣、高溫環(huán)境下運(yùn)行

31、2、功率變換電路簡(jiǎn)單可靠開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)與定子繞組電流的流向無(wú)關(guān)，只與各相的通電順序有關(guān)。相繞組電流為單向流動(dòng)；而感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)繞組流過(guò)雙向電流，因此向其供電的PWM 變頻器中功率電路每相需要兩個(gè)功率元件，相比 SR 電動(dòng)機(jī)可以做到每相一個(gè)主開(kāi)關(guān)。因此，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以做到較 PWM 變頻器功率電路簡(jiǎn)單、每相中更少的元件數(shù)。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中每個(gè)功率元件直接與電機(jī)繞組串聯(lián)，不會(huì)發(fā)生感應(yīng)電動(dòng)機(jī) PWM 變頻器因功率元件跨接在直流電源側(cè)產(chǎn)生的直通短路，因此 SRD 系統(tǒng)中功率電路的保護(hù)電路可以簡(jiǎn)單化，既降低了成本，又提高了系統(tǒng)的工作可靠性。3、各相獨(dú)立工作，可靠性高SR 電動(dòng)機(jī)

32、的各相繞組和磁路從電磁結(jié)構(gòu)上看相互獨(dú)立，各自供電產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動(dòng)機(jī)一相繞組發(fā)生故障時(shí)，只需停止此相的工作狀態(tài)，SR 電動(dòng)機(jī)仍可以運(yùn)轉(zhuǎn)，只不過(guò)是輸出總功率有所降低。4、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、電流小開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)只需較小的起動(dòng)電流，就可以獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并無(wú)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象，可以從以下數(shù)據(jù)中得出此結(jié)論。SR 電動(dòng)機(jī)當(dāng)起動(dòng)電流僅為 15%的額定電流時(shí)，相應(yīng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻是額定轉(zhuǎn)矩。直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流為額定電流時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩；三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流為額定電流的 3 倍時(shí)，其轉(zhuǎn)矩才為額定轉(zhuǎn)矩。并且開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)可以延伸到低速運(yùn)行階段

33、，因此 SRD 系統(tǒng)適用于重載起動(dòng)和低速重載運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備。5、可控參數(shù)多、控制方式簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可以通過(guò)控制相繞組的開(kāi)通角、關(guān)斷角、電流、電壓等，多控制參數(shù)，可以靈活方便的控制 SR 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)改變參數(shù)值和控制方法，使之達(dá)到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的要求。6、效率高、損耗小開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一種高效的調(diào)速系統(tǒng)。原因有二：1）SR 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子沒(méi)有繞組，那么也就不存在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的銅耗；2）SR 電動(dòng)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。綜上所述，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一種具有優(yōu)良性能的新型的調(diào)速系統(tǒng)，這種調(diào)速系統(tǒng)綜合了直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和異步電動(dòng)

34、機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，可以與其他調(diào)速系統(tǒng)相媲美。廣泛應(yīng)用于煤礦設(shè)備、工業(yè)調(diào)速、電動(dòng)車、家用電器及航空領(lǐng)域。當(dāng)然，SR 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也因?yàn)槠滢D(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)和噪聲；數(shù)學(xué)模型的建立難以“ 與電機(jī)磁場(chǎng)相吻合；SR 電動(dòng)機(jī)、控制器、功率變換器三者的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)存在一些問(wèn)題，還有待改進(jìn)；限制了 SRD 的應(yīng)用。1.4 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究熱點(diǎn)SRD 研究涉及電機(jī)學(xué)、電力電子、微電子、微機(jī)、控制理論、機(jī)械及工程應(yīng)用等眾多學(xué)科領(lǐng)域；加之 SR 電機(jī)的磁路具有復(fù)雜的非線性特性，導(dǎo)致研究的困難性。無(wú)論是在理論上還是在應(yīng)用上都存在不少問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究完善。1、SRM 數(shù)學(xué)模型建立的研究SRM 數(shù)學(xué)模型的精確

