湖南工业大学本科生毕业设计（论文）
第1章 开关磁阻调速电动机概述
1.1 开关磁阻调速电机发展简介
开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。目前开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。
1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）雏形，这是关于开关磁阻电机最早的研究。1972年，进一步对带半导体开关的小功率电动机（10w～1kw）进行了研究。到了1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司（SRD Ltd.），专门进行SRD系统的研究、开发和设计。1983年英国（SRD Ltd.）首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。另外SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。
从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看，对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。对SR电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。
1.2 对于本课题国内外的研究状况及研究成果
SRM 电机有上述特点，在近十年来受到了国内外许多学者的广泛重视，成为电机和调速系统方面一个新的研究领域。许多学者已对 SRM电机及其系统进行了各个方面的研究，发表了许多论文，介绍了他们的研究成果。目前 SRD的研究多集中于四相8/6结构，且向大功率发展，对小功率及三相6/4结构的SRD研究较少，针对这种情况，本文以三相6/4结构 SRD 为样机，研究、分析三相6/4结构的 SRD 特别是对控制器的研究与实践。
作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，愈来愈得到人们的认可和应用。目前已成功应用于在
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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、成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争者。 美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家都开展了SRD系统的研制工作。在国外的应用中，SRD一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是SRD的一个特长的方向。据报道，美国为空间技术研制了一个25000r/min、90KW的高速SRD样机。SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。 华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。 近年来功率电子技术,数字信号处理技术和控制技术的快速发展，而且随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片（DSP）的出现，利用高性能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术,无需附加外部硬件电路，大大提高了开关磁阻电机检测的可靠性和适用性,必将更大限度地显示SRD的优越性。 90年代进一步以计算机控制的柔性制造系统、主体仓库、机器人进行装配等组合起来，由计算机控制材料、部件的供应管理、达到全厂高效率、高质量的全自动化均衡生产，设计和制造水平不断提高，专用控制芯片和集成功率器件不断被开发出来，开关磁阻电机性能和适用性不断增强。随着国民经济建设的日益发展，各行各业的机械化、自动化程度越来越高，为开关磁阻电机提供了巨大的潜在市场。
1.3 原理简介及优越性简介
开关磁阻电动机驱动系统（SRD）是较为复杂的机电一体化装置，SRD的运行需要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。
开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高。对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有许多显著的优点：
（1）电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。 （2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。 （3）转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。 （4）功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。
（5）起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。 （6）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩－速度特性。 （7）在宽广的转速和功率范围内都具有高效率
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（8）能四象限运行，具有较强的再生制动能力。
（9）容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏，电机照样可以运行。
与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。
如果说第一代开关磁阻电机（1983年研制）在小功率范围的效率比高效变频调速感应电动机低，第二代开关磁阻电机（1988年研制）的效率已全面超过了高效变频调速感应电动机。更难得的是，开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率，这是变频调速感应电动机难以比拟的。感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开关磁阻电机通过调整开通角、关断角、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性，控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运行，而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，通过修改软件调整电机工作特性满足不同应用要求。
