开关磁阻电机系统理论与控制技术
开关磁阻电机系统理论与控制技术，介绍了基本理论，电机设计，Matlab仿真内容提要本书共分为8章分别阐述了开关磁阻电机及其控制系统发展概况,推导了电机线性、准线性和非线性数学模型,给出了开关磁阻电机计算设计程序,讲述了开关磁阻电机有限元分析方法,研究了开关磁阻电机调速系统的控制策略,详细介绍了利用软件建立开关磁阻电机仿真模型的步骤,井进行了稳态性能仿真和动态性能仿真,最后针对DSP对开关磁阻电机有位置传感器和无位置传感器调速系统进行理论分析与设计开本书适用于从事电力电子及电气传动专业高等学院教师和研究生,以及相关专业好、运的科研机构的研究人员和直流关磁阻木空把矿、航功率范本磁阻电图书在版编目(CIP)数据上的拓机线性开关磁阻电机系统理论与控制技术/吴红星编著.一北京:中国了开关电力出版社,20107略,以(现代工业自动化技术应用丛书)电SBN978-7-5123-0336-2行有限:1.①开…Ⅱ.①吴…Ⅲ.①开关控制-磁阻电机-系统理在Max论②开关控制-磁阻电机控制Ⅳ.①TM352线:对车中国版本图书馆CIP数据核字(2010)第070773号系统仿J结构来》电枝该模型E控制器矩分配巨中国电力出版社出版、发行机的发E北京三里河路6号1004htp/www.cspp.com.cn)磁阻电积北京丰源印剧厂印刷电右各地新华书店经售建立开弓2010年8月第一版2010年8月北京第一次印剧统稳态忙787毫米X1092毫米16开本17印张452千字了优化。印数000-3000册定价36.00元电机调这敬告读者法,推毛木书封面贴有防伪标签,加热后中心图案消失各模型过本书如有印装质量问题,我社发行部负责退换电初版权专有翻印必究关磁阻欠压保折前厂言开关磁阻电机调速系统具有结构简单、坚固、工作可靠、成本低、系統控制灵活、调速性能好、运行效率高、温升低等诸多优点,它综合了交流变频调速系统的坚固耐用、适用于恶劣环境和直流调速系统的可控性好等优良特性,被专家视为电气传动系统发展过程中的一个里程碑。开关磁阻电机特别适用在恶劣环境和要求超高速的场合下运行,并可广泛地应用在纺织、造纸、煤矿、航空、机槭等领域的造纸机、浆纱机、采煤机,风机、水泵、家用电器和机器人等负载上,功率范围从几瓦到儿兆瓦,转速范围从几转到儿万转。本书的宗旨是,着眼于实用技术,并兼顾到发展趋势。考虑到实际应用的需要,介绍了开关磁阻电机的几种结构形式,针对新型开关磁阻电机进行论述,总结开关磁阻电机在绕组结构形式上的拓扑结构,论述各种绕组拓扑结构的优缺点。在开关磁阻电机基本方程式的基础上,推导电机线性数学模型和准线性数学模型,具体分析绕组电流、绕组磁链、绕组电感和电磁转矩,给出了开关磁阻电机设计步骤,并分析了转矩脉动产生的原因,研究开关磁阻电机调速系统的控制策略,以DSP为控制芯片,给出了开关磁阻电机调速系统设计方法和基本设计软件。电机本体设计方面:给出计算程序,对128电机进行各类参数的计算:对开关磁阻电机进行有限元分析:利用 Ansoft软件建立开关磁阻电机的有限元模,用 RMxprt得到二维几何模型,在 Maxwell2D的瞬态求模块下进行有限元分析;分析得到的绕组电流、绕组磁链、电磁转矩曲线:对转子极弧系数、轴径、开通角等参数进行优化分析:在分析有限元计算的矩角特性曲线和系统仿真后的转矩输出波形的基础上,得出产生转矩脉动的根本原因,通过改进电机定子磁极的结构来减小气隙磁场的突变,通过修改气隙等参数从而减小和抑制转矩脉动。电机控制策略方面:根据数学模型研究基于永磁磁通控制开关磁阻电机非线性数学模型。在该模型的基础上,研究基于永磁磁通控制开关磁阻电机调速系统的控制策略。设计绕组电流闭环控制器、转速调节控制器,硏究基于永磁磁通控制开关磁阻电机转矩分配的控制策略,推导了转矩分配函数,并设计转矩控制器。分析开关磁阻电机的发电运行机理和能流关系,对开关磁阻电机的发电运行理论进行线性分析,推导基本电路方程和相电流解析式;通过线性模型,分析开关磁阻电机的有效发电条件电机仿真技术方面:用 MATLAB软件建立开关磁阻电机的准非线性动态仿真模型的基础上,建立开关磁阻电机系统的系统模型,并对系统模型进行了稳态性能仿真和动态性能仿真。利用系统稳态性能仿真,综合考虑最大平均转矩和效率这两个优化目标,对升关磁阻电机的开关角进行了优化。针对传统PⅠ控制策略对开关醚阻电机调速系统进行仿真,得到采用传统P控制策略的电机调速系统的电机相电流波形和系统转矩波形。深入研究基于模糊控制的控制理论和控制方法,推导基于模糊控制的搾制算法,提出一种模糊PI相结合的控制方法,并建立仿真模型,对各模型进行比较,以便得到最佳控制策略电机控制系统方面:介绍开关磁阻电机调速特点,分析电机驱动功率电路拓扑结构,介绍开关磁阻电机调速系统转子位置传感器分类及使用方法。设计了驱动电路,过流保护电路、过压和欠压保护电路、电机专用控制电路等硬件。利用T公司的电机专用DsP设计开关磁阻电机有位全书共8章,第1章介绍了开关磁阻电机调速系统的概况、发展趋势及主要应用领域。第2章介绍了开关磁阻电机的线性数学模型、准线性数学模型及非线性数学模型。第3章分析了开关磁阻电机的各类损耗,介绍了开关磁阻电机本体的设计方法。第4章利用 Ansoft软件建立开关磁阻电机的有限元模,用 RMxprt得到二维几何模型,在 Maxwell2D的瞬态模块下进行有限元分析。分析得到的绕组电流、绕组磁链、电磁转矩曲线。对转子极弧系数、轴径、开通角等参数进行优化分析。第5章介绍了开关磁阻电机调速系统在各类调速系统的地位,设计开关磁阻调速控制系统硬件。第6章针对开关磁阻电机调速特性研究开关磁阻电机控制策略和发电机理。第7章用 MATLAB软件建立开关磁阻电机系統的系统模型,并对系统模型进行稳态性能仿真和动态性能仿真。第8章针对DSP对开关磁阻电机有位置传感器和无位置传感器调速系统进行理论分析与设计。前言本书由吴红星编著,各章编写工作有赵晢、嵇恒、刘莹、钱海荣、黄冬林、倪天、郭庆波、第1章叶宇骄等参与。全书由吴红星统稿,寇宝泉教授支持本书的编写并审阅了书稿。编写过程中,参1.1阅和利用了国内外大量文献、资料,在此对原作者一并致谢。