軸向磁場盤式開關(guān)磁阻電機參數(shù)計算及其驅(qū)動控制系統(tǒng)研究.pdf

1、軸向磁場盤式開關(guān)磁阻電機具有開關(guān)磁阻電機和軸向磁場盤式電機的綜合優(yōu)勢，因而具有功率密度高、轉(zhuǎn)矩大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。本文從電機結(jié)構(gòu)、磁路計算、控制算法優(yōu)化及控制系統(tǒng)設(shè)計等多個方面對軸向磁場盤式開關(guān)磁阻電機進行了分析與研究。
　　磁路的解析分析是各類電機電磁設(shè)計、性能分析不可或缺的重要手段，對徑向磁場開關(guān)磁阻電機，磁路的解析分析以幾個關(guān)鍵轉(zhuǎn)子位置處磁化曲線的解析計算為基礎(chǔ)，目前已得到了很好的研究和應(yīng)用。對軸向磁場盤式開關(guān)磁阻電機，這方

2、面的研究還是空白，影響到該種電機的深入研究和應(yīng)用開發(fā)。本文針對軸向磁場盤式開關(guān)磁阻電機，解析計算了定子盤和轉(zhuǎn)子盤齒中心線對齊位置、齒槽中心線對齊位置和臨界對齊位置三個關(guān)鍵位置處的磁化曲線。首先根據(jù)電磁場的有限元計算結(jié)果，確定了各關(guān)鍵位置處的磁路結(jié)構(gòu);然后給定繞組線圈電流，并將磁場磁力線等效為圓弧及直線，忽略鐵心磁阻，解析計算相應(yīng)產(chǎn)生的磁鏈，并由此得到磁鏈與電流之間的關(guān)系，即磁化曲線。
　　對基于解析計算所得到的軸向磁場盤式開關(guān)磁阻

3、電機關(guān)鍵位置處的磁化曲線，首先對其?；幚?，然后借用常規(guī)徑向磁場開關(guān)磁阻電機的設(shè)計方法進行該種電機的電磁設(shè)計研究。最后，設(shè)計制造了一臺12/8極單定子盤、單轉(zhuǎn)子盤軸向磁場盤式開關(guān)磁阻電機，并對該電機進行了關(guān)鍵轉(zhuǎn)子位置處磁化曲線的三維有限元計算和實際測量，數(shù)值計算結(jié)果、實測結(jié)果與解析計算結(jié)果基本相符，證明了前述解析計算的正確性和有效性。
　　傳統(tǒng)的徑向磁場開關(guān)磁阻電機為雙凸極結(jié)構(gòu)，而軸向磁場盤式開關(guān)磁阻電機為雙平面凸極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)

4、的不同將導(dǎo)致兩類電機的數(shù)學(xué)模型存在差異。而開關(guān)磁阻電機本身具有非線性的電磁特性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，這對該種電機采用傳統(tǒng)驅(qū)動控制方法帶來很大的困難。本文提出并研究了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軸向磁場盤式開關(guān)磁阻電機的最優(yōu)控制策略，首先，通過對電機樣機的離散實驗，研究了開關(guān)磁阻電機的開通角和關(guān)斷角對輸出轉(zhuǎn)矩的重要影響，并由此定義了開關(guān)磁阻電機最優(yōu)開關(guān)角的概念;其次，從控制的角度，確立了開關(guān)磁阻電機多輸入、多輸出的復(fù)雜非線性關(guān)系，從而引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

5、在開關(guān)磁阻電機驅(qū)動控制中的應(yīng)用研究;然后，采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了電流最優(yōu)的開關(guān)磁阻電機非線性多變量靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器模型，其輸出為目標(biāo)電流、開通角及關(guān)斷角，輸入為目標(biāo)轉(zhuǎn)矩及電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速，將這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器與傳統(tǒng)的PID控制器相結(jié)合，可構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)具有一定的動態(tài)特性。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動控制的實施過程中，為了獲得訓(xùn)練數(shù)據(jù)，設(shè)計了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線訓(xùn)練方法，這一方法利用基于最小二乘法的變步長擬合尋優(yōu)方法，可以快速選擇在線訓(xùn)練的數(shù)

6、據(jù);最后，初步實現(xiàn)了開關(guān)磁阻電機的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動控制系統(tǒng)，并進行了樣機試驗，試驗結(jié)果證明了前述分析的正確性及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在開關(guān)磁阻電機驅(qū)動控制中的有效性。
　　在軸向磁場盤式開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)方面，本文從主電路結(jié)構(gòu)、MOSFET驅(qū)動優(yōu)化等方面進行了深入的分析研究。在主電路結(jié)構(gòu)方面，本文提出了一種基于同步整流技術(shù)的H橋結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機驅(qū)動控制方式，用多個功率MOSFET并聯(lián)的形式代替不對稱半橋結(jié)構(gòu)中的續(xù)流二極管，通過合理的控制，實現(xiàn)續(xù)流

7、功能。理論分析與實驗證明，本文提出的基于同步整流技術(shù)的H橋結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機驅(qū)動控制方式，MOSFET的續(xù)流壓降明顯低于原有技術(shù)中二極管續(xù)流時的續(xù)流壓降，降低了續(xù)流功耗，提高了主電路的功率轉(zhuǎn)換效率。
　　在MOSFET驅(qū)動優(yōu)化方面，本文提出了一種基于動態(tài)電源的MOSFET優(yōu)化驅(qū)動方法，該驅(qū)動方法在專用驅(qū)動芯片直接驅(qū)動的基礎(chǔ)上添加了動態(tài)電源輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)了功率MOSFET的理想驅(qū)動，降低了電磁輻射，增加了系統(tǒng)運行的可靠性。這一驅(qū)動方法

8、的工作過程分為動態(tài)電源與驅(qū)動芯片共同驅(qū)動和驅(qū)動芯片單獨驅(qū)動兩個階段。共同驅(qū)動階段為雙電源驅(qū)動模式，通過選擇合適的驅(qū)動參數(shù)，使該驅(qū)動階段恰好工作于MOSFET的開通延遲階段，可有效增加驅(qū)動電流，減少開通延遲時間;在單獨驅(qū)動階段，驅(qū)動系統(tǒng)首先工作在MOSFET的電流上升階段，驅(qū)動芯片的輸出電流一部分給動態(tài)電源充電，另一部分用于驅(qū)動MOSFET，驅(qū)動電流有所降低，從而減緩了漏極電流的上升速度;然后，當(dāng)柵極電壓升高到密勒電壓后，MOSFET進入