论文总字数：24814字

摘 要

16012617 陈富扬

指导教师 花为 教授

近年来，开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）被广泛应用，尤其是电动汽车行业。SRM转子上既无永磁体又无励磁线圈，因此成本低廉，与其他电机相比，机械结构简单、鲁棒性好，适用于环境恶劣和安全性要求高的场合。尽管有上述优点，SRM要在市场上稳定立足仍存在阻碍。首先，SRM功率驱动模块不通用，其次，SRM固有双凸极结构和单极性相电流波形使得电机运行噪声高，震动严重。

为了最小化功率器件成本以适应低价应用，人们开始了在开关磁阻电机调速系统（Switched Reluctance Drive，简称SRD）中运用三相全桥逆变器模块代替原来不对称半桥逆变器模块的研究。SRM在标准三相全桥逆变器功率模块中，需使用双极性控制两相励磁机制。在这种控制策略下，相激励突变减小缓解了机械应力，因此在这种混合激励下，电机运行时震动和噪声也相应减少。

本文基于MATLAB/Simulink搭建了开关磁阻电机调速系统模型，本模型使用通用三相全桥逆变器，配合双极性控制策略。本文首先描述开关磁阻电机基本物理模型与数学方程式，以及其基本控制方式。然后，分析SRM驱动控制系统并分别建立单极性和双极性控制策略下MATLAB/Simulink模型，比较两种控制策略下电机带载能力、转矩脉动等方面性能。最后，搭建SRM样机及其控制器实物进行验证。

关键词：开关磁阻电机，三相全桥逆变器，双极性控制，调速控制系统，建模仿真

Abstract

Switched Reluctance Motor (SRM) has been widely used in recent years particularly in the electric vehicle (EV). This is mainly due to the fact that there are neither permanent magnets nor field windings on the rotor. As a result, the SRM can be low cost and has simple and robust motor structure compared to other electrical machines, and hence suitable for harsh environment and safety-critical applications. Despite these and other attractive features, SRMs have arguably yet to gain the foothold in the market. One important limiting factor for conventional SRMs is that the power converter stage is nonconventional. In addition, SRMs tend to exhibit high levels of acoustic noise and vibration due to doubly salient structure and unipolar phase current waveforms.

In order to minimize the number of the costly power devices for the low cost applications, the three-phase full bridge converter for Switched Reluctance Drive (SRD) has been widely interested instead of the asymmetric half bridge converter. The three-phase SRD can be driven by using a standard three-phase full bridge converter power module based on bipolar excitation of two-phase excitation technique. With the control strategy, mechanical stress can be mitigated due to the reduced abrupt change of phase excitation. Similarly, indicated by this hybrid excitation, the vibration and acoustic noise are reduced.

This thesis presents an original model of SRD by MATLAB/Simulink, which has used the universal three-phase full-bridge converters with bipolar excitation switching strategy. Firstly, the basic mathematical models and equations, and traditional control strategy about SRM are descripted. And then, the SRDs are analyzed and built in MATLAB/Simulink, both unipolar excitation and bipolar excitation strategy. In addition, the performances including on-load torque and torque ripple of them have been compared. Finally, the prototype SRM and Controller are built and tested to validate the predictions.

Key words: SRM, three-phase full-bridge converter, bipolar excitation, SRD, MATLAB/Simulink

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 SRM发展简史 1

1.3 本文主要内容 2

第二章 SRM调速系统基本理论 3

2.1 SRM系统基本构成和运行原理 3

2.1.1 SRM系统构成 3

2.1.2 SRM运行原理 4

2.2 数学模型 4

2.2.1 SRM基本方程式 4

2.2.2 电路方程 5

2.2.3 机械方程 6

2.2.4 机电联系方程 6

2.3 基本控制方式 7

2.4 本文采用控制方式 9

第三章 双极性控制开关磁阻电机驱动系统 10

3.1 传统单极性控制方式 10

3.2 双极性控制方式 11

3.2.1 双极性控制SRM工作原理 11

3.2.2 功率变换器选型 12

3.2.3 双极性控制策略 13

第四章 SRM控制系统模型仿真 16

4.1 引言 16

4.1.1 建模仿真简介 16

4.1.2 MATLAB/Simulink简介 16

4.2 SRM仿真模型搭建 17

4.2.1 SRM本体模型搭建 17

4.2.2 单极性控制模型搭建 24

4.2.3 双极性控制模型搭建 27

4.3 SRM调速控制系统仿真实验 30

4.3.1 双极性控制仿真 30

4.3.2 单极性控制仿真 33

4.3.3 运行状态对比分析 34

第五章 开关磁阻电机实验验证 36

5.1 实验平台搭建 36

5.1.1 软件平台 36

5.1.2 硬件平台 37

5.1.3 测试平台 39

5.2 实验结果验证 40

5.3 仿真和实验结果对比分析 42

第六章 总结与展望 45

6.1 全文总结 45

6.2 课题展望 45

致 谢 46

参考文献（References） 47

绪 论

课题背景与意义

随着人民生活水平提高和全球经济低碳化发展，对传统汽车行业提出了新的要求。作为新能源汽车的心脏部件，发展高性能电动汽车电机驱动系统以取代传统燃油汽车内燃机系统已经成为一种必然趋势。目前为止，已经应用于电动汽车上或有应用前景的是直流电机、交流感应（异步）电机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机等^[[1]]。其中，开关磁阻电机依靠磁阻转矩运行，具有起动电流小、起动转矩大、调速范围宽等优势^[[2]]。

开关磁阻电机采用定转子双凸极铁芯结构，定子铁心上嵌套有集中式绕组线圈，转子仅由硅钢片压叠制成，无需励磁装置，电机结构非常简单牢靠，材料成本与加工成本都较低。开关磁阻电机这一结构特点，适合应用于高速旋转和较恶劣工况。尽管具备以上诸多优点，但仍然存在一些瓶颈问题制约开关磁阻电机进一步推广。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：24814字