1.2限于作者水平,加上时间仓促,缺点、错误在所难免,热忱欢迎广大读者批评指正。1,2,1,2,21,3于14J14.114.214.314.414.514.614.714.81.5开1.6开第2章2.1开22开2.2,122.32,242,2.52.3开24开2,4.124.22.4.324424.5主要应用领域。第2第3章分析了开关soft软件建立开关模块下进行有限元径、开通角等参数最》设计开关磁阻调速略和发电机理。第7态性能仿真和动态速系统进行理论分前言第1章绪论、倪天、郭庆波、11开关磁阻电机的发展概况…编写过程中,参12开关磁阻电机的结构特点…,+…日2…2121开关磁阻电机的优点………者批评指正。1.2.2开关磁阻电机的缺点和和国国面自和“““““国目目围把的和一41.3开关磁阻电机的优化方法141.4开关磁阻电机系统抑制转矩脉动技术…1.4.1基于抑制转矩脉动的传统控制策略…14.2基于抑制转矩脉动的线性化控制…614.3基于抑制转矩脉动的变结构控制61.44基于抑制转矩脉动的智能控制理论…14.5基于抑制转矩脉动的转矩分配策略…………146基于抑制转矩脉动的迭代学习控制…1014.7基于抑制转矩脉动的微步控制策略…………101.4.8其他方法015开关磁阻电机未来研究方向…1.6开关磁阻电机的工业应用………………………2第2章开关磁阻电机的工作原理及数学模型142.1开关磁阻电机基本原理22开关磁阻电机的一些基本结构…1422.1单相开关磁阻电机……………142.22两相开关磁阻电机……………152.2.3三相开关磁阻电机………………52.24四相开关磁阻电机……………………………………1622.5五相以上开关磁阻电机1623开关磁阻电机改进结构…1624开关磁阻电机数学模型……………21224.1电路方程…2.42机械方程2224,3机电联系方程*…,…222.44线性模型……1232,4.5准线性模型25混合励磁开关磁阻电机数学模型…日型道日副上理福2.5混合励磁电机磁路特点………………252混合励磁开关磁阻电机转矩平衡方程……4446i4.4.7孟第3章开关磁阻电机电磁设计……………………3744863.1开关磁阻电机设计及优化方法……………13945有限31.1电机本体结构设计………94.5.R…………393.1.2电机参数优化设计………4.52M32开关磁阻电机损耗分析……45.3有321绕组铜损分析…………42046基于车3.2.2机械损耗分析……404.6.1影3.2.3杂散损耗分析…44.62开…………41324电机铁损分析……………………………………………………414.6.3定33开关磁阻电机参数计算…+45第5章开关331电负荷与磁负荷…51开关磁332主要尺寸4534开关磁阻电机本体设计示例…………475.12电34.1相数,极数和绕组端电压……………5.3电压34.2主要尺寸的选择计计4852开关磁343其他结构尺寸及绕组匝数”5.3开关磁阝48344电流及转矩计算……………………………………5053.1开关34.5绕组设计……………………………………………15053.2开关34.6参数计算533开关51534开关第4章开关磁阻电机性能优化…54开关磁阵41电机电磁场的理论基础………………5454.l标准42有限元法54542其他421有限元法的发展55…555.5迭代学买42.2 Ansoft软件简介……………………………555.1基于423 Ansoft有限元法…55,2迭代424电磁场有限元方法的特点及一般步骤65.6开关磁43 RMxprt软件设计及使用方法………15756.1速度43.1启动软件……………5858562转矩432新建SRM模型563电流4.3.3建模结果……68第6章开关磁434仿真计算61开关磁阳43.5模型导出…1111736.1.1与步44 Maxwell2D软件设计及使用方法…………“环“746.12与反44.1打开工程文件………m…“+t74613与直442模型设置……17614与无44.3材料设置………786.1.5与异444边界及激励源设置806.2功率电子44.6设置仿真参数+,90……34……*34447运动部分设置……………………………………………9544.8仿真运算96+:37…014.5有限元分析结果处理………39451 RMxprt输出的性能曲线………10139452 Maxwell2D的求解结果…394.3有限元后处理………1044046基于转矩波动抑制电机本体优化…1-11054046.1影响转矩波动的因素…404.62开通角、关断角对转矩波动的影响…………………106…41463定子磁极结构对转矩波动的影响……………xx+107414第5章开关磁阻电机的控制策略…5.开关磁阻电机控制方式……,中日副日是…:1045…:4551l角度位置控制(APC)1111045512电流斩波控制(CCC)……………………………1l475.1.3电压斩波控制(CVC)……………4852开关磁阻电机调速特性53开关磁阻电机能量回馈控制…::1:1111248…4853.1开关磁阻电机发电运行机理…50532开关磁阻电机发电运行的励磁过程:50533开关磁阻电机的能量变换理论……………………………1451534开关磁阻电机发电状态工作特点……………”…11654开关磁阻电机PD控制::18*54541标准数字PID算法………………19:54542其他PD方法1120……5555迭代学习控制…121:5551基于模型控制系统和迭代学习控制系统概述…………:121555.52迭代学习控制过程和开环PD迭代学习控制……122“565.6开关磁阻电机的转矩分配控制系统设计…123……*5756.!