第2章开关磁阻电机

1、特种电机及其控制特种电机及其控制2.1 SRM 传动系统传动系统2.2 SRM 基本方程与性能分析基本方程与性能分析2.3 SRD的的 控制原理控制原理2.4 SRD 的功率变换器的功率变换器2.5 SRD 传动系统的反馈信号检测传动系统的反馈信号检测2.6 SRD 控制系统原理及其实现控制系统原理及其实现2.7 基于单片机的基于单片机的SRD控制系统控制系统2.8 基于基于DSP的的SRD控制系统控制系统2.9 开关磁阻发电机开关磁阻发电机特种电机及其控制特种电机及其控制 位位置置检检测测 功功率率变变换换器器 SR电电动动机机 电电流流检检测测 控控制制信信号号 控控制制器器 电电 源源

2、负负 载载 特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制1、双凸极、双凸极结构结构2、定子集、定子集中绕阻、绕中绕阻、绕组为单方向组为单方向通电通电 3、转子无、转子无绕阻绕阻特种电机及其控制特种电机及其控制电机原理演示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磁场的轴线重合A-A 通电通电 1-1 与与A-A重合重合B-B 通电通电 2-2 与与B-B重合重合C-C 通电通电 3-3 与与C-C重合重合D-D 通电

3、通电 1-1 与与D-D重合重合特种电机及其控制特种电机及其控制12/8 极三相开关磁阻电动机极三相开关磁阻电动机特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制)22kNNkmNsrs1 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。定子和转子齿槽数应为偶数。2 2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。、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，这是提高电子相绕组电感随转角的平均变化率，

4、这是提高电机出力的重要因素。机出力的重要因素。特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制 相数相数 3 4 5 6 7 8 9定子极数定子极数 6 8 10 12 14 16 18转子极数转子极数 4 6 8 10 12 14 16步进角步进角(度度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR电机常用方案电机常用方案相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常相数越大，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、单相用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM低于三相的低于三相的SRM 没有自起动能力没有自起动能力特种电机及其控制特种电机及其控制

5、PM PM 特种电机及其控制特种电机及其控制（1） 2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2） 4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3） 3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4） 5-phase 10 stator pole/8 rotor pole特种电机及其控制特种电机及其控制1)1)电动机结构简单、成本低、适用于高速电动机结构简单、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。单的鼠笼式感应电动机还要简单。2)2

6、)功率电路简单可靠功率电路简单可靠 因为电动机转矩方因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向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绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。个功率开关。特种电机及其控制特种电机及其控制3)3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相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

7、转磁场，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。电动机才能正常运转。4)4)高起动转矩，低起动电流高起动转矩，低起动电流 控制器从电源侧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。转矩是本系统的一大特点。 （SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）特种电机及其控制特种电机及其控制5)5)适用于频繁起停及正反向转运行适用于频繁起停及正反向转运行 SRDSRD系统具有的高起动转矩，低起动电流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的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电

8、动机和控制器发热较连续额定小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。运行时还小。6)6)可控参数多，调速性能好可控参数多，调速性能好 控制开关控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种法至少有四种: :相开通角相开通角, ,相关断角相关断角, , 相电流幅值相电流幅值, ,相绕组电压。相绕组电压。特种电机及其控制特种电机及其控制7)7)效率高，损耗小效率高，损耗小 SRDSRD系统是一种系统是一种非常高效的调速系统。非常高效的调速系统。8)8)可通过机和电的统一协调设计满可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求足各种特殊使用要求 。9)9)缺点

9、：转矩脉动、振动、噪声缺点：转矩脉动、振动、噪声 但但可通过特殊设计克服可通过特殊设计克服特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制航空工业航空工业 家用电器家用电器 机械传动机械传动 精密伺服系统精密伺服系统 电动车电动车 特种电机及其控制特种电机及其控制vSR电机设计研究：电机设计研究：铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论vSR电机的控制策略研究：电机的控制策略研究：最优控制，减小转矩脉动、降低噪声最优控制，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、扰动及具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数

