论文总字数：19045字

摘 要

轴向磁通双凸极电机是一种新型电机，结合了盘式电机的盘式结构和开关磁阻电机的各种优点，具有大输出转矩、转矩脉动小、低速大功率、占用体积小等优点，且能够在恶劣环境下作业。轴向磁通开关磁阻电机常规PID控制，对电机的转矩脉动和转速响应速度的调节效果并不理想，且无法满足高性能电机系统的控制要求。论文对轴向磁通开关磁阻电机的转矩和转速等方面进行了深入的研究，且提出变比例因子模糊PID控制方案，而后经过仿真验证其可行性。

关键词：轴向磁通双凸极电机 常规PID控制 变比例因子模糊PID控制 MATLAB

ABSTRACT

The Axial Flux Switched Reluctance Motor is a new type of motor. It is designed with the disc-type structure of that particular motor and also inherited the various merits of switched reluctance motor. This new type of motor is characterized as low speed, high-power, high output torque, small torque pulsation and small space volume and being able to function in harsh environment. The ordinary PID control does not respond well in the control of torque pulsation and rotating speed responding velocity and therefore cannot satisfy the control demand of high-performance motor system. This paper has done through research on the torque and rotating speed of the Axial Flux Switched Reluctance Motor, puts forward variable scale factor fuzzy PID , hardware design, software design accordingly and has passed simulation verification.

KEYWORDS: Axial Flux Switched Reluctance Motor；conventional PID control；Variable scale factor fuzzy PID；MATLAB

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

第2章 调速系统的基本理论 4

2.1 调速系统组成 4

2.2 基本结构和工作原理 5

2.3 基本数学模型和运行特性 6

2.3.1 磁链方程 7

2.3.2 电压方程 7

2.3.3 机械方程 8

2.3.4 运行特性 8

2.4 基本控制方法 10

2.4.1 角度位置控制 10

2.4.2 电流斩波控制 11

2.4.3 电压PWM控制 12

2.5 本章小结 12

第3章 电机控制策略研究 13

3.1 常规PID控制 13

3.2 模糊控制 15

3.3 模糊PID控制器的结构与原理 17

3.4 模糊PID控制器的设计 18

3.4.1 输入/输出变量的确定及模糊化 18

3.4.2 模糊推理 19

3.4.3 清晰化过程 21

3.4.4 模糊PID控制的SIMULINK仿真模型 22

3.5 变比例因子模糊PID控制的设计 23

3.5.1 变比例因子 23

3.5.2 变比例因子模糊PID控制器的设计 24

3.5.3 比例因子模糊校正规则 24

3.5.4 变比例因子模糊PID控制的SIMULINK仿真模型 25

3.6 本章小结 26

第4章 结论 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

上世纪40年代，双凸极电机的基本原理和结构开始逐渐形成，但是由于当时的科技条件落后，样机性能较差，以至于开关磁阻电机不能广泛的投入应用。轴向磁通SRM的特点有：上下型定、转子结构，转子和其他电机不同，没有绕组和永磁，结构坚固、简单，能在恶劣的环境中使用，拥有很强的容错特性；各相绕组由开关管串联控制，可以很好的保护功率变换器各相安全运行；其SRD系统操作简单，转矩脉动小，转速稳定，适合各类机电机械，具有可靠的使用性能和易用性能^[1]。将SRM与轴向磁通盘式结构相结合，形成轴向磁通SRM的新型电机，具有两种老式电机的综合优势，从结构上看，径向磁通SRM为包裹型双凸极型结构，而轴向磁通SRM为上下型盘式结构，虽然从结构上来看相差很大，但是在基本运行理论大致通用。轴向磁通SRM是一个新型的电机，需要更多的学者对其深入研究。轴向磁通SRM电机的定、转子结构如图1-1所示。

图1-1 轴向磁通SRM电机的定、转子结构

轴向磁通SRM调速系统（AFSRD）主要由轴向磁通SRM、驱动控制器、功率变换器以及检测单元等组成。轴向磁通SRM具有机电能量转换的功能，可以看作是AFSRD的机电能量转换执行环节。从轴向磁通SRM的结构方面进行分析，轴向磁通SRM使用盘式双凸极结构，是有无绕组的转子和有绕组的定子构成。此原理可描述为电机的转子必须和定子形成最小的电磁场路径，电机起动的特点是转矩大，电流小。

鉴于以上特点，轴向磁通SRM在应用研究方面取得了很大的成就，在选择执行器动力源的问题上，轴向磁通SRM通常是人们的最先考虑的对象。尽管轴向磁通SRM具有很多的优势，但是在某些方面也有不可避免的缺点需要处理，这些问题是电机的自身结构——双凸极结构引起的，使得磁场具有饱和特性，同时由于电机之间的参数互相关

联，使得不能对电机的参数进行精确的计算。本课题从轴向磁通SRM的原理入手，从而研究轴向磁通SRM的调速控制系统^[2]。在模糊PID控制的基础上，进而提出变比例因子模糊PID控制方案，为轴向磁通SRM的研究提供了一种方法，为实用电机控制系统的设计和运行提供依据。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

轴向磁通盘式结构的概念是从1970年提出，当时首先将这种新型的结构应用在了永磁电机和感应电机上。1981年，意大利比萨大学的Dr.Bramanti A对轴向磁通电机在严格的实验下，研究出制造轴向气隙同步电机的几种方法，并阐述了轴向磁通同步电机的特性。1979年，下萨克森州Dr.Weh H提出了单定子双转子盘式永磁同步电机磁场计算的方法，并推出了电机的瞬态、稳态参数和特性方程^[3]。2004年，意大利的电机研究团队通过试验和磁场分析的方法对盘式永磁电机的空载损耗和转矩脉动进行了深入研究。

1983年，欧洲英国TASC Drives公司生产并投入市场了世界首部开关磁阻电机，并在社会上得到了强烈的反响，但功率和转速都比较小；1984年，TASC Drives公司在老产品基础上更新了四种更大功率的新产品。1984年，德国开始研制盘式电机，并通过了初步测试。新型的电机结构由于结构简单、稳定性好、占用体积小、经济实用，首次问世就在电机界掀起了轩然大波，被着重关注。随后美洲、欧洲、非洲、亚洲等国家都相继研究这种新型电机。1991年，英国科学家根据已有的数据开发大电压、大功率的SRD系统。到目前为止，在SRD系统的研发方面，英国始终处于国际领先地位。

1.2.2 国内研究现状

1991年，中国团队顾、候等人以三相盘式感应电机为主要研究对象，分析其磁场运行，并根据实验结果建立二维分布磁路模型，且用谐波平衡法对其进行分析。依据其中磁路模型的盘式电机性能程序，不仅能够快速确定气隙磁密、齿磁密、轭磁密等沿径向的分布和整体盘式气隙平面上的磁场分布，而且可以提出电机的轴向电磁力的分布和工作性能。1992年，中国另一个团队程、周等人根据前人的研究结果，用径向分段法完成了盘式电机的磁路及参数的计算，得出的磁化曲线、功率因数、效率和实测值大致符合。同年，在交流感应电机磁场分布的计算法上给出分环法，何全普、王琳等人用新

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