速度调节器设计……………123585.6.2转矩分配函数的设计………425+58563电流控制器设计……………1265968第6章开关磁阻电机调速系统硬件设计……………128696,1开关磁阻电机调速系统在电机控制中的地位1128…736.L.1与步进电动机驱动系统的比较+++:128…746.1.2与反应式同步电动机的比较…………28746.1.3与直流电动机的比较“…自129a776.14与无换向器直流电动机的比较:1297861.5与异步电动机变频调速系统的比较………1298062功率电子器件…………………130622功率GBT工作特点……1317463PWM控制技术…11137.4.6.3.1传统PWM技术…计计……1347.463.2优化后的PWM技术“国计1347.4633空间电压矢量PWM控制…计………13574.6.34跟踪型PWM控制技术1357464开关磁阻电机控制器功率拓扑结构………-13674641不对称半桥主回路…137第8章642H桥主回路…积+…137643不对称半桥改进型”…1378.2644(n+1)型功率变换器1388264.5电容裂相型…“……1388,264.6电容转储型…+1…:1388365整流及吸收回路设计………1398.36.5.1功率吸收电路设计…………………139836.52吸收电路参数计算…::+140846.53整流电路设计……846.54电流采样与处理电路…道上中中和国和8,46.5.5转子位置信号采集与处理……………………1428.5656系统保护电路设计:1498.66.6功率及驱动电路11518.66.61SKH24驱动模块在SRD系统中的应用…………518.6.62S19976DY—桥式驱动器的原理及应用11528.76.63EXB841工作原理…578.8664FCAS50SN60开关磁阻电机功率模块…………1598.第7章基于DSP开关磁阻电机控制器设计……1658.7.DSP的特点1657.2电动机DSP控制系统基础……………………167参考文721DSP电机控制特点…1677.22数字滤波DSP实现方法…………16873有位置传感器DSP控制++117173.1开关磁阻电机控制机理……“已,171732DSP控制开关磁阻电机硬件设计…………………………17733软件设计x+2:::175734电流控制………………………17773.5位置控制178736速度控制……国+…“……“…“…面,,正重自7.3.7换相控制………………181738速度控制器……………x1837.3.9DSP编程示例………………………8474开关磁阻电机无传感器DSP控制…………………:21674.1调速系统硬件描述………………216…133742无传感器开关磁阻电机驱动系统的控制软件…………216…:134743无传感器换相和速度更新算法………………………………218134744速度环:21135745电流控制回路……213574.6斜坡控制器……136747无传感器开关磁阻电机驱动系统的校准………………2313第8章开关磁阻电机调速系统仿真……22813781引言+*13782基于 MATLAB/Simulink的系统建模与仿真分析……128138821仿真软件 MATLAB/Simulink简介…x:12813882,2电机模型的建立……………………23…13883控制系统P控制策略建模与仿真……23013983.1SRM调速系统的无P控制仿真………30…13983.2电机调速系统的PI控制仿真分析……………31…,……,:14084基于模糊控制器的系统仿真分析……………236…:148.4.1模糊控制器的设计1236142842SRM调速系统的模糊控制仿真及结果分析…………………23814285sRM调速系统模糊P控制仿真……………………242………1498.6开关磁阻电机能量回馈建模与仿真…………24351…………151861发电状态的基本电路方程…86.2发电运行的相电流解析…24315287开关磁阻电机控制系统模型分析……2455788开关磁阻电机发电系统模型的建立….…:2521598.81电流滞环控制模块………………………254,+1658.82电流计算模块………2541658.8.3转矩计算模块…254167参考文献……::::::1256…………16716817117117317577178179181中“183184216
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ansoft Maxwell 3d教程.pdf
ansoft Maxwell 3d 向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器时的Maxwell 3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件。可以分析涡流、位移电流、集肤效应和邻近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性。功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗（R和L）、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算。同时也可以给出整个相位的磁力线、B和H分布图、能量密度、温度分布等图形结果。本文件是软件使用教程.希望能帮助大家·Printing HistorNew editions of this manual include material up dated since theprevious edition. The manual printing date, indicating the manualscurrent edition, changes w hen a ncw edition is printed. Minorcorrections and updates incorporated al reprint do not cause the daleto changeUpdate packages may be issued betw een editions and containadditional and/ or rep lacement pages to be merged into the manualby the user Pages which are rearranged because of