由于开关磁阻电机固有的转矩波动，可能导致较大的噪声和振动，事实上这种情况的发生往往与电机设计和控制的不合理相关，通过优化电机设计和控制策略，转矩波动和噪声完全可以得到有效的抑制，正确认识到这一点对开关磁阻电机的开发和应用是很重要的。SRD Ltd.公司开发的伺服应用开关磁阻电机，转矩波动仅为0.05%。近年研究的最优励磁控制策略、两次换流控制策略、电机噪声根源、定子振动模态、定子固有频率计算等成果对降低电机噪声都有积极的促进作用。随着设计和制造水平的提高，噪声必将进一步降低。
1.4 开关磁阻调速电动机的发展过程
1.4.1 开关磁阻调速电动机的发展概况
SR电机的基本概念可追溯到19世纪40年代，1842年，英国的Aberdeen和Dafidson 用两个U型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。但因电路断开时没有释放能量的蓄流二极管电路，以及采用机械开关控制电磁铁的轮流通电，电动机的性能（效率、功率因数和利用系数等）不高。在此后100多年内，SR电机都没有得到重视和发展。 20纪60年代，大功率晶闸管的出现为SR电机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电机进行深入研究；到1970年左右，研究结果表明：SR电机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感应电动机。 20世纪70年代初，美国福特公司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
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蓄电池供电的电动车辆的传动。
1975年，英国Leeds大学和Nottingham大学的研究小组联合研制了用于电动汽车的50KW SR电机装置，其单位输出功率和效率都高于同类的感应电动机驱动装置。 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“Variable-Speed Switched Reluctance Motors（变速开关型磁阻电动机）”的论文，系统阐述了SR 电机的基本原理与设计特点，并得出新型磁阻电机的单位出力可以与交流感应电机相媲美甚至还略占优势的结论。标志着SR电机得到国际社会的承认。 1983年英国TASC公司推出了Oulton系列通用SRD调速产品，问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视。目前，SRD在国外已取得很大的发展，其产品已在电动车驱动、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动等众多领域得到成功应用。功率范围从10W到5MW，转矩从0.01N·M到106N·M，转速可达100000r/min。
从1984年开始，我国许多单位先后开展了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电机已应用于煤矿的采煤机，目前已将180KW的SR电机应用于地铁机车的牵引，并已形成了一些SRD系列商品，最大功率达几十到上百千瓦。
目前生产的 SR 电机调速系统功率从10W到50W，大至200KW的系统也在研制中，转速范围可从15到20000r.p.m，系统中选用的开关元件主要有SCR、GTR、GTO、和MOSFET四种，控制器有模拟系统也有数字系统，使用的微处理机有8031、8051、和8096单片机，位置传感器主要采用光电式耦合码盘；电流传感器有的采用霍尔元件也有的采用磁敏电阻。除英国外，美国、加拿大、法国、德国、埃及、南斯拉夫等学者也都开展了对SR电机及控制系统的研制工作，我国从1984年起也开始了此项研制工作，研制的样机和产品已在纺织工业中取得了初步应用。
1.4.2 开关磁阻调速电动机的研究现状
以下从数学模型、控制理论应用、转矩脉动抑制和高性能伺服系统开发四方面，评述国内外SRM控制技术研究的发展现状。
（1） 多种数学模型被提出
完整的SRM数学模型包括电压方程、磁链方程、机械方程和机电联系方程。其中电压方程和机电联系方程均与磁链方程密切相关。因此，建立准确而简单的反映SRM非线性电磁特性的磁链方程是建立SRM数学模型的关键之一。此外，机电联系方程还有另外一种建模方法，即直接利用实验数据，采用非线性拟合或其他建模理论，建立相电流、转子位置以及电磁转矩三者之间的函数关系式。目前，已经发展起来的
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磁链模型和直接建立的机电联系模型有多种形式，可将它们分为线性模型、准线性模型和非线性模型三类。
线性和准线性模型均对SRM的非线性电磁特性进行了一定程度的简化。线性模型是在忽略电磁饱和、涡流、磁滞、边缘效应、相间互感等非线性因素的基础上建立起来的。这些非线性因素简化的结果使得每一相的电感只与转子的位置有关，而与相电流的大小无关。这为分析SRM的运行特性带来了极大的方便。通过这一模型，可以容易地求出SRM速度恒定且相电压为矩形脉冲时相电流和输出转矩解析式，进而可以分析开通角、关断角等参数对电机运行特性的影响规律，以及电流斩波（Chopped current control）和角度位置（Angular position control）两种控制策略的工作原理。从而为控制器设计、调试提供了很有价值的结论。但是，线性模式完全忽略了非线性因素，与SRM实际特性有较大的缺陷，而准线性模型在一定程度上可以克服这一缺陷。它是采用分段线性化的方法将非线性的电磁特性曲线简化，与线性模型一样，准线性模型具有数学表达式简单的特点，在分析电机特性和设计控制器时较为简便，但是，就模型的精确性而言，准线性模型同样存在计算误差较大的缺陷。
非线性模型力图用简单的非线性的数学表达式来刻画SRM中磁链关于转子位置和相电流之间的非线性关系。Spong等提出了一种连续的的非线性模型，该模型能够较精确地反映SRM实际的电磁特性，利用这一模型，Spong等针对机械手关节驱动用SRM设计了一个反馈线性化控制器，仿真结果证明了该非线性模型的可行性。但是，该模型的表达式中包含了自然指数项，无非增加了控制器运算的负担，要求控制器必须具有相当高的运算速度，Stiebler等将SRM电磁特性表达成由基本的数学函数组成的式子，这一结果建立在某些简化假设的基础上，即假设转子处于对齐位置时，电流趋向无穷大所对应的磁链/电流曲线平行于转子处于非对齐位置时的磁链/电流曲线。此外，Bortoff和Milman等在他们的研究中提出了一种非线性机电联系模型，他们利用B样条曲线和一系列的傅立叶基本函数建立了SRM电磁转矩关于转子位置和相电流之间的非线性关系，并将该模型成功地应用在自适应控制器的设计中。 （2） 各种控制理论的应用
SRM高度非线性特性给SRM 控制领域的研究人员带来了巨大的挑战。在SRM发展的几十年间，各国研究人员纷纷将线性控制理论、非线性控制理论、智能控制理论等应用在 SRM的控制中。SRM为各种控制理论的研究提供了良好的场所。 早先，被应用在 SRM 控制系统中的控制理论以线性控制理论为主。针对斩波控制方式和角度位置控制方式，分别建立了以相电流斩波值、导通角、关断角为输入的SRM小信号线性化模型，在此基础上，利用经典控制理论设计调速系统的控制器。 但是，由于SRM的非线性特性，基于简化的线性模型，采用线性控制理论设计