10、变化、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略各种不确定性干扰的新型控制策略智能控制策略智能控制策略vSR电机的无位置传感器控制电机的无位置传感器控制vSR电机的振动、噪声研究电机的振动、噪声研究v无轴承无轴承SR电机研究（磁悬浮）电机研究（磁悬浮）vSR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等特种电机及其控制特种电机及其控制不计磁滞、涡流及绕组间互感时，不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相相SR电电机系统示意图机系统示意图 J转子与负载的转动惯量转子与负载的转动惯量 D粘性摩擦系数粘性摩擦系数 TL负载转矩负载转矩 Te K J TL R1 d 1/dt

11、t1 u1 + - . . . Rm d m/dt um + - 耦合磁场耦合磁场 i1 im 特种电机及其控制特种电机及其控制第第k相绕组的相电压平衡方程相绕组的相电压平衡方程:特种电机及其控制特种电机及其控制所以：所以：电阻压降电阻压降dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkk特种电机及其控制特种电机及其控制22eLddTJkTdtdt特种电机及其控制特种电机及其控制diiWci0),(-i),(iWTcediTmNTrNerav/20),(2特种电机及其控制特种电机及其控制 不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无

12、关，此时电感只与转子位置有关此时电感只与转子位置有关 1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化电机相电感随转子位置变化特种电机及其控制特种电机及其控制stator = 1位置位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 1特种电机及其控制特种电机及其控制stator =0o位置位置rotor定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 =0o特种电机及其控制特种电机及其控制stator = 2位置位置rotor转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 2特种电机及其控制特种电机及其控制stator

13、 = 3位置位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置rotor 3特种电机及其控制特种电机及其控制stator = 4位置位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 4特种电机及其控制特种电机及其控制stator = 5位置位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 5特种电机及其控制特种电机及其控制 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合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转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 转

14、子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置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特种电机及其控制SR电机绕组电感的分段线性解析式：电机绕组电感的分段线性解析式：-544max43max32min221min)()()(KLLLKLLK=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/sLmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感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定子磁极轴线对转子磁极轴线

15、的电感 。特种电机及其控制特种电机及其控制同时可以导出：同时可以导出：-54243322200000iKiKTTTKT为常数为常数特种电机及其控制特种电机及其控制 on 2 :电感上升，使绕组电感上升，使绕组电流下降电流下降 off 3 : 在电感达最大之前，绕组在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。关断，绕组续流。 3 z 4 (zz=2=2offoff- -onon) ) 在电感下降之前，续流结在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩束。否则会产生反向转矩典型电流波形典型电流波形特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制结构一定，在

16、结构一定，在onon和和offoff不变时，不变时，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速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。的电磁转矩增大。 ：外加电源电压外加电源电压UsUs、角、角速度速度r r、开通角、开通角onon、关断角、关断角offoff、最大电、最大电感感Lmaxmax、最小电感、最小电感Lminmin、定子极弧、定子极弧s s等。等。 线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很线性模型忽略了许多因素，计算结果误差

17、很大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。特种电机及其控制特种电机及其控制)21)(2minmax2min2222LLLUNmToffonoffSrav-特种电机及其控制特种电机及其控制1) on 是控制转矩的重要参数：是控制转矩的重要参数： 一定时，若一定时，若开通角开通角 on较小，相电流直线上升时间较长，较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩从而增大电流，提高转矩。2) 在在 on一定时，增大一定时，增大 off,平均转矩也相应增大。平均转矩也相应增大。但导通角但导通角 c= off- on有一个最佳值，超过此值，有一个最佳值，超过此

18、值， c 增大，平均转矩反而减小。增大，平均转矩反而减小。讨论：讨论：特种电机及其控制特种电机及其控制2.3 SR电机的控制原理电机的控制原理F为以电机结构参数为以电机结构参数(m，Nr， 2，Lmax，Lmin)和和控制参数控制参数( on , off)为变量的函数为变量的函数/savUFT 整理得：整理得：对一定电机，结构参数一定。如对一定电机，结构参数一定。如Us、 on 、 off一定，则一定，则电机的固有机械特性电机的固有机械特性为：为：Tav=k/ 2 P=k/ 特种电机及其控制特种电机及其控制 恒转矩区恒转矩区 恒功率区恒功率区 串励特性区串励特性区 CCC 方式方式 APC 方

