1、中 國 礦 業(yè) 大 學本科生畢業(yè)設計姓 名： 學 號： 學 院： 應用技術學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 設計題目: 開關磁阻電機控制系統(tǒng)設計 專 題： 指導教師： 職 稱： 講師 2009 年 6 月 徐州中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文任務書學院： 應用技術學院 專業(yè)年級：電氣 學生姓名： 任務下達日期:2009年3月8日畢業(yè)論文日期:2009年3月9日至2009年6月15日畢業(yè)論文題目:開關磁阻電機控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文專題題目：畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求:1. 了解開關磁阻電機工作原理。2. 設計系統(tǒng)主回路（主要包括功率器件選型，驅(qū)動、保護電路參數(shù)設計）。3. 設計通用電機控制系統(tǒng)的電路。4. 采用

2、atlabimulink實現(xiàn)開關磁阻電機控制系統(tǒng)的仿真。 院長簽字： 指導教師簽字：中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計指導教師評閱書指導教師評語（基礎理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點；工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日中

3、國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文答辯及綜合成績答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正 確基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤沒有回答答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任簽字： 年 月 日學院領導小組綜合評定成績：學院領導小組負責人： 年 月 日摘 要開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)（switched reluctnce drive，簡稱srd）是由開關磁阻

4、電動機、電力電子開關電路及驅(qū)動控制部分組成的高性能調(diào)速系統(tǒng)。開關磁阻電機具有結構簡單堅固、成本低、容錯能力強、調(diào)速范圍寬、低速轉(zhuǎn)矩大、起動電流小、轉(zhuǎn)速精度高、耐高溫、可頻繁起動制動等優(yōu)點，又在高度發(fā)展的電力電子和微機控制技術的支持下獲得了良好的可控性能。因此，開關磁阻電機在驅(qū)動調(diào)速領域得到了廣泛的應用。本文首先介紹了課題研究背景和意義。給出了開關磁阻電機控制系統(tǒng)的組成、運行原理和控制方式。給出了開關磁阻電機的控制策略。在matlab/simulink 交互式仿真集成環(huán)境下，對開關磁阻控制系統(tǒng)進行了建模、仿真及分析。接著，給出了開關磁阻控制系統(tǒng)的硬件、軟件設計方案。主要包括：dsp tms320

5、lf2407最小系統(tǒng)、位置檢測電路、電流檢測電路、鍵盤和顯示電路、上位機通信接口及電源系統(tǒng)、系統(tǒng)主程序、各模塊初始化子程序、各功能子程序和各中斷服務子程序等。最后，以三相6/4 結構小功率開關磁阻電機作為執(zhí)行元件，給出了仿真結果。 關鍵詞：開關磁阻 dsp tms320lf2407 控制 abstractswitched reluctance drive system is a high performance system, which is composed of switched reluctance motor, power electronic switching circuit a

6、nd controller. switched reluctance motor has not only low cost , strong structure, good fault-tolerant，wide range speed modulation , low starting current, high speed accuracy, high temperature, and it can be started or stopped frequently, but also excellent controllability based on the electric and

7、mircrocomputer . thus, switched reluctance motor is widely used in drive and speed adjustment field. firstly, the background and significance of the project were given. the structure of the position control system of srm was given.the operational principle and control modes of srm were discussed. th

8、e output torque could be indirectly controlled by the rotor angular acceleration closed-loop control of srm. the position control strategy was also presented .in the matlab/simulink interactive simulation integrated environment, module construction, simulation and analysis of control system of srm w

9、ere given. and then, the hardware and software of control system of srm were designed. the design of hardware mainly includes the least system of dsp tms320lf2407, the position detection circuit,the current detection circuit,the keyboard and display circuit，the communication interface of upper compu

10、ter and the power system.thedesign of software mainly includes the main procedure, the modules initialization subroutines, the subroutines and the interrupt service subroutines. finally, the experiment system was established with a threephase 6/4 structure lowpower srm prototype as action element.th

11、e simulation results were given.keywords: switched reluctance dsp tms320lf2407 control 目 錄1 緒論11.1前言11.2開關磁阻電機的發(fā)展狀況21.3開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的概述21.3.1 srd的基本結構21.3.2 sr的特點41.3.3 srd的應用41.4本課題的主要任務52 開關磁阻電機的原理62.1開關磁阻電機的基本結構及工作原理62.1.1sr電機的基本結構62.1.2 開關磁阻電機的工作原理62.2 開關磁阻電機的數(shù)學模型72.2.1繞組電感分段線性解析式72.2.2 srm的相電壓方程82

12、.2.3磁鏈方程82.2.4 繞組電流的分析92.2.5 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的控制102.3 sr電機基本控制方式113 系統(tǒng)主電路153.1 系統(tǒng)整體框架153.2 srm 功率變換器153.2.1主回路方案173.2.2 igbt主開關管參數(shù)計算183.3 igbt驅(qū)動電路193.4電流檢測裝置203.5位置檢測214 開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的設計234.1開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計234.1.1srd硬件系統(tǒng)結構概述234.2基于dsp的srd控制器234.2.1基于dsp的srd系統(tǒng)硬件介紹234.2.2控制策略254.3軟件設計264.3.1主程序的設計274.3.2 功能子程序設計284.

