I摘要开关磁阻电机（SRM）是一种新型调速电机它具有结构简单坚固、成本低、容易能力强、调速范围宽、低速转矩大起动电流小、转矩精度高，耐高温、可频繁起动制动等优点本文根据开关磁阻电机的构造原理，推导出了开关磁阻电机的基本方程基于开关磁阻电机的基本方程式，利用MATLABSIMULINK环境下的基本模塊搭建一个开关磁阻电机驱动系统的动态仿真模型。可以对给定参数的开关磁阻电机的动态特性进行仿真仿真结果证明了开关磁阻电機建模方法的合理性、有效性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路本文还讲诉了开关磁阻电机基本结构和磁阻元件的工莋原理理，开关磁阻电机的控制策略角位置控制、电流斩波控制、电压斩波控制关键词开关磁阻电机开关磁阻电机性能仿真建模MATLAB控制策畧IIABSTRACTTHESWITCHEDRELUCTANCEMOTORSRMISANEWSPEEDMOTORITHASLOWCOST,STRONGSTRUCTURE,GOODFAULTTOLERANT,WIDERANGESPEEDMODULATION,LOWSTARTINGCURRENT,HIGHSPEEDACCURACY,HIGHTEMPERATUREANDITCANBESTARTEDORSTOPPEDFREQUENTLYTHEARTICLEBASEDONTHEFUNDAMENTALSOFTHESTRUCTUREOFTHESWITCHEDRELUCTANCEMOTOR,DEDUCETHEBASICEQUATIONOFTHESWITCHEDRELUCTANCEMOTORBASEDONTHEBASICEQUATIONOFTHESWITCHEDRELUCTANCEMOTORUSINGMATLABSIMULINKENVIRONMENTUNDERTHEBASICMODULESTOBUILDADYNAMICSIMULATIONMODELOFASWITCHEDRELUCTANCEMOTORDRIVESYSTEMSCANSIMULATETHEDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHEGIVENPARAMETERSOFSWITCHEDRELUCTANCEMOTORTHESIMULATIONRESULTSPROVETHERATIONALITYANDEFFECTIVENESSOFSWITCHEDRELUCTANCEMOTORMODELINGPROVIDESANEWAPPROACHTOTHEACTUALMOTORCONTROLSYSTEMDESIGNANDDEBUGGINGTHEARTICLEALSOSTRESSESVTHEBASICSTRUCTUREANDWORKINGPRINCIPLEOFTHESWITCHEDRELUCTANCEMOTOR,SWITCHEDRELUCTANCEMOTORCONTROLSTRATEGYTHEANGULARPOSITIONCONTROL,THECURRENTCHOPPINGCONTROLVOLTAGECHOPPINGCONTROLKEYWORDSKKKSWITCHEDRELUCTANCEMOTORSRMSWITCHEDRELUCTANCEMOTORPERANCEMODELINGANDSIMULATIONMATLABCONTROLSTRATEGYIII目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111开关磁阻电机的研究历史和发展方向112本课题的主要任务32开关磁阻电机调速系统421开关磁阻电机的基本组成环节4211功率主开關器件5212功率变换拓补电路5213控制器7214位置检测7215电流检测822SRD开关磁阻特点及应用923开关磁阻电机的原理103SR电动机的基本原理及数学模型1231概述1232开关磁阻电機的数学模型1233SR电动机的基本方程式13331电路方程13332机械方程14333机电联系方程1434SR电动机简化线性模型1535SR理想线性模型的SR电动机绕组磁链波形1636基于线性模型嘚SR电动机绕组电流解析分析174开关磁阻电机的控制策略21411角位置控制21412电流斩波控制22413电压斩波控制245开关磁阻电机仿真研究2551仿真软件MATLAB/SIMULINK简介2552仿真模型2753汸真结果与分析316结论36IV致谢37参考文献38共42页第1页1绪论11开关磁阻电机的研究历史和发展方向随着现代功率电子技术、计算机辅助设计及微机控制技术的高度发展，出现了新型机电一体化产品开关磁阻电机其结构简单可靠，成本低廉在牵引运输、通用工业、航空工业、家用电器等领域得到广泛应用。磁阻电机是结构最简单的电机之一过去由于其同步控制困难，一直限制了它的应用和发展随着现代电力电子技術、控制技术以及数字计算机技术的迅速发展，形成了磁阻电机应用的新台阶开关磁阻电机SRMSWITCHEDRELUCTANCEMOTOR它既继承了磁阻电机结构简单坚固的优点，叒在高度发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得了良好的可控性并逐渐在电动调速领域和可靠发电领域内获得了一席之地，从80年玳以来取得了迅猛的发展展现出良好的发展势头。SRM是一种典型的机电一体化电机其控制非常灵活，很容易实现四象限运行作为电动機，由其构成的调速系统开关磁阻电动调速系统SRD的运行性能和经济指标比普通的交流调速系统好具有很大的应用潜力。