开关磁阻电机驱动系统设计及其转矩性能优化研究

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与一般的交直流电机相比,开关磁阻电机(Switched Reluctance Motors,SRM)具有结构简单坚固、控制灵活多变、起动性能好、容错能力强等优点,得到了学术界和工业界的广泛关注,并已成功运用到了航空、电动汽车、家用电器等领域。但SRM的双凸极结构也造成其磁链特性和转矩特性的高度非线性,再加上开关式的供电模式,使SRM转矩脉动及噪声较其他交直流电机更为严重,直接制约了SRM的推广应用。因此,如何实现在保证SRM转矩输出的同时,又能够抑制其转矩脉动,进而实现SRM的高性能控制就具有了重要的理论价值和现实意义。   本文首先分析了SRM的基本工作原理及其在线性模型下的电感、磁链、电流和转矩等特性;比较了几种常见的功率变换器主电路形式及其各自优缺点,并重点分析了不对称半桥式主电路的特点及工作模式;分析了控制器所要实现的功能及其性能要求;分析了转子位置脉冲信号的产生原理,并给出了其理想波形的示意图。   利用了Ansoft的旋转电机设计软件RMxprt建立了SRM的基本模型,对其磁链、效率、输出功率、相电流、相电压、输出转矩等特性作了简单的波形仿真分析。并在此基础上,将此基本模型导入到二维电磁场有限元分析软件Maxwell2D中,作了更加准确的分析和仿真。   研究了影响SRM转矩脉动的两个主要因素--电机结构设计和优化控制策略,就这两个因素在抑制SRM转矩脉动方面的应用作了讨论。提出了一种角度位置控制和转矩分配控制相配合的优化控制策略,并着重分析了二者的工作原理和实现方法。   建立了一套基于数字信号处理器(Digital Signal Processor:DSP)和复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device:CPLD)的完整SRD软硬件系统,对其工作原理和编程思想作了详细的分析和讲解。实现了SRD系统的软硬件双重保护,保证了系统的可靠运行。最终,将所选取优化控制策略成功应用到了实际的SRD系统中,实现了SRM的稳定运行,并与基本控制策略下的SRM运行作了对比。比较结果表明,该方法有效可靠,不仅保证了SRM转矩的有效输出,同时在一定程度上减小了SRM的输出转矩脉动,实现了对SRM输出转矩性能的改善。
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