低压大电流开关磁阻电机定位控制的分析-控制科学与工程专业论文.docxVIP

河北工业大学硕士学位论文 河北工业大学硕士学位论文 河北工业大学硕士学位论文 河北工业大学硕士学位论文 PAGE PAGE 13 PAGE PAGE 10 第一章 绪论 §1-1 定位控制系统的发展方向 1-1-1 定位控制系统的发展 定位系统一般都在一定时间内运行到预定的位置上。主要应用在下面一些领域[1] ? 数控机床、工业机器人与自动生产线； ? 柔性制造系统等位置伺服系统； 目前作定位控制用的伺服控制系统主要有： (1)以步进电机为伺服元件的位置控制 这类电机的频率控制一般是预先给定的，采用与转子位置无关的开环控制[2]。就步进电动机而言， 励磁磁场与电枢反应电流之间的角度是可以自由变化的。但是这类电机运动时可能出现爬行，即过载失 步，甚至于发生振荡，这一点往往会影响到位置控制的质量，且电机的容量也限制其在复杂环境条件下 应用。 (2)采用位置环的交直流伺服控制系统 伺服控制系统在机械制造、工业机器人、航空航天等领域得到了日益广泛的应用。一般位置伺服系 统主要强调系统有快的跟踪性、无超调、较好的稳定性[3]。位置控制系统通常为三环结构，即必须有位 置控制器。对于大转动惯量负载的位置控制系统，如果速度环和位置环都采用传统的PI控制器控制，由 于系统自身的特点，系统参数可能会发生变化，或具有一些高度的非线性的现象，而PI调节器的参数不 易在线调整，结果导致系统性能变差。尤其是大转动惯量负载的位置伺服系统，PI控制器的响应远远不 能达到要求。 SRM 是由大步进角的步进电机演化而来的，因此其结构和运行原理与具有大步进角的反应式步进 电机十分相似，步进电机的概念完全适用于 SRM 的步进控制。但是，SRM 的控制方式和运行特点与步 进电动机又有所不同，这主要表现在以下几个方面： （1）步进电动机是位置开环，而SRM有检测转子位置的环节实现位置闭环的控制，使其始终运行 在自同步状态，电源的换相取决于转子的位置[4-5]。控制器根据转子位置向功率变换器提供相应的励磁 触发信号，保证电机连续运转，从而避免了步进电动机可能出现的失步现象。 （2）与步进电机追求较高的位置精度不同，目前SRD系统一般用于调速传动场合。SRD系统可控 因素多，既可以调节每相主开关器件的起始导通角、关断角，也可以采用调压或限流斩波控制，控制方 式灵活，并可运行在发电状态[6-7]。 （3）步进电机的容量和效率比较低，这一点限制了其在大功率场合的应用。而 SRM 的容量和效 率都可以做的很高。 1-1-2 SRM的发展 近几十年来，SRD的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型的调速系统，研究的历史还 比较短，其技术设计电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多学科领域，并且，SR电机本身的非线 性特性，导致研究的困难性，存在着大量的工作要做。在应用上，SRD有着广阔的市场前景，SR电动机 具有结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高，适于高速与恶劣环境运行等特点， 促使人们更深刻的去关注、研究、开发。主要研究方向集中在以下几个方面[8]： （1）SR 电机设计理论的进一步完善 SR 电动机设计的主要问题是针对 SR 电机内部磁场的非线性及由非线性开关电源供电，相电流波形 难以解析等有别于传统电机的特点，探索 SR 电机电磁转矩的分析与准确计算方法。建立一套效率高， 适合于工程设计要求的优化设计方法等方面已取得了大量的研究成果，但仍存在着诸多急需解决的问 题。SR 电机的非线性使其性能分析和计算较为困难。目前，采用二维非线性有限元方法分析 SR 电机内 部的饱和磁场具有局限性；第一，对以路为基础的设计方法研究不够；第二，现有场的方法精度有待提 高，应记及端部效应，开展 SR 电机三维场的研究。在此基础上，开展计算机辅助设计，向智能化方向 发展。 （2）加强对转矩脉动及噪声的理论研究，提高 SR 电机的功率因数 虽然针对SR电机的转矩脉动及噪声大的问题提出了许多改进方案，但仍有待进一步解决。减小SR 电机的震动和噪声的关键在于如何减小作用在定子上的径向力。从SR电机本身的结构设计上，主要是合 理设计磁场结构、定子磁轭强度和电机的刚度。合理选择气隙、极弧参数及励磁方式，优化绕组的拓扑 结构。从控制角度看，主要是如何控制相电流使其按输出转矩脉动最小分布，包括导通角和关断角及控 制方案的优化选取，使得转矩脉动和噪声尽可能减小[9]。 （3）探索实用无位置传感器检测转子位置方案 SRD 是位置闭环系统，但位置传感器的存在不仅消弱了 SRD 电机结构简单的优势，而且降低了系统 高速运行的可靠性。目前，实现的方案大致可以分为一下几类：第一，基于外部信号注入的硬件实现方 法，该方案需要人为的接低幅高频的模拟测试信号从而产生需要的信息以测得位置