35、建立與描述直接影響到電機(jī)的設(shè)計(jì)、電機(jī)動(dòng)態(tài)性能分析、電機(jī)效率的評(píng)估，也為電機(jī)的高性能控制提供了基礎(chǔ)。極數(shù)、極弧設(shè)計(jì)原則，突出了 SR 電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系的物理本質(zhì)，奠定了 SR 電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)； 理想化”轉(zhuǎn)矩解析式由 Corda J 利用 SR 電機(jī)的線性模型導(dǎo)出9；Krishnan則基于“平頂波”電流在忽略磁路飽和的非線性影響、假定相電感與電流無(wú)關(guān)的前提 下，推出了 SR 電動(dòng)機(jī)類似于傳統(tǒng)電機(jī)的輸出方程10。由 Millier 等提出的準(zhǔn)線性法11在一定程度上可以克服磁鏈線性模型因忽略非線性因素的計(jì)算誤差缺陷。但是，同樣存在計(jì)算誤差較大的缺陷。為此，Torrey 等在實(shí)驗(yàn)測(cè)得電機(jī)靜態(tài)電磁特性數(shù)據(jù)

36、的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值曲線擬合方法推導(dǎo)出 (i , 的解析函數(shù)表達(dá)式12，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果與實(shí)測(cè)性能有較好的一致性；Spong 等提出了一種能夠較精確地反映 SRM 實(shí)際的電磁特性的非線性模型13。S.Wiiliamson 等將三維有限元方法用于 SR 電機(jī)磁 化曲線的計(jì)算，真正地涉及了電機(jī)的端部磁場(chǎng)14。Elmas 等基于 BP 算法建立了開(kāi)關(guān) 磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)三層前傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型15。2、完善 SR 電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論和加強(qiáng)鐵心損耗的理論研究在 SR 電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。利用一種代表性單元雙凸極結(jié)構(gòu)方法，并以電機(jī)質(zhì)量最小作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，同時(shí)用直接

37、搜索法求取最佳磁路及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，以獲得具有近似最優(yōu)性能的設(shè)計(jì)結(jié)果。SR 電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)特性的非線性相繞組供電電壓和電流波形的脈動(dòng)、非正弦性；定、轉(zhuǎn)子各部分鐵心中不同的磁通密度變化規(guī)律，導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗的測(cè)量與計(jì)算困難程度不言而喻，建立準(zhǔn)確、實(shí)用的鐵心損耗計(jì)算模型和測(cè)試、分析手段成為主要問(wèn)題7。3、先進(jìn)控制策略的研究及參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)7開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能的改善應(yīng)考慮 SR 電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)的非線性及參數(shù)的時(shí)變特性，研究算法簡(jiǎn)單，具有較高動(dòng)態(tài)性能，能抑制擾動(dòng)、參數(shù)變化及各種不確定性干擾的 SR 電動(dòng)機(jī)新型控制策略。國(guó)內(nèi)外發(fā)表了一些基于智能控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論建立 SRD 動(dòng)態(tài)模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文

38、獻(xiàn)，在一些性能方面有所改善。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、 自適應(yīng)控制、模糊控制5以及帶狀態(tài)觀測(cè)器的無(wú)位置傳感器，在理論和實(shí)踐應(yīng)用上都有了可喜突破。但是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略仍不完善，仍有很多問(wèn)題需要解決。4、SR 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制及噪聲的研究SR 電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及因振動(dòng)引起的噪聲限制了其在諸如伺服驅(qū)動(dòng)這類低速要求平穩(wěn)且有一定靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力場(chǎng)合下的應(yīng)用。因此，改善 SRD 性能的關(guān)鍵因 素是抑制因徑向力引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲1，SR 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生即受 到電機(jī)本身的相數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的影響，又與所采用的控制策略和控制參數(shù)有關(guān)5。在 SRM 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)消除方面的研究應(yīng)該圍繞電機(jī)設(shè)計(jì)和電機(jī)

39、控制兩方面展開(kāi)1。5、完善SRD 中SR 電動(dòng)機(jī)、功率變換器及控制器三者的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)SR 電動(dòng)機(jī)、功率變換器、控制器三者之間設(shè)計(jì)聯(lián)系的緊密程度直接影響 SRD 的整體性能，是提高系統(tǒng)整體性能的必要條件。因此，應(yīng)該把這三者作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不應(yīng)把各部分的設(shè)計(jì)割裂開(kāi)，可以借助 CAD 將三者作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。6、SRD 無(wú)位置傳感器的研究對(duì)于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而言，實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息是其可靠運(yùn)行和 獲得高性能控制的必要前提條件5。獲取位置信號(hào)的通用方法是光電脈沖發(fā)生器或者其他類型的探測(cè)式位置檢測(cè)器獲得轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)位置。采取這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠，但這在提高系統(tǒng)成本和

