1、.本科畢業設計（論文基于簡化磁鏈法的開關磁阻電機無位置傳感器速度控制：畢業設計（論文）任務書學院：電氣工程學院 系級教學單位：電氣工程及其自動化 學號0學生姓名專 業班 級題目題目名稱基于簡化磁鏈法的開關磁阻電機無位置傳感器速度控制題目性質1.理工類：工程設計 （ ）；工程技術實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）2.管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術類（ ）題目類型1.畢業設計（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產實際（ ）自選題目（ ） 主要內容開關磁阻電機（SRM）的定轉子磁極都為凸極形狀，且只在定子磁極上繞有集中線圈，而轉子磁極既無纏繞線

2、圈，又不是永磁鐵。因此與其它電機相比，具有結構簡單、牢固、轉矩慣性比高和調速范圍寬等優點，現已廣泛應用于航空、牽引和家用電器等領域。對于開關磁阻電機，實時而準確的轉子位置信息是其可靠運行的必要前提。簡化磁鏈法只需得到換相位置處的磁鏈電流曲線，因此所需內存小，算法簡單。將利用MATLAB軟件搭建基于簡化磁鏈法的開關磁阻電機無位置傳感器速度控制系統，并求取數據和分析。基本要求1.了解和掌握開關磁阻電機的結構、數學模型和控制原理。2.了解和掌握開關磁阻電機速度控制系統的構成和各個環節以及設計方法。3.了解和掌握通過簡化磁鏈法實現無位置傳感器速度控制的方法。4.利用MATLAB對開關磁阻電機控制系統進

3、行仿真，并取得數據。5.撰寫論文1本（不少于2萬字、字跡工整、語言流暢、圖表規范），標準A0圖紙一張。參考資料電機學開關磁阻電機相關書籍MATLAB編程手冊電力電子技術周 次第 1 4 周第 5 8 周第 9 12 周第13 16周第17 18 周應完成的內容查閱資料，學習理論知識。了解題目概況、工作原理及系統組成了解和設計開關磁阻電機控制系統。了解和掌握簡化磁鏈法。利用MATLAB軟件對開關磁阻電機控制系統進行仿真和分析進行基于簡化磁鏈法的開關磁阻電機無位置傳感器速度控制系統仿真整理仿真數據，并撰寫論文指導教師：孫孝峰職稱：教授 2009 年3月 1 日系級教學單位審批： 年 月 日摘要開關

4、磁阻電機作為一種電動調速系統具有很多優越與其他電機的特點，結構簡單堅固，成本低，高容錯性能及高速運行的能力，目前廣泛應用于汽車和汗孔領域，作為電動機本身，起動性能是一個關鍵技術，另外位置傳感器的存在是使得電機結構復雜和可靠性降低，因此本文主要對開關磁阻電機的運動性能及無位置間接檢測的簡化磁鏈法的一系列研究。首先：系統分析了開關磁阻電機的基本原理，分別從線性和非線性兩方面對電機的電感、磁鏈、轉矩、電流等數學模型進行了分析，并基于MATLAB，利用單脈沖控制（APC）方法對電機本體進行了穩態仿真。其次：對基于單脈沖控制電機本體仿真基礎上加以電流斬波控制，形成電流環，并對處于穩態的運行進行動態仿真。

5、再則：通過計算輸出的平均轉矩以求得轉速測定，從而形成轉速外環，通過PI調節來實現電機的穩態運行，并對該調節運行過程進行了M文件的仿真。最后：加入磁鏈的計算和比較實現基于簡化磁鏈法德電機的三相自動換相，并加入濾波環節，以使仿真波形輸出平緩波形。關鍵詞開關磁阻電機， 仿真， 電流斬波控制， 簡化磁鏈，速度閉環無位置傳感器AbstractSwitched reluctance motor as an electric speed control system has many advantages and other electrical characteristics, simple struct

6、ure, robust, low cost, high fault tolerance and high-speed operation capability, are widely used in the field of automotive and Aviation, as the motor itself, starting performance is a key technology, the existence of another position sensor makes the motor complex and reduces reliability, so this p

7、aper, the movement of the switched reluctance motor without position indirect detection performance and simplified method of a series of flux.First of all: systematically analyzed the basic principles of switched reluctance motor, respectively, from both linear and nonlinear inductance of the motor,

8、 flux, torque, current and other mathematical models are analyzed, and based on MATLAB, using single-pulse control (APC) method of the motor body to the steady-state simulation.Second: Ontology-based simulation based on the motor to be chopped current control, current loop formation, and the steady-

9、state operation in the dynamic simulation.Furthermore: by calculating the average torque output measured in order to achieve speed to form the outer ring speed, motor through the PI regulator to achieve steady-state operation, and the adjustment process of the M files to run the simulation.Finally:

10、Add the calculation of flux and control the motor three-phase automatic commutation, and add filter links, in order to smooth the waveform output simulation waveform.Keywords switched reluctance motor, simulation, chopped current control，simplified flux,closed loop speed,indirectposition sensor 目 錄摘