changes on aprevious page are not considered to be revised.EditionDateSoftwareRevisionFebruary 1991April 199212December 1993October 19964.1September 19995.06December 20006.0WWW⊥nmTypeface ConventionsComputerCter type is used fon promptsand messages, for field names, and for keyboard entries that must be ty ped in theirentirety exactly as shown. For example, thenstruction"copy filel"means to type the w ordcopy, to type a space. and then to type filelMenu/Command Computer type is also used to display the commands that are needed to perform a specifictask Menu levels are separated by forwardslashes (/) For example, the instructionhoose File/Open"means to choose the Opencommand under the file menuItalicsItalic type is used for emphasis and for thetitles of manuals and other publications. Italictype is also used for key board entries when aname or a variable must be typed in place ofthe words in italics. For example, the instruc-rion“ copy filename” means to type the wordcopy, to type a space, and then to type then amc of a filc. such as filelKeysHelvetica type is used for labeled keys on thecomputer keyboard. For example, the instruc-tion"Press Return?"means to press the key onthe com puter that is lahcled Returnwww.docin.coInstallationBefore you use Maxwell 3D, you must1. Set up your systems graphical windowing systerm2. Install the Maxwell softw are, using the directions in theAnsell PC or UNIX Installation guideIf you have not yet done these steps, refer to the ansoft installetionguides and the documentation that came w ith your computer systemor ask your system administrator for helpsing a Graphical User InterfaceIf you are familiar with the concepts of using a mouse, menus, andother graphical user interface(GUn)tools, skip to Chapter 1“ IntroductionIf you have not used GuI systems before, this section will help youunderstand some of the terminology used in this guide. Since GUIare basically visual, the best way to learn to use them is by practicingon your systemMost gui systcms usc a mouseas a poinTing device, with whichyou can select areas on the screenfor command execution andmoving from one program toanother. Your mouse may have 2www.door 3 buttons; Maxwell 3D ignoresthe middle button on 3-buttondelsAnsoft products donot usc this button. You canprogram mouse buttons to work in non-standard ways, as you mightwant to if you are left-handed. For simplicity, the left-hand hutton(under your forefinger if you are right-handed) is called the leftbutton, and the one on far right is the right mouse button. You willprobably find the terms intuitive once you use these