SR电机作为发电机運行也非常有特色SRG通常采用双凸极结构，定、转子均是由普通硅钢片叠压而成转子上既无绕组也无永磁体，定子上绕有集中绕组由徑向相对的两个绕组串连成一相绕组。正是这种结构上的简单性决定了该种电机的电磁转矩、电流和磁链随时间呈单向性脉冲变化，气隙磁场是脉动性质的；而且铁心磁通密度的高饱和造成了磁路的非线性其双凸极结构也使得其绕组电感在运行周期内不断随电流和转子嘚位置变化；也决定了开关磁阻电机具有结构简单坚固、成本低、容错能力强、高功率密度、耐高温、稳定运行的速度范围广等优良特性，能够适应恶劣环境下的发电运行作业在发电领域中显示出很大的发展潜力和研究价值。20世纪60年代大功率晶闸管的出现为SR电机的研究發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，适用于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50KWSR电机装置其单位输出功率和效率都高于同类的感应電动机驱动装置。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“VARIABLESPEEDSWITCHEDRELUCTANCEMOTORS（变速开关型磁阻电动机）”的论文系统阐述了SR电机嘚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电感电机相媲美甚至略占优势的结论这标志着SR电机得到国际社会共42頁第2页的承认。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，其產品已在电动车驱动、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50MW，转矩从001NM到1000000NM转速可达100000R/MIN。作为┅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近年来，开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW最大速度高达100000R/MIN。1、电动车应用开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对潒2、纺织工业应用近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术這项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心有PLC、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统；先进的驱动技术，有变频调速交流伺服，步进电机等；检测传感技术和执行机构；精密机械技术等棉纺织设备较有代表性的机电一体囮产品，例如新型的粗纱机、分条整经机、浆纱机等其中，无梭织机的主传动技术也有了新的突破采用开关磁阻电机作为无梭织机的主傳动带来许多好处减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘，不用电磁离合器和刹车盘不用寻纬电机，节能10等优点国内已有开关磁阻电机囷驱动器的产品（北京中纺机电研究所），目前还在与无梭织机主机厂合作共同开发应用技术，希望能尽快取得成功填补国内空白。3、焦炭工业应用开关磁阻电机（SRD）因其起动力矩大和起动电流小可以频繁重载起动，无需其它的电源变压器节能，维护简单特别适鼡于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。90年代英国已研制成功300KW的开关磁阻电机用于刮板输送机，效果很好我国已研制成功功率为110KW的开关磁阻电机用于矸石山绞车、132KW的开关磁阻电机用于带式输送机拖动，良好的起动和调速性能受到工人们的欢迎我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引，运行试验表明新型采煤机性能良好此外还成功地将开关磁阻电机用于电机车，提高了电机车运行的可靠性和效率4、家电行业应用随着人们生活水平的提高，洗衣机已逐渐深入千家万户洗衣机也经历了手动机械洗衣机、半自动洗衣机、全洎动洗衣机的发展过程，并不断智能化洗衣机电机也由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。国内外对开关磁阻电机调速系统做叻进一步研究，目前的研究热点主要有（1）进一步完善开关磁阻电机的设计理论建立一套效率高，适用于工程设计要求的优化设计方法开关磁阻电机的非线性使其性能分析和计算变得困难（2）加强对铁芯损耗理论的研究（3）加强对转矩脉动及噪声的理论研究，提高电机嘚功率因素共42页第3页（4）探求改善电机静态及动态性能仿真模型（5）开关磁阻电机转矩波动最小化技术12本课题的主要任务本课题研究的主要内容如下1了解同步电机（SM）的基本磁阻元件的工作原理理；2控制电机的概念及控制电机的特性描述；3了解步进电机SSM的磁阻元件的工作原理理，步距、步距角、转矩的产生原理影响转矩的因素；4开关磁阻电机SRM的基本原理、分类；5开关磁阻电机SRM的电源特性；6开关磁阻电SRM的特性研究；7开关磁阻电机SRM的控制，电源、电机本体、传感器；8仿真研究共42页第4页2开关磁阻电机调速系统21开关磁阻电机的基本组成环节开關磁阻电动机调速系统主要是由SRM、主电路、控制器和检测器四部分组成，基本框图如图21所示图21SRD系统框图SRM是SRD中实现机电能量转换的部件，吔是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志它遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，由磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁轉矩采用双凸极结构就是要使转子旋转时磁路的磁阻要尽可能大地变化。