11、要IAbstractII第1章 緒論11.1 開關磁阻電機研究背景11.1.1 開關磁阻電機概述11.1.2 開關磁阻電機的發展21.1.3 選題依據和意義41.2 SRM國內外研究動態51.3研究內容5第2章 基于簡化磁鏈法的SRM控制系統的理論分析72.1 SRM控制系統結構72.2 SRM的數學模型82.2.1 SRM線性模型82.2.2 SRM的基本運行方程132.3 簡化磁鏈法理論152.3.1 磁鏈法的基本理論152.3.2 簡化磁鏈法發展及理論思想172.4 基于簡化磁鏈法的SRM系統總體結構18第3章Matlab仿真結果及分析233.1 SR電機的角度位置控制本體仿真233.2

12、 SRM電流斬波控制系統仿真243.2.1 SRM電流斬波控制及平均轉矩計算仿真243.2.2 基于簡化磁鏈法的SRM電流斬波控制開環仿真273.3 基于簡化磁鏈法的速度電流雙閉環仿真29結 論33參考文獻34致 謝36附錄137附錄243附錄348附錄455附錄569第1章 緒論1.1 開關磁阻電機研究背景1.1.1 開關磁阻電機概述開關磁阻電動機結構簡單、可靠性高、恒轉矩、恒功率而且調速性能好(覆蓋功率范圍10W5MW的各種高、低速驅動調速系統)、價格便宜、魯棒性好等優點引起了各國電氣傳動界的廣泛重視，由其構成的調速系統兼有直流傳動和普通交流傳動的優點，是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速

13、系統的最新一代無級調速系統。這種新型調速系統使開關磁阻電機存在許多潛在的領域，在各種需要調速和高效率的場合均能得到廣泛使用?！?】開關磁組電機調速系統之所以能在現代調速系統中異軍突起，主要是因為它卓越的系統性能，主要表現在：(1) 電動機結構簡單、成本低、可用于高速運轉。(2)功率電路簡單可靠。(3)系統可靠性高。(4)起動轉矩大，起動電流低。典型產品的數據是：起動電流為額定電流的15時，獲得起動轉矩為100的額定轉矩；起動電流為額定電流的30時，起動轉矩叮達其額定轉矩的250。(5)適用于頻繁起停及正反向轉換運行。(6)可控參數多，調速性能好。控制開關磁阻電動機的主要運行參數和常用方法至少有

14、四種：相導通角、相關斷角、相電流幅值、相繞組電壓。(7)效率高，損耗小。以3kw SRD為例，其系統效率在很寬范圍內都是在87以上，這是其它一些調速系統不容易達到的。(8)可通過機和電的統一協調設計滿足各種特殊使用要求?！?】開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)一詞來源于美國學者SANasarl969年撰寫的論文，文中描述了這種電機的兩個基本特征：開關性和磁阻性。1967年英國Leeds大學開始對SR電機進行深入研究，到了1970年左右，其研究表明：SR電機可在單相電流下四象限運行，功率變換器無論是用晶體管還是用普通晶閘管所需的開關數都是最少的，電動機成本

15、明顯低于同容量的異步電動機。1975年英國Nottingham大學和Leeds大學的聯合研究小組成功地研制出一套用于電動汽車地50kw的SRD裝置，這充分表明SRD大有前途。1980年，Leeds大學的Lawrenson教授及其同事們總結了他們的研究成果，發表了著名論文“Variable speed switched reluctance motors”，標志著SRM正式得到了國際學術界的承認。1983年，英國TASCDrives公司將世界上第一臺SR電動機Oulton傳動裝置(75KW，1500rmin)作為商品投入市場，1984年又推出了4-22kw四個規格的系列產品。作為一種性能價格比高

16、的新型調速系統，SRD問世不久，便引起各國電工界重視。我國于1984年左右以較高起點開始SRD的研究開發工作，已研制出50W50KW的20多個規格SRD，國內有關SRD研究的學術著作也相繼出版。目前SRD的發展范圍已經達到：轉矩為0.0110N·m，功率為10W5MW，最高轉速可達100000rmin，規格已從多相發展到單相、兩相，電機形式亦從旋轉型發展到了直線型。SRD的應用領域已從最初側重于牽引運輸發展到通用工業、航空工業和家用電器等多個領域。【3】我國于1984年左右也以較高的起點開始SRD的研究、開發工作，1992年初成立了中國電工技術學會中小型電機專業委員會下設的開關磁阻電

17、機學組，以推動開關磁阻電機研究工作的進一步發展。1.1.2 開關磁阻電機的發展從開關磁阻電機問世到現在，開關磁阻電機的研究工作取得了卓越的發展。(1)SRM設計方面的發展在SR電動機設汁方面，各國學者主要針對SR電動機內部磁場的非線性及由非線性開關電源供電、相電流波形難以解析等有別于傳統電動機的特點，探索SR電動機電磁轉矩的分析與計算方法。上世紀80年代初，趨于成熟的二維非線性有限元法，有力地支持了SR電動機內部飽和磁場的分析及電磁轉矩的準確計算和動態仿真。(2)應用方面的發展經過數十年的發展，SRM已經在眾多領域達到成功的開發應用。SRM產品的問世是以英國TASC公司推出的OULTON系列通