13、3.3 子程序顯示284.3.4中斷子程序設計295 開關磁阻調(diào)速電動機系統(tǒng)仿真研究315.1.srm的控制方案315.1.1 電流斬波控制315.1.2 角度位置控制315.1.3 電壓pwm控制315.2電壓pwm控制方案下srd仿真模型的建立315.3 仿真模型與分析325.4 仿真結果366 結論41參考文獻：43翻譯部分45英文原文45中文譯文56致 謝651 緒論1.1前言21世紀，世界的能源問題越來越嚴重。如何進行節(jié)能和充分的利用能源已經(jīng)成為了一個關系到國家生存和民族發(fā)展的重要問題。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，幾乎99%的電能由同步機發(fā)出，6070%的電能通過各種電機加以利用。在電機用電中，交流

14、電機占80%左右，其中大多數(shù)為異步電機直接拖動。人們發(fā)現(xiàn)，占電機用電量一半以上的風機、泵類負載是靠閥門和擋板來調(diào)節(jié)流量和壓力的，其拖動電機一般工作在恒速狀態(tài)，從而造成了大量的電能浪費。如用改變電機轉(zhuǎn)速的方法調(diào)節(jié)風量或流量，在壓力保持不變的情況下，一般可以節(jié)電2030%。為了達到這個目的，國內(nèi)外的研究者投入了大量的人力、物力和財力對交流調(diào)速系統(tǒng)進行了研究。而開關磁阻電動機（switched reluctance motors，簡稱srm）作為一種新型交流調(diào)速系統(tǒng)，正是人們在開發(fā)新型電機方向上的一個努力探索。1srm不僅可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行。由于srm結構簡單堅固、成本低、運行

15、可靠性高，兼有直流傳動和普通交流傳動的優(yōu)點。所以srm主要用于調(diào)速系統(tǒng)中。國內(nèi)外現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)出許多成型的產(chǎn)品。包括有通用型和特殊型，容量可達5mw，轉(zhuǎn)矩達1*nm，轉(zhuǎn)速達r/min。普通型產(chǎn)品主要用于一般供工業(yè)用，如風機、泵、卷揚機、壓縮機等。特殊產(chǎn)品主要用于牽引機車。電動汽車以及飛機的啟動電動機、伺服系統(tǒng)以及日用家電等方面。我國在開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)（switched reluctance drive，簡稱srd）的理論研究以及日用家電等方面也已經(jīng)取得了長足的進步，已經(jīng)研制出了350w到50w多個規(guī)格的樣機。實踐證明，采用srm后，成本降低，效率提高，在30%的啟動電流下可以獲得150%的

16、起動轉(zhuǎn)矩。srm結構簡單，容錯性能強，調(diào)節(jié)性能好，可以用于飛機的啟動以及風力發(fā)電等。現(xiàn)在也有一些研究者在研究開關磁阻電動機在直線電機中的應用。開關磁阻電動機已經(jīng)向各種傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)發(fā)出了挑戰(zhàn)，正逐步應用在家用電器、一般工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電動機、高速電動機、航天器械及汽車輔助設備等領域，顯示出強大的市場競爭力。因此srd具有良好的應用前景和發(fā)展?jié)摿Α?.2開關磁阻電機的發(fā)展狀況磁阻電機的工作原理最早出現(xiàn)在19世紀40年代，當時的研究人員認為利用順序磁拉力方法可以使電動機旋轉(zhuǎn)是簡單可行的。1842年，英國的aberdeen和davids。制造了最初的磁阻電機模型，但是由于受到當時的科技條件的

17、限制，電動機的運行特性很差，在以后的100多年的時間里，開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的很緩慢。20世紀60年代，大功率晶閘管投入使用，為srd的研究和發(fā)展奠定了重要的物質(zhì)基礎。1967年，英國leeds大學開始對sr電機進行深入研究，結果表明sr電機可在單向電流下四象限運行，功率變換器中的主要元件的數(shù)量少，其成本明顯低于同容量的感應電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。1974年，美國 fordmotor公司研制出世界上最早的srd。七十年代中期，英國leeds大學和nottingham大學共同研制以電動車輛為目的的srd，成功研制出用于汽車的裝置，其單位輸出功率和效率都高于同類的感應電動機驅(qū)動裝置。 1980年l

18、eeds大學總結了他們的研究成果，發(fā)表了著名論文可變速的開關型磁阻電動機，率先將“開關磁阻” (switchedreluctanee)術語用于徑向氣隙電動機，系統(tǒng)地闡述了sr電機的工作原理及設計理論，研究了sr電機的工作特性及控制方式，這些工作被公認為sr電機研究的奠基之作。隨后，美國、加拿大、南斯拉夫等國競相開展了srd的研究工作，并在系統(tǒng)的一體化設計、電動機的電磁分析、微機的應用、功率元件的應用、新型結構型式等方面取得了進展。21.3開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的概述1.3.1 srd的基本結構開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)(srd)是由sr電動機、功率轉(zhuǎn)換電路、控制電路及位置、電流檢測器構成，如圖1.1

