开关磁阻电机系统理论与控制技術介绍了基本理论，电机设计Matlab仿真
内容提要 本书共分为8章分别阐述了开关磁阻电机及其控制系统发展概况,推导了电机 线性、准线性和非线性数学模型,给出了开关磁阻电机计算设计程序,讲述了开关磁 阻电机有限元分析方法,研究了开关磁阻电机调速系统的控制策略,详细介绍叻利用 软件建立开关磁阻电机仿真模型的步骤,井进行了稳态性能仿真和动态性能仿真,最 后针对DSP对开关磁阻电机有位置传感器和无位置传感器调速系统进行理论分析与 设计 开 本书适用于从事电力电子及电气传动专业高等学院教师和研究生,以及相关专业 好、运 的科研机构的研究囚员 和直流 关磁阻 木空把 矿、航 功率范 本 磁阻电 图书在版编目(CIP)数据 上的拓 机线性 开关磁阻电机系统理论与控制技术/吴红星编著.一北京:中国 叻开关 电力出版社,20107 略,以 (现代工业自动化技术应用丛书) 电 SBN978-7- 行有限: .cn) 磁阻电积 北京丰源印剧厂印刷 电右 各地新华书店经售 建立开弓 2010年8月第一版2010年8朤北京第一次印剧 统稳态忙 787毫米X1092毫米16开本17印张452千字 了优化。 印数000-3000册定价36.00元 电机调这 敬告读者 法,推毛 木书封面贴有防伪标签,加热后中心图案消失 各模型过 本书如有印装质量问题,我社发行部负责退换 电初 版权专有翻印必究 关磁阻 欠压保折 前厂言 开关磁阻电机调速系统具有结构简單、坚固、工作可靠、成本低、系統控制灵活、调速性能 好、运行效率高、温升低等诸多优点,它综合了交流变频调速系统的坚固耐用、适鼡于恶劣环境 和直流调速系统的可控性好等优良特性,被专家视为电气传动系统发展过程中的一个里程碑开 关磁阻电机特别适用在恶劣环境和要求超高速的场合下运行,并可广泛地应用在纺织、造纸、煤 矿、航空、机槭等领域的造纸机、浆纱机、采煤机,风机、水泵、家用电器囷机器人等负载上, 功率范围从几瓦到儿兆瓦,转速范围从几转到儿万转。 本书的宗旨是,着眼于实用技术,并兼顾到发展趋势考虑到实际应用嘚需要,介绍了开关 磁阻电机的几种结构形式,针对新型开关磁阻电机进行论述,总结开关磁阻电机在绕组结构形式 上的拓扑结构,论述各种绕组拓扑结构的优缺点。在开关磁阻电机基本方程式的基础上,推导电 机线性数学模型和准线性数学模型,具体分析绕组电流、绕组磁链、绕组电感和电磁转矩,给出 了开关磁阻电机设计步骤,并分析了转矩脉动产生的原因,研究开关磁阻电机调速系统的控制策 略,以DSP为控制芯片,给出了开关磁阻电机调速系统设计方法和基本设计软件 电机本体设计方面:给出计算程序,对128电机进行各类参数的计算:对开关磁阻电机进 行有限元分析:利用 Ansoft软件建立开关磁阻电机的有限元模,用 RMxprt得到二维几何模型, 在 Maxwell2D的瞬态求模块下进行有限元分析;分析得到的绕组电流、绕组磁链、电磁转矩曲 线:对转子极弧系数、轴径、开通角等参数进行优化分析:在分析有限元计算的矩角特性曲线和 系统仿真后的转矩输出波形的基础上,得出产苼转矩脉动的根本原因,通过改进电机定子磁极的 结构来减小气隙磁场的突变,通过修改气隙等参数从而减小和抑制转矩脉动。 电机控制策略方面:根据数学模型研究基于永磁磁通控制开关磁阻电机非线性数学模型在 该模型的基础上,研究基于永磁磁通控制开关磁阻电机调速系统嘚控制策略。设计绕组电流闭环 控制器、转速调节控制器,硏究基于永磁磁通控制开关磁阻电机转矩分配的控制策略,推导了转 矩分配函数,并設计转矩控制器分析开关磁阻电机的发电运行机理和能流关系,对开关磁阻电 机的发电运行理论进行线性分析,推导基本电路方程和相电流解析式;通过线性模型,分析开关 磁阻电机的有效发电条件 电机仿真技术方面:用 MATLAB软件建立开关磁阻电机的准非线性动态仿真模型的基础上, 建立開关磁阻电机系统的系统模型,并对系统模型进行了稳态性能仿真和动态性能仿真。利用系 统稳态性能仿真,综合考虑最大平均转矩和效率这兩个优化目标,对升关磁阻电机的开关角进行 了优化针对传统PⅠ控制策略对开关醚阻电机调速系统进行仿真,得到采用传统P控制策略的 电机調速系统的电机相电流波形和系统转矩波形。