开关磁阻电机

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1 绪论

1．1 开关磁阻电机发展及应用概况

1．1．1 开关磁阻电机发展概况

开关磁阻电机基本原理最早提出在19世纪40年代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力使电动机旋转是简单可行的。1842年，英国的Abedreen和Davidosn用两个U型电磁铁制造出了由蓄电池供电的机车电动机，但是因为当时的科技条件落后，电动机的运行特性很差。以后的100多年间，开关磁阻电机的发展缓慢。

20世纪60年代，大功率晶闸管的研制投产为SR的研究发展提供了重要的物质条件；1967年，英国的Leeds大学开始对SR进行深入研究；到1970年左右，研究结果表明：SR可在单向电流下四象限运行，功率变换器无论用晶体管还是用普通晶闸管，所需的开关数都是最少的，电动机成本也明显低于同容量的异步电动机。

20世纪70年代，美国福特公司也研制出最早的开关磁阻电动机调速系统，其结构为轴向气隙电动机，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的传动。

1975年英国的Leeds大学和Nottinghnaj大学研究小组联合成功研制出用于电动汽车的50KW SMR装置，其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置。

1980年，Leeds大学的Lawrenson教授及其同事总结了自己的研究成果，发表了题为《变速开关型磁阻电动机》的论文，统阐述了SMR的基本原理及基本设计理论，特性及其控制方式。标志着SMR得到国际社会的承认。

1983年推出了商品名为Oulton的通用调速系列产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视。

从1984年开始，我国许多单位先后展开了SRD研究，在借鉴国外经验的基础上，我国SR电机的研究发展很快。2000年，国内100KW以上的SR电机以用于采煤，目前已将180KW的SR电机应用于地铁机车的牵引，并已形成了一南华大学电气学院毕业设计

第2页 ，共４６页 系列SRD商品，最大功率达几十到上百千瓦。

1．1．2 开关磁阻电机应用概况

SRD系统兼有直流传动和普通交流传动的优点，在各种需要调速和高效率的场合，均能提供所需性能的要求。经过20多的年发展，SR电机已经在众多领域得到了成功的开发应用。本文仅对以下五个方向作简要介绍：

1）通用调速电动机应用

SR电机产品的问世是以英国TASC公司推出的OULTON系列通用调速电动机为起点的。既然是通用系列，必有广阔的适用性，诸如在纺织、染整、食品机械，鼓风机，机床及自动生产线传动等等行业应用。SR电机不难做到与普通感应电动机同机座同容量，因此其通用系列的功率型谱可以等同或略优于感应电机。更重要的，由于SR电机的调速性能好、调速范围宽、效率高、成本低等优点，性能上可以与变频调速感应电动机媲美，在性能价格比上可以与无刷电流调速电动机竞争。实践证明，要求频繁起动和正反转的调速电动机，选择SR电机更为有利。

2）电动车辆驱动应用

具有串励特性的SR电机，适合车辆电驱动应用。英国最早期的应用中就有有轨电车应用的实例。随着环保要求提高、动力电池技术进步，电动车发展有越来越高的呼声和现实性，SR电机以它的可靠性高，起动转矩大、起动电流小和能量回馈能力，被视为电动车的驱动的最佳方案之一。

3）精密伺服电机应用

SR电机的控制特性好，动态控制性能优良，转矩惯量比大，因此可以做成伺服电动机和智能驱动应用，如HP公司的绘图机。我国在研发电动门智能驱动、机械手关节驱动有成效，在电缆、纺织行业作恒线速度或张力控制传动，电脑控制工业缝纫机专用驱动等都有成功的应用。可以说，有伺服性能的SR调速电动机在多种精密机械和智能机械中有广阔的应用前景。

4）家用电器应用

结构简单、性价比高是家用电器驱动得到优选的重要原因。如洗衣机采用SR电机直接驱动，可简化结构、提高性能。基于SR电机高速适应性，因此在吸尘器、地板磨光机等家电中应用的成果也有所见。 南华大学电气学院毕业设计

第3页 ，共４６页 5）发电机及起动/发电机应用

SR电机在发电工作时输出脉冲电流，若配以储能元件如蓄电池或电容，可以作为直流电源应用。如小型风力发电机、汽车发电机及航空发电机应用。特别是由于SR电动机起动性能好，电动发电双功能可控性好、实现容易，因此在直流电源体制下作汽车和飞机的起动/发电机有独特的优越性，美国SUNDSTRAND公司的80KW SR起动/发电机以在第四代战斗机中应用。我国这方面的研究也取得了发展。

目前，SRD的研究主要涉及以下几个方面：SRD系统的优化；无位置传感器SRD系统的研制；新型控制技术的应用；振动与噪声研究；铁损耗分析与效率研究等。

1．2 开关磁阻电机控制策略综述

SRD主要由SRM、功率变换器、控制器与位置检测器组成，其性能的改善不能一味地依靠优化SRM与功率变换器设计，而必须借助先进控制策略的手段。从20世纪80年代SRM问世至今，在SRM控制方面已涌现出大量先进的控制思想，并取得了有益的成果。本论文结合SRM的控制模式，综述比较了SRM的各种控制策略，力图反映SRD在控制策略方面的研究进展，对各控制策略只作简要概括和必要的分析与评价。