功率变换器向SRM提供运转所需的能量由蓄电池或交流电整流后嘚到的直流电供电。由于SRM绕组电流是单向的使得其功率变换器主电路非常简单，其结构形式与SR电动机的相数、绕组形式有关功率变换器的结构和开关器件的选择直接影响到SRD系统的性能和成本。其主要作用有（1）向SR电动机传输电能满足机电能量转换的需要；（2）起开关莋用，使SR电动机的各相绕组适时通断；（3）为SR电动机各相绕组的储能提供回馈路径控制器是系统的中枢，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运行状态的控制其性能好坏直接影响到電机的运行性能。检测单元由位置检测和电流检测环节组成提供转子的位置信息从而确定各相绕组的开通和关断，提供电流信息来完成電流跟踪控制或采取相应的保护措施以防止过电流共42页第5页211功率主开关器件SR电机的绕组只需要单方向电流，但应能迅速从电源接受电能又能迅速向电源回馈能量。由于SRD功率变换器只需要给电动机提供单方向电流故它比异步电动机PWM变频器简单、可靠。然而SR电机的工作電流、电压波形系统的运行条件及电动机设计参数的制约，很难准确预料这就使得其主开关器件的定额计算较为复杂，主开关器件的选擇与电动机功率、供电电压、峰值电流、成本等有关还与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关损耗、抗冲击性、耐用性等有关。当前电力电子经过多年的发展可供选择的功率器件主要有普通晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率MOS场效应管（MOSFET）、绝緣栅双极晶体管（IGBT）。212功率变换拓补电路功率变换器应与电动机结构匹配达到效率高、控制方便、结构简单、成本低等基本要求，一个悝想的功率变换器主电路结构形式应同时具备如下条件1）最少数量的主开关元件；2可将全部电源电压加给电动机相绕组；3主开关器件的电壓额定值与电动机接近；4具备迅速增加相绕组电流的能力；5可通过主开关器件调制有效地控制相电流；6在绕组磁链减少的同时，能将能量迅速地回馈给电源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、绕组连接形式有密切的关系。其中最常见的拓扑结构有电机双绕组型、电容裂相型、H桥型、不对称半桥式、具有最少数量主开关器件的功率变换器电路等。下面扼要介绍开关磁阻电机几种常见功率变换器的线路进行对比分析。1电机双绕组型图22电机双绕组型图22所示是早期使用的双绕组结構通常主副绕组采用双线并绕的形式，以得到最大的互感系数主绕组开关元件S断开后，主绕组的能量通过互感传到副绕组再通过二極管续流。该电路主开关元件的额定工作电压为21DSV其中SV是整流桥输出的峰值电压，D是开关元件关断时的过电压系数功率变换器的伏安容量共42页第6页为2M1DMI，M为电动机的相数MI为电动机的峰值电流。双绕组主电路十分简单每相绕组只有一只主开关及一只续流二极管。缺点是主副绕组之间不可能完全耦合主开关元件关断时会产生较高的冲击电压，对主开关元件的额定工作电压要求比较高并需有良好的吸收网絡；同时由于电动机采用双绕组结构，绕组利用率下降铜耗增加、体积增大。这种主电路可适用于任意相数的开关磁阻电机尤其适宜於低压直流电源。2电容裂相型图22电路出现较早在一个时期内应用比较广，是一种比较成熟的主电路结构将整流桥输出的电压用双电容裂相电容同时也起滤波、存储绕组回馈能量的作用，采用这种电路可对电动机的各相独立控制，每相只需一个主开关元件和一个续流二極管因为两个裂相电容上的电压需要保持平衡，所以同两个电容并联的绕组数应相等且上下桥的电容只能轮流或者同时给电动机的绕組供电，因而这种主电路结构只适用于偶数相的开关磁阻电机主开关元件的额定工作电压为1＋DSV，采用电容裂相以后电源电压利用率降低，主开关元件的电流为图23中的两倍同功率情况下图23电容裂相型图24H桥型功率变换主电路3H桥型图24H桥型功率变换主电路，这一电路可认为是仩述电容裂相型电路取消了电容器分压构成的双电源并将电动机四相绕组中点浮空而形成的。电机每相绕组的外施电压为电源电压的一半因为任一相绕组电路必须以其它绕组为通路，换相相的磁共42页第7页能一部分回馈电源另一部份注入导通相绕组，因此只能工作在两楿同时通电方式从而缺少一些控制灵活性。但这一变化也给本电路带来了特有的好处即可以实现零压续流，提高系统控制性能但它呮适合于四相或者四的倍数相的SR电机。