40、復(fù)雜程度的同時(shí)會(huì)降低 SRD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，不適合應(yīng)用于諸如煤礦井下等惡劣環(huán)境。因此，如何去掉位置檢測(cè)器，無(wú)疑是一個(gè)很有潛力的研究方向。1.5 本文研究的主要內(nèi)容開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是我國(guó)在上世紀(jì) 80 年代調(diào)速領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來(lái)的一 種新型調(diào)速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、調(diào)速性能良好、調(diào)速范圍寬、系統(tǒng)可靠性高，是 各國(guó)電氣傳動(dòng)領(lǐng)域研發(fā)的熱點(diǎn)之一。但是由于自身的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行特點(diǎn)，使得 SR 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性和控制方式與傳 統(tǒng)電動(dòng)機(jī)存在著區(qū)別，同時(shí)也存在上述章節(jié)所提到的一些問(wèn)題亟待解決。本論文基于 山西防爆電機(jī)（集團(tuán)）有限公司“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“礦用電機(jī)系統(tǒng)節(jié) 能

41、技術(shù)研究”中子課題“礦用隔爆開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) SRD 技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)： 2008BAF34B00）對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，在查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)及對(duì) 本課題了解的基礎(chǔ)上，確定本文的研究?jī)?nèi)容如下：（1） 了解開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行特性、存在問(wèn)題以及當(dāng)今的研究方向；（2） 了解開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分類對(duì)比，分析其控制策略，在matlab/simulink環(huán)境下、采用模塊化的思想建立SR 電動(dòng)機(jī)的非 線性數(shù)學(xué)模型及SRD 數(shù)學(xué)模型；（3） 以TI 公司DSP 芯片TMS320LF2407為核心設(shè)計(jì)SRD 系統(tǒng)硬件電路，其中包含功率

42、變換器主電路、位置檢測(cè)電路、電流檢測(cè)、速度信號(hào)檢測(cè)等電路的設(shè)計(jì)；（4） 軟件設(shè)計(jì)：為了實(shí)現(xiàn)軟件的通用性和可讀性，采用模塊化的思想編寫(xiě)SRD 軟件程序。（5） 在條件允許的情況下，對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行工程實(shí)際和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。10第二章開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)基本原理本章將對(duì) SR 電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)之上對(duì) SR 電動(dòng)機(jī)的 線性模型、準(zhǔn)線性模型、非線性模型進(jìn)行分類對(duì)比。2.1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理電動(dòng)機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理大致可以分為電磁式和磁阻式兩類電機(jī)；電磁式電動(dòng)機(jī)的原理與兩塊磁鐵的同名磁極相斥、異名磁極相吸的原理類似。交流電機(jī)和直流電 機(jī)正是此類電動(dòng)機(jī)的代表。而磁阻式電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)

43、則是由于定、轉(zhuǎn)子之間氣隙磁阻的變 化引起的。磁通總是沿著磁阻最小的路線閉合，也即我們常說(shuō)的“磁阻最小原理”。 因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與通電定子磁極軸線不相重合時(shí)，便會(huì)有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其向磁阻最小的位置，也即向通電定子的位置轉(zhuǎn)動(dòng)直至定轉(zhuǎn)子軸線相重合。 類似于磁體吸引磁性物質(zhì)（未帶磁性）的現(xiàn)象816。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)即屬于第二類電機(jī)。因此，它的結(jié)構(gòu)原則是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)磁路的磁 阻盡可能大的變化，故開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)采用定轉(zhuǎn)子極數(shù)不同的雙凸極結(jié)構(gòu)。為了避免 單邊磁拉力，徑向必須對(duì)稱。因此 SR 電動(dòng)機(jī)的定子極數(shù)（Ns ）和轉(zhuǎn)子齒數(shù)(Nr應(yīng)為偶數(shù)，且 N s N r ，但應(yīng)接近。提高電機(jī)出力可以通過(guò)加

