电驱动标准系统多目标优化方法.docx

1、电驱动标准系统多目标优化方法课 程 设 计 报 告题目：电驱动系统多目标优化方法学 院：专业名称：学生姓名：班 级：指导教师：时 间：课程设计任务书电驱动系统多目标优化方法一、设计内容1、以开关磁阻电机为例，掌握影响电驱动系统性能的主要因素；2、对不同优化方法进行对比研究（比如：协同进化等）；3、选取其中一种方法对电驱动系统性能进行优化；二、主要技术指标1、不同优化方法对比研究；2、电驱动系统性能优化；三、进度要求2012.09.032012.09.05 查阅资料；2012.09.062012.09.07 对设计内容1、2进行总结；2012.09.082012.09.11 电驱动系统性能优化；

2、2012.09.122012.09.14 撰写报告；学 生指导教师摘 要本文以开关磁阻电机为例，介绍了影响电驱动系统性能的一些主要因素。开关磁阻电机结构简单，适合在恶劣环境下运行；只在定子上有绕组，没有转子铜耗。因此开关磁阻电机驱动系统迎合了机电运动控制系统向低制造成本，高可靠性和高能量转换效率发展的趋势，融合了电力电子技术和现代控制算法发展成果，成为近年内运动控制领域的研究热点。本文阐述了开关磁阻电机驱动系统的发展概况、基本结构和运行原理，并以此为基础对影响开关磁阻电机驱动系统性能的因素进行了分析，提出了不同方式的改进方法，并着重对影响开关磁阻电机驱动系统性能的各种控制策略进行分析和介绍其优

3、缺点，展望了开关磁阻电机驱动系统的发展趋势。关键词：电驱动系统；开关磁阻电机；开关磁阻驱动系统；控制策略目 录摘 要 3第1章 概述 51.1 SRD的历史和发展简介 51.2 SRD系统的特点 61.3 SRD系统构成 71.3.1 SR电机本体 71.3.2 功率变换器 81.3.3 控制器 91.3.4 位置、电流检测器 91.4 SRD的研究方向 101.4.1 功率变换器拓扑结构设计 101.4.2 多目标优化控制 101.4.3 消除转矩脉动控制 111.4.4 低噪声控制 111.4.5 无转子位置检测 11第2章 SRD运行原理 122.1 转矩产生原理 122.2 电路分析

4、132.3 能量转换关系 142.4 SR电动机的运行特性 15第3章 SRD的优化方法 173.1 传统优化方法 173.1.1 对SRM的改善进行分析 173.1.2 对功率变换器的改善 183.2 SRM的控制策略改善 193.2.1 线性化控制 203.2.2 滑模变结构控制 213.2.3 智能控制 223.2.4 基于转矩分配函数规划的控制 233.2.5 平均转矩控制 243.2.6 其它策略 25总结与展望 26参考文献 26第1章 概述开关磁阻电动机驱动系统(Switched Reluctance Drives，简称SRD) 以其结构简单、工作可靠、转矩惯量比大、效率高和成本

5、较低等优点脱颖而出，是近几十年来发展较快的机电运动控制系统，其优良的性能在某些方面超过了以往使用的交、直流调速系统及变频调速系统，正越来越受到人们的喜爱。随着电力电子技术和电磁材料的不断发展，开关磁阻电机驱动系统已日臻成熟，其产业化的不断推进，并且逐渐深入生产、科研、国防、生活的各个层面，已是不争的事实。1.1 SRD的历史和发展简介开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)最早可以追溯到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雏形。到1972年进一步对带半导体开关的小功率电动机(10w1kw)进行了研究。1975年有了实质性的进展，

6、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。下表是当时对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的比较。成

7、本分别为1.0 1.5 1.0。美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家也都开展了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。我国大约在1985年才开始对SRD系统进行研究。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

8、机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。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 SRD系统的特点SR电机系统具有一些很有特色的优点:(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，端部尺寸短而牢固。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;转子无永磁体高温退磁现象:可允许有较高的温度;(3) 转矩方向与电

9、流方向无关，因而可简化功率变换器，降低系统成本。同时功率变换器不会出现直通故障，可靠性高;(4) 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。(5) 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;(6) 在较广的转速和功率范围内具有较高的效率。能四象限运行，具有较强的再生制动能力;(7) 有很好的容错能力，可以缺相运行。(8) 这些优点使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机等方面的到广泛的应用。(9) 早期的SRD由于很少考虑电机的噪声，所有的样机或产品都具有相对较大的噪声，以至于成为SRD的一大特点而为人们接受。同时，S