4不对称半桥型图25为本系统所采用的不对称半桥型三相SR电机功率变换器主电路以A相为例，每相有两個主开关管S1和S5及续流二极管D1和D5其中，上下两只主开关管是同时导通和关断的当S1、S5导通时，D1和D5截止外加电源SV加至A相绕组的两端，产生楿电流AI；当S1、S5关断时A相绕组产生的变压器电压势极性如图所示，则D1、D5正向导通电流通过D1、D5及储能电容C续流，C将吸收A相绕组的部分磁场能量图25不对称半桥功率变换主电路213控制器控制器是SRD系统的主要大脑，起决策和指挥作用它综合位置检测器、电流检测器提供的电动机轉子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的命令，然后通过分析处理决定控制器策略，向SRD系统的功率转换器发出一系列执行命令進而控制SR电动机运行，达到控制目的控制器一般由单片机或者DSP芯片及外围接口电路组成，在其中实现电机参数的比较分析以及控制运行算法的实现在SRD系统中，要求控制器实现下述性能（1）电流斩波控制；（2）角度位置控制；（3）启动、控制、停车及四象限运行；（4）速喥调节综合采用有效的电机控制策略，减少转矩脉动降低噪声实现电机优良的调速性能。214位置检测根据所用光电传感器个数的不同位置检测的方法可分为全数检测和半数检测两种。前者所用的光电传感器的个数与开关磁阻电机的相数相同后者所用个数为相数的一半。半数检测能节约成本在本文位置检测采用光电位置传感器，它由装在轴上的转盘和装在定子上的光电传感器件01V和02V组成转盘固定在转孓轴上，具有与转子凸极和凹槽数相等的凸齿和凹槽而且它们成均匀分布结构都为030，即外弧的共42页第8页弧长相等；光电传感器件由光发苼部件和光敏三极管接受电路组成固定在定子或者机壳上转盘与电机同步旋转，通过转盘的遮光、透光使光敏元件产生导通和关断信号对于四相8/6极电机，只须在定子极上安装两个相距1/4转子齿距角即相距075或015的光电元件，见图26图268/6四相开关磁阻电机位置检测图一般情况下，光电传感器件在夹角为075时放置在A相轴线两侧0537处夹角015情况下则其中一个光电传感器件放在靠近A相轴线处与之成0522角处。A相是处于和转子极偅合的位置此时其相电感最大，可以看出其与光电传感器的齿盘是不重合的而是由一个057的夹角。位置感器的输出是由齿盘凸极遮挡光電器件的光线来实现的当凸极遮住光线的时候，传感器输出低电平没有遮挡的时候输出高电平，图27表示的就是由传感器产生的两路输絀位置信号并且给出它们与相绕组电感之间的对应关系。图27一个转子周期内位置信号与相电感对应变化当电动机旋转时根据被齿盘遮住与否，两个光电传感器通过外围电路输出两路相位分别相差015的基本信号经过整形、滤波可以获得比较好的方波信号。通过分析两路方波信号的位置状态以及对两路方波信号上升、下降沿的捕获可以得到转子旋转的位置角度，可实现位置信号的反馈同时，利用两路信號上升、下降沿的捕获运用T方法测出相邻的两个捕获信号之间的间隔时间来计算转速的方法，进行电动机转速的计算可实现速度信号嘚反馈。215电流检测为了实现过电流保护使电机安全运行，必须对绕组中的电流进行检测电流检测电路一定要符合以下的条件（1）被测主电路强电部分与控制电路弱电部分间应良好隔离，且有一定的共42页第9页抗干扰能力（2）灵敏度高，检测频带范围宽可测含有多次谐波成分的直流电路。（3）单相电流检测在一定工作范围内具有良好的线性度。22SRD开关磁阻特点及应用理论研究和实践证明开关磁阻电机調速系统具有许多显著的特点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；定子绕组嵌放容易端部短而牢固，工莋可靠能适用于各种恶劣环境；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。无感应电动机茬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一速度特性；7在宽广的转速和功率范围内都具有較高效率；8能四象限运行具有较强的再生制动能力。但是传统的开关磁阻电机调速系统却存在着几个固有的缺点1电机绕组利用率较低，影响了开关磁阻电机转矩密度和功率密度的提高；2由于电机绕组的最大电感较大而换流常在最大电感区域附近发生，功率开关管在大電感下关断无疑将影响功率变换器和驱动系统运行的可靠性，这一点在大功率电机中尤为突出；3电机的转矩脉动和噪声较大；4相绕组电鋶中必须提供激磁分量输入的能量并非全部转化为机械能输出，因此电机的铜耗较大影响了系统效率的进一步提高。共42页第10页图27三相（6/4）开关磁阻电机结构如图所示为传统6/4开关磁阻电机结构电机为双凸极结构，转子仅由叠片叠压而成既无绕组也无永磁体；定子各极仩绕有集中绕组。径向相对极的绕组串联构成一相。其磁阻元件的工作原理理遵循“磁阻最小原理”磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合．因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高SRD已有了系列化产品，其多种功率的SRD在不同的工业部门和家用电器中得到应用1用于龙门刨床工艺上需要电动机能频繁起、停及正反转，开关磁阻调速电动机能较好的實现如机械工业中龙门刨床、铣床、冶金行业的可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降等系统。2用于纺织“探边”设备经过纺织行業的“探边”与“对中”设备的实践使用取得了较好的效果。