44、大磁場(chǎng)變化率實(shí)現(xiàn)。當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)接近時(shí)，可以加大定子相繞組 的平均變化率。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性考慮，一般定轉(zhuǎn)子極數(shù)的關(guān)系為：N s = N r + 2 。徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)兩極磁極，稱為“一相”，則 SR 電動(dòng)機(jī)的相數(shù)一般為 m =N 2。 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式，由于低于三相的 SR 電動(dòng)機(jī)沒(méi)有自起 動(dòng)能力，一般應(yīng)選擇 m 3。相數(shù)多，有利于減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主開(kāi)關(guān)器件多、成本增高。目前應(yīng)用較多的是三相 6/4 極結(jié)構(gòu)和四相 8/6 極結(jié)構(gòu)。常見(jiàn) SR 電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案一般為表 2-1 所示，11表2-1常見(jiàn)定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案Tab. 2-

45、1 The usual poles combinations of stator and rotor SR 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行遵循“磁阻最小原理”，也即是磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉 合，轉(zhuǎn)子鐵心在轉(zhuǎn)動(dòng)到磁阻最小位置時(shí)，其主軸線與通電相主軸線重合1。下面以8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為例，說(shuō)明其工作原理。如圖2-1所示， 圖2-18/6極SR 電動(dòng)機(jī)工作原理圖Fig.2-1 The operation principle of 8/6 poles SRM如圖2-1所示，當(dāng)開(kāi)關(guān) S 1、 S 2 閉合，SR 電動(dòng)機(jī)定子極D-D相繞組通電時(shí)，SR 電動(dòng)機(jī)內(nèi)部形成了以D-D為主軸線的磁場(chǎng)，磁通經(jīng)過(guò)定子軛、定子極

46、、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn) 子軛等處閉合，如圖中虛線所示。通過(guò)氣隙的磁力線是彎曲的，此時(shí)磁路的磁導(dǎo)小于 定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時(shí)的磁導(dǎo)，因此，轉(zhuǎn)子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力 的作用，使轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子極軸線1-1與定子極軸線D-D重合時(shí)，D 相勵(lì)磁繞組的電感達(dá)到最大值，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁極所受磁拉力的切向磁拉力為零全部為徑12向磁拉力達(dá)到力矩平衡。若以此作為SR 電動(dòng)機(jī)起始位置，按D-A-B-C 排序依次給各相 繞組通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子將會(huì)沿著逆時(shí)針的方向旋轉(zhuǎn)；反之，按B-A-C-D 排序通電，則 轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這說(shuō)明，改變各相繞組輪流通電的順序就可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋 轉(zhuǎn)方向，與相繞組電流的

47、方向無(wú)關(guān)。2.2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型SR 電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的精確建立與描述，影響到SR 電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、電機(jī)效率評(píng)估、 電機(jī)動(dòng)態(tài)性能分析，同時(shí)也為電機(jī)的高性能控制提供了基礎(chǔ)16。完整的SR 電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、磁鏈方程、機(jī)械方程和機(jī)電聯(lián)系方程，其中電壓方程和機(jī)電聯(lián)系 方程均與磁鏈方程密切相關(guān)17。因此，建立準(zhǔn)確而簡(jiǎn)單的反映SR 電動(dòng)機(jī)電磁特性的磁鏈方程是建立SR 電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵之一。就目前而言，已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的開(kāi)關(guān)磁阻 電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型有多種形式。以模型的性質(zhì)為分類點(diǎn)有線性模型、準(zhǔn)線性模型、非 線性模型三類；從模型的形式分，可以分為：參數(shù)模型、表格模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和 模糊邏輯模

48、型等。SR 電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型不管是以性質(zhì)劃分還是以形式分類都與其電壓方 程、磁鏈方程、機(jī)械方程和機(jī)電聯(lián)系方程密不可分。由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)磁鏈的非線性，決定了其數(shù)學(xué)模型建立的復(fù)雜性。為了能夠分 析其特性，在建立其數(shù)學(xué)模型時(shí)不可避免的要忽略掉次要因素，在理論研究和實(shí)用研 究上采取一些折中考慮，以便簡(jiǎn)化問(wèn)題的分析。如：SR 電動(dòng)機(jī)的相數(shù)為m ，k=1,m, 第k 相的電壓、電流、電阻、磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別為 u k 、 i k 、 R k 、 k 、T k ，轉(zhuǎn)子位置角為 ， 轉(zhuǎn)速為 ，假設(shè)如下條件成立：1、主電路電源的直流電壓（ ± U S ）不變；2、忽略鐵耗，即忽略鐵心的磁滯和渦流效應(yīng)；3、半

