開關磁阻電機的原理及其控制系統(tǒng).doc

開關磁阻電機的原理及其控制系統(tǒng)開關磁阻電機80年代初隨著電力電子、微電腦和控制理論的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型調速驅動系統(tǒng)。具有結構簡單、運行可靠、成本低、效率高等突出優(yōu)點，目前已成為交流電機調速系統(tǒng)、直流電機調速系統(tǒng)、無刷直流電機調速系統(tǒng)的強有力的競爭者。一、開關磁阻電機的工作原理開關磁阻電機的工作原理遵循磁磁阻最小原理，即磁通總是要沿著磁阻最小路徑閉合。因此，它的結構原則是轉子旋轉時磁路的磁阻要有盡可能大的變化。所以開關磁阻電動機采用凸極定子和凸極轉子的雙凸極結構，并且定轉子極數不同。開關磁阻電機的定子和轉子都是凸極式齒槽結構。定、轉子鐵芯均由硅鋼片沖成一定形狀的齒槽，然后疊壓而成，其定、轉子沖片的結構如圖1所示。圖1：開關磁阻電機定、轉子結構圖圖1所示為12/8極三相開關磁阻電動機，S1. S2是電子開關，VD1, VD2是二極管， 是直流電源。電機定子和轉子呈凸極形狀，極數互不相等，轉子由疊片構成，定子繞組可根據需要采用串聯、并聯或串并聯結合的形式在相應的極上得到徑向磁場，轉子帶有位置檢測器以提供轉子位置信號，使定子繞組按一定的順序通斷，保持電機的連續(xù)運行。電機磁阻隨著轉子磁極與定子磁極的中心線對準或錯開而變化，因為電感與磁阻成反比，當轉子磁極在定子磁極中心線位置時，相繞組電感最大，當轉子極間中心線對準定子磁極中心線時，相繞組電感最小。當定子A相磁極軸線OA與轉子磁極軸線O1不重合時，開關S1, S2合上，A相繞組通電，電動機內建立起以OA為軸線的徑向磁場，磁通通過定子扼、定子極、氣隙、轉子極、轉子扼等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的，此時磁路的磁導小于定、轉子磁極軸線重合時的磁導，因此，轉子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產生的轉矩的作用，使轉子逆時針方向轉動，轉子磁極的軸線O1向定子A相磁極軸線OA趨近。當OA和O1軸線重合時，轉子己達到平衡位置，即當A相定、轉子極對極時，切向磁拉力消失。此時打開A相開關S1, S2，合上B相開關，即在A相斷電的同時B相通電，建立以B相定子磁極為軸線的磁場，電動機內磁場沿順時針方向轉過300，轉子在磁場磁拉力的作用下繼續(xù)沿著逆時針方向轉過15,。依此類推，定子繞組A-B-C三相輪流通電一次，轉子逆時針轉動了一個轉子極距Tr(T.=2/N,)，對于三相12/8極開關磁阻電機，T=3600/8=，定子磁極產生的磁場軸線則順時針移動了330=90空間角?？梢?，連續(xù)不斷地按A-B-C-A的順序分別給定子各相繞組通電，電動機內磁場軸線沿A-B-C-A的方向不斷移動，轉子沿A-C-B-A的方向逆時針旋轉。如果按A-C-B-A的順序給定子各相繞組輪流通電，則磁場沿著A-C-B-A的方向轉動，轉子則沿著與之相反的A-B-C-A方向順時針旋轉。二、開關磁阻電機的控制原理傳統(tǒng)的PID控制一方面參數的整定沒有實現自動化，另一方面這種控制必須精確地確定對象模型。而開關磁阻電動機( SRM) 得不到精確的數學模型, 控制參數變化和非線性, 使得固定參數的 PID 控制不能使開關磁阻電動機控制系統(tǒng)在各種工況下保持設計時的性能指標。模糊控制器是一種近年來發(fā)展起來的新型控制器，其優(yōu)點是不需要掌握受控對象的精確數學模型，而根據人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。因此采用模糊控制, 對開關磁阻電動機（SRM）進行控制是改善系統(tǒng)性能的一種途徑。但在實踐中發(fā)現, 常規(guī)模糊控制器的設計存在一些不足, 如控制表中數據有跳躍, 平滑性較差, 這對控制效果有影響。