19、式方式 1 2 c固定固定 o T 特种电机及其控制特种电机及其控制SR电机的基速电机的基速vSR电机的固有机械特性类似与直流电机电机的固有机械特性类似与直流电机的串励特性。的串励特性。v对给定对给定SR电机，在最高电压电机，在最高电压Us和最大允和最大允许电流条件下，存在一个临界角速度。即许电流条件下，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，称电机得到最大转矩的最高角速度，称为为。特种电机及其控制特种电机及其控制SR电机控制策略：电机控制策略：可控量为：可控量为：Us、 on 、 off控制法控制法1：固定：固定 on , off，通过电流斩波限，通过电流斩波限制电流，得到恒

20、转矩制电流，得到恒转矩控制法控制法2：固定：固定 on , off，由速度设定值和，由速度设定值和实际值之差调制实际值之差调制Us，进而改变转矩，进而改变转矩*基速以上，角度位置控制基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率，输出恒功率特种电机及其控制特种电机及其控制 O i Imin Imax 特种电机及其控制特种电机及其控制 O i Imax 特种电机及其控制特种电机及其控制 O i 特种电机及其控制特种电机及其控制 O T off on增大增大 特种电机及其控制特种电机及其控制0 0 Amin Cmaxn 2 1 电电流流斩斩波波可可控控区区 起起动动斩斩波波 定定角角度度斩斩波波 变

21、变角角度度斩斩波波 APC控控制制 可可变变角角度度运运行行区区 特种电机及其控制特种电机及其控制电流斩波控制方式具有如下特点：电流斩波控制方式具有如下特点：v适用于低速和制动控制。适用于低速和制动控制。v转矩平稳。转矩平稳。v适合于用作转矩调节系统。适合于用作转矩调节系统。v用作调速系统时动态响应速度慢。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：角度位置控制方式具有如下特点：v转矩调节范围大。转矩调节范围大。v电动机效率高。电动机效率高。v不适用于低速。不适用于低速。特种电机及其控制特种电机及其控制v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

22、时接受控制器的控制。 v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。特种电机及其控制特种电机及其控制（1）较少数量的主开关元件；）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）可将全部电源电压加给电动机相绕组；组；（3）主开关器件的电压额定值与电动机）主开关器件的电压额定值与电动机接近；接近；（4）具备迅速增加相绕组电流的能力；）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）可通过主开关器件调制，有效地控制相电流；制相电流；（6）能将能量回馈给电源。）能将能量回馈给电源。特种

23、电机及其控制特种电机及其控制1、双开关型、双开关型每相有两只主开关每相有两只主开关和两只续流二极管和两只续流二极管。当两只主开关当两只主开关VTVT1 1和和VTVT2 2同时导通时，同时导通时，电源电源U US S 向电机相向电机相绕组供电绕组供电 ；当当VTVT1 1和和VTVT2 2同时关断时，同时关断时，将电机的磁场储能将电机的磁场储能以电能形式迅速回以电能形式迅速回馈电源，实现强迫馈电源，实现强迫换相。换相。 。 + US - - VD1 VD2 VT1 VT2 特种电机及其控制特种电机及其控制双开关型电路特点：双开关型电路特点：1）适用于任意相数）适用于任意相数SR电机电机2 2）

24、相控独立性：独立）相控独立性：独立3 3）相电压）相电压= =电源电压电源电压4 4）器件数量多）器件数量多 特种电机及其控制特种电机及其控制 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C 特种电机及其控制特种电机及其控制 双绕组型电路特点双绕组型电路特点主开关主开关S1S1导通时，导通时，电源对主绕组电源对主绕组A A供供电；电；当其关断时，当其关断时，靠磁耦合将主绕靠磁耦合将主绕组组A A的电流转移到的电流转移到副绕组，通过二副绕组，通过二极管极管D1D1续流，向续流，向电源回馈电能，电源回馈电能，实现强迫换相

25、。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。特种电机及其控制特种电机及其控制 2 2、双绕组型、双绕组型 缺点：缺点：1 1）由于主、副绕组之）由于主、副绕组之间不可能完全耦合，间不可能完全耦合，在在S1S1关断的瞬间，因关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰上会形成较高的尖峰电压，故电压，故S1S1需要有良需要有良好的吸收回路。好的吸收回路。2 2）由于采用主、副两）由于采用主、副两个绕组，因而电机槽个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。耗增加、体积增大。优点：优