49、導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件為理想開(kāi)關(guān)元件，即導(dǎo)通時(shí)壓降為零、關(guān)斷時(shí)電流為零； 4、在一個(gè)電流脈動(dòng)周期內(nèi)，認(rèn)為轉(zhuǎn)速恒定不變。5、忽略相間互感，即電動(dòng)機(jī)各相參數(shù)對(duì)稱，每相的兩個(gè)線圈作正向串聯(lián)；依據(jù)上述假設(shè)，介紹開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的磁鏈方程、電壓方程、機(jī)械方程和機(jī)電聯(lián) 系方程1。13L dik dt1、磁鏈方程由于SR 電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子的雙凸極結(jié)構(gòu)，以及旋轉(zhuǎn)時(shí)磁路的非線性、開(kāi)關(guān)特性的影 響，使得SR 電動(dòng)機(jī)的參數(shù)和各個(gè)物理量變化復(fù)雜。但是，電機(jī)內(nèi)所有的電磁過(guò)程仍然 符合電工理論的基本定律，SR 電動(dòng)機(jī)各相繞組磁鏈?zhǔn)窍嚯娏髋c其自感、其余各相電流 互感以及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，相繞組磁鏈表達(dá)式為 k = (i 1 , ik i

50、m , （2-1）由于SR 電動(dòng)機(jī)各相電流之間的互感與相電流自感相比可以忽略，因此為了方便計(jì) 算，在SR 電動(dòng)機(jī)磁鏈的計(jì)算中一般忽略各相間的互感，不考慮兩相以上繞組導(dǎo)通時(shí)定、 轉(zhuǎn)子軛部飽和對(duì)各相產(chǎn)生的影響，此時(shí)的磁鏈方程可近似為 k = (i k , = L(i k , i k（2-2）2、電壓方程根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電磁感應(yīng)定律，在忽略鐵心損耗的情況下，電阻壓降和 因磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)作用之和等于施加在SR 電動(dòng)機(jī)各定子繞組兩端的電壓， 則第k 相的電壓方程為：u k = Rk ik + d k 將式（2-2）代入式（2-3）可得（2-3）u k = Rk ik + (L k + i

51、kd+ ik dt（2-4）由上式可知，相繞組上所加的電壓 u k 與電路中電阻壓降、變壓器電動(dòng)勢(shì)、運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)三部分電壓相平衡。3、機(jī)械方程當(dāng)SR 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T e 與作用在電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T L 不平衡也即不相等時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生角加速度 d 。按照力學(xué)定律可列出在電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 T e 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T L 作用下的轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：T e = J d 2 + D d + TL（2-5）式中J 為SR 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，D 代表粘性摩擦系數(shù)。4、機(jī)電聯(lián)系方程上面幾個(gè)方程分別描述了電的磁鏈方程、電壓方程和機(jī)械的機(jī)械方程，而電和機(jī)14T e = TK (i k , 把式2-7代

52、入式2-6得 T e = 械是通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩耦合在一起的，故反映機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式即為機(jī)電聯(lián)系方程，或者稱為電磁轉(zhuǎn)矩 T e 關(guān)于磁共能的方程：m1（2-6）開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)第K 相的電磁轉(zhuǎn)矩為磁共能對(duì)轉(zhuǎn)子位置增加的速率，即T k = m (i k , i k =const（2-7） m 1 m (i k , i k =const由于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的磁鏈特性存在著嚴(yán)重的非線性，就造成了不可能得出精確 解。因此，在分析性能求解數(shù)學(xué)模型時(shí)一般在實(shí)用和理論之間采取折中的手段，即做到符合實(shí)際磁鏈特性，又考慮模型的實(shí)用性，綜合前人所做的數(shù)學(xué)模型可以歸結(jié)為以 下幾類71819：1、理想線性模型SR 電動(dòng)