模糊控制和 PID控制兩者結合起來, 揚長補短，將是一個優(yōu)秀的控制策略。其理由是：第一，由線性控制理論可知, 積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差, 但動態(tài)響應慢, 比例控制作用動態(tài)響應快, 而比例積分控制既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度, 又能具有較高的動態(tài)響應。因此, 把 PI 控制策略引入Fuzzy控制器, 構成 Fuzzy- PI 復合控制, 是改善模糊控制器穩(wěn)態(tài)性能的一種途徑。第二，增加模糊量化論域是提高模糊控制器穩(wěn)態(tài)精度的最直接的方法, 但這種方法要增大模糊推理的計算量, 況且量化論域的增加也不是無止境的。采用模糊+ PI控制的開關磁阻電機調速系統(tǒng)框圖如圖 2所示。圖2：開關磁阻電機調速系統(tǒng)框圖1、隸屬函數與控制規(guī)則的確定考慮到電機轉速偏差范圍大及高精度的特點, 將偏差變量、 偏差變化率及控制量的論域界均定為17個等級。-8,-7,-6, -5,-4,-3, -2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8將偏差變量、偏差變化率及控制量的模糊語言值均分為九檔負大,負中,負小,負很小,零,正很小,正小,正中,正大NB, NM, NS, NVS, ZO, PVS,PS,PM,PB偏差變量、偏差變化率及控制量的模糊子集的隸屬函數的形狀均選為三角形如圖3所示。圖3：均勻分布隸屬函數圖模糊控制器的控制規(guī)則是基于專家或操作者的經驗得出，控制規(guī)則的生成方法有很多。本文借鑒常規(guī)模糊控制器設計經驗并根據系統(tǒng)階躍信號的響應確定模糊控制規(guī)則表如表1所示：UENBNMNSNVSZOPVSPSPMPBECNBPBPBPMPMPSPSPVSZOZONMPBPMPMPSPSPVSPVSZOZONSPMPMPSPSPVSPVSZONVSNVSNVSPMPSPSPVSPVSZONVSNVSNSZOPSPSPVSPVSZONVSNVSNSNSPVSPSPVSPVSZONVSNVSNSNSNMPSPVSPVSZONVSNVSNSNSNMNMPMPVSZONVSNVSNSNSNMNMNBPBZONVSNVSNSNSNMNMNBNB表1：改進的模糊控制規(guī)則表表中共有81條控制規(guī)則，其中一些規(guī)則可以合并, 但利用計算機進行推理計算這些規(guī)則就沒有必要合并了。模糊控制規(guī)則表征了變量之間的模糊關系, 由控制規(guī)則求出模糊關系矩陣R, 經過推理合成得到模糊控制向量。 系統(tǒng)采用加全平均法實現模糊判決求得精確量的控制表如表2所示。UE-8-7-6-5-4-3-2-1012345678EC-888776665444321000-787776665444321000-677665544432221000-576655543332110-1-1-1-46665444322210-1-2-2-2-3655543332110-1-1-2-3-3-265444322210-1-2-2-2-3-41-1-3-3-3-3-40444322210-1-2-2-3-3-4-4-4143332110-1-1-2-3-3-3-4-5-524322210-1-1-1-1-3-4-4-4-5-63332110-1-1-2-3-3-3-4-5-5-5-6432210-1-2-2-2-3-4-4-4-5-6-6-652110-1-1-2-3-3-3-4-5-5-5-6-7-76210-1-2-2-2-3-3-4-4-5-5-6-6-7-7710-1-1-2-3-3-3-3-5-5-5-6-7-7-7-880-2-2-2-2-3-4-4-4-5-6-6-6-7-7-8-8表2：控制表2、量化因子的計算模糊PID控制器的輸入分別是速度偏差e和速度偏差變換率 de/dt, K1速度偏差 e 的量化因子, K2速度偏差變化率dec/dt 的量化因子, K3控制量的量化因子。