26、点：适用于任何相数的适用于任何相数的SRMSRM，尤其适宜于低压直流电源供尤其适宜于低压直流电源供电场合电场合特种电机及其控制特种电机及其控制两个相串联的电容两个相串联的电容C1和和C2将电源电压一分为二将电源电压一分为二, ,构成中构成中点电位。每相只有一个主开关点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管和一只续流二极管D。 当当S1导通时，上导通时，上侧电容侧电容C1对对A相相绕组放电，电源绕组放电，电源对对A相供电，经相供电，经下侧电容下侧电容C2构成构成回路；当回路；当S1关断关断时，时，A相电流经相电流经D1续流，向下侧续流，向下侧电容电容C2充电。充电。 特种电机及其控制特种电机

27、及其控制1）只适用于偶数）只适用于偶数相相SR电机电机2）主开关数较少）主开关数较少3）相控独立性：）相控独立性：不独立不独立4）电源利用率低，）电源利用率低，每相电压为电源电每相电压为电源电压的压的1/2。5）需限制中点电）需限制中点电位漂移位漂移特种电机及其控制特种电机及其控制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。它要求每一它要求每一瞬间必须上、下各瞬间必须上、下各有一相导通。有一相导通。特种电机及其控制特种电机及其控制1）只适用于）只适用于4的倍数相的倍数相SR电机电机2）主开

28、关数较少）主开关数较少3）相控独立性：不独立）相控独立性：不独立4）相绕组电压浮动）相绕组电压浮动可以实现零压续流，可以实现零压续流，提高系统的控制性能。提高系统的控制性能。H桥型电路为桥型电路为4相相SR电机最常电机最常用的主电路形式用的主电路形式特种电机及其控制特种电机及其控制 SRM 功功率率 变变换换器器 - - US + 位位置置 传传感感器器 转转速速计计算算 逻逻辑辑控控制制 ASR 控控制制模模式式选选择择 正正反反转转指指令令 ACR PWM 逻逻辑辑 “与与” 放放 大大 驱驱 动动 * - - + + T* i* - - i on , off 特种电机及其控制特种电机及其

29、控制 键盘电路键盘电路 显示电路显示电路 故障检测电路故障检测电路 位置、速度信位置、速度信号检测电路号检测电路 EPROM 和和 E2PROM 电路电路 晶振和复位晶振和复位 电路电路 电流斩波与过电流斩波与过流保护电路流保护电路 电流检测电路电流检测电路 过电流保护过电流保护 电路电路 相控信号相控信号 输出电路输出电路 逻逻辑辑综综合合电电路路 CPU (80C196KC) 功功率率变变换换器器隔隔离离驱驱动动电电路路 HSI HSO PWM P0 ACH4 特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制DSP 具具有有PWM发生单元，可产生发生单元，可产生16路路PW

30、M 信号信号; ;特种电机及其控制特种电机及其控制：光电传感器反馈转子光电传感器反馈转子位置信号。通过位置信号。通过F2407 的捕获单元的捕获单元(CAP14 4) 对脉冲信号进行实时检测来实现对转子位置信对脉冲信号进行实时检测来实现对转子位置信号的检测。号的检测。CAP 单元不仅能检测信号的变化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而且还能记录两次信号变化的时间间隔，由此由此，进而准确地控制各相的开通和关进而准确地控制各相的开通和关断断。特种电机及其控制特种电机及其控制使用磁场平衡式霍尔检测器使用磁场平衡式霍尔检测器(LEM 模块模块) 来检测电机的三相电流。来检测电

31、机的三相电流。LEM的的输出一方面输入到输出一方面输入到F240 的的A/D 转换口转换口,转换成转换成数字信号后用以控制电流斩波限数字信号后用以控制电流斩波限;一方面输入一方面输入到保护电路到保护电路,实现对功率变换器主开关的过流实现对功率变换器主开关的过流保护。保护。5) 键盘、显示电路键盘、显示电路:特种电机及其控制特种电机及其控制 位位置置检检测测 功功率率变变换换器器 SR 发发电电机机 电电流流检检测测 控控制制信信号号 控控制制器器 电电 源源 电电功功率率输输出出 机机械械功功率率输输入入 特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特