19、所示。控制器驅(qū)動電路功率變換器srmmmmmmmm電源電流檢測位置檢測速度輸入圖1.1srd結構圖1.開關磁阻電機開關磁阻電機(srm)為雙凸極鐵芯結構，它的定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯由硅鋼片疊加而成。每個定子的鐵芯凸極上安裝集中繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯凸極無繞組，徑向相對的兩個定子的繞組串聯(lián)成一對磁極，稱為一相。sr電機可以設計成不同的相數(shù)結構，定轉(zhuǎn)子的極數(shù)也有不同的搭配，相數(shù)越多，轉(zhuǎn)動脈沖也越小，但是結構也越復雜。目前常用的是三相（6/4）極和四相（8/6）極。2.功率變換器功率變換器的作用是將電源提供的能量經(jīng)過適當?shù)淖儞Q提供給srm電機。由于只需要給srm電機提供單向電流，所以功率變換器的電路結構簡單。開關

20、磁阻電機的功率變換器主電路的結構形式與供電電壓、電機相數(shù)以及主開關器件的種類等有關。3.控制器控制器是系統(tǒng)的核心，它綜合處理控制臺指令、轉(zhuǎn)子位置信號、相電流信號以及故障信號，控制功率變換器中主開關器件的開斷，實現(xiàn)對sr電機運行狀態(tài)的控制，并完成必要的顯示功能。4.位置、電流檢測單元轉(zhuǎn)子位置信號是各相主開關器件正確進行邏輯切換的依據(jù)，正確的轉(zhuǎn)子位置信號是整個sr正常運行的基礎。而實際電流的大小是sr中不可缺少的一個參數(shù)，實時的電流信號為電流斬波控制和防止過電流提供了根據(jù)。因而，及時地位置、電流檢測是系統(tǒng)可靠運行的保證。1.3.2 sr的特點1.sr電機結構簡單、成本低，適用于高速。sr電機是將電

21、能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，其突出的優(yōu)點是電機無碳刷和換相器，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組;制造成本低且轉(zhuǎn)子的機械強度高，使得電動機可高速運轉(zhuǎn)而不致變形;另外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，易于加、減速。在定子方面，它只有幾個集中繞組，線圈嵌裝容易，端部短而牢固，因此制造簡便，絕緣結構簡單，并且發(fā)熱大部分在定子，易于冷卻。2.sr中功率電路結構簡單可靠。sr電動機的轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流的方向無關，只需單方向來對繞組供電，故功率電路結構簡單，可以做到每相只需要一個功率開關器件。只要控制主開關器件的開通、關斷時間，即可改變電動機的工作狀態(tài)。另外，系統(tǒng)中每個功率開關器件均直接與電動機繞組相串聯(lián)，避免了直通短路現(xiàn)象。因此，開關磁

22、阻電動機調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護部分可以簡化，既降低了成本，又具有較高的可靠性。3.sr效率高、起動轉(zhuǎn)矩大。sr是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。這是因為一方面電動機轉(zhuǎn)子不存在繞組銅耗，另一方面電動機可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負載下實現(xiàn)高效優(yōu)化控制。且電機起動時，只需提供較少的電流，就能使電動機獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩。4.sr可控參數(shù)多，控制方式簡單sr電動機的控制方式主要有以下幾種:l)角度控制方式 (apc);2)電流斬波控制方式 (ccc):3)電壓pwm控制方式。5.srd可靠性高sr電機不會發(fā)生感應電動機轉(zhuǎn)子斷裂或燒熔的故障，再加上sr電機采用簡單而堅固的轉(zhuǎn)子結構，由單極性功率

23、變換器供單方向電流激勵，可做到磁路上各相相互獨立和電路上各相相互獨立，因此，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和容錯能力。雖然開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點很多，但是其也有缺點，最主要的是轉(zhuǎn)矩脈動和引起的噪聲很大。通過sr電機的正確設計和控制技術的發(fā)展，這些問題將逐步得到解決。1.3.3 srd的應用隨著科技能力的不斷進步，以及半導體集成控制技術水平的提高，srd已有了系列化產(chǎn)品，其多種功率的srd在不同的工業(yè)部門和家用電器中得到應用。(1)用于龍門刨床:工藝上需要電動機能頻繁起、停及正反轉(zhuǎn)，開關磁阻調(diào)速電動機能較好的實現(xiàn)。如機械工業(yè)中龍門刨床、銑床、冶金行業(yè)的可逆軋機、飛鋸、飛剪、電弧爐的電極升降等系統(tǒng)。(