18、用調速電動機為起點的。既然是通用系列，就有廣闊的適用性，例如在紡織、染整、食品機械、鼓風機、機床及自動生產線傳動等行業應用。SRM的控制特性好，動態控制性能優良，轉矩慣量比大，因此可以做成伺服電動機和智能驅動應用，如HP公司的繪圖機。結構簡單、性價比高是家用電器驅動得到優選的重要原因。如果洗衣機采用SRM直接驅動，可簡化結構、提高性能。美國EMERSON公司以及紡織總會機電研究所、揚州巾凌電機技術公司都研制成功滾動式洗衣機的SR電機直驅系統。韓國LG公司生產的SR小型風機也可以在家電裝置中應用?；赟RM的高速適應性，在吸塵器、地板磨光機等家電中應用的成果也有所見。SRM在發電工作時輸出脈沖電

19、流，若配以儲能元件如蓄電池或電容，可以作為直流電源應用，如小型風力發電機、汽車發電機及航空發電機應用。尤其足SR電動機起動性能好，電動發電雙功能可控性好、實現容易，因此在直流電源體制下作汽車和飛機的起動發電機有獨特的優越性，SUNDSTRAND公司（美國）的80KW SRM起動發電機將在笫四代戰斗機中應用。(3)功率變換器設計方面的發展功率變換器設計的主要問題是功率器件的選擇和電流定額的估算。上世紀80年代初，主開關器件選用的皆為普通晶閘管。鑒于SRD電流脈沖峰值較大，而普通晶閘管電流峰值平均電流的比值高，能承受很大的浪涌電流，一度被視為SRD中最理想的主開關器件。但是普通晶閘管無自關斷能力，

20、開關頻率低，強迫換相電路成本高、可靠性差，構成的SRD總體性能有局限性。后來，較多應用的大功率晶體管(GTR)。但GTR承受浪涌電流的能力差，存在二次擊穿現象，不易保護。【4】上世紀80年代中期，結合了普通晶閘管、GTR兩者優點的可關斷晶閘管(GTO)受到重視，因為GTO兼有自關斷和快速開關的能力，能承受較GTR高的電流、電壓。近年來，考慮到GTO頻繁關斷時要求相當大的反向控制電流，關斷控制實現有難度，國外小功率SRD中常采用MOS場效應晶體管(MOSPET)，較大功率的則采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。(4)控制策略方面的發展角度位置控制(APC)和電流斬波控制(CCC)是在SRD中常見

21、的控制策略。這兩種控制策略都沒考慮電機的非線性特性和相間轉矩的平滑過渡問題，電機的輸出轉矩存在較大脈動，使驅動系統無法適應性能要求較高的場合。為改善系統性能，國內外學者對SRD的控制策略進行了深入的研究，主要表現為非線性控制方法的引入、采用新的方法對轉矩進行控制以及基于人工智能的運動控制技術的應用。1.1.3 選題依據和意義雖然開關磁阻電機所具有的特點也被人們所認同，但是由于現今的開關磁阻電動機系統都采用傳感器獲得轉子位置從而實現各相的導通，這種方法當開關磁阻電機的相數增加的時候，所需的傳感器也會隨之增加，從而使系統的電路和機械結構復雜，增加了系統的調試和安裝的難度，也增加了系統的體積和費用。

22、并且隨著傳感器的增加系統的整體精度和可靠性也會有相應的降低，最終導致其適用范圍受限。相應而生的無位置傳感器實現位置傳感器的功能的同時也減小了開關磁阻電機的應用限制。也正由于無位置傳感器是通過計算來實現位置的檢測，所以很直接的在運行過程中需要很大的內存來實現位置的計算過程，這也限制了無位置傳感器的應用。而基于簡化磁鏈法開關磁阻電機無位置傳感器的速度控制的研究，正是基于此而發展的必然方向，它通過磁鏈的計算與查二維表與參考磁鏈比較確定是否已到達換相點來代替轉子位子的測定，所需內存小，計算快速，從而自然的解決了在相數增加時由于傳感器增加引起的一系列問題以及無位置傳感器所需內存大限制其應用的問題，這將大

23、大的擴大開關磁阻調速系統的適用范圍以及很大程度上提高開關磁阻調速系統的工作性能，對開關磁阻的進一步的發展有至關重要的意義。1.2 SRM國內外研究動態對于開關磁阻電機驅動系統而言，實時而準確的轉子位置信息是其可靠運行的必要前提。目前實際應用中，一般都采用軸位置傳感器或者其它類型的探測式位置檢測器來獲得位置信息，這不僅會提高系統成本和復雜程度，更重要的是會降低SRD系統結構的堅固性，影晌整個系統的可靠運行，尤其是在某些應用環境比較惡劣的場合。因此如何讓它去掉位置檢測，直接利用電機的電壓和電流信息間接確定轉子位置，從而使系統結構更加堅固，運行更加可靠、高效，成本更加低廉，無疑成為一個很有潛力的研究