1．2．1 SRM的控制模式

SRM的可控参数为定子绕组电压、开通角与关断角，根据改变控制参数的不同方式，SRM有3种控制模式，即角度位置控制(Angular Position Control，简称A PC)、电流斩波控制(Current Chopping Control，简称CCC)与电压控制(Voltage Control，简称VC)。其中，APC是电压保持不变，通过改变开通角和关断角调节电机转速，适于电机较高速区，但是对于每一个由转速与转矩确定的运行点，开通角与关断角有多种组合，每一种组合对应不同的性能，具体操作较复杂，且很难得到满意的性能；CCC一般应用于电机低速区，是为限制电流超过功率开关元件和电机允许的最大电流而采取的方法，CCC实际上是调节电压的有效利用值，与A PC类似，它也可以随转速、负载要求调节开关角；VC是在固定的开关角条件下，通过调节绕组电压控制电机转速，它分直流侧PWM斩波调压、相开关斩波调压与无斩波调压，而无斩波调压是通过调节整南华大学电气学院毕业设计

第4页 ，共４６页 流电压以响应电机转速要求，在整个速度范围内只有一个运行模式，即单脉冲方式。SRM运行基本机械特性如图1．1所示。

图1．1 SRM基本机械特性

1．2．2 SRM的控制策略

在SRD发展初期，对SRD的研究大多数研究集中于SRM与功率变换器的分析、设计，而控制策略主要以线性模型为基础，结合传统PI或PID控制器，简单地运用上述3种控制模式，比如采用前馈转矩(或电流)控制、反馈转速控制。由此构建的SRD系统难以获得理想的输出特性，不但转矩脉动大、噪声大，而且系统鲁棒性差，其动、静态性能无法与直流传动相媲美，这严重地阻碍了SRD的商品化进程。其原因主要为：SRM为高度非线性系统，具有双凸极集中绕组的几何结构，为输出最大转矩而常运行于饱和状态，电磁转矩是定子电流与转子位置的非线性函数，传统的线性控制方法难以满足动态较快的SRM非线性、变参数要求。为改善系统性能，国内外学者对SRM的控制策略进行了深入细致的研究。现将常见的几种控制策略综述如下：

1）电流控制

采用相电流作为控制量是开关磁阻电动机最常见的控制方法。在早期的控制策略中采用恒定的相电流作为控制信号，由于开关磁阻电动机的电磁转矩是相电流和转子位置的非线性函数，如果相电流维持不变，转矩就会出现脉动。采用反馈的方法可以把非线性函数转化为线性函数，但这需要电动机的精确模型，否则控制性能就要下降。且这种方法的计算量大，不适于实时控制。当然，随着国内外对电流控制的深入研究，电流控制理论已得到了极大补充与完善，其在SRD中的应用也能取得满意的效果。

2）变结构控制 南华大学电气学院毕业设计

第5页 ，共４６页 变结构控制(variable structure control，简称VSC)是一种具有很好鲁棒性的非线性控制方法。1993年，G．S．Buja首次将变结构控制应用于SRD，通过将转矩脉动看作干扰，将非线性看作增益偏差。与传统控制下的SRD相比， 变结构控制能在电动机参数发生变化、负载情况不清楚、存在外部干扰的情况下仍能提供快速、准确响应。滑模的变结构控制变结构控制的一种控制策略，这种控制策略与常规控制的根本区别在于其控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。非连续性控制原理见图1．2。该控制特性可以迫使系统再一定的条件下沿规定的状态轨迹做小幅度、高频率的上下运动，即滑模运动，如图1．3所示。Tzu—Shien Chuang首次应用直流侧电流反馈设计了近似的滑模功率控制(作为系统内环)，同时以带有前馈与积分补偿的滑模速度控制为速度外环，将变结构控制理论应用于SRM，取得了好的效果。

图1．2非连续性控制原理 图1．3相空间中沿滑模线运动的滑动模态

3）现代智能控制

智能控制是在人工智能及自动控制等多学科基础上发展起来的一门新兴、交叉学科，它具有非常广泛的应用领域。主要用来解决那些用传统的方法难以解决的复杂系统的控制问题，其研究的对象往往具有以下特点：①模型的不确定性②高度非线性③复杂的任务要求。现代智能控制可分为：模糊控制、神经网络控制、混沌控制、专家控制。

正由于开关磁阻电动机的高度非线性性及其数学模型的难以确定，传统的控制策略往往难以实现开关磁阻电动机高精度控制，而智能控制在数学本质上属于非线性控制，且具有很强的自学习、自适应能力，所以智能控制在SRD中