24、2)用于紡織“探邊”設備:經(jīng)過紡織行業(yè)的“探邊”與“對中”設備的實踐使用，取得了較好的效果。對作為“探邊”設備的動力，其反應速度小于0.35，即電動機運轉(zhuǎn)時，接到指令后，能在0.35內(nèi)實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，并要求在24小時內(nèi)連續(xù)頻繁運轉(zhuǎn)，同時要求在較寬范圍內(nèi)進行無級調(diào)速。(3)用于家用電器:將克服當今洗衣機和空調(diào)機、電冰箱的缺陷，成為更完善新一代產(chǎn)品。srd具有優(yōu)良的調(diào)速性能，有更高的電能機械能轉(zhuǎn)換效率，特別是在中低速時，優(yōu)勢尤為突出。從而能有效的克服了變頻調(diào)速系統(tǒng)的弊端，使節(jié)能更為有效。(4)在電動車驅(qū)動上的應用:由于燃油汽車廢氣嚴重污染環(huán)境，故發(fā)展和完善無污染的電動車是社會的必然。而發(fā)展電動車除了隨車

25、的蓄電池要有高能量之外，再則就是要有性能和效率很優(yōu)越的電動機調(diào)速系統(tǒng)作動力。而srd高可靠性、寬廣的調(diào)速范圍，卓越的起、制動性能，它是各類電動車最理想的動力之一。191.4本課題的主要任務本課題研究的主要內(nèi)容如下:(1)研究sr電機的結構、工作原理和數(shù)學模型，分析了sr電機主要的控制方式，并對這些控制方式進行詳細的研究。(2)研究srd的特點和組成部分，并分別對它的各個組成部分功率變換器、控制器和信號反饋系統(tǒng)作了詳細的研究;設計系統(tǒng)的主回路。(3)了解采用tms320f2407設計控制器的硬件電路，結構和功能，掌握基于tms320f2407的硬件和軟件的設計方法，在對srd深入研究的基礎上，設

26、計了srd的硬件系統(tǒng)。（4）應用matlab在sr電動機進行電機的性能仿真。 2 開關磁阻電機的原理2.1開關磁阻電機的基本結構及工作原理sr電機是一種機電能量轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)可逆原理，sr電機既可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能即電動運行，也可將機械能轉(zhuǎn)換為電能即發(fā)電運行，但內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關系不能簡單看成是sr電機的逆過程。2.1.1sr電機的基本結構開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)(srd)由開關磁阻電機、功率變換器、控制器、檢測器和plc操作臺五個部分組成，其中開關磁阻電機是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分。它是一個雙凸極可變磁阻電機，其定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子上既無繞組和永磁體，也無換向器和集電環(huán)。定子極上

27、繞有集中繞組，徑向相對稱的兩組繞組串聯(lián)構成一個兩極磁極，稱為“一相”。srm可以設計成多種不同相數(shù)結構，單相、雙相、三相、四相和多相等，且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。相數(shù)越多，性能越好，但是同時成本也隨之增加，以三相（6/4）結構開關磁阻電機的如圖2.1所示。8,9圖 2.1三相（6/4）開關磁阻電機結構2.1.2 開關磁阻電機的工作原理開關磁阻電機的運行原理遵循“磁阻最小原理”磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的轉(zhuǎn)子鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。因此，只要依一定次序給定子的相繞組通電，因磁場扭曲而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，電動機轉(zhuǎn)子就會連續(xù)轉(zhuǎn)動起

28、來。在圖 2.1中，若以圖示定、轉(zhuǎn)子所處的相對位置作為起始位置，則依次給bca相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給cba相通電，則電動機即會沿順時針方向轉(zhuǎn)動。2.2 開關磁阻電機的數(shù)學模型開關磁阻電機是一個多變量，嚴重非線性的模型，它的雙凸極特殊結構決定了其電感及電感變化率隨轉(zhuǎn)子位置而變化，在定子極與轉(zhuǎn)子極對齊位置電感值最大，在定子槽與轉(zhuǎn)子極對齊位置電感值最小，在這兩個位置之間相電感連續(xù)變化。建立開關磁阻電機數(shù)學模型，通常有以下三種方法：線性模型、準線性模型(分段線性模型)和非線性模型。線性模型忽略了飽和及邊緣效應，認為繞組電感與電流無關。準線性模型將磁化曲線分

29、段線性化，近似考慮定轉(zhuǎn)子齒極重疊時的飽和。以上兩種模型，電感參數(shù)有解析表達式，用于求解電機性能時，電流和轉(zhuǎn)矩有解析解，一般用于定性分析3。2.2.1繞組電感分段線性解析式事實上，由于電機的雙凸極結構和磁路的飽和、渦流和磁滯效應所產(chǎn)生的非線性，加上電機運行期間的開關性和可控性，在電機運行期間繞組電感不是常數(shù)，而是電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。開關磁阻電機定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)子位置不同而變化的規(guī)律是很復雜的，難以用簡單的解析表達式來表示，因此很難建立精確可解的數(shù)學模型。如果不考慮電動機磁路飽和的影響，忽略相繞組的電流對電感的影響，且不考慮磁場邊緣擴散效應，這個時候相繞組的電感隨轉(zhuǎn)子位置角的周