buttons a fewtimesPoint and click; Right clickTo choose an item with the mouse, first move it on your desk until thearrow cursor is on that item; you are now pointing" at the item. Next,ress and release the left bu tton thlled"clicking " Point-andclick is the most common action you will make with your mouseally, click" refers to a lefise button clickYou can sometimes use your right mouse button to access or entercommands. In the 3d Modeler for instance, a right mouse buttonclick causes a short menu of commands to appear at the moustcursor. Generally, right click "refers to a right mouse button clickDouble-ClickOccasionally you may want to sclect all of thc text in a box,orperform a special lask(such as indicating the end of drawing a linewhile you are using Maxwell 3D. You can do this efficiently byquickly clicking twice with your left mouse button -a doubleDragging objects; Click and HoldWhen you are drawing in the 3D Modeler, you can often use yourmouse to enter objects and move around the screen. Frequently, youwill click the mouse button and hold it down until the next part of thecommand is reached (the object is oved, the next point is enteredand so forth). If you click and hold on the edge of a w indow, you canposition, or drag, the window on your screen. You can often dragobjects in Maxwell; experiment to see w hat will moveTool BarsTool bars are shortcut methods for entering commands. There is atool bar in the 3d Modeler and most of the setup modules for severalcommand s. To use a tool bar. click the mouse cursor on the buttonyou want to use. Here is an example of a tool bar囗。圖哦良风≌固函MenusWithin each screen of maxwell 3d are areas w hich list subsets ormenus,of commands. You can access a menu by clicking your mouseon the word or button that indicates the menu. The menu is pulleddown, listing the commands available on that menu. (For examplethc New command is availablc on the File mcnu. Usually, thc mcnuwill remain displayed until you choose a command, or click on thedesktop to exit. If the menu does not remain displayed, click and holdthe mouse button, then release the button to make your choiceFile Edit viewNewopenCloseSavectrl+SSave AsImportExportExitctrl+QAn arrow on the right side of a command indicates that there is asubmenu for that command. An ellipsis (. )indicates that a pop-upwindow appears aftcr choosing this commandWhen you are asked to use a menu command, each level is separatedby a"/". Thus, to zoom in on a drawing, you would choose the viewLoom In menu command To open a new file, you would choose File/There are also pop-up menus, which appear