【正文】 轉(zhuǎn)速的控制 開關(guān)磁阻電機(jī)有其自己的控制方法，這里仍然針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的線性模型來加以討論，分析其轉(zhuǎn)速控制的方法。這時(shí)由于 ??? /L 為 0，已無旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，相電流也不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，只是在相繞組兩端反向電壓作用下持續(xù)衰減。因此通過合理選擇繞組開通角 on? ，即可使相電流在進(jìn)入有效工作區(qū)域前達(dá)到一定的數(shù)值，以保證在電感上升段產(chǎn)生足夠大的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 若在電感上升區(qū)域 2? ～ 3? 內(nèi)繞組通電，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為正，產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電源提供的電能一部分轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，一部分則以磁能的形式貯存在繞組中；若通電繞組在 2? ～ 3? 內(nèi)斷電，貯存的磁能一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，一部分則回饋給電源，這時(shí)轉(zhuǎn)軸上獲得的仍是電動(dòng)轉(zhuǎn)矩。雖然求解上節(jié)導(dǎo)出的非線性偏微分方程式 ()可得 )(?i 的精確解，但式 ()沒有解析解，只有數(shù)值解，很難計(jì)算。 （ 1） 磁鏈方程 一般來說， SR 電動(dòng)機(jī)的各相繞組磁鏈 k? 為該相電流與自感、其余各相電流以及轉(zhuǎn)子位置角 k? 的函數(shù)，即： ),. ..,. ..( 1 kmkk iii ??? ? （ ） 由于 SR 電動(dòng)機(jī)各相之間的互感相對(duì)自感來說甚小，為了便于 計(jì)算，一般忽略相間互感，因此，磁鏈方程也可簡寫成該相電流和電感的乘積，即： kkkkkkkk iiLi ),(),( ???? ?? （ ） 其中，每相的電感 kL 是相電流 ki 和轉(zhuǎn)子位置角 k? 的函數(shù)，它隨著轉(zhuǎn)子角位置而變化，這正是 SR 電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。顯然，磁鏈隨著轉(zhuǎn)子位置不同而變化的規(guī)律是很復(fù)雜的，采用非線性函數(shù)來擬合磁鏈的變化規(guī)律將是一項(xiàng)很困難的工作?？紤]了非線性的所有因素，雖然可以建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型，但是計(jì)算相當(dāng)?shù)姆爆崱? 圖 雙相起動(dòng)運(yùn)行四相 SR 電動(dòng)機(jī)合成轉(zhuǎn)矩波形 顯然 ，采用雙相起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯減小，平均轉(zhuǎn)矩增大，兩相起動(dòng)時(shí)的最小轉(zhuǎn)矩等于一相起動(dòng)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置不同，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小也不一樣。 電壓 PWM 控制通過調(diào)節(jié)相繞組電壓的平均值，進(jìn)而能間接地限制和調(diào)節(jié)相電流，因此既能用于高速調(diào)速系統(tǒng)，又能用于低速調(diào)速系統(tǒng)。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 一般在低速運(yùn)行時(shí)，將使電機(jī)的開通角 on? 和關(guān)斷角 off? 保持不變，而主要靠控制斬波電流的大小來調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 矩和轉(zhuǎn)速的目的，工作在CCC方式下的斬波電流波形如圖 。 APC控制方式有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： 首先電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大。因此，方便的實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)是開關(guān)磁阻發(fā) 電機(jī)的一大特色。BB? 相繞組與轉(zhuǎn)子磁極 39。并且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電流方向無關(guān)，僅取決于勵(lì)磁順序。通過分析兩路方波信號(hào)的位置狀態(tài)以及對(duì)兩路方波信號(hào)上升、下降沿的捕獲，可以得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的位置角度，可實(shí)現(xiàn)位置信號(hào)的反饋。半數(shù)檢測能節(jié)約成本，在本文位置檢測采用光電位置傳感器，它由裝在 軸上的轉(zhuǎn)盤和裝在定子上的光電傳感器件 01V 和 02V 組成。