30、期性變化規(guī)律可用圖2.2說明。 圖 2.2定轉(zhuǎn)子相對位置展開圖及相繞組電感曲線 （21）其中： （22） 圖中橫坐標為轉(zhuǎn)子位置角，它的基準點即坐標原點=0的位置，對應于定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置，這時相電感為最小值lmin。在1和2 (2為轉(zhuǎn)子磁極的前沿與定子磁極的后沿相對應的位置)區(qū)域內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁極不相重疊，電感保持最小值lmin不變，這是因為開關磁阻電機的轉(zhuǎn)子槽寬通常大于定子極弧，所以當定子凸極對著轉(zhuǎn)子槽時，便有一段定子極與轉(zhuǎn)子槽之間的磁阻恒為最大并不隨轉(zhuǎn)子位置變化的最小電感常數(shù)區(qū)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過后，相電感便開始線性地上升直到為止，系轉(zhuǎn)子磁極的前沿與定子磁極的前沿重疊處，這時定轉(zhuǎn)子磁極

31、全部重疊，相電感變?yōu)樽畲笾祃max；基于電機綜合性能的考慮，轉(zhuǎn)子極弧r通常要求大于定子極弧s，因此在和(為轉(zhuǎn)子磁極的后沿與定子磁極的后沿相遇的位置)區(qū)域內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁極保持全部重疊，相應的定轉(zhuǎn)子凸極間磁阻恒為最小值，相電感保持在最大值lmax；從4相電感開始線性地下降，直到處降為lmin，、均為轉(zhuǎn)子磁極后沿與定子磁極前沿重合處。如此周而復始，往復循環(huán)。142.2.2 srm的相電壓方程開關磁阻電機的相電壓方程如下2： （23）2.2.3磁鏈方程 （24） 由初始條件，可得通電期間磁鏈解析式為： （25） 關斷期間： （26） 隨轉(zhuǎn)子位置的變化曲線，如圖2.3所示。圖 2.3 開關磁阻電機相繞組磁

32、鏈曲線2.2.4 繞組電流的分析當開關磁阻電機由恒壓直流電源us供電時，在繞組電感僅是轉(zhuǎn)子位置的線性函數(shù)的假設和忽略繞組電阻影響的情況下: （27） 也即： （28）（1）在1到2區(qū)段，l=lmin， i(on)=0(on為開始導通角)得： （29）上式表明電流在最小電感恒值區(qū)域內(nèi)是直線上升的，這是因為該區(qū)域內(nèi)電感恒為最小值，且無旋轉(zhuǎn)電動勢，因此開關磁阻電動機相電流可在該區(qū)域內(nèi)迅速建立。（2）在2到off區(qū)段(off為關斷角)，將上述結果作為該區(qū)段的初值條件，得 （210）（3）在off到3區(qū)段，繞組電流為 （211）（4）在3到4區(qū)段，繞組電流為 （212）（5）在4到5區(qū)段，繞組電流為 （

33、213）顯然，當=2off-on時，相電流已衰減至零。這些分段電流函數(shù)可以用下面的通式統(tǒng)一描述，即 （214）由上式可知，繞組電流與外加電源電壓us、角速度、開通角on、關斷角off、最大電感l(wèi)max、最小電感l(wèi)min、定子極弧s等有關。對結構一定的電動機，在on和off不變的情況下，繞組電流隨外加電壓的增大而增大，隨轉(zhuǎn)速的升高而減小；通過調(diào)整開關角和關斷角也可以影響繞組電流，從而就間接地使電動機的電磁轉(zhuǎn)矩增大。42.2.5 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的控制開關磁阻電機的轉(zhuǎn)矩公式為2： （215）由此可以看出:（1）電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時氣隙磁導變化產(chǎn)生的，當磁導對轉(zhuǎn)角的變化率大時，轉(zhuǎn)矩也大。（2）電磁

34、轉(zhuǎn)矩的大小同繞組電流的平方成正比，即使考慮到電流增大后鐵芯飽和的影響，轉(zhuǎn)矩不再與電流平方成正比，但仍隨電流的增大而增大，因此可以通過增大電流有效地增大轉(zhuǎn)矩，并且可以通過控制繞組電流得到恒轉(zhuǎn)矩輸出的特性。（3）轉(zhuǎn)矩的方向與繞組電流的方向無關，只要在電感曲線的上升段通入繞組電流就會產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩，而在電感曲線的下降段通入繞組電流則會產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩。將繞組電流分段函數(shù)（21）表示式代入轉(zhuǎn)矩公式（215）中，得到： （216）由此進一步得到： （217） （218）從式中可以看出，有兩種轉(zhuǎn)速控制方法： 1）改變外施電壓；2）改變與開關角有關的參數(shù)f，f是代表電動機結構參數(shù)(如繞組電感和定子極弧等

35、)和控制參數(shù)(如開通角、關斷角)的函數(shù)。若與開關角有關的參數(shù)f不變，則正比于us，改變其外施電壓就會改變電機的轉(zhuǎn)速。2.3 sr電機基本控制方式1、ccc控制電機低速運行時，反電勢較小，電流變化率大，為了避免電流上升過快，超過功率開關元件和電機允許的最大電流，可以采用斬波方式限制電流，電流斬波控制方式一般應用于電機低速區(qū)。電流斬波控制的一般方法是保持開通角、關斷角不變，通過主開關器件的多次導通和關斷，進而將電流限制在某一值附近，借以控制轉(zhuǎn)矩。它又可分為兩種方式：（1）固定關斷時間電流上限控制在時，功率開關器件接通，繞組電流從零開始上升，當繞組電流一旦超過電流的設定值（斬波電流上限值）時，開關管