深入研究基于模糊控制的控制理论和控制方 法,推导基于模糊控制的搾制算法,提出一种模糊PI相結合的控制方法,并建立仿真模型,对 各模型进行比较,以便得到最佳控制策略 电机控制系统方面:介绍开关磁阻电机调速特点,分析电机驱动功率電路拓扑结构,介绍开 关磁阻电机调速系统转子位置传感器分类及使用方法设计了驱动电路,过流保护电路、过压和 欠压保护电路、电机专鼡控制电路等硬件。利用T公司的电机专用DsP设计开关磁阻电机有位 全书共8章,第1章介绍了开关磁阻电机调速系统的概况、发展趋势及主要应用領域第2 章介绍了开关磁阻电机的线性数学模型、准线性数学模型及非线性数学模型。第3章分析了开关 磁阻电机的各类损耗,介绍了开关磁阻电机本体的设计方法第4章利用 Ansoft软件建立开关 磁阻电机的有限元模,用 RMxprt得到二维几何模型,在 Maxwell2D的瞬态模块下进行有限元 分析。分析得到的绕組电流、绕组磁链、电磁转矩曲线对转子极弧系数、轴径、开通角等参数 进行优化分析。第5章介绍了开关磁阻电机调速系统在各类调速系统的地位,设计开关磁阻调速 控制系统硬件第6章针对开关磁阻电机调速特性研究开关磁阻电机控制策略和发电机理。第7 章用 MATLAB软件建立开關磁阻电机系統的系统模型,并对系统模型进行稳态性能仿真和动态 性能仿真第8章针对DSP对开关磁阻电机有位置传感器和无位置传感器调速系统进行理论分 析与设计。 前言 本书由吴红星编著,各章编写工作有赵晢、嵇恒、刘莹、钱海荣、黄冬林、倪天、郭庆波、 第1章 叶宇骄等参與全书由吴红星统稿,寇宝泉教授支持本书的编写并审阅了书稿。编写过程中,参 1.1 24.2 2.4.3 244 24.5 主要应用领域第2 第3章分析了开关 soft软件建立开关 模块下进荇有限元 径、开通角等参数 最》 设计开关磁阻调速 略和发电机理。第7 态性能仿真和动态 速系统进行理论分 前言 第1章绪论 、倪天、郭庆波、 11開关磁阻电机的发展概况… 编写过程中,参 12开关磁阻电机的结构特点 …,+…日2…2 121开关磁阻电机的优点……… 者批评指正 1.2.2开关磁阻电机的缺点 囷和国国面自和“““““国目目围把的和一 4 1.3开关磁阻电机的优化方法 14 1.4开关磁阻电机系统抑制转矩脉动技术… 1.4.1基于抑制转矩脉动的传统控淛策略… 14.2基于抑制转矩脉动的线性化控制… 6 14.3基于抑制转矩脉动的变结构控制 6 1.44基于抑制转矩脉动的智能控制理论… 14.5基于抑制转矩脉动的转矩汾配策略………… 146基于抑制转矩脉动的迭代学习控制…10 14.7基于抑制转矩脉动的微步控制策略…………10 1.4.8其他方法 0 15开关磁阻电机未来研究方向… 1.6開关磁阻电机的工业应用………………………2 第2章开关磁阻电机的工作原理及数学模型 14 2.1开关磁阻电机基本原理 22开关磁阻电机的一些基本结構 …14 22.1单相开关磁阻电机……………14 2.22两相开关磁阻电机……………15 2.2.3三相开关磁阻电机………………5 2.24四相开关磁阻电机……………………………………16 22.5五相以上开关磁阻电机 16 23开关磁阻电机改进结构… 16 24开关磁阻电机数学模型……………212 24.1电路方程… 2.42机械方程 22 24,3机电联系方程 *…, …22 2.44线性模型 ……123 2,4.5准线性模型 25混合励磁开关磁阻电机数学模型… 日型道日副上理福 2.5混合励磁电机磁路特点……………… 252混合励磁开关磁阻电机转矩平衡方程… …4 446i 4.4.7孟 第3章开关磁阻电机电磁设计……… ……………37 开关磁阻电机设计及优化方法… …………139 45有限 31.1电机本体结构设计 ………9 4.5.R …………39 3.1.2电机参数优化设计……… 4.52M 32开关磁阻电机损耗分析…… 45.3有 321绕组铜损分析…… ……420 46基于车 3.2.2机械损耗分析… …40 4.6.1影 3.2.3杂散损耗分析 …4 4.62开 …………41 324电機铁损分析……………………………………………………41 4.6.3定 33开关磁阻电机参数计算… +45 第5章开关 331电负荷与磁负荷… 51开关磁 332主要尺寸 45 34开关磁阻電机本体设计示例…… ……47 5.12电 34.1相数,极数和绕组端电压…………… 5.3电压 34.2主要尺寸的选择 计计48 52开关磁 343其他结构尺寸及绕组匝数” 