當(dāng) S S5 導(dǎo)通時(shí)， D1 和 D5 截止，外加電源 SV 加至 A 相繞組的兩端，產(chǎn)生相電流 aI ；當(dāng) S S5 關(guān) 斷時(shí)， A 相繞組產(chǎn) 生的變壓器電壓勢(shì)極性如圖 所示 ，則 D D5 正向?qū)?，電流通過 D D5 及儲(chǔ)能電容 C 續(xù)流， C 將吸收 A 相繞組的部分磁場能量 。主開關(guān)元件的額定工作電壓為 (1＋ D) SV ，采用電容裂相以后，電源電壓利用率降低，主開關(guān)元件的電流為圖 中的兩倍 (同功率情況下 )。 (1)電機(jī)雙繞組型 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 電機(jī)雙繞組型 圖 所示是早期使用的雙繞組結(jié)構(gòu)，通常主副繞組采用雙線并繞的形式， 以得到最大的互感系數(shù)，主繞組開關(guān)元件 S 斷開后，主繞組的能量通過互感傳到副繞組 ，再通過二極管續(xù)流。由于 SRD 功率變換器只需要給電動(dòng)機(jī)提供單方向電流，故它比異步電動(dòng)機(jī) PWM 變頻器簡單、可靠。 功率變換器向 SRM 提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。因此更理想的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該為 ： ① 能夠獨(dú)立、快速又精確地對(duì) SR 電機(jī)各相相電流進(jìn)行控制 。如采用傳統(tǒng)的 PI 調(diào)節(jié)器，以斬波電流限為控制變量，實(shí)現(xiàn)了 SR 電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。鐵損耗分析的目的是建立準(zhǔn)確、實(shí)用的鐵損耗計(jì)算模型和分析、測試手段，以及從電機(jī)、電路結(jié)構(gòu)和控制方案著手，研究減少損耗、提高效率的措施。既增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本，降低了可靠性，同時(shí)又給安裝、調(diào)試帶來了不便。 15%。且電機(jī)起動(dòng)時(shí)，只需從電源側(cè)提 供較少的電流，就能在電動(dòng)機(jī)側(cè)得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在定子方面，它只有幾個(gè)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(jié)構(gòu)簡單，并且發(fā)熱大部分在定子，易于冷卻 ； 其次，電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與相電流方向無關(guān)，在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)均具有高輸出和高效率 ；再次， 電機(jī) 起 動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可靠性高，能適用于危險(xiǎn)的環(huán)境，且控制方式很靈活。比如，使用 SRD 驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，泵類、壓縮機(jī)等，可在很大速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行，可明顯地節(jié)能，并在短期內(nèi)收回成本。另外 SRD Ltd. 研制了一種適用于有軌電車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，到 1986 年已運(yùn)行 500km。 本文首先介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (SRD)的發(fā)展 史 、 優(yōu)點(diǎn) 、 研究方向以及 應(yīng)用， 狀況，并對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和電磁原理進(jìn)行了闡述， 從基本的電磁規(guī)律出發(fā)，說明 SRD 的原理及相關(guān)理論。并利用數(shù)學(xué)模型建立 SRD 系統(tǒng)的模型、 SRM 的模型、電流控制器模型、逆變器模型、角度控制模型，并通過 MATLAB 進(jìn)行仿真，比較分析仿真波形與理想數(shù)學(xué)模型的差距。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，在電氣傳動(dòng)界引起不小的反響。經(jīng)濟(jì)型小功率 SRD 也有著廣闊的市場。 (2) SRD 系統(tǒng)中功率電路結(jié)構(gòu)簡單可靠 SR 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流的方向無關(guān)，只需單方向來對(duì)繞組供電，故功率電路結(jié)構(gòu)簡單，可以做到每相只需一個(gè)功率開關(guān)器件。 (4) SRD 系統(tǒng)可控參數(shù)多，控制方式簡單 控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的主要常用方法有以下幾種 ： 控制相繞組電壓，控制相電流幅值，控制開通角、關(guān)斷角。由轉(zhuǎn)矩 波動(dòng) 所導(dǎo)致的嗓聲及特定頻率下的諧振問題也較為突出。