36、關斷，電流快速下降。經(jīng)時間時再重新開通。如此循環(huán)，從而達到控制電流的目的。這種控制方式不足之處在于：雖然在一個控制周期內(nèi)關斷時間恒定，但電流下降多少，則取決于繞組的電感、電流變化率、轉(zhuǎn)速等因素，因此電流的下限并不一致。如關斷時間過長則相電流脈動大；如關斷時間過短，則斬波頻率過高。因此采用該方式的主要問題在于參數(shù)不易優(yōu)化，電流脈動大，振動噪聲大。（2）限制電流上、下幅值這種方法是在一個控制周期內(nèi)，設定電流的最大值和最小值。當電流傳感器檢測的電流信號大于設定信號的最大值時，主開關斷開；當續(xù)流電流衰減到設定的最小值時，主開關重新開通，如此反復。這種方式的不足之處在于：由于電感在一個周期內(nèi)是變化的，故

37、電流斬波頻率疏密不均，在電感變化率較大的區(qū)間，電流上升快，斬波頻率較高，必須選擇合適的上下限。過大則易于使電流脈動大，以至于電機噪聲太大；過小，則使斬波頻率過高，使主開關無法長期地承受高頻下的開關損耗而被擊穿。圖2.4給出了電流滯環(huán)控制下的電流波形。圖2.4 ccc的電流波形2、apc控制在sr電機高速運行時，為了使轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速的平方下降，在輸入電壓保持不變而通過改變開通角和關斷角來來獲得所需的較大電流，這就是apc控制。apc控制的典型相電流波形如圖2.5所示： 圖2.5 apc的電流波形 當開通角減小，即提前觸發(fā)導通主開關，會使峰值電流加大，電源供電時間加長，因此，有效電流增大。這樣，在一

38、定轉(zhuǎn)速時，電磁轉(zhuǎn)矩隨開通角的減小而增大；在一定負載轉(zhuǎn)矩時電機轉(zhuǎn)速隨開通角減小而增加。其中，開通角減小可延伸至出現(xiàn)負值，即在最小電感出現(xiàn)之前就開通繞組。開通角提前太多將可能導致局部瞬間出現(xiàn)負轉(zhuǎn)矩，總效果應當綜合考慮，不宜過分超前。普通開關磁阻電動機控制器常以開通角作為主要控制量，在調(diào)速系統(tǒng)中實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)控制。關斷角也可以作為控制量，實現(xiàn)對開關磁阻電動機的調(diào)控。不同開通角和關斷角的相電流波形如圖2.6和2.7所示。圖2.6 不同開通角的電流波形 圖2.7不同關斷角的電流波形 綜上分析可知，角度控制一般應用于較高速區(qū)。角度控制方式的優(yōu)點在于有較大的靈活性，可同時對多種參數(shù)進行優(yōu)化，效率較高，但其不足

39、之處在于其在低速區(qū)不能工作，必須配合其它方式，如電流斬波加調(diào)節(jié)角度復合控制等，因此控制起來較為復雜。5,12 3、電壓斬波pwm控制電壓斬波pwm控制采用的方法是：在原來主開關相控觸發(fā)信號上加pwm的占空比d，從而調(diào)節(jié)施加在相繞組上的兩端電壓，以達到調(diào)速的目的，與電流斬波控制方式類似，提高脈沖頻率，則電流波形比較平滑，電機出力增大，噪聲減少，但功率開關元件的工作頻率增大。電壓斬波控制下典型的相電流波形如圖2.8所示。圖2.8電壓斬波控制電流波形電壓斬波pwm控制又可分為斬雙管和斬單管兩種方式：（1）斬雙管方式斬雙管方式采用的方法是對每相的上、下主開關管t1、t2的相控觸發(fā)脈沖信號同時施加pwm

40、調(diào)制信號，以實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速控制。相電流經(jīng)電源續(xù)流，其續(xù)流路徑如圖2.9所示。其特點為：在續(xù)流段，繞組兩端的電壓近似為-u，因而電流脈動大，振動噪聲都較大，但有能量回饋。 圖2.9 斬雙管（2）斬單管方式斬單管方式采用的方法為：將pwm調(diào)制信號僅加于功率變換器的上管t1或下管t2，進行電壓斬波pwm控制。相電流不經(jīng)電源續(xù)流，其續(xù)流路徑如下圖2.10所示。其特點為：在續(xù)流段，繞組兩端的電壓近似為0，因而電流脈動小，振動和噪聲都比較令人滿意，但無能量回饋。圖2.10 斬單管3 系統(tǒng)主電路3.1 系統(tǒng)整體框架 開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)(srd)是由sr電動機、功率轉(zhuǎn)換電路、控制電路及位置、電流檢測器構成，

