第2章开关磁阻电机.ppt

特种电机及其控制 第2章开关磁阻电机及其驱动控制系统 SRD 2 1SRM传动系统2 2SRM基本方程与性能分析2 3SRD的控制原理2 4SRD的功率变换器2 5SRD传动系统的反馈信号检测2 6SRD控制系统原理及其实现2 7基于单片机的SRD控制系统2 8基于DSP的SRD控制系统2 9开关磁阻发电机 特种电机及其控制 2 1SRD传动系统 2 1 1SRD传动系统的组成 特种电机及其控制 SR电动机定 转子实际结构 特种电机及其控制 SR电机结构与原理 结构特点 1 双凸极结构2 定子集中绕阻 绕组为单方向通电3 转子无绕阻 特种电机及其控制 2 1 2运行原理 磁阻最小原理 电机原理演示 磁通总要沿着磁阻最小路径闭合 一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时 必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合 A A 通电 1 1 与A A 重合B B 通电 2 2 与B B 重合C C 通电 3 3 与C C 重合D D 通电 1 1 与D D 重合 依次给A B C D绕组通电 转子逆励磁顺序方向连续旋转 特种电机及其控制 12 8极三相开关磁阻电动机 特种电机及其控制 1 依次给A B C A绕组通电 转子逆励磁顺序方向连续旋转 改变绕组导通顺序 就可改变电机的转向2 通电一周期 转过一个转子极距tr 360 Nr3 步距角qb tr m 360 mNr 4 转矩方向与电流无关 但转矩存在脉动 5 需要根据定 转子相对位置投励 不能像普通异步电机一样直接投入电网运行 需要与控制器一同使用 结论 特种电机及其控制 2 1 3开关磁阻电动机的相数与结构 相数与级数关系 1 为了避免单边磁拉力 径向必须对称 所以双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数 2 定子和转子齿槽数不相等 但应尽量接近 因为当定子和转子齿槽数相近时 就可能加大定子相绕组电感随转角的平均变化率 这是提高电机出力的重要因素 特种电机及其控制 SR电动机常用的相数与极数组合 特种电机及其控制 相数3456789定子极数681012141618转子极数46810121416步进角 度 3015964 283 212 5 SR电机常用方案 相数与转矩 性能关系 相数越大 转矩脉动越小 但成本越高 故常用三相 四相 还有人在研究两相 单相SRM低于三相的SRM没有自起动能力 特种电机及其控制 利用永磁体辅助起动的单相SR电动机 特种电机及其控制 1 2 phase4statorpole 2rotorpole 2 4 phase8statorpole 6rotorpole 3 3 phase6statorpole 4rotorpole 4 5 phase10statorpole 8rotorpole 特种电机及其控制 2 1 4SRD特点 1 电动机结构简单 成本低 适用于高速 开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单 2 功率电路简单可靠因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关 即只需单方向绕组电流 故功率电路可以做到每相一个功率开关 特种电机及其控制 SRD特点 3 各相独立工作 可构成极高可靠性系统从电动机的电磁结构上看 各相绕组和磁路相互独立 各自在一定轴角范围内产生电磁转矩 而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场 电动机才能正常运转 4 高起动转矩 低起动电流控制器从电源侧吸收较少的电流 在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点 SR 0 4IN 1 4TNIM 6 7IN 2 3TN 特种电机及其控制 SRD特点 5 适用于频繁起停及正反向转运行SRD系统具有的高起动转矩 低起动电流的特点 使之在起动过程中电流冲击小 电动机和控制器发热较连续额定运行时还小 6 可控参数多 调速性能好控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种 相开通角 相关断角 相电流幅值 相绕组电压 特种电机及其控制 7 效率高 损耗小SRD系统是一种非常高效的调速系统 8 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求 9 缺点 转矩脉动 振动 噪声但可通过特殊设计克服 SRD特点 特种电机及其控制 2 1 5SRD发展概况 7 5kW 1500r min几种调速系统性能比较 特种电机及其控制 航空工业 家用电器 机械传动 精密伺服系统 电动车 2 1 6SRD的应用与研究动向 应用 特种电机及其控制 SRD的研究方向 SR电机设计研究 铁心损耗计算 转矩脉动 噪声 优化设计等理论SR电机的控制策略研究 最优控制 减小转矩脉动 降低噪声具有较高动态性能 算法简单 可抑制参数变化 扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略智能控制策略SR电机的无位置传感器控制SR电机的振动 噪声研究无轴承SR电机研究 磁悬浮 SR电机应用研究 电动车 发电机 一体化电机等 特种电机及其控制 2 2SR电机基本方程与性能分析 不计磁滞 涡流及绕组间互感时 m相SR电机系统示意图J 转子与负载的转动惯量D 粘性摩擦系数TL 负载转矩 特种电机及其控制 