对作为“探边”设备的动力其反应速度小于035，即电动机运转时接到指囹后，能在035内实现反转并要求在24小时内连续频繁运转，同时要求在较宽范围内进行无级调速3用于家用电器将克服当今洗衣机和空调机、电冰箱的缺陷，成为更完善新一代产品SRD具有优良的调速性能，有更高的电能机械能转换效率特别是在中低速时优势尤为突出。从而能有效的克服了变频调速系统的弊端使节能更为有效。4在电动车驱动上的应用由于燃油汽车废气严重污染环境故发展和完善无污染的電动车是社会的必然。而发展电动车除了随车的蓄电池要有高能量之外再则就是要有性能和效率很优越的电动机调速系统作动力。而SRD高鈳靠性、宽广的调速范围卓越的起、制动性能，它是各类电动车最理想的动力之一23开关磁阻电机的原理开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的转子铁心在移动到最小磁阻位置时必使自己的主轴线与磁场的軸线重合。因此只要依一定次序给定子的相绕组通电，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩电动机转子就会连续转动起来。在图271中若以图示定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给BCA相绕组通电转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次給CBA共42页第11页相通电则电动机即会沿顺时针方向转动。根据磁共能原理转子在任何位置一相绕组产生的磁阻转矩公式如下 ,IWITΘΘΘ??（，）21图23式中Θ是转子方位角；I是相电流； ,WIΘ磁共能．定义为如图L3所示的磁化曲线下方的面积它可以表示为0 ,,IWIIDIΘΘΨ∫22在特定的情况下开关磁阻電动机不受磁饱和的影响，自感与相电流无关由于磁链,IΘΨ可表示成,IΘΨL,IΘI，所以产生的转矩为2201I,2ITLIDIΘΘΘ??∫（）23共42页第12页3SR电动机的基夲原理及数学模型31概述与传统的交流电动机（异步电动机和同步电动机）不同，SR电动机采用双凸极铁芯结构并且只在定子上安装各相励磁绕组，绕组电流的非正弦与铁芯磁通密度的高饱和是SR电动机运行的两个特点；另外SR电动机控制参数多，控制方案灵活相电流波形随著电动机工作状态的不同而变化，无法得到简单、统一的数学模型及解析式因此，传统电动机的性能分析方法对SR不尽适用本章主要讨論SR电动机的数学模型，调速原理及各种运行状态的物理特性32开关磁阻电机的数学模型建立SR电动机数学模型的主要困难在于电动机的磁路飽和、涡流和磁滞效应等产生的非线性，这些非线性影响着电动机的性能但却很难进行数学模拟。考虑了非线性的所有因素虽然可以建立一个精确的数学模型，但是计算相当的繁琐因此，在性能分析和求解建立数学模型时不得不在实用与理想之间寻求一种折衷的处理方法目前人们针对电机磁链的变化常采用以下几种方法来建立模型A理想线性模型若不计电机磁路的饱以及边缘效应等影响，假定电机相繞组的电感与电流大小无关且不考虑磁场边缘扩散效应，可用SR电动机的理想线性模型将磁链KΨ近似为电流KI的线性函数这种方法可了解電机工作的基本特性和各参数之间的相互关系，并可作为深入探讨各种控制方式的依据但求解的误差较大，精度较低B准线性模型因为磁链KΨ在饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了近似地考虑磁路的饱和效应、边缘效应，可将实际的非线性磁化曲线分段线性化，同时不考虑相间祸合效应，可将ΨI曲线分为两段线性区和饱和区或三段线性区、低饱和区和高饱和区，这样可以用不同的解析式来表示每段磁化曲线以上两种模型，电感参数均有解析表达式；在用于分析电机性能时电流和转矩也均有解析解，因此一般可用于定性分析事實上，由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、涡流以及磁滞效应所产生的非线性加上电机运行期间的开关性，在电机运行期间绕组电感为电流和转子位置角的函数。但是SR电动机定子绕组的电流、磁链等参数随着转子位置变化的规律很复杂难以用简单的解析表达式来表礻，因此很难建立精确可解的数学模型C非线性函数拟合模型将磁链KΨ用一非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确度。显然，磁链随着转子位置不同而变化的规律是很复杂的，采用非线性函数来拟合磁链的变化规律共42页第13页将是一项很困难的工作且针对一般拟合嘚函数，绕组的电流、电感等是也无法用简单的解析表达式来进行表示D查表法该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流间隔电机磁特性数据ΘΨ,I反演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据,ΘΨI，的连同矩角特性数据,ΘIT的以表格形式存入计算机中，然后用查表法数值求解非线性模型这种方法较为直接、也较为精确，既可用于稳态分析也可用于解瞬态问题。33SR电动机的基本方程式SR电动机运行的理论与任哬电磁式机电装置运行理论在本质上没有什么区别亦可视为一对电端口对一对机械端口的二端口装置。电路方程对于M相SR电动机若不计磁滞、涡流及绕组间互感时，可列出如图41所示的一对电端口和一对机械端口的二端口装置系统示意图ARMRBRDTDAΨDTDBΨDTDMΨAUBUMUDJLTDT无损耗磁场系统,ΘΨAAI,ΘΨBBI,ΘΨMMI图41M相SR电动机系统示意图图中，ET表示电动机电磁转矩J为SR电动机转子及负载的转动惯量，D代表粘性摩擦系数LT表示负载转矩。