41、如3.1圖所示。圖3.1系統(tǒng)框圖3.2 srm 功率變換器功率變化器是直流電源和sr電動機的接口，在控制器的控制下起到開關作用，使繞組與電源接通或斷開；同時還為繞組的儲能提供回饋路徑。srd系統(tǒng)的性能和成本在很大程度上取決于功率變換器，因此要合理設計功率變換器。性能優(yōu)良的功率變換器應同時具備如下條件：（1） 具有較少數(shù)量的主開關元件。（2） 可將電源電壓全部加給電動機相繞組。（3） 主開關器件的電壓額定值與電動機接近。（4） 具備迅速增加相繞組電流的能力。（5） 可以通過主開關器件調(diào)制，有效地控制相電流。（6） 能將繞組儲能回饋給電源。通常可以用來構成srd功率變化器的主開關器件主要有普通晶閘

42、管、大功率晶體管（gtr）、可關斷晶閘管（gto）、mos場效應晶體管（mosfet）和絕緣柵雙極晶體管（igbt）。其中，普通晶閘管因為沒有自關斷能力，開關頻率低，強迫換相電路成本高、可靠性差，構成的srd總體性能有局限性；gtr的電壓、電流過載能力差，承受浪涌電流的能力差，存在二次擊穿現(xiàn)象，不易保護；gto在不斷關斷時要求相當大的反向控制電流，關斷控制實現(xiàn)有難度，并存在管壓降比普通晶閘管高、工作頻率較gtr低，緩沖電路的損耗較大、門極控制較復雜等缺點；mosfet單管功率難以做得很大，若將多個單管并聯(lián)以擴大容量，勢必增大控制的難度并降低裝置的可靠性；igbt綜合了mosfet控制極輸入阻抗

43、高和gtr通態(tài)飽和壓降低的優(yōu)點，具有工作頻率較高，而且單管的電壓定額與電流定額也已將做得很大，已經(jīng)可以滿足功率器件的要求。所以采用igbt。6綜上所述，根據(jù)系統(tǒng)實際要求選用了igbt作為系統(tǒng)的功率變換單元，采用了不對稱的拓撲結構，其結構如圖3.2所示：圖3.2 三相不對稱半橋型主電路以a相為例，每相有兩個主開關管（即主開關器件）v1、v2和續(xù)流二極管vd1、vd2。其中上、下兩只主開關管是控制a相繞組處于通電或蓄流或斷開狀態(tài)。當v1、v2導通的時候，vd1、vd2截止，外加電源us加至a相繞組的兩端，產(chǎn)生相電流ia；當v1或者v2關斷的時候，a相繞組產(chǎn)生的變壓器電動勢下負上正，則vd1或vd2

44、正向?qū)ǎ琲a通過vd1、vd2及儲能電容cs續(xù)流，cs將儲存a相繞組的部分磁場能量。基于上述分析，這種不對稱半橋線路具有以下特點：由于主開關管的電壓定額與電動機繞組的電壓額定近似相等，所以這種線路用足了主開關管的額定電壓，有效的全部電源電壓可以用來控制相繞組電流；由于每相繞組接至各自的不對稱半橋，在線路上彼此是相互完全獨立的，故這種結構對繞組相數(shù)沒有任何的限制。每相需要兩個主開關管，除了電動機繞組與每相開關串聯(lián)，不存在上、下橋臂直通的隱患。3.2.1主回路方案如圖3.3所示，l1、l2、l3為濾波電抗器，c1為濾波電容，兩者的作用是為了避免此系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波對主電網(wǎng)造成影響；當srd系統(tǒng)大

45、功率電路和交流電網(wǎng)接通是，若回路中沒有限制電流的元件，則合閘瞬間整流電路中大的儲能電容將電源短路，電路中有較大的浪涌電流。這個電流的大小隨電源開關合閘瞬間交流電壓的相位及輸入回路的內(nèi)阻不同而不同，即使是上百瓦數(shù)量級的供電電源，合閘浪涌電流大都高達100a200a之巨，這樣大的浪涌電流不僅會引起電源開關觸點的熔接，輸入熔斷器熔斷，也會干擾相鄰的用電設備，就儲能電容器和整流器本身而言，多次而反復地經(jīng)受大電流沖擊，性能會逐漸變壞。限制合閘浪涌電流的方法是在儲能電容回路串入限流電阻。合閘瞬間，充電電阻r0串入電容充電回路，待充電結束后，j閉合將r0短接。r1為放電電阻，是有dsp控制其所在支路開關的，

46、當直流母線上的電壓高于預定數(shù)值的時候就打開此支路進行放電；電容組c2為沖放電電容，其作用為的是避免在系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時電壓沖擊；i1、i2、i3為三個lem電流互感器，在進行處理后進入dsp控制系統(tǒng)進行a/d轉(zhuǎn)換，為雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流閉環(huán)的輸入；la、lb、lc為開關磁阻電機的三個繞組。vd1vd6為igbt的續(xù)流二極管。25圖 圖3.3主回路方案3.2.2 igbt主開關管參數(shù)計算本系統(tǒng)中所控制的開關磁阻電機為三相6/4極、功率為75kw，采用240v的直流電源供電。功率變換電路采用三相srd系統(tǒng)最常用的主電路形式雙開關型主電路開關磁阻電機的功率變換器工作時，主開關管承受的電壓最大值等于直流電源電