24、方向。【5】目前關于SRM的間接位置檢測，國內外專家學者提出了許多方案，大致可以分為兩大類：有效電流定位法(Non-intrusive methods)和脈沖注入法(intrusive methods or Active Probing Methods)?！?】前者不需任何人為產生的電壓電流信息，直接以電機運行時的電流電壓信息為基礎，根據電機的實際模型或特性曲線得到位置信息，例如磁鏈法、感應電勢法、電流變化法和基于模型的觀測器法。后者則充分利用空閑相，人為地注入低幅高頻的模擬測試信號從而產生需要的電流等信息以得到位置信息，例如電流波形監視法、信號調制編碼法和磁通傳感技術都屬于這一類。而本課題所

25、研究的基于簡化磁鏈法的無位置傳感器的速度控制則是屬于有效電流定位法中的一種。1.3研究內容本文研究的內容主要有四個部分：第一部分：開關磁阻電機的基本理論。第二部分：開關磁阻電機的間接位置檢測方法的研究。第三部分：對RSM的基于Matlab的仿真。第四部分：對仿真結果的分析。第一部分內容中具體有以下幾方面研究：1. 分析開關磁阻電機運行的基本數學模型2. 開關磁阻電機線性分析3. 開關磁阻電機非線性電感磁鏈轉矩等的分析 第二部分有以下幾方面內容：1. 間接位置檢測法的探討：磁鏈法，簡化磁鏈法2. 簡化磁鏈法與位置傳感器之間的差別，及優缺點第三部分有以下幾方面：1. 基于電機本體的加電流環的非線性

26、穩態仿真2. 以上加求平均轉矩的非線性穩態仿真3. 加速度閉環PI調節的非線性動態仿真4. 通過磁鏈控制自動換相的轉速電流雙閉環非線性動態仿真第四部分有以下幾方面1. 仿真結果與理想波形之間差距如何，驗證自己的研究結果2. 如有出入分析出現錯誤的原因第2章 基于簡化磁鏈法的SRM控制系統的理論分析2.1 SRM控制系統結構上世紀70年代末80年代初，英國Leeds大學和Nottingham大學深入研究了開關磁阻電動機的基本原理、計算方法和運行特性，為開關磁阻電動機的迅速發展奠定了基礎。SRM是雙凸極可變磁阻電機，其定轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組

27、，徑向相對的兩個繞組串聯構成一個兩極磁極，稱為“一相”。SRM可以設計成各種不同相數的結構，且定、轉子的極數有各種不同的搭配，低于三相的SRM沒有自起動能力。SRM相數多時，步距角就小，有利于減小轉矩脈動，但結構復雜，主開關器件多，成本高。圖2.1【6】所示為三相128極SR電機結構簡圖，圖中SR電機定轉子均由圖2.1 12/8極電機結構圖硅鋼片疊壓而成，轉子無繞組也無永磁體，定子繞有集中繞組，徑向相對極的繞組串聯，構成一組，由圖中可以看出每相由四極繞組相串聯構成。轉子轉動時各相導通次序為ACB(順時針)或ABCA(逆時針)，不斷循環，為轉子提供轉動方向的動力。SR電機的旋轉方向與勵磁電流的J

28、下負方向無關，只與相的導通次序有關。SRM的運行原理遵循“磁阻最小化原理”磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。當定子的某相通以激勵電流時，在定、轉子氣隙間產生磁拉力，距離該相定子極最近的一對轉子極就被I吸引而向著定子極中心線的方向轉動。如果連續順序地給各相定子繞組通電，就可以產生持續恒定的電磁轉矩，從而使轉子以恒定的轉速旋轉。【7】2.2 SRM的數學模型SRM的數學模型，通常有以下三種方法：線性模型、準線性模型和非線性模型。線性模型忽略了電動機飽和及此產邊緣擴散效應的影響，認為繞組電感與電流大小無關。準線性模型將磁化曲

29、線分段線性化，近似考慮定轉子齒極重疊飽時的飽和。以上兩種模型，電感參數、電流和轉矩都有解析表達式，一般用于定性分析。事實上，由于電機雙凸極結構和磁路飽和、渦流和磁滯效應所產生的非線性，很難用解析方法對其建立數學模型，即使是在線性區域這個最簡單的情況下，電磁轉矩也不是電流線性函數，所以要準確分析SR電機的性能，對穩態運行特性進行仿真，必須采用非線性的分析方法對SR電機的電感、磁鏈、轉矩、平均轉矩模型進行了分析，并就線性模型進行了動態仿真。2.2.1 SRM線性模型電感線性分析由于開關磁阻電動機的電磁轉矩是磁阻性質的，又是雙凸極結構，其磁路是非線性的，加上運行時的開關性和可控性，使電動機內部的電磁