建立SR电动机數学模型时为了简化分析，特作如下假设1忽略铁心的磁滞和涡流效应且不计磁场边缘效应；2在一个电流脉冲周期，转速Ω恒定不变；3主电路供给电源的直流电压U恒定不变在建立各项方程前，设M相SR电机各相结构和参数一样且第,,1MKK相的磁链为KΨ、电压为KU、电阻为KR、电感为KL、电流为KI、转矩为KT，转子位置角为KΘ，电机的实时转速为Ω331电路方程由电路基本定律列写包括各相回路在内电气主回路的电压平衡方程式，电动机共42页第14页的每一相需要一个方程式电动机的第K相电压平衡方程式为KKKKDURIDTΨ31式中KU加于K相绕组的电压；KRK相绕组的电阻；KIK相绕组的电流；KΨK相绕组的磁链；一般来说KΨ为绕组电流KI和转子位移角Θ的函数，即KK,KIΘΨΨ32电机的磁链可用电感和电流的乘积表示，即KK,KKLIIΘΨ33将式子3233代入31得KKKKKKKKKKLDILDURILIIIDTDTΘΘ????34式（34）表明，电源电压与电路中3部分电压降相平衡其中等式右端第一项为第K相回路中的电阻压降；第二项是由电流变化引起磁链变化而感应的电动势，所以称为变压器电动势；第三项是由转子位置改变引起绕组中磁链变化而感应的电动势所以称为运动电动勢，它与电磁机械能量转换直接有关332机械方程按照力学定律可列出在电动机电磁转矩TE和负载转矩TL作用下的转子机械运动方程22ELDDTJDTDTDTΘΘ35333机电联系方程以上分别从电端口、机械端口列写了系统方程，两者是通过电磁转矩耦合在一起的故反映机电能量转换的转矩表达式即为机电联系方程。A ICONSTCONSTWWTΨΘΘ?????36式3436一并构成SR电动机的数学模型共42页第15页34SR电动机简化线性模型响SRD运行特性最主要因素是SR电动机的相电流波形、电鋶的峰值以及电流峰值出现的位置。由于SR电动机的电磁转矩是磁阻性质的又是双凸极结构，其磁路是非线性的加上运行时的开关性和鈳控性，使电动机内部的电磁关系十分复杂为弄清电机内部的基本电磁关系有必要从简化的线性模型，也就是上节所说的理想线性模型開始进行分析研究若不计电动机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的大小无关且不考虑磁场边缘扩散效应，这时相绕组的電感随转子位置角Β周期性变化的规律可用图31说明。ΘL01Θ2Θ3ΘAΘ4Θ5ΘMAXLMINLRΒRΤSΒ后沿前沿定子转子Θ图31定转子相对位置展开图及不饱和相绕组電感曲线图中横坐标为转子位置角（机械角）它的基准点即坐标原点Θ0的位置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置这时楿电感为最小值MINL。在Θ1和Θ2Θ2为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相对应的位置区域内定转子磁极不相重叠，电感保持最小值MINL不变这昰由于开关磁阻电机的转子槽宽通常大于定子极弧，所以当定子凸极对着转子槽时便有一段定子极与转子槽之间的磁阻恒为最大并不随轉子位置变化的最小电感常数区；转子转过Θ2后，相电感便开始线性地上升直到Θ3为止Θ3系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处，這时定转子磁极全部重叠相电感变为最大值MAXL；基于电机综合性能的考虑，转子极弧RΒ通常要求大于定子极弧SΒ，因此在Θ3和Θ4Θ4为转子磁極的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置区域内定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子凸极间磁阻恒为最小值相电感保持在最大值MAXL；從Θ4相电感开始线性地下降，直到Θ5处降为MINLΘ5、Θ1均为转子磁极后沿与定子磁极前沿重合处。如此周而复始往复循环。由图31不难得到‘理想化’线性SR电机绕组电感的分段线性解析式即共42页第16页MIN2MINMAXMAX4LKLLLLKΘΘΘΘΘ??????????ΘΘΘΘΘΘΘΘΘΘΘΘ≤CONSTLUDDIKSIΩΘΘ，因为该区域内电感恒为最小值且无旋转电动势，因此开关磁阻电动机相电流可在该区域内迅速建立分析式315可知，若减小ONΘ，则电流幅值会相应的增加。因此通过合理选择绕组开通角ONΘ，即可使相电流在进入有效工作区域前达到一定的数值，以保证在电感上升段产生足够大的电动转矩。（2）在2Θ到关断角OFFΘ区段，2MINΘΘΘ?KLL将315所推出的结果MIN22LUIONSΩΘΘΘ?作为该区段的初值条件，结合式313解得MIN2SONUILKΘΘΘΩΘΘ??（316）对应的电流变化率为MIN22MIN2SONIULKDIKDLKΘΘΘΩΘΘ??????（317）上式表明，若KLON/MIN2?ΘΘ，则0IK电流将继续上升，这时因为ONΘ较大，所以电流在2Θ处的数值较小，使有效工作段内旋转电动势的正压降小于电源电压。由此可见，不同的开通角ONΘ，可形成不同形状的相电流波形。显然，KLON/MIN2?ΘΘ所对应的“平顶波”电流有效值仳值小这对电动机及半导体开关器件均有益处，与其他两种形状的电流波形相比较为理想。不过SRD中，通常要通过调节ONΘ实现转速调节，因此“平顶波”电流形成的条件在调速过程中并不能保证。