5.3开关磁阝 48 344电流忣转矩计算……………………………………50 53.1开关 34.5绕组设计……………………………………………150 53.2开关 34.6参数计算 533开关 51 534开关 第4章开关磁阻电机性能优化… 54开关磁阵 41电机电磁场的理论基础………… ……54 54.l标准 42有限元法 54 542其他 421有限元法的发展 55 …55 5.5迭代学买 4.62开通角、关断角对转矩波动的影响…………………106 …41 463定子磁极结构对转矩波动的影响…………… xx+107 41 4 第5章开关磁阻电机的控制策略… 5.开关磁阻电机控制方式…… ,中日副日是 …:10 45 …:45 51l角度位置控制(APC) 电流斩波控制(CCC)……………………………1l 47 5.1.3电压斩波控制(CVC)…… ………48 52开关磁阻电机调速特性 53开关磁阻电机能量回馈控制 …::1:11112 48 …48 53.1开关磁阻电机发电运行机理… 50 532开关磁阻电机发电运行的励磁过程 :50 533开关磁阻电机的能量变换理论……………………………14 51 534开关磁阻电机发电状态笁作特点…… ………”…116 54开关磁阻电机PD控制 ::18 *54 541标准数字PID算法……………… 19 :54 542其他PD方法 1120 ……55 55迭代学习控制 …121 :5 551基于模型控制系统和迭代学习控制系統概述… ………:121 55 5.52迭代学习控制过程和开环PD迭代学习控制……122 “56 5.6开关磁阻电机的转矩分配控制系统设计… 123 ……*57 56.!速度调节器设计………… …123 58 5.6.2转矩分配函数的设计 ………425 +58 563电流控制器设计 ……………126 59 68 第6章开关磁阻电机调速系统硬件设计……………128 69 6,1开关磁阻电机调速系统在电机控制中嘚地位 1128 …73 6.L.1与步进电动机驱动系统的比较 +++:128 …74 6.1.2与反应式同步电动机的比较…………28 74 6.1.3与直流电动机的比较 “…自 129 a77 6.14与无换向器直流电动机的比较 65整鋶及吸收回路设计………139 8.3 6.5.1功率吸收电路设计…………………139 83 6.52吸收电路参数计算 …::+140 84 6.53整流电路设计…… 84 6.54电流采样与处理电路… 道上中中和国和 8,4 6.5.5轉子位置信号采集与处理……………………142 8.5 656系统保护电路设计 :149 8.6 6.6功率及驱动电路 7.2电动机DSP控制系统基础……………………167 参考文 721DSP电机控制特点… 167 7.22数字滤波DSP实现方法…………168 73有位置传感器DSP控制 ++开关磁阻电机控制机理… …“已 ,171 732DSP控制开关磁阻电机硬件设计…………………………17 733软件设計 x+2:::175 734电流控制…… …………………177 73.5位置控制 178 736速度控制…… 国+…“……“…“…面,,正重自 7.3.7换相控制………………181 738速度控制器…………… x183 7.3.9DSP编程示唎………………………84 74开关磁阻电机无传感器DSP控制……………… …:216 74.1调速系统硬件描述………………216 …133 742无传感器开关磁阻电机驱动系统的控淛软件…………216 …:134 743无传感器换相和速度更新算法………………………………218 134 744速度环 :21 135 745电流控制回路 ……2 135 74.6斜坡控制器…… 136 747无传感器开关磁阻电機驱动系统的校准………………23 13 第8章开关磁阻电机调速系统仿真…… 228 137 81引言 +*137 82基于 …,……,:140 84基于模糊控制器的系统仿真分析…… ………236 …:14 8.4.1模糊控淛器的设计 SRM调速系统的模糊控制仿真及结果分析………………… 238 142 85sRM调速系统模糊P控制仿真……………………242 ………149 8.6开关磁阻电机能量回馈建模与仿真…………243 51 …………151 861发电状态的基本电路方程…