30、關系十分復雜。為弄清電機內部的基本電磁關系，有必要從簡化的線性模型，也就是理想線性模型開始進行分析研究，所得到的相繞組電感隨轉子位置角周期性變化的規律可用圖2.2說明。其中，基準點即坐標原點=O的位置為不對齊位置或最小電感位置；為臨界重疊位置； 為定子勵磁剛好與轉子磁極完全重疊位置(假設轉子磁極寬度大于或等于定子磁極寬度)：此時電感達到最大Lmax；至之間是電感上升區間，為定子勵磁極與轉子磁極l臨界脫離完全重疊的位置；和的區域正好是轉子和定子極弧差，即-=-；定轉子磁極保持全部重疊，相應的定轉子凸極間磁阻恒為最小值，相電感保持在最大值Lmax；從相電感開始線性地下降，為定子勵磁極后極邊與轉子極

31、后極邊臨界相離的位置，至為電感下降區，到電感降為最小值。接著是下一個周期，如此往返循環圖2.2定轉子相對位置展開圖及繞組電感L與轉子位移角的關系開關磁阻電機基于線性模型的繞組電感的分段線性解析式為： （2-1）電磁轉矩分析根據能量守恒定律，在不考慮電路中電阻損耗、鐵芯損耗和轉予旋轉產生機械損耗的情況下，繞組輸入的電能應等于結構中磁儲能與輸出機械能之和，即為d=d+d （2-2）如果把電壓U和感應電勢e的參考方向選得一致，根據電磁感應定律，繞組電路的電壓方程為 （2-3）繞組輸入的電能可由其端電壓、端電流計算，即為 (2-4)將式(2-3)代入式(2-4)，得 (2-5)機械能可由電磁轉矩T和角

32、位移計算，即為 (2-6)將式(2-5)和式(2-6)代入式(2-2)，則得 (2-7)式(2-7)表明，對無損系統，磁儲能是由獨立變量和表示的狀態變量，磁儲能由和所決定。當為恒定值時，由式（2-7）得到一般轉矩計算式為 （2-8）在考慮轉子處于任意位置時的電磁轉矩時，可以假設轉子無機械轉動，則有式（2-2）得 （2-9）將（2-5）代入到（2-9）得 （2-10）設磁路中無磁滯損耗，再假設磁路為線性磁路(這在氣隙不太小，磁路不太飽和時近似成立)，則磁鏈可由電感L表示為 （2-11）將式（2-11）代入式（2-10）中得到磁儲能計算式 （2-12）將式（2-12）代入式（2-8）中得 （2-1

33、3）由以上分析可得到如下結論(1)電動機的電磁轉矩是由轉子轉動時氣隙磁導變化產生的，當磁導對轉角的變化率大時，轉矩也大。(2)電磁轉矩的大小同繞組電流的平方成正比，即使考慮到電流增大后鐵芯飽和的影響，轉矩不再與電流平方成正比，但仍隨電流的增大而增大，因此可以通過增大電流有效地增大轉矩，并且可以通過控制繞組電流得到恒轉矩輸出的特性。(3)轉矩的方向與繞組電流的方向無關，只要在電感曲線的上升段通入繞組電流就會產生正向電磁轉矩，而在電感曲線的下降段通入繞組電流則會產生反向的電磁轉矩。繞組電流的分析當開關磁阻電機由恒壓直流電源Us供電時，在繞組電感僅是轉子位置的線性函數的假設和忽略繞組電阻影響的情況下

34、，由式(2-1)得 （2-14）將式（2-11）代入上式得 （2-15）1）在0到區段，將i（為開始導通角代入式（2-14）中，解得 （2-16）式(216)表明，電流在最小電感恒值區域內是直線上升的，這是因為該區域內電感恒為最小值，且無旋轉電動勢，因此開關磁阻電動機相電流可在該區域內迅速建立。2)在到區段(為關斷角)，將上述結果作為該區段的初值條件，把式(2-1)代入式(2-15)，得 （2-17）3)在到區段，繞組電流為 （2-18）4)在到區段，繞組電流為 （2-19）5)在到區段，繞組電流為 （2-20）顯然，當時，相電流已衰減至零。這些分段電流函數可以用下面的通式統一描述，即 （2-

35、21）由上式可知，繞組電流與外加電源電壓、角速度、開通角、關斷角、最大電感、最小電感、定子極弧等有關。對結構一定的電動機，在和不變的情況下，繞組電流隨外加電壓的增大而增大，隨轉速的升高而減??；通過調整開關角和關斷角也可以影響繞組電流，從而就間接地使電動機的電磁轉矩增大。2.2.2 SRM的基本運行方程SRM運行理論與其他電磁式機電裝置運行理論沒有本質的區別，也可以視為一對電端口和一對機械端口的二端口裝置。這種機電系統動態過程的微分方程由電路方程、機械方程、機電聯系方程三部分組成。電路方程由電路基本定律列寫包括SRM各相回路在內的電氣主回路電壓平衡方程式，電動機的每一相需要一個方程式，電動機的第