电路方程 第k相绕组的相电压平衡方程 特种电机及其控制 磁链方程 所以 特种电机及其控制 机械运动方程 式中Te 电磁转矩 J 系统的转动惯量 k 摩擦系数 TL 负载转矩 特种电机及其控制 电磁转矩 磁共能的表达式为 Y i SR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出 SR电机的平均电磁转矩Tav 特种电机及其控制 2 2 2基于理想线性模型的SR电动机分析 线性模型 不计磁路饱和 假定绕组电感与电流无关 此时电感只与转子位置有关 10 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化 特种电机及其控制 1位置 rotor 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 1 特种电机及其控制 0o位置 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 0o 特种电机及其控制 2位置 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 特种电机及其控制 3位置 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 rotor 3 特种电机及其控制 4位置 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 4 特种电机及其控制 5位置 rotor 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 5 特种电机及其控制 10 2 3 0 4 5 0定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 1 5 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 2转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 3转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 4转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 特种电机及其控制 SR电机绕组电感的分段线性解析式 K Lmax Lmin 3 2 Lmax Lmin s 特征 随定 转子磁极重叠的增加和减少 相电感在Lmax和Lmin之间线性地变化 Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感 Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感 特种电机及其控制 同时可以导出 KT为常数 特种电机及其控制 on 2 在电感上升前开通 迅速建立电流 以获得足够转矩 2 电感上升 使绕组电流下降 off 3 在电感达最大之前 绕组关断 绕组续流 3 z 4 z 2 off on 在电感下降之前 续流结束 否则会产生反向转矩 典型电流波形 特种电机及其控制 不同开通角下电流波形 特点 开通角越小 电流幅值越大 续流时间越长 特种电机及其控制 不同关断角下电流波形 特种电机及其控制 变化趋势 结构一定 在 on和 off不变时 绕组电流随外加电压的增大而增大 随转速的升高而减小 通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流 从而就间接地使电动机的电磁转矩增大 影响绕组电流的因素 外加电源电压Us 角速度 r 开通角 on 关断角 off 最大电感Lmax 最小电感Lmin 定子极弧 s等 线性模型忽略了许多因素 计算结果误差很大 只能定性地说明影响电流 转矩的因素 特种电机及其控制 在相电流为理想平顶波的情况下 SR电机平均电磁转矩Tav的解析式 当SR电动机运行在电流值很小的情况下 磁路不饱和 电磁转矩与电流平方成正比 当运行在饱和情况下 电磁转矩与电流的一次方成正比 这个结论可以作为制定控制策略的依据 特种电机及其控制 1 on是控制转矩的重要参数 一定时 若开通角 on较小 相电流直线上升时间较长 从而增大电流 提高转矩 2 在 on一定时 增大 off 平均转矩也相应增大 但导通角 c off on有一个最佳值 超过此值 c增大 平均转矩反而减小 讨论 特种电机及其控制 2 3SR电机的控制原理 SR电机固有机械特性 F为以电机结构参数 m Nr 2 Lmax Lmin 和控制参数 on off 为变量的函数 整理得 对一定电机 结构参数一定 如Us on off一定 则电机的固有机械特性为 Tav k 2P k 特种电机及其控制 SR电动机的基本机械特性 特种电机及其控制 SR电机的基速 SR电机的固有机械特性类似与直流电机的串励特性 对给定SR电机 在最高电压Us和最大允许电流条件下 存在一个临界角速度 即SR电机得到最大转矩的最高角速度 称为基速 特种电机及其控制 SR电机控制策略 基速以下 电流斩波控制 CCC 输出恒转矩 可控量为 Us on off 控制法1 固定 on off 通过电流斩波限制电流 得到恒转矩 控制法2 固定 on off 由速度设定值和实际值之差调制Us 进而改变转矩 基速以上 角度位置控制 APC 输出恒功率 特种电机及其控制 设定电流上 下幅值的斩波图 特种电机及其控制 设定电流上限和关断时间斩波图 特种电机及其控制 PWM斩波调压控制的电流波形 