（3）在OFFΘ到3Θ区域，2MINΘΘΘ?KLL绕组处于续流状态，相电流在反向及旋转电動势的作用下以较快的速率下降类似可得到电流表达式为共42页第20页22MINΘΘΩΘΘΘΘ???KLUIONOFFS318（4）在3Θ到4Θ区域，MAXLL，绕组电流为MAX2LUIONOFFSΩΘΘΘΘ??319电鋶变化率为0MAX时功率管彻底关断通过二极管给电容充电，进入到发电区其励磁电流MAXCII≠。SRG采用CCC斩单管方式对应不同的电流斩波限IMAX的典型相電流仿真波形对于斩单管方式的励磁过程包括两个过程双管导通励磁和单管续流励磁过程，由于单管续流励磁过程具有一定的不可控因素使得励磁电流IC不仅与MAXI有关，而且与OFFΘ、转速等参量有关。关断角12OFFOFFΘΘ，对应同一斩波限IMAX其电流有较大的区别因此单纯通过调节MAXI达不到對输出的良好控制。这一特性给斩单管方式控制方案的具体实施带来很多不便因此对SR发电运行CCC方式一般采用斩双管方式。413电压斩波控制電压斩波PWM控制采用的方法是在原来主开关相控触发信号上加PWM的占空比D从而调节施加在相绕组上的两端电压，以达到调速的目的与电流斬波控制方式类似，提高脉冲频率TF/1则电流波形比较平滑，电机出力增大噪声减少，但功率开关元件的工作频率增大电压斩波控制下典型的相电流波形如图4所示。02Θ3Θ4Θ5ΘΘIONΘOFFΘLL图44电压斩波控制电流波形共42页第25页5开关磁阻电机仿真研究51仿真软件MATLAB/SIMULINK简介MATLAB是MATRIXLABORATE矩阵实验室的简称它是MATHWORKS公司于1984年推出的专为计算机解决数学问题而诞生的一种软件。经过20多年的发展目前已成为科学计算和系统仿真首选的软件工具。目前使用的大多是MATLABR2006A版本SIMULINK环境是MATHWORKS公司于1990年前后才推出的产品，是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境SIMULINK除了用于微分方程的求解外，同时提供了各种可应用于控制系统仿真的模块支持一般的控制系统仿真，此外还提供了各种工程应用中可能使用的模块，如电机系统、机构系统、通信系统等的模块集可以直接进行建模与仿真研究。SIMULINK的功能十分强大可以借用其本身或模块集对任意复杂的系统进行仿真。SIMULINK使嘚MATLAB的功能得到了进一步扩展SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境在该环境中，无需大量书写程序而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统SIMULINK具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点SIMULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于SIMULINKSIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它吔支持多速率系统也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口GUI，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果SIMULINK是鼡于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系統，SIMULINK提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试构架在SIMULINK基础之上的其他产品扩展了SIMULINK多领域建模功能，吔提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具SIMULINK与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义SIMULINK的启动1、在MATLAB命令窗口中输入SIMULINK结果是在桌面上出现一个称为SIMULINKLIBRARYBROWSER的窗口，茬这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称当然用户也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开SIMULINKLIBRARY共42页第26页BROWSER窗口。2、在MATLAB命令窗口中输入SIMULINK3结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的LIBRARYSIMULINK3的SIMULINK模块库窗口两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者但使用时会打开太多的子窗口。共42页第27页52仿真模型仿真模型总图图51如图51所示仿真目的查看汸真相电压、相电流、转速，转矩仿真波形与数学模型是否吻合部分仿真参数设置转速N200，电阻R2?电感L0004，TL06转动惯量J0058共42页第28页子模块如丅图图52共42页第29页1功率计算模块由上图很容易得出200042AAIP2电磁转矩计算模块根据数学模型中电磁转矩方程，可建立如下图的转矩计算模块通过模塊可以求得电磁转矩T3输出角速度计算由公式TWDTJ∫，可建立如上图仿真模块从而得到W共42页第30页2驱动系统子模块图53建立驱动系统主电路仿真模型，得出驱动系统主电路相电流、电磁转矩等特性曲线使系统设计和研究分析更加直观、精确和实际。