一般來說, K1、 K2、 K3分別由下面的公式確定。三、開關磁阻電機調速系統(tǒng)概述開關磁阻電機驅動系統(tǒng)主要由開關磁阻電機(SRM)、功率變換器、控制器、電流檢測器和位置檢測器組成，其組成結構如圖4所示。圖4：開關磁阻電機驅動系統(tǒng)1、功率變換器功率變換器的作用是將電源提供的能量經適當轉換后提供給SRM。由于SRM繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路不僅結構較簡單，而且相繞組與主開關器件是串聯的，因而可預防短路故障。SRM的功率變換器主電路的結構形式與供電電壓、電機相數以及主開關器件的種類等有關。常見的功率變換器電路如5所示。圖5：不對稱半橋型功率變換主電路圖5為本系統(tǒng)所采用的不對稱半橋型三相SRM功率變換器主電路。以A相為例，每相有兩個主開關管和及續(xù)流二極管和。上下兩只主開關管, 同時導通時，電壓加至A相繞組兩端，產生相電流，此時電能轉換為磁場能量;當和關斷時，A相繞組產生的反電勢極性如圖5示，繞組殘余電流la很快減小至零，繞組磁鏈迅速衰減;當開通而 關斷時，繞組殘余電流I。經繞組-繞組形成回路，此時加在繞組上的電壓為零電壓，電流續(xù)流時間較長，繞組磁鏈衰減緩慢，無能量返還電源。由于每相繞組有兩個主開關管，故關斷時可以采用同時關斷兩個主開關管的能量回饋方式，或者采用僅關斷一個主開關管的無能量回饋方式，進而使控制方式更加靈活。這種不對稱半橋型線路具有如下的特點：(1)各主開關管的電壓定額為US。(2)由于主開關管的電壓定額與電動機繞組的電壓定額近似相等，所以這種線路用足了主開關管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流。(3)由于每相繞組接至各自的不對稱半橋，在電路上，相與相之間是完全獨立的，故這種結構對繞組相數沒有任何限制。(4)每相需要兩個主開關管。除了電動機繞組與每相開關串聯，不存在上、下橋臂直通的故障隱患之外，很像三相異步PWM 逆變器電路。綜合考慮各種功率變換器的優(yōu)缺點及使用場合，選擇不對稱半橋型功率變換主電路作為主供電電路，保證各相相互獨立、控制靈活、系統(tǒng)容錯性好，是開關磁阻電機控制系統(tǒng)中理想的功率變換器。2、速度和位置反饋進行位置檢測是SRM工作的一大特點。它由中間開槽的光電傳感元件及與SRM轉子同軸安裝、30度間隔的6齒槽轉盤構成。兩個位置檢測器相距15度安裝，輸出兩路相位差15度的方波信號，分別進入控制器的兩個捕獲單元CAP1和CAP2。當在捕獲輸入引腳上檢測到一個轉換時， 定時器T2或T3的值被捕獲并存儲在相應的2級深度FIFO堆棧中。在程序中， 位置信號的上、下跳變均引起捕獲操作， 即每隔15度產生一次捕獲操作，由此可以計算出電機運行的實際速度并得到轉子位置信息。3、電流檢測為了實現電機低速運行下電流斬波控制與過流保護， 必須對繞組中的電流進行檢測。 本系統(tǒng)采用零磁通霍爾元件電流傳感器來檢測繞組電流A 將霍爾元件輸出的小電流信號首先變換為電壓信號，再經放大濾波后進入A/D轉換通道。電流斬波控制采用硬件方案實現，其電路如圖6所示。圖6：電流斬波工作電路4、輸出和功率驅動電路控制器的PWM發(fā)生電路可產生6路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM信號PWM1PWM6,系統(tǒng)的PWM輸出和功率驅動電路如圖7所示。圖7：PWM輸出和功率驅動電路當定時器T1計數值與全比較單元的比較單元值相同時，產生的狀態(tài)匹配信號進入波形發(fā)生單元。 在該系統(tǒng)中，我們使用非對稱PWM波形發(fā)生器，由其產生的PWM信號進入