特种电机及其控制 APC运行时Tav与 on off的关系 特种电机及其控制 控制方式的合理选择 特种电机及其控制 电流斩波控制方式具有如下特点 适用于低速和制动控制 转矩平稳 适合于用作转矩调节系统 用作调速系统时动态响应速度慢 角度位置控制方式具有如下特点 转矩调节范围大 电动机效率高 不适用于低速 特种电机及其控制 2 4SRM功率变换器 功率变换器是直流电源和SRM的接口 起着将电能分配到SRM绕组中的作用 同时接受控制器的控制 由于SRM遵循 最小磁阻原理 工作 因此只需要单极性供电的功率变换器 功率变换器应能迅速从电源接受电能 又能迅速向电源回馈能量 特种电机及其控制 对功率变换器主电路的要求 1 较少数量的主开关元件 2 可将全部电源电压加给电动机相绕组 3 主开关器件的电压额定值与电动机接近 4 具备迅速增加相绕组电流的能力 5 可通过主开关器件调制 有效地控制相电流 6 能将能量回馈给电源 特种电机及其控制 2 4 1主电路常见形式 1 双开关型 每相有两只主开关和两只续流二极管 当两只主开关VT1和VT2同时导通时 电源US向电机相绕组供电 当VT1和VT2同时关断时 将电机的磁场储能以电能形式迅速回馈电源 实现强迫换相 特种电机及其控制 双开关型电路特点 1 适用于任意相数SR电机2 相控独立性 独立3 相电压 电源电压4 器件数量多 特种电机及其控制 三相SR电机常采用双开关型主电路 双开关型主电路又称为不对称半桥型主电路 特种电机及其控制 双绕组型电路特点 主开关S1导通时 电源对主绕组A供电 当其关断时 靠磁耦合将主绕组A的电流转移到副绕组 通过二极管D1续流 向电源回馈电能 实现强迫换相 早期使用的双绕组结构 每相有主 副两个绕组 主 副绕组双线并绕 同名端反接 其匝数比为1 1 特种电机及其控制 2 双绕组型 缺点 1 由于主 副绕组之间不可能完全耦合 在S1关断的瞬间 因漏磁及漏感作用 其上会形成较高的尖峰电压 故S1需要有良好的吸收回路 2 由于采用主 副两个绕组 因而电机槽及铜线利用率低 铜耗增加 体积增大 优点 适用于任何相数的SRM 尤其适宜于低压直流电源供电场合 特种电机及其控制 3 电容分压型 电源分裂式 两个相串联的电容C1和C2将电源电压一分为二 构成中点电位 每相只有一个主开关S和一只续流二极管D 当S1导通时 上侧电容C1对A相绕组放电 电源对A相供电 经下侧电容C2构成回路 当S1关断时 A相电流经D1续流 向下侧电容C2充电 特种电机及其控制 电容分压型电路的特点 1 只适用于偶数相SR电机2 主开关数较少3 相控独立性 不独立4 电源利用率低 每相电压为电源电压的1 2 5 需限制中点电位漂移 特种电机及其控制 4 H桥型 该变换器比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个串联的分压电容 换相相的磁能以电能形式一部分回馈电源 另一部分注入导通相绕组 引起中点电位的较大浮动 它要求每一瞬间必须上 下各有一相导通 工作制 AB BC CD DA 特种电机及其控制 H桥型电路的特点 1 只适用于4的倍数相SR电机2 主开关数较少3 相控独立性 不独立4 相绕组电压浮动5 本电路特有的优点 可以实现零压续流 提高系统的控制性能 H桥型电路为4相SR电机最常用的主电路形式 特种电机及其控制 2 6SRD控制系统实现 SRD控制系统原理图 特种电机及其控制 2 7基于单片机的SRD控制系统 特种电机及其控制 2 8基于DSP的SRD控制器 特种电机及其控制 基于DSP的SRD系统硬件介绍 1 控制器 TMS320F2407核心 实现数字控制DSP具有PWM发生单元 可产生16路PWM信号 DSP最小系统还包括32K的16位快速RAM 20MHz时钟电路 看门狗电路 电压监测及复位电路 与上位机进行通信的RS232通信电路 给定速度通过DSP的ADC模块输入 实际速度由位置传感器来检测 通过捕获单元输入 DSP利用PI算法通过比较单元和PWM发生单元输出PWM信号 PWM信号经光电隔离输入到功率器件的驱动电路 控制器件开 关 实现SRM闭环调速 特种电机及其控制 基于DSP的SRD系统硬件介绍 2 位置信号输入电路 光电传感器反馈转子位置信号 通过F2407的捕获单元 CAP1 4 对脉冲信号进行实时检测来实现对转子位置信号的检测 3 转速计算 CAP单元不仅能检测信号的变化 而且还能记录两次信号变化的时间间隔 由此可以确定电机转子的位置 并可计算出电机的实际运行速度 进而准确地控制各相的开通和关断 特种电机及其控制 基于DSP的SRD系统硬件介绍 4 电流检测电路 使用磁场平衡式霍尔检测器 LEM模块 来检测电机的三相电流 LEM的输出一方面输入到F240的A D转换口 转换成数字信号后用以控制电流斩波限 一方面输入到保护电路 实现对功率变换器主开关的过流保护 5 键盘 显示电路 F240有独立的I O空间和总线 用I O口组成矩阵式键盘 通过串行外设接口 SPI 显示运行状态 特种电机及其控制 2 10开关磁阻发电机 SRG系统组成 特种电机及其控制 双开关型SR发电机主电路 他励式 特种电机及其控制 双开关型SR发电机主电路 自励式 特种电机及其控制 a 励磁状态 b 发电状态SR发电机一相绕组等效电路 特种电机及其控制 开关磁阻发电机的典型相电流波形 特种电机及其控制 SRD的应用 电机制造成本低转子结构简单 没有绕组和永磁磁钢调速范围宽 效率高具有故障容错能力很强的高温环境适应能力 SRD的特点 特种电机及其控制 SRDLtd公司生产的开关磁阻电机系列 100W 75W 250 30000rpm 特种电机及其控制 在电动车中的应用 30kW开关磁阻电机驱动的