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机电控制研究报告
《机电控制研究报告》
题目开关磁阻电机控制技术综述姓名丁伟明班级机自12-9班学号02131232
开关磁阻电机控制技术综述
摘要：
本文首先介绍了开关磁阻电机的工作原理，在此基础上对其控制技术做详细论述，重点介绍了三种控制技术：
角度位置控制、电流斩波控制、电压PWM控制。
然后着重描述了开关磁阻电机的非线性数学模型，并通过MATLAB对其调速系统进行了仿真，最后对开关磁阻电机的最新控制技术进行了展望。
关键词：
开关磁阻电机控制技术非线性数学模型MATLAB仿真引言
开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor）简称SRM，是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统而出现的新一代无极调速系统。
它的结构简单，定型产品坚固耐用，可工作于极高转速；定子嵌放容易，端部短而牢固、适用于恶劣、高温甚至强震环境；功率变换器的开关器件数少，性能优异，且在整个调速范围内具有较高的效率，系统可靠性很高；启动转矩大，调速范围宽。
目前，开关磁阻电机已广泛应用于工业、航空和家用电器等许多领域。
20世纪40年代国外就开始了开关磁阻电机的基础研究，20世纪70年代后随着电力电子、微电脑和控制技术的迅速发展，对SRM的研究逐渐进入高潮。
我国于1984年左右,也以较高的起点开始SRM的研究、开发工作。
作为一种结构简单、鲁棒性好、价格便宜的新型调速电机，SRM问世不久便引起各国电气传动界的广泛重视。
总之，从七十年代至今，经过国内外学者的不断努力，对SRM的研究己经在理论分析、性能仿真、控制策略等方面均取得了丰硕的成果，并且随着基础理论、电子元器件等的发展而继续发展。
因此，对开关磁阻电机控制技术的深入研究意义悠远。
本文简单介绍了SRM的工作原理，重点介绍了三种控制技术，然后着重描述了SRM的非线性数学模型，并通过MATLAB对其调速系统进行了仿真，最后对开关磁阻电机的最新控制技术进行了展望。
1.开关磁阻电机的基本原理
开关磁阻电机是带位置闭环速度控制的步进电机，又称开关磁阻电机驱动系统（SRD），主要由控制器、功率变换器、检测器和开关磁阻电机四部分组成。
其原理是通过定、转子双凸极结构，LGBT开关控制相绕组及使转子连续转动并调速。
开关磁阻电机是双凸极可变磁阻电机。
其定子和转子均由硅钢片叠压而成，转子上无绕组，装有位置检测器。
定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一对磁极，称为“一相”。
由于低于三相的SRM没有自起动能力；而SRM
可以设计成多种不同的相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配，其相数多，步距角小，利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高，故目前应用较多的是四相8/6和三相6/4极结构。
图1-1示出SRM结构原理图，为简单计，只给出A相绕组及其供电电路。
图1-2为8/6极的定、转子立体结构。
图1-1四相SR电机工作原理图
图1-28/6极的定、转子立体结构
SRM的结构和工作原理与传统的交、直流电动机是有区别的，它不像传统电机那样依靠定、转予绕组电流产生磁场问的相互作用形成转矩和转速，而是遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到磁阻最小位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。
以图1—1中定、转予所处相对位置为起始位置，若依次给D—A—B—C相通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续转动；反之，若依次改变通电电流的顺序，则转子的旋转方向发生改变。
也就是说，转子的转向与相绕组电流的方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。
功率变换器向SRM提供运转所需的能量，其由蓄电池或交流电整流后得到力直流电供电。
由于SRM相电流是单向的，故可采用单极性的功率主电路。
控制器是系统的中枢，其综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器
的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SRM运行状态的控制。
从结构及运行原理上看，SRM与反应式步进电机十分相似。
但事实上，两者在电机设计、控制方法、性能特性和应用场合等方面均存在着本质的差异：
其一，一般步进电机是开环控制，而SRM一定是位置闭环控制，有位置闭环控制就不会丢步或失步；其二，一般步进电机作为信息传输，实现角位移精密传动，而SRM是典型的功率型电气传动装置。
因此，开关磁阻电机更突出速度控制和实现系统的高效率。
2.开关磁阻电机主要的几种控制方式
（1）角度位置控制（APC）：
角度位置控制方式就是控制主开关器件的开通角?