36、七相電壓平衡方程式為 （2-22）上式中，U為加于第k相繞組的電壓；為第k相繞組的電阻；第k相繞組的電流；為第k相得繞組的磁鏈；一般來說，磁鏈為繞組電流和轉子位置角的函數：=（，） （2-23）電機的磁鏈可用電感和電流的成績表示： （2-24）上式中，每相相電感是相電流和轉子位置角的函數，這是SR電機磁路非線性特性的緣故，而電感隨轉子位置角變化正是SR電機的特點，是產生磁力矩的先決條件。把(2-3)式代入(21)式中得： （2-25） （2-26）上式表明，電源電壓和電路中三部分電壓降相平衡。等式右端第一項為第k相回路中的電阻壓降，第二項為電流變化引起磁鏈變化而感應的電動勢，稱為變壓器電動勢，

37、第三項是由轉子位置改變引起繞組中磁鏈變化而感應的電動勢，稱為運動電動勢，它與電磁機械能量轉化有直接關系。機械運動方程按照力學定律可列出電動機轉子在電磁轉矩和負載轉矩作用下的機械運動方程，如(2-6)式，其中，J、B、Tl分別為轉動慣量、粘滯系數及負載轉矩 （2-27）轉速計算方程控制直流電機的轉速需要調節其外施加電壓或勵磁電流，而控制感應電機的轉速則需調節電源的頻率。與其它電機一樣，開關磁阻電機也有其自己的控制方法。這里仍然針對開關磁阻電機的線性模型來加以討論，對其轉速控制特性加以定性分析。將上面得到的式（2-21）表示的繞組電流代入式（2-16）中，得到 （2-28）由此進一步得到： （2-

38、29）其中 從式（2-29）中可以看出，有兩種控制方法：1）改變外施電壓；2）改變與開關角有關的參數F，F是代表電動機結構參數（如繞組電感和定子極弧等）和控制參數（如開通角、關斷角）的函數。若與開關角有關的參數F不變，則正比于改變其外施電壓就會改變電機轉速。2.3 簡化磁鏈法理論2.3.1 磁鏈法的基本理論利用位置傳感器直接檢測即增加了系統的復雜性又給安裝調試帶來不便，這也是SRM調速系統諸多性能優于直流電機的調速系統，變頻調速系統之外的一點遜色之處，從而促使國內外許多學者開始研究無位置傳感器檢測方案。無位置傳感器檢測是指利用SRM的某些電氣參數是轉子位置的函數的函數關系來解算轉子位置信息的方

39、法，它與基于位置傳感器的檢測技術相比有如下的一些特點：機械結構簡單、抗環境干擾能力強、可靠性高；目前國內外主要有以下幾種方法：一是利用電流-電感-位置之間關系檢測；二是根據相磁鏈-轉子位置關系和電流-轉子位置關系；三是狀態觀測器法；四是頻率調制法；五是改變電機的機構等方法?！?】這里限于篇幅沒有就每種方法進行具體闡述。在本課題研究中對簡化磁鏈法方法進行了初步的研究和仿真，該節先具體闡述了簡化磁鏈法的基本原理，然后對基于此方法對簡化磁鏈法的仿真。此方法的基本思想是利用磁鏈電流位置三者之間的關系來檢測轉子的位置，下面我們就具體分析其方法的基本原理。由本章開關磁阻電機的基本原理的分析知道開關磁阻電機

40、的一相電壓方程為： （3.1） 由式（3.1）解出一相繞組磁鏈表達式為： （3.2）從以上數學模型可以看出如果已知從時刻零開始到時刻t間每一時刻的電壓u和電流i以及時刻0的初始值(0)，就可以積分算出繞組當前時刻t的實際磁鏈，我們一般稱為估算磁鏈。如果忽略繞組互感的影響，則一相繞組磁鏈與該相繞組的電流、轉子位置的關系為： （3.3） （3.4）式（3.1）表明轉子位置為繞組磁鏈和繞組電流i的函數，并且可以證明其為單值函數。如果已知當前時刻t的繞組磁鏈和繞組電流，則可以知道轉子位置角。由于開關磁阻電機的凸極效應，不同的轉子位置對應著不同的磁鏈電流曲線，如果能夠測得如圖2.3【9】轉子位置的磁鏈電

41、流曲線簇，就能建立1個電流、磁鏈、位置的三維表并存儲在內存中，那么計算每一時刻的繞組磁鏈，將計算得到的磁鏈值與當前的繞組采樣電流一起查表可得到當前轉子位置。圖2.3 磁鏈電流曲線2.3.2 簡化磁鏈法發展及理論思想最初簡化磁鏈法前面在第一章緒論中已經提及最初的磁鏈法有以下幾個不足：（1）由于要建立并查找一個電流、磁鏈、位置的三維表，因此算法復雜，計算時間長。（2）三維表的建立將局限在離線實驗的基礎上，故使獲得三維表的工作量很大而且無法靈活的是實際運行工況的不同而進行修正。（3）三維表的存儲將占用大量內存。為提高算法的實時性和適用的速度范圍 ，并減少所需內存，一種電機單相輪流導通且在電流控制的條