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者開始研究無位置檢測方案，如電流波形檢測及由此變形而來的非通電相加瞬間脈沖激勵(lì)的電感簡化計(jì)算、狀態(tài)觀測器檢測、利用相磁鏈 、相電流與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系解算轉(zhuǎn)子位置、利用相間互感與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系檢測、電容式位置檢測技術(shù)、加測試線圈的檢測等方案。 (5)振動(dòng)和噪聲研究 包括從電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和控制器軟、硬件兩方面來提高系統(tǒng)效率、降低噪音和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)， 加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及噪聲的理論研究。一些現(xiàn)代的控制理論和方法在 SR 電機(jī)的控制中也得到了應(yīng)用，如模糊控制、模糊控制與 PI 控制結(jié)合在一起的混合式調(diào)節(jié)、滑模控制，自適應(yīng)控制、線性回饋控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 ② 磁場儲(chǔ)能盡可能地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，當(dāng)向電源回饋時(shí)應(yīng)高效、快速 。由于 SRM 繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路非常簡單，其結(jié)構(gòu)形式與 SR 電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、繞組形式有關(guān)，功率變換器的結(jié)構(gòu)和開關(guān)器件的選擇直接影響到 SRD 系統(tǒng)的性能和成本。然而， SR 電機(jī)的工作電流、電壓波形系統(tǒng)的運(yùn)行條件及電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的制約，很難準(zhǔn)確預(yù)料。該電路主開關(guān)元件的額定工作電壓為 2(1+D)SV ，其中 SV 是整流橋輸出的峰值電壓， D 是開關(guān)元件關(guān)斷時(shí)的過電壓系數(shù)，功率變換器的伏安容量為 2m(1+D)mI ， m 為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)， mI 為電動(dòng)機(jī)的峰值電流。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 電容裂相型 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機(jī)的幾種功率變換器拓?fù)涞男阅芊治?[J]電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 , 1995.） 圖 H 橋型功率變換主電路 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機(jī)的幾種功率變換器拓?fù)涞男阅芊治?[J]電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 , 1995.） (3) H 橋型 圖 H 橋型功率變換主電路，這一電路可認(rèn)為是上述電容裂相型電路取消了電容器分壓構(gòu)成的雙電源，并將電動(dòng)機(jī)四相繞組中點(diǎn)浮空而形成的。 圖 不對(duì)稱半橋功率變換主電路 （資料來源： 張全柱 ,郝榮泰 ,鄧新華 .開關(guān)磁阻電機(jī)的幾種功率變換器拓?fù)涞男阅芊治?[J]電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 , 1995.） 這種不對(duì)稱半橋型線路具有如下的特點(diǎn)： (1)各主開關(guān)管的電壓定額為 Vs ； (2)由于主開關(guān)管的電壓定額與電動(dòng)機(jī)繞組的電壓定額近似相等，用足了主開關(guān)管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電 流； (3)由于每相繞組接至各自的不對(duì)稱半橋，每相需要兩個(gè)主開關(guān)管和兩個(gè)二極管，相與相之間是完全獨(dú)立的，故這種結(jié)構(gòu)對(duì)繞組相數(shù)沒有任何限制，適合任意相數(shù)電機(jī)，不存在上、下橋臂直通的故障隱患。轉(zhuǎn)盤固定在轉(zhuǎn)子軸上，具有與轉(zhuǎn)子凸極和凹槽數(shù)相等的凸齒和凹槽，而且它們成均勻分布結(jié)構(gòu)都為 030 ，即外弧的弧長相等；光電傳感器件由光發(fā)生部件和光敏三極管接受電路組成，固定在定子或者機(jī)殼上轉(zhuǎn)盤與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)盤的遮光、透光使光敏元件產(chǎn)生導(dǎo)通和關(guān)斷信號(hào)。同時(shí)，利用兩路信號(hào)上升、下降沿的捕獲，運(yùn)用 T 方法 (測出相鄰的兩個(gè)捕獲信號(hào)之間的間隔時(shí)間來計(jì)算轉(zhuǎn)速的方法 )，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)速度信號(hào)的反饋。