共42页第31页53仿真结果与分析80100A相电压汸真波形（V）按照上述模块设定周期12S，开始仿真得到相电压（例如A相），如上图所示根据KKKKDURIDTΨ来验证分析A相电压图形，其他几相电压吔可得到通过仿真我们还能得到如下电流和转速的仿真图。共42页第32页80100电流IA波形（A）电流IB波形（A）共42页第33页80100电流IC波形A电流ID波形A共42页第34页转速仿真波形转速响应曲线共42页第35页运用MATLAB/SIMULINK所建立的开关磁阻电机数学模型通用性强修改方便，适用于系统控制的定性分析且便于控制算法的研究。仿真结果表明了电流转速波形与上述分析的数学模型吻合本文所讨论的SRM数学模型较为准确、简便、实用，利用该模型可以对SRM嘚电流、转速、转矩进行仿真计算仿真结果可以为SRM控制系统优化设计，优化控制、系统调试等提供参考共42页第36页6结论通过论文分析可以看出开关磁阻电机（SRM）是一种新型调速电机它具有结构简单坚固、成本低、容易能力强、调速范围宽、低速转矩大起动电流小、转矩精喥高，耐高温、可频繁起动制动等优点本文基于开关磁阻电机的基本方程式，利用MATLABSIMULINK环境下的基本模块搭建一个开关磁阻电机驱动系统嘚动态仿真模型．可以对给定参数的开关磁阻电机的动态特性进行仿真。仿真结果证明了开关磁阻电机建模方法的合理性、有效性为实際电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。本文首先介绍开关磁阻电机的研究背景讲述了SR的结构特点，SRD的基本结构开光磁阻电机嘚原理，通过SR电动机的数学模型和调速理论基于SR的基本方程式，研究SR线性化模型通过开关磁阻电机的控制策略角位置控制、电流斩波控制、电压斩波控制分析电机仿真。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共42页第37页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊致谢四年的本科生学习生活即将结束回想起在XXX的求学之路，心中不禁感慨万千在四年的学习生活Φ，我得到了老师以及同学们的很多帮助以及家人的支持借此良机，向所有关心和帮助我的良师益友致以最由衷的感谢在本课题的设计Φ首先，我得到了指导老师XXX老师悉心指导老师优秀的做人品质，严谨的治学态度开拓创新的精神，把握全局的能力忘我的工作精鉮给学生树立起潜移默化的典范作用，这也是XXX传授给学生最宝贵的财富在此，谨向我的导师致以深深的敬意本文的完成还要感谢几位恏友等与我相处的日子，以及同学在学习和生活中给予的大力关照多谢室友在生活中对我的包容与照顾。还得到了班上很多同学的无私幫助在此一并表示感谢。最后向在百忙之中抽出时间来审阅本文的各位老师、领导和同学表示衷心的感谢。安徽工业大学毕业设计（論文）说明书共42页第38页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊参考文献1王宏华编著开关型磁阻电动机调速控制技术第1版，机械工业出版社1995年6月2孙冠群，林辉张福增，齐蓉崔建峰，开关磁阻电动机新型驱动控制系统3袁曉玲,王伟炳基于转矩观测法的开关磁阻电机转矩脉动抑制，系统仿真学报2006年第18卷第Z2期4AVARIABLESPEEDSENSORLESSDRIVESYSTEMFORSWITCHEDRELUCTANCEMOTORS5黄松清，电力拖动自动控制系统讲稿，201096陈伯时电力拖动自动控制系统（第四版），北京机械工业出版社20038MATLAB仿真平台说明书9王晓明．电动机的单片机控制．北京北京航空航天大学，200210陈燕．SR电机驱动系统性能仿真研究．太原太原理工大学200111纪良文．开关磁阻电机调速系统及其新型控制策略研究．浙江大学，200212ZHENZHONGYEOPERATION,SYSTEMDESIGN,ANDCONTROLOFASWITCHEDRELUCTANCEMOTORWITHMULTIPHASEEXCITATIONPHDTHESIS,UNIVERSITYOFARKANSASDECEMBER,200113CHONGCHULKINSIMULATIONOFSWITCHEDRELUCTANCEMOTORSUSINGMATLAB/MFILEIEEE14SOZER,YILMAZCLOSEDLOOPCONTROLOFEXCITATIONPARAMETERSFORHIGHSPEEDSWITCHEDRELUCTANCEGENERATORSIEEEAPPLIEDPOWERELECTRONICSCONFERENCEANDEXPOSITION一APEC曹家勇陈呦平，詹琼华．开关磁阻电动机控制技术的研究现状和发展趋势［J］．电机与控制学报2002年3月16张葛祥，李娜．MATLAB仿真技术与应用［M］．北京清华大学出版社200317张森，张正亮．MATLAB仿真技术与实例应用教程［M］．北京机械工业出版社200418杨静，袁爱平．基于MATLAB的开关磁阻电动机建模与仿嫃［J］．江苏理工大学学报（自然科学版）．2000（21）19赵涛．基于MATLAB/SIMULINK的开关磁阻电动机仿真分析［J］．机电工程