53、機(jī)理想線性模型在提出時(shí)，對(duì)其做了如下假設(shè)：假定相繞組的電感與電流 的大小無(wú)關(guān)，不計(jì)電機(jī)磁路飽和的影響、不考慮磁場(chǎng)邊緣擴(kuò)散效應(yīng)、且不考慮轉(zhuǎn)子位 置角對(duì)電感的影響，則即磁鏈近似為電流的線性函數(shù)。此種磁鏈建模方法的求解誤差 較大、精度較低，但是可以用來(lái)了解SR 電動(dòng)機(jī)各參數(shù)間的相互關(guān)系、基本工作特性， 并可作為深入探討各種控制方式的依據(jù)和定性分析的手段。理想線性模型下的磁鏈曲 線如圖2-2所示，2、準(zhǔn)線性模型由于SR 電動(dòng)機(jī)磁鏈的飽和區(qū)和非飽和區(qū)有不同的線性變化率，為了近似的考慮 磁路的邊緣效應(yīng)、飽和效應(yīng)，忽略各相繞組之間的耦合效應(yīng)，同時(shí)將實(shí)際的非線性磁 化曲線進(jìn)行分段處理，這樣每段的磁化曲線都可以

54、用精確的一次線性解析式來(lái)表示。 近似地考慮了磁路飽和效應(yīng)，使問(wèn)題分析計(jì)算具有一定精度，較多應(yīng)用于分析和設(shè)計(jì)功率變換器和制定控制策略。一般可以將磁鏈和電流的曲線即（ I ）曲線分為線性段和飽和段或者線性段、低飽和段和高飽和段。準(zhǔn)線性模型下的磁鏈曲線如圖2-3所示，n = i圖2-2理想線性模型磁鏈曲線Fig 2-2 The curve of flux linkage vscurrent at linear model i圖2-3準(zhǔn)線性模型磁鏈曲線Fig 2-3 The curve of flux linkage vscurrent at quasi-linear model3、非線性模型為了避免

55、上述兩種磁鏈建模方法的不準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確計(jì)算SR 電動(dòng)機(jī)的性能、對(duì)穩(wěn)態(tài) 性能的運(yùn)行特性進(jìn)行仿真，常常采用在對(duì)SR 電動(dòng)機(jī)磁鏈實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上采用數(shù)學(xué)擬合的 方法建立模型函數(shù)。而模型求解的精確度取決于非線性模型擬合的精確度，常用的函 數(shù)擬合方法有多項(xiàng)式擬合、最小二乘法擬合、三次樣條擬合等等，此種非線性建模方 法工作量小，易于實(shí)現(xiàn)，便于分析問(wèn)題。非線性模型下的磁路曲線如圖2-4所示， i圖2-4非線性模型磁鏈曲線Fig 2-4 The curve of flux linkage vs current at non-linear model4、查表法此種方法是把開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)已知的磁鏈特性（i , ）（磁鏈

56、特性通過(guò)實(shí)測(cè)或者計(jì)算所得）、轉(zhuǎn)矩特性 T (i , 以及建模時(shí)所需的各種數(shù)據(jù)均以表格的形式寫(xiě)入計(jì)算機(jī)控制軟件中，然后利用查表法求解模型。此種方法的缺點(diǎn)是前期準(zhǔn)備工作量大，優(yōu)點(diǎn)是較為直接、準(zhǔn)確的反應(yīng)SR 電動(dòng)機(jī)特性，求解也較為方便，可用于SRD 靜、動(dòng)態(tài)分析，對(duì) 于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的高性能控制具有重要意義。2.3 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)線性化基本分析1開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)由于其特殊的結(jié)構(gòu)，使得電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系十分復(fù)雜，為了弄 清楚電機(jī)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系和基本特征，應(yīng)該找到一種既簡(jiǎn)單又實(shí)用的方法。在這 里可以通過(guò)簡(jiǎn)化的線性數(shù)學(xué)模型的方法，也即理想的線性模型進(jìn)行研究。在研究理想 線性數(shù)學(xué)模型之前先做如下假設(shè)：1、不計(jì)電動(dòng)機(jī)磁路飽和的影響；2、假定相繞組的電感