對(duì)于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)來說，其一個(gè)通電周期可分為兩個(gè)階段，即勵(lì)磁階段和發(fā)電階段，且以發(fā)電階段為主。22?軸線重合，此時(shí)給定子 AA?’ 相繞組通電 ，即開關(guān) 1K 、 2K 閉合，該相通過直流電源 U進(jìn)行勵(lì)磁。此外，在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子的受力方向與繞組通電的方向無關(guān)，僅取決于通電順序，這也是開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)不同于一般交流電機(jī)之處。假設(shè)定義電流存在區(qū)間 t占電流周期 T的比例 :tT為電流占空比，則在極端情況下，角度位置控制的電流占空比的變化范圍幾乎從 0100%，電流的大小直接影晌著轉(zhuǎn)矩的大小，因此轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的范圍將很大。 圖 CCC 方式下的斬波電流波形 在 on??? 時(shí)，功率電路開關(guān)元件接通 (稱相導(dǎo)通 )，繞組電流 i 從零開始上升，當(dāng)電流達(dá)到斬波電流上限值 i 時(shí)，切斷繞組電流 (稱斬波關(guān)斷 )，繞組承受反壓，電流快速下降。電壓 PWM 控制法雖然簡單，但調(diào)速范圍較小。假設(shè) A,D 相中相繞 組導(dǎo)通產(chǎn)生的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相同，且此時(shí)為正向轉(zhuǎn)矩，電機(jī)為正轉(zhuǎn)向，如要改變電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)向，應(yīng)給 B, C 相中任一相繞組通電，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。與單相起動(dòng)方式相比，帶負(fù)載起動(dòng)能力明顯增強(qiáng)了。因此，在性能分析和求解建立數(shù)學(xué)模型時(shí)不得不在實(shí)用與理想之間尋求一種折衷的處理方法。且 針對(duì)一般擬合的函數(shù)，繞組的電流、電感等是也無法用簡單的解析表達(dá)式來進(jìn)行表示。 （ 2） 電壓方程 由基爾霍夫定律可列寫出第 k 相回路電壓平衡方程。為弄清電機(jī)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系，有必要從簡化的線性模型，也就是上節(jié)所說的理想線性模型開始進(jìn)行分析研究，若不計(jì)電動(dòng)機(jī)磁路飽和的影響，假定相繞組的電感與電流的 大小無關(guān)，且不考慮磁場邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，這時(shí)，相繞組的湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 電感隨轉(zhuǎn)子位置角 ? 周期性變化的規(guī)律可用圖 說明。在最大電感為常數(shù)的區(qū)域 3? ～ 4? 內(nèi)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為 0，如果電流繼續(xù)流動(dòng)，繞組磁能則僅回饋給電源，轉(zhuǎn)軸上沒有電磁轉(zhuǎn)矩；最后，若電流在電感下降區(qū)域 4? ～ 5? 內(nèi)流動(dòng)，因旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這 時(shí)回饋給電源的能量既有繞組釋放的磁能，也有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)械能，即 SR 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在再生發(fā)電狀態(tài)。 （ 2）在 2? 到關(guān)斷角 of? 區(qū)段， )()( 2m in ??? ??? KLL ，將 ()所推出的結(jié)果)()()( m in22 LUi ons ???? ?? 作為該區(qū)段的初值條件，結(jié)合式 ()解得： ? ?)( )()( 2m in ??? ??? ?? ?? KL Ui onS （ ） 對(duì)應(yīng)的電流變化率為： ? ?? ?22m in2m in )( )( ??? ??? ?? ???? KL KLUddik onsi （ ） 上式表明，若 KLon /m in2 ?? ?? ，則 0?ik ，電流將在電感上升區(qū)域內(nèi)下降，這時(shí)因?yàn)?on? 較小，電流在 2? 處將有相當(dāng)大的數(shù)值，使旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)引起正壓降超過了電源壓降 。 （ 5）在 4? 到 5? 區(qū)段， )()( 2m in ??? ??? KLL ，同理易得繞組電流表達(dá)式為： )]([ )2()( 2m in ??? ???? ?? ??? KLUi onof fs () 顯然，當(dāng) onoff ??? ?? 2 時(shí)，相電流己衰減至零。 將上面得到的式 ()表示的繞組電流代入式 ()中，得到： ??? ??? LfUT s )(21 222 （ ）