42、件下提出了一種簡化的磁鏈法?！?0】簡化磁鏈法的基本思想在電機單輪流相導通時，并不需要轉子每一位置的信息，只要能夠判斷是否已達到換相位置，因此轉子位置檢測就可以簡化為換相位置的檢測。換言之，只需將對應當前電流的換相位置磁鏈（稱之為參考磁鏈）與積分計算得到的估算磁鏈相比較，如果前者大于后者，則認為換相位置還未到達，繼續導通當前相，反之則認為換相位置已到，關斷當前相，導通下一相，這就是簡化磁鏈法的基本思想。參考磁鏈的確定由于換相位置一般都靠近電感最大位置，而且磁鏈電流曲線形狀類似，因此算法中只測試存儲最大電感位置的磁鏈電流曲線，首先從當前電流查到對應電感位置的參考磁鏈，然后再乘以一個小于1的系數k

43、來得到對應換相位置的參考磁鏈值。因此該算法只需要檢測并存儲最大電感位置的磁鏈電流曲線，然后查尋二維表，所需內存小，算法簡單快速，但測試結果不是分準確，有一定波動。磁鏈計算的基本算法磁鏈的計算采用離散化方式，由電流和電壓傳感器實時采樣來的電流和電壓通過A/D轉換離散，分別計算個采樣點的實時磁鏈值。式（3.2）中的（0）為常數，一般初始位置為0，相電流i和相電壓u實時采樣，為計算方便將式（3.2）離散化得： （3.5）有上式可得： （3.6）k為采樣點（k=1.N），T為采樣時間，（k-1）為上一次采樣時刻計算得磁鏈，（k）為當前采樣時刻的磁鏈，從而可以算出各點磁鏈。換相位置的確定可設較為理想的開

44、通角和關斷角分別為和，則根據磁鏈的特性可設在相電流i處的對應磁鏈分別為： （3.7） （3.8）為平衡位置的磁鏈方程，其函數即為由參考電流及開通角和關斷角的擬合函數，則為一個小于零的系數。因為本課題所研究的是基于簡化磁鏈的速度控制，所以有在上一相關時也是下一相的開通時刻，所以每相的角度確定只需要計算關斷角即可。在下一章中將對SRM系統各環節進行仿真，在仿真過程中其中得到在一定參數下，關斷角選在36度處仿真結果較為理想，所以可取在該角度下的電流磁鏈以為表作為的取值范圍，然后通過與之比較，則可以確定換相角的位置。2.4 基于簡化磁鏈法的SRM系統總體結構SRM調速系統從功能上講是由雙凸極電機，功率

45、變換電路，位置檢測器和控制調節單元組成。SRM的基本工作原理是：根據給定的轉速和機械負載情況，控制器通過一定的算法給出相應的控制電流，根據位置檢測器提供的轉子位置信號實時地給出定子線圈的換相信號，使電機有序地運轉，調速系統是一個閉環系統，需要實時根據時機轉速進行電流大小的計算和調整，以保證電機轉速的穩定。SRM是實現機電能量轉換的部件，功率變換器向SRM提供運行所需要的能量，一般由蓄電池或者交流電整流得到的整流電供電。由前面所述，SRM電流是單相的，所以功率變換器主電路結構簡單，而且不存在短路故障，SRM功率變換器主電路的結構類型與供電電壓、電動機相數以及主開關器件的種類有關。如圖2.4所示為

46、基于簡化磁鏈法的SRM系統結構方框圖，由圖可知在基于簡化磁鏈的SRM調速系統是通過從SRM中引回相電流相電壓并通過積分計算得到估算磁鏈并與參考磁鏈比較得到控制信號，并通過對功率變換器中開關的控制來實現對系統的控制。本節在接下來的內容中將介紹SRM調速系統的各個功能塊的組成和內容。圖2.4基于簡化磁鏈的RSD系統的結構框圖功率變換器用于開關磁阻電機調速系統的功率變換電路主要有以下幾種：（1）不對稱半橋式；（2）雙繞組功率變換器；（3）采用分列式直流電源的功率變換器；（4）再生式功率變換器；（5）電容轉儲式和（6）H橋式等?！?1】如圖2.5所示為為不對稱半橋線路作為主電路結構的開關詞組電動機調速

47、系統的功率變換器，每相有兩個主開關器件，從圖中可以看出，采用不對稱半橋線路作為主電路的功率變換器具有以下特點：有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流；相控獨立性好，對開關磁阻電動機相數沒有限制；并且適合在高壓、大功率場合下。對于本課題研究的12/8極開關磁阻電機，與其他功率電路相比，不對稱半橋式電路更適合于此應用，能夠實現高的電源利用率和良好的相控獨立性。圖2.5不對稱橋式線路（三相）SRM系統控制策略開關磁阻電機轉子上沒有繞組，只有定予繞組。SRM調速系統的控制參數主要有開通角、關斷角、主電路電壓以及相電流等，因此它的控制策略也就是針對這幾個參數的調節以達到運行要求。根據改變控制參數的不同方

48、式，目前SRM主要有3種控制模式，即角度位置控制(Angular Position Control，簡稱APC)、電流靳波控制(Current Chopping Control，簡稱CCC)與電壓PWM控制(Voltage PWM Control，簡稱VC PWM)。其中，APC是電壓保持不變，通過改變開通角和關斷角調節電機轉速，適于電機較高速區，但是對于每一個由轉速與轉矩確定的運行點，開通角與關斷角有多種組合，每一種組合對應不同的性能，具體操作較復雜，且很難得到滿意的性能；CCC一般應用于電機低速區，是為限制電流超過功率開關元件和電機允許的最大電流而采取的方法，CCC實際上是調節電壓的有效利