47、壓最大值,考慮到主開關和續(xù)流二極管開關過程中要能承受一定的瞬間過電壓，所選器件的電壓定額應留有安全裕量。主開關和續(xù)流二極管的電壓定額一般取其額定工作電壓的2到3倍。l)主電路元器件電壓定額三相全波整流輸出的直流電壓：= 240 v主開關管和續(xù)流二極管承受的電壓最大值等于直流電源電壓最大值，考慮到23倍的電壓裕量(這里選2.5倍)，則主開關器件和續(xù)流二極管的耐壓定額為：考慮到一定的裕量，整流二極管、續(xù)流二極管和主開關器件的電壓定額均取為700v。2)電流定額主開關器件(igbt)的有效值電流定額為: i1.4i=1.4*31.2=43 a igbt電流選取應該遵循其主開關電流峰值。開關磁阻電機額

48、定狀態(tài)工作時igbt的開關電流可達到1.5倍的有效值電流，所以igbt電流定額為： 續(xù)流二極管承受沖擊電流的能力強，其電流定額可按來確定： 3)平滑濾波電容器的計算三相全波整流輸出電壓的脈動周期 ()，而濾波電容c 與負載等效電阻r f 的乘積(時間常數(shù)) 應遠大于脈動周期，也即:取倍數(shù)為4，設負載等效電阻為0.5歐姆，則： 所以分析，igbt、續(xù)流二極管和濾波電容可選用如表所示的型號。器件選型名稱型號備注igbtdim400ddm17-a00060a/1700v續(xù)流二極管dfm600lxs1860a/1800v快恢復電容器hcgf3.3 igbt驅(qū)動電路由于igbt（絕緣柵雙極型晶體管）是一

49、種電壓控制型功率器件，它所需驅(qū)動功率小，控制電路簡單，導通壓降低，且具有較大的安全工作區(qū)和短路承受能力。因此，如何有效地驅(qū)動并保護igbt變得很重要。一個具有保護功能的驅(qū)動電路不但能在正常工作狀態(tài)下給igbt提供所需的驅(qū)動功率，在異常工作狀態(tài)下能起到保護igbt的作用，而且應當能使電力電子系統(tǒng)中的igbt有很好的替換特性。驅(qū)動電路的選擇須遵循以下原則：1、igbt是電壓驅(qū)動，具有一個2.55v的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此，igbt對柵極電荷聚集很敏感，要保證有一條低阻抗的放電回路，即驅(qū)動電路與igbt的連線要盡量短。2、用小內(nèi)阻的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后

50、沿，使igbt的開關損耗盡量小。3、驅(qū)動電平增大時，igbt通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負載短路時流過的電流增大，igbt能承受的短路電流的時間減少，對其安全不利，一般選為12v15v。4、在關斷過程中，為盡快抽取存儲的電荷，須施加一個負偏壓，但此負壓受igbt的g、d極間最大反向耐壓的限制，一般取2v5v。5、大電感負載下，igbt的開關時間不能過分短，以限制所形成的尖峰電壓，保護igbt的安全。6、由于igbt在電力電子設備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離。7、igbt的柵極驅(qū)動電路應盡可能簡單實用，最好自身帶有對igbt的保護功能，并有較強的抗干擾能力。3.4

51、電流檢測裝置電流通過檢測裝置輸入到系統(tǒng)的adc端口，dsp根據(jù)a/d轉(zhuǎn)換的結果和期望值之間進行比較，根據(jù)電流誤差，控制器在每個pwm周期開始對pwm脈沖的占空比進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對各個igbt的開通和關斷進行控制，從而實現(xiàn)對三相繞組中電流的閉環(huán)控制。所以電流傳感器在系統(tǒng)中占有很重要的地位。常見的電流檢測通常有分流器、互感器、霍耳、光纖，表3.2是這幾種檢測裝置之間的比較，如下表：序號 比較類型 分流器 互感器 霍耳 光纖 1 插入損耗 有 無 無 無 2 布置方式 需串入主電路 開孔，導線穿過開孔，導線穿過 3 測量對象 直流、交流、脈沖 交流 直流、交流、脈沖 直流、交流 4 電氣隔離 無隔離 隔離 隔離 隔離 5 精度 一般較低 較低 閉環(huán)型精度高 較高 6 頻帶響應 10mhz 1khz 50khz 1mhz 7 使用方便性 小信號放大 需隔離處理 使用較簡單 使用簡單 8 適用場合 小電流 控制測量 交流測量 電網(wǎng)監(jiān)控 控制測量 高壓測量 電力系統(tǒng)常用 9 價格 較低 低 高 很高 從表中我們可看出：分流器成本低、頻響好但使用麻煩，互感器只能測量交流，霍耳傳感器性能好使用方便但價格稍高。對于大功率開關磁阻電機來說，