on和关断角?
off，从而改变主开关的触发导通时间，调节相电流波形，实现转速闭环控制。
尤其是当电机转速较高，旋转电动势较大，电机绕组电流相对较小时，最适合采用这种控制方式。
当SRM在高于n1的速度范围内运行时，因旋转电动势较大，电流上升率下降，各相主开关器件的导通时间较短，因此电流不易上升，比较适合APC方式运行，调节?
1、?
2即可调节SRM的转矩。
APC控制的关键在于将角度量转化为相应的速度、时间可控量。
由于有两个参量可以调节，使得控制变得复杂，一般是采用优化固定一个变量，调节另一个变量。
APC的相电流波形如图2-1所示，角度位置控制可分三种：
1.改变开通角?
on
如图2-2（a）所示，可以改变相电流的波形宽度、改变电流波形的峰值和有效值大小，也能改变电流波形与电感波形的相对位置。
这样就可以改变电动机的?
转矩，从而改变电动机的转速，随着开通角on的增大，形成l、2、3条曲线。
2.改变关断角?
off
一般不影响电流的峰值，但可以影响相电流波形的宽度以及电感曲线的相对?
位置，电流有效值也随之变换，因此off同样对电动机的转矩和转速产生影响，只是其影响程度没有那么大，如图2-2（b）所示。
随着关断角
波形续流段向后延迟。
?
off的增大，相电流
图2-1角度位置控制时相电流波形图图2-2改变开通角或关断角时相电流波形
3.同时改变开通角和关断角
此法可以更加精确的控制开关磁阻电机相电流波形、峰值、有效值以及转速和转矩。
但由于控制要求的提高，控制的难度也相应的增大。
一般来说，经过实验尝试，选择一个较为合适的开通角，作为主控变量，然后在控制的过程中微调关断角，作为辅控变量实现对电机的控制。
角度控制的优点是：
转矩调节的范围宽；可以多相同时通电，以增加电动机的输出转矩，而且电机的转矩波动小；能够实现效率最优控制或转矩最优控制。
但角度控制不适于低速，这是由于转速降低时，旋转电动势减小，使电流峰值增大，必须对其进行限流，因此角度控制一般用于转速较高的应用场合。
（2）电流斩波控制（CCC）：
SRM在低速工作特别是起动时，反电动势小，相电流上升快，为了避免过大的电流脉冲值超过功率开关元器件和电机所能承受的最大电流，多采用相电流斩波控制，以期限制电流峰值，取得恒转矩机械特性。
一般在低速运行时，使电机的开通角on和关断角off保持不变，而主要靠控制斩波电流iT的大小来调节电流的峰值，从而起到调节电动机转矩和转速的目的。
工作在CCC方式下的斩波电流波形如图2-3所示。
?
?
图2-3电流斩波控制
在?
?
?
on时，功率电路开关元件接通，绕组电流i从零开始上升，当电流达到斩波电流上限值iT时，切断绕组电流（称斩波关断），绕组承受反压，电流快速下降。
经时间T1，或电流降至斩波电流下限值时，重新导通，重复上述过程，则?
?
?
off形成斩波电流波形，直至时实行相关断，电流衰减至零。
CCC控制方式可以分为起动斩波模式、定角度斩波模式和变角度斩波模式。
起动斩波模式是在SRM起动时采用的，此时要求转矩要大，同时又要限制相电流?
?
?
峰值，故通常固定开通角on和关断角off，导通角c值相对较大；定角度斩波模?
式通常在电机起动后，低速运行时采用，导通角c值保持不变，但值限定在一定范围内，相对较小；而变角度斩波模式通常在电机中速运行时采用，此时通过电?
?