49、用值，與APC類似，它也可以隨轉速、負載要求調節開關角；VC是在固定的開關角條件下，通過調節繞組電壓控制電機轉速，它分直流側PWM斬波調壓、相開關斬波調壓與無斬波調壓，而無斬波調壓是通過調節整流電壓以響應電機轉速要求，在整個速度范圍內只有一個運行模式，即單脈沖方式?！?2】（1）角度位置控制在電機高速運行的時候，旋轉電動勢比較大，而且各相主開關器件導通時間比較短，因此相電流比較小，不適合用電流斬波控制方法。此時便可通過調節開通角和關斷角來實現轉速和轉矩的調節。由式2-13可以知道在電感上升階段，電流就可以產生正向的轉矩，所以只要選擇適當的開通叫和關斷角就可以很好的實現。圖2.6所示分別為調節開

50、通角和調節關斷角開通電流隨時間的變化，左圖為關斷角固定，調節開通角的電流變化，右圖為固定開通角，調節關斷角的電流變化，其中縱坐標為電流，橫坐標為轉子位置角。由圖2.6【13】可以知道，調節關斷角相電流幅值改比較明顯，所以在角度位置控制方法中應該優先確定關斷角，然后閉環調節開通角，這樣調節角度就不會出現很大的波動。 （a）調節開通角 (b)調節關斷角圖2.6角度位置控制在第三章中的電機本體仿真中，其仿真是電機在額定轉速下的恒速仿真，所以是在告訴的環境下的系統控制，所以在這個仿真中應該采用角度位置控制（APC）（2）電流斬波控制（CCC）當電動機在啟動或者是低速運行時，定子繞組中的反電勢較小，可能

51、就會產生較大的沖擊電流，造成過電流現象，所以此時需要有電流斬波的方式來限制電流的幅值（即給定一個參考電流）。在某相導通區間內當相電流大于參考電流一定值時使得開關關斷，而當相電流小于參考電流一定值時，從新開通開關，從而使得電流在參考電流附近來回的波動（如圖2.7所示，參考電流為1.2A），而不至于產生過大的沖擊電流。 圖3.5開關磁阻電機三相相電流斬波波形由上面所述電流斬波方式的特點，因為在下一章中的速度反饋的系統控制仿真中轉速是從0開始往額定轉速的調節過程，所以我選用電流斬波方式作為速度調節中的控制方式，這樣可以避免在啟動過程中出現較大的沖擊電流，實現電機的平穩啟動。在調速過程中較為理想的控制

52、方式應該是啟動過程中采用電流斬波控制方式，當速度達到一定值時，轉變為角度控制，應為在轉速達到一定值后電流斬波控制下的相電流的值一般都較小，不利于電機的快速達到額定轉速，影響電機整體運行效果。但是由于時間和知識上的局限性，在后面的速度反饋仿真中僅以照顧啟動階段，在整個仿真過程中只采用電流斬波控制一種控制方式，不采用在一定轉速后轉為角度位置控制的方式。第3章Matlab仿真結果及分析基于第二章對開關磁阻電機的線性數學模型的分析，以下由編程實現對RS電機在穩態轉速下進行仿真，其樣機仿真參數分別取如下表3-1所示：表3-1樣機仿真參數設定定子齒極數12穩定轉速1200n/min最大電感0.12H電阻3

53、0轉子齒極數8給定電壓310V最小電感0.03H參考電流1.2A負載轉矩0.5轉動慣量J0.001N·m·/rad以下的仿真中，所用到的固定開通角均為26°，固定關斷角均為36°。3.1 SR電機的角度位置控制本體仿真基于前面理論知識的，在這用MATLAB對3相SRD線性動態模型進行編程，對電機在角度控制（APC）控制的方式下進行仿真，得出一些仿真波形：相電感、相電壓、相電流、轉矩等。由于給定轉速為穩定轉速，所以電機的輸出為恒定的，仿真波形中相電流在開通角后快速上升和關斷角后快減小為較為理想。并且由于該電機是工作在電動狀態，所以電流應該在電感上升階段流過，同時在關斷角角后，需要保證電流在電感上升階段結束前衰減到零，以產生正向的轉矩。仿真結果如圖3.1所示。 仿真分析在上圖仿真波形中，僅此分析電流波形的變化（以a相為例），為了使a相開通后相電流能快速的到達所要求的值，所以需要在電感上升前一段時間開通，這樣在電感最小值時是電流到最大值，而這段時間正是對應電流波形的第一段上升階段，而接下來所對應的電感線性上升階段，由于電感值的增加，而使電流從最大值開始下降，該段為電流略向下調整階段。最后為了保證電流在電感下降區段到來前降至為零，所以需要在電感還在上升階段而未到達最大值前關斷該相得開關。關斷之后