when you righL-click ona maxwell modeler window. choose commands from thcsc menus inthe same way as from menu barsFor more information on using GUIs, refer to"User Interface"in theMaxwell Control Panel,s online help systemOther ReferencesFor detailed information on Maxwell 3d commands refer to theonline documentation for the maxwell 3d field simulatorTo start maxwell 3d, you must first access the maxwell controlPanel. for more detailed inform ation on the maxwell control panelcommands, refer to the Maxwell Control Panels online help systemwww.docin.comTable of Contents1. Introduction1-1General Procedure.1-2The Sample Problem1-4Meshes.....,,,,,,,,面2. Create aAccess the maxwell Control Panel·:.·:·甲,,,,,,,,,,2-2Start the Project managerCreate a Project directoryCreate a New project··,···············,·,,,,,,,,,,2-6Enter notes2-73. Draw the model3-1Open the project3-2Start. the 3D Modeler3-3Side window........................snaps3-6Define the problem region: Coordinates and Units ..,...... 3-7Absolute and relative coordinates3-7Grids3-7Zooming in and out of the view window3-9Create the electromagnet3-10Draw the Coil...,,.,..,3-10Draw thc Circlc........,..,...,,,......,..........3-10Create the Cylinder,,3-11Create the hole for the Core3-12Draw the Core·中··············3-13SavingP3-14Create the magnel翻...3-15Draw the magnet3-15Move the magnet3-15Toggle Off the Background..................3-16Create a termini..........,,,,,..,,,,......,,,..3-17Create the Coil terminal..........,,......,,,.,..3-18Define the Problem Region;..,;;“;##.3-20Define the Problem Region .................. 3-21Shading and rendering . ......................................3-22Exit the 3d modeler3-234 Define The problemAccess the Material Manager4-2Exclude the background·····+···,,,,,,,,,,,,,,.4-2Assign Steel to the CoreAssign Copper to the Coil4-3Assign vacuum to the problem Region.......4.......4-3Assign NdFe35 to the Magnet4-3Access the 3D Boundary/Source Manager45assign a current to the coil.....4-6Define the sourceAssigning the Source lo the Termina.........,..,,,,∴4-64-7Check the Direction of the CurrentExit the 3D Boundary/Source Manager4-85. Generate a Solution5-1Setup executive Parameters······5-2Create a Force Setup for the Magnet.5-3Create a Force Setup for the Coil and Core5-3Create a Force Setup for the entire model·········Exiting the Executive Parameters moduleSpecifying Solution Criteria·非5-5Solver type11翻自。■非非首·····:.··.·Magnetic Field SolveResidualSolve for Field and Parameters+++++++++++++++++++++;,+“++Adaptive analysisContents-2
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