10、RD还具有很大的转矩脉动。目前，转矩脉动和噪声这两个突出问题已经制约了SRD的进一步推广和应用。随着研究的深入，降低SR电机的噪声和减小转矩脉动成了SRD的研究热点。1.3 SRD系统构成SRD系统主要由四部分组成：SR电机本体、功率变换器、控制器及位置和电流检测器。它们之间的关系如图1所示：图1 SRD组成框图1.3.1 SR电机本体SR电机本体是SRD的执行元件， 如图2所示开关磁阻电机的电机结构原理图，电机为了增加出力而设计成双凸极结构，转子仅由硅钢叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体;定子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理”磁通总是要沿磁阻最小的

11、路径闭合，因此磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。若顺序给d-a-b-c-d相绕组通电,则转子便按逆时针方向连续转动起来。当主开关管s1、s2导通时，a相绕组从直流电源v吸收电能;当s1、s2关断时,绕组电流通过续流二级管d1、d2将剩余的能量回馈给电源。图2 典型的4相8/6极SRM横截面图1.3.2 功率变换器功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的功率开关部件。80年代初，主开关器件皆用SCR。鉴于SRD电流脉冲峰值较大，而SCR电流峰值/平均电流比值高，能承受很大的浪涌冲击，一度被视为SRD中最理想的主开关器件。但SCR无自关断能力，开关频率低，强迫换相

12、电路成本高，可靠性差，构成的SRD总体性能有局限。后来较多应用GTR，但GTR承受浪涌电流能力差，存在二次击穿问题，不易保护，限制了其在高压、大功率场合下的应用。80年代中期，结合了SCR、GTR两者优点的GTO受到重视。因GTO兼有自关断、快速开关能力，能承受较GTR高的电流、电压。所以Tasc Drives公司的Oulton SRD产品中均用GTO作主开关器件。近年来，考虑到GTO在关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，国外小功率SRD中常用MOSFET，较大功率则采用IGBT。功率变换器的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式，并且与开关磁阻电动机的相数、绕组连接形式

13、有密切的关系。其中，最常见的拓扑结构有:不对称半桥式、直流电源分裂式等。1.3.3 控制器SR电机的运行离不开控制器，它是实现SR电机自同步运行和发挥优良性能的关键。它综合位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息，以及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向SRD系统的功率变换器发出一系列开关信号，进而控制SR电动机的运行。伴随着微电子器件的飞速发展，SR电机的控制系统也从早期的分立模拟器件组成的简单控制系统逐渐发展成为以高性能微控制器为核心的数字化控制系统，相应地专为电机控制设计的高性能数字信号处理器(DSP)给各种高级复杂控制策略的实现提供了可能。数字控制器

14、由具有较强的信息处理功能的CPU和数字逻辑电路及接口电路等部分组成。数字控制器的信息处理功能大部分是由软件完成。因此，软件也是控制器的一个重要组成部分。软、硬件的配合是否恰当，对控制器的性能将产生重大影响。1.3.4 位置、电流检测器位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者。它及时向控制器提供定、转子极间相对位置的信号。常见的位置检测方案有光敏式、磁敏式及接近开关等含机械的检测方案。电流检测器向控制器提供SR电机绕组的电流信息，常见的电流检测方案有:电阻采样、霍尔元件采样和磁敏电阻采样等。1.4 SRD的研究方向针对srd系统的特点，国内外学者正在进行以下几个方面的深入研究。1.4.1 功率变

15、换器拓扑结构设计由于SRD系统的性能和成本很大程度上取决于功率变换器的性能和成本，因此功率变换器的研究意义重大，目前研究主要集中在功率变换器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用等方面。SRD系统功率变换器是由一定数量的电力电子器件按照一定的拓扑结构组合而成。SRD系统功率变换器研究初期，最少量主开关器件的拓扑结构曾是研究的热点，这是因为主开关器件的减少，意味者相应的驱动电路、缓冲电路以及功率损耗等相应减少，因此系统的体积以及成本会全面降低。随着研究深入，这种观点不再特别突出，主要原因是各种以减少主开关器件数目的拓扑结构在减少主开关器件数目的同时，又引进了其他诸如电容、电感等无源储能元件以及辅助开关器件，系统的体积与成本并未显著降低，其实质只是通过增加单个主开关器件的容量来减少主开关器件的数目。因此更理想的功率变换器拓扑结构应该为:(1)能够独立、快速又精确地对sr电机各相相电流进行控制;(2)磁场储能尽可能地转换为机械能输出，当向电源回馈时应高效、快速;(3)驱动同等功率等级的sr电机，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驱动更高功率等级的sr电机;(4)每相主开关器件数目最少。1.4.2 多目标优化控制在控制参数的