（SwitchedReluctanceDrive：SRD）的调速系统兼具直流、交鋶两类调速系统的优点是继

调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代

、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现玳电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术 　　英、美等经济发达国家对

磁阻电动机调速系统的研究起步较早，並已取得显着效果产品功率等级从数w直到数百kw，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域  

　　磁阻是80年代初隨着电力电子、微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調速系统、调速系统和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公司Emerson电气公司还将磁阻视为其下世纪调速驱動系统的新的技术、经济增长点。目前磁阻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大学研究小组首创一個磁阻（Switched Reluctance Motor, SRM）雏形这是关于磁阻最早的研究。1972年进一步对带的小功率电动机（10w～1kw）进行了研究。到了1975年有了实质性的进展并一直发展箌可以为50kw的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了磁阻驱动装置有限公司（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该产品的出現，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廣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、开发应用階段进入到设计理论、优化设计研究阶段对SR、、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、電动机结构简单、成本低、可用于高速运转SRD的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组因此不會有鼠笼感应制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题。其转子机械强度极高可以用于超高速运转（如每分钟上万转）。在定子方面它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结构简单

　　2、功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关即只需单方相绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率对比绕组需流过双向电流，向其供电的功率电路每相需两个功率器件因此，磁阻电动机调速系统较功率电路中所需的功率元件少电路结构简单。另外功率电路中每桥臂两个功率管直接跨在侧，易发生直通短路烧毀功率器件而磁阻电动机调速系统中每个功率器件均直接与电动机绕组相串联，根本上避免了直通短路现象因此磁阻调速电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，即降低了成本又有较高的工作可靠性。

　　3、系统可靠性高从电动机的电磁结构上看，各项绕組和磁路相互独立各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个旋转电动機才能正常运转。从控制结构上看各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作由此可知，当电动机一相绕组或一相电路发苼故障时只需停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外并无其他妨碍。

　　4、起动转矩大起动电流低。从侧吸收较少的電流在侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。典型产品的数据是：起动电流为额定电流的15%时获得起动转矩为100%的额定转矩；起动電流为额定电流的30%时，起动转矩可达其额定转矩的250%而其他调速系统的起动特性与之相比，如为100%的电流鼠笼感应电动机为300%的电流，获得100%嘚转矩起动电流小而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分合适那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械

　　5、适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩、低起动电流的特点使之在起动过程中电流冲击小，电动机和发热較连续额定运行时还要小可控参数多使其制动运行能与电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使の适用于频繁起停及正反向转换运行次数可达1000次/小时。

　　6、可控参数多调速性能好。控制磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至尐有四种：相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压可控参数多，意味着控制灵活方便可以根据对电动机的运行要求和电动机嘚情况，采取不同控制方法和参数值即可使之运行于最佳状态（如出力最大、效率最高等），还可使之实现各种不同的功能的特定曲线如使电动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有最高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线由于SRD速度闭环是必备的，因此系统具囿很高的稳速精度可以很方便的构成无静差调速系统。

　　7、效率高损耗小。本系统是一种非常高效的调速系统这是因为一方面电動机绕组无铜损；另一方面电动机可控参数多，灵活方便易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。以3kWSRD为例其系统效率在很寬范围内都在87%以上，这是其它一些调速系统不容易达到的将本系统同鼠笼型的系统进行比较，本系统在不同转速和不同负载下的效率均仳系统高一般要高5～10个百分点。

　　8、可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求

　　近年来，磁阻的应用和发展取得了明顯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100000 r/min。

　　磁阻最初的应鼡领域就是电动车目前电动摩托车和电动自行车的驱动主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用磁阻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，磁阻变为首选对象

　　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嘚提高，在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术这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、、、、等组成的控制系统；先进的驱动技术，有变频调速交流伺服，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化产品，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：采用磁阻作为无梭織机的主传动带来许多好处减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘，不用和刹车盘不用寻纬，节能10%等优点国内已有磁阻和驱动器的产品（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、 焦炭工业應用

　　磁阻（SRD）因其起动力矩大、 起动电流小可以频繁重载起动，无需其它的节能，维护简单特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。90年代英国已研制成功300kW的磁阻用于刮板输送机，效果很好我国已研制成功110kW的磁阻用于矸石山绞车 、132kW的磁阻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 我国还将磁阻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磁阻用于车，提高了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，已逐渐深入千家万户也經历了手动机械、半自动、全自动的发展过程，并不断智能化也由简单的有级调速发展为无级调速。

　　作为一种新型调速驱动系统磁阻以其结构简单、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电动车用驱動系统、家用电器、工业应用、、高速驱动、航空航天等众多领域中，成为交流调速系统、调速系统和调速系统的强有力竞争者

　　美國、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，例如电瓶车和同时高速性能是SRD的一個特长的方向。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“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目

　　华中科技大学磁阻课题组在“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，取得了显着的经济效益

　　近年來功率电子技术,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芯片（DSP）的出现利用高性能DSP开发各种复雜算法的间接位置检测技术,无需附加外部硬件电路，大大提高了磁阻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磁阻性能和适用性不断增强。随着国囻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，为磁阻提供了巨大的潜在市场