流斩波、开通角on、关断角off的同时起作用来进行转矩的调节。
电流斩波控制优点是:
适用于电动机低速调速系统，电流斩波控制可限制电流峰值的增长，并起到良好有效的调节效果；由于每相电流波形呈较宽的平顶波，故产生的转矩也比较平稳，电动机转矩波动一般也比其他控制方式要小一些。
但是，CCC控制方式其抗负载扰动的动态响应较慢，在负载扰动下的电机相应速度与自然机械特性硬度有非常大的关系。
由于在电流斩波控制中电流的峰值受到限制，当电机转速在负载扰动作用下发生变化时，电流峰值无法相应的自动的改变，使系统的特性非常软，因此系统在负载扰动下的动态响应十分缓慢，该方法主要用于起动和低速运行的限流控制中。
（3）电压PWM控制：
电压斩波控制法是一般电机控制策略中较为常用的一种方法，此法也是在保?
?
持on和off不变的前提下，通过调整PWM波的占空比，来调整相绕组两端的平均电压，进而间接改变相绕组电流的大小，从而实现对电机转速的调节。
PWM斩波控制的电流波形如图2-4所示。
根据续流方式的不同，PWM斩波控制可分为斩单管和斩双管方式。
1.斩双管方式
开关磁阻电机的PWM控制方式采用斩双管方式时，其连接在每相绕组的上下
桥臂的两个开关管同时开通和关断，实现电压斩波控制。
图2-4电压控制时的相电流波形
图2-5下斩上不斩波形示意图
2.斩单管方式
斩单管方式就是所谓的“上斩下不斩”或者“下斩上不斩”控制，每相绕组的两端只有一个开关管斩波，另一个一直处于导通状态，如上图2-5所示。
斩双管控制方式时，由于上下管同时关断，相绕组电流在反压的作用下，下降很快，则电流脉动比斩单管方式大。
从而进一步导致电机的损耗增大，且转矩脉动产生的电机振动和噪声所消耗的功率比斩单管方式大；此外，斩双管方式的开关损耗也大于斩单管方式。
可见在电源电压、转矩负载、转速相同的条件下，斩单管方式的系统效率高于斩双管方式的系统效率，因此，PWM控制的SRM采用斩单管方式比采用斩双管方式更具优越性。
电压PWM斩波控制的特点是：
通过调节相绕组电压的平均值，进而能够间接地调节和限制相电流的大小，因此既可以运用于低速调速系统，又能运用于高速调速系统，且控制简单易行，但其调速范围受到了限制,而且低速运行时转矩脉动较大。
综合考虑前面几种控制方式的适用范围和优缺点，一般推荐使用如下的系统控制方式：
高速采用变角度结合PWM电压斩波控制方式，低速采用定角度电流斩波结合PWM斩波控制方式。
配合应用几种控制方式，有利于扬长避短，充分发挥各自的优势，使得电机在较宽调速范围内具有更良好的性能指标。
除此之外，变
角度结合电压PWM控制组合也是一种很实用的控制方式。
3.开关磁阻电机的数学模型
对于m相SRM，如果把涡流、磁滞及绕组之间的互感忽略时，可列出如图3-1所示的二端口装置系统示意图（一对电端口和一对机械端口）。
UaUbUm图3-1m相SRM系统示意图
图中，Te是电动机电磁转矩，TL是负载转矩，D是粘性摩擦系数，J是SRM转子及负载的转动惯量。
为了简化分析，在忽略磁滞、涡流效应及绕组之间的互感的基础上，再作如下假设：
（1）不考虑频率和温度变化对绕组的影响；
（2）在一个电流脉冲周期，转速?
恒定不变；
（3）主电路供给电源的直流电压U恒定不变；
（4）功率开关器件为理想开关，导通时压降为零，关断时电流为零。
假设m相SRM各相结构和参数一样，且第k相的磁链为?
k、电压为Uk、电流为ik、电阻为Rk、电感为Lk、转矩为Tk、转子位置角为?
k、电机的实时转速为?
。
写出描述图3-1所示